基于15N示蹤技術(shù)的不同灌水方案玉米追肥氮素去向研究

張忠學(xué) 陳帥宏 陳 鵬 劉 明 尚文彬

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

黑龍江省是全國重要的玉米生產(chǎn)基地之一，玉米播種面積占全國玉米總播種面積的10%，產(chǎn)量占全國玉米總產(chǎn)量的9%。肥料氮素是玉米生產(chǎn)過程中必需的營養(yǎng)元素，但目前我國氮肥利用率僅在35%左右[1]。由于東北地區(qū)氣溫較低，養(yǎng)分礦化速率慢，肥效較長，因此在玉米生產(chǎn)上，當?shù)剞r(nóng)民普遍采用一次性施用基肥而不施用追肥的施肥方式。但該地區(qū)土壤基本為黑土或黑鈣土，土壤有機質(zhì)含量較高，且隨著生產(chǎn)力的提高，作物需氮總量逐年增加，使得玉米生育前期氮素用量偏大，而后期出現(xiàn)缺肥的情況，當前東北玉米種植區(qū)的氮肥損失率高達55%[2-3]。研究表明，在相同施氮量下增加追肥比例能夠促進植株生育后期對氮素的吸收積累，提高氮素向果實中的轉(zhuǎn)運率，增加果實產(chǎn)量；同時隨追肥用量的增加，作物吸收利用肥料氮的比例增大，對土壤氮的吸收比例減小[4-5]。氮素的運輸是隨土壤中水分運移進行的，灌水量、灌水強度、灌水頻率對氮肥利用率、土壤殘留率和氮素損失率有較大影響[6]，因此在保證玉米高產(chǎn)和籽粒品質(zhì)穩(wěn)定的前提下，找出有助于氮素優(yōu)化分配的灌水方案，以實現(xiàn)節(jié)水增效和減少氮肥損失的有機統(tǒng)一是東北地區(qū)節(jié)水灌溉研究的必然要求。

作物吸收積累的氮素來源于肥料氮素、土壤氮素以及大氣氮沉降[7]等多個方面。相關(guān)學(xué)者對作物肥料利用特性的研究多集中在差值法上[8-9]，但由于肥料氮會對土壤氮素產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[10-11]，因此利用差值法得出的肥料利用率會較實際值偏大。在玉米生育期施用15N標記的尿素可以有效地確定植株中來源于肥料、土壤氮的含量，為平衡施氮量和作物生長期內(nèi)需氮量提供必不可少的信息[12]。15N示蹤技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于相關(guān)農(nóng)業(yè)研究之中，在水稻、小麥、玉米等糧食作物和葡萄等水果上已普遍得到運用。林晶晶等[13]研究發(fā)現(xiàn)，水稻全生育期吸收積累的氮素中，基肥的貢獻占4.13%～10.59%，蘗肥占3.98%～11.75%，穗肥占13.32%～37.56%，土壤的貢獻在45.71%～70.83%之間。沈其榮等[14]研究發(fā)現(xiàn)，小麥地上部分對葉面施用尿素的氮吸收率為54.5%～68.9%，玉米全株對葉面施用氮素的吸收率為59.9%～75.3%，且隨生育期的推進，2種作物對葉面施用氮素的吸收率均逐漸增加。趙豐云等[15]等通過對葡萄幼苗進行根際注氣研究得出，根際注氣處理能夠促進葡萄新生部位對硝態(tài)氮的吸收，同時抑制植株吸收銨態(tài)氮。相對于水稻、小麥等作物，15N示蹤技術(shù)在玉米方面的研究報道較少，且大部分研究集中在水氮互作條件下植株氮素吸收分配規(guī)律以及施用氮肥后土壤氮在植株中貢獻率的變化等方面[16-17]，而灌溉條件下水分變化對玉米生產(chǎn)中追肥氮素去向的影響研究鮮有報道。

本文采用田間設(shè)置微區(qū)試驗的方法，通過在玉米拔節(jié)期施用15N標記尿素，研究不同灌水方案下玉米對追肥氮素的吸收、分配規(guī)律和氮肥利用率，以及玉米收獲后追肥氮素的殘留和損失情況，旨在進一步解釋不同灌水量和灌水頻次下追肥氮素在植株內(nèi)部的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，找出符合東北地區(qū)玉米節(jié)水、高產(chǎn)要求，同時能夠獲得更高氮素利用率和更低氮素損失率的灌水方案，為該地區(qū)玉米生產(chǎn)提供理論支撐和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在黑龍江省大慶市肇州縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心進行。位于黑龍江省西南部(125°17′57.70″E，45°42′57.50″N)，松嫩平原腹地，屬于大陸性溫寒帶氣候，大于10℃活動積溫2 845℃，無霜期138 d，多年平均降水量為463 mm，本試驗各時期降雨量見圖1。年風(fēng)向多屬于西南風(fēng)和西北風(fēng)，多風(fēng)少雨，十年九春旱。試驗供試農(nóng)田土壤類型為碳酸鹽黑鈣土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)：pH值6.4，耕層土壤(0～20 cm)基礎(chǔ)肥力如下(均為質(zhì)量比)：全氮1.41 g/kg、全磷0.88 g/kg、全鉀19.86 g/kg、有機質(zhì)28.73 g/kg、堿解氮110.17 mg/kg、速效磷44.71 mg/kg、速效鉀220.16 mg/kg。

圖1 玉米各生育階段降雨量Fig.1 Rainfall during maize growth stages

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1小區(qū)試驗

試驗采用灌水定額和灌水次數(shù)2因素試驗，試驗處理方案見表1。灌溉量設(shè)置3個水平，依次為800、700、600 m3/hm2。灌水次數(shù)設(shè)置3個水平，分別為灌水4次(苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期)、灌水3次(苗期、拔節(jié)期、抽雄期)和灌水2次(苗期、拔節(jié)期)。試驗共計9個處理，以不灌水作為空白對照，3次重復(fù)，共計27個試驗小區(qū)。小區(qū)采用隨機區(qū)組布置，每個小區(qū)面積為104 m2(10 m×10.4 m)，試驗區(qū)總面積為0.41 hm2。試驗區(qū)每公頃保苗67 500株，每小區(qū)16條壟，壟寬65 cm，植株間距23 cm，保護區(qū)寬度5 m，保護行寬1 m。

表1 試驗處理設(shè)計Tab.1 Design of experimental treatments

試驗玉米品種為當?shù)馗弋a(chǎn)品種“大龍568”，于2017年4月21日施基肥，4月28日播種，6月13日進行苗期灌水，7月5日進行拔節(jié)期追肥和灌水，7月24日進行抽穗期灌水，8月25日進行灌漿期灌水，到9月25日成熟期結(jié)束，全生育期共150 d。4次灌水均在各生育階段開始10～15 d進行，若該時段出現(xiàn)降雨，則灌水延后數(shù)日進行。試驗所用的肥料為尿素(含氮質(zhì)量分數(shù)46%)、磷酸二銨(含氮質(zhì)量分數(shù)18%，含磷質(zhì)量分數(shù)46%)和硫酸鉀(含鉀質(zhì)量分數(shù)58%)。各處理的施肥量相同，折算成元素量為施純氮225 kg/hm2，施純磷90 kg/hm2，施純鉀90 kg/hm2，磷肥和鉀肥全部作為基肥一次性施入，氮肥按照基肥∶拔節(jié)肥為2∶1的比例分施，各試驗小區(qū)基肥尿素施用量為2.60 kg，采用人工方式將基肥均勻撒入壟溝中。

試驗灌水方式為噴灌，采用5983型搖臂式噴頭(噴灑半徑9.0～14.0 m，流量0.74～1.02 m3/h)，噴頭安裝在長1.5 m的支管上。灌水時將4個噴頭分別布置在小區(qū)四角上，逐一對各小區(qū)進行灌水。為防止各小區(qū)之間發(fā)生水分交換，調(diào)節(jié)噴頭射程略微小于小區(qū)長度，且在各個小區(qū)之間設(shè)置30 cm寬的緩沖區(qū)。灌溉所用水源為當?shù)氐叵滤霉艿滥┒说乃砜刂乒嗨俊?/p>

1.2.2微區(qū)試驗

為了研究不同灌水方案下玉米對追肥氮素的吸收及分配，在上述試驗小區(qū)內(nèi)設(shè)置15N示蹤微區(qū)，每個試驗小區(qū)內(nèi)設(shè)置1個微區(qū)，每個處理下設(shè)3個微區(qū)作為試驗重復(fù)。試驗用微區(qū)采用長0.69 m、寬0.6 m、高0.4 m的無底矩形白鐵皮框，于施用基肥尿素前將鐵皮框埋入各個小區(qū)中，埋深至犁底層(深約30 cm)。為防止灌水后肥料的橫向流失，鐵皮框高出地面10 cm左右。微區(qū)內(nèi)尿素采用上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)的15N標記尿素(豐度10.22%)，施用時將肥料溶于500 mL蒸餾水中，并用噴壺均勻噴灑在微區(qū)內(nèi)，微區(qū)外使用普通尿素。氮肥、磷肥和鉀肥施用量、灌水方案、灌水方式以及其余田間管理等同于微區(qū)所在試驗小區(qū)。

1.3 觀測內(nèi)容與方法

1.3.1植株、土壤全氮含量與植株干物質(zhì)量

于玉米成熟期從每個微區(qū)中取3株玉米，將地上部分分為葉片、莖稈、苞葉、籽粒和穗軸5部分，裝入樣品袋中，在105℃下殺青30 min，然后在70℃條件下干燥到質(zhì)量恒定并稱量各器官干物質(zhì)量。于玉米收獲后利用土鉆在微區(qū)中鉆取土樣，取土深度為80 cm，分為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，共4層，將取出的土樣自然陰干。將干燥后的植株和陰干后的土壤樣品分別進行研磨，過80目篩后各自裝入樣品袋中密封保存。樣品全氮含量采用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型連續(xù)流動分析儀(Seal Analytical GmbH, 德國，靈敏度0.001 AUFS)測定。

1.3.2氮原子百分比

穩(wěn)定同位素參數(shù)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部水資源高效利用重點實驗室內(nèi)進行測量，采用元素分析儀(Flash 2000 HT型)和同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美國)聯(lián)用的方法測定成熟期各器官中15N豐度。

植株中來自追肥氮的百分含量(Ndff)根據(jù)YANG等[18]的方法計算

(1)

式中a——微區(qū)內(nèi)植株樣品的15N豐度，%

b——相同處理自然條件下15N豐度，%

c——15N標記尿素中15N豐度，%

d——自然15N豐度標準值(0.366 3%)

植株葉片、莖稈、苞葉、籽粒、穗軸的氮素積累量計算公式為

N(l,s,h,g,c)=W(l,s,h,g,c)N

(2)

式中W(l,s,h,g,c)——植株各器官干物質(zhì)量，下標l、s、h、g、c分別表示葉片、莖稈、苞葉、籽粒和穗軸，g

N——植株各器官含氮率，%

植株各器官積累氮素來自追肥氮素的積累量(15N(l,s,h,g,c))計算公式為

15N(l,s,h,g,c)=N(l,s,h,g,c)Ndff

(3)

植株積累氮素來自追肥的總積累量(15Ntotal)為

15Ntotal=15Nl+15Ns+15Nh+15Ng+15Nc

(4)

式中15Nl、15Ns、15Nh、15Ng、15Nc——葉片、莖稈、苞葉、籽粒、穗軸中積累氮素來自追肥的質(zhì)量，g

氮素在各器官中分配比率(NDR)為

(5)

追肥氮素植株吸收率(FNR)計算公式為

(6)

式中Nf——微區(qū)施用標記尿素中15N總量，g

各土層中氮素總量Tsoil計算公式為

Tsoil=γshNsoil

(7)

式中γ——土壤容重，g/cm3

s——土層面積，m2

h——土層厚度，m

Nsoil——土壤含氮率，%

追肥氮素土壤殘留量(NR-soil)計算公式為

(8)

式中e——微區(qū)中土壤樣品的15N豐度,%

追肥氮素土壤殘留率(NR)計算公式為

(9)

追肥氮素損失率(FNL)為

FNL=1-FNR-NR

(10)

1.3.3產(chǎn)量

2017年9月25日進行玉米產(chǎn)量測算，按照對角線原則從每個試驗小區(qū)中隨機選取5個測點，取樣在微區(qū)外進行，每個測點連續(xù)選取5株玉米分別測量單株穗長、穗粗、單株穗質(zhì)量、禿尖長度和百粒鮮質(zhì)量。

氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)計算公式為

(11)

式中Y——玉米籽粒產(chǎn)量(鮮質(zhì)量)，kg/hm2

Ntotal——玉米全生育期總施氮量，kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2013對試驗數(shù)據(jù)進行收集與整理，運用SPSS 19.0(SPSS，Chicago，IL，美國)對不同處理之間各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan多重比較方法進行各處理的顯著差異性分析，最后利用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水方案下玉米籽粒產(chǎn)量、地上部干物質(zhì)總積累量和氮素總積累量

由表2可知，不同灌水處理下玉米籽粒產(chǎn)量和地上部干物質(zhì)量變化范圍分別為14 180.43～18 881.04 kg/hm2和18 730.98～28 744.37 kg/hm2，在灌水次數(shù)相同情況下，不同處理之間玉米地上部干物質(zhì)量均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)，且各處理均顯著大于CK處理。在灌水4次和2次的情況下，玉米地上部干物質(zhì)量均隨灌水量的降低而減小，但是當灌水次數(shù)為3次時，在中等灌水量情況下，即灌溉定額為700 m3/hm2所對應(yīng)的L5處理玉米產(chǎn)量和地上部干物質(zhì)量均最大。在灌溉定額相同的情況下，各處理之間玉米地上部干物質(zhì)量未表現(xiàn)出顯著差異，說明玉米地上部分干物質(zhì)積累主要受到灌溉定額的影響，而對于灌水次數(shù)的變化不敏感。

成熟期玉米地上部氮素總積累量、追肥15N總積累量分別為146.30～344.36 kg/hm2和12.12～40.94 kg/hm2，其中籽粒氮素總積累量占植株氮素總積累量的45.50%～68.80%。不同灌水處理下成熟期玉米地上部氮素總積累量的8.14%～13.21%來自于追肥氮素，各處理之間15N占比差異顯著且均顯著高于CK處理(P<0.05)。在灌溉定額相同條件下，灌水4次和3次時處理之間氮素總積累量和肥料15N積累量未表現(xiàn)出顯著差異，且均與灌水2次的情況差異顯著(P<0.05)，表明在抽雄和灌漿期進行灌水有利于玉米植株吸收積累氮素。成熟期玉米地上部分氮素總積累量和追肥15N積累量的變化規(guī)律基本一致。在灌水4次和3次的條件下，植株氮素總積累量和追肥15N總積累量均在灌溉定額800 m3/hm2時出現(xiàn)最大值，但灌水2次時，處理L8的氮素總積累量和追肥15N總積累量最大。結(jié)果表明在苗期和拔節(jié)期大量灌水，但在玉米生育中后期尤其是在抽雄期嚴重缺水的情況對植株吸收積累氮素的抑制作用較為顯著，雖然處理L7的籽粒產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力均高于處理L8和處理L9，但玉米營養(yǎng)物質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)化均受到影響，不利于提高果實的品質(zhì)。

表2 不同處理下成熟期玉米籽粒產(chǎn)量、地上部干物質(zhì)量、氮素總積累量和追肥15N積累量Tab.2 Grain yield，dry matter accumulation，total N and fertilizer 15N accumulation of maize overground under different treatments at maturity

注：同一列不同小寫字母表示處理之間在P<0.05水平差異顯著，下同。

2.2 不同灌水方案下成熟期玉米各器官對追肥氮素的吸收分配

圖2 不同處理成熟期追肥15N總積累量在玉米各器官中的分配百分比和各器官中15N積累量占該器官氮素總積累量百分比Fig.2 Distribution of fertilizer 15N, percentage of 15N to total N accumulation in maize organs under different treatment at maturity

由圖2a可知，追肥15N在玉米各器官中的分配比例差異較大，在不同灌水處理下，成熟期玉米地上部積累的15N中有10.50%～27.73%分布在葉片中，3.02%～9.48%分布在莖稈中，5.22%～15.53%分布在穗軸中，苞葉中積累的15N最少，僅占總體的0.53%～2.35%，而籽粒中積累的追肥15N最多，占比47.95%～74.40%。在3種灌水次數(shù)水平下，成熟期玉米籽粒中追肥15N所占比例均隨灌溉定額的減少呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢。在圖2b中，不同灌水處理下玉米籽粒積累的總氮素量中來自追肥氮素的比例為4.80%～9.83%，葉片積累氮素總量的1.03%～2.86%來自追肥氮素，其余器官總氮素積累量中來源于追肥氮素的比例較小，為0.06%～1.78%。在灌水4次和2次的情況下，籽粒氮素總積累量中追肥15N占比隨灌溉定額減小均呈先減后增拋物線趨勢變化，而灌水3次時，籽粒中追肥15N占比隨灌溉定額減小呈先增后減趨勢變化，總體而言，隨著灌水次數(shù)的減少，玉米籽粒中追肥15N積累量占其氮素總積累量的比例逐漸減小。

結(jié)合圖2和表2可知，在灌水次數(shù)為2次，灌溉定額為800、700 m3/hm2所對應(yīng)的處理L7、L8中，成熟期玉米籽粒氮素積累量分別僅比CK處理高出了15.01%、15.92%，遠小于其余各處理籽粒氮素積累量高出CK處理的平均值61.71%(表2)，在灌水2次情況下，穗軸15N積累量占植株積累15N總量百分比處于較高水平，尤其處理L8中穗軸15N積累量占比顯著大于其余各處理(圖2a)，且該處理中籽粒15N占氮素總積累量的比例以及其占植株追肥15N總積累量的比例均顯著小于CK處理，說明在玉米苗期和拔節(jié)期灌水量過大且在抽雄期和灌漿期缺水對植株吸收追肥氮素以及肥料氮素向籽粒進行轉(zhuǎn)移等過程均產(chǎn)生了較為顯著的不利影響，因此應(yīng)在玉米抽雄和灌漿兩個時期進行補充灌水以提高追肥氮素向籽粒轉(zhuǎn)化率，提高追肥氮素利用效率。

2.3 不同灌水方案下植株對追肥氮素的吸收率

由表3可知，不同處理玉米成熟期植株15N總吸收率為19.16%～64.72%，各處理吸收率均顯著高于CK處理(P<0.05)。在灌溉定額相同的情況下，處理L1、L2的植株15N總吸收率較處理L4、L5高出21.86%、10.95%，處理間差異顯著(P<0.05)，同時處理L4、L5的15N總吸收率顯著較處理L7、L8高出142.07%、40.27%，處理間差異顯著(P<0.05)。在灌水2次的情況下，植株15N總吸收率隨灌溉定額增加顯著下降，且處理L9的15N總吸收率顯著高于處理L6，但低于處理L3，表明在玉米生育后期尤其是灌漿期進行灌水可提高追肥氮素吸收率，但是在苗期和拔節(jié)期灌水量過大會顯著降低氮肥的吸收率。

不同灌水處理下成熟期玉米籽粒的15N吸收率為11.29%～47.17%，在灌溉定額為600 m3/hm2，灌水次數(shù)為4次的情況下籽粒對追肥15N的吸收率最高，為47.17%。灌水4次和3次情況下各處理籽粒15N吸收率均顯著大于CK處理(P<0.05)，但灌水2次時，處理L7的籽粒15N吸收率與CK處理差異不顯著，且隨灌水量增加呈逐漸較小趨勢。其余各部位追肥15N吸收率為0.29%～8.87%，各處理莖稈和穗軸的15N吸收率均顯著大于CK處理，但L7處理的葉片15N吸收率顯著小于CK處理，且該處理苞葉15N吸收率與CK處理差異不顯著。表明在玉米生育后期進行灌水會促進追肥氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移，在生育前期灌水量過大會顯著降低籽粒對追肥15N的吸收率。在灌水4次情況下，處理L1的植株15N總吸收率略微大于處理L3，同時L1處理的籽粒對15N的吸收率略微小于L3處理，差異均不顯著。

表3 不同處理下成熟期玉米全植株以及不同器官15N吸收率Tab.3 15N recovery of whole plant and different organs of maize under different treatments at maturity %

2.4 不同灌水方案下追肥15N土壤殘留及損失

由圖3可知，不同灌水方案下玉米收獲后0～80 cm土層中追肥15N總殘留量為5.57～15.87 kg/hm2，其中CK處理的15N總殘留量最大，L7處理的總殘留量最小。隨著灌水次數(shù)的減少，土壤15N殘留量逐漸減少，這是由于單次灌水量過大會產(chǎn)生深層滲漏，使得土壤氮素隨下滲水分淋失。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 4個土層的15N殘留量分別占總殘留量的37.62%～66.36%、15.12%～26.04%、11.81%～25.14%、4.45%～16.75%，其中0～60 cm土層中15N殘留量占總殘留量的83.25%～95.55%，而60～80 cm土層中15N殘留量僅占總殘留量的4.45%～16.75%。不同灌水處理下，0～20 cm和20～40 cm土層15N殘留量變化規(guī)律基本一致，均隨灌水次數(shù)的減少呈逐漸減小趨勢。在0～20 cm土層，灌水4次和2次的情況下，處理之間土壤15N殘留量差異顯著(P<0.05)，但在灌水3次時差異未達到顯著水平。在20～40 cm土層，灌水3次和2次情況下，處理間土壤15N殘留差異顯著(P<0.05)，灌水4次時差異未達到顯著水平。在40～60 cm土層，僅有少量處理之間的15N殘留量差異達到顯著水平(P<0.05)，在60～80 cm土層，各處理之間15N殘留量差異均不顯著，說明施用氮肥對40 cm以下土層的氮素水平影響較小，對60 cm以下土層基本不產(chǎn)生影響。

圖3 玉米收獲后不同土層追肥15N殘留量Fig.3 Residual 15N in different soil layers after maize harvest

圖4 玉米收獲后土壤15N殘留率和追肥15N損失率Fig.4 Residual rate and loss rate of 15N after maize harvest

由圖4可知，各處理在0～80 cm土層追肥總殘留率和損失率呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(R=-0.920，P<0.01)。各處理土壤15N殘留率為8.81%～24.89%，其中處理L7的殘留率最小，損失率最大，損失率達到了69.25%，處理L1的損失率最小，僅為12.16%。在灌溉定額相同的情況下，肥料15N損失率隨灌水次數(shù)增加呈逐漸減小趨勢，相應(yīng)的土壤中15N殘留率逐漸增大。結(jié)果表明在施肥后灌水量過大會產(chǎn)生水分的深層滲漏，使得大量氮素隨水分淋溶損失；在玉米全生育期適當增加灌水次數(shù)，合理控制單次灌水量，增加土壤對肥料氮素的吸收率，減少追肥氮素損失率，有助于維持土壤氮庫平衡。

3 討論

余衛(wèi)東等[19]發(fā)現(xiàn)，苗期和拔節(jié)期淹水對玉米的影響較為顯著，連續(xù)淹水3 d，玉米產(chǎn)量顯著下降。本研究中，全生育期灌水2次的條件下，產(chǎn)量同樣出現(xiàn)大幅度下降，3個處理平均產(chǎn)量較4次灌水和3次灌水分別降低16.84%、15.96%。這是因為苗期淹水脅迫抑制了植株吸收水分和養(yǎng)分的能力，并且干物質(zhì)過多地向穗部轉(zhuǎn)移，降低了籽粒干質(zhì)量[20]。這與馬玉平等[21]對黃淮海地區(qū)玉米的研究結(jié)果一致。研究證明將灌溉水量較為均衡地分配給玉米生長的各個時期內(nèi)，尤其是在抽雄—乳熟期期間進行適量的補充灌水有利于玉米的生長發(fā)育，促進產(chǎn)量的形成，達到高產(chǎn)的目的。前人研究發(fā)現(xiàn)，成熟期玉米籽粒氮素分配約占到植株氮素總積累量的2/3左右[22]，在本研究中，玉米成熟期不同灌水處理籽粒中氮素積累量占植株氮素總積累量的45.50%～68.80%，且隨著灌水次數(shù)的減少呈逐漸減小趨勢，說明在灌溉定額不變的情況下，適當?shù)脑黾庸嗨螖?shù)，尤其是在玉米抽雄期適當?shù)剡M行灌水有助于氮素向籽粒中轉(zhuǎn)移，提高氮肥生產(chǎn)率。這與苗文芳等[23]對華北平原夏玉米的研究結(jié)果一致。這是因為玉米抽雄—乳熟期是營養(yǎng)生長和生殖生長最為旺盛的時期，植株對水分需求逐漸增加，然而在灌水2次情況下，抽雄期和灌漿期玉米會出現(xiàn)水分虧缺狀況，抑制了根系從土壤中吸取水分的能力，植株運輸?shù)剡M入果實中的能力大幅下降，從而抑制了營養(yǎng)物質(zhì)向果實中進行轉(zhuǎn)移。同時玉米承受淹水的能力較弱[24]，因此在灌溉定額固定，僅灌水2次情況下，玉米生育前期植株處于一段時間的淹水狀態(tài)，淹水過后植株吸收養(yǎng)分的能力減弱，從而導(dǎo)致產(chǎn)量大幅減少。

本研究采用15N示蹤技術(shù)，對不同灌水方案下玉米對追肥氮素的吸收分配情況進行了試驗研究，結(jié)果表明玉米成熟期地上部分積累氮素總量的8.14%～13.21%來自于追肥氮素，同時植株對追肥的總利用率為19.16%～64.72%，并且處理L7的追肥利用率僅高出CK處理1.76%，這是因為單次灌水量過大只是增加了氮素淋溶損失，對植株吸收利用肥料氮素未產(chǎn)生積極影響[25]。翟丙年等[26]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉對小麥吸收利用氮素的影響不僅體現(xiàn)在灌水量上，同時與灌水量在作物各個生育期內(nèi)的分配有關(guān)。在本研究中，灌溉定額不變的情況下，植株氮素總積累量和追肥15N總積累量均隨灌水次數(shù)的減少呈逐漸減小趨勢，同時籽粒氮素積累量和15N積累量也呈相同趨勢，這是因為在玉米生育前中期分配過多的水量對植株生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響，同時這種影響具有一定的后效作用，抑制了灌漿期植株籽粒的形成以及營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒中進行轉(zhuǎn)移的過程。本研究還發(fā)現(xiàn)，15N在玉米各器官中分配比例由大到小依次為籽粒、葉片、莖稈、穗軸、苞葉，且各器官15N積累量占該器官氮素總積累量比例為4.80%～9.83%，這與張水勤等[27]對玉米的研究結(jié)果基本一致。ICHIR等[28]研究發(fā)現(xiàn)，灌水頻率會影響肥料氮在植株中的再分配，灌水頻率的增加會提高肥料氮在籽粒中的分配比例。本研究發(fā)現(xiàn)，在灌溉定額不變的條件下，隨著灌水次數(shù)的增加，玉米籽粒中15N積累量占植株15N總積累量的比例逐漸增加，但增加幅度較小，除灌水2次外，灌水4次和3次對應(yīng)處理間差異不顯著。玉米生育前期為營養(yǎng)生長階段，灌水2次的情況下，植株處于短暫的淹水狀態(tài)，抑制根系吸收追肥氮素，植株營養(yǎng)器官貯存的氮素減少，同時在玉米生育中后期生殖生長階段，土壤出現(xiàn)缺水狀況，不利于前期貯存的追肥氮素向籽粒中進行再分配[29]，這與孟維偉等[30]的研究結(jié)果類似，說明在玉米生育各個時期合理分配灌水量，尤其是在抽雄期和灌漿期進行適量的補充灌水能夠促進氮素的再分配。此外，本研究中成熟期15N標記尿素在土壤中的殘留率為8.81%～24.89%，損失率為12.16%～69.25%，該結(jié)果與陳平等[31]的研究結(jié)果基本一致，但試驗中15N標記尿素的吸收率為19.16%～64.72%，變化范圍較大，與其研究結(jié)果不太一致，原因依然是不同的灌水方案對玉米吸收肥料氮素影響較大，更精確的灌水能夠進一步提高肥料吸收率。

大量研究表明，作物收獲后會有小部分肥料氮殘留在土壤中，且灌水量、灌水次數(shù)、灌水強度是影響肥料氮殘留量的主要因素[32]。GABRIEL等[33]研究發(fā)現(xiàn)，玉米收獲后約4/5的氮肥殘留在0～40 cm土層中，80 cm以下土層僅占總殘留量的3.7%。在本研究中，玉米收獲后0～60 cm土層中追肥氮殘留量占總殘留量的83.25%～95.55%，僅有4.45%～16.75%肥料氮殘留在60～80 cm土層中，各處理在該土層殘留量差異不顯著。在0～20 cm土層，灌溉定額不變的條件下，增加灌水次數(shù)顯著增加追肥氮在該層土壤中的殘留量，這是因為單次灌水強度大于土壤入滲速率時，會形成優(yōu)勢流，使溶解在水中的氮素隨水分滲漏快速向深層移動，產(chǎn)生淋溶損失。這與ELRICK 等[34]的研究結(jié)果一致，說明適當增加灌水次數(shù)，減少單次灌水量，能夠有效地減少氮肥淋溶損失，同時提高氮肥利用率和土壤殘留率，一定程度上起到維持土壤氮平衡的作用，滿足節(jié)水灌溉的要求。

東北地區(qū)玉米生產(chǎn)長期采用氮肥全部作為基肥一次施用的方法，氮肥前期流失較大，利用效率偏低。相關(guān)研究表明：相較于僅施用基肥氮素，在作物生育期內(nèi)追施氮肥可以顯著增加產(chǎn)量，提高作物地上部干物質(zhì)量和氮素總積累量，同時能夠提高土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性[35-36]。因此在該地區(qū)進行追肥氮素利用及損失研究勢在必行。目前在氮肥利用方面的研究多集中在水肥配施[37-38]和多次施氮[39]等條件下作物吸收利用氮素規(guī)律，對灌水強度影響作物吸收利用追肥氮素的機理仍不明確。野外試驗中研究結(jié)果受到外界溫度[40]、風(fēng)速等環(huán)境因素以及土壤結(jié)構(gòu)等因素的影響較大，本研究僅關(guān)注了灌水量和灌水次數(shù)對玉米吸收利用追肥氮素的影響，不同環(huán)境因素和土壤類型對玉米氮肥利用特性以及土壤氮素殘留的影響需要進一步研究。此外本研究設(shè)置灌水量水平和灌水梯度均較少，未考慮玉米氮肥吸收利用特性發(fā)生突變的水量臨界值，應(yīng)增加梯度以進一步研究節(jié)水灌溉條件下玉米的肥料氮素吸收利用特征，制定出滿足該地區(qū)節(jié)水、省肥、高產(chǎn)要求的最優(yōu)灌水方案。

4 結(jié)論

(1)在灌溉定額不變的條件下，玉米地上部干物質(zhì)量均隨灌水次數(shù)的減少呈逐漸下降趨勢。不同灌水處理下成熟期玉米籽粒氮素積累量、追肥15N積累量分別占兩者總積累量的45.50%～68.80%、47.90%～74.40%。處理L1的籽粒產(chǎn)量以及氮素積累量均最大，處理L3的籽粒追肥15N積累量最大，但與處理L1差異不顯著，綜合考慮玉米產(chǎn)量和籽粒中追肥15N積累量，得出灌溉定額為800 m3/hm2，分別在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期進行灌水，共灌水4次的灌水方案符合玉米節(jié)水、高產(chǎn)同時提高肥料利用率的灌溉要求。

(2)不同灌水處理下成熟期玉米地上部氮素總積累量的8.14%～13.21%來自于追肥氮素，其中成熟期玉米籽粒中積累的追肥15N最多，占比47.95%～74.40%，其余地上部分各器官中15N分配比例由大到小依次為葉片、莖稈、穗軸、苞葉。不同灌水處理下玉米籽粒積累的總氮素量中來自追肥氮素的比例為4.80%～9.83%，其余器官總氮素積累量中來源于追肥氮素的比例很小。隨著灌水次數(shù)的減少，玉米在相同灌溉定額條件下籽粒中追肥15N積累量占其氮素總積累量的比例逐漸減小。

(3)不同灌水處理下玉米成熟期植株15N總吸收率為19.16%～64.72%，其中成熟期玉米籽粒的15N吸收率為11.29%～47.17%，其余各部位追肥15N吸收率為0.29%～8.87%。處理L1的植株15N總吸收率最大，為64.72%，處理L3的籽粒15N吸收率最大，為47.17%，但在兩個處理之間差異均不顯著。在灌水2次的條件下，植株15N總吸收率隨灌溉定額增加顯著下降，表明在生育前期單次灌水量過大會抑制玉米吸收肥料氮素，降低氮肥吸收率。

(4)玉米收獲后8.81%～24.89%的追肥氮素殘留在土壤中，其中83.25%～95.55%的15N殘留在0～60 cm土層中，60 cm以下15N殘留量僅占4.45%～16.75%，并且施用氮肥對40 cm以下土層中氮素水平影響較小，對60 cm以下土層的氮素水平基本不產(chǎn)生影響。隨著灌水次數(shù)的減少，土壤15N殘留量逐漸減少，追肥損失率大幅度增加，因此在灌溉定額不變的情況下，單次灌水量過大會造成土壤中氮素的淋溶損失，適當增加灌水次數(shù)，減少單次灌水量能夠有效地降低氮肥損失，提高肥料氮素殘留率，在一定程度上起到維持土壤氮平衡的作用。