干旱區(qū)降解地膜覆蓋農(nóng)田硝態(tài)氮遷移與利用特征研究

李仙岳 冷 旭 張景俊 胡小東 樊小芹

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)烏蘭布和灌域管理局工程科， 磴口 015200)

0 引言

氮素是作物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是作物體內(nèi)蛋白質(zhì)、酶以及核酸等構(gòu)成的主要成分，因此氮素與水資源均是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。目前我國(guó)氮肥使用量達(dá)到2 400萬t，居世界第一，同時(shí)每年在以0.30%的速度增長(zhǎng)[1]。由于不合理的施肥模式，我國(guó)氮肥平均有效利用率僅為35%[2]左右，大量氮素以硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的形式隨灌溉水進(jìn)入土壤和地下水，導(dǎo)致淺層地下水污染、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化及面源污染[3]。在干旱寒冷地區(qū)，覆膜是主要的農(nóng)業(yè)耕作措施，對(duì)增溫、保墑等均具有重要意義[4]，如內(nèi)蒙古河套灌區(qū)目前覆膜面積已達(dá)52萬hm2，覆膜率超過90%[5]。目前農(nóng)用地膜主要采用聚乙烯材料，在自然條件下難以降解，多年連續(xù)使用會(huì)導(dǎo)致大量“白色污染”，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。降解地膜可根據(jù)作物生長(zhǎng)的特性，通過工藝配比調(diào)控降解誘導(dǎo)期，在保溫、保墑的同時(shí)，經(jīng)光、土壤微生物等降解為CO2和H2O，對(duì)生態(tài)和綠色農(nóng)業(yè)具有重要意義[6-7]。

諸多學(xué)者已經(jīng)對(duì)降解地膜覆蓋條件下保溫、保水以及產(chǎn)量的影響效應(yīng)做了大量研究[8-10]，結(jié)果表明，降解地膜在破損前覆膜效應(yīng)與塑料地膜相近，而在作物生長(zhǎng)后期，特別是降解地膜破損較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤蒸發(fā)增加，從而降低保水效應(yīng)與保肥能力，但均明顯高于無膜處理[11]；塑料地膜和降解膜覆蓋均會(huì)提高肥料利用效率和作物產(chǎn)量[12]。在水分充足的條件下，降解地膜覆蓋時(shí)作物各器官的養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、氮肥偏生產(chǎn)力與塑料地膜覆蓋處理無顯著差異，但在播種后240 d，土壤硝態(tài)氮累積量比塑料地膜覆蓋處理減少了34.10%[13-14]。隨著施氮量增加，土壤中的硝態(tài)氮含量也會(huì)明顯增大。如與不施氮處理相比，當(dāng)施氮量提高至100 kg/hm2時(shí)，在0～90 cm土層硝態(tài)氮含量增加至44.3 kg/hm2；當(dāng)施氮量提高至255、330 kg/hm2時(shí)，該層硝態(tài)氮的含量增加至105.0、157.0 kg/hm2[15]。另外，隨著氮肥施用量的增加，土壤中氮淋溶量也會(huì)隨之增大[16]。如當(dāng)玉米施氮量在100 kg/hm2時(shí)，90～210 cm土層硝態(tài)氮含量為117.2 kg/hm2；當(dāng)施氮量提高至255、330 kg/hm2時(shí)，該土層硝態(tài)氮含量分別增至249.7、345.3 kg/hm2[15]。可見，隨著施氮量的增加，導(dǎo)致土壤剖面硝態(tài)氮富集及硝態(tài)氮向深層淋溶[17]。因此，揭示降解地膜覆蓋下氮素在土壤中遷移與利用特征對(duì)于提高降解地膜覆蓋農(nóng)田的氮肥利用率、制定合理灌水施肥制度、減少氮肥的面源污染等具有重要意義。

目前，相關(guān)研究主要關(guān)注降解地膜覆蓋下對(duì)土壤水分、溫度、作物生長(zhǎng)的影響，而對(duì)于干旱區(qū)降解地膜覆蓋下不同施氮量對(duì)氮素的遷移，包括滲漏、吸收過程以及土壤氮素利用特征等尚缺乏系統(tǒng)的研究。因此，本文主要研究北方干旱地區(qū)降解地膜覆蓋與氮肥調(diào)控下氮素在土壤中的累積、滲漏及對(duì)作物氮含量、產(chǎn)量、氮肥利用率的影響，并與塑料地膜覆蓋及無膜覆蓋進(jìn)行比較分析，提出干旱區(qū)降解地膜覆蓋下的最優(yōu)施氮模式，以期為降解地膜的推廣及氮肥高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

2016—2017年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)烏蘭布和農(nóng)場(chǎng)(北緯40°31′48″，東經(jīng)106°56′30″，海拔1 059 m)進(jìn)行試驗(yàn)。該地區(qū)光照充足，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，春秋短暫，夏季炎熱，降雨量少，日照充足，熱量豐富，晝夜溫差大，積溫高，無霜期短。日照時(shí)數(shù)3 300 h以上，無霜期136～205 d，年均氣溫7.6℃，年均降雨量144.5 mm，而年均蒸發(fā)量高達(dá)2 397.6 mm；作物生長(zhǎng)期(5—9月)積溫為3 100℃，晝夜溫差14.5℃。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深大于6 m，土質(zhì)均勻，為粉砂壤土，0～100 cm土層田間持水率為36.89%，平均容重為1.49 g/cm3，平均pH值為8.1，平均電導(dǎo)率為305.2 μS/cm。耕層土壤總氮、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比分別為0.78、12.5 g/kg，速效氮、速效鉀、速效磷質(zhì)量比分別為58.32、126.9、11.22 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米采用一膜兩行種植方式，種植密度5.5株/m2。在2016、2017年5月1日播種，于當(dāng)年9月20日收獲，生育期143 d。塑料地膜選用磴口縣大眾塑料廠生產(chǎn)的聚乙烯塑料地膜，無降解特性；生物降解地膜選用山東天狀環(huán)保有限公司生產(chǎn)的氧化-生物雙降解地膜，主要為纖維素、淀粉等天然材料，誘導(dǎo)期為40 d左右，誘導(dǎo)期過后地膜開始降解。兩種地膜寬均為80 cm，膜厚均為0.008 mm。供試作物為當(dāng)?shù)刂魍品N植的玉米(先鋒32D22)。由于當(dāng)?shù)厥┓柿枯^大，基肥和追肥施氮量分別為56、280 kg/hm2，本

文將其定為試驗(yàn)的高氮水平；肖繼兵等[18]利用回歸方程得出總施氮量為274 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量達(dá)到最高值，故本試驗(yàn)在保持基肥施氮量不變條件下，追肥施氮量比高氮處理降低20%定為中氮水平(220 kg/hm2)，降低40%定為低氮水平(160 kg/hm2)。試驗(yàn)共設(shè)置降解地膜覆蓋農(nóng)田不施氮(BM0，0 kg/hm2)、低氮(BM1，216 kg/hm2)、中氮(BM2，276 kg/hm2)和高氮(BM3，336 kg/hm2)4個(gè)施氮水平，同時(shí)在不同地膜覆蓋的差異分析方面，為了降低復(fù)雜性，在塑料地膜覆蓋和無膜覆蓋下只設(shè)置高氮處理，包括塑料地膜覆蓋高氮(PM3)和無膜覆蓋高氮(NM3)，共6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列分布，小區(qū)長(zhǎng)15 m、寬4 m。每個(gè)處理的基肥施用量相同，選用復(fù)合肥料(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于5%)200 kg/hm2，氮含量均為56 kg/hm2，追肥采用尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%)，在拔節(jié)期和抽雄期分兩次施入，不同處理施用量如表1所示。每個(gè)處理灌溉一致，灌溉定額為525 mm(圖1)，其他除草、打藥等農(nóng)耕措施遵循當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)做法。

表1 2016、2017年試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental treatments in 2016 and 2017

圖1 作物生育期氣溫、降水量和灌水量Fig.1 Temperature, precipitation and irrigation during crop growth periods

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1主要觀測(cè)指標(biāo)

氣象資料：設(shè)置自動(dòng)氣象站(HOBO-U30型)，每小時(shí)自動(dòng)記錄降水量、太陽輻射、空氣溫濕度、風(fēng)速等。

土壤含水率與硝態(tài)氮含量：在兩行作物中間(覆膜)位置0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm取土樣，每隔7～10 d測(cè)一次，且灌溉前后、降雨后加測(cè)。采集的土樣一部分采用干燥法測(cè)含水率，另一部分土樣自然風(fēng)干、碾碎、混勻、過1 mm篩后，稱取5 g土樣，用50 mL氯化鉀溶液(2 mol/L)浸提振蕩1 h后過濾，采用紫外分光光度計(jì)法測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量。

硝態(tài)氮滲漏量：采用自制田間淋溶水觀察井測(cè)定[19]，觀察井由直徑11 cm、管長(zhǎng)210 cm的PVC管制作，其中底部40 cm預(yù)留用于收集淋溶水樣，頂部30 cm高于地表，在土層下90～140 cm管壁均勻打孔，用尼龍篩網(wǎng)包裹滲流區(qū)，用于收集100 cm深度以下的滲漏液。在灌水或降雨后3～5 d內(nèi)采集這一時(shí)段的淋溶水樣，每次采集后將管內(nèi)殘留水樣清空，采用雙波長(zhǎng)比色法測(cè)定淋溶水樣中硝態(tài)氮滲漏量。

作物氮含量：在收獲時(shí)各小區(qū)隨機(jī)取樣玉米5株，將植株各器官分離裝袋，在干燥箱105℃殺青0.5 h， 80℃干燥至質(zhì)量恒定，粉碎過篩，采用H2SO4-H2O2消煮-蒸餾法測(cè)定作物氮含量[20]。

產(chǎn)量：各處理成熟后收獲，每個(gè)處理隨機(jī)連續(xù)選取10株作物，自然風(fēng)干脫粒后考種，測(cè)量每株玉米的穗粒數(shù)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量等指標(biāo)，并折算為每公頃產(chǎn)量。

地膜破損率：每個(gè)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)固定的地膜破損觀測(cè)區(qū)，定期將相機(jī)固定在設(shè)定的地膜觀測(cè)區(qū)正上方40 cm處，在區(qū)域邊界放置直尺作為參考物，每次拍攝3幅圖像，再將圖像導(dǎo)入AutoCAD 2008(Autodesk, Inc)處理，并計(jì)算破損率[4]。地膜降解分級(jí)指標(biāo)參照楊惠娣等[21]方法，使用0～4降解階段代表地膜降解程度，0降解階段為誘導(dǎo)期；第1降解階段：誘導(dǎo)期結(jié)束，地膜出現(xiàn)1～2 cm微小裂口；第2降解階段：出現(xiàn)2～20 cm裂縫；第3降解階段：出現(xiàn)20～50 cm裂縫，數(shù)量增多；第4降解階段：均勻碎裂，無大塊地膜存在。塑料地膜全生育期幾乎不發(fā)生降解，而降解地膜在6月中旬開始出現(xiàn)裂縫、破損，在7—9月中旬，破損率分別達(dá)到25.65%、47.99%、69.20%。

1.3.2氮肥生產(chǎn)效率計(jì)算

氮肥利用率計(jì)算公式為

PU=(UN-U0)/FN×100%

(1)

氮肥生理利用率計(jì)算公式為

PS=(YN-Y0)/(UN-U0)

(2)

氮肥農(nóng)學(xué)利用率計(jì)算公式為

PN=(YN-Y0)/FN

(3)

式中UN——施氮區(qū)作物含氮量，kg/hm2

U0——未施氮區(qū)作物含氮量，kg/hm2

FN——施氮區(qū)純氮投入量，kg/hm2

YN——施氮區(qū)作物產(chǎn)量，kg/hm2

Y0——未施氮區(qū)作物產(chǎn)量，kg/hm2

kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜與施氮量處理對(duì)土壤剖面硝態(tài)氮含量的影響

總體上，施肥后土壤中的氮含量明顯升高，在0～50 cm土層所受影響較大，變化趨勢(shì)一致(圖2)。特別是0～10 cm和10～30 cm耕作層，在拔節(jié)期和抽雄期土壤硝態(tài)氮含量出現(xiàn)2次波峰，隨后土壤中硝態(tài)氮含量逐漸下降；而50～100 cm土層硝態(tài)氮含量呈逐漸增大趨勢(shì)。在播種后約40 d，降解地膜進(jìn)入第1降解階段，破損程度較小，對(duì)于相同施氮處理的降解地膜(BM3)和塑料地膜(PM3)處理不同土層的土壤硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律基本一致(圖2，表2)，均明顯高于無膜(NM3)處理(P<0.05)，BM3和PM3處理在0～50 cm土層2年平均硝態(tài)氮含量分別比NM3處理提高了46.87%和49.68%，在50～100 cm分別提高了19.39%和19.02%。在播種后60 d，降解地膜進(jìn)入第2降解階段，出現(xiàn)明顯裂紋，從而導(dǎo)致硝態(tài)氮含量略低于PM3處理，BM3處理在0～50 cm土層，2年硝態(tài)氮平均含量比PM3處理降低了4.64%，但比NM3處理提高了41.87%(P<0.05)，而在50～100 cm，BM3與PM3處理無明顯差異，但均顯著高于NM3處理。播種后86 d，降解地膜進(jìn)入第3降解階段，降解地膜已裂解成大塊碎片，BM3處理在0～50 cm土層硝態(tài)氮含量顯著低于PM3處理(P<0.05)，2年硝態(tài)氮平均含量降低了9.49%，50～100 cm土層則僅降低了4.86%，但比NM3處理在0～50 cm和50～100 cm分別提高了20.46%和14.65%。播種后116 d至作物收獲，降解地膜進(jìn)入第4降解階段，此時(shí)降解地膜已無大塊地膜存在，各處理差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，BM3處理在0～50 cm土層的2年硝態(tài)氮平均含量比PM3處理降低了28.84%，同時(shí)在50～100 cm土層也降低了7.47%，但這兩個(gè)土層分別比NM3處理提高了25.74%和13.97%?？梢姡谧魑锷L(zhǎng)前期，降解地膜覆蓋在0～50 cm土層硝態(tài)氮含量與塑料地膜覆蓋相近，在作物生長(zhǎng)后期隨著降解程度增大，硝態(tài)氮含量顯著降低(P<0.05)，與塑料地膜相比平均下降了12.11%；而50～100 cm則僅在作物生長(zhǎng)末期顯著降低，與塑料地膜覆蓋相比平均下降5.33%，并且全生育期降解地膜和塑料地膜在不同土層硝態(tài)氮含量均明顯大于無膜處理，平均提高了16.94%和24.66%。

降解地膜覆蓋下不同施氮量處理對(duì)土壤中硝態(tài)氮的影響與傳統(tǒng)不同施氮量下的規(guī)律基本一致，施肥量越高，土壤中硝態(tài)氮含量越大(圖2)。其中高肥(BM3)、中肥(BM2)和低肥(BM1)處理基肥施用量一樣，故在追肥前土壤中的硝態(tài)氮含量無顯著差異，但明顯高于不施肥處理(BM0)，追肥后不同土層硝態(tài)氮含量產(chǎn)生差異且隨施氮量增加土壤硝態(tài)氮含量增加，在追肥后5～15 d，不同施氮處理各土層硝態(tài)氮含量差異最大(P<0.05)，第1次追肥后，在0～30 cm土層，BM3處理2年硝態(tài)氮含量比BM2和BM1處理分別提高了19.35%和65.14%， 30～100 cm分別提高了8.29%和16.20%；第2次追肥后，在0～30 cm分別提高了31.84%和88.19%，在30～100 cm提高了19.77%和40.24%。追肥后整個(gè)生長(zhǎng)階段0～30 cm土層，BM3處理2年硝態(tài)氮含量平均比BM2和BM1分別提高了49.45%和135.78%，而30～100 cm分別提高了16.63%和33.56%(P<0.05)，且追肥后施肥氮量與土壤中硝態(tài)氮含量的關(guān)系為：y=2.226 1x+6.987 1，R2=0.744(0～30 cm)；y=0.782x+19.358，R2=0.978 4(30～100 cm)。

圖2 0～100 cm土層硝態(tài)氮含量Fig.2 Nitrate content in 0～100 cm soil layers

2.2 不同覆膜與施氮量處理對(duì)玉米氮含量的影響

由于地膜覆蓋提高了土壤水分含量，從而提高土壤耕層氮的有效性，有利于作物氮的被動(dòng)吸收，所以在相同的施氮量條件下PM3和BM3處理的作物氮含量顯著高于NM3處理(P<0.05)，2016年氮含量分別增加了13.51%和10.00%，2017年分別增加了9.22%和7.79%(圖3，圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同)。同時(shí)可以看出，總體上PM3處理玉米2年平均氮含量高于BM3處理，2016年和2017年分別提高了3.19%和1.33%，這主要是由于在作物生長(zhǎng)前期生物可降解地膜覆膜與塑料地膜覆蓋保水、保肥效果相近，作物生長(zhǎng)中期有一定的差異，但不顯著，只有在作物生長(zhǎng)后期隨著降解地膜破損加大，導(dǎo)致降解地膜覆蓋下土壤中水分和氮含量減少，從而整個(gè)生育期BM3處理玉米氮含量略低于PM3處理，2年平均降低了2.26%，但均顯著高于無膜覆膜處理(P<0.05)，2年分別提高了8.90%和11.38%。對(duì)于不同施氮量處理，由于施氮量增加導(dǎo)致土壤中氮含量增加，從而作物氮含量也隨著增加， BM3處理(追肥施氮量280 kg/hm2)比BM2處理(追肥施氮量220 kg/hm2)和BM1處理(追肥施氮量160 kg/hm2)氮吸收量依次提高了0.78%和24.54%(P<0.05)，可以看出氮的吸收量并不與追肥氮量成線性關(guān)系，這可能是由于作物吸氮除了被動(dòng)吸收外還有主動(dòng)吸收，且作物對(duì)氮的吸收存在一定的閾值，如本研究中，當(dāng)追肥施氮量大于220 kg/hm2后，繼續(xù)增加施氮量，多余的氮素易于流失，作物氮含量增加非常有限。但是與不施氮處理相比，施氮后，作物氮含量顯著增加，不施氮處理土壤中的氮含量極低，顯著限制了作物對(duì)氮的被動(dòng)吸收。

圖3 不同處理對(duì)玉米氮含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on nitrogen content

2.3 不同覆膜與施氮量處理對(duì)土壤剖面氮淋失的影響

氮淋失量主要與土壤中氮的含量及土壤水入滲量相關(guān)，不同地膜覆蓋導(dǎo)致了土壤中氮含量及土壤水分的差異，從而不同處理氮的淋失也存在一定的差異。每次施肥、灌水后，氮淋失量顯著提高，降解地膜處理(BM3)隨降解程度增大，與塑料地膜處理(PM3)氮淋失量差異逐漸增大，但并不顯著，均大于無膜處理(NM3)(圖4)。降雨同樣會(huì)引起氮素淋失，地膜覆蓋后雨水入滲量會(huì)明顯減少，BM3處理由于降解地膜在作物生長(zhǎng)后期破損明顯高于PM3處理，故雨水入滲量高于PM3處理，從而氮淋失量提高。2016年作物生育后期降雨導(dǎo)致PM3處理氮淋失量比BM3和NM3處理分別平均減少了16.07%和53.07%(P<0.05)，2017年由于生育后期無降雨，故該時(shí)段無氮淋失量。各時(shí)期不同氮肥處理，氮淋失量差異也不同，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，降解地膜破損加大，差異逐漸變大。對(duì)于相同施氮量處理下的PM3、BM3和NM3，2年平均全生育期的氮淋失量分別為94.31、91.14、74.7 kg/hm2，BM3處理氮淋失量比PM3處理平均低了3.36%，但與NM3 處理相比，2年氮淋失量分別提高了22.01%和26.25%(P<0.05)。對(duì)于不同施氮量處理，土壤中氮含量有較大差異，在相同的灌水量條件下氮淋失量差異也較大(P<0.05)，BM3處理比BM2和BM1處理追肥施氮量分別增加了27.27%和75.00%，2016年氮淋失量分別增加了76.85%和194.99%，2017年分別增加了91.31%和315.74%(2年平均分別增加了84.08%和255.37%)，呈線性關(guān)系(y=0.987 5x-11.608，R2=0.99)，另外由于BM0處理不施氮，土壤中氮含量極低所以氮淋失量非常低，2016年和2017年淋失量分別僅為5.51、5.02 kg/hm2。

圖4 不同處理下各生育期的氮淋失量Fig.4 Nitrogen leaching during crop growth stages for different treatments

2.4 不同覆膜與施氮量處理對(duì)作物產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

由于在作物生長(zhǎng)后期降解地膜破損率高于塑料地膜，從而土壤中氮含量及玉米氮含量較低，但兩者產(chǎn)量并無顯著差異，2016年和2017年塑料地膜處理(PM3)比降解地膜處理(BM3)產(chǎn)量分別僅高4.85%和3.41%，但是無膜處理(NM3)的產(chǎn)量顯著降低(P<0.05)，PM3與BM3處理2年平均產(chǎn)量比NM3處理分別提高了13.67%和18.38%(表3，未施氮區(qū)作物氮含量、產(chǎn)量均采用BM0處理數(shù)據(jù))。隨追施肥氮量增加作物產(chǎn)量也增加，但當(dāng)施氮量達(dá)到某一數(shù)值后繼續(xù)增加氮肥，產(chǎn)量的增加量相對(duì)較小，甚至出現(xiàn)降低現(xiàn)象，2016年和2017年BM3處理(追肥施氮量280 kg/hm2)產(chǎn)量幾乎與BM2處理(追肥施氮量220 kg/hm2)一樣， BM3處理比BM2和BM1處理(追肥施氮量160 kg/hm2)2年平均產(chǎn)量分別提高了0.16%和35.37%，比BM0處理(不施肥)平均產(chǎn)量提高了214.96%(P<0.05)，可見對(duì)于干旱區(qū)降解地膜處理下追肥氮施量為220 kg/hm2時(shí)，效益較高，增加追肥施氮量對(duì)于產(chǎn)量增加無明顯作用，而該地區(qū)如不施氮?jiǎng)t產(chǎn)量會(huì)顯著下降。

表3 不同處理下作物產(chǎn)量及相應(yīng)氮肥利用效率Tab.3 Crop yield and nitrogen fertilizer production efficiency under different treatments

由于塑料地膜與降解地膜覆蓋下的產(chǎn)量無顯著差異，氮肥利用效率差異也并不明顯(表3)，BM3處理2年平均氮肥利用率、氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率僅比PM3處理分別低了3.09%、2.74%和5.71%，但比NM3處理提高了12.90%、7.48%和13.67%(P<0.05)。降解地膜覆蓋農(nóng)田施氮水平從低氮(BM1)到高氮(BM3)，2年氮肥利用率平均分別降低了4.97%和16.96%(P<0.05)。氮肥生理利用率與氮肥農(nóng)學(xué)利用率均為中氮處理(BM2)最高，2年平均比高氮處理(BM3)分別高0.87%和26.51%，比低氮處理(BM1)高33.24%和26.51%(P<0.05)。從保證高產(chǎn)及氮肥高效利用效果來看，BM2處理氮肥綜合效率最高，2年平均產(chǎn)量為11 328.36 kg/hm2，氮肥利用率為41.77%，氮肥生理利用率為67.01 kg/kg，氮肥農(nóng)學(xué)利用率為27.99 kg/kg，即每施用1 kg氮肥可以出產(chǎn)27.99 kg玉米，故對(duì)于干旱區(qū)降解地膜覆蓋農(nóng)田追肥施氮量220 kg/hm2的BM2處理為該地區(qū)較優(yōu)的施肥模式。

3 討論

3.1 不同覆膜與施氮量處理對(duì)土壤硝態(tài)氮遷移變化的影響

對(duì)于干旱缺水地區(qū)，覆膜能明顯減少土壤蒸發(fā)，提高土壤水分[22]，顯著降低氮素?fù)]發(fā)量[23]，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化速率和降低活性有機(jī)氮庫，從而覆膜會(huì)使土壤耕層中氮含量增加[24-25]。降解地膜在地膜破損誘導(dǎo)期內(nèi)，盡管地膜的力學(xué)性能下降但未破損，覆蓋效果與塑料地膜相近，所以土壤中氮含量也與塑料地膜覆蓋相近，但是在地膜降解破損期，特別是作物生長(zhǎng)后期由于破損明顯高于塑料地膜，土壤中的細(xì)菌、真菌數(shù)量以及土壤活性下降，導(dǎo)致氮礦化量和氮礦化速率下降，且反硝化作用產(chǎn)生的N2從降解地膜破碎處揮發(fā)，作物固氮能力降低，硝化反應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致土壤內(nèi)氮含量相對(duì)較低。谷曉博等[13]研究顯示，油菜播種60 d后，塑料地膜與降解地膜覆蓋下土壤中氮含量顯著大于無膜處理，且降解地膜隨降解程度加大，與無膜處理差異減小，該結(jié)果與本研究相近。本研究顯示在相同施氮量條件下0～50 cm土層塑料地膜、降解地膜和無膜處理土壤中氮含量依次為25.24、17.96、13.33 kg/hm2，50～100 cm土層依次為93.32、89.23、81.53 kg/hm2。另外硝態(tài)氮為負(fù)離子，不能被黏土礦物質(zhì)或有機(jī)質(zhì)吸附，只存在于土壤或沉積物的液相中，易隨土壤中的滲流水自由遷移，當(dāng)入滲量越大則氮遷移量也越大，淋失量就會(huì)越多，同時(shí)氮遷移量還與氮濃度有關(guān)，氮濃度越高，則遷移相同水分中的氮量就越多[26-28]，本研究中塑料地膜覆蓋、降解地膜覆蓋和無膜覆蓋處理由于土壤中的氮含量依次降低，所以淋失量同樣呈下降趨勢(shì)。且隨著施氮量的增加，土層硝態(tài)氮含量和氮淋失量均顯著提高。

3.2 不同覆膜與施氮量處理對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和氮肥利用效率的影響

由于覆膜后土壤中氮含量增加，從而土壤中氮含量、無機(jī)氮含量與土壤溶質(zhì)勢(shì)增大，作物同化作用增強(qiáng)，則作物氮含量提高，解文艷等[29]研究表明，塑料地膜覆蓋比無膜覆蓋作物氮吸收量增大了11.86%，本研究顯示，與塑料地膜覆蓋處理相比，降解地膜覆蓋和無膜處理玉米氮含量分別降低了2.22%和8.18%。作物產(chǎn)量受較多因素影響，通常吸水量多、氮含量多則參與光合作用以及同化的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)效率越高，進(jìn)而產(chǎn)量會(huì)越高，所以本研究中塑料地膜覆蓋和降解地膜覆蓋下產(chǎn)量比無膜處理分別提高了18.11%、12.65%。申麗霞等[22]研究顯示，降解地膜處理下產(chǎn)量比無膜處理增加了35.1%。對(duì)于降解地膜覆蓋下不同施氮量條件下氮的遷移、吸收、淋失等過程與塑料地膜覆蓋下及無膜處理的規(guī)律一致，施氮量增加，產(chǎn)量提高，如姜濤[30]研究表明，隨著施氮量增加，增產(chǎn)83.3%～140.5%，氮含量增加了8.7%～63.8%，但并不是施氮量越高越好，當(dāng)施氮量達(dá)到某一個(gè)數(shù)值后，作物吸收氮的增加速率變得非常緩慢，氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率下降，甚至溶質(zhì)勢(shì)過高反而導(dǎo)致吸水量下降，導(dǎo)致葉片早衰及光合能力下降，不利于產(chǎn)量的提高[31]，所以施氮量與產(chǎn)量是一個(gè)二次拋物線關(guān)系。李仙岳等[14]研究顯示，玉米產(chǎn)量隨施氮量的變化曲線為開口向下的拋物線，隨施氮量的增加增產(chǎn)效果減緩[32]，符合報(bào)酬遞減效應(yīng)，存在最大值點(diǎn)。且在同一灌溉水平下，氮肥利用率與施氮量呈負(fù)相關(guān)[33]，所以從這個(gè)角度分析，氮的利用效率并不是施氮量越高越好，通常施氮量較少時(shí)，作物吸氮不足，從而生長(zhǎng)受限，當(dāng)施氮量適量時(shí)則促進(jìn)作物生長(zhǎng)，產(chǎn)量和氮肥利用效率均較高，如果過量施氮，由于作物氮含量與產(chǎn)量不增加，從而氮肥利用效率會(huì)下降。楊榮等[34]研究顯示，最優(yōu)施氮量為225 kg/hm2，施氮量繼續(xù)增加，產(chǎn)量和氮肥利用率均會(huì)下降。本研究顯示，當(dāng)基肥施氮量為56 kg/hm2時(shí)，追肥施氮量為220 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量最高，綜合氮肥利用效率也最高。兩者之間差異可能是由于土質(zhì)、氣候條件和田間管理措施不同導(dǎo)致。

4 結(jié)論

(1)在第1、2降解階段，生物降解地膜(BM3)覆蓋處理土壤硝態(tài)氮含量與塑料地膜(PM3)覆蓋處理在0～50 cm土層無顯著差異，而在第3、4降解階段則分別降低了9.49%和28.84%，比無膜覆蓋處理分別提高了20.46%和25.74%；而在50～100 cm土層，僅在第4階段顯著降低(P<0.05)。BM3和PM3處理在整個(gè)生育期硝態(tài)氮含量均顯著高于無膜(NM3)覆蓋(P<0.05)，平均提高了16.94%和24.66%，且隨著施氮量增加，土壤中硝態(tài)氮含量顯著增大，追肥施氮量為280 kg/hm2(BM3)比追肥施氮量220 kg/hm2(BM2)和160 kg/hm2(BM1)在0～30 cm土層氮含量分別增加了49.45%和135.78%，在30～100 cm土層分別增加了16.63%和33.56%。

(2)整個(gè)生育期BM3處理玉米氮含量和氮淋失量略低于PM3處理，2年平均分別降低了2.26%和3.36%，但均顯著高于無膜覆膜處理(P<0.05)，2年分別提高了8.90%、11.38%和22.01%、26.25%。隨著追肥施氮量的增加，玉米氮含量也呈增加趨勢(shì)，BM3處理比BM2和BM1處理2年分別提高了0.78%和24.54%(P<0.05)；同時(shí)氮淋失量接近線性增加(P<0.05)，2年平均分別提高了84.08%和255.37%。

(3)PM3處理與BM3處理產(chǎn)量無顯著差異，2年平均產(chǎn)量分別比NM3處理提高了13.67%和18.38%(P<0.05)；BM3處理的氮肥利用率、氮肥生理利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率比PM3處理分別降低了3.09%、2.74%和5.71%，但比NM3處理提高了12.90%、7.48%和13.67%(P<0.05)。BM3處理比BM2和BM1處理2年平均產(chǎn)量分別提高了0.16%和35.37%。追肥施氮量為220 kg/hm2的BM2處理的氮肥綜合效率最高，每施用1 kg氮肥可以出產(chǎn)27.99 kg玉米，為該地區(qū)較優(yōu)的施肥模式。