滴灌水氮對(duì)土壤殘留有效氮及玉米產(chǎn)量的影響①

戚迎龍，史海濱*，王成剛，趙靖丹，王　寧

（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)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特　010020）

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滴灌水氮對(duì)土壤殘留有效氮及玉米產(chǎn)量的影響①

戚迎龍1，史海濱1*，王成剛1，趙靖丹1，王寧2

（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)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特010020）

摘要：通過大田試驗(yàn)研究膜下滴灌施用不同水氮對(duì)玉米產(chǎn)量及收獲后土壤殘留有效氮的影響，尋求適宜的水氮耦合量，為達(dá)到高產(chǎn)、高效與低土壤氮損失量、殘留量相協(xié)調(diào)的目標(biāo)提供初步理論。結(jié)果表明：1 351 ～ 1 465 m3/hm2的低灌水量不能有效發(fā)揮氮對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。灌水1 400 ～ 1 800 m3/hm2、施氮280 ～ 290 kg/hm2時(shí)水對(duì)產(chǎn)量提升速度最快而與氮無協(xié)同增產(chǎn)效應(yīng)。灌水1 800 ～ 2 100 m3/hm2、施氮250 ～ 280 kg/hm2能獲得比較高的產(chǎn)量和水氮協(xié)同增產(chǎn)效應(yīng)。收獲后1 m土層有效氮分布為由淺向深逐層減少，不同水氮施用量主要影響40 ～ 100 cm的殘留量。施氮量增加，有效氮?dú)埩袅吭龃螅昧?40 kg/hm2以內(nèi)殘留量增長(zhǎng)緩慢，繼續(xù)施氮增長(zhǎng)迅速。1 351 ～ 1 465 m3/hm2的低灌水量下肥料氮轉(zhuǎn)化為土壤氮少，殘留有效氮少。1 802 ～ 2 071 m3/hm2的灌水量促進(jìn)肥料氮向土壤氮轉(zhuǎn)化，隨水遷移增大了40 ～100 cm土壤有效氮。灌水量達(dá)2 197 ～ 2 315 m3/hm2后，1 m土層有效氮?dú)埩袅繙p少、深層損失量增大。優(yōu)選水氮耦合量包含于近似橢圓的區(qū)域，交集區(qū)灌水2 016 ～ 2 100 m3/hm2，施氮 228 ～ 250 kg/hm2可作為松遼平原到內(nèi)蒙古高原過渡地帶膜下滴灌種植玉米的適宜水氮耦合量。

關(guān)鍵詞：膜下滴灌；水氮耦合；土壤；玉米產(chǎn)量；有效氮；氮?dú)埩?/p>

灌水和施肥相對(duì)于自然降雨和土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分來說，既是單獨(dú)的主要人為調(diào)控因子，也同時(shí)存在著相互作用、相互影響。劉文兆等［1］認(rèn)為尋求適宜的水肥投入水平是水肥耦合的關(guān)鍵，研究得到“水肥優(yōu)化耦合區(qū)域”。薛亮等［2］研究水肥異區(qū)隔溝交替灌溉下水、氮互作效應(yīng)，指出并不是灌水量和施肥量越多越好，并得到了高產(chǎn)條件下最佳水氮配比。陳林等［3］通過不同水氮耦合下耕層土壤 6種形態(tài)氮變化研究得到了最佳的灌水量和施氮量管理模式。康金花等［4］研究表明不同肥料造成根區(qū)土壤環(huán)境、微生物的組成和數(shù)量不同，從而使不同時(shí)期各處理土壤有效氮含量不同。侯振安等［5］研究了棉花膜下滴灌條件的土壤水、鹽、養(yǎng)分運(yùn)移與調(diào)控，提出最佳水肥耦合量。朱兆良和張福鎖［6］研究化肥氮的基本去向，認(rèn)為隨著施氮量的增加，作物吸收量、殘留量、進(jìn)入環(huán)境氮化物量均增加，氮肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大。

產(chǎn)量提升關(guān)系到經(jīng)濟(jì)收入，是農(nóng)戶最重要的考慮因素，而科技人員在以產(chǎn)量提升為預(yù)期效果的基礎(chǔ)上，環(huán)境效應(yīng)及水肥高效利用也是關(guān)鍵，協(xié)調(diào)二者矛盾的研究既是重點(diǎn)，也是熱點(diǎn)。以松遼平原向內(nèi)蒙古高原的過渡平原地帶為氣候、地域背景，綜合考慮膜下滴灌水氮一體化施用條件下不同組合用量對(duì)玉米產(chǎn)量及土壤有效氮?dú)埩袅康挠绊懶?yīng)來探討較優(yōu)水氮耦合量的研究未見報(bào)道，故本研究嘗試以玉米為種植作物，依托滴灌為灌水追肥的技術(shù)措施進(jìn)行大田試驗(yàn)，初步提出較適宜的水氮施用區(qū)間，以期為膜下滴灌水肥耦合效應(yīng)的研究及隨水一體化施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)田選在科爾沁左翼中旗，121°08′ ～ 123°32′E，43°32′ ～ 44°32′N。地處通遼市東端，大興安嶺東南邊緣，西遼河北岸，是松遼平原向內(nèi)蒙古高原的過渡地帶，氣候、水文特征既有兩大地形區(qū)域的共性，又有自身的特點(diǎn)。當(dāng)?shù)貙俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫 5.2 ～ 5.9℃，最高氣溫 40.9℃，最低氣溫-33.9℃，日照2 884.8 ～ 2 802.1 h，日均氣溫5℃ 以上持續(xù)時(shí)期 188天，大于 10℃ 的積溫 3 042.8 ～3 152.4℃；最大凍土深180 cm，無霜期150 ～ 160天；多年平均年降水量342.0 mm，蒸發(fā)量2 027 mm，按降雨量劃分屬半干旱區(qū)。2014試驗(yàn)?zāi)瓴シN至收獲全生育期降雨量227.4 mm，是偏干旱的平水年。

1.2供試土壤

供試土壤為栗鈣土，按照美國制土壤質(zhì)地分類法分別為0 ～ 20、20 ～ 40 cm砂質(zhì)黏壤土，40 ～ 60 cm砂質(zhì)黏土，60 ～ 80、80 ～ 100 cm壤質(zhì)砂土。1 m土層土壤基本理化性質(zhì)：體積質(zhì)量1.54 g/cm3、田間持水率23.08%、電導(dǎo)率（EC）值119.74 μS/cm、pH 8.95、有機(jī)質(zhì)14.56 g/kg、全氮0.81 g/kg、全磷0.772 g/kg、全鉀31.48 g/kg、堿解氮47.8 mg/kg、有效磷1.82 mg/kg、速效鉀98.8 mg/kg。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為京科968，出苗至成熟128天。種植方式為35 cm小行距偏心播種，寬行85 cm，形成的種植單元為一條滴灌帶灌溉兩行玉米，所占延米寬為1.2 m，試驗(yàn)處理均為3個(gè)種植單元。灌水工程為覆膜滴灌，φ16 mm滴灌帶鋪設(shè)在地膜下，灌水量采用旋翼式數(shù)字水表記錄。磷肥鉀肥施用量、病蟲草害及農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套措施均采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式?；实褂靡惑w化農(nóng)機(jī)施入，追氮肥方式為先在施肥罐中充分溶解尿素，得到酰胺態(tài)氮水溶液，通過水壓差隨灌水滴施于膜下根區(qū)。試驗(yàn)灌水量按土壤含水率占田間持水率百分比的上下限不同設(shè)低中高水。施氮梯度按192、240、288 kg/hm2設(shè)低中高氮，共計(jì)9個(gè)組合處理及1個(gè)對(duì)照，3次重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為132 m2。具體方案見表1。

表1　膜下滴灌玉米水氮耦合試驗(yàn)方案Table 1　Test scheme of water-nitrogen coupling effect on maize in condition of film mulch and drip

1.4樣品采集與測(cè)定分析

收獲測(cè)產(chǎn)人工考種，每個(gè)小區(qū)沿滴灌帶取10 m調(diào)查行距、株距、果穗總數(shù)，得到公頃株數(shù)、有效穗數(shù)。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10穗玉米，游標(biāo)卡尺測(cè)量穗長(zhǎng)、穗寬、禿尖長(zhǎng)，人工計(jì)數(shù)每穗粒數(shù)，脫粒后隨機(jī)取5組百粒稱重。采用環(huán)刀法分層取土測(cè)定土壤體積質(zhì)量，表層0 ～ 20 cm剖面取5個(gè)重復(fù)環(huán)刀點(diǎn)，20 ～ 100 cm各剖面取3個(gè)重復(fù)點(diǎn)。土壤取樣位置為平行于滴灌帶的玉米棵間，收獲后每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選3個(gè)樣點(diǎn)，20 cm為一層取1 m深的土壤樣品。采用堿解擴(kuò)散法［7-8］測(cè)定土壤有效氮。為防止臨近處理水肥側(cè)滲，每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)3條滴灌帶為3個(gè)種植單元，兩邊為保護(hù)行，監(jiān)測(cè)和取樣均采用中單元。數(shù)據(jù)處理采用 SigmaPlot 12.0與Excel 2007軟件。文中字母無特殊說明Y代表產(chǎn)量，W、N數(shù)字組合代表處理，其余字母為計(jì)量單位或統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)值表示方式。

2　結(jié)果與分析

2.1水、氮對(duì)收獲后土壤有效氮?dú)埩袅康挠绊?/p>

土壤有效氮也稱水解氮，能反映土壤近期內(nèi)氮素供應(yīng)情況，包括硝態(tài)氮及銨態(tài)氮組成的無機(jī)礦物態(tài)氮和比較簡(jiǎn)單易水解的有機(jī)態(tài)氮［7-8］。本年度施用于土壤的肥料氮經(jīng)過玉米吸收利用及其他損失后，殘留累積于土壤中，下年度連作種植玉米仍然會(huì)繼續(xù)施用氮肥，前人研究表明殘留肥料氮被后茬作物吸收的相對(duì)數(shù)量很低，隨施氮量的增加，氮肥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大［6］。因此探討收獲后的土壤殘留有效氮可作為不同水氮影響土壤環(huán)境效應(yīng)的其中一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。各土層有效氮?dú)埩袅浚╧g/hm2）計(jì)算方法為土層土壤有效氮比例含量 （mg/kg） × 土層土壤體積質(zhì)量 （g/cm3） ×土層厚度 （0.2 m） ×每公頃土地的面積 （10 000 m2） ×10-3。1 m深土壤有效氮?dú)埩艨偭繛?層分量求和。

2.1.1不同土層有效氮分布及變異性由表 2平均有效氮?dú)埩袅考皥D 1各處理不同土層的分布可以看出表層含量較大，0 ～ 20、20 ～ 40 cm明顯高于其他土層，各土層平均含量分別為 185.56、161.46、71.97、59.81、45.17 kg/hm2，垂直分布由淺至深呈降低趨勢(shì)，20 ～ 100 cm 4層占0 ～ 20 cm的百分比分別是 88.09%、39.27%、32.86%、24.96%，與前人的研究成果［4］類似。從表2不同土層有效氮變異系數(shù)（計(jì)算樣本為相應(yīng)土層的所有水氮處理土壤有效氮?dú)埩袅繑?shù)據(jù)，公式為標(biāo)準(zhǔn)差/平均值）來看，相對(duì)與40 ～ 100 cm 的3層土壤，淺層0 ～ 20、20 ～ 40 cm有效氮雖然含量較高，但變異性低，說明不同水氮量對(duì)收獲后淺層土壤有效氮影響小，灌水施氮對(duì)于淺層土壤的影響經(jīng)歷生育期土壤與大氣氮交換、作物吸收、灌溉及降雨對(duì)有效氮的遷移等因素，殘留量趨同，較小的差異僅表現(xiàn)為0 ～ 20 cm土層3個(gè)施氮水平的平均有效氮?dú)埩袅侩S著灌溉水平的提升而降低。因而水氮用量不同造成收獲后 1 m深土壤有效氮?dú)埩袅康牟煌饕怯?0 ～ 100 cm土層差異引起的。

表2　不同土層有效氮的變異性Table 2　The variability of available nitrogen in different soil layers

圖1　收獲后各土層土壤有效氮?dú)埩袅縁ig. 1　The residual quantity of available nitrogen in each soil layer after maize harvest

2.1.2不同水氮施用量對(duì)土壤有效氮?dú)埩袅康挠绊?/p>

各灌溉水平下，1 m土層有效氮總殘留量均隨著施氮量的增加而增大（圖1），且施氮192 kg/hm2增至240 kg/hm2的殘留有效氮增大量均小于 240 kg/hm2增至288 kg/hm2，可見施氮量對(duì)土壤有效氮的影響是在一定范圍內(nèi)增長(zhǎng)緩慢，超過后殘留有效氮迅速增長(zhǎng)，一定程度反映出作物吸收土壤氮的減少，進(jìn)入土壤環(huán)境氮的增大。前人研究也表明施氮量在一定范圍內(nèi)，春玉米收獲后硝態(tài)氮累積量不顯著，超過一定限度后即顯著增大［9］。與本試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，硝態(tài)氮是有效氮的組成部分，其含量作為有效氮的“子集”，殘留累積量有相似規(guī)律。施氮192 kg/hm2時(shí)土壤有效氮?dú)埩袅侩S著灌水量的增加而增大。施氮 240 kg/hm2及288 kg/hm2時(shí)隨著灌水量的增加先增大后減少。同一灌溉水平下不同施氮處理取平均，得到有效氮?dú)埩袅縒1＜W2，W2＞W(wǎng)3，即隨灌水量的增加1 m土層有效氮總殘留量的整體變化趨勢(shì)是先增大后減小，原因是表層土經(jīng)過生育各種因素影響，有效氮含量已趨同，而提高灌溉水平增加了土壤氮向下遷移量，即在表層趨同的條件下，下層注入的遷移量的增加使得1m深土層總的有效氮?dú)埩袅吭黾?，另外一個(gè)原因是低灌溉水平下肥料氮轉(zhuǎn)化成土壤氮的過程受到抑制，灌水量少肥料氮積累在表層其揮發(fā)量相應(yīng)較大。雖然低灌溉水平下1 m土壤氮?dú)埩袅枯^低，但代價(jià)是作物能有效利用土壤氮的減少和表層土壤氮向外“逃逸”出環(huán)境的氮量增加，所以低水和不同施氮量的組合是較差水氮用量耦合方式。灌溉量由中水提至高水時(shí)，1 m土層內(nèi)殘留量降低，隨水遷移至1 m以下的土壤氮量增大，即增大了水分?jǐn)y帶土壤氮進(jìn)入較深土層的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于硝態(tài)氮，研究表明［10-11］玉米0 ～ 80 cm土體根重比例達(dá)95% 以上，1 m以下不足1%，玉米收獲后90 cm能作為硝態(tài)氮淋溶損失的下邊界，超過此深度土壤氮有更大的淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

2.2水、氮對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.2.1單因素影響效應(yīng)的對(duì)比為探討灌水量、施氮量的單因子效應(yīng)，將9個(gè)W×N組合處理按照灌水量、施氮量水平劃分為處理組，形成W1、W2、W3三個(gè)水因子處理組或者 N1、N2、N3氮因子處理組。計(jì)算產(chǎn)量差與LSR值比較，大于相應(yīng)的LSR值表征差異達(dá)到對(duì)應(yīng)顯著水平［12］。水處理組平均產(chǎn)量差YW3-YW2= 924.05＞LSR（p=2，α=0.01，df=16）= 282.79，YW2-YW1= 3 155.60＞LSR（p=2，α=0.01，df=16）= 282.79，YW3-YW1= 4 079.65＞LSR（p=3，α=0.01，df=16）= 297.17，水處理組差異都達(dá)到極顯著水平。氮處理組 LSR（p=2，α=0.05，df=16）= 205.42＜YN3-YN2= 226.71＜LSR（p=2，α=0.01，df=16）= 282.79，YN2-YN1= 646.76＞LSR（p=2，α=0.01，df=16）= 282.79，YN3-YN1= 873.46＞LSR（p=3，α=0.01，df=16）= 297.17（產(chǎn)量差單位均為kg/hm2），N3對(duì)比N1和N2對(duì)比N1均達(dá)1% 顯著水平，而N3對(duì)比N2僅為5% 顯著水平。由以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果及產(chǎn)量分布（圖2、3），水、氮單因素都是隨著施用水平提升，對(duì)產(chǎn)量表現(xiàn)出顯著的正效應(yīng)，且相鄰梯度產(chǎn)量差隨施用水平的升高而降低，可體現(xiàn)出單因素對(duì)產(chǎn)量均呈現(xiàn)報(bào)酬遞減效應(yīng)。相對(duì)不同施氮水平，不同灌溉水平之間的產(chǎn)量間隔更大，對(duì)產(chǎn)量變動(dòng)幅度的影響水＞氮。

圖2　不同灌水量水平的產(chǎn)量分布Fig. 2　Yield distribution due to differing levels of irrigation quantity

　圖3　不同施氮量水平的產(chǎn)量分布Fig. 3　Yield distribution due to differing levels of nitrogen rate

2.2.2水氮互作的產(chǎn)量效應(yīng)通過柱狀圖 4直觀對(duì)比不同水氮處理玉米產(chǎn)量，總趨勢(shì)表現(xiàn)為產(chǎn)量隨水氮投入量的增加而增大，但增產(chǎn)程度隨二因素投入量的增加而減小。水氮處理W3N2產(chǎn)量最高，但與W3N3無顯著差異，W2N3次之并與 W3N1差異不顯著。產(chǎn)量逆次序表現(xiàn)為（W3N2、W3N3）＞（W2N3、W3N1）＞W(wǎng)2N2＞W(wǎng)2N1＞（W1N3、W1N2）＞W(wǎng)1N1。W1灌溉水平下，施氮量由N1提升至N2增產(chǎn)明顯，再次提升至N3時(shí)，產(chǎn)量無顯著提升，即低灌溉水平下，配施一定量的氮肥可小幅度提高產(chǎn)量，但總體產(chǎn)量水平低，施氮量由中氮至高氮產(chǎn)量無顯著增加，不能有效地發(fā)揮出氮肥對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)能力。初步認(rèn)為水氮對(duì)產(chǎn)量較大的響應(yīng)能力發(fā)生在二因素中高水平區(qū)域。如圖5所示1區(qū)：施氮280 ～ 290 kg/hm2時(shí)，隨灌水1 400 m3/hm2增至1 800 m3/hm2過程，產(chǎn)量等值線沿灌水方向最密集，灌水提升產(chǎn)量速度最快，是水對(duì)產(chǎn)量影響最敏感的區(qū)域，但此區(qū)域在施氮量方向上幾乎沒有產(chǎn)量梯度差，無互作效應(yīng)。2區(qū)：“絕對(duì)”高產(chǎn)發(fā)生在高水 ×（高氮 ～ 中氮）區(qū)，但圖中最高的水氮投入下，產(chǎn)量等值線明顯變寬，單位水氮投入的增產(chǎn)能力很低，水氮互作效應(yīng)明顯減弱，且在很高的灌溉量下，隨著施氮水平的降低，互作效應(yīng)減弱并消失。3區(qū)：中等偏低施氮水平下，隨灌水量增加，產(chǎn)量等值線逐漸變密，但施氮對(duì)產(chǎn)量幾乎沒有效果。4區(qū)：水氮均處于最低值時(shí)，雖產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速，但影響過程很短且產(chǎn)量很低。由以上對(duì)比分析，水氮協(xié)同互作效應(yīng)較高（二因素施用量增加均能引起產(chǎn)量的提升，且提升速度較快），同時(shí)能獲得較高產(chǎn)量的水氮施用區(qū)域?yàn)?區(qū)：灌水1 800 ～ 2 100 m3/hm2、施氮250 ～ 280 kg/hm2。

2.2.3基于頻數(shù)分析的水氮置信區(qū)間利用水氮-產(chǎn)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到灌水量和施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量的回歸方程見式（1）：

灌水量單位m3和施氮量單位 kg不同，通過離差標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)具體數(shù)據(jù)作線性變換統(tǒng)一量綱，使水、氮二因素不同數(shù)值均在區(qū)間［0，1］ 內(nèi)，得到的同量綱回歸方程如式（2）：

對(duì)水氮碼值在 ［0，1］ 內(nèi)等步長(zhǎng)劃分為7個(gè)水平（0.00、0.17、0.33、0.50、0.67、0.83、1.00）組合可得到超過本試驗(yàn)平均產(chǎn)量9 815.097 kg/hm2的方案共23套，占全部方案的 46.94%，對(duì)灌水量和施氮量不同水平進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分析［12］，得到灌水2 015.912 ～2 167.937m3/hm2、施氮227.875 ～ 253.546 kg/hm2有95%的概率能獲得超過9 815.097 kg/hm2的玉米產(chǎn)量（表3）。

圖4　不同水氮組合處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Fig. 4　The effect of the different soil water and nitrogen treatments on yield of maize

圖5　水氮交互-玉米公頃產(chǎn)量等值線圖Fig. 5　Water and nitrogen interaction-contour map of maize yield

表3　玉米產(chǎn)量大于平均值的因子取值頻數(shù)分布及配比方案Table 3　Factor value of the frequency distribution and proportion plan with grain yield surpass average

2.3適宜的水氮耦合區(qū)域

本次試驗(yàn)無顯著差異的兩個(gè)最高產(chǎn)量處理是W3N2 及W3N3，施用區(qū)間為水 2 299 ～ 2 315 m3/hm2、氮240 ～ 288 kg/hm2。水氮對(duì)產(chǎn)量互作效應(yīng)較高的施用區(qū)間為水1 800 ～ 2 100 m3/hm2、氮 250 ～ 280 kg/hm2。殘留有效氮的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低的處理是W2N1及W2N2，施用區(qū)間為水 1 802 ～ 2 070 m3/hm2、氮192 ～ 240 kg/hm2。高于試驗(yàn)平均產(chǎn)量的水氮95% 置信區(qū)間水2 016 ～2 168 m3/hm2、氮228 ～ 254 kg/hm2。在此以散點(diǎn)圖形象表達(dá)不同的水氮用量耦合區(qū)域的邊界點(diǎn)如圖 6所示。劉文兆等［1］考慮了水肥對(duì)玉米產(chǎn)量和水分利用效率的兩項(xiàng)影響指標(biāo)，在水肥投入的二維平面下解析出了玉米優(yōu)化水肥耦合區(qū)域是一個(gè)橢圓域。而本次研究基于產(chǎn)量及殘留氮的環(huán)境效應(yīng)下其不同耦合用量同樣包含在一個(gè)近似橢圓的區(qū)域內(nèi)，雖然橢圓域內(nèi) 16個(gè)邊界點(diǎn)無公共交集，但橢圓中心區(qū)域水2 016 ～ 2 100 m3/hm2、氮228 ～ 250 kg/hm2耦合量在達(dá)不到試驗(yàn)最高產(chǎn)量的情況下能兼顧其他三方面的影響效應(yīng)。

圖6　水氮耦合區(qū)域邊界點(diǎn)圖形表達(dá)Fig. 6　Area of water and nitrogen coupling with graphical representation

3　討論與結(jié)論

3.1討論

本試驗(yàn)結(jié)果單因素對(duì)玉米產(chǎn)量的影響灌水＞施氮，對(duì)比前人研究成果，有學(xué)者認(rèn)為施氮作用大于灌水［3，13］，也有學(xué)者認(rèn)為灌水作用大于施氮［14-15］，其灌溉及施肥方式有隔溝交替灌溉施肥、鋪管地面灌溉與人工撒肥、膜下滴灌一體化灌溉施肥、盆栽玉米人工灌水及施肥。所在地理位置有楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)、河套灌區(qū)以及黑龍江半干旱區(qū)。由此分析，本試驗(yàn)結(jié)論與前人研究的異同可能與灌溉施肥方式和地域氣候的不同有關(guān)。還可能因?yàn)楸驹囼?yàn)?zāi)杲涤炅可?，相?duì)而言更能突出灌溉水的影響效應(yīng)。不同研究人員對(duì)水氮因子設(shè)計(jì)水平用量及間距不同，建模分析結(jié)果也不同，水氮效應(yīng)的大小具有相對(duì)性［16］。對(duì)于土壤氮的殘留積累和遷移，國內(nèi)外學(xué)者研究［17-24］更多的是土壤無機(jī)氮，其中的硝態(tài)氮一直成為研究熱點(diǎn)，主要因?yàn)橄鯌B(tài)氮很容易被作物吸收而又容易隨水遷移，而本試驗(yàn)研究了土壤有效氮的殘留和分布，是考慮到有效氮包含無機(jī)態(tài)氮與較簡(jiǎn)單且易水解有機(jī)態(tài)氮［7-8］，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，易水解的有機(jī)氮也可能存在殘留積累與遷移損失，從研究角度，深入探討某一離子態(tài)氮具有重大意義，但面對(duì)諸多不確定變量因子作用下的作物-土壤系統(tǒng)，通過對(duì)包含多種形態(tài)氮，且能表征土壤近期氮供應(yīng)能力的土壤有效氮探討分析，能更簡(jiǎn)單有效地提出合理的水氮施用量。基于本研究與前人研究成果的異同及研究過程中的不足，需要做的進(jìn)一步研究有：探討水氮對(duì)產(chǎn)量及收獲后土壤殘留有效氮的影響還需細(xì)化因子水平，做連續(xù)長(zhǎng)期試驗(yàn)，分析不同水文年的異同；化驗(yàn)土壤各種形態(tài)氮，分別探討水氮對(duì)各種土壤氮的影響，再進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；本試驗(yàn)適宜水氮耦合量是對(duì)各較優(yōu)影響效應(yīng)取交集得到的，還可采用專家打分制，得到不同影響效應(yīng)的權(quán)重值來確定。

3.2結(jié)論

1） 膜下滴灌種植玉米收獲后土壤有效氮?dú)埩袅看怪狈植紴椋罕韺託埩袅看螅蓽\至深呈逐漸減少，占0 ～ 20 cm土層殘留量的比例分別為88.09%、39.27%、32.86%、24.96%。播種至成熟期間玉米吸收、灌溉降雨、大氣氮交換使得淺層有效氮趨同，不同水氮施用量對(duì)收獲后0 ～ 40 cm土層殘留量影響小。

2） 玉米收獲后1 m土層有效氮總殘留量隨施氮量的增加而增大，施氮量少于240 kg/hm2范圍內(nèi)增長(zhǎng)緩慢，超過后增長(zhǎng)迅速，肥料氮用量增加到一定程度會(huì)使得土壤環(huán)境氮?dú)埩袅吭龃蠖衩孜绽昧繙p少。生育期1 802 ～ 2 071 m3/hm2的灌溉量增大了土壤有效氮，促進(jìn)了肥料氮向土壤氮轉(zhuǎn)化的過程，降低了因低灌水量 （1 351 ～ 1 465 m3/hm2）導(dǎo)致肥料氮聚集在表層土壤的揮發(fā)損失量。灌水量提高至2 197 ～2 315 m3/hm2后，土壤氮隨大量灌水遷移至深層，1 m土層內(nèi)總殘留量減少、損失量增大。

3） 在當(dāng)?shù)氐湫偷赜蚣皻夂驐l件下，膜下滴灌種植玉米水和氮的投入均能增產(chǎn)，并均對(duì)產(chǎn)量有報(bào)酬遞減效應(yīng)，單因素施用水平的變動(dòng)引起產(chǎn)量改變的敏感性水＞氮。生育期灌水量在1 351 ～ 1 465 m3/hm2以內(nèi)會(huì)降低肥料氮向土壤氮的轉(zhuǎn)化量，不能有效發(fā)揮肥料氮對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)。灌水提升產(chǎn)量速度最快但與氮肥無協(xié)同效應(yīng)的耦合量為施氮 280 ～ 290 kg/hm2、灌水1 400 ～ 1 800 m3/hm2。大量水氮投入雖能獲得高產(chǎn)，但增產(chǎn)能力太低，互作效應(yīng)弱。水氮協(xié)同互作效應(yīng)較高且能獲得較高產(chǎn)量的耦合量為灌水1 800 ～ 2 100 m3/hm2、施氮250 ～ 280 kg/hm2。基于水氮-產(chǎn)量回歸方程的頻數(shù)分析結(jié)果為：灌水2 016 ～ 2 168 m3/hm2、施氮228 ～254 kg/hm2有95% 的概率能獲得超過9 815 kg/hm2的玉米產(chǎn)量。

4） 在松遼平原到內(nèi)蒙古高原過渡地帶采用膜下滴灌種植玉米，能協(xié)調(diào)獲得較高產(chǎn)量、較高互作效應(yīng)與收獲后土壤殘留有效氮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低之間相互矛盾的適宜水氮耦合量為：灌水量2 016 ～ 2 100 m3/hm2、施氮量228 ～ 250 kg/hm2。

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Effects of Water and Nitrogen on Maize Yield and Soil Residual Available Nitrogen Through Mulched Drip Irrigation

QI Yinglong1， SHI Haibin1*， WANG Chenggang1， ZHAO Jingdan1， WANG Ning2
（1 Water Conservancy and Civil Engineering College of Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot010018， China；2 Institute of Water Conservancy Science of Inner Mongolia Municipality， Hohhot010020， China）

Abstract：The field experiments were conducted to study the effect of different water and nitrogen application on maize yield and soil residual available nitrogen through mulched drip irrigation. The main objective was to determine the suitable application amount of water and nitrogen to develop a preliminary theory for the harmonious target of high yield， high efficiency，low nitrogen residues and low loss of nitrogen. Results showed that the low irrigation （1 351 - 1 465 m3/hm2） cannot effectively increase the role of nitrogen fertilizer on the yield of maize. Combined application of 280 - 290 kg/hm2of nitrogen with irrigation of 1 400 - 1 800 m3/hm2led to the fastest increase in maize yield， but without synergistic effects of water with nitrogen on the yield. Combined irrigation of 1 800 - 2 100 m3/hm2with 250 - 280 kg/hm2of nitrogen obtained relatively higher yield and high synergistic effects of water with nitrogen on the yield. The residue of available nitrogen decreased from the shallow to the deep layer in the profile of 0 - 100 cm after harvest， and the quantity of water and nitrogen applied mainly affected the residue of available nitrogen in the layer of 40 - 100 cm. The residue of available nitrogen increased with the increasing nitrogen fertilizer. When the application rate was about 240 kg/hm2， the quantity of residual available nitrogen increased slowly. The residue of available nitrogen increased rapidly when the fertilizer increased to above 240 kg/hm2. The low irrigation （1 351 - 1 465 m3/hm2）decreased the conversion of fertilizer nitrogen to soil nitrogen and quantity of nitrogen residue. Enhancing the irrigation amount to 1 802 - 2 071 m3/hm2promoted the conversion of nitrogen fertilizer to the soil nitrogen and increased the available nitrogen. When the irrigation reached about 2 197 - 2 315 m3/hm2， the nitrogen migration with water in soil profile increased and reached to deep layer of ＞ 1 m. The quantity of optimization of water and nitrogen coupling were in an approximate ellipse area. The irrigation of 2016 - 2100 m3/hm2with nitrogen of 228 - 250 kg/hm2in intersection area can be used as suitable amount for planting maize under mulched drip irrigation in the transition from Song-liao Plain to the Inner Mongolia Plateau.

Key words：Mulched drip irrigation； Water-nitrogen coupling； Soil； Maize yield； Available nitrogen； Nitrogen residual

中圖分類號(hào)：S275.6；S158.3

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.011

基金項(xiàng)目：①“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD12B03）和水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目（NSK2014S1）資助。

* 通訊作者（shi_haibin@yahoo.com.cn）

作者簡(jiǎn)介：戚迎龍（1988—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要從事農(nóng)田土壤水氮環(huán)境及節(jié)水灌溉新技術(shù)研究。E-mail： hhhtqyl@ foxmail.com