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

氮素是作物生長必需的營養(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[1]。由于不合理的施肥模式，我國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，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?，在作物生長前期，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，作物生長中期有一定的差異，但不顯著，只有在作物生長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，從而生長受限，當(dāng)施氮量適量時(shí)則促進(jìn)作物生長，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。