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調(diào)虧灌溉和施氮對春玉米根區(qū)土壤水分、硝態(tài)氮分布及產(chǎn)量的影響

2020-12-07 05:17成一雄
水資源開發(fā)與管理 2020年11期
關(guān)鍵詞:根區(qū)硝態(tài)灌水

成一雄

(山西省水利水電科學(xué)研究院,山西 太原 030002)

春玉米作為北方優(yōu)勢糧食作物之一,如何采用合理的灌施策略在提高產(chǎn)量、保持土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水化,是當(dāng)前有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問題[1]。國內(nèi)外大量研究表明,基于調(diào)虧灌溉進(jìn)行生物節(jié)水能夠?qū)崿F(xiàn)大田作物的水資源高效利用[2-3],且相關(guān)研究者就不同調(diào)虧灌溉策略下玉米等農(nóng)作物根區(qū)土壤微環(huán)境變化以及最終產(chǎn)量形成等進(jìn)行了系列研究[4-5],但針對具體某區(qū)域內(nèi)調(diào)虧灌溉策略的選擇仍需結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)一步分析。同時,隨著對水氮耦合效應(yīng)認(rèn)識的不斷加深,以水促肥、以肥調(diào)水顯得尤其重要,需將水氮因素協(xié)同考慮,方能夠提出合理的調(diào)虧灌溉策略。當(dāng)前,就調(diào)虧灌溉和施氮的研究主要集中于玉米、小麥、西紅柿、枸杞和花生等作物[6-7],針對玉米的研究多集中于干旱區(qū)地上或地下的劑量效應(yīng)分析[8],而就山西省黃土高原地區(qū)調(diào)虧灌溉和施氮下對春玉米根區(qū)土壤環(huán)境和產(chǎn)量的研究還相對較少?;诖耍疚难芯苛苏{(diào)虧灌溉和施氮對玉米根區(qū)土壤水分、硝態(tài)氮和產(chǎn)量的影響,可為提出北方地區(qū)春玉米的合理灌溉模式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省太原市西溫莊的農(nóng)作物節(jié)水試驗(yàn)基地,該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶园敫珊禋夂?,年平均降雨?30mm,年平均氣溫9.5℃,年平均蒸發(fā)量為1812.7mm。土壤質(zhì)地為黏壤土,土壤田間持水量為0.31cm3/cm3。土壤顆分、比重試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 土壤顆分、比重試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)(見表2)可知,試驗(yàn)地表層0~20cm的土壤養(yǎng)分為2~3級,20~50cm的土壤養(yǎng)分為3~4級,總體說來,肥力中等偏上。

表2 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2 試驗(yàn)方案

在前期預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,該試驗(yàn)以灌水時間和施氮量為變量。其中,水分設(shè)7個處理:全生育期灌水(ICK)、苗期不灌水(I1)、拔節(jié)期不灌水(I2)、抽穗期不灌水(I3)、灌漿期不灌水(I4)、苗期與灌漿期不灌水(I14)、拔節(jié)期與灌漿期不灌水(I24)。單次灌溉定額一致,均為100mm,具體灌水方案見表3。氮肥施用尿素(N含量為46%),設(shè)4個水平:N0為不施肥,N1施肥量為60kg/hm2,N2施肥量為120kg/hm2,N3施肥量為180kg/hm2。試驗(yàn)為完全隨機(jī)設(shè)計(jì),共28個處理,重復(fù)3次,試驗(yàn)小區(qū)面積為5.5m×3.5m。其他肥料和田間管理各處理均一致,其中,磷肥施用過磷酸鈣(P2O5含量為16%),一次性施入,施入量為120kg/hm2。

春玉米為當(dāng)?shù)爻S闷贩N(屯玉46號),2015年4月覆膜播種,種植密度為75000株/hm2,行距、株距均為30cm。三葉期后定苗,每穴留生長健壯幼苗1株。10月5日左右收獲。

表3 不同灌水處理方案

1.3 測量項(xiàng)目與方法

土壤含水量采用烘干法測定。將取回的土樣稱其鮮重,然后放入烘箱中80℃下烘干24h,之后取出稱量的重量即為干重,烘干土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值即為土壤質(zhì)量含水量。

土壤硝態(tài)氮用連續(xù)流動分析儀進(jìn)行測定。在春玉米不同生育期利用土鉆取土,將土壤樣品經(jīng)振蕩、浸提、過濾后使用AA3連續(xù)流動分析儀測定。

在玉米進(jìn)入生育末期,采集小區(qū)內(nèi)所有玉米進(jìn)行稱重,計(jì)算每個處理的產(chǎn)量。

2 分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS進(jìn)行處理與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水氮條件下春玉米根區(qū)土壤含水量變化

根區(qū)土壤含水量是明確植物水分虧缺狀況和評價(jià)灌溉策略最直觀和有效的指標(biāo)之一,通常根區(qū)土壤中水分含量隨玉米根部深度的增加而呈現(xiàn)水分減少的趨勢。以苗期為例可知(見圖1),灌溉與不灌溉下不同土壤深度含水量的變化趨勢基本一致,均隨著土壤深度的增大呈現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律。而不同施氮量下,土壤含水率變化有所差異。其中,無氮、低氮和中氮處理下各個土壤深度均表現(xiàn)出ICK處理下的土壤含水量大于I1處理。而高氮處理下表現(xiàn)為上層土壤中ICK處理大于I1處理,中層土壤中二者基本一致,下層土壤中ICK處理小于I1處理,這可能是由于土壤中硝態(tài)氮含量較高,在上層土壤中根系吸收水分和硝態(tài)氮后,土壤中剩余水分和硝態(tài)氮含量仍然較高,剩余的硝態(tài)氮可滿足更深層次土壤中根系生長的需要,而氮素的運(yùn)移需要水分作為介質(zhì),使得土壤中的水分加速向土壤深處運(yùn)移,深層次的根系會吸收一定量的水分和硝態(tài)氮,從而ICK處理下深層土壤中水分含量較小。

圖1 播后苗期各處理土壤含水量

圖2 收獲期各處理土壤水分含量

收獲后土壤儲水量情況(見圖2),能夠間接指示作物水分利用和蒸騰耗散情況。在不施氮情況下(N0),各處理土壤含水量基本呈先增加后減小的趨勢,I2和I3處理60cm以下平均土壤含水量顯著增大,說明拔節(jié)期和抽穗期虧水能夠增加收獲后60cm以下土壤的儲水量;ICK處理20~40cm土壤平均含水量最小,這是由于充分灌溉下植物為了吸收更多的養(yǎng)分增加了對中深層土壤水的吸收利用,導(dǎo)致20~40cm土壤水分明顯降低。在低氮條件下(N1),ICK處理平均土壤含水量最大,I4處理平均土壤含水量最低。中氮(N2)和高氮(N3)條件下,各層土壤水分變化差異并不顯著。其中,中氮條件不同處理下土壤含水量變化情況與不施氮處理類似,I2處理平均土壤含水量最大,ICK處理下表層土壤含水量增加顯著。而高氮條件下,I1和I3處理表層0~20cm的土壤含水量基本一致,均小于其余處理,I1和ICK整體平均土壤含水量無顯著差異。

3.2 不同水氮條件下春玉米根區(qū)土壤硝態(tài)氮變化

硝態(tài)氮是植物吸水氮素的主要形態(tài),也是評價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵因子,通常根區(qū)土壤中硝態(tài)氮含量隨玉米根部深度增加而呈現(xiàn)減少的趨勢。由圖3可知,各處理下苗期春玉米不同深度土壤硝態(tài)氮的累積量變化規(guī)律基本一致。ICK處理?xiàng)l件下,各個氮肥處理的變化趨勢均為先增大再逐漸減小,上層土壤的硝態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加而增大,中、下層的硝態(tài)氮含量逐漸減小。這主要是由于土壤中的硝態(tài)氮隨著水分向土壤深處運(yùn)移,在這一過程中土壤中的硝態(tài)氮供給量大于玉米根系的硝態(tài)氮需求量,使得剩余部分硝態(tài)氮在上層土壤中積累下來,因此上層土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸增大,隨著土壤深度的進(jìn)一步增加,上層土壤中氮素被上層根系大量吸收,使得中、下層土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸減小。

I1處理?xiàng)l件下,無氮處理的變化趨勢為先減小再增大再減小,低氮、中氮和高氮處理的變化趨勢為先減小后逐漸趨于穩(wěn)定,呈L形變化。隨著土壤深度的增加,上層土壤的硝態(tài)氮含量顯著減小,中、下層土壤硝態(tài)氮含量逐漸趨于穩(wěn)定。這主要是由于土壤含水量較小,使得土壤中硝態(tài)氮的運(yùn)移相對較困難,無氮處理?xiàng)l件下玉米根系吸收土壤中原有的硝態(tài)氮,隨著土壤深度的增加,硝態(tài)氮含量增高可能是由土壤礦物氮硝化和上層的硝態(tài)氮向下遷移形成的,上層土壤中的硝態(tài)氮向下運(yùn)移較困難使得下層土壤中的硝態(tài)氮含量再減小。而其他3種氮肥處理下硝態(tài)氮呈現(xiàn)出L形變化趨勢主要是由于施氮處理后土壤中的硝態(tài)氮含量增加,而玉米根系主要集中在土壤的上層,根系生長吸收大量的硝態(tài)氮,使得上層土壤中硝態(tài)氮含量顯著減小,隨著土壤深度的增加,玉米根系逐漸減少,使得土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 播后苗期各處理土壤硝態(tài)氮累計(jì)量

由圖3可知,由于表面施氮的原因,各處理春玉米根區(qū)0~40cm土層硝態(tài)氮累積量均較大,且隨著施氮量的增大而增大。其中苗期不灌水處理(I1)在各個氮肥處理下土壤硝態(tài)氮累積量均在剖面0~20cm處最大,硝態(tài)氮分布呈L形,高氮(N3)處理表層0~20cm硝態(tài)氮累積量達(dá)到129.50kg/hm2,分別是中氮(N2)處理、低氮(N1)處理和無氮(N0)處理的1.86倍、2.80倍和3.87倍。而苗期灌水(ICK)處理剖面峰值主要分布在40cm左右,其中高氮處理在20~40cm硝態(tài)氮累積量平均最大,為133.20kg/hm2,分別是中氮處理、低氮處理、無氮處理的2.25倍、2.49倍、5.98倍,表明春玉米苗期灌水處理導(dǎo)致根區(qū)土壤硝態(tài)氮加速向下運(yùn)移。高氮(N3)處理0~100cm根區(qū)土壤剖面硝態(tài)氮累積量平均最大,達(dá)243.64kg/hm2,分別是中氮(N2)處理、低氮(N1)處理、無氮(N0)處理的1.97倍、1.64倍、3.20倍。

收獲后取土樣,土壤硝態(tài)氮在剖面上累積量代表了硝態(tài)氮?dú)埩舻亩嗌佟S蓤D4可知,土壤硝態(tài)氮的殘留量為高氮處理>中氮處理>低氮處理>無氮處理,其中高氮處理0~100cm殘留量達(dá)122.22kg/hm2,分別是中氮處理、低氮處理和無氮處理的1.95倍、3.83倍和5.44倍。與苗期根區(qū)0~100cm硝態(tài)氮累積量相比,高氮處理減小幅度最大,為121.42kg/hm2,其減少幅度分別是中氮處理、低氮處理和無氮處理的2.00倍、1.04倍和2.26倍,說明高肥處理硝態(tài)氮淋失最為嚴(yán)重,降低了氮肥的利用效率。

表4是不同水氮處理下春玉米產(chǎn)量的變化規(guī)律。由表4可知,在各個氮肥水平下,充分灌水處理籽粒產(chǎn)量最高,并且隨著施氮量的增加,籽粒產(chǎn)量增大。在無氮處理?xiàng)l件下,I14、I24、I1和I3處理顯著影響籽粒產(chǎn)量,分別比ICK處理減產(chǎn)38.28%、18.73%、16.88%和16.72%,由此可見,在無氮處理?xiàng)l件下苗期和灌漿期均虧水會嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量,說明苗期和灌漿期是影響籽粒產(chǎn)量的敏感期。

圖4 收獲后各處理土壤硝態(tài)氮累計(jì)量

3.3 不同水氮條件下春玉米產(chǎn)量變化

進(jìn)一步分析可知,低氮水平下玉米籽粒產(chǎn)量與灌水量成正相關(guān)關(guān)系,ICK處理下產(chǎn)量最高,達(dá)12416.52kg/hm2,分別是300mm和200mm灌溉水平的1.13倍和1.30倍,I14處理對玉米籽粒產(chǎn)量影響最大,其次是I24和I3處理。在中氮處理水平下,抽穗期不灌水嚴(yán)重影響籽粒產(chǎn)量,較充分灌水處理下降26.34%,其次是I24、I3和I14處理,其余時期虧水對玉米籽粒產(chǎn)量影響不顯著。高氮處理?xiàng)l件下除苗期不灌水處理外,其他處理都對春玉米產(chǎn)量影響顯著,其中I3處理產(chǎn)量最低,較充分灌水處理減產(chǎn)19.94%。在各個水分處理?xiàng)l件下,無氮處理產(chǎn)量最低,產(chǎn)量與施氮成正相關(guān)關(guān)系,說明施氮量是影響春玉米產(chǎn)量的重要因素,施氮具有明顯的增產(chǎn)作用。

表4 不同水氮處理下春玉米產(chǎn)量情況

4 結(jié) 論

本文通過對調(diào)虧灌溉下灌水和施氮對春玉米根區(qū)氮素運(yùn)移和土壤含水量的分析研究,得出以下結(jié)論:

a.不同施氮量對不同調(diào)虧灌溉下根區(qū)水分變化影響不一致,不施氮條件下拔節(jié)期不灌水對根區(qū)土壤水分的影響較小,低氮條件下灌漿期不灌水對土壤水分影響顯著,中氮和高氮處理會減弱調(diào)虧灌溉對土壤水分的影響。

b.不同處理土壤殘留硝態(tài)氮含量存在顯著差異,但變化趨勢基本相同,隨著春玉米生長時間的變化基本呈遞減趨勢,均呈現(xiàn)高氮處理下,土壤硝態(tài)氮累積量最高,但高肥處理硝態(tài)氮淋失最為嚴(yán)重,降低了氮肥的利用效率。

c.調(diào)虧灌溉會降低春玉米產(chǎn)量,但春玉米產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加,且不同水氮策略對春玉米產(chǎn)量的影響不同。在不施氮條件下,苗期和灌漿期虧水會嚴(yán)重影響春玉米產(chǎn)量,降產(chǎn)率為38.3%;而隨著施氮量的增加,苗期和灌漿期虧水對春玉米最終產(chǎn)量的影響將逐漸減弱;中氮和高氮處理下抽穗期虧水將顯著降低春玉米產(chǎn)量,降產(chǎn)率為20.6%。

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