滴灌施肥条件下冬小麦—夏玉米生长发育及水氮利用效率研究

氮肥是作物需求量最大的肥料,且易溶于水,是施肥灌溉最常用的肥料,同时也是污染地下水的主要物质之一。滴灌施肥可以根据作物的需要灵活地控制施肥的时间、数量和施入点,既能保证作物得到必要的养分,也可以提高养分的利用率,避免养分淋失。施氮量、施氮方式和氮肥种类是重要的滴灌施肥水肥管理要素,这些参数的变化会影响作物的生长发育、产量和土壤中氮素的积累,目前国内对滴灌施肥应用于大田作物的研究比较少,而对华北地区冬小麦和夏玉米轮作种的研究则更加缺乏。 本研究在中国农业科学院河北廊坊试验站,分别开展了滴灌条件下不同施氮方式,滴灌施肥条件下不同施氮量和施氮种类的田间试验,试验共设9个处理。滴灌施肥不同施氮量包括4个氮素水平(冬小麦,325kgN·hm-2、250kgN·hm-2、175kgN·hm-2和100kgN·hm-2;夏玉米,267.15kgN-hm-2、205.5kgN-hm-2、143.85kgN·hm-2和82.2kgN·hm-2),其中氮肥用量250kgN·hm-2和205.5kgN·hm-2分别为当地冬小麦和夏玉米的常规用量,在该施氮量条件下设置滴灌常规施肥(即单纯滴灌清水撒施氮肥)处理。滴灌施肥不同施氮种类包括3种氮肥(硝酸铵,硫酸铵,硝酸钙),施氮量均为当地常规用量。通过定期测定冬小麦和夏玉米生理生态指标(株高、叶面积、光合速率、蒸腾速率等)及产量,分析冬小麦和夏玉米对滴灌条件下不同氮肥管理措施的响应以及土壤氮素的残留,研究滴灌施肥对作物生长发育和氮素吸收利用的影响,为华北地区大田作物滴灌施肥管理制度提供理论依据。本研究获得的主要结论如下： 1.滴灌条件下不同施氮方式影响冬小麦和夏玉米的生长发育,冬小麦表现尤为明显。滴灌施肥方式与滴灌常规施肥相比,可显著提高冬小麦株高和叶面积指数,促进冬小麦叶绿素代谢,延长冬小麦叶片功能期。在相同施氮量情况下,滴灌施肥方式收获期冬小麦干物质积累比滴灌常规施肥高73.3%,减氮(减少常规施氮量)60%的滴灌施肥处理比滴灌常规施肥高72.5%。滴灌条件下不同施氮方式对夏玉米株高影响不显著,对叶片有较大影响。在相同施氮量情况下,滴灌常规施肥方式夏玉米最大叶面积指数比滴灌施肥处理低1.83%,关键生育期叶片叶绿素含量与减氮30%和60%的滴灌施肥处理含量相当,灌浆期滴灌施肥夏玉米叶片的光合速率均显著大于滴灌常规施肥处理。 2.滴灌施肥与滴灌常规施肥相比,更有利于冬小麦产量的增加,显著提高了冬小麦的水分利用率和氮肥利用率。与滴灌常规施肥相比,施用相同氮水平的滴灌施肥处理冬小麦产量增加了2137.11kg·hm-2,增加幅度为79.7%,产量水分利用率提高了59.1%,氮肥利用率提高了7.6倍；减氮60%的滴灌施肥处理冬小麦产量增加了2648.76kg·hm-2,增加幅度为98.7%,产量水分利用率提高了88.9%。滴灌施肥条件下,高施氮量冬小麦光合产物主要用于营养体的建成和群体数量的增加,低施氮量则通过提高作物对土壤氮素营养的吸收能力来增加同化产物向籽粒库的分配比例,提高收获指数。在减氮60%(100kgN·hm-2)的滴灌施肥条件下提高冬小麦分蘖期氮素营养投入比例,减少开花期及后期氮素营养供给可获得最大的产量效益。滴灌施肥条下不同氮肥投入量和滴灌常规施肥方式的夏玉米产量和水分利用率差异并不显著,减氮60%(82.2kgN·hm-2)的滴灌施肥夏玉米最终籽粒产量最高。在该处理条件下,减少夏玉米拔节期氮素营养投入比例,提高灌浆期施入氮肥比例可以改善光合性能,可以促进粒多和粒重,达到丰产,具有较高的投资效益。在冬小麦—夏玉米轮作制度中,两种作物对滴灌条件下不同氮肥施用量和方式的响应效果并不相同。减氮60%的滴灌施肥处理与滴灌常规施肥相比,周年产量(冬小麦和夏玉米)显著提高了2795.8kg·hm-2,增加幅度为33.9%,氮肥利用效率提高了3倍。 3.在冬小麦—夏玉米种植体系内,滴灌施肥条件下不同氮肥投入量和滴灌常规施肥方式对土壤氮素残留影响不同。等氮量滴灌常规施肥较滴灌施肥土壤中硝态氮残留略高,滴灌施肥不同施氮量硝态氮浓度均呈现远根位点(30cm)>近根位点(15cm)>根位点(Ocm)的分布规律,不同氮素水平之间硝态氮浓度并无明显规律,最高施氮量处理累积量也最大,十壤中的铵态氮累积没有明显规律。减氮60%的滴灌施肥处理有助于减少十层中矿质态氮的积累,降低环境风险。 4.滴灌施肥条件下冬小麦和夏玉米对铵、硝态氮肥的反应均与生育时期有关。冬小麦生长早期施用硝态氮肥,生长后期施用铵硝态混合氮肥更有助于改善植株性状,获得较高的生物量。滴灌施肥条件下等氮量施用硝酸铵肥的冬小麦成熟期干物质积累量最大,达到10572.6kg·hm-2,分别比施用硫酸铵和施用硝酸钙肥高20.9%和9.4%,且成熟期叶片和茎鞘的干物质分配率最低,籽粒中最大。而夏玉米花前施用硝态氮肥、花后施用铵硝态混合氮肥虽然有利于叶绿素合成,但灌浆期施用硝态氮硝酸钙肥夏玉米叶片水分利用效率最大,分别比施用硝酸铵和硫酸铵肥高13.2%和4.6%,对干物质积累和最终产量的形成更为有利。 5.滴灌施肥条件’下当土壤中同时保持铵态氮和硝态氮的混合形态营养时,冬小麦表现为比单一铵态氮或硝态氮具有更高的籽粒产量、水分利用效率和氮肥利用效率。滴灌施肥条件下等氮量施用硝酸铵肥的冬小麦产量分别比施用硝酸钙和硫酸铵肥的产量高3.1%和39.7%,并且显著提高了冬小麦水分利用效率。而滴灌施肥条件下等氮量施用硝酸钙肥的夏玉米籽粒产量和水分利用效率最高,施用硝酸铵肥的夏玉米产量最低。在冬小麦—夏玉米轮作制度中,两种作物对滴灌条件下不同氮肥种类的响应效果并不相同。滴灌施肥条件下等氮量施用硝酸钙肥的周年产量(冬小麦和夏玉米)最高,氮肥利用效率最大。 6.滴灌施肥条件下等氮量施用硝酸铵、硫酸铵和硝酸钙三种氮肥处理各土层中的残留矿质氮以硝态氮为主,且硝态氮分布呈现根位点(Ocm)和远根位点(30cm)两边高,近根位点(15cm)浓度低的规律,施用硝酸钙肥的土壤硝态氮累积量最大,铵态氮在近根处和远根处浓度无明显差异。通过相关分析发现,0-60cm土层中残留的硝态氮与产量呈显著正相关,相关系数为0.9275。可见,0-60cm十层的残留硝态氮能很好地反映旱地十壤的供氮能力,与作物吸氮量及产量等有密切的相关性。