不同沟灌方式下玉米根区矿物氮迁移动态研究.pdf

中国生态农业学报 2011 年 5 月 第 19 卷 第 3 期 Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2011, 193 540−547 * 国家自然科学基金项目50579066, 50879073, 51009073、国家科技支撑计划项目2007BAD88B10、云南省应用基础研究项目 2010ZC043, 2010ZC042和昆明理工大学测试基金项目2010295资助 ** 通讯作者 张富仓1962, 男, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为节水灌溉理论与技术。E-mail zhangfc 刘小刚1977, 男, 博士, 研究方向为节水灌溉理论与技术。E-mail liuxiaogang888 收稿日期 2010-08-20 接受日期 2011-01-19 DOI 10.3724/SP.J.1011.2011.00540 不同沟灌方式下玉米根区矿物氮迁移动态研究* 刘小刚1,2 张富仓2** 杨启良1,2 王金凤2 李志军2 1. 昆明理工大学现代农业工程学院 昆明 650024; 2. 西北农林科技大学旱区农业水土工程 教育部重点实验室 杨凌 712100 摘 要 为探索交替隔沟灌溉下玉米根区矿物氮分布规律, 通过遮雨棚内微区试验, 研究了常规沟灌、交替隔 沟灌和固定隔沟灌 3 种沟灌方式对玉米根区硝态氮、铵态氮迁移的影响。结果表明 交替隔沟灌溉根区硝态氮 等值线和常规沟灌相似, 沟内硝态氮含量基本沿垄的中心对称分布。固定隔沟灌溉的湿润沟内硝态氮含量小于 干燥沟, 施氮后非灌水沟硝态氮保持较高水平。收获时交替隔沟灌溉的根区硝态氮残留量比常规灌溉略高。与 硝态氮分布相比, 铵态氮在根区土壤中的含量很小, 3 种沟灌方式在沟和垄中的铵态氮含量没有明显差异。 关键词 遮雨棚微区试验 交替隔沟灌溉 硝态氮 铵态氮 迁移 根区土壤 玉米 中图分类号 S275.3 文献标识码 A 文章编号 1671-3990201103-0540-08 Transfer of mineral nitrogen in maize root zone soil under different furrow irrigation modes LIU Xiao-Gang1,2, ZHANG Fu-Cang1, YANG Qi-Liang1,2, WANG Jin-Feng2, LI Zhi-Jun2 1. Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650024, China; 2. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas of Ministry of Education; Northwest A accepted Jan. 19, 2011 交替隔沟灌溉具有节水、减少水分深层渗漏等特 点[1−9]。 交替隔沟灌溉在维持作物产量的同时, 可使土 壤氮的吸收增加 21[10]。 交替隔沟灌溉并将肥料施于 非灌水沟内可减少肥料淋溶的可能性, 且土壤硝态氮 含量在营养生长期和生殖生长期较高[11]。在干旱年份 氮肥施在非灌水沟, 氮肥吸收降低 50, 在相对湿润 年份, 灌水沟和非灌水沟的氮肥吸收无差异[12]。在湿 润区交替隔沟灌溉硝态氮的累积大于固定隔沟灌溉 和常规灌溉[13]; 与常规灌水方式相比, 交替灌水方式 的氮肥利用效率提高 4.54, 节水 27.6, 水分利用 效率提高 5.3[14]。对半干旱地区自然降雨条件下 玉米交替隔沟灌溉的水氮效应研究表明, 水肥异区交 替隔沟灌溉是较好的水肥耦合方式[15−16]。 以往研究主要从交替隔沟灌溉对作物生长、产 量和生理生态等宏观效应考虑较多, 而对该技术条 件下作物根区的矿物氮迁移动态研究较少, 难于依 第3期 刘小刚等 不同沟灌方式下玉米根区矿物氮迁移动态研究 541 据土壤矿物氮的改变来确定更有效的灌水技术和灌 水量, 达到节水、节肥的目标。在严格控制降雨的 条件下, 本文对玉米交替隔沟灌条件下根区土壤矿 物氮的变化动态进行研究, 探求交替隔沟灌溉技术 对玉米根区土壤硝态氮、铵态氮的影响, 为改善农 田水氮环境和提高水氮利用效率提供依据。 1 材料与方法 试验于 2006 年 47 月在西北农林科技大学旱区 农业水土工程教育部重点实验室试验田内进行。试验 田位于北纬 3420′, 东经 10824′, 海拔 521 m。 土壤容 重为 1.38 gcm−3, 耕层020 cm土壤田间持水率 θF24, 有机质含量 15.89 gkg−1, 全氮 0.95 gkg−1, 全磷 0.62 gkg−1, 全钾 18.46 gkg−1, 硝态氮 74.1 mgkg−1, 铵态氮 8.91 mgkg−1, 速效磷 26.62 mgkg−1, 肥力属于中等偏上。供试作物为玉米“豫玉 22 号”。 在玉米生育期使用移动式遮雨棚, 严格控制降 雨量, 无雨时敞开遮雨棚。 试验设 3种沟灌模式, 分 别为交替隔沟灌溉、常规沟灌溉和固定隔沟灌溉, 重复 3 次。采用大田垄植, 沟和垄的断面为梯形。 垄的下底 0.4 m, 上底 0.2 m, 沟的下底 0.2 m, 上底 0.4 m, 沟长为 3 m。分别于播种期、苗期、拔节期、 抽穗期、灌浆期、乳熟期、腊熟期和成熟期灌水 16 mm、57 mm、38 mm、38 mm、38 mm、38 mm、38 mm 和 17 mm, 全生育阶段共灌水 280 mm。施纯 N 量 240 kghm−2尿素, 分 2 次施入, 播前5 月 13 日 垄中心开沟均匀撒施 40, 拔节期7 月 3 日沟中心 开沟均匀撒施 60。分别在玉米播后 30 d、61 d、 75 d和 139 d用土钻采根区 0100 cm土壤, 每 10 cm 为 1 层。土壤风干后用 2 molL−1KCl土液比 15∶ 浸提, 铵态氮采用靛酚蓝比色法测定, 硝态氮用紫 外可见分光光度计测定[17]。使用 Excel 和 DPS 分析 软件进行统计分析。 2 结果与分析 2.1 不同沟灌方式下土壤硝态氮分布动态 由图 1 可知, 硝态氮含量等值线沿垄中心基本 对称, 即同一时期相邻 2 个沟中的硝态氮含量基本 图 1 播种后 30 d、61 d、75 d 和 139 d 在常规沟灌玉米根区土壤硝态氮迁移动态图 Fig. 1 Dynamics of NO3−-N in maize root zone soil of conventional furrow irrigation after maize sowing for 30 d, 61 d, 75 d and 139 d 542 中国生态农业学报 2011 第 19 卷 一致。播后 30 d 和 61 d 土壤硝态氮等值线图像型似 开口向上的抛物线, 播后75 d和 139 d的图像型似开 口向下的抛物线。 播后 30 d, 垄上 060 cm 土层硝态 氮含量明显大于两侧沟中同一层次, 垄沟间硝态氮 含量的差值随深度增加而逐渐减小, 差值最大可达 184135 mgkg−1; 7080 cm 沟垄的硝态氮含量基本 相同。 由试验结果可知, 灌水导致硝态氮主要向竖直 方向迁移, 侧向迁移不明显。 与播后 30 d 相比, 播后 61 d垄上040 cm土层硝态氮含量明显减小, 其中减 小最大约 110 mgkg−1; 两侧沟中的硝态氮略有增加, 5080 cm 垄上的硝态氮含量基本相同。垄上硝态氮 含量减小主要由于作物此时处于拔节期, 生长旺盛, 对硝态氮的需求量较大。 拔节期在沟的中心进行第 2 次施氮, 播后 75 d 沟中 040 cm 剖面上的硝态氮含 量增幅为 10100 mgkg−1, 在地表处增幅最大, 随着 深度的增加, 增幅逐渐减少; 在剖面 5080 cm, 沟 和垄上的硝态氮含量在 4060 mgkg−1变动。这是由 于在拔节施氮后, 在气温和湿度都非常适宜的情况 下, 氮肥很快转化为矿物氮, 导致沟中硝态氮含量 的明显升高。播后 139 d, 由于灌水和玉米对氮素的 吸收, 土壤中的硝态氮含量在 3050 mgkg−1, 沟和 垄剖面上的硝态氮含量基本相同。 交替隔沟灌溉玉米根区土壤硝态氮迁移动态 图 2和常规沟灌相似。播后 30 d 和 61 d, 硝态氮集 中在垄的中心剖面上; 播后 75 d 硝态氮集中在沟的 中心剖面上。播后 30 d, 垄上硝态氮含量是沟内同 图 2 播种后 30 d、61 d、75 d 和 139 d 在交替隔沟灌玉米根区土壤硝态氮迁移动态图 Fig. 2 Dynamics of NO3−-N in maize root zone soil of alternative furrow irrigation after maize sowing for 30 d, 61 d, 75 d and 139 d 第3期 刘小刚等 不同沟灌方式下玉米根区矿物氮迁移动态研究 543 一层次的 1.27.0 倍, 地表处的硝态氮含量最大 在 060 cm 剖面上, 垄上的硝态氮含量均值比常规灌 溉相同层次上约低 10 mgkg−1, 而沟内均值比常规 灌溉相同层次上约高 5 mgkg−1。和播后 30 d 相比, 播后 61 d 垄上 040 cm 剖面硝态氮含量降低幅度可 达 26103 mgkg−1; 4080 cm 剖面硝态氮含量则略 有提高, 提高幅度最大可达 26 mgkg−1。 和常规灌溉 相比, 沟内硝态氮含量增加约 10 mgkg−1。 拔节期施 氮后播后 75 d, 沟内 030 cm剖面上的硝态氮含量 增加很快, 最大增幅可达 100 mgkg−1, 而 3080 cm 剖面上的硝态氮含量变化不明显; 垄上 050 cm 剖 面比常规灌溉的硝态氮含量提高约 6 mgkg−1, 而 5080 cm 剖面的硝态氮含量和常规灌溉基本相等。 播后 139 d 的硝态氮含量明显降低, 沟垄剖面上的 硝态氮含量基本相等, 在 3348 mgkg−1之间变化。 固定隔沟灌溉硝态氮含量等值线图 3和常规沟 灌相似。播后 30 d 垄上 040 cm 剖面硝态氮含量是沟 内同一层次的 1.65.6 倍, 沟垄在 5080 cm 剖面上的 硝态氮含量基本相同; 由于湿润沟为固定灌水沟, 其 硝态氮含量比干燥沟略低。播后 61 d, 垄上 020 cm 剖面硝态氮含量降幅达 90 mgkg−1, 4070 cm 剖面的 硝态氮含量略有提高。湿润沟中的硝态氮含量变化不 大, 而干燥沟中 060 cm 剖面的硝态氮含量平均增加 13 mgkg−1。拔节期施氮后播后 75 d沟内硝态氮含量 图 3 播种后 30 d、61 d、75 d 和 139 d 在固定沟灌玉米根区土壤硝态氮迁移动态图 Fig. 3 Dynamics of NO3−-N in maize root zone soil of fixed furrow irrigation after maize sowing for 30 d, 61 d, 75 d and 139 d 544 中国生态农业学报 2011 第 19 卷 增加明显, 湿润沟在 040 cm 剖面上硝态氮含量比干 燥沟同一层次上低 650 mgkg−1, 干燥沟在 030 cm 剖面都超过 80 mgkg−1。播后 139 d, 湿润沟剖面上的 硝态氮含量最低, 垄上次之, 干燥沟上的含量最大。 湿 润沟剖面上的硝态氮含量在 2446 mgkg−1之间变化; 垄上在地表处的含量可达 60 mgkg−1, 干燥沟在整个 剖面上的硝态氮均值可达 60 mgkg−1, 在地表处较大; 随深度增加硝态氮含量缓慢减小, 在剖面7080 cm处 硝态氮含量和垄上、湿润沟同一层次基本相同。 总之, 播后 30 d 和 61 d, 交替隔沟灌溉沟中的 硝态氮含量比常规沟灌略高, 而垄上的含量略低; 而播后 75 d, 交替隔沟灌溉沟中的硝态氮含量比常 规灌溉略低, 垄上的含量比常规沟灌略高; 播后139 d, 沟和垄的硝态氮含量高于常规沟灌。固定隔沟灌 溉的灌水沟剖面硝态氮含量低于非灌水沟, 施氮后 非灌水沟硝态氮保持较高水平。 2.2 不同沟灌方式下土壤铵态氮分布动态 图 46 分别表示常规、 交替隔沟和固定隔沟灌溉 的铵态氮迁移动态。 和硝态氮分布相比, 铵态氮在根 区土壤中的含量很低, 沟和垄中的铵态氮含量没有 明显差异。 在播后 31 d, 垄上 030 cm 剖面铵态氮含 量较大, 但最大不超过 20 mgkg−1。在播后 75 d, 在 沟的上层土壤铵态氮含量较大, 这与拔节期在沟中 施氮有关。铵态氮的变化范围为 318 mgkg−1, 铵态 图 4 播种后 30 d、61 d、75 d 和 139 d 在常规沟灌玉米根区土壤铵态氮迁移动态图 Fig. 4 Dynamics of NH4-N in maize root zone soil of conventional furrow irrigation after maize sowing for 30 d, 61 d, 75 d and 139 d 第3期 刘小刚等 不同沟灌方式下玉米根区矿物氮迁移动态研究 545 图 5 播种后 30 d、61 d、75 d 和 139 d 在交替沟灌玉米根区土壤铵态氮迁移动态图 Fig. 5 Dynamics of NH4-N in maize root zone soil of alternative furrow irrigation after maize sowing for 30 d, 61 d, 75 d and 139 d 氮含量主要集中在 56 mgkg−1。这主要是因为在较 高的温度和适宜水分条件下, 铵态氮很容易硝化变 成硝态氮, 土壤中的矿物氮主要以硝态氮的形式存 在。 铵态氮容易被土壤吸附, 所以在整个生育期内土 壤铵态氮的含量始终保持同一水平。 3 讨论 由矿物氮分布动态可知, 常规沟灌和交替隔沟 灌溉的硝态氮等值线以垄的中心近似对称, 固定隔 沟灌溉的灌水沟剖面上的硝态氮残留量明显小于非 灌水沟上的残留量, 非灌水沟在整个剖面上的硝态 氮含量相对较高。这是由于硝态氮不易被土壤胶体 所吸附, 易随水运动; 且灌水是硝态氮分布产生影 响的主要原因, 灌溉在增加土壤湿度时, 也加剧了 土壤硝态氮的运移[18]。研究表明尿素施入土壤后, 在土壤脲酶的作用下首先分解为碳酸铵, 后者又可 进一步分解产生铵。在旱地土壤中, 铵很快被氧化 为 NO3−-N[19]。 这和本试验根区土壤中的铵态氮含量 较小并且变化不大相一致。谭军利等[18]研究表明, 交替灌溉的硝态氮残留量高于传统灌溉, 传统灌溉 更容易导致硝态氮的淋失, 这与本试验结果一致。 研究表明, 交替隔沟灌溉有利于根系发育和 次级活性根形成, 增加根系的总量和根冠比; 同常 规沟灌相比, 节水达 33.3以上[4,6]。由试验结果可 知, 灌水量相同条件下, 交替隔沟灌的玉米根区硝 态氮的残留量略大于常规灌溉。这主要由于采用 546 中国生态农业学报 2011 第 19 卷 图 6 播种后 30 d、61 d、75 d 和 139 d 在固定沟灌玉米根区土壤铵态氮迁移动态图 Fig. 6 Dynamics of NH4-N in maize root zone soil of fixed furrow irrigation after maize sowing for 30 d, 61 d, 75 d and 139 d 交替隔沟灌溉, 在灌水沟和非灌水沟之间没有形成 零通量面, 其水分的侧向入渗明显增强, 减少了土 壤水分发生深层渗漏的机率[7]。这降低了矿物氮淋 失的可能性, 提高了氮肥利用效率。如果将交替隔 沟灌溉的灌水量变为常规沟灌的 76, 收获时根区 硝态氮残留量则更大。这样降低了矿物氮淋失的风 险, 有利于后茬作物的吸收利用, 提高了氮肥利用 效率。 研究交替隔沟灌溉条件下作物的水肥高效利用, 应根据作物不同生育阶段的需水需肥规律, 结合不 同水肥组合灌水方式、灌水量、施肥量和施肥方式 下根区水肥迁移动态和水肥利用效率, 才能得到最 佳的水肥耦合形式。 4 结论 交替隔沟灌溉根区硝态氮等值线和常规沟灌相 似, 沟内硝态氮含量基本沿垄的中心对称分布。固 定隔沟灌溉的灌水沟内硝态氮含量小于非灌水沟, 施氮后非灌水沟硝态氮保持较高水平。收获时交替 隔沟灌溉的根区硝态氮残留量比常规灌溉略高。与 硝态氮的分布相比, 铵态氮在根区土壤中的含量很 小, 3种沟灌方式在沟和垄中的铵态氮含量没有明显 差异。 参考文献 [1] 康绍忠, 张建华, 梁宗锁, 等. 控制性交替灌溉 一种新 第3期 刘小刚等 不同沟灌方式下玉米根区矿物氮迁移动态研究 547 的农田节水调控思路[J]. 干旱地区农业研究, 1997, 151 1−6 [2] Kang S Z, Zhang L, Hu X T, et al. 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