雒文鶴 師祖姣 王旭敏 李 軍 王 瑞

節(jié)水減氮對土壤硝態(tài)氮分布和冬小麥水氮利用效率的影響

雒文鶴 師祖姣 王旭敏 李 軍*王 瑞

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室, 陜西楊凌 712100

針對當(dāng)前關(guān)中平原冬小麥生產(chǎn)中氮肥投入過量、灌溉水資源不足的問題, 研究節(jié)水減氮栽培模式下冬小麥籽粒產(chǎn)量、水氮利用及硝態(tài)氮淋失情況, 能為確定冬小麥節(jié)水減肥環(huán)保增效的生產(chǎn)模式提供理論依據(jù)。于2017—2019年在陜西楊凌開展冬小麥節(jié)水減氮田間栽培試驗, 采用二因素裂區(qū)設(shè)計, 施氮量為主處理, 灌水量為副處理, 設(shè)施氮量處理N300 (300 kg hm–2)、N225 (225 kg hm–2)、N150 (150 kg hm–2)、N75 (75 kg hm–2)、N0 (不施氮)和灌水量處理W2 (1200 m3hm–2)、W1 (600 m3hm–2)、W0 (0), 分析小麥產(chǎn)量、水氮利用效率及土壤硝態(tài)氮淋失情況。結(jié)果表明, 2017—2018年和2018—2019年小麥季灌水處理較不灌水處理分別增產(chǎn)14.88%~15.01%和4.11~4.16倍, 但處理間差異不顯著, 而越冬期灌水600 m3hm–2土壤硝態(tài)氮淋失風(fēng)險顯著降低。在越冬期灌水600 m3hm–2處理下, 2017—2018年施氮量150 kg hm–2處理產(chǎn)量最高, 2018—2019年則是施氮量225 kg hm–2處理產(chǎn)量最高, 但2018—2019年施氮量150 kg hm–2處理在較高產(chǎn)量基礎(chǔ)上獲得較高的氮肥利用效率, 土壤硝態(tài)氮淋失量也較施氮量225 kg hm–2處理2個年度分別降低了15.87%和10.20%。因此, 施氮量150 kg hm–2配合越冬期灌水600 m3hm–2, 能夠在保障產(chǎn)量的基礎(chǔ)上, 提高水氮利用效率, 降低硝態(tài)氮淋失風(fēng)險, 實現(xiàn)關(guān)中平原冬小麥生產(chǎn)節(jié)水減肥環(huán)保增效的目標(biāo)。

冬小麥; 節(jié)水減氮; 產(chǎn)量; 水分利用效率; 氮肥利用效率; 硝態(tài)氮淋失量

施氮和灌水是作物增產(chǎn)的重要手段, 但我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中卻普遍存在肥料利用效率低和灌溉水資源匱乏的問題, 主要農(nóng)作物對氮肥的利用率平均只有28%~41%, 遠(yuǎn)低于世界40%~60%的平均利用率[1-2]。我國冬小麥推薦施氮量為150~250 kg hm–2 [3], 而關(guān)中平原實際生產(chǎn)中普遍存在施氮過量現(xiàn)象, 目前農(nóng)戶麥田常規(guī)施氮量約為225 kg hm–2 [4-6]。過量氮肥投入遠(yuǎn)超作物生長需求, 使作物增產(chǎn)效果、氮肥利用效率降低, 造成氮肥資源浪費, 生產(chǎn)成本增高, 同時超出作物吸收范圍的氮素累積在土壤中, 易引起土壤板結(jié)和環(huán)境污染等不良影響[7-8]。陜西關(guān)中地區(qū)降雨主要集中在每年的7月至9月, 冬小麥生育期降雨量僅為全年的37%[9], 降水不足且時空分布不均, 小麥需水關(guān)鍵期水分不足, 補(bǔ)水灌溉是保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。但關(guān)中平原屬于水資源嚴(yán)重缺乏區(qū), 普遍存在水資源短缺和灌溉方式不合理等問題[10-11], 大水大肥的小麥生產(chǎn)模式, 不僅降低了水肥利用率, 更加劇了水資源短缺問題[12]。研究關(guān)中平原節(jié)水減氮栽培條件下冬小麥產(chǎn)量、水氮利用效率以及硝態(tài)氮淋失量, 有助于實施節(jié)本增效和綠色環(huán)保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。前人研究表明, 合理的水氮配置對小麥產(chǎn)量形成和水氮利用都至關(guān)重要, 二者在一定范圍內(nèi)對產(chǎn)量有明顯正效應(yīng), 且二者耦合效應(yīng)顯著[13-14], 超過最佳施氮量范圍產(chǎn)量增加不顯著甚至降低[15-16], 過量氮肥不僅對作物增產(chǎn)無益, 還會降低氮肥利用率, 造成資源浪費環(huán)境污染[17-19]。水分不足會限制氮肥肥效發(fā)揮, 水分過多則增加了氮肥淋溶風(fēng)險[20-22], 過量施氮與灌水已經(jīng)導(dǎo)致大量氮素以硝態(tài)氮形式隨水分淋溶至作物根層之下的深層土壤, 并且硝態(tài)氮積累峰已有逐年下移趨勢[23-25]。優(yōu)化麥田氮肥管理, 提高氮素利用率, 減少水資源浪費, 提高水分利用率, 發(fā)展高效節(jié)水減肥生產(chǎn), 是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展, 保障糧食安全和生態(tài)安全的重要舉措, 盡管前人已經(jīng)對施氮或灌水與小麥產(chǎn)量、水肥利用效率和硝態(tài)氮積累關(guān)系進(jìn)行了探索研究, 但對水氮共同作用下的產(chǎn)量效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)仍需進(jìn)一步研究與探討。本研究在關(guān)中平原冬小麥高水高肥的生產(chǎn)基礎(chǔ)上, 通過適當(dāng)減少施氮量和灌水量, 研究冬小麥對水氮吸收利用效率和土壤硝態(tài)氮分布以及淋失情況, 在低環(huán)境成本和高水氮利用效率條件下最大化小麥產(chǎn)量, 緩解生產(chǎn)中過量施肥與水資源短缺的矛盾, 為關(guān)中平原節(jié)水減肥條件下實現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)曹新莊試驗農(nóng)場(108°07′E, 34°20′N), 年均氣溫12.9℃, 年均降水量635.1 mm, 無霜期211 d, 屬于大陸性季風(fēng)暖溫帶半濕潤氣候, 供試土壤為塿土, 0~30 cm土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土, 30~100 cm為粉沙質(zhì)黏土, 100 cm之下為重壤土, 試驗開始前土壤養(yǎng)分含量見表1。0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土層土壤容重分別為1.20 g cm–3、1.38 g cm–3、1.49 g cm–3, 60 cm以下土層以1.49 g cm–3計算。該地區(qū)常年每月降雨量見圖1, 試驗期間, 2017年10月至2018年9月全年降雨量690.4 mm, 小麥2017年10月19日播種, 2018年6月5日收獲, 生育期降水185.4 mm, 2018年10至2019年9月全年降雨量716.8 mm, 小麥2018年10月10日播種, 2019年6月4日收獲, 生育期降水189.1 mm, 小麥生育期日降雨量見圖2。

圖1 近10年月均降雨量

1.2 試驗設(shè)計

在冬小麥-夏玉米一年二熟制下實施小區(qū)連續(xù)定位試驗, 采用二因素裂區(qū)設(shè)計, 氮肥為主處理, 灌水為副處理, 3次重復(fù), 小區(qū)面積6.5 m × 14.0 m = 91.0 m2。設(shè)置5個施氮量梯度, 以關(guān)中平原的高施氮量N300 (300 kg hm–2)為對照, 在此基礎(chǔ)上依次按比例減少施氮量, 減25%為N225 (225 kg hm–2), 減50%為N150 (150 kg hm–2), 減75%為N75 (75 kg hm–2), 全減為N0 (不施氮肥), 氮肥以基追比7∶3施入, 基肥在小麥播種前人工均勻撒入, 追肥以同樣方式在拔節(jié)期施入。磷肥(P2O5) 100%基施, 施肥量為120 kg hm–2, 本試驗不施鉀肥。設(shè)置3個灌水量水平, 即W2 (1200 m3hm–2)、W1 (600 m3hm–2)、W0 (0), W2于越冬期和拔節(jié)期分2次灌入, 每次灌水600 m3hm–2, W1在越冬期灌溉, W0不灌溉。供試小麥品種為西農(nóng)979, 病蟲草害防治等田間管理措施遵照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民生產(chǎn)習(xí)慣。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生物量測定 在小麥成熟期取植株樣品測定生物量, 105℃殺青半小時, 85℃烘至恒重, 稱取植株干物質(zhì)量, 最后測烘干后的植株氮素含量。

植株氮素積累量=植株含氮量(%)×干物質(zhì)的量

1.3.2 產(chǎn)量測定 冬小麥?zhǔn)斋@時, 選擇每個處理3個1 m × 1 m樣方估產(chǎn), 取平均值, 室內(nèi)考種, 調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重, 每個處理取3個重復(fù)。

氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE, kg kg–1) = (施氮區(qū)產(chǎn)量– 不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮素利用效率(NUE, kg kg–1) = 籽粒產(chǎn)量/氮素積累量

百千克籽粒吸氮量(kg hm–2) = 植株地上部氮素積累量/籽粒產(chǎn)量×100

1.3.3 土壤水分測定 小麥播種前、收獲后以及各主要生育時期, 用土鉆取0~200 cm土壤, 每20 cm土樣, 裝入鋁盒, 在105℃烘干8 h至恒重, 計算土壤含水量。

水分利用效率(WUE, kg hm–2mm–1) = Y/ET, Y為小麥籽粒產(chǎn)量(kg hm–2), ET為農(nóng)田耗水量(mm)。

ET = P+I+ΔW, 其中P代表生育期降雨量(mm); I為田間灌水量(mm), ΔW為作物播種前與收獲后土壤蓄水變化量(mm)。

ΔW (mm) = 播前土壤貯水量–收獲后土壤貯水量

1.3.4 土壤養(yǎng)分測定 冬小麥播種前和收獲后, 測定0~60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量以及0~200 cm土層土壤硝態(tài)氮含量, 每20 cm土層取樣。采用重鉻酸鉀外加熱法測有機(jī)質(zhì), 全自動半微量凱氏定氮法測全氮, KCl浸提法測硝態(tài)氮, 用AA3型流動分析儀測定浸提液。本研究中硝態(tài)氮淋失量是80~200 cm土層內(nèi)硝態(tài)氮積累量。

土壤硝態(tài)氮積累量=土層厚度×土壤容重×土壤硝態(tài)氮含量/10

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用SPSS 19.0分析試驗數(shù)據(jù), 采用Duncan’s法多重比較, 差異顯著性水平= 0.05, 使用Origin 2015制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對冬小麥產(chǎn)量的影響

表2表明, 在2年試驗中, 施氮量和灌水量處理對小麥產(chǎn)量的影響均達(dá)到了極顯著水平, 2017— 2018年施氮主要通過影響單位面積穗數(shù)影響產(chǎn)量, 單位面積穗數(shù)隨著施氮量增加而增加; 灌水主要影響單位面積穗數(shù)和千粒重, 隨著灌水量增加單位面積穗數(shù)增加, 而千粒重反之。2017—2018年小麥產(chǎn)量在N150處理達(dá)到最大, 繼續(xù)增施氮肥產(chǎn)量反而降低, 灌水增產(chǎn)效果顯著, 較不灌水增產(chǎn)14.88%~ 15.01%。2018—2019年施氮量和灌水量對小麥構(gòu)成因素均有顯著影響, 隨施氮量增加小麥單位面積穗數(shù)增加, 但是穗粒數(shù)和千粒重均呈減小趨勢, 隨灌水量增加單位面積穗數(shù)遞增, 但穗粒數(shù)和千粒重均在W1處理下達(dá)到最大, 繼續(xù)灌水反而減小。W0處理小麥產(chǎn)量極低甚至瀕臨絕產(chǎn), 雖隨著施氮量增加產(chǎn)量呈現(xiàn)增加趨勢, 但是增產(chǎn)幅度并不大, 說明干旱條件下水分會限制氮肥肥效的發(fā)揮, 增施氮肥并不能達(dá)到理想增產(chǎn)效果。2018—2019年籽粒產(chǎn)量在N225處理達(dá)到最大, 但僅比N150增產(chǎn)8.68%, 灌水處理對小麥產(chǎn)量影響極其顯著, 灌水較不灌水處理增產(chǎn)4.11~4.16倍。

表2 施氮和灌水處理對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

N0: 不施氮; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N225: 施氮量為225 kg hm–2; N300: 施氮量為300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔節(jié)期共灌水1200 m3hm–2。SN: 穗數(shù); GNS: 穗粒數(shù); TGW: 千粒重; GY: 籽粒產(chǎn)量。同列標(biāo)以不同小寫字母的值在同一因素不同處理間差異顯著(<0.05)。NS表示無顯著差異,*表示0.05水平顯著,**表示0.01水平顯著,***表示0.001水平顯著。

N0: no nitrogen application; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N225: N application rate was 225 kg hm–2; N300: N application rate was 300 kg hm–2; W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage. SN: spike number; GNS: grain number per spike; TGW: 1000-grain weight; GY: grain yield. Values followed by different small letters in the same column are significant by different between treatments of the same factor (< 0.05).NSmeans no significant difference;*indicates significant at the 0.05 probability level;**indicates significant at the 0.01 probability level;***indicates significant at the 0.001 probability level.

在同一灌水處理下, 2017—2018和2018—2019年小麥產(chǎn)量與施氮量均呈二次曲線關(guān)系(圖3)。在W0處理下小麥產(chǎn)量已表現(xiàn)出嚴(yán)重減產(chǎn), 此處暫不做分析。2017—2018年W1處理下施氮量205 kg hm–2時最高產(chǎn)量可達(dá)8606 kg hm–2, W2處理下施氮量168 kg hm–2時最高產(chǎn)量可達(dá)8532 kg hm–2; 2018— 2019年W1處理下施氮量235 kg hm–2時最高產(chǎn)量可達(dá)9492 kg hm–2, W2處理下施氮量231 kg hm–2時最高產(chǎn)量可達(dá)9686 kg hm–2。2017—2018年即使在最理想的施氮條件下, 增加灌水反而會使產(chǎn)量略微降低, 2018—2019年在理想施氮條件下, 增加一次灌水小麥產(chǎn)量雖然增加, 但增產(chǎn)效果不顯著, 僅增產(chǎn)2.05%, 說明該地區(qū)灌一次水即可滿足小麥生長的需求。

圖3 相同灌水條件下施氮量與小麥產(chǎn)量的關(guān)系

W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔節(jié)期共灌水1200 m3hm–2。

W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage.

2.2 不同水氮處理對冬小麥水氮利用效率的影響

隨著小麥生育期的推進(jìn), 不同灌水處理下的土壤水分差異逐漸顯現(xiàn), 同一土層中土壤含水量差異顯著, 整體趨勢表現(xiàn)為W2>W1>W0 (圖4)。隨著試驗時期延長, W0處理土壤含水量顯著降低, 特別是2018年自小麥播種至孕穗期土壤含水量始終處于低水平, 遠(yuǎn)不能滿足小麥生長所需, 使得2018年小麥嚴(yán)重減產(chǎn)。表3表明, 2017—2018年施氮量和灌水量均對冬小麥百千克籽粒吸氮量影響顯著, 在同一灌水水平下, 隨施氮量增加, 百千克籽粒吸氮量呈遞增趨勢, 且W2>W0>W1, 說明同一施氮水平下, W2處理小麥需要更多的氮肥供應(yīng); 2018— 2019年施氮量對冬小麥百千克籽粒吸氮量影響不顯著, W0和W2處理下各施氮水平之間無顯著差異, W1處理下冬小麥百千克籽粒吸氮量隨施氮量變化趨勢與2017—2018年一致, 灌水量對百千克籽粒吸氮量的影響達(dá)到極顯著水平, 表現(xiàn)為W0>W2> W1。

(圖4)

W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔節(jié)期共灌水1200 m3hm–2。

W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage.

表3 不同水氮處理下冬小麥百千克籽粒吸氮量

N0: 不施氮; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N225: 施氮量為225 kg hm–2; N300: 施氮量為300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔節(jié)期共灌水1200 m3hm–2。標(biāo)以不同小寫字母的值在同一灌水條件下施氮量之間的差異顯著(<0.05), 平均值后不同字母表示同一因素不同處理間差異顯著(< 0.05)。NS表示無顯著差異,*表示0.05水平顯著,**表示0.01水平顯著,***表示0.001水平顯著。

N0: no nitrogen application; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N225: N application rate was 225 kg hm–2; N300: N application rate was 300 kg hm–2; W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage. Values followed by different lowercase letters are significantly different between nitrogen application rates under the same irrigation conditions (< 0.05), means followed by different letters are significantly different between different treatments of the same factor (< 0.05).NSmeans no significant difference;*indicates significant at the 0.05 probability level;**indicates significant at the 0.01 probability level;***indicates significant at the 0.001 probability level.

表4表明, 在同一灌水處理下, 隨著施氮量增加, 氮肥農(nóng)學(xué)效率逐漸降低, W0、W1和W2條件下表現(xiàn)出相同的趨勢, 但同一施氮水平下2017—2018年氮肥農(nóng)學(xué)效率表現(xiàn)為W1>W2>W0且差異顯著, W1條件下N75和N150顯著優(yōu)于其他處理, 2018— 2019年表現(xiàn)為W2>W1>W0, 且W2處理下的氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著優(yōu)于W1; 氮素利用效率隨施氮量變化規(guī)律與氮肥農(nóng)學(xué)效率類似, 即同一灌水處理下隨著施氮量的增加而減小, 2017—2018年氮肥利用效率則是N0、N75條件下W0處理較高, 而N150、N225、N300條件下W1處理較高, 2018—2019年在W1處理下更顯優(yōu)勢。水分利用效率隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢, 2017—2018年3種灌水水平下均在N150處理下水分利用效率最大, 且三者之間差異不顯著; 2018—2019年則是在N225處理下水分利用效率最大, 與N150處理下無顯著差異, 但W2和W1處理下水分利用顯著優(yōu)于W0處理, 表現(xiàn)為W1>W2>W0。2年試驗結(jié)果表明, W1處理既可滿足小麥生長需求, 獲得較好的氮肥利用效率, 又可以在不浪費水資源的基礎(chǔ)上高效利用水分。

表4 不同水氮處理對小麥水氮利用效率的影響

N0: 不施氮; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N225: 施氮量為225 kg hm–2; N300: 施氮量為300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔節(jié)期共灌水1200 m3hm–2, NAE: 氮肥農(nóng)學(xué)效率; NUE: 氮肥利用效率; WUE: 水分利用效率。同列標(biāo)以不同字母的值不同處理間在0.05水平上顯著差異(< 0.05)。NS表示無顯著差異,*表示0.05水平顯著,**表示0.01水平顯著,***表示0.001水平顯著。

N0: no nitrogen application; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N225: N application rate was 225 kg hm–2; N300: N application rate was 300 kg hm–2; W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage; NAE: nitrogen agronomic efficiency; NUE: nitrogen use efficiency; WUE: water use efficiency. Values followed by different letters in the same column are significantly different at< 0.05 between different treatments.NSmeans no significant difference;*indicates significant at the 0.05 probability level;**indicates significant at the 0.01 probability level;***indicates significant at the 0.001 probability level.

2.3 不同水氮處理對土壤硝態(tài)氮含量及其淋失的影響

圖5表明, 相同灌水處理下, 麥田0~200 cm土層土壤硝態(tài)氮含量隨施氮量增加呈遞增趨勢, 并且施氮處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于不施氮處理, 表明施氮顯著增加了土壤硝態(tài)氮含量, 氮肥施用量越高則土壤中硝態(tài)氮含量越高。從灌水處理看, 在W0處理下隨著土層加深, 硝態(tài)氮含量逐漸減少, 而在W1和W2處理下, 隨著土層加深硝態(tài)氮含量逐漸增大, W0處理0~60 cm土層硝態(tài)氮含量顯著高于W1、W2處理, 而W1和W2處理60~200 cm土層的硝態(tài)氮含量顯著高于W0處理, 說明隨著灌水量增加, 土壤剖面中硝態(tài)氮會隨著水分向下層土壤遷移。在W1處理下, N0、N75和N150處理土壤剖面硝態(tài)氮含量始終處在一個相對較低的水平, 而當(dāng)施氮量大于150 kg hm–2后深層土壤硝態(tài)氮含量顯著增高; 在W2處理下, 2017—2018年60 cm以下土層硝態(tài)氮含量均處于較高水平, 并且隨著土層加深硝態(tài)氮含量增大, 深層土壤中硝態(tài)氮大量累積, 2018—2019年雖然60~160 cm土層的硝態(tài)氮含量處在較低水平, 但160 cm以下硝態(tài)氮含量驟增, 這可能是由于灌水使硝態(tài)氮往更深層土壤中遷移。說明施氮量和灌水量顯著影響硝態(tài)氮在土壤的累積和遷移, 在相同灌水處理下, 施氮量增加, 土壤中硝態(tài)氮含量隨之增加, 而隨著灌水增多, 硝態(tài)氮向下遷移加快。

圖5 2017?2019年小麥?zhǔn)斋@后0~200 cm土層土壤硝態(tài)氮含量剖面圖

W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔節(jié)期共灌水1200 m3hm–2。*表示0.05水平顯著; **表示0.01水平顯著; ***表示0.001水平顯著。

W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage. * indicates significant at the 0.05 probability level; ** indicates significant at the 0.01 probability level; *** indicates significant at the 0.001 probability level.

由圖6可知, 隨著施氮量增加, 2017—2018年和2018—2019年麥田土壤硝態(tài)氮淋失量均增大, 這說明增加施氮會加劇硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險; 而隨著灌水量增加, 2017—2018年除N300+W2處理外, 其他均是W2>W1>W0, 2018—2019年麥田土壤硝態(tài)氮淋失量表現(xiàn)為W1>W2>W0, 但是從各土層中硝態(tài)氮含量分析, 2018—2019年W2處理在160 cm以下土層土壤硝態(tài)氮含量驟增, 可能是灌水的作用使硝態(tài)氮積累峰下移。在相同施氮量, 且60 cm土層之下的硝態(tài)氮不易被作物吸收利用條件下, 2018—2019年W2處理下土壤硝態(tài)氮淋失量反而顯著低于2017—2018年, 從側(cè)面印證了這個觀點。

圖6 不同水氮處理下麥田土壤硝態(tài)氮淋失量

N0: 不施氮; N75: 施氮量為75 kg hm–2; N150: 施氮量為150 kg hm–2; N225: 施氮量為225 kg hm–2; N300: 施氮量為300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔節(jié)期共灌水1200 m3hm–2。柱上不同小寫字母表示在同一水分條件下在0.05水平上有顯著性差異(< 0.05)。

N0: no nitrogen application; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N225: N application rate was 225 kg hm–2; N300:N application rate was 300 kg hm–21; W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage. Different letters above the bar mean significant differences at the 0.05 probability level under the same irrigation condition.

2.4 水氮處理下冬小麥產(chǎn)量、氮肥利用效率和硝態(tài)淋失量的關(guān)系

為了尋求協(xié)調(diào)作物高產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的氮肥投入閾值, 本研究以冬小麥產(chǎn)量作為產(chǎn)出指標(biāo), 以氮肥利用效率和硝態(tài)氮淋失量作為環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行多曲線分析。前文分析得出, 在W1處理下產(chǎn)量、水分利用和施氮對環(huán)境效應(yīng)可以得到一個相對滿意的結(jié)果, 此處只對W1處理下小麥產(chǎn)量、氮肥利用效率和硝態(tài)氮淋失情況進(jìn)行分析。根據(jù)圖7呈現(xiàn)的結(jié)果, 綜合考慮小麥產(chǎn)量、氮肥利用效率以及硝態(tài)氮淋失量, 2017—2018年施氮量150 kg hm–2最為合適, 根據(jù)公式擬合出施氮205 kg hm–2時產(chǎn)量最大8605 kg hm–2, 但實際生產(chǎn)中施氮150 kg hm–2便可以達(dá)到這個產(chǎn)量,同時氮肥能得到高效利用, 硝態(tài)氮淋失量也較施氮205 kg hm–2時減少29.6%; 2018—2019年施氮量150 kg hm–2時產(chǎn)量為8922 kg hm–2, 比實際生產(chǎn)中施氮225 kg hm–2條件下的產(chǎn)量僅降低了7.4%, 比擬合中最大產(chǎn)量低6.0%, 氮肥利用程度卻有提升, 且比擬合條件下硝態(tài)氮淋失量減少了42%左右。兩年試驗中施氮150 kg hm–2處理下硝態(tài)氮淋失量較施氮225 kg hm–2分別降低了15.87%和10.20%。因此, 綜合考慮小麥產(chǎn)量、肥料利用和環(huán)境效應(yīng), 推薦麥田施氮量為150 kg hm–2。

3 討論

3.1 水氮處理下冬小麥產(chǎn)量及水氮利用情況

前人研究指出, 氮素和水分是影響作物生長的重要因素, 小麥對氮素的吸收必須以水為媒介, 而干旱條件下增施氮肥, 能增強(qiáng)植物抗旱性, 緩解水分脅迫對植株生長和產(chǎn)量的不利影響[26-27]。本試驗W0處理下, 2017—2018年時施氮75 kg hm–2產(chǎn)量最高, 增施氮肥產(chǎn)量反而降低, 2018—2019年產(chǎn)量隨施氮增加雖有增長但相比第一年嚴(yán)重下降, 且當(dāng)施氮量大于225 kg hm–2后產(chǎn)量降低。這與前人結(jié)果不一致, 可能是因為干旱程度不一致, 本試驗2017—2018年小麥播前土壤貯水量為563.48 mm, 2018—2019年小麥播前不灌水處理下由于經(jīng)歷過小麥和玉米的生長且作物整個生長過程中沒有人工補(bǔ)充水分, 土壤貯水量僅為436.29 mm, 且小麥需水關(guān)鍵期(越冬期至孕穗期)降水不足, 造成土壤干旱。輕度干旱條件下增施氮肥可以緩解水分不足的影響, 但當(dāng)干旱相對嚴(yán)重時, 過量施氮反而加劇了干旱程度, 導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低, 雖然小麥生育后期降雨增多, 部分小麥解除干旱抑制, 重新抽穗, 但時間過晚來不及灌漿, 屬于無效穗數(shù), 并不能增加產(chǎn)量, 反而使百千克籽粒吸氮量驟增, 不利于氮肥高效利用。因此該地區(qū)應(yīng)該在小麥生育期灌水, 避免嚴(yán)重減產(chǎn)。在W1與W2處理下小麥產(chǎn)量差別并不顯著, 但W1處理下的百千克籽粒吸氮量顯著低于W2處理, 兩年間分別降低0.27~ 0.63 kg、0.81~2.02 kg。W2處理雖然增加了小麥單位面積穗數(shù), 但由于小麥群體過大, 穗粒數(shù)和千粒重顯著降低, 甚至N225和N300處理部分區(qū)域發(fā)生小麥倒伏現(xiàn)象, 使得最終的產(chǎn)量并沒有顯著提升, 且擬合方程顯示, 在理想施氮條件下, 灌兩水處理的產(chǎn)量并沒有表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢, 即該地區(qū)小麥季灌一水已基本滿足作物生長的水分需求, 可獲得較高的產(chǎn)量, 增加灌水, 產(chǎn)量沒有大幅提升, 反而降低了水分利用率, 浪費水資源。

圖7 不同施氮量處理下小麥產(chǎn)量與氮肥利用和硝態(tài)氮淋失的關(guān)系

NAE: 氮肥農(nóng)學(xué)效率; NUE: 氮肥利用效率。

NAE: nitrogen agronomic efficiency; NUE: nitrogen use efficiency.

1978—2006 年間化肥投入對糧食產(chǎn)量增長的貢獻(xiàn)率達(dá)56.81%, 氮肥是主要因素, 對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率高達(dá)40%[28-29], 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中多通過增大施氮量來提高產(chǎn)量, 然而實際生產(chǎn)中, 作物產(chǎn)量并非隨施氮量的增加成比例增加, 反而呈現(xiàn)出報酬遞減規(guī)律[30]。徐鳳嬌研究表明, 施氮量控制在180~270 kg hm–2范圍內(nèi), 可以有效提高產(chǎn)量, 超過270 kg hm–2時產(chǎn)量開始下降[31]; 本試驗結(jié)果與此一致, 2017— 2018年W1處理下施氮量150 kg hm-2即可獲得最大產(chǎn)量, 百千克籽粒吸氮量較施氮量225 kg hm–2降低0.22 kg, NAE和NUE分別比施氮225 kg hm–2處理提高5.87 kg kg–1、4.38 kg kg–1, 2018—2019年施氮量225 kg hm–2即可獲得最大產(chǎn)量, 在此基礎(chǔ)上增加施氮量時, 產(chǎn)量反而有降低趨勢。但2018—2019年W1處理施氮量225 kg hm–2僅比施氮量150 kg hm–2處理增產(chǎn)7.9%, 產(chǎn)量之間并無顯著差異, 施氮150 kg hm–2不僅百千克籽粒吸氮量較低, NAE和NUE也比施氮225 kg hm–2處理分別提高0.66 kg kg–1、4.43 kg kg–1, 從降低成本角度考慮, 施氮150 kg hm–2既可以獲得高產(chǎn), 也使氮肥利用效率處在較高的水平。

3.2 水氮處理下土壤硝態(tài)氮含量及淋失情況

灌水與施氮也是影響土壤剖面氮素積累與淋溶的關(guān)鍵因素。硝態(tài)氮在土壤剖面中的含量及其空間分布是硝態(tài)氮淋失風(fēng)險的重要指標(biāo), 淋洗峰越深則深層土壤硝態(tài)氮積累量越高[32]。前人大量研究表明, 施氮量增加, 土層中硝態(tài)氮殘留量隨之增加, 而隨著灌水量增加, 土壤中氮素會向下移動[26,33-34]。土壤剖面不同層次累積硝態(tài)氮隨土層加深對后茬作物的有效性顯著降低, 75 cm處已很難被作物利用, 淋溶風(fēng)險較高[35]。因此, 本試驗將80~200 cm土層的硝態(tài)氮積累量定義為硝態(tài)氮淋失量。結(jié)果表明, W0 (不灌水)處理下高施氮區(qū)表層土壤硝態(tài)氮含量顯著高于低施氮區(qū), 硝態(tài)氮積累峰在60 cm土層之上, 而灌水處理深層土壤硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于表層土壤, 并且隨著施氮量的增多, 深層土壤的硝態(tài)氮含量增大, W1處理下硝態(tài)氮積累峰在土層160 cm上下波動, 而W2處理下的硝態(tài)氮積累峰已經(jīng)下移到200 cm之下, 表明隨著灌水增多, 硝態(tài)氮向土壤深層遷移加劇。兩季小麥?zhǔn)斋@后, 灌水處理下80~200 cm的硝態(tài)氮大量積累, 根據(jù)擬合方程2017—2018年= 89.42+1.72+0.0052,2= 0.965; 2018—2019年= 92.14+1.056+0.0092,2=0.981, 說明施氮量越高硝態(tài)氮在深層土壤中的累積量越大, 即硝態(tài)氮淋失量越大。本試驗中0~20 cm土層硝態(tài)氮較其他研究偏低, 一方面可能是作物吸收利用表層土壤硝態(tài)氮, 另一方面可能是硝態(tài)氮隨雨水及灌溉向下遷移到深層土壤中。根據(jù)產(chǎn)量效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)綜合分析, 本試驗中越冬期灌水600 m3hm–2, 減量施氮50% 即施氮150 kg hm–2, 可以在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上降低深層土壤硝態(tài)氮含量, 也降低了硝態(tài)氮隨灌水淋溶到深層土壤的風(fēng)險, 避免了氮肥浪費。

4 結(jié)論

2017—2019年試驗小麥越冬期灌水600 m3hm–2就可以滿足小麥生長需求獲得高產(chǎn)。在此條件下, 氮肥利用效率均以施氮150 kg hm–2處理更高, 并且土壤硝態(tài)氮含量和硝態(tài)氮淋失量保持在一個相對較低的水平。因此綜合考慮不同水氮處理下冬小麥的產(chǎn)量水平、水肥利用效率以及環(huán)境效應(yīng), 關(guān)中平原節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在越冬期灌水600 m3hm–2, 減量施氮50%即施氮150 kg hm–2條件下, 可獲得較高的籽粒產(chǎn)量, 提高氮肥利用率, 可以作為關(guān)中平原兼顧作物產(chǎn)量與生態(tài)效益的節(jié)水減氮生產(chǎn)模式的參考指標(biāo)。

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Effects of water saving and nitrogen reduction on soil nitrate nitrogen distribution, water and nitrogen use efficiencies of winter wheat

LUO Wen-He, SHI Zu-Jiao, WANG Xu-Min, LI Jun*, and WANG Rui

College of Agronomy, Northwest A&F University / Key Laboratory of Crop Physiology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi, China

In order to solve the problems of excessive nitrogen input and irrigation water resources scarcity in current winter wheat production in Guanzhong Plain, winter wheat grain yield, water and nitrogen use efficiency, and nitrate nitrogen leaching were investigated to hopefully provide a theoretical basis for determining water-saving and nitrogen-reducing cultivation model. The two-factor split-plot field experiment (2017?2019) was conducted in Yangling, Shaanxi province, China, where the nitrogen application rates of N300 (300 kg hm–2), N225 (225 kg hm–2), N150 (150 kg hm–2), N75 (75 kg hm–2), N0 (0 kg hm–2, no nitrogen application) were assigned to the main plots, and the irrigation amount of W2 (1200 m3hm–2), W1 (600 m3hm–2), W0 (0, no irrigation) were assigned to the subplots. The amount of irrigation and nitrogen application had significant effects on wheat yield, water and nitrogen use efficiency, soil nitrate nitrogen content as well as its leaching loss. In the 2017–2018 and 2018–2019 wheat seasons, the irrigation treatments (W1 and W2) significantly increased the wheat yield by 14.88%–15.01% and 4.11–4.16 times, respectively, but the difference between them was not significant, while the risk of soil nitrate nitrogen leaching under irrigation of 600 m3hm–2in overwintering period was significantly reduced. Under the irrigation of 600 m3hm–2in overwintering period, the yield was the highest in N150 treatment in 2017–2018, and in N225 treatment in 2018–2019, the N150 treatment had higher nitrogen use efficiency, and soil nitrate nitrogen leaching was also reduced by 15.87% and 10.20% compared with that of N225 treatmentin 2017–2019. Therefore, N150 treatment (with nitrogen application rate of 150 kg hm–2) combined with W1 treatment (irrigated 600 m3hm–2in overwintering period) can improve the water and nitrogen utilization efficiencies and reduce the risk of nitrate nitrogen leaching, realizing the water-saving and nitrogen reduction production of winter wheat in Guanzhong Plain.

winter wheat; water saving and nitrogen reduction; grain yield; water use efficiency; nitrogen use efficiency; nitrate nitrogen leaching

10.3724/SP.J.1006.2020.91060

本研究由國家科技支撐計劃項目(2015BAD22B02)和國家自然科學(xué)基金項目(31801300)資助。

The study was supported by the National Science and Technology Support Program of China (2015BAD22B02) and the National Natural Science Foundation of China (31801300).

李軍, E-mail: junli@nwsuaf.edu.cn

E-mail: luowh09@foxmail.com

2019-10-06;

2020-01-15;

2020-01-23.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200123.1311.006.html