小麦玉米周年氮水耦合对麦季氮素流向和利用效率的影响

【摘要】华北地区，超量施用氮肥和不合理灌溉导致土壤剖面中和地下水的硝态氮大量积累，降低了氮肥和水分利用效率，限制了经济效益、社会效益和生态效益的提高。为促进该农业生产的可持续发展，亟需建立高产、稳产、优质、低耗、无污染的水氮管理措施。本试验利用大型防雨棚-渗漏池设施，选用不同氮素利用率冬小麦品种（氮高效型品种石麦15和氮低效型品种济麦19），从氮素平衡和水分平衡入手，定量研究了氮水耦合效应（设置不同灌溉量、氮肥类型和施氮量）对小麦玉米周年轮作条件下冬小麦季的氮素流向和利用特性的影响，以期为高产冬小麦氮肥和水分的高效合理利用提供思路和借鉴。主要研究结果如下：1氮水耦合对冬小麦产量的影响两个冬小麦品种石麦15和济麦19的产量和干物质均随氮肥和灌溉投入量的增加而增加。灌溉和氮肥之间存在显著的交互作用，施氮量为180kgNhm-2和90kgNhm-2的产量和干物质之间的差异在胁迫灌溉条件下（W2）显著低于正常灌溉条件下（W1）。相同施氮量条件下，第1年有机肥处理的产量和干物质显著低于尿素处理，随有机肥处理土壤肥力的提高，第3年有机肥处理的产量高于尿素处理。W1条件下，石麦15的产量和干物质均显著高于济麦19，在W2条件下石麦15的干物质高于济麦19，但济麦19的产量高于石麦15。石麦15和济麦19的产量在W1条件下分别比W2条件下高77.2%和41.0%，说明济麦19在水分胁迫条件下减产幅度低于石麦15，其耐旱性比石麦15强。从产量构成因素上分析，增加灌溉量，两品种冬小麦的公顷穗数、穗粒数和千粒重均显著提高，且180kgNhm-2施氮量处理的千粒重和穗粒数均显著高于90kgNhm-2。施氮量相同时，第3年的有机肥处理的千粒重高于尿素处理。品种间的公顷穗数差异明显，石麦15的公顷穗数显著高于济麦19。品种、灌溉量、氮肥类型和施氮量的交互作用显著影响千粒重和产量。2氮水耦合对冬小麦氮素流向的影响植株吸收、氨挥发损失和淋洗损失是土壤氮素的主要流向，2011年分别占投入氮的62.6~195.5%、2.5~25.7%和2.7~25.7，2012年分别占投入氮量54.1~199.9%、5.3~12.6%和5.9~36.5%。增加灌溉量和施肥量，植株吸收氮素和籽粒氮素含量均显著增加。在本试验条件下，施氮量从90kgNhm-2增加到180kgNhm-2，或从灌溉水平从W2提高到W1，植株吸收氮素均显著增加。相同施氮量条件下，尿素处理植株氮素积累量高于有机肥处理，干旱和氮素胁迫促进了氮素向籽粒中的分配。施氮量从90kgNhm-2增加到180kgNhm-2，尿素处理的氨挥发损失量从34.5kgNhm-2增加到38.3kgNhm-2，增幅11.1%，但氨挥发损失率从41.5%下降到23.0%，降幅44.5%。W2处理的氨挥发速率峰值和累积氨挥发量分别比W1处理的高18.5%和15.4%。尿素处理的氨挥发损失量是有机肥的2.8~3.1倍。不同处理中，W2U1处理的氨挥发损失量最高，达43.8~45.6kgNhm-2，占肥料氮的24.4~25.4%；W2U2处理的氨挥发损失率最高，占肥料氮的40.6~42.5%。逐步回归分析结果表明土壤表层的铵态氮含量和日平均气温与氨挥发速率密切相关，其他因素如氮肥类型、施氮量、土壤pH和灌溉量影响土壤铵态氮含量而间接影响氨挥发速率。W2条件下3年中均无淋洗。W1条件下，第1年无淋洗；第2、3年的淋洗主要发生在生育前期，开花期和灌浆期无淋洗发生，播种期硝态氮淋洗量分别占全年淋洗量的91.1%和56.1%。W1条件下不同施肥处理的硝态氮淋洗在第2、3年分别为3.4~9.1和4.9~12.6kgNhm-2，分别占投入氮量的2.5~7.6%和4.9~12.6%。随施氮量增加，土壤水溶液和淋洗液中的硝态氮浓度增加，但淋洗氮量占投入氮比例降低。淋洗液中硝态氮含量占矿质氮的95.3~97.9%，是主要的淋洗形式。在W1条件下，施肥后土壤增加的硝态氮随着灌溉水的下渗而向下移动，从播种到拔节期，表层硝态氮可以淋洗到200cm处，从开花期到灌溉期可淋洗到100cm处。与尿素相比，尽管有机肥降低了第1、2年硝态氮向下迁移量，但依然会导致硝态氮淋洗。3氮水耦合对冬小麦氮素平衡和氮素利用效率的影响三年后，不同处理之间的有机质含量变化因不同的种植品种、灌溉量、施肥类型和施氮量而异。多数尿素处理的土壤有机质含量呈降低趋势，U1处理的降低量（降低率）高于U2处理；有机肥处理的有机质含量增加，M1与M2土壤有机质增加量（增加率）分别为0.56~2.43gkg-1（5.13~22.35%）和0.06~0.96gkg-1（0.52~8.70%），且在W1条件下有机质的增加量和增加率高于W2条件下。忽略氮肥激发效应和硝化反硝化作用，假定施肥处理的土壤氮矿化量完全等于不施氮处理的氮素输出和投入的差值，有机肥处理表现出氮素盈余，M1的盈余量最高，达109.0~107.7kgNhm-2，占投入氮的30.1~30.2%；而石麦15的尿素处理表现为氮素亏损。三年中，除W1M1、W2M1和W2U1处理的土壤剖面矿质氮含量呈增加趋势外，其他处理的均呈降低趋势。氮水耦合显著影响氮素利用率（Nit-UE）、氮素吸收效率（NUpE）、氮素利用效率（NUtE）和氮素收获指数（NHI）。与W2灌溉相比，W1显著提高了小麦的Nit-UE、NUpE和NUtE，降低了NHI。施氮量从90kgNhm-2增加到180kgNhm-2，小麦的Nit-UE、NUpE、NUtE和NHI降低。相同施氮量时，尿素处理的Nit-UE、NUpE高于有机肥处理，但其NUtE较低。尽管济麦19的Nit-UE显著高于石麦15，但石麦15的植株吸氮量、NUpE和Nit-UE高于济麦19。选用氮高效小麦品种、改施尿素为有机肥、减少播种期的施肥量和灌溉量，可以显著地减少土壤氮素的淋洗和氨挥发损失，增加作物氮素吸收，协同提高小麦的产量和氮素利用率。4氮水耦合对冬小麦水分利用特性的影响W1灌溉条件下0~105cm土层（尤其0~75cm），而W2灌溉条件下0~75cm（尤其0~35cm）土壤含量水量变化最大。W2条件下的水分淋洗量、抽出水量、土壤水分消耗（SWD）和蒸发蒸腾总量（ET）显著地低于W1处理。W2处理的产量水分利用效率（WUEg）和干物质水分利用效率（WUEd）在第1年高于W1处理，但在第3年低于W1处理。冬小麦的水分利用效率随施氮量的增加而增加，但不同施氮量之间WUEg和WUEd的差异在W1条件下显著高于W2处理。水分胁迫降低了氮肥对WUEg和WUEd的促进作用，，施氮可以缓解水分胁迫的产量和水分利用效率负面影响。5氮水耦合对冬小麦叶片光合和衰老特性的影响与尿素相比，施用有机肥可以维持生育后期较高的旗叶抗衰老酶活性和可溶性蛋白含量，延缓叶片衰老进程。增施氮肥可以减轻生育后期旗叶的膜脂过氧化程度，增加光合速率和光合同化物生产，提高冬小麦籽粒产量。胁迫灌溉限制了肥效的发挥，显著降低了冬小麦叶面积指数、光合速率和衰老相关酶活性，导致叶片早衰，产量显著降低。
【作者】谷利敏；
【导师】董树亭；刘鹏；
【作者基本信息】山东农业大学，作物栽培学与耕作学，2014，博士
【关键词】小麦；氮水耦合；有机肥；氮素平衡；氮素利用特性；水分利用特性；

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