全 文 ：收稿日期：!""#$"#$"% 接受日期：!""#$&!$&!
基金项目：国家自然科学基金（%"’"!""(）；中国科学院西部之光项目资助。
作者简介：陈小莉（&%#)—），女，甘肃榆中人，博士研究生，主要从事植物营养生理生态的科研工作。*+,-./：01/21/3 4-5667 06,7 08
! 通讯作者 9:/："!%+)#"&(&#&，*+,-./：;半干旱区施氮和灌溉条件下覆膜对
春玉米产量及氮素平衡的影响
陈小莉&，李世清&，!!，王瑞军&，任小龙!，李生秀!
（& 中国科学院、水利部水土保持研究所，西北农林科技大学，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，
陕西杨陵 #&!&""；! 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨陵 #&!&""）
摘要：以典型半干旱区干湿砂质新成土（>;?+@-8A.0 *8?.;6/;）为供试土壤进行田间试验，研究地膜覆盖、施氮及补充
灌水量对春玉米（!"# $#%& B7）产量、土壤矿质氮（CD+E+C和 CFGH +C）及氮素平衡的影响。结果表明，"—&"" 0,土体
范围内，随着土层加深，播前和收获后土壤 CD+E+C含量呈降低趋势，CFGH +C有所增加，但变幅不大；总矿质氮量
（CD+E+C和 CFGH +C）表现为下降。说明地膜覆盖和施氮并没有使 CD+E+C深层累积量增加，这可能与土壤本身供氮能
力严重不足有关。与不施氮相比，施氮各处理氮肥表观损失量增加；与不覆膜相比，作物氮素累积量比不覆膜显著
增加（’ I "J"’）。在低灌（)" ,,）覆膜和高灌（&(" ,,）覆膜条件下，玉米的氮肥利用率均比不覆膜提高了 &)J)K，
说明覆膜低灌在相同施氮条件下，可节约 )" ,,灌水。但低灌（)" ,,）与高灌（&(" ,,）不覆膜间氮肥利用率差异
不显著，表明在相同施氮条件下，覆膜可有效提高氮肥利用率，减少氮素损失。综合考虑子粒产量和氮肥利用率，
“覆膜 G补灌 )" ,,G施氮 %" LM N 5,!”可能为本试验条件下较优的栽培模式。
关键词：地膜覆盖；春玉米；氮肥利用率；土壤矿质氮；氮素平衡
中图分类号：@’&EJ "(&；@’&EJ"#& 文献标识码：O 文章编号：&"")$’"’P（!"")）"H$"(’!$"#
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植物营养与肥料学报 !""#，&E（H）：(’! $ (’)
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氮肥在我国农业生产中发挥了重要的作用，但
氮肥的不合理施用也造成了利用率低，损失严重，污
染环境等不良后果［@AB］。其中反硝化作用是土壤氮
素损失的主要机制之一，损失量从微量到 0 @;;
=- > (+C，对环境产生严重影响［DAE］。北方大草原东南
边缘的农牧交错带在我国生态安全方面具有重要战
略地位，是我国生态建设的重点区域之一。然而，因
该区粮食问题没有得到有效解决，开垦、滥垦等使该
区生态系统受损，土地风蚀沙化和水土流失加剧，生
产力下降；另一方面，这一地区土地辽阔，土层相对
较厚，光照充分，生产潜力大，发展农牧草复合系统
具有得天独厚的条件。因此，充分利用有灌溉条件
的坝地、川地，提高粮食生产能力，对解决该地区粮
食问题，实现退耕还草和改善生态环境具有重要意
义。早春低温和干旱是限制该地区作物生产的重要
因子之一，而精耕细作、增加地面覆盖、降低无效蒸
发、合理施肥等措施是提高作物产量和农田降水利
用效率的基本途径［F］。自 @
干旱区广泛种植［C］，从而使生产潜力得到有效发挥。
地膜覆盖能够改善耕层土壤水热状况［GA:］，活化土
壤养分［<］，对提高水分和养分利用效率［G，@;］，实现
粮食增产具有重要作用。已有研究表明，地膜覆盖
后由于土壤养分条件和作物生长状况的改善，有利
于增加作物产量和对养分的吸收利用［@@A@C］，提高了
养分利用效率［@B］。H*H//!. 等［@@］研究发现，地膜覆
盖虽然对莴笋产量没有显著影响，但覆盖地膜后，叶
片中的 0IJBJ0 和全 K 含量却显著增加。L(%.+% 和
K%.+%.［@B］对小麦的研究发现，在抽穗期和开花期分
别覆膜，可使土壤磷的利用效率分别提高 CGM和
@GM；王喜庆［@D］和 N%&!&/$(=% 等［@E］的研究认为，覆
膜后能使氮肥肥效明显提高。但也有研究表明，地
膜覆盖后，肥料利用效率下降。H*H//!等［@@］的研究
表明，覆膜后土壤中有机氮的矿化速率增加，土壤中
0IJBJ0 含量显著增加，从而导致氮肥肥效不明显；
O,44’*等［@F］的研究表明，地膜覆盖农田不需要施用
氮肥，就可满足作物对氮素的需要；还有研究认为，
全生育期地膜覆盖，还可导致作物减产［G］。显然，地
膜覆盖对作物产量和养分效率影响的一些研究结果
是相互矛盾的。因此，该领域还需要进行深入细致
的研究。本试验在黄土高原北部年均降水量
DBGPD++左右的农牧交错带，通过进行大田试验，研
究地膜覆盖、不同施氮和不同补充灌水量对春玉米
产量、氮肥利用率和氮素平衡的影响，以期为该地区
科学施肥和确定高产、高效栽培模式提供一定理论
依据。
) 材料与方法
)*) 试区概况
试验区位于毛乌素沙地与黄土高原两大自然生
态区之间的农牧交错带，地貌类型为片沙覆盖的黄
土丘陵，气候属中温带半干旱气候。该地年蒸发量
G:EPD ++，平均降雨量 DBGPD ++，多集中在 F!<月，
平均干燥度 @P:，属典型的半干旱地区（平均干燥度
@PE!BPD<），作物种植类型为一年一熟。年均温 :PD
Q，@月平均最低温 A
足，!@;Q积温 BCBCQ，无霜期 @F< #。主要土壤类
型为干湿沙质新成土，耕层（;—B; $+）土壤有机质 E
!@; - > =-，土壤全氮 ;P@;!;PE< - > =-，速效氮 FPE
!C:P: +- > =-，速效磷 ;PE!DP: +- > =-，速效钾 E;
!@@D +- > =-，容重 @PCE - > $+B。
)*+ 试验设计
田间试验于 C;;D 年 D 月至 < 月在中国科学院
水利部水土保持研究所神木生态试验站进行。供试
土壤为干湿沙质新成土，其基本理化性质见表 @。
供试作物为春玉米（!"# $#%& R5）陕单 <@@。设地膜
覆盖、施氮和灌水 B个因子。地膜覆盖分设不覆膜
和覆膜 C种情况；氮肥分设不施氮和施氮 <; =- > (+C
C个水平；灌溉设全生育期补充灌溉 :; ++和 @F;
++ C个水平，组成完全试验方案，共 : 个处理组合
（表 C），重复 B 次，随机区组排列。小区面积 BPG +
S FPGE +。以过磷酸钙（KCIE 含量为 @CM）作底肥，
施用量 GE; =- > (+C；氮肥用含氮量 DFM的尿素，C种
肥料在播前均匀撒施，翻入 ;—C; $+土壤。因土坑
干旱，播种各小区灌水 D; ++。D月 CC日播种，E月
@E日间苗，< 月 @D 日收获。播种密度为 F;;;;
株 > (+C，行距 ;PE +，株距 ;PBB +。两次灌水分别在
BEFD期 陈小莉，等：半干旱区施氮和灌溉条件下覆膜对春玉米产量及氮素平衡的影响
拔节期（!月 "#日）和灌浆初期（$月 "#日）进行，灌
溉量分别为 %& ’’ ( #& ’’（低量）和 !& ’’ ( )&& ’’
（高量）。作物生育期降雨量主要集中在 # 月、$ 月
和 *月 %个月份；地表（# ’土层）温度覆膜比不覆
膜处理平均高出 )!#+。
表 ! 土壤基本理化性质
"#$%& ! ’()*&(+,&- ). +&-+&/ -),% ,0 +1,- &2*&(,3&0+
土层
,-./ /0123
（4’）
有机质
56
（7 ( 87）
全氮
9-:0/ ;
（7 ( 87）
;<=> ?;
（’7 ( 87）
;5?%?;
（’7 ( 87）
&—"& #@" &@>% *@A$ )&@&)
"&—>& >@! &@>) $@"$ >@**
>&—!& %@) &@"! !@A) %@#>
!&—*& "@# &@"% $@)> "@"A
*&—)&& "@% &@"& $@)% )@$A
表 4 试验处理
"#$%& 4 52*&(,3&0+#% +(&#+3&0+-
编号
B-C2
施氮量
; 30:2
（87 ( D’"）
地膜覆盖
E/0F:.4
’G/4D
灌水量
H33.70:.-I 0’-GI:
（’’）
! & ;6 *&（JHK）
" & ;6 )!&（
$ & L6 )!&（
& A& ;6 )!&（
( A& L6 )!&（
水量 J-M .33.70:.-I 0’-GI:；
播前（>月 )>日）和收获后（A月 )!日），分别在
各小区按 "& 4’为一层，分 #层取样测定 &—)&& 4’
土层养分状况。植物样与土样采集同时进行。A月
)>日收获时，每小区实收 % 行，折合收获面积为
)&@#& ’"。收获后观测单位面积穗数、每穗粒数、穗
长和穗粗，脱粒后，测定子粒产量和千粒重，同时测
定生物学产量（包括根、茎、叶等），并测定不同部位
氮含量。土壤矿质态氮用 N32’I23 法浸提（) ’-/ ( J
的 OB/浸提振荡 &@# D）后，流动分析仪测定硝态氮
和铵态氮含量，并计算矿质态氮累积量；植物样品
用 <",5> P <"5"消解后，自动定氮仪测定全氮含量，
并计算植株氮素积累量。每一处理各指标均为 %次
重复平均值。
氮表观矿化（87 ( D’"）Q 不施 ; 区地上部吸 ;
量 =收获后土壤 ;’.I P播前土壤 ;’.I
氮表观损失（87 ( D’"）Q播前氮 ;’.I =施氮量
=表观矿化量 P 施 ; 区地上部吸 ; 量 P 收获后
;’.I
氮肥表观损失率（R）Q氮表观损失量 (施氮量
S )&&R
氮收获指数 Q子粒氮积累量 (植株总氮积累量
氮肥利用率（R）Q（施氮肥区地上部分氮积累
量 P 不施氮肥区地上部分氮积累量）(施氮量 S
)&&R
;5?%?;累积量（87 ( D’"）Q土层厚度（4’）S土壤
容重（7 ( 4’%）S ;5?%?;浓度（’7 ( 87）( )&（&—"& 4’ 土
层土壤容重按 )@"# 7 ( 4’%计，"& 4’以下土层按 )@%
7 ( 4’%计算。）
试验数据均采用 TU42/ 和统计分析软件 VE,
W%@))专业版处理，方差分析包括施氮、地膜覆盖和
不同灌溉量处理主效应，以及它们之间的两因素和
三因素交互作用。
4 结果与分析
46! 对春玉米各器官收获产量的影响
施氮、覆膜及增加补灌量对春玉米收获期各器
官干物质收获量的影响不同。表 %看出，增加补灌
量 *& ’’，子粒产量增加 )>@*R，覆膜增产 %)@!R，
施氮增产 >&@)R，覆膜并增加补灌量增产 >%@%R，
施氮并增加补灌量增产 *)@%R，施氮并覆膜增产
*)@#R，施氮、覆膜及增加补灌量增产 )&A@)R。从
覆膜、施肥、补灌三因素平均增产效果来看，与常规
栽培相比，覆膜栽培平均多增产 ">@)R；施氮处理
平均产量比不施氮平均增产 >#@>R；高量补灌（)!&
’’）处理子粒的平均产量比低量补灌处理（*& ’’）
的产量增加 )$@"R。
表 %还看出，在施氮基础上覆膜补灌 *& ’’与
不覆膜补灌 )!& ’’子粒产量基本一致，分别为 *$*)
和 *$$) 87 ( D’"，说明通过覆膜可节约 *& ’’灌水；
但在不施氮时，覆膜补灌 *& ’’子粒产量显著高于
不覆膜补灌 )!& ’’，这可能与覆膜增加了土壤供氮
能力，从而导致增产有关。施氮、覆膜及增加补灌量
对玉米不同器官影响不同，但总生物量增加，可使根
系、茎部及叶片干重分别增加 )#@AR、!#@%R、)!@&R。
表 7 不同栽培方式下春玉米各器官收获产量（89 : 134）
>#! 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 )%卷
!"#$% & !’% ()%$* +, *),,%-%./ 0"-/1 +, 10-).2 3+-. "1 ",,%3/%* #( *),,%-%./ /-%"/4%./1
处理
!"#$% &
根
’((%
茎
)%#*
叶
+#$,
子粒
-"$./0
! 123451 6 7895431 6 33784:: #, ;13<421 =
" <<341; > 793:4<1 > 3159433 $>6 ::::4;3 =
# 22:41; = 8<5<421 6 3;1<421 =# 932847; 6
$ 1324;2 6= 79<1411 > 3232433 >6 9<3:491 6
% 85554<2 > 7:25425 > 37;2429 , 921747< 6
& 85<74<7 $ 33734<: $ 3<1:485 $ 12284<: >
’ <5941< 6 3::<497 $ 39514:8 6= 1218497 >
( 8587431 > 3:254<: $ 31:;4;9 $> 85881492 $
注（?(%#）：同列数据后不同字母表示差异达 :@显著水平，下同 A$BC#0 ,(BB(D#= >E =.,,#"#/% B#%%#"0 ./ %F# 0$*# 6(BC*/ *#$/ 0.G/.,.6$/% $% %F# 545:
B#H#B & !F# 0$*# >#B(D&
可见，施氮明显增加了根系收获量，覆膜明显减少了
根系、茎部及叶片收获量，增加补灌量各部分生物产
量均增加。
565 对土壤硝态氮和铵态氮含量的影响
氮肥施入土壤后，除被作物吸收利用以及各种
途径损失外，大部分以无机氮的形式残留于土壤剖
面中，其中 ?IJ3J?和 ?KL; J?又是无机氮的主要存在
形态。本试验为了保证播前和收获后的 ?*./具有
可比性，播前对每个小区分别进行采样测定，故各处
理间存在差异。图 8 表明，在 5—855 6*土体范围
内，随着土层加深，土壤 ?IJ3J?含量在播前和收获后
均呈降低趋势，施氮可显著增加 5—;5 6*剖面土壤
?IJ3J?含量。由于作物吸收利用，与播种前相比，不
施氮处理表层 ?IJ3J?含量明显降低；成熟期以覆膜
低灌（15 **）处理 ?IJ3J?含量最高。
相同土层范围（5—855 6*）内 ?KL; J?含量的测
定表明，播前和收获后各处理土壤 ?KL; J?含量随土
层的加深呈增加趋势，但差异不显著。收获时各处
理 ?KL; J?以常规栽培施氮和灌溉 15 **处理表层
累积浓度最高，覆膜施氮和 15 **低灌处理次之，
但总体上，各处理之间 ?KL; J?含量差异不明显，且
缺乏规律性（图 8）。试验中 ?KL; J? 累积是实际测
定值，由于在剖面中不同层次测定结果比较稳定，因
而累积量相对较高。而表层残留的 ?IJ3J?很容易淋
溶到根层以下或通过硝化—反硝化作用损失掉，对
环境产生一定的危害，不利于作物根系吸收。
56& 对土壤—作物体系中氮平衡的影响
根据成熟期 5—855 6* 土层范围内测得的
?IJ3J?和 ?KL; J?含量计算获得土壤矿质氮累积量。
由表 ;可知，收获时不同处理 5—855 6*土层?IJ3J?
图 7 春玉米全生育期 8—78834土层硝态氮及铵态氮含量
9)2: 7 !’% 3+./%./ +, ;<=&=; ".* ;>?@ =; ). 8A788 34 1+)$ 0-+,)$% "/ *),,%-%./ 2-+B/’ 1/"2%1 +, 4")C%
::9;期 陈小莉，等：半干旱区施氮和灌溉条件下覆膜对春玉米产量及氮素平衡的影响
累积量显著低于播种前；!"#$ %!累积量有所增加，
但变幅不大，各处理间显著不差异，矿质态总量表现
为减少。不同处理下，特别是地膜覆盖和施氮并没
有使 !&%’%!累积量增加，这可能与肥料氮转化为有
机氮、微生物氮及矿物固定氮等有关。
表 ! 播种前和收获后 "#土层矿质态氮的变化（$% & ’#(）
)*+,- ! )’- .’*/%-0 12 3#4/ 4/ "# 014, 56124,- +-216- 0174/%*/8 *29-6 ’*6:-094/%
处理 ()*+, - !&%’%! !"#$ %! 矿质氮量 ./0,- /1 !230
播种前 4*1/)* 5/6307
! $89: ; <9$ + =:9= ; :898 + :’=9> ; ??9: @
" A>9< ; A9$ +@ ::>98 ; ??9> + :8:9B ; ?B9: +@
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& $=9> ; :?9’ + ::$9= ; :B9:A + :A’9= ; <9A +
’ ?=9’ ; ’9> @F ::B9B ; $9’ + :$$9< ; ’9B F
( ’>9: ; $9$ F :><9< ; :=9: + :’<9< ; :$98 @F
注（!/,*）：表中数值表示平均值 ;标准误 G+HI*5 30 ,+@H* )*J)*5*0, 2*+0 ; KL
根据玉米吸氮量，可计算出春玉米生长期氮素
平衡，在计算中将土壤无机氮（!230）的累积量定义
在 >—:>> F2深度范围，即玉米根系吸收养分的主
要层次。其中氮输入包括氮肥、起始 !230和作物生
长前矿化氮三部分；氮输出包括作物吸收、残留
!230和氮肥表观损失量（指播前氮 !230 #施氮量
#表观矿化量 M 施 ! 区地上部吸 ! 量 M 收获后
!230）三部分，计算结果见表 B。由表 B 可知，玉米
全生育期土壤氮素矿化量加上播前无机氮的数量，
土壤自身供氮量最大可达 ?全生育期的总需氮量。特别是在覆膜条件下，土壤
氮素矿化量比不覆膜有一定增加；从两种灌水平均
看，增加 A N7 O D2?，低量灌水下显著增加，但在高量
灌水下基本没有增加，这是否与高量灌水造成氮素
在 : 2以下土层迁移及播种前和收获后 : 2土层中
残留矿质氮（!230）累积量有关，需进一步研究证明。
从成熟期氮肥表观损失量看，不覆膜和覆膜条件下
增加补灌，氮肥损失量和损失率均明显增加。此外，
不管高灌溉量（:A> 22）还是低灌溉量（<> 22）下，
与不覆膜相比，覆膜均增加氮肥表观损失量，产生这
一现象的原因可能与覆膜增加土壤有机氮矿化，即
与供氮能力有关。在施氮条件下，覆膜比不覆膜作
物氮素累积量显著增加，而残留的 !230明显降低，
因此，与不覆膜相比，在低量灌溉（<> 22）覆膜和高
量灌溉（:A> 22）覆膜条件下，氮肥利用率均提高
:<9
水（<> 22）下覆膜能有效节约 <> 22水。然而，施
氮和覆膜条件下增加补灌量能显著降低土壤残留
!230，从 :$B N7 O D2? 减少到 :’= N7 O D2?。由于在剖
面中不同层次测定结果比较稳定，所以试验中
!"#$ %!累积量相对较高，这是实际测定值，而大量
的残留 !230尤其是硝态氮极易通过淋洗等途径损
失移出土壤—作物体系，对环境造成危害。
ABA 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 :’卷
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: 讨论
许多研究指出，农田土壤长期大量施用氮肥会
造成硝态氮在土壤中的累积，土体硝态氮含量随施
氮量的增加显著增加［1;E1=］。还有研究表明，由于灌
溉的影响，即使在低氮肥水平，土壤深层仍可观察到
硝态氮含量升高现象，存在淋出 755 ?$土体的可能
性［16］。本试验条件下，施用氮肥对春玉米子粒产量
有显著的增产作用，而且在覆膜和补充灌溉条件下
这种增产作用更加突出。在施氮基础上覆膜补灌
=5 $$与不覆膜补灌 1D5 $$子粒产量基本一致，分
别为 =;=1 F. G H$7 和 =;;1 F. G H$7，说明通过覆膜可
节约 =5 $$灌水；但在不施氮时，覆膜补灌 =5 $$
水子粒产量显著高于不覆膜补灌 1D5 $$，这可能与
覆膜增加了土壤供氮能力有关（表 :）。施氮、覆膜
及增加补灌量对玉米不同器官影响虽有不同，但总
生物量增加。
据报道，玉米吸收利用土壤氮素的比例高于对
肥料氮的吸收利用，且极易受夏涝的影响［75］。因
此，氮肥合理施用与否，除了考虑到氮肥的增产效应
和利用率外，还应考虑土壤残留无机氮的高低。国
外一些发达国家对土壤氮素残留量要求十分严格，
一般要求 5—65 ?$土体残留 +IJ:J+低于 >< F. G H$7
或 +$,)不高于 >< F. G H$7［71］。本试验看出，收获时
不同处理 5—155 ?$土层 +IJ:J+累积量显著低于播
种前；+KL> J+累积量有所增加，但变幅不大，矿质态
总量表现为减少。不同处理下，特别是地膜覆盖和
施氮并没有使 +IJ:J+累积量增加，这可能与肥料氮
转化为有机氮、微生物氮及矿物固定氮等有关（表
>）。
春玉米生长期氮素平衡计算结果表明（表 <），
玉米全生育期土壤氮素的矿化量加上播前无机氮的
数量，土壤自身供氮量最大可达 7=7 F. G H$7，已高于
玉米全生育期的总需氮量，说明在本试验条件下可
适当减少施氮量，特别是在覆膜条件下，土壤氮素矿
化量有一定增加；与不覆膜相比，土壤氮素矿化量
在覆膜下（两种水分处理平均）增加 D F. G H$7。试验
结果显示，覆膜 L低量灌溉能显著增加土壤氮素矿
化量，而覆膜 L高量灌溉对氮素矿化量不存在显著
影响，这可能与高量灌水会造成氮素在 1 $以下土
层发生迁移，以及播前和收获后 1 $土层中残留矿
质氮（+$,)）累积量有关，这一结果有待进一步研究。
从成熟期氮肥表观损失量看，不覆膜和覆膜条件下
增加补灌，氮肥损失量和损失率均明显增加。此外，
不管高灌溉量（1D5 $$）还是低灌溉量（=5 $$）下，
与不覆膜相比，覆膜均增加氮肥表观损失量，产生这
一现象的原因可能与覆膜增加土壤有机氮矿化，即
供氮能力有关。在施氮条件下，覆膜比不覆膜作物
氮素累积量显著增加，低量灌溉（=5 $$）和高量灌
溉（1D5 $$）覆膜条件下，氮肥利用率均提高
1=M=N，表明在相同的施氮条件下，覆膜不仅有效提
高氮肥利用率，而且与 1D5 $$灌水量相比，低量灌
水（=5 $$）下覆膜能有效节约 =5 $$水。然而，施
氮和覆膜条件下增加补灌量能显著降低土壤残留
+$,)，从 1>< F. G H$7 减少到 1:6 F. G H$7。由于在剖
面中不同层次测定结果比较稳定，所以试验中
+KL> J+累积量相对较高，这是实际测定值，而大量
的残留 +$,)尤其是硝态氮极易通过淋洗等途径损
失移出土壤 E作物体系，对环境造成危害。从对子
粒产量和氮肥利用率等综合考虑来看，本研究条件
下以“覆膜 L补灌 =5 $$ L 施氮 65 F. G H$7”可能是
本试验的最优栽培模式，该模式下氮肥利用率达
D5M5N，但由于只进行了一年的大田试验，所得结果
有待进一步验证。
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