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Nitrogen dynamics under plastic mulching on the Loess Plateau

黄土高原半干旱区覆膜玉米农田氮变化动态研究



全 文 :黄土高原半干旱区覆膜玉米农田氮变化动态研究
漆婧华1,张峰1,王莺2,孙国钧1
(1.兰州大学生命科学学院农业生态学研究所 兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,甘肃 兰州730000;2中国气象局兰州干旱气象
研究所 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室 中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃 兰州730020)
摘要:为了进一步明确黄土高原半干旱区覆膜农田氮素循环变化动态及其机理,以夏玉米为研究对象,采用大田试
验研究了覆膜管理对植株氮素(全氮)和土壤氮素(无机氮、全氮)变化动态的影响。试验结果表明:1)覆膜和不覆
膜处理土壤NO3-N含量随玉米生育期的推进表现出近似斜“N”的变化规律。2)相对于不覆膜处理而言,覆膜处
理地上部分氮素积累量表现出倒“V”型变化趋势。成熟期不覆膜处理茎叶中氮素残留较多,即将氮素更多地用于
营养生长;而覆膜能使植株吸收的氮素更多地转移到籽粒中去,更多地用于生殖生长。3)对于不同土壤剖面不覆
膜处理土壤全氮含量而言,覆膜处理随玉米生育期的推进表现出相似的“W”型变化规律。且随土壤深度增加,变
化规律有所延迟。三叶期至拔节期由于植物根系长度限制出现下降趋势;拔节期至籽粒形成期,由于覆膜能够改
善土壤水热状况进而影响土壤中氮素分布,故出现上升趋势;籽粒形成期至成熟期变化规律与植物地上部分总氮
含量恰好相反,说明该阶段土壤中全氮变化与玉米的生长状况密切相关。根据本研究结果,覆膜对玉米生育前期
土壤氮素变化影响较大,生育后期土壤氮素变化主要与玉米生长状况密切相关,且覆膜有助于提高玉米的产量和
营养品质。
关键词:黄土高原半干旱区;覆膜;玉米;氮素
中图分类号:S816;S513.06  文献标识码:A  文章编号:10045759(2014)05001311
犇犗犐:10.11686/cyxb20140502  
  氮是植物正常生长发育所必需的营养元素,同时也是土壤中含量较低而作物从土壤中吸收数量最多的营养
元素[1],因此氮素是提高生产能力的主要限制因子。氮以有机形态和无机形态存在于土壤中,耕层土壤氮素主要
以有机形态存在。土壤氮的含量、形态及转化是极其复杂的,许多因素和过程都会影响到氮的有效性和作物的吸
收利用。其中无机氮(Nmin)包括硝态氮(NO3-N)和铵态氮(NH4+N),NO3-N是土壤中无机态氮的主要形
态,也是植物氮素营养的直接给源[2]。许多研究结果表明,土壤剖面中残留累积的NO3-N与作物吸氮量有密
切的关系。叶优良和李生秀[2]就淋洗对土壤硝态氮含量和作物氮素吸收的差异研究表明,作物对硝态氮的利用
程度和土壤硝态氮的浓度有关,土壤中起始NO3-N含量是影响作物对氮素吸收的重要因素。李生秀和李世
清[3]关于不同水肥处理对玉米(犣犲犪犿犪狔狊)、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)收获后土壤氮磷速效养分的影响研究结果
表明,NO3-N能较灵敏地反映土壤的氮素动态和供氮水平,而NH4+N或NH4+N与NO3-N之和则不能,
氮肥用量高或作物吸氮少者,第一料作物收获后土壤中的NO3-N含量高,否则相反,而且,土壤中的NO3-N
含量与后作产量和吸氮量高度相关。
地膜覆盖是一种利用塑料薄膜覆盖地面从而进行农业生产的栽培技术,能够改善土壤水热状况[46],活化土
壤养分[7],促进土壤有机氮的矿化,提高养分有效性和水分利用效率[8]。由于其所具备的上述优点,该技术在我
国早春低温、有效积温少或高寒的干旱半干旱地区得到了大面积的推广及应用[9],并已成为这些地区农业生产再
上新台阶的重要举措之一。李世清等[10]以春小麦为研究对象,对半干旱地区不同地膜覆盖时期对土壤氮素有效
性的影响研究表明,覆膜能够增加土壤呼吸和有机氮的矿化,因而显著影响土壤剖面中NO3-N的累积,表现为
全程覆膜易造成有机质的大量矿化;半干旱地区地膜覆盖对作物产量和氮效率的影响研究[11]结果表明,地膜覆
第23卷 第5期
Vol.23,No.5
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
13-23
2014年10月
收稿日期:20131022;改回日期:20131205
基金项目:科技部国际合作重点项目(2010DFA92800,2012DFG31450)和国家自然基金(31200335,2010DFA92860)资助。
作者简介:漆婧华(1990),女,甘肃定西人,在读硕士。Email:qijh11@lzu.edu.cn
通讯作者。Email:sungj@lzu.edu.cn
盖会显著增加作物产量和吸N量。张仙梅等[12]对不同覆膜方式对玉米籽粒产量、氮肥利用效率的影响研究同样
表明覆膜显著增强了植株对土壤氮的利用。
黄土高原位于中国西北部,总面积达62万hm2,其中半干旱区约占我国国土面积的4.6%[13],该地区80%
的农业属于旱地农业[14]。黄土丘陵沟壑区由于受地理位置、气候条件、地形地貌、土壤以及人类活动对植被的破
坏等多种因素的影响[15],地表水和地下水资源十分贫乏且降水稀少,土壤氮素含量很大程度上影响着作物的生
长和产量,氮素利用效率低导致氮素已成为该地区农业发展的主要限制因素。黄土高原半干旱区农田生态系统
石灰性土壤残留NO3-N的积累量平均占总矿质氮积累量的75%以上,是土壤剖面中可浸取态矿质氮的主
体[16]。半干旱区降雨量较高的雨季,NO3-N会向深层移动,而在较干旱条件下即使土壤剖面深层NO3-N,也
可随水分上移供根系利用,因此土壤剖面中积累的残留NO3-N显著影响氮肥效果[17]。目前对于不同施氮水
平[18]及覆膜条件[10,1923]下土壤水热变化、土壤硝态氮分布与积累、土壤氮素有效性及利用效率和玉米产量的研
究较多,但对于不同覆膜管理下土壤氮素变化动态及其机理研究鲜有报道。本文通过对黄土高原半干旱区不同
覆膜农田土壤氮素的研究,以期阐明氮素变化动态及其机理,为指导合理应用地膜及进一步探究氮素循环变化机
理提供有效的理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在兰州大学黄土高原半干旱生态系统试验站进行。该试验站位于黄土高原西部丘陵沟壑区,甘肃省中
部榆中县中连川乡中连川村(36°02′N,104°25′E),海拔2400m。该地区属中温带半干旱气候,年平均气温
6.5℃,月平均气温最高(7月)为19.0℃,最低(1月)为-8℃[19]。年平均自由水蒸发量为1300mm,年平均降雨
量320mm左右,年降雨量季节性分布不均匀,约56%的降雨发生在7-9月份。地下水位在60m以下,远超过
作物利用范围,不具备补给能力。由于无任何可利用的地表水和地下水资源,天然降水是该区作物生长的主要水
源,所以该地区属典型的半干旱山地雨养农业区。供试土壤类型为黑麻土[20],土壤初始 NO3-N含量为25
mg/kg,NH4+N含量为1.9mg/kg,土壤有机碳含量为5.61gC/kg,0~60cm土壤平均容重为1.35g/cm3,田
间持水量为22.9%,土壤pH值7.3~7.8。
1.2 实验设计
本研究选取黄土高原半干旱区典型的主要农业生产作物夏玉米为研究对象。玉米播种时间为2011年4月
25日,收获时间为10月1日,全生育期共160d。试验设2个处理:1)FM,覆膜,2)CT,不覆膜。各小区在其余
实验条件和农业操作均保持一致的前提下,对覆全膜和不覆膜两种方式下土壤及植株氮素变化规律进行了研究。
小区内均不施氮肥,所有处理均使用过磷酸钙作为磷肥,施用量为750kg/hm2,硫酸钾作为钾肥,施用量为450
kg/hm2。所有肥料作为底肥混合均匀后在2011年4月18日翻地时一次性施入。实验采用随机区组设计,每处
理3次重复。小区面积为5m×6m,小区间设0.5m 保护行。玉米种植行距为0.55m,株距为0.4m。覆膜材
料为透明塑料PE薄膜,覆膜方式为常规等间距齐垄覆膜。试验区常规管理。
1.3 样品采集
土壤样品利用土钻分层法进行采集。共采土样18次,采样深度为0~10cm,10~20cm,20~40cm,40~60
cm4层;频率为播种至抽雄期(4-7月)每两周1次、籽粒形成期至成熟期(7-9月)每周1次。每小区随机取3
点采样,将所有土样进行同层混合。将土样风干后分别过0.15和2.00mm筛备用。
共采集植物样10次,采集频率为籽粒形成期至成熟期(7月下旬-9月)每周1次,每小区随机取3株植物
样,将植物样分为茎叶和籽粒两部分,105℃杀青0.5h后温度降至80℃烘至恒重,称植物样各部分干重并粉碎备
用。
1.4 样品测定
土壤含水量:选用土钻取样、烘干法(105℃烘至恒重)对0~10cm,10~20cm层土壤含水量进行测定。
土壤矿化氮:利用流动分析注射仪测定。
41 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.5
植株茎秆和籽粒全氮含量:采用浓H2SO4-H2O2-扩散法分别测定。
土壤全氮:采用凯氏消煮法测定[21]。
1.5 氮素平衡分析公式
植物氮素积累量(kgN/hm2)=全氮含量×生物量 (1)
土壤氮素(硝态氮或铵态氮)累积量(kgN/hm2)=土层厚度×土壤容重×土壤硝态氮(或铵态氮)含量[22]
(2)
土壤全氮累积量(kgN/hm2)=土层厚度×土壤容重×土壤全氮含量 (3)
氮素利用效率(NUE,%)=植株吸氮量/播前土壤NO3-N积累量+施氮量[23] (4)
氮收获指数(NHI,%)=(籽粒吸氮量/植株吸氮量)×100%[18] (5)
生育期土壤氮素净矿化量=不施氮区作物吸氮量+不施氮区土壤残留矿化氮-不施氮区土壤起始矿化氮[24]
(6)
1.6 数据处理分析
采用Excel软件进行数据整理,差异显著性分析利用SPSS软件,图形绘制利用Origin软件。
2 结果与分析
2.1 覆膜管理对土壤无机氮的影响
图1 土壤剖面无机氮分布
犉犻犵.1 犇犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犻狀狅狉犵犪狀犻犮狀犻狋狉狅犵犲狀狅犳狊狅犻犾狆狉狅犳犻犾犲
   图中数据表示的是整个生育期内土壤剖面 Nmin,NO3-N和 NH4+N的
平均含量。Data(intheFig.1)istheaveragecontentofNmin,NO3-Nand
NH4+Ninthesoilprofileoftotalgrowthperiod.FM:覆膜 Mulchingtreat
ment;CT:不覆膜 Nomulchingtreatment;Nmin:无机氮 Mineralnitrogen;
NO3-N:硝态氮Nitratenitrogen;NH4+N:铵态氮Ammoniumnitrogen.
2.1.1 土壤剖面无机氮分布特征 通过实验获
得土壤剖面无机氮(Nmin)含量数据。土壤剖面
无机氮总平均含量0~10cm层为31.33mg/kg,
10~20cm层为29.34mg/kg,20~40cm 层为
32.75mg/kg,40~60cm层为17.56mg/kg。图
1表 示 的 是 土 壤 剖 面 Nmin 及 NO3-N 和
NH4+N的平均含量。从图1可以看出,NO3-
N平均含量随土壤剖面深度增加表现出先增加后
减少的趋势:0~10cm 土层为22.24mg/kg,
10~20cm土层为19.61mg/kg,20~40cm土层
含量最高为24.04mg/kg,40~60cm 土层仅为
10.20mg/kg。其中0~40cm根区土壤中,生育
期内平均NO3-N含量所占比例高达70%以上。
从图1中可以看出,NH4+N在土壤剖面中的分
布较为均匀且含量较低,不同土层间变化较小且
各土层均在7~10mg/kg之间。由此可见,玉米
土壤剖面Nmin形态以NO3-N为主。同时由于土壤NH4+N含量受矿物组成影响较大,其含量水平较为稳
定,受外界影响较小,所以在氮肥推荐或评价氮肥污染时往往可以忽略[25],因此在以下研究中主要讨论NO3-N
的分布。
2.1.2 土壤硝态氮时间变化特征 不同深度土层的土壤NO3-N含量随作物生育期和覆膜方式的变化而发生
变化。由图2可以看出,不同深度土层FM处理明显增加了各时期土壤NO3-N含量。随着生育期的推进,FM
和CT处理间差异越来越小。这主要是由于玉米生长初期地膜覆盖明显改变了土壤中的水热状况,增加了土壤
微生物量及其活性和土壤养分有效性,促进了土壤有机质降解。由图3可以看出,生育前期FM 处理0~10cm
和10~20cm的水分状况明显优于CT处理。本结果与海龙[26]、李世清等[10]的研究结果一致。
从不同土壤剖面来看,FM处理表层0~10cm土壤NO3-N含量最高,明显高于CT处理。土壤NO3-N
含量主要集中在0~40cm层,且随着土层深度的增加NO3-N含量逐渐减少,40~60cm层NO3-N含量最低
51第23卷第5期 草业学报2014年
且差异较小。这主要是由于植物根系的吸收及
图2 覆膜管理对土壤硝态氮时间变化的影响
犉犻犵.2 犜犺犲犻犿狆犪犮狋狅犳犿狌犾犮犺犻狀犵狋狅狊狅犻犾狀犻狋狉犪狋犲犪犮犮狌犿狌犾犪狋犻狅狀
   V3(29d):三叶期 Thirdleafstage;V(n)(52d):拔节期 Nthleafstage;VT
(86d):抽雄期 Tasselingstage;R2(120d):籽粒形成期Blisterstage;R4(150d):
蜡熟期 Doughstage;R6(159d):成熟期Physiologicalmaturitystage[25].下同
Thesamebelow.
土壤 NO3-N 的转移补充进而影响到土壤
NO3-N分布。
总体而言,FM 和CT处理土壤 NO3-N
含量在0~60cm土壤剖面均表现出相似的变
化趋势。即随着玉米生育期推进表现出先升高
后降低,然后又升高的趋势。具体表现为播种
至拔节期土壤NO3-N含量持续升高,拔节期
至蜡熟期迅速下降,蜡熟期至成熟期又有一个
小幅的回升,呈现出近似斜“N”的变化规律。
拔节期土壤NO3-N含量较高,主要是由于该
生育 期 土 壤 水 分 含 量 较 低 (FM 处 理 为
11.64%,CT处理为9.08%),土壤中NO3-N
不易 随 水 分 淋 溶 损 失 造 成。蜡 熟 期 土 壤
NO3-N含量很低,主要与玉米在籽粒形成过
程中需要从土壤中吸收大量的氮素有关,进而
导致该阶段 NO3-N含量持续下降。蜡熟期
至成熟期由于籽粒形成后期植物果穗中籽粒干
图3 土壤剖面含水量
犉犻犵.3 犕狅犻狊狋狌狉犲犮狅狀狋犲狀狋狅犳狋犺犲狊狅犻犾狆狉狅犳犻犾犲
重接近最大值,植株已基本停止营养生长,而生殖生长所需养分主要由营养体转移供给,所以土壤NO3-N含量
出现小幅回升。同时,土壤中随着作物成熟而产生的凋落物不断分解,可能也是导致土壤NO3-N含量回升的
潜在氮源。
2.2 覆膜管理对作物氮素含量的影响
玉米氮素积累量随玉米生长部位、生育期和覆膜方式不同表现出不同的变化趋势。从图4a中可以看出,植
物茎叶随生育期的推进,FM和CT处理下氮素积累量表现出不同幅度的上升趋势。具体来说,覆膜方式下玉米
茎叶氮素积累量增幅较小,最高值成熟期(17.50kgN/hm2)为最低值籽粒形成期(9.64kgN/hm2)的1.8倍;
CT方式下玉米茎叶氮素积累量增幅较大,最高值成熟期(34.41kgN/hm2)为最低值蜡熟期(16.12kgN/hm2)
的2.13倍。籽粒形成期至成熟期,CT处理下的茎叶氮素积累量高于覆膜处理约2倍,且通过0.05的差异显著
61 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.5
性检验分析,说明成熟期二者差异显著。从以上数据可以看出,与FM 处理相比,CT处理下处于成熟期的玉米
从土壤中吸收的氮素更多的分配到了植物茎叶中。
图4b表示的是籽粒形成期至成熟期玉米籽粒的氮素积累量。从图中可以看出,FM 和CT两种处理籽粒氮
素积累量都表现出持续升高的趋势,最低值出现在籽粒形成期,分别为7.73和4.63kgN/hm2;最高值出现在成
熟期,分别为72.49和51.65kgN/hm2,最高值和最低值的比值分别为9.4和11.2。整个生育期籽粒氮素积累
量FM处理始终高于CT处理,且在成熟期FM处理籽粒氮素积累量是CT处理的1.4倍。氮素是蛋白质组成
中重要的元素之一,说明FM处理更有利于玉米籽粒中蛋白质的形成,有助于提高玉米营养品质。
图4 植物样氮素随生育期变化规律
犉犻犵.4 犠犻狋犺狋犺犲犵狉狅狑狋犺狆犲狉犻狅犱狅犳狆犾犪狀狋犾犻犽犲狏犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狀犻狋狉狅犵犲狀
R2:籽粒形成期Blister;R4:蜡熟期 Dough;R6:成熟期Physiologicalmaturity.
图4c表示的是籽粒形成期至成熟期地上部分所含氮素积累量。从图中可以看出,地上部分氮素积累量变化
趋势同籽粒基本一致,整体呈现升高的趋势。FM 和CT处理下植物地上部分氮素积累量最低值出现在籽粒形
成期,分别为17.36,20.75kgN/hm2;籽粒形成期至蜡熟期,FM 处理地上部分氮素积累量高于CT处理;成熟
期,FM和CT处理下植物地上部分氮素积累量均达最高值,分别为89.99,86.06kgN/hm2。
由图4d可以看出,FM和CT处理下玉米地上部分氮素积累量的比值表现出倒“V”型变化,即籽粒形成期至
蜡熟期比值增大,蜡熟期至成熟期二者比值减小。籽粒形成期二者比值为0.86小于1,这是由于籽粒形成期玉
米进入以生殖生长为主的阶段,氮素的分配中心也开始由茎、叶转向雌蕊并逐步以籽粒建成为中心[2728]。研究表
明,玉米粒重形成中氮39.7%~52.9%来源于营养体的再转移,47.1%~60.3%由后期根系供应[29]。FM 处理
水、热条件优于CT处理,故略早于CT处理开始籽粒建成。由于茎叶中氮素向籽粒的转移,CT处理下茎叶中氮
素积累量远高于FM处理约1.7倍(但二者差异并不显著),造成FM 处理地上部分氮素积累量低于CT处理。
籽粒形成期至蜡熟期,二者比值呈上升趋势且在蜡熟期为1.14大于1,这主要是由于该生育期FM 处理籽粒氮
71第23卷第5期 草业学报2014年
素迅速积累,积累量高于CT处理,2种处理方式下茎叶中氮素积累量相差不大造成的。蜡熟期至成熟期二者比
值下降,为1.05仍大于1。卢艳丽等[28]的研究表明,到成熟期籽粒中氮素分配量占全株总量的57%左右。而成
熟期FM处理籽粒氮素积累量高于CT处理,故二者比值大于1。成熟期二者比值为1.05约等于1,说明在整个
生育期不同覆膜处理下玉米从土壤中吸收的氮素总量相差不大,只是CT处理较多地将氮素分配到了茎叶中,而
FM处理则较多地分配到营养器官的生长中,即FM 更有利于植物将氮素分配到籽粒中。从覆膜处理可以改善
土壤水热状况方面来看,王丽梅等[30]研究了玉米不施氮条件下的水分胁迫,研究结果表明:充分供水反而不利于
叶片和茎鞘单位干重氮素累积;水、氮皆胁迫,由于长期水、氮缺乏,基部叶片中氮素向外转移,以及生育后期叶片
和茎鞘中氮素向籽粒转运,从而导致整个生育时期叶片和茎鞘氮素总积累量变化不大。同样氮素水平下,充分供
水可显著提高生育后期干物质转运量[31]。FM 提高了土壤水分含量,在同等不施氮条件下减缓了干旱胁迫,将
更多的物质分配到生殖部位;而CT条件下水分胁迫的作用更为强烈,因此为维持正常的生长需求,作物需要将
更多的N分配到茎叶中。
2.3 覆膜管理对土壤全氮变化的影响
图5表示的是FM和CT处理下土壤剖面全氮含量。从图中可以看出,土壤全氮含量随玉米生育期、土层深
度和覆膜处理的变化而变化,0~20cm和20~60cm土壤剖面土壤全氮变化趋势基本一致,基本都表现出随生
育期先增加后减少、FM处理高于CT处理、成熟期高于三叶期的趋势。对于土壤剖面不同深度土层而言,土壤
全氮含量表现出随土壤深度的增加而升高的趋势,但FM和CT处理土壤全氮含量差异并不显著。0~60cm土
壤剖面全氮含量最高值出现在40~60cm的抽雄期,FM和CT处理下分别为1.093和1.000gN/kg;最低值出
现在0~10cm三叶期,分别为0.649和0.673gN/kg,FM和CT处理间差异不显著。
图5 覆膜对土壤全氮含量变化的影响
犉犻犵.5 犜犺犲犻犿狆犪犮狋狅犳犿狌犾犮犺犻狀犵狋狅狋犺犲狊狅犻犾狀犻狋狉狅犵犲狀 
81 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.5
  为了直观的反映出土壤剖面不同深度土层土壤全
图6 不同深度下覆膜与不覆膜处理土壤全氮间比值
犉犻犵.6 犜犺犲狊狅犻犾狋狅狋犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀犫犲狋狑犲犲狀犿狌犾犮犺犻狀犵犪狀犱
狀狅犿狌犾犮犺犻狀犵狉犪狋犻狅狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犱犲狆狋犺狊
 
氮含量相对于不覆膜处理,覆膜处理下的变化规律,做
了覆膜处理和不覆膜处理土壤全氮含量比值变化规律
图,如图6所示。从图6可以看出,不同深度土层FM
和CT处理土壤全氮比值随玉米生育期的推进表现出
相似的先减少再增加,后减少又再增加的“W”型变化
规律。由于FM能够明显改善土壤中水、热状况,促进
种子的萌发和根系的生长,使得三叶期至拔节期从土
壤中吸收的氮素大于CT处理,出现了下降趋势;随着
生育期的推进,拔节期至籽粒形成期,由于覆膜处理促
进水分蒸发的同时又有效地抑制损失,使土壤氮素随
水的蒸发而上移补充,进而导致FM 处理土壤全氮含
量损失量低于CT处理,故出现了上升趋势;籽粒形成
期至成熟期,由于玉米籽粒的生长,植物由营养生长逐
渐转变为生殖生长,植物地上部分总氮含量比值与土
壤全氮比值恰好表现出相反的变化趋势,说明该阶段土壤中全氮变化与玉米的生长密切相关。
随土层深度的增加在生育前期“W”型变化规律出现了不同程度的滞后,籽粒形成期至成熟期FM 和CT处
理土壤全氮间比值变化规律保持完全一致。这主要与植株根的生长有关。由于生育前期作物刚开始萌发,根还
较短,所以无法吸收到深层土壤中的氮素,故表层0~10cm土层首先开始出现变化。由于播种至三叶期植物的
吸收导致0~10cm土层中全氮含量下降,深层土壤中氮素向上转移。但由于根长度对吸收的限制导致全氮含量
出现10~20cm土层上升、20~60cm土层下降的趋势。随着植物根的伸长,10~20cm土层从三叶期开始表现
出“W”型变化规律,但更深层即20~60cm土层由于氮素的向上补充转移而植物根系又利用不到该层的氮素出
现了短暂的上升趋势。20~60cm土层从拔节期开始也出现了“W”型变化规律。抽雄期由于植物节根层数、基
部节间长度基本固定,所能吸收到的土壤中营养元素的深度相同,所以不同深度土壤全氮间比值均表现出完全一
致的变化规律。
2.4 覆膜管理对氮素利用效率的影响
从表1可以看出,FM处理下籽粒产量是CT处理的2.1倍,且二者通过了0.05的差异性检验,说明FM有
利于玉米籽粒的生长。籽粒氮积累量差异不显著,主要是因为本试验中所用玉米品种相同,籽粒氮积累量是作物
本身属性,与作物品种密切相关。总生物量FM和CT处理间差异不显著。氮素利用效率在43.12%~45.13%,
FM和CT处理间差异不显著,这和朱兆良与文启孝[32]报道的全国平均氮素利用率(30%~51%)相一致。吴永
成等[33]认为,夏玉米根系分布浅、土壤供氮能力强和难以避免的氮素淋洗下渗是造成夏玉米氮素利用率不高的
重要原因。刘建安等[34]研究认为,夏玉米氮收获指数主要受玉米生育后期干物质和氮素转移的影响。本试验
中,FM处理的氮收获指数(80.30%)是CT处理(60.24%)的1.3倍,说明FM条件下植株吸收的氮素更多地转
移到了籽粒中。
2.5 覆膜管理对氮素平衡的影响
对于实验数据经过计算得出整个生育期氮素平衡情况,如表2所示。从表中可以看出,FM条件下植株吸氮
量比CT略有增加,但二者差异不明显。本试验中,播种前土壤中残留矿化氮为210.94kgN/hm2,残留全氮为
3720.65kgN/hm2,净矿化能力较低,土壤本身供氮能力在180.76~188.27kgN/hm2,高于当季作物的吸氮量
85.71~89.72kgN/hm2。收获后土壤残留矿化氮FM 处理(98.55kgN/hm2)略高于CT处理(95.05kgN/
hm2),土壤残留全氮FM处理(4420.92kgN/hm2)也略高于CT处理(3962.19kgN/hm2)。FM和CT处理氮
素表观损失均为0。整个试验过程中未加任何氮肥,作物吸收利用的氮肥完全来自于土壤本身,氮素表观损失均
为0,说明土壤中氮素除作物吸收利用外基本都留在了土壤中,其他损失很少可以忽略。覆膜处理下氮盈余量略
高于不覆膜处理,说明覆膜条件更有利于土壤氮素转化为供作物吸收利用的状态。
91第23卷第5期 草业学报2014年
表1 收获期犉犕与犆犜处理下氮肥利用
犜犪犫犾犲1 犖犻狋狉狅犵犲狀狌狊犲狅犳犿狌犾犮犺犻狀犵犪狀犱狀狅犿狌犾犮犺犻狀犵犻狀狆犺狔狊犻狅犾狅犵犻犮犪犾犿犪狋狌狉犻狋狔
处理
Treatment
籽粒产量
Grainyield
(kg/hm2)
籽粒氮积累量
Grainnitrogenaccumulation
(kgN/hm2)
生物量
Biomass
(kg/hm2)
植株总氮
Plantnitrogen
(kgN/hm2)
氮素利用效率
Nitrogenuse
efficiency(%)
氮收获指数
Nitrogenharvest
index(%)
FM 7187.56a 72.04a 11406.02a 89.72a 45.13a 80.30a
CT 3417.13b 51.63a 10131.58a 85.71a 43.12a 60.24b
 注:同列数据后标相同字母表示差异不显著(犘>0.05),标不同字母表示差异显著(犘<0.05)。
 Note:Columndatawiththesameletterindicatesnosignificantdifference(犘>0.05),andthedifferentlettersmeansignificantdifference(犘<0.05).
表2 整个生育期氮素平衡
犜犪犫犾犲2 犖犻狋狉狅犵犲狀犫犪犾犪狀犮犲狅犳犵狉狅狑狋犺狆犲狉犻狅犱 kgN/hm2
处理
Treatment
起始氮Originalnitrogen
施氮量
(I)
Nitrogen
application
播前矿化氮
(II)Nmin
before
sowing
播前全氮
Totalnitrogen
before
sowing
净矿化
(III)
Minera
lization
总输入
Totalinput
ofnitrogen
(I+II+III)
氮输出Outputofnitrogen
作物吸收
(IV)
Plant
absorb
残留矿质氮
(V)Residual
mineral
nitrogen
残留全氮
Residual
total
nitrogen
氮素表观损失
(VI)Nitrogen
apparent
loss
氮盈余
Surplus
nitrogen
(V+VI)
FM 0 210.94 3720.65 -22.68 188.27 89.72 98.55 4420.92 0 98.55
CT 0 210.94 3720.65 -30.18 180.76 85.71 95.05 3962.19 0 95.05
 注:净矿化为负值代表已矿化的部分。
 Note:Netmineralizationisnegativerepresentativesthepartofthemineralization.
3 讨论
由于0~60cm土壤剖面土壤全氮含量比值变化规律一致,故以表层0~10cm层为例进行讨论。FM和CT
处理间土壤全氮含量比值随生育期的推进可以分为如下4个阶段:第1阶段,三叶期至拔节期比值呈下降趋势;
第2阶段,拔节期至籽粒形成期出现上升趋势;第3阶段,籽粒形成期至蜡熟期又呈现出下降趋势;第4阶段,蜡
熟期至成熟期再次出现上升趋势。
第1阶段比值出现了下降的趋势,这主要是由于植物种子的萌发与水、热条件密切相关。FM改善了土壤中
的水、热状况,促进了种子的萌发和根系的生长,使得从土壤中吸收的氮素大于CT处理。根系是植物体吸收养
分和水分的主要器官,植物体与环境间的物质和能量交换,在很大程度上是通过根系完成的[3536]。研究表明,覆
膜不仅有利于促进植物根系早期生长,增加根长、根数和根重,改善根系在土壤中的分布,而且还能增加根系活性
和吸收能力[34]。据报道[3738],地膜覆盖能显著增加冬小麦根系的墒流量、根系对氮素的吸收能力和根系的合成
能力;地膜覆盖番茄(犛犪犾犪狀狌犿犾狔犮狅狆犲狉狊犻犮狌犿),根系的墒流量比对照高3~4倍;地膜覆盖棉花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿犺犻狉狊狌
狋狌犿),根系对硝态氮的吸收能力比对照提高35.1%,根系的呼吸强度比对照提高19.1%,单株干物质积累为对照
的2.3倍[3940];用春小麦进行的试验表明,覆盖地膜后有利于根系早扎、快生[39]。第2阶段比值出现了上升趋
势,主要是由于覆膜能够提高土壤温度促进土壤水分的蒸发,同时又有效地阻止了水分向大气中的扩散,使得土
壤水分FM高于CT处理。而NO3-N随水分上移使覆膜条件下土壤中氮素一定程度上得以补充,损失的氮素
少于CT造成的。夏玉米生长季节水热条件较好,有利于土壤有机氮矿化,因此土壤氮素供应常常过量[41]。范
亚宁等[18]对半湿润地区农田夏玉米氮肥利用率及土壤NO3-N动态变化研究表明,在拔节期到喇叭口期土壤
NO3-N累积量增加。本试验中土壤表层0~10cm土壤NO3-N含量也表现出上升的趋势。整个试验过程均
未进行灌溉,因此水分含量的变化主要取决于当季降雨量和蒸散量,由于NO3-N易随水移动而流失,因此水分
含量的变化可能导致氮素向下淋失或者随水分上移,从而影响其在土壤剖面的空间分布[18]。高亚军等[27]也认
02 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.5
为,累积的NO3-N最终是否通过淋溶损失主要取决于灌水量(降雨量)。本试验中,土壤表层0~20cm水分含
量为6.11%~19.3%,均<20%(土壤最佳田间持水量约23%),因此NO3-N随水分向下层土壤迁移的可能性
不大。
对于第3、4阶段而言,从籽粒形成期开始植株基本停止营养体的生长,而进入以生殖生长为中心的阶段。植
物地上部分总氮含量比值出现先上升后下降的趋势,恰好和土壤全氮比值表现出相反的规律,说明该阶段土壤中
全氮变化与玉米的生长密切相关。籽粒形成期至蜡熟期,植物全田60%以上植株果穗中部籽粒体积基本建立,
FM方式下植物地上部分总氮含量由籽粒形成期低于CT处理增加至蜡熟期高于CT处理。在该阶段植物积累
的氮素FM处理大于CT处理,土壤中全氮含量损失量FM处理高于CT处理,所以表现出下降的趋势。蜡熟期
至成熟期,全田60%以上植株果穗中籽粒干重接近最大值,该阶段FM和CT处理下植物地上部分总氮的增加量
相差不大,但二者比值呈现下降趋势且大于1。说明FM处理较早于CT处理到达成熟期,该阶段由于CT处理
还未完全到达成熟状态故从土壤中吸收多于FM处理的氮素,使得土壤中FM处理全氮损失量低于CT处理,二
者比值呈上升的趋势。该阶段FM和CT处理下土壤全氮间比值基本都大于1,说明该阶段FM条件下土壤损失
的N素低于CT方式,但成熟时植物所积累的总氮含量要高于CT方式。
4 结论
1)0~40cm玉米根区土壤剖面无机氮形态以NO3-N为主,所占比例高达70%以上。对于土壤剖面不同
土层而言,随生育期均表现出播种至拔节期持续升高,拔节期至蜡熟期迅速下降,蜡熟期至成熟期小幅回升近似
斜“N”型的变化趋势。
2)玉米植株氮素积累量随植株部位、生育期和覆膜方式的不同表现出不同的变化趋势。随生育期的推进,不
同覆膜处理茎叶和籽粒氮素积累量均表现出上升的趋势。成熟期,覆膜和不覆膜处理下玉米地上部分氮素总积
累量相差不大,但不覆膜处理较多地将氮素用于营养器官的生长,而覆膜处理则更多地用于生殖器官的生长,进
而提高玉米的营养品质和产量。
3)不同土壤剖面全氮含量基本都表现出随生育期先增加后减少的趋势,且成熟期高于三叶期。覆膜处理土
壤全氮含量在各生育期基本都高于不覆膜处理。对于不同土壤剖面不覆膜处理土壤全氮而言,覆膜处理随玉米
生育期的推进都表现出相似的“W”型变化规律,且随土壤深度的增加,变化规律有所延迟。
4)覆膜处理显著影响籽粒产量,具有增产效益。覆膜和不覆膜处理间籽粒氮积累量和氮素利用效率差异不
显著。覆膜处理氮收获指数是不覆膜处理的1.3倍,说明覆膜条件下植株吸收的氮素更多地用于生殖生长,覆膜
处理氮盈余量略高于不覆膜处理。
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QIJinghua1,ZHANGFeng1,WANGYing2,SUNGuojun1
(1.SchoolofLifeSciences,AgroecologyInstituteofLanzhouUniversity,MoreKeyLaboratoryof
AridandGrasslandEcology,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2.KeyLaboratory
ofAridClimaticChangeandReducingDisasterofGansuProvince,KeyOpenLaboratory
ofAridChangeandDisasterReductionofChinaMeteorologicalAdministration,
InstituteofAridMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,
Lanzhou730020,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:PlasticmulchisoftenusedinmaizeproductionsystemsontheLoessPlateau.Theeffectofplastic
mulchonplantandsoilnitrogen(N)(inorganicandtotalN)ofmaizeinsemiaridfarmlandwasinvestigatedin
afieldexperiment.Thereweretwomulchingtreatments;mulchingandnomulching.NofertilizerNwasap
pliedtoanyplots.Thetrialwasarandomizedblockdesignwith3replicates.Theresultsshowedthat:1)Soil
NO3-Nincreasedastheseasonprogressedwithlittlemulcheffectonseasonalvariation.2)Nomulchingre
sultedinmoreNalocatedtothevegetativeorgansatphysiologicalmaturitycomparedtomulched,whereasthe
mulchedtreatmentresultedinmoreNbeingtransferredfromthevegetativeorganstothegrainsduringthe
grainfilingperiod.3)Mulchingincreasedsoilmoisture.DuringthegrainfilingperiodthetotalNcontentof
theaerialpartsoftheplantswerecloselyrelatedtosoilNstatus.Itisconcludedthatmulchingsignificantlyim
provedtheyieldandnutritionalqualityofmaize.
犓犲狔狑狅狉犱狊:semiaridLoessPlateau;mulching;corn(犣犲犪犿犪狔狊);nitrogen
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