不同灌水方式對玉米根區(qū)水氮?jiǎng)討B(tài)和利用的影響

不同灌水方式對玉米根區(qū)水氮?jiǎng)討B(tài)和利用的影響

0分根交替灌溉對玉米養(yǎng)分吸收的影響控制分根交替灌溉法（crdi）是一種灌溉節(jié)水技術(shù)。該技術(shù)通過改變和調(diào)整作物根系區(qū)的濕潤模式，導(dǎo)致水分的抑制信號以傳輸?shù)饺~孔，從而降低蒸騰費(fèi)水。同時(shí)，它可以改善根系的吸收功能，實(shí)現(xiàn)對光合產(chǎn)物的不影響，大大提高了灌溉的利用率。大量研究表明,控制性分根交替灌水技術(shù)可以減少作物的生長冗余,使灌溉水分利用效率和植物水分利用效率明顯提高。關(guān)于CRDI對作物養(yǎng)分吸收的影響,Benjamin研究了隔溝灌溉帶狀施肥對玉米生長和氮肥吸收的影響,結(jié)果表明,在干旱年份當(dāng)?shù)适┰诓还嗨疁蠒r(shí)氮肥吸收降低50%,在相對濕潤年份灌水溝和不灌水溝的肥料吸收無差異。Lehrsch研究了不同隔溝灌溉方式對玉米生長和硝態(tài)氮淋洗的影響,表明交替隔溝灌溉在維持作物產(chǎn)量的同時(shí),可使土壤氮的吸收增加21%。Skinner報(bào)道了隔溝灌溉施肥對玉米根系分布的影響,不灌水溝與灌水溝相比根生物量增加了26%,若生長季早期濕度合適,灌水溝和不灌水溝的下根層根量都增加,氮的吸收也因此而增加。在國內(nèi),韓艷麗、康紹忠等研究了控制性分根區(qū)交替灌溉對玉米養(yǎng)分吸收的影響。高明霞等研究了不同灌溉方式下玉米根際土壤硝態(tài)氮的分布。李志軍、張富倉等利用盆栽試驗(yàn)研究了不同灌水方式對冬小麥水分和養(yǎng)分的影響,結(jié)果表明,控制性交替灌溉對養(yǎng)分離子的吸收優(yōu)于常規(guī)灌溉和固定灌溉。梁繼華、李伏生等研究表明在施肥和充分供水條件下,與常規(guī)灌溉(CI)相比,分根交替灌溉節(jié)水29.1%,總干物質(zhì)和冠層干物質(zhì)僅分別減少6.3%和5.6%,而水分利用效率和氮肥表觀利用率分別提高24.3%和16.4%。胡田田、康紹忠對局部灌水方式的玉米不同根區(qū)氮素吸收和利用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明交替灌水的不同根區(qū)對作物吸收氮素有同等貢獻(xiàn)。黃春燕、李伏生等在南方酸性紅壤土上對兩種施肥水平下的甜玉米進(jìn)行分根區(qū)交替灌溉,并對其水分利用效率進(jìn)行了初步研究。關(guān)于控制性分根區(qū)灌溉條件下根區(qū)的水氮遷移動態(tài)報(bào)道較少,該文利用盆栽試驗(yàn),研究3種灌水方式(常規(guī)、交替、固定)對玉米根區(qū)水氮遷移和水氮利用效率的影響,以期為不同根區(qū)濕潤方式下的水氮高效利用與調(diào)控提供理論基礎(chǔ)。1材料和方法1.1土壤、密度和理化指標(biāo)試驗(yàn)于2006年04-07月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室溫室里進(jìn)行。供試玉米品種為豫玉22號,種于內(nèi)徑26cm、高28cm的植物生長盆內(nèi),盆底鋪有細(xì)砂,盆底均勻地打有5個(gè)小孔以提供良好的通氣條件。交替灌處理和固定灌處理的桶中央用塑料膜隔開,防止水分的側(cè)滲。在膜中部做“V”形缺口,用于播種玉米。供試土壤為西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站的大田土壤,土壤自然風(fēng)干、磨細(xì)過2mm篩,裝土體積質(zhì)量為1.30g/cm3。土壤的基本理化參數(shù)為:pH=8.14、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.08g/kg、全氮0.89g/kg、全磷0.72g/kg、全鉀13.8g/kg、堿解氮55.93g/kg、速效磷8.18g/kg、速效鉀102.30g/kg,田間持水率(θF)24%。播前將盆內(nèi)土壤灌至田間持水率,先將玉米在24℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽。2006-04-10播種,每桶1粒。播種時(shí)對分根灌溉處理的玉米人為進(jìn)行分根,將催出的玉米須根均勻分置于桶中央隔膜的兩側(cè),確保根系初期分布均勻。1.2含水率、土壤水分、全氮及水分利用效率試驗(yàn)設(shè)灌水方式和氮肥2個(gè)因素。灌水方式包括:1)交替1/2根系區(qū)域灌水,對根系兩側(cè)進(jìn)行交替灌水;2)固定1/2根系區(qū)域灌水,每次固定對一側(cè)進(jìn)行灌水,另一側(cè)保持干燥;3)常規(guī)灌水。氮肥選用尿素,分為4個(gè)水平,共12個(gè)處理,每處理重復(fù)3次。2006-05-18按0.3g/kg(高氮)、0.2g/kg(中氮)、0.1g/kg(低氮)、0g/kg(無氮)和P2O50.2g/kg將肥料溶液施入植物生長盆中。灌水水量以(60%~80%)θF來控制,利用TypeHH2型土壤水分測定儀進(jìn)行含水率的測定,嚴(yán)格控制各處理土壤含水率,當(dāng)含水率降至或接近該處理水分下限即進(jìn)行灌水,灌水至水分控制上限。用量筒精確量取所需水量,記錄每次灌水量。取土樣3次,用小土鉆在離玉米5cm處取土,每12cm取一個(gè)土樣。交替灌溉和固定灌溉分別在兩側(cè)取土。新鮮土樣放入冰箱待測氮素。土壤礦物氮采用2mol/LKCl(土液比1︰5)浸提,銨態(tài)氮測定采用靛酚藍(lán)比色法,硝態(tài)氮用紫外可見分光光度計(jì)測定。處理結(jié)束后采集各處理根系及地上部分,105℃殺青30min,60℃烘至恒質(zhì)量,測定根干質(zhì)量和地上部分干質(zhì)量,干物質(zhì)磨碎后測定全氮。全氮測定用開氏法,用瑞士福斯特卡托公司(FossTecatorAB)生產(chǎn)的自動定氮儀測定全氮。水分利用效率(WUE)用干物質(zhì)總質(zhì)量與總耗水量的比值表示。氮肥表觀利用效率(%)=(施氮處理的氮吸收量-未施氮處理的氮吸收量)×100%/氮肥用量。2結(jié)果與分析2.1不同施氮處理對土壤硝態(tài)氮含量的影響土壤中的硝態(tài)氮是一種能被作物直接吸收利用的礦物氮。試驗(yàn)結(jié)果分析表明,根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量隨著玉米生育期時(shí)間(取土?xí)r間)的變化基本呈遞減趨勢。不同濕潤方式條件下玉米根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量變化動態(tài)如表1所示。由表1a和表1b可知,在同一氮素水平條件下,交替灌溉根區(qū)兩側(cè)同一層次上的土壤硝態(tài)氮含量基本相同。這是因?yàn)楣嗨峭寥老鯌B(tài)氮遷移的最主要影響因素,而交替灌水使玉米兩側(cè)根區(qū)土壤濕潤程度相當(dāng)。由表1a和表1b可知,施氮后根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量與施氮水平呈正相關(guān)。經(jīng)過35d不同方式的灌水處理,上層土壤硝態(tài)氮含量降低幅度是下層降低幅度的2.0~24.5倍。不同施氮處理的上層土壤硝態(tài)氮含量降低到同一水平,高氮處理的降幅最大約為115~126mg/kg,無氮處理的降幅最小為15~46mg/kg。和上層相比,下層土壤硝態(tài)氮含量降幅不大(在6~38mg/kg變化),這主要由于上層硝態(tài)氮向下遷移增加了下層硝態(tài)氮的含量。處理結(jié)束后,和交替灌溉相比,常規(guī)灌溉(表1e)上層土壤硝態(tài)氮含量減小的幅度和交替灌溉的相當(dāng),而交替灌溉下層硝態(tài)氮?dú)埩袅勘瘸Ｒ?guī)灌溉的大。表1c和表1d表示固定部分根區(qū)濕潤的玉米根區(qū)土壤硝態(tài)氮變化動態(tài)。施氮后經(jīng)過水分處理和玉米的吸收,上層土壤硝態(tài)氮含量大幅度減小,濕潤側(cè)的減小幅度是干燥側(cè)減小幅度的1.2~11.5倍。固定灌溉上層濕潤側(cè)土壤硝態(tài)氮的殘留量和常規(guī)灌溉在同一層次上相當(dāng),而上層干燥側(cè)的硝態(tài)氮的殘留量約為常規(guī)灌溉同一層次上的8.7~20.7倍。濕潤區(qū)下層土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅勘瘸Ｒ?guī)灌溉同一層次的殘留量略低,這可能是由于固定灌水條件下作物對氮素的吸收主要來自于濕潤區(qū),固定單側(cè)較大的灌水量導(dǎo)致了土壤硝態(tài)氮的深層遷移所致。干燥側(cè)下層土壤硝態(tài)氮的殘留量是濕潤側(cè)同一層次上殘留量的1.7~2.6倍,和施氮后5d的土壤硝態(tài)氮含量相當(dāng);低氮處理的高于最初質(zhì)量分?jǐn)?shù)約5mg/kg,高氮處理的殘留量可達(dá)到188mg/kg。固定灌溉干燥側(cè)土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^大也說明了固定根區(qū)干燥會導(dǎo)致氮肥利用效率降低。總體上來說,交替灌溉的玉米根區(qū)在同一層次上土壤硝態(tài)氮含量基本相當(dāng),土壤硝態(tài)氮的殘留量比常規(guī)灌溉的略大。固定灌溉濕潤側(cè)的殘留量小于常規(guī)灌溉和交替灌溉的殘留量,干燥側(cè)的殘留量明顯大于濕潤側(cè)的殘留量。這說明常規(guī)灌溉和交替灌溉對玉米根區(qū)土壤硝態(tài)氮的吸收能力相當(dāng),而固定灌溉則嚴(yán)重抑制了玉米根系對土壤硝態(tài)氮的吸收。2.2交替灌溉對冠層質(zhì)量的影響統(tǒng)計(jì)分析(表2)結(jié)果表明:灌水方式和施氮水平對冠層干質(zhì)量、根干質(zhì)量、根冠比和干物質(zhì)總量的影響都達(dá)到了顯著水平,灌水方式和施氮水平的交互作用對根冠比的影響也達(dá)到了顯著水平,而灌水方式和施氮水平的交互作用對冠層質(zhì)量、根質(zhì)量以及干物質(zhì)質(zhì)量的影響不顯著。同一施氮水平下,常規(guī)灌溉的冠層干質(zhì)量最大,交替灌溉次之,固定灌溉較小。常規(guī)灌溉各氮素處理的冠層干物質(zhì)質(zhì)量相差不大,其中高氮處理的冠層質(zhì)量比低氮處理冠層質(zhì)量大3.9%,冠層質(zhì)量的最大值和最小值相差僅為1.77g。交替高氮處理的冠層質(zhì)量最大為32.34g,分別比低氮和無氮處理的高5.65g和6.65g。和常規(guī)灌溉同一氮素水平的冠層質(zhì)量相比,交替灌溉的冠層質(zhì)量都有所減小,高氮處理的降低幅度最小為14.62g,無氮處理的降低的幅度最大為19.50g。交替灌溉的冠層質(zhì)量是固定灌溉冠層質(zhì)量的1.01~1.17倍,固定灌溉的冠層質(zhì)量變化幅度僅為2.84g,且最大也不超過28g。根系是植物的主要器官,同時(shí)也是光合同化產(chǎn)物的一個(gè)巨大的庫,根在土壤水轉(zhuǎn)化為作物水的過程中起著關(guān)鍵作用。試驗(yàn)結(jié)果表明交替灌溉的的根系分布比較均勻,左側(cè)根和右側(cè)根的干質(zhì)量最大相差小于0.5g,這樣有利于充分利用土壤中的水分和氮素。而固定灌溉由于一側(cè)土壤水分長期較低,土壤硝態(tài)氮含量偏高,使作物根系的正常生理活動受到阻礙,濕潤側(cè)的根干質(zhì)量明顯大于干燥側(cè)的根干質(zhì)量,最大相差可達(dá)到1.6g,最小相差也為0.9g。交替灌溉中氮處理的根冠比最大,比同一氮素水平的常規(guī)灌溉和固定灌溉的根冠比大約25%,交替灌溉的根冠比在0.24~0.25之間變化。常規(guī)灌溉除高氮處理外,其余處理的根冠比和固定灌溉的根冠比基本相同。和各處理的冠層干質(zhì)量規(guī)律一致,單株總干物質(zhì)質(zhì)量也是常規(guī)灌溉最大,交替灌溉次之,固定灌溉最小。和交替灌溉相比,固定灌溉的不同氮素水平的干物質(zhì)質(zhì)量偏差為4g,僅為交替灌溉的干物質(zhì)質(zhì)量偏差的55%,說明氮素處理對交替灌溉的干物質(zhì)質(zhì)量的影響比對固定灌溉的大。固定灌溉的作物根區(qū)一側(cè)土壤過度干旱,對根系造成了傷害,導(dǎo)致根系生長一直較弱,由此抑制了冠層生長,也限制了氮肥對作物生長的增長效應(yīng)。2.2不同灌溉方式對水分利用效率的影響表2中水分利用效率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,灌水方式和施氮水平對水分利用效率的影響達(dá)到了顯著水平,兩個(gè)因素的交互作用對水分利用效率的影響也達(dá)到了顯著水平?？偟膩碚f,交替灌溉的水分利用效率最大,固定灌溉次之,常規(guī)灌溉最小。交替高氮處理的水分利用效率最大是2.84kg/m3,是常規(guī)灌溉和固定灌溉高氮水平的1.16和1.11倍。在無氮條件下,常規(guī)灌溉和固定灌溉的水分利用效率都約為2.26kg/m3,說明固定灌溉雖然減少了灌水量,但是沒有顯著地提高水分利用效率,沒有達(dá)到節(jié)水的目的。2.3不同灌溉方式對植物全氮的吸收表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,灌水方式和施氮水平分別對作物(冠層和根以及整個(gè)植株)的全氮吸收和氮肥的表觀利用效率影響顯著。兩因素的交互作用對根系的全氮吸收影響顯著,而對冠層和整個(gè)植株的全氮吸收以及氮肥表觀利用效率影響不顯著。由表3可知,同一氮素水平下,交替灌溉的單位植株的全氮吸收量最大,固定灌溉的次之,常規(guī)灌溉的最小。高氮條件下,交替灌溉的單位植株全氮吸收量分別是常規(guī)灌溉和固定灌溉全氮吸收量的1.05和1.04倍。各處理的冠層和根系的全氮吸收量和整個(gè)植株的全氮吸收量的分布規(guī)律一致。交替灌溉的左根和右根的全氮吸收量基本相同,固定灌溉的濕潤側(cè)和干燥側(cè)的根的全氮吸收也基本相同。由于在表中所列的全氮吸收是單位干物質(zhì)的吸氮量,這并不代表各處理植株總的吸氮量。由表3中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,同一灌水方式條件下,低氮處理的氮肥表觀利用效率最大,中氮處理的次之,高氮處理的最小。同一氮肥水平條件下,常規(guī)灌溉的氮肥表觀利用效率最大,交替灌溉次之,固定灌溉最小。在所有處理中,常規(guī)低氮處理的氮肥表觀利用效率最大,是同一氮素水平條件下交替灌溉和固定灌溉的1.18和1.23倍。3不同灌溉方式對作物水分利用效率的影響由試驗(yàn)結(jié)果可知,土壤硝態(tài)氮不易被土壤膠體所吸附,在水分充足的條件下,極易隨水向下層遷移。施氮后土壤硝態(tài)氮增長很快,由于灌水處理和作物的吸收,土壤硝態(tài)氮含量在下層土壤出現(xiàn)累積。該試驗(yàn)中固定灌溉的干燥側(cè)由于土壤水分持續(xù)偏低,直接影響了作物的長勢和根系活力,從而影響到作物的養(yǎng)分吸收和利用,所以,固定灌溉的干燥側(cè)出現(xiàn)了較大的土壤硝態(tài)氮累積。交替灌溉的土壤硝態(tài)氮累積量比常規(guī)灌溉的累積量稍大,說明交替灌溉能為作物生長提供較為適宜的水氮環(huán)境。研究表明,水分狀況是影響作物生長和根冠比的主要因素之一,供水充足時(shí)光合產(chǎn)物的累積主要集中在地上部分,根冠比降低,虧缺時(shí)冠層生長受阻,根系表現(xiàn)出相對較強(qiáng)的優(yōu)勢,根冠比增大。從一定意義上說,根冠比增大有利于水分吸收和脅迫解除后的補(bǔ)償和生長。試驗(yàn)結(jié)果也表明在同一氮素水平下,交替灌溉的根冠比大于固定灌溉的根冠比,常規(guī)灌溉的根冠比最小。適當(dāng)?shù)刈屪魑锷L階段部分根系承受一定的水分脅迫,能刺激根系吸收的補(bǔ)償功能,提高根系的傳導(dǎo)能力,從而可以提高水分利用效率。該試驗(yàn)在不同氮肥水平條件下,采用不同的灌水方式,結(jié)果表明交替高氮處理的水分利用效率最大,是高氮水平下常規(guī)灌溉和固定灌溉的水分利用效率的1.16和1.11倍。交替灌溉的水分利用效率是常規(guī)灌溉的0.99~1.11倍,而灌水量是常規(guī)灌溉的0.75倍,節(jié)水效果明顯。固定灌溉的灌水量是常規(guī)灌溉的0.76倍,但水分利用效率沒有得到顯著的提高。灌水方式、施氮量、灌水定額都會影響作物的全氮的吸收和在體內(nèi)的分配,同一灌水方式條件下,作物植株全氮吸收和施氮量呈正相關(guān)。這和寧堂原等的試驗(yàn)結(jié)果一致。由試驗(yàn)結(jié)果可知:固定灌水條件下,濕潤區(qū)根系的干物質(zhì)累積量明顯大于干燥區(qū)的的累積量,而交替灌溉的兩側(cè)根系的干物質(zhì)累積量則基本相同。這是因?yàn)楣潭ü喔雀稍飩?cè)水分虧缺,土壤養(yǎng)分向根表遷移的速率下降,土壤中的有效養(yǎng)分不能變成根際的實(shí)際養(yǎng)分,同時(shí)水分虧缺會使土壤緩效養(yǎng)分向速效養(yǎng)分的釋放過程變慢,而交替灌溉避免了局部根區(qū)長期干旱對作物生長和養(yǎng)分吸收的不良影響。4灌溉對土壤硝態(tài)氮的吸收能力和效率