不同灌水方式对玉米根区水氮动态和利用的影响

不同灌水方式对玉米根区水氮动态和利用的影响

0分根交替灌溉对玉米养分吸收的影响控制分根交替灌溉法（crdi）是一种灌溉节水技术。该技术通过改变和调整作物根系区的湿润模式，导致水分的抑制信号以传输到叶孔，从而降低蒸腾费水。同时，它可以改善根系的吸收功能，实现对光合产物的不影响，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术可以减少作物的生长冗余,使灌溉水分利用效率和植物水分利用效率明显提高。关于CRDI对作物养分吸收的影响,Benjamin研究了隔沟灌溉带状施肥对玉米生长和氮肥吸收的影响,结果表明,在干旱年份当氮肥施在不灌水沟时氮肥吸收降低50%,在相对湿润年份灌水沟和不灌水沟的肥料吸收无差异。Lehrsch研究了不同隔沟灌溉方式对玉米生长和硝态氮淋洗的影响,表明交替隔沟灌溉在维持作物产量的同时,可使土壤氮的吸收增加21%。Skinner报道了隔沟灌溉施肥对玉米根系分布的影响,不灌水沟与灌水沟相比根生物量增加了26%,若生长季早期湿度合适,灌水沟和不灌水沟的下根层根量都增加,氮的吸收也因此而增加。在国内,韩艳丽、康绍忠等研究了控制性分根区交替灌溉对玉米养分吸收的影响。高明霞等研究了不同灌溉方式下玉米根际土壤硝态氮的分布。李志军、张富仓等利用盆栽试验研究了不同灌水方式对冬小麦水分和养分的影响,结果表明,控制性交替灌溉对养分离子的吸收优于常规灌溉和固定灌溉。梁继华、李伏生等研究表明在施肥和充分供水条件下,与常规灌溉(CI)相比,分根交替灌溉节水29.1%,总干物质和冠层干物质仅分别减少6.3%和5.6%,而水分利用效率和氮肥表观利用率分别提高24.3%和16.4%。胡田田、康绍忠对局部灌水方式的玉米不同根区氮素吸收和利用进行了研究,结果表明交替灌水的不同根区对作物吸收氮素有同等贡献。黄春燕、李伏生等在南方酸性红壤土上对两种施肥水平下的甜玉米进行分根区交替灌溉,并对其水分利用效率进行了初步研究。关于控制性分根区灌溉条件下根区的水氮迁移动态报道较少,该文利用盆栽试验,研究3种灌水方式(常规、交替、固定)对玉米根区水氮迁移和水氮利用效率的影响,以期为不同根区湿润方式下的水氮高效利用与调控提供理论基础。1材料和方法1.1土壤、密度和理化指标试验于2006年04-07月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室温室里进行。供试玉米品种为豫玉22号,种于内径26cm、高28cm的植物生长盆内,盆底铺有细砂,盆底均匀地打有5个小孔以提供良好的通气条件。交替灌处理和固定灌处理的桶中央用塑料膜隔开,防止水分的侧渗。在膜中部做“V”形缺口,用于播种玉米。供试土壤为西北农林科技大学节水灌溉试验站的大田土壤,土壤自然风干、磨细过2mm筛,装土体积质量为1.30g/cm3。土壤的基本理化参数为:pH=8.14、有机质质量分数6.08g/kg、全氮0.89g/kg、全磷0.72g/kg、全钾13.8g/kg、碱解氮55.93g/kg、速效磷8.18g/kg、速效钾102.30g/kg,田间持水率(θF)24%。播前将盆内土壤灌至田间持水率,先将玉米在24℃恒温培养箱中催芽。2006-04-10播种,每桶1粒。播种时对分根灌溉处理的玉米人为进行分根,将催出的玉米须根均匀分置于桶中央隔膜的两侧,确保根系初期分布均匀。1.2含水率、土壤水分、全氮及水分利用效率试验设灌水方式和氮肥2个因素。灌水方式包括:1)交替1/2根系区域灌水,对根系两侧进行交替灌水;2)固定1/2根系区域灌水,每次固定对一侧进行灌水,另一侧保持干燥;3)常规灌水。氮肥选用尿素,分为4个水平,共12个处理,每处理重复3次。2006-05-18按0.3g/kg(高氮)、0.2g/kg(中氮)、0.1g/kg(低氮)、0g/kg(无氮)和P2O50.2g/kg将肥料溶液施入植物生长盆中。灌水水量以(60%~80%)θF来控制,利用TypeHH2型土壤水分测定仪进行含水率的测定,严格控制各处理土壤含水率,当含水率降至或接近该处理水分下限即进行灌水,灌水至水分控制上限。用量筒精确量取所需水量,记录每次灌水量。取土样3次,用小土钻在离玉米5cm处取土,每12cm取一个土样。交替灌溉和固定灌溉分别在两侧取土。新鲜土样放入冰箱待测氮素。土壤矿物氮采用2mol/LKCl(土液比1︰5)浸提,铵态氮测定采用靛酚蓝比色法,硝态氮用紫外可见分光光度计测定。处理结束后采集各处理根系及地上部分,105℃杀青30min,60℃烘至恒质量,测定根干质量和地上部分干质量,干物质磨碎后测定全氮。全氮测定用开氏法,用瑞士福斯特卡托公司(FossTecatorAB)生产的自动定氮仪测定全氮。水分利用效率(WUE)用干物质总质量与总耗水量的比值表示。氮肥表观利用效率(%)=(施氮处理的氮吸收量-未施氮处理的氮吸收量)×100%/氮肥用量。2结果与分析2.1不同施氮处理对土壤硝态氮含量的影响土壤中的硝态氮是一种能被作物直接吸收利用的矿物氮。试验结果分析表明,根区土壤硝态氮含量随着玉米生育期时间(取土时间)的变化基本呈递减趋势。不同湿润方式条件下玉米根区土壤硝态氮含量变化动态如表1所示。由表1a和表1b可知,在同一氮素水平条件下,交替灌溉根区两侧同一层次上的土壤硝态氮含量基本相同。这是因为灌水是土壤硝态氮迁移的最主要影响因素,而交替灌水使玉米两侧根区土壤湿润程度相当。由表1a和表1b可知,施氮后根区土壤硝态氮含量与施氮水平呈正相关。经过35d不同方式的灌水处理,上层土壤硝态氮含量降低幅度是下层降低幅度的2.0~24.5倍。不同施氮处理的上层土壤硝态氮含量降低到同一水平,高氮处理的降幅最大约为115~126mg/kg,无氮处理的降幅最小为15~46mg/kg。和上层相比,下层土壤硝态氮含量降幅不大(在6~38mg/kg变化),这主要由于上层硝态氮向下迁移增加了下层硝态氮的含量。处理结束后,和交替灌溉相比,常规灌溉(表1e)上层土壤硝态氮含量减小的幅度和交替灌溉的相当,而交替灌溉下层硝态氮残留量比常规灌溉的大。表1c和表1d表示固定部分根区湿润的玉米根区土壤硝态氮变化动态。施氮后经过水分处理和玉米的吸收,上层土壤硝态氮含量大幅度减小,湿润侧的减小幅度是干燥侧减小幅度的1.2~11.5倍。固定灌溉上层湿润侧土壤硝态氮的残留量和常规灌溉在同一层次上相当,而上层干燥侧的硝态氮的残留量约为常规灌溉同一层次上的8.7~20.7倍。湿润区下层土壤硝态氮残留量比常规灌溉同一层次的残留量略低,这可能是由于固定灌水条件下作物对氮素的吸收主要来自于湿润区,固定单侧较大的灌水量导致了土壤硝态氮的深层迁移所致。干燥侧下层土壤硝态氮的残留量是湿润侧同一层次上残留量的1.7~2.6倍,和施氮后5d的土壤硝态氮含量相当;低氮处理的高于最初质量分数约5mg/kg,高氮处理的残留量可达到188mg/kg。固定灌溉干燥侧土壤硝态氮残留量较大也说明了固定根区干燥会导致氮肥利用效率降低。总体上来说,交替灌溉的玉米根区在同一层次上土壤硝态氮含量基本相当,土壤硝态氮的残留量比常规灌溉的略大。固定灌溉湿润侧的残留量小于常规灌溉和交替灌溉的残留量,干燥侧的残留量明显大于湿润侧的残留量。这说明常规灌溉和交替灌溉对玉米根区土壤硝态氮的吸收能力相当,而固定灌溉则严重抑制了玉米根系对土壤硝态氮的吸收。2.2交替灌溉对冠层质量的影响统计分析(表2)结果表明:灌水方式和施氮水平对冠层干质量、根干质量、根冠比和干物质总量的影响都达到了显著水平,灌水方式和施氮水平的交互作用对根冠比的影响也达到了显著水平,而灌水方式和施氮水平的交互作用对冠层质量、根质量以及干物质质量的影响不显著。同一施氮水平下,常规灌溉的冠层干质量最大,交替灌溉次之,固定灌溉较小。常规灌溉各氮素处理的冠层干物质质量相差不大,其中高氮处理的冠层质量比低氮处理冠层质量大3.9%,冠层质量的最大值和最小值相差仅为1.77g。交替高氮处理的冠层质量最大为32.34g,分别比低氮和无氮处理的高5.65g和6.65g。和常规灌溉同一氮素水平的冠层质量相比,交替灌溉的冠层质量都有所减小,高氮处理的降低幅度最小为14.62g,无氮处理的降低的幅度最大为19.50g。交替灌溉的冠层质量是固定灌溉冠层质量的1.01~1.17倍,固定灌溉的冠层质量变化幅度仅为2.84g,且最大也不超过28g。根系是植物的主要器官,同时也是光合同化产物的一个巨大的库,根在土壤水转化为作物水的过程中起着关键作用。试验结果表明交替灌溉的的根系分布比较均匀,左侧根和右侧根的干质量最大相差小于0.5g,这样有利于充分利用土壤中的水分和氮素。而固定灌溉由于一侧土壤水分长期较低,土壤硝态氮含量偏高,使作物根系的正常生理活动受到阻碍,湿润侧的根干质量明显大于干燥侧的根干质量,最大相差可达到1.6g,最小相差也为0.9g。交替灌溉中氮处理的根冠比最大,比同一氮素水平的常规灌溉和固定灌溉的根冠比大约25%,交替灌溉的根冠比在0.24~0.25之间变化。常规灌溉除高氮处理外,其余处理的根冠比和固定灌溉的根冠比基本相同。和各处理的冠层干质量规律一致,单株总干物质质量也是常规灌溉最大,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质质量偏差为4g,仅为交替灌溉的干物质质量偏差的55%,说明氮素处理对交替灌溉的干物质质量的影响比对固定灌溉的大。固定灌溉的作物根区一侧土壤过度干旱,对根系造成了伤害,导致根系生长一直较弱,由此抑制了冠层生长,也限制了氮肥对作物生长的增长效应。2.2不同灌溉方式对水分利用效率的影响表2中水分利用效率的统计结果表明,灌水方式和施氮水平对水分利用效率的影响达到了显著水平,两个因素的交互作用对水分利用效率的影响也达到了显著水平。总的来说,交替灌溉的水分利用效率最大,固定灌溉次之,常规灌溉最小。交替高氮处理的水分利用效率最大是2.84kg/m3,是常规灌溉和固定灌溉高氮水平的1.16和1.11倍。在无氮条件下,常规灌溉和固定灌溉的水分利用效率都约为2.26kg/m3,说明固定灌溉虽然减少了灌水量,但是没有显著地提高水分利用效率,没有达到节水的目的。2.3不同灌溉方式对植物全氮的吸收表3的统计结果表明,灌水方式和施氮水平分别对作物(冠层和根以及整个植株)的全氮吸收和氮肥的表观利用效率影响显著。两因素的交互作用对根系的全氮吸收影响显著,而对冠层和整个植株的全氮吸收以及氮肥表观利用效率影响不显著。由表3可知,同一氮素水平下,交替灌溉的单位植株的全氮吸收量最大,固定灌溉的次之,常规灌溉的最小。高氮条件下,交替灌溉的单位植株全氮吸收量分别是常规灌溉和固定灌溉全氮吸收量的1.05和1.04倍。各处理的冠层和根系的全氮吸收量和整个植株的全氮吸收量的分布规律一致。交替灌溉的左根和右根的全氮吸收量基本相同,固定灌溉的湿润侧和干燥侧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单位干物质的吸氮量,这并不代表各处理植株总的吸氮量。由表3中统计结果可知,同一灌水方式条件下,低氮处理的氮肥表观利用效率最大,中氮处理的次之,高氮处理的最小。同一氮肥水平条件下,常规灌溉的氮肥表观利用效率最大,交替灌溉次之,固定灌溉最小。在所有处理中,常规低氮处理的氮肥表观利用效率最大,是同一氮素水平条件下交替灌溉和固定灌溉的1.18和1.23倍。3不同灌溉方式对作物水分利用效率的影响由试验结果可知,土壤硝态氮不易被土壤胶体所吸附,在水分充足的条件下,极易随水向下层迁移。施氮后土壤硝态氮增长很快,由于灌水处理和作物的吸收,土壤硝态氮含量在下层土壤出现累积。该试验中固定灌溉的干燥侧由于土壤水分持续偏低,直接影响了作物的长势和根系活力,从而影响到作物的养分吸收和利用,所以,固定灌溉的干燥侧出现了较大的土壤硝态氮累积。交替灌溉的土壤硝态氮累积量比常规灌溉的累积量稍大,说明交替灌溉能为作物生长提供较为适宜的水氮环境。研究表明,水分状况是影响作物生长和根冠比的主要因素之一,供水充足时光合产物的累积主要集中在地上部分,根冠比降低,亏缺时冠层生长受阻,根系表现出相对较强的优势,根冠比增大。从一定意义上说,根冠比增大有利于水分吸收和胁迫解除后的补偿和生长。试验结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,常规灌溉的根冠比最小。适当地让作物生长阶段部分根系承受一定的水分胁迫,能刺激根系吸收的补偿功能,提高根系的传导能力,从而可以提高水分利用效率。该试验在不同氮肥水平条件下,采用不同的灌水方式,结果表明交替高氮处理的水分利用效率最大,是高氮水平下常规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规灌溉的0.99~1.11倍,而灌水量是常规灌溉的0.75倍,节水效果明显。固定灌溉的灌水量是常规灌溉的0.76倍,但水分利用效率没有得到显著的提高。灌水方式、施氮量、灌水定额都会影响作物的全氮的吸收和在体内的分配,同一灌水方式条件下,作物植株全氮吸收和施氮量呈正相关。这和宁堂原等的试验结果一致。由试验结果可知:固定灌水条件下,湿润区根系的干物质累积量明显大于干燥区的的累积量,而交替灌溉的两侧根系的干物质累积量则基本相同。这是因为固定灌溉干燥侧水分亏缺,土壤养分向根表迁移的速率下降,土壤中的有效养分不能变成根际的实际养分,同时水分亏缺会使土壤缓效养分向速效养分的释放过程变慢,而交替灌溉避免了局部根区长期干旱对作物生长和养分吸收的不良影响。4灌溉对土壤硝态氮的吸收能力和效率