0 引言
【研究意义】干旱半干旱地区耕作面积占全世界总耕地面积的45%,该地区的粮食生产在世界粮食安全中发挥了巨大的作用[1]。中国西北塬区属典型的干旱半干旱区,玉米是该地区的主要农作物之一[2-3],然而,玉米在播种期和苗期因低温、干旱显著影响产量。实践证明,覆膜是改善土壤温度和湿度的有效措施,田间管理中常采用覆膜来提高玉米产量[4-6]。同时,氮素是土壤中比较活跃的营养元素之一,也是影响作物产量的主要因子[7],玉米对根层土壤氮素的吸收、利用和转运,将直接影响作物的产量,因而,研究作物对根层氮素吸收利用效率,对提高作物产量和氮肥利用率有重要的研究意义。【前人研究进展】国内外****开展了大量的田间试验,研究覆膜和施肥对作物产量、根层土壤水分和土壤硝态氮去向的影响[8-12],结果表明覆膜显著提高作物产量,但随着施氮量的增加产量变化不大,主要体现在提高表层土壤水分和降低土壤硝态氮向下层土壤迁移的速度。梁锦秀等[13]在宁夏南部研究了覆膜对产量和土壤水分的影响,结果表明覆膜处理显著提高了表层（0—40 cm）土壤储水量,覆膜处理比对照处理（裸地）产量提高25.2%,水分利用效率提高28.0%;MURUNGU等[14]在南非地区连续开展两年田间试验,研究覆膜对大田玉米产量和土壤氮素分布的影响,结果表明覆膜处理显著提高了0—50 cm土层深度的无机氮浓度,产量也显著提高;JORDÁN等[15]在西班牙南部开展3年田间试验,研究秸秆覆盖对土壤水分的影响,结果表明与裸地相比,覆盖处理的土壤含水量显著提高;ZAONGO等[16]在尼日尔萨赫尔草原研究覆膜和施肥量对作物产量和土壤水分的交互作用,结果表明覆膜和施肥单因素对作物产量分别增加17%和20%,覆膜处理提高灌溉水分利用效率9%—40%。国内****[17-20]也开展了有关玉米对氮素吸收利用和土壤硝态氮分布规律的研究,氮肥施用量越高,根层土壤硝态氮含量越高,硝态氮向深层淋洗也越严重,玉米对肥料氮的吸收量随施氮量的增加而增加,但对肥料的吸收率却显著下降。汪新颖等[21]研究表明,秸秆吸氮量高于玉米籽粒,且吸氮量随着施氮量的增加而增加,土壤残留量和施氮量也随着施氮量的增加而增加。王宜伦等[22]在河南省鹤壁市对夏玉米的研究表明,夏玉米产量随氮肥用量增加呈先增加后降低趋势。【本研究切入点】西北黄土塬区是典型的玉米耕作区,由于该地区干旱少雨,为了获得更高的产量,往往投入过量的氮肥,氮肥投入过量会带来一系列问题,如水肥利用率低、氮素损失量大等[23],同时影响农田的可持续利用[24]。作物在生长过程中主要吸收和利用土壤中的硝态氮[25],从覆膜和施肥对土壤水分分布的影响入手,进一步研究硝态氮在玉米根层土壤的纵向分布,以及根层硝态氮浓度随玉米生育期的变化过程和空间分布规律,可以揭示玉米产量与覆膜和施肥量之间的关系。【拟解决的关键问题】明确覆膜和施肥量对玉米产量的影响以及根层土壤硝态氮的分布规律,建立土壤氮素平衡关系,为减缓硝态氮淋洗和提高氮肥利用率等提供理论依据。1 材料与方法
试验于2012—2013年在陕西省长武县长武农业生态试验站进行。1.1 试验区概况
试验地位于东经107°40',北纬35°12',试验站海拔1 200 m,属半干旱湿润性季风气候,年平均气温9.1℃,多年平均降水量592 mm,降水主要集中在7—9月,年平均蒸发量1 450 mm。试验所在地土壤为黏壤质黑垆土,母质为中壤质马兰黄土[26],土层深厚,土质疏松,肥力中等,土壤基本理化性质如表1所示。Table 1
表1
表1供试土壤的基本理化性质
Table 1Basic physico-chemical properties of experimental soil
| 土层深度 Soil layer (cm) | 粒径 Particle size <2 mm (%) | 土壤容重 Bulk density (g·cm-3) | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | pH | 全氮 Total nitrogen (mg·kg-1) | 硝态氮 Nitrate nitrogen (mg·kg-1) | 速效磷 Available phosphorus (mg·kg-1) | 速效钾 Available potassium (mg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0—30 | 19.7 | 1.13 | 16.2 | 8.0 | 0.97 | 5.8 | 0.66 | 130.4 |
| 30—60 | 52.5 | 1.22 | 14.1 | 8.4 | 0.88 | 9.7 | 0.52 | 141.7 |
| 60—90 | 42.1 | 1.28 | 11.7 | 8.1 | 0.54 | 4.9 | 0.41 | 117.8 |
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在玉米的整个生育期,2012年降雨总量为351 mm,2013年降雨总量为369 mm,分别占全年降雨量的73.2%和67.2%。
1.2 试验设计
设置6个处理,分别为：（1）对照组（CK）：不施肥、不覆膜;（2）覆膜和不施肥处理（MN0）;（3）施基肥（氮肥80 kg·hm-2,磷肥80 kg·hm-2）和不覆膜处理（BN1）;（4）施基肥（氮肥80 kg·hm-2,磷肥80 kg·hm-2）和覆膜处理（MN1）;（5）施基肥（氮肥80 kg·hm-2,磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和不覆膜处理（BN2）;（6）施基肥（氮肥80 kg·hm-2,磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和覆膜处理（MN2）。供试玉米品种为蠡玉18号,2012年4月21日播种,9月18日收获;2013年4月29日播种,9月28日收获。试验采用完全随机试验设计,每个处理重复3次,每个小区的面积为4 m×8 m,在试验开展前,对整个试验田用犁地机进行35 cm翻耕,再用平地机平整。根据随机分组结果,BN1、MN1、BN2和MN2处理施基肥,施肥方式为开沟覆膜前基施,氮肥采用尿素（含N 46%）、磷肥采用过磷酸钙（含P2O5 16%）,追肥在6月下旬用穴施,株距为30 cm,行距为60 cm。
1.3 样品测定
1.3.1 地上部干物质积累量 在2012年播种后31、68、105和134 d;2013年播种后20、53、88和125 d,随机选取每个小区2株玉米进行破坏取样,样品于105℃下杀青1 h,75℃烘干至恒重后称重。1.3.2 全氮含量 玉米收获时,每个处理收集有代表性的3株样品,分别把玉米的叶部、茎部+叶鞘、苞叶、穗轴和籽粒单独存放,所有样品于105℃下杀青1 h,75℃烘干至恒重后称重。烘干后的样品粉碎均匀,选取各部位的样品用凯氏定氮法测定其全氮含量。
1.3.3 土壤含水量 测定深度为0—100 cm,10 cm为一层;测定日期与地上部干物质取样相同,每个处理随机选取3个测点,用土钻进行取土,105℃烘干至恒重后称重,取3组数据的均值。
1.3.4 土壤硝态氮含量 测定深度为0—100 cm,10 cm为一层;测定日期与地上部干物质取样相同;取样位置从植株下方开始（测定地上部干物质积累所破坏的植株）,沿垂直深度每10 cm间距取至100 cm,水平方向以植株为中心,向沟处30 cm、向膜处30 cm分别取10个测点。土样经室内风干磨细后,过5 mm筛,用2 mol·L-1 KCl浸提后用紫外分光光度计法测定[27-28]。
1.3.5 产量 玉米收获时,每个小区选取中间连续4行测产,称量全部果穗鲜重,选取大小穗适当比例10穗在室内考种,测籽粒含水量,以含水量15%计算各小区籽粒产量。
1.4 计算公式[29 -32 ]
（1）氮肥利用率（NUE,kg·kg-1）=（施氮区玉米产量-不施氮区玉米产量）/ 氮肥施用量;（2）氮肥回收率（NRE,%）=（（土壤残留无机氮量-土壤最初含氮量）+（施氮处理植株吸收氮总量-不施氮处理植株吸收氮总量））/ 氮肥施用量×100;
（3）肥料偏生产力（PFP,kg·kg-1）=施肥处理玉米产量/肥料施用总量;
（4）氮素表观损失量（kg·hm-2）=施氮量+土壤最初含氮量+土壤氮素净矿化量-作物吸收氮总量-土壤残留无机氮量;
（5）土壤氮素净矿化量=不施氮处理植株吸收氮总量+不施氮处理氮残留量-不施氮处理土壤最初含氮量;
（6）植株吸收氮素总量为各生育期单位面积植株的叶部、茎部、叶鞘、苞叶、穗轴和籽粒对氮素的吸收量;
（7）土壤最初含氮量、土壤残留无机氮量的计算公式如下：
A=c×h×BD×0.1
式中,A为硝态氮累积量（kg·hm-2）,c为土壤矿物氮的含量（kg·hm-2）,h为土层厚度（cm）,BD为土壤容重（g·m-3）。
1.5 数据分析
采用MS Excel 2010软件和SPSS 18.0软件进行数据处理,用Duncan进行差异显著性分析（P<0.05）。采用Sigma plot 10.0软件作图。
2 结果
2.1 覆膜和施氮肥处理对玉米地上部干物质积累的影响
随着生育期的增加玉米地上部干物质积累量呈持续增加的趋势,从播种后105 d（88 d）开始,玉米地上部干物质积累速度迅速增加,干物质积累的斜率大于播种前105 d（88 d）,干物质积累主要集中在玉米穗轴和籽粒部位。2012年播种后31 d,玉米地上部干物质积累量变化范围为443.1—506.7 kg·hm-2,覆膜和施肥对玉米干物质积累影响不显著;随着生育期的推进,播种后68 d,玉米地上部干物质迅速增加,玉米地上部干物质日均积累量为79.2—106.5 kg·hm-2,施肥处理对玉米地上部干物质积累量影响显著（P<0.05）,CK和MN0处理间的干物质积累量无显著差异;播种后105 d,不同处理间的干物质积累差异进一步增加,MN2处理的干物质积累量最大,干物质积累量为10.95×103 kg·hm-2,比CK、MN0、BN1、MN1和BN2分别大22.23%、27.55%、21.29%、17.62%和5.99%,干物质积累量主要表现为MN2>BN2>MN1>BN1>CK>MN0;播种后134 d,玉米地上部干物质日均积累量最大,日均增长范围为121.1—346.4 kg·hm-2,MN2处理显著大于BN2处理,但MN1与BN1无显著差异,施肥处理对玉米地上部干物质积累量影响极显著（P<0.01）。2013年与2012年有相似的变化规律,但在播种后125 d,MN0处理的地上部干物质积累量比CK降低338.4 kg·hm-2（图1）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同覆膜和施肥处理对玉米地上部干物质积累的影响
-->Fig. 1Effects of mulching and nitrogen fertilizer application on above-ground dry matter accumulation of maize
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2.2 覆膜和施肥处理对玉米产量的影响
覆膜和施肥对玉米产量的影响显著,在施肥条件下,覆膜显著提高玉米产量。CK处理的产量大于MN0处理,但差异不显著。施基肥和追肥可以促进玉米籽粒产量的增加,当施氮量从80 kg·hm-2增加到160 kg·hm-2时,玉米籽粒产量也随之增加。2012年BN1和MN1处理的产量比CK处理分别提高31.41%和38.33%,表明施肥可以显著提高玉米籽粒产量,MN1比BN1处理的产量提高5.01%,表明施肥量在80 kg·hm-2时,覆膜促进了玉米籽粒产量的积累;BN2和MN2处理的产量比CK处理分别提高49.89%和79.06%,MN2比BN2处理的产量提高16.29%,说明增加施肥量,覆膜对玉米籽粒产量的影响随之增加。玉米产量和地上部干物质积累对覆膜和施氮响应规律相似,但玉米地上部干物质积累的差异小于玉米产量的差异,说明玉米产量的增加与地上部干物质积累量增加并非同步。两年的试验结果表现出相似的规律（图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2覆膜和施肥对玉米产量的影响
-->Fig. 2Effects of mulching and nitrogen fertilizer on grain yield of maize
-->
2.3 覆膜和施肥处理对根层土壤水分的影响
两年的土壤水分变化规律相似,本文仅阐述2012年玉米根层土壤水分分布规律。播种后31 d,在相同施肥水平下,覆膜处理表层（0—30 cm）土壤含水量略大于不覆膜处理,差异不显著,MN0处理含水量比CK高5.41%,MN1比BN1处理高2.08%,MN2比BN2处理高0.84%,MN1比BN1处理高2.34%,MN2比BN2处理高5.84%,在30—100 cm不同处理间的土壤水分变化规律不显著。随着生育期的推进,覆膜和不覆膜处理表层土壤含水量差异逐渐增加。播种后68 d,在不施肥条件下,覆膜比不覆膜处理的含水量均值高5.31%;MN1比BN1处理高6.61%,MN2比BN2处理高6.22%。播种后105 d,覆膜处理对土壤含水量的增加更加显著,在不同施肥水平下,覆膜处理的平均土壤含水量比不覆膜处理高11.95%,根层土壤含水量均值主要表现为MN1>MN2>MN0>BN1>BN2>CK。在播种后134 d,覆膜对土壤含水量的影响效果降低,覆膜比不覆膜处理的土壤含水量均值高3.77%。在整个生育期,覆膜对根层土壤水分含量有提高效果,影响的程度先增加、后降低（图3）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同覆膜和施肥处理对玉米根层土壤水分的影响（2012年）
-->Fig. 3Effects of mulching and nitrogen fertilizer on soil water content in root layer of maize (2012)
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2.4 覆膜和施肥处理对玉米根层土壤硝态氮分布的影响
2012年不施肥处理根层土壤硝态氮含量纵向分布如图4所示,在整个生育期,玉米根层土壤硝态氮持续下降,土壤上层（0—50 cm）硝态氮含量略大于下层（50—100 cm）,随生育期推进,土壤上下层间的硝态氮含量差异逐渐减弱。播种后31 d,玉米根层土壤硝态氮含量为8.29—43.82 mg·kg-1,硝态氮含量最高值出现在根系下方30 cm处两侧,在80—100 cm硝态氮含量迅速下降。播种后68 d,覆膜处理的表层土壤（0—30 cm）硝态氮含量略高于不覆膜处理,但差异不显著,玉米根层土壤硝态氮含量显著下降,土壤硝态氮含量变化范围为10.25—32.88 mg·kg-1,CK处理整个根层土壤剖面的硝态氮含量均值比播种后31 d低33.35%,MN0处理比播种后31 d低19.20%。播种后105 d,根层土壤硝态氮含量持续下降,但整个剖面的硝态氮总量下降速度减缓,土壤上层硝态氮含量与下层硝态氮含量差异减小,逐渐趋于均匀化分布,但根系生长范围内的硝态氮低于其他部位,土壤硝态氮含量为10.79—21.92 mg·kg-1。播种后134 d,玉米根层土壤剖面的硝态氮含量持续下降,CK处理根层剖面硝态氮平均值比播种后105 d降低37.91%,MN0降低35.21%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4覆膜、不覆膜和不施肥处理对玉米根层土壤硝态氮含量分布的影响（2012年）
-->Fig. 4Effects of mulching, no mulching and no nitrogen fertilizer on soil nitrate-N content distribution in root layer of maize (2012)
-->
在施基肥条件下,覆膜和不覆膜处理玉米根层土壤剖面硝态氮分布如图5所示,在整个生育期,根层土壤剖面硝态氮含量变化趋势与不施肥处理相似,下降速度为先增加后降低,覆膜有提高土壤硝态氮含量的作用。播种后31 d,表层（0—30 cm）土壤硝态氮含量显著高于下层（30—100 cm）剖面的硝态氮含量,BN1和MN1处理的表层土硝态氮含量比下层分别高38.99%和53.52%,MN1处理的表层土硝态氮含量均值比BN1处理高25.46%。播种后68 d,表层土壤硝态氮向下层迁移,MN1和BN1处理的表层土硝态氮含量平均值比下层分别高33.04%和17.73%,不覆膜处理的硝态氮向下迁移量大于覆膜处理,土壤硝态氮含量分别为34.72—62.87和21.07—50.34 mg·kg-1。播种后105 d,整个剖面的硝态氮含量迅速下降,这与玉米地上部干物质积累量同步变化,BN1和MN1处理在不同土层深度的硝态氮含量变化范围分别为18.79—36.54和23.42—40.67 mg·kg-1;在相同生育期,BN1处理根层硝态氮平均值比CK高37.52%,MN1处理根层硝态氮平均值比BN0处理高42.66%。播种后134 d,玉米根层土壤硝态氮含量显著下降,覆膜处理根层土壤硝态氮含量略高于不覆膜处理,在整个根层土壤剖面,硝态氮含量趋于均匀,在根系正下方略低于其他位置,不同土层深度的硝态氮含量变化范围为14.92—23.37 mg·kg-1。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5覆膜、不覆膜和施基肥处理对玉米根层土壤硝态氮含量分布的影响（2012年）
-->Fig. 5Effects of mulching, no mulching and basal nitrogen fertilizer on soil nitrate-N content distribution in root layer of maize (2012)
-->
在施基肥和追肥条件下,覆膜和不覆膜处理玉米根层土壤剖面硝态氮分布如图6所示,在整个生育期,根层土壤剖面硝态氮从上层（0—50 cm）逐渐向下层（50—100 cm）迁移,硝态氮含量均值变化趋势为降低、增加、降低,覆膜处理根层土壤硝态氮向下迁移速度小于不覆膜处理。播种后31 d,BN2和MN2处理根层土壤硝态氮含量为35.96—91.38和27.52—99.97 mg·kg-1,上层（0—50 cm）硝态氮含量平均值比下层（50—100 cm）分别高28.03%和47.15%,覆膜处理的硝态氮向下层迁移的速度低于不覆膜处理。播种后68 d,上层硝态氮逐渐向下层迁移,BN2和MN2处理上层（0—50 cm）硝态氮含量均值比下层（50—100 cm）分别高17.08%和29.42%,不覆膜处理整个剖面的硝态氮分布逐渐趋于均匀化。播种后105 d,在追肥处理下,根层硝态氮含量又显著增加,表层（0—30 cm）硝态氮浓度显著增加,BN2处理表层硝态氮含量比播种后68 d高16.65%,MN2处理表层硝态氮含量比播种后68 d高24.94%,整个剖面的硝态氮含量比播种后68 d显著增加,BN2处理增加15.56%,MN2增加18.98%,MN2处理剖面硝态氮均值比BN2处理的均值高3.61%。播种后134 d,整个剖面的硝态氮含量从土壤上层逐渐向下层迁移,上层土壤硝态氮含量和下层无显著差异,土壤硝态氮含量为31.71—41.68 mg·kg-1,在相同生育期,BN2处理的硝态氮含量均值比BN1和CK分别高39.41%和59.24%,MN2处理硝态氮含量均值比MN1和MN0分别高40.46%和67.73%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6覆膜、不覆膜、施基肥和追肥处理对玉米根层土壤硝态氮含量分布的影响（2012年）
-->Fig. 6Effects of mulching, no mulching, basal and top dressing nitrogen fertilizer on soil nitrate-N content distribution in root layer of maize (2012)
-->
2.5 覆膜和施肥处理对玉米根层土壤氮素平衡的影响
玉米地上部对根层氮素的吸收率与施肥量正相关,覆膜和施肥对玉米氮素吸收量影响显著,在不施肥条件下,覆膜对氮素吸收量影响不显著。两年植株地上部氮素吸收量表现为MN2>BN2>MN1>BN1>CK>BN0,MN2处理植株地上部氮素吸收量最大,比CK处理高100.46%,当施肥量相同时,覆膜处理的氮素吸收量高于不覆膜处理。玉米根层氮素残留量与施氮量正相关,施肥量对玉米根层土壤硝态氮残留量影响显著,MN2处理根层土壤硝态氮残留量最大,覆膜对施基肥+追肥处理根层土壤硝态氮残留量影响显著（P<0.05）,对仅施基肥处理影响不显著。玉米根层土壤氮素表观损失量与施肥量呈正相关,在相同施肥条件下,覆膜处理显著降低氮素表观损失量,两年的氮素表观损失量最大值为均BN2处理,比MN2处理分别高42.55%和65.27%。覆膜处理的氮素去向表现为：植株地上部氮素吸收量>氮素残留量>氮素表观损失量,2013年BN2处理的氮素去向表现为植株地上部氮素吸收量>氮素表观损失量>氮素残留量（表2）。Table 2
表2
表2覆膜和施肥对植株地上部氮素吸收量、根层土壤氮素残留量和表观损失量的影响
Table 2Effects of mulching and nitrogen fertilizer on nitrogen uptake rate, nitrogen residual and loss rate in root layer of maize
| 处理 Treatment | 氮素吸收量 Nitrogen uptake rate (kg·hm-2) | 氮素残留量 Nitrogen residual rate (kg·hm-2) | 氮素表观损失量 Nitrogen loss rate (kg·hm-2) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2012 | 2013 | 2012 | 2013 | 2012 | 2013 | |
| CK | 56.23±2.94e | 52.95±1.35d | 30.32±2.15d | 22.74±2.78d | — | — |
| MN0 | 52.36±0.79e | 52.35±1.37d | 34.67±1.81d | 17.63±4.92d | — | — |
| BN1 | 75.65±2.2d | 69.38±3.78c | 61.25±2.02c | 46.02±3.69c | 29.67±4.21b | 40.29±3.41b |
| MN1 | 80.63±2.89c | 72.55±4.88c | 64.75±2.19c | 52.91±3.54c | 21.18±3.68c | 24.52±8.37c |
| BN2 | 105.27±4.04b | 98.20±9.76b | 85.97±3.6b | 67.37±7.67b | 55.32±7.62a | 70.11±15.84a |
| MN2 | 112.72±1.84a | 109.25±1.63a | 102.05±6.54a | 96.38±4.59a | 31.78±4.72b | 24.35±4.88c |
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2.6 覆膜和施肥处理对氮肥吸收利用效率的影响
氮肥回收率与施肥量呈正相关,两年的氮肥回收率表现为MN2>BN2>MN1>BN1,覆膜可以显著促进氮肥回收率的提高,在仅施基肥处理下,两年覆膜处理氮肥回收率分别提高了2倍以上,不覆膜处理根层硝态氮向下层迁移速度和干物质积累量小于覆膜处理。氮肥利用率与施肥量呈负相关关系,两年的氮肥利用率表现为MN1>BN1>MN2>BN2,在相同施肥条件下,覆膜能提高氮肥利用率。两年的肥料偏生产力有相似的规律,MN1肥料偏生产力最大,肥料偏生产力间差异小于氮肥利用率的差异（表3）。
Table 3
表3
表3覆膜和施肥对氮素回收率、利用效率和肥料偏生产力的影响
Table 3Effects of mulching and nitrogen fertilizer on nitrogen recovery rate, nitrogen use efficiency and partial factor productivity of fertilizer of maize
| 处理 Treatment | 氮素回收率 Nitrogen recovery rate (%) | 氮肥利用率 Nitrogen use efficiency (%) | 肥料偏生产力 Partial factor productivity of fertilizer (%) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2012 | 2013 | 2012 | 2013 | 2012 | 2013 | |
| CK | — | — | — | — | — | — |
| MN0 | — | — | — | — | — | — |
| BN1 | 17.91±5.26 | 6.97±4.26 | 28.12±1.47 | 26.48±0.67 | 30.84±2.42 | 29.77±0.44 |
| MN1 | 33.35±4.60 | 20.30±10.46 | 29.45±0.45 | 29.45±0.77 | 32.46±0.54 | 34.58±1.47 |
| BN2 | 42.92±4.67 | 34.85±9.90 | 18.91±0.55 | 17.34±0.95 | 23.45±0.60 | 23.09±1.49 |
| MN2 | 60.05±2.95 | 60.25±3.05 | 20.16±0.72 | 18.14±1.22 | 28.01±1.51 | 27.34±0.34 |
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3 讨论
本研究表明,覆膜和施肥显著影响玉米产量,施肥量越大,覆膜处理对玉米产量的提高幅度越大,但在不施肥条件下,覆膜对玉米产量的影响不显著,覆膜和施肥互作用可以提高玉米产量31.41%—83.61%,这一结果与LI等[33]研究结果相似,覆膜可以提高玉米产量8%—25%;LI等[34]研究表明覆膜和施肥可以提高玉米产量35%—60%;李雨繁等[35]研究表明施氮提高产量18.9%—24.1%。土壤氮素含量是土壤肥力的重要指标之一,土壤氮素含量与氮肥施用量正相关[36]。本研究表明,玉米地上部干物质积累量、产量随着施肥量的增加而增加,玉米地上部干物质积累量的增加速率与生育期呈正相关,MN2处理的地上部干物质积累速率最大,两年田间试验具有最高的产量,分别为6 560.67和6 723.50 kg·hm-2,这与刘新宇等[37-38]研究结果相似,在氮肥施用量为150 kg·hm-2时,产量达到最大值,且增施氮肥不再增产。氮肥施入土壤后的3个主要去向分别是作物吸收、土壤残留和各种形式损失,其中,氮素表观损失主要以氨挥发、硝化-反硝化、径流和淋洗等途径损失[39]。国内外许多****研究了土壤氮素的输入和输出,王寅等[40]研究表明施氮占土壤氮素输入的63.5%,氮素输出以植株吸收为主,平均占总输出的80.7%,一部分残留在土壤中,另一部分通过不同的途径损失;JU等[41]研究表明氮素表观损失量与残留量随施氮量的增加而增加,作物吸收量存在极限值;MICHALCZYK等[42]认为土壤中氮素损失的主要方式是氮素淋洗,主要影响因素为降雨量和灌水量。本研究中覆膜处理的表层土壤含水量比不覆膜处理的含水量高,即相同降雨量条件下,不覆膜处理的土壤水分下渗量大于覆膜处理。在相同施肥条件下,覆膜处理根层土壤硝态氮含量大于不覆膜处理,因而,随生育期的推进,玉米根系从土壤中吸收的氮素量随之增加,追肥处理的氮素回收率大于仅施基肥处理,这与根系生长范围密切相关。
氮素表观损失量与施肥量呈正相关,在相同施肥条件下,覆膜处理显著降低氮素表观损失量,BN2处理氮素表观损失量最大,2012年和2013年分别为55.32和70.11 kg·hm-2,最小值为MN1处理。LI等[43]认为夏玉米根层土壤氮素淋洗主要发生在强降雨过程中,当施肥量<110 kg·hm-2时,氮素淋洗可以忽略;WANG等[44]在考虑经济和环境方面,提出优化氮肥施用量的建议,当大田玉米施肥量为171 kg·hm-2时,获得最大的经济效益,同时,氮肥施用量降低28%,氮素表观损失降低33%（N2O排放量降低29%,氮素淋洗降低44%,NH3 挥发降低25%）;KIM等[45]研究了仅施基肥和施基、追肥处理对氮素吸收和损失的影响,结果表明施基肥和追肥处理可以显著降低氮素损失,其中,N2O排放量降低35.6%,氮素淋洗降低45%,NH3挥发降低17.8%。本研究中MN1处理两年氮素表观损失量分别为21.18和24.52 kg·hm-2,MN2处理分别为31.78和24.35 kg·hm-2。实际的氮素表观损失量应大于以上数值,本研究在计算残留量的时候,考虑0—100 cm深度范围内的硝态氮残留量,下一季作物在吸收的过程中,根系生长到测定深度时,这个过程还会发生氮素的淋洗,以及其他途径的损失。
根层土壤硝态氮分布规律是描述氮肥施入土壤后的有效方法,在施肥初期,土壤硝态氮含量较高的区域分布在表层0—20 cm,随着生育期的推进,土壤硝态氮将会向下层迁移,覆膜处理有减缓硝态氮向下层迁移速度的作用,覆膜处理对土壤硝态氮含量的影响范围为0—40 cm[46]。本试验表明,不施肥处理上层（0—50 cm）的硝态氮含量略大于下层（50—100 cm）硝态氮含量,随着生育期的推进,土壤硝态氮含量逐渐降低;施基肥处理在播种后31 d,表层土（0—30 cm）的硝态氮含量显著高于下层（30—100 cm）剖面的硝态氮含量;施基肥和追肥处理在整个生育期,根层土壤剖面硝态氮从上层（0—50 cm）逐渐向下层（50—100 cm）迁移,硝态氮含量均值变化趋势为：降低→增加→降低。THORUP-KRISTENSEN[47]认为硝态氮在根层上层（0—50 cm）的含量与根系分布的相关性较弱,但下层（0—50 cm）的含量与根系参数有强相关关系;YUAN等[48]采用大水漫灌的方式研究硝态氮在土壤中的淋洗,结果表明土壤中硝态氮浓度在灌水后1周显著高于灌水后2周;DAI等[49]认为氮素残留主要与施氮量、施肥时间、降雨和根层硝态氮分布情况有关,在减少氮素残留的最佳施肥量为66—92 kg·hm-2,原因在于作物生长过程中,主要靠根系吸收土壤中的水分和养分,根系吸收土壤中的水分和养分后,根系附近的土壤养分和水分将迁移至根系表面,因此,根系周围的硝态氮含量低于其他部位。本研究在玉米生育后期,根系生长范围内的硝态氮含量低于周围区域,表明氮肥施入土壤后,作物吸收是氮肥的重要去向,作物吸收多少,通常用氮肥利用率来衡量。
本研究中氮肥利用率随着施肥量的增加而下降,覆膜可以提高氮肥的利用效率,这与YAGIOKA等[50]的研究结果相似,随着施氮量的增加,作物产量和作物对氮素的吸收量也随之增加,氮肥利用率将下降。MN2处理连续两年的氮肥利用率仅20.16%和18.14%,但产量显著高于其他处理,同时,氮素表观损失量为31.78和24.35 kg·hm-2。巨晓棠[51]为明确氮肥施用效果和环境的影响,提出了氮肥有效率的概念,同时提出氮肥残留对土壤消耗补偿效应的相关建议,在合理施氮量和施氮方法的基础上,达到目标产量,维持土壤氮素平衡,才是氮肥施用的最佳状态。因此,从目标产量和环境角度考虑,推荐MN2为最佳处理。
4 结论
在干旱半干旱地区,覆膜和施肥处理对玉米产量的提高有显著影响,覆膜可以提高表层土壤含水量,减缓硝态氮向土壤下层迁移的速度,从而提高氮肥利用率和作物对土壤氮素的吸收量。追肥可以显著提高玉米产量,覆膜、施基肥和追肥处理可提高玉米产量31.41%—83.61%。就氮肥利用率而言,虽然追肥降低了氮肥利用率并增加了土壤中氮素的残留量,但可以获得较高的肥料偏生产力和产量,以及较低的氮素表观损失量。综上所述,推荐施基肥（氮肥80 kg·hm-2,磷肥80 kg·hm-2）、追施氮肥（氮肥80 kg·hm-2）和覆膜处理（MN2）为最佳处理。（责任编辑 岳梅）
The authors have declared that no competing interests exist.
