灌水量和氮肥类型及用量对夏玉米/冬小麦产量及水氮利用的影响研究

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目前农田过量灌水施氮现象普遍,导致资源利用效率不高、环境污染风险加大,已成为制约我国农业可持续发展的关键问题之一。缓/控释氮肥可控制养分释放速率或延长氮素转化过程,一次性基施即可持续供应作物需求能在减少劳动力投入的同时实现增产节肥。然而,缓/控释氮肥的效果与肥料类型、水分养分供应量等因素有密切关系,亟需进一步研究解决。本研究以夏玉米郑单958,冬小麦西农979为研究对象,开展以灌水量为主处理,氮肥用量为副处理,氮肥类型为次副处理的裂-裂区试验。其中,灌水量设低水W1(30 mm)、中水W2(60 mm)和高水W3(90 mm)三个水平,夏玉米、冬小麦各灌水一次;氮肥用量设低氮N1、中氮N2和高氮N3三个水平(玉米季施氮量依次为90 kg·hm-2、180 kg·hm-2和270 kg·hm-2,小麦季为75kg·hm-2、150 kg·hm-2和225 kg·hm-2);氮肥类型设4种:(1)普通尿素(CO)做对照;(2)树脂包膜尿素(PCU);(3)硫加树脂包膜尿素(SPCU);(4)尿素+硝化抑制剂(DMPP)。另在三个水分水平下各设一个不施氮处理,共39个处理。研究氮肥类型、施氮量和灌水量单一因素及其交互作用对夏玉米和冬小麦产量及水氮利用的影响规律,并以产量、水分利用效率、氮素利用率和硝态氮残留量为评价指标,采用灰色关联度法、隶属函数分析法、TOPSIS法和主成分分析法建立单一评价模型,在此基础上,以模糊Borad组合评价方法建立组合评价模型,提出关中平原夏玉米/冬小麦产量及水氮利用综合最优的氮肥类型及其水肥用量,为高产高效的农业生产提供指导。主要研究结果如下:(1)方差分析表明,灌水量、施氮量、氮肥类型均对夏玉米和冬小麦产量影响显著;灌水量和氮肥类型的交互作用对作物产量影响显著,三因素交互作用对作物产量无显著性影响。灌水量和施氮量为中水平时作物产量最大。施用缓释氮肥处理作物产量均高于CO处理,DMPP处理产量最高,较CO处理玉米小麦分别增产5.3%和8.2%。根据产量与灌水量和施氮量的二元二次回归模型,推荐夏玉米季施用尿素+DMPP处理,水、氮用量分别为61 mm和223 kg·hm-2,玉米产量可达8945 kg·hm-2。冬小麦季施用尿素+DMPP处理,水、氮用量分别为71 mm和170 kg·hm-2,小麦产量可达7584 kg·hm-2。(2)灌水量、施氮量、氮肥类型均对夏玉米和冬小麦水分利用效率(WUE)有极显著影响,灌水量和氮肥类型的交互作用对冬小麦WUE影响显著,二因素及三因素交互作用对夏玉米WUE无显著性影响,三因素交互作用对冬小麦WUE影响不显著。随着灌水量的增加,夏玉米WUE呈现出先增大后减小的趋势;而冬小麦WUE逐渐下降。施氮量为N2时,玉米和小麦WUE均达到最大值。三种缓释氮肥处理作物WUE均高于CO处理,其中DMPP处理最高,较CO处理玉米小麦分别增加11.3%和13.3%。根据WUE与灌水量和施氮量的二元二次回归模型,推荐夏玉米季施用尿素+DMPP处理,水、氮用量分别为51 mm和173 kg·hm-2,WUE可达2.46 kg·m-3。冬小麦季推荐施用尿素+DMPP处理,水、氮用量分别为31 mm和151 kg·hm-2,WUE为2.04 kg·m-3。(3)灌水量对夏玉米氮素利用率(NUE)影响不显著,对冬小麦NUE影响显著;施氮量和氮肥类型对夏玉米和冬小麦NUE均具有极显著性影响;二因素及三因素交互作用对作物NUE无显著性影响。在一定范围内,作物NUE随着灌水量的增加先增加后减小;随着施氮量的增加而减小。施用缓释氮肥处理作物NUE均高于普通尿素,其中DMPP处理NUE最大,较CO处理夏玉米和冬小麦分别增加9.9%和14.2%。综合考虑灌水量和施氮量对NUE的影响,推荐夏玉米季施用PCU处理,水、氮用量分别为55 mm和90 kg·hm-2可取得NUE为38.50 kg·kg-1。冬小麦季施用尿素+DMPP处理,水氮用量为63 mm和92 kg.hm-2,NUE可达46.19 kg·kg-1。(4)灌水量、施氮量、氮肥类型均对夏玉米和冬小麦收获期0-160 cm土层土壤硝态氮残留量有极显著影响。灌水量与施氮量、施氮量与氮肥类型二者交互作用对玉米小麦硝态氮残留量影响极显著,灌水量与氮肥类型交互作用对夏玉米硝态氮残留量无显著性影响,对冬小麦影响显著;三因素交互作用对硝态氮残留量影响不显著。土壤硝态氮残留量与灌水、施氮量呈正相关关系;缓释氮肥处理土壤硝态氮残留量均低于CO处理,其中DMPP处理硝态氮残留量最小,较CO处理夏玉米和冬小麦分别减少40.5%和62.2%。推荐施用尿素+DMPP处理,且灌水30 mm,夏玉米施氮量90 kg·hm-2,冬小麦施氮75 kg·hm-2,硝态氮残留量低于80 kg·hm-2。(5)单一评价方法结果表明,综合考虑作物产量、水氮利用及土壤硝态氮残留时,灌水和施氮在中水平时排名最靠前,缓释氮肥处理排名较尿素处理靠前,其中DMPP处理最靠前。模糊Borda组合评价得出,夏玉米和冬小麦的最优水肥方案均是水氮用量为中水平的DMPP处理,夏玉米最劣方案是水氮用量为高水平的普通尿素处理,冬小麦最劣水肥方案为灌水W1、施氮N3的CO处理。基于模糊Borda组合评价模型得出夏玉米季最佳氮肥类型为尿素+DMPP,推荐其水氮用量分别为52-62 mm,146-203 kg·hm-2,可获得夏玉米产量为8751-8922 kg·hm-2,WUE为2.43-2.45 kg·m-3,NUE为37.65-38.16 kg.kg-1,硝态氮残留量为90-114 kg·hm-2。冬小麦季推荐施用尿素+DMPP,推荐其水氮用量分别为55-68 mm,136-168 kg·hm-2,可获得冬小麦产量为7362-7579 kg·hm-2,WUE为2.07-2.08 kg·m-3,NUE为44.34-44.94 kg·kg-1,硝态氮残留量为66-80 kg·hm-2
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