大棚黄瓜滴灌水肥一体化土壤硝态氮分布特征

来源:用户上传      作者:窦超银 郭海瑞 孟维忠

　　摘要：为探究滴灌水肥一体化条件下土壤硝态氮的空间分布特征，以大棚黄瓜为对象，采用正交试验设计方法，研究不同灌溉下限（田间持水率的65%、75%、85%，分别记为W1、W2、W3）、施氮量（产量理论需氮量的70%、100%、130%，分别记为N1、N2、N3）和施钾量（产量理论需钾量的70%、100%、130%，分别记为K1、K2、K3）对硝态氮分布和含量的影响。结果表明，滴灌水肥一体化灌溉滴头正下方存在低土壤NO-3-N含量区域，NO-3-N在垄坡和垄沟区域累积，并有明显的表聚特征。随着灌溉下限的增大，土壤剖面NO-3-N含量有先增大后减小的趋势;灌溉下限越低，滴头附近NO-3-N含量越小，灌溉下限越高，NO-3-N越集中于中下层土壤。土壤剖面NO-3-N含量隨施氮量增加而增大，水平和垂直方向各点NO-3-N含量均会增加，高施氮量提高硝态氮含量更为明显。土壤剖面NO-3-N含量随着施钾量的增加而增大，在水平方向上，NO-3-N含量的增加主要在15 cm以外，而垂直方向主要在0～20 cm土层。试验3因素对土壤剖面NO-3-N含量的影响表现为施氮量>施钾量>灌溉下限，N3K3W2组合条件下土壤剖面NO-3-N含量最高。
　　 关键词：灌溉下限;施氮量;施钾量;随水施肥;硝态氮分布
　　 中图分类号： S275.6;S642.206;S642.207  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）06-0110-07
　　我国设施农业普遍存在施肥过量的问题，由于肥料过量投入导致的环境污染，土壤质量退化等一系列后果日益严重，其中氮肥的不合理应用尤为突出。研究表明，设施农业生产实践中平均每季氮肥投入量为1 000 kg/hm2，是作物吸收量的5倍左右，当季利用率低于10%[1]。大量的氮素被残留在土壤中，0～90 cm土层氮含量可达到500～1 230 kg/hm2[2]，当季氮素化肥的20%～25%随降雨径流和渗漏排出农田[3]，构成地下水和地表水污染的主要污染源，每年流入河流中的氮有29.1%～67.5%来自农田径流[4]。随着设施农业的快速发展和农户持续盲目地增加肥料投入，若不改变传统粗放的水肥管理技术，对生态环境造成的负面影响势必会更加严重。
　　 滴灌水肥一体化技术是根据作物需水需肥规律将水肥以溶液形式通过滴灌系统适时适量供给作物的灌溉施肥技术，具有精确控制、降低盐渍化和地下水污染风险、减小土壤养分浓度剧变和有利于根系吸收养分等优点，近几年在设施农业中得到较快发展并取得明显的生态效果。滴灌水肥一体化对硝态氮（NO-3-N）的调控，一方面是利用 NO-3-N 具有易迁移性和易被淋洗的特点;另一方面是利用滴灌局部灌溉，结合少量多次的灌溉制度将灌溉水控制在较小的湿润区域内，保持含水量在较高水平的特性[5]。Singandhupe等研究表明，滴灌明显减少了深层渗漏和土壤蒸发，并能精确控制根层水分状况，随水所施肥料主要分布在根系层，提高肥料利用效率;与沟灌相比，水肥一体化增产37%～12.5%，节水31%～37%，NO-3-N吸收量增加8%～11%[6]。Sharmasarkar等研究表明，滴灌水肥一体化能够有效调控土壤氮素的分布，通过减少深层渗漏减少氮素淋失[7]。Li等研究表明，无论水肥如何组合，NO-3-N总是在湿润体边界累积，但如果随水施肥管理不当，容易造成养分分布在根区外[8]。Ajdary等研究认为，土壤质地是影响滴灌水肥一体化 NO-3-N分布的主要因素，尽管NO-3-N向湿润体外部迁移，在根系分布层仍保持着足够的NO-3-N[4]。由此可见，滴灌水肥一体化条件下，NO-3-N和土壤水分在土空间分布形状上具有一致性，含量大小分布趋势则相反，这一分布特征也是滴灌水肥一体化技术应用的理论基础。而随着滴灌水肥一体化应用研究的进一步深入，滴灌水肥一体化已不再是单一的施肥技术，而逐渐成为高效的水肥综合管理技术，研究者们开始关注水肥一体化下灌溉和施肥制度的合理制定，井涛等研究认为滴灌水肥一体化施氮量为90 kg/hm2时氮肥利用效率最高[9]，栗岩峰等的研究表明高施氮量会增加氮素淋失风险[10]。灌溉施肥制度的调整必然引起土壤中NO-3-N分布的变化，反之，通过研究不同灌溉施肥条件下NO-3-N分布的变化规律可为调整灌溉施肥制度提供依据，但目前相关研究报道还较少。本研究以水肥一体化应用的关键参数即灌溉下限、施氮量和施钾量为试验因素，拟通过田间试验得出不同水肥条件下硝态氮的空间分布特征及各因素对硝态氮分布的影响规律，以期为地区滴灌水肥一体化技术的合理应用提供参考。
　　1 试验材料与方法
　　1.1 试验区概况
　　 试验在辽宁省灌溉试验中心站（120°30′44″E，42°08′59″N）的高标准日光温室中进行，试验站位于辽宁省沈阳市黄家乡，为平原地带，属温带大陆性季风气候。供试土壤为黏壤土，容重为1.33 g/cm3，土壤饱和体积含水率为42.2%，田间持水率为24%，土壤中等肥力偏下，速效钾含量为81.3 mg/kg，速效磷含量为18.4 mg/kg，碱解氮含量为 75.4 mg/kg，全氮含量为1.1 g/kg，有机质含量为 1.2%，土壤pH值为7.1。
　　1.2 试验设计
　　 试验种植作物为黄瓜，供试品种为玛丽亚。黄瓜采用大垄双行种植，垄宽1.5 m，垄长7 m，垄台高0.15 m，行距为0.5 m，株距为0.45 m。每垄种植黄瓜16株，两垄之间的距离为1.5 m。采用膜下滴灌灌溉，黄瓜定植前在垄中心铺设滴灌带，滴头间距为0.3 m，滴头流量为1.38 L/h，覆膜完成后，在滴灌带两侧水平距离0.25 m处种植作物。黄瓜定植时，为保证黄瓜缓苗率，各处理统一灌水25 mm。此后，根据试验方案进行灌溉。滴灌布置示意图及取样点分布见图1。 　　 黄瓜各处理施肥时间统一，分别为种植前施底肥，撒施腐熟的有机肥225 m3/hm2，施复合肥 750 kg/hm2。生长期内追肥，每次肥料用量根据处理设置而异。追肥均采用随水施肥的方式，灌水 15 mm，肥料在灌水3/4～4/5时施完，剩余水量用于冲洗管道内残留肥料。
　　 试验设置不同处理灌溉下限（W）、氮素施用量（N）和钾施用量（K）。灌溉下限分别为20 cm处田间持水量的65%（W1）、75%（W2）、85%（W3）;氮素施用量设低氮（N1）、中氮（N2）、高氮（N3）等3个水平;钾施用量设低钾（K1）、中钾（K2）、高钾（K3）等3个水平。其中N2处理和K3处理根据目标产量和产量理论需肥量计算，N素施用量为252 kg/hm2，K2O施用量为351 kg/hm2。高氮和高钾施用量增加30%，低氮和低钾施用量减小30%。施肥量60%用量作为底肥施入，剩余用量分别在坐果期、始收期、盛果期和盛采期追施，每次追施肥量为总量的10%。所施用的肥料为尿素（含N 46%）和硫酸钾（含K2O 50%），各处理设计如表1所示。试验在3个大棚中进行，每个大棚内55条垄，两侧选出5条垄不作处理，即中间50条垄开展试验，每5条垄为1个小区（7.5 m×7.0 m），单个大棚划分为10个小区，随机布置9个处理（空余1个小区无处理），每个大棚作为1个重复，每个处理设3次重复。田间管理工作聘请当地农业生产技术人员负责，参考当地经验做法。
　　1.3 测定指标与方法
　　 土壤含水量通过TRIME测定，每日08：00读数指导灌溉。在黄瓜盛采期追肥后1周，用土钻取土样，取样点位置为距离滴头水平距离0、15、30、45、75 cm处，取样深度为0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm，土样NO-3-N含量由辽宁省农业科学院测试分析中心测定。常规数据整理由Excel 2010完成，分析单因素对NO-3-N含量影响时取单因素平均值，NO-3-N剖面分布采用Surfer 8.0绘制，正交极差和方差分析由SPSS 20.0完成。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同灌溉下限土壤剖面NO-3-N分布特征
　　 不同灌溉下限NO-3-N含量与分布如图2所示，各处理NO-3-N空间分布形状相近，在滴头正下方20 cm以下，水平距离20 cm以内，均出现 NO-3-N低含量区域，含量低于30 mg/kg;在垄坡和垄沟交汇处是剖面NO-3-N含量最高区域，在W1和W2处理中，含量高于120 mg/kg，在W3处理中含量达到90 mg/kg;在垄台、垄坡和垄沟NO-3-N表聚明显，表层0～10 cm含量多高于60 mg/kg;此外，NO-3-N空间分布具有显著的梯度分布特点，越接近表层，含量梯度越大。W1、W2和W3处理剖面NO-3-N平均含量分别为54.4、57.3、 53.0 mg/kg，即随着灌溉下限的增大，剖面NO-3-N含量有先增大后减小的趋势。
　　 不同水平距离NO-3-N含量变化如图3-A所示，在水平方向上，NO-3-N含量总体变化趋势为随滴头距离的增大，NO-3-N含量先增大后减小。距滴头0、15 cm处W1处理NO-3-N含量均值最小，约为32 mg/kg，W2处理和W3处理含量均约为 40 mg/kg，高出W1处理25.0%;30 cm处W2处理和W1处理的NO-3-N含量分别增至59.6、63.6 mg/kg，W3处理增量较小，NO-3-N含量为51.0 mg/kg;45 cm处各处理NO-3-N含量均进一步增大，NO-3-N含量在75.7～77.2 mg/kg 之间，
　　变幅仅为2.0%，处理之间差异较小;垄中（75 cm处）NO-3-N含量下降，其中W1处理减幅最大，降低20.9%，W2处理减幅最小，减少13.2%;表明灌溉下限对NO-3-N水平分布的影响主要在滴头附近区域，且在低灌溉下限控制下NO-3-N含量较小。
　　 在垂直方向上，NO-3-N含量总体变化趋势为随土层深度增大而减小（图3-B）。在0～10 cm处W2处理NO-3-N含量最高，约为104.4 mg/kg，分别高出W3处理和W1处理43.5%、15.4%;10～20、20～30 cm处NO-3-N含量较表层急剧下降，W3处理在20～30 cm深度含量高于其他处理，而W1处理含量最低;30 cm以下土层，NO-3-N含量相对稳定，减幅小，W2处理NO-3-N含量最低;这表明灌溉下限控制越高，NO-3-N越集中于中下层土壤。
　　2.2 不同施氮量土壤剖面NO-3-N分布特征
　　 不同施氮量土壤剖面NO-3-N含量与分布如图4所示，不同施氮处理滴头正下方均有“Λ”字形低NO-3-N含量区域，NO-3-N主要在“Λ”字外累积，其分布特征与不同灌溉下限条件下NO-3-N分布特征相同;N1处理和N3处理NO-3-N在垄坡的富集较N2处理明显，NO-3-N含量高于110 mg/kg;在近地表含量梯度变化也高于N2处理。N1、N2和N3剖面NO-3-N平均含量分别为52.0、50.4、62.3 mg/kg，即低氮和中氮处理用量引起剖面中NO-3-N含量差异较小;随着施氮的增加，土壤剖面中NO-3-N含量有增大的趋势。
　　 由图5可知，在水平方向上，NO-3-N含量总体变化趋势为0～15 cm时NO-3-N含量变化小，15～45 cm时NO-3-N含量迅速增大并在 45 cm 处达到峰值（70.4～87.2 mg/kg），45～75 cm时NO-3-N含量急剧减小;在近滴頭45 cm范围内NO-3-N含量平均增加105.5%，从垄坡到垄沟含量平均下降 17.0%。N3处理不同水平距离NO-3-N含量均高于其他处理，其中0～15 cm时差距较小，仅高出 1.5～10.3 mg/kg，随着距离的增加差异增大，45 cm处较N2处理和N1处理均高出23.8%;N1处理在0～45 cm 内NO-3-N含量高于N2处理，但垄沟中含量低于N2处理，差值因距离变化而异，没有明显的规律;表明当施氮量高于中氮处理施氮量时，距离滴头不同水平位置NO-3-N含量均会因施氮量的增加而增加，反之施用量引起的水平方向含量差异不明显。在垂直方向上，NO-3-N含量总体变化趋势为随土层深度增大而减小，且NO-3-N含量的减小幅度也随着土层深度的增加而减小，表层 NO-3-N 含量从75.5～103.7 mg/kg（0～10 cm时）减少到44.6～50.3 mg/kg（10～20 cm时），下降48.5%～62.4%;而30～60 cm土层NO-3-N含量差异范围为1.4～2.3 mg/kg，降幅低于5.3%。各处理之间，N3处理不同深度土层 NO-3-N 含量均高于N2处理和N1处理，但随着深度增加，差异逐渐减小，如N3处理与N2处理差异由0～10 cm 土层的28.3 mg/kg减少到40～60 cm土层的 2.3 mg/kg;N1处理和N2处理除表层NO-3-N含量存在差异外，10 cm以下土层含量均接近（图5）;表明高施氮量对不同深度土层NO-3-N含量有明显提升作用，当施氮量低于中氮处理施氮量时，施氮量对NO-3-N含量垂直方向上的分布影响不明显。 　　2.3 不同施钾量土壤剖面NO-3-N分布特征
　　 不同施钾量NO-3-N含量与分布如图6所示，NO-3-N分布形式与不同灌溉下限及施氮量条件下分布一致，剖面中心存在NO-3-N低含量区，垄坡和垄沟具有明显的表聚性;垄坡和垄沟NO-3-N含量和变化梯度随着施钾量的增加而增大。K1、K2和K3剖面NO-3-N平均含量分别为59.0、54.6、51.1 mg/kg，即随着施钾量的增加，土壤剖面 NO-3-N含量有减小的趋势。
　　 由图7可知，在水平方向上，NO-3-N含量随着到滴头距离的增大先增大后减小，各处理NO-3-N含量峰值均出现在水平距离45 cm处。距滴头0～15 cm内NO-3-N含量相对稳定，不同处理NO-3-N含量在33.4～43.5 mg/kg范围内，差异较小;在水平距离为30～75 cm时，NO-3-N含量随着施钾量的增加而增大，K3处理高出K1处理13.3～17.3 mg/kg，增幅达 19.5%～35.0%，但在45～75 cm 时，K2处理和K1处理NO-3-N含量接近（图7）;这表明施钾量对 NO-3-N水平分布的影响主要在15 cm以外，在施钾量高于中钾处理施用量时，NO-3-N有明显的提高。在垂直方向上，NO-3-N含量总体变化趋势为随土层深度增大而减小。在 0～20 cm 内，各处理 NO-3-N含量迅速减小，减幅为24.7%～28.3%，处理之间NO-3-N含量表现为K3>K2>K1，表层差异最大，K3高出K1处理261%，随着土层深度增加，处理之间差异减小;20 cm 土层以下NO-3-N含量变化趋缓，含量变化在9.2～14.7 mg/kg范围内，处理之间NO-3-N含量相近（图7）;这表明在垂直方向上施钾量对
　　NO-3-N 含量的影响主要在0～20 cm土层，钾素施用量的增加可以促进NO-3-N含量增加。
　　2.4 土壤NO-3-N含量影响因素分析
　　 滴灌水肥一体化NO-3-N含量极差分析如表2所示，不同灌溉下限NO-3-N含量表现为W2>W3>W1，不同氮量施用条件下NO-3-N含量表现为N3>N1>N2，施钾量对NO-3-N含量的影响为K3>K2>K1，即75%田间持水量、高施氮量和高施钾量条件下土壤NO-3-N含量较高，但方差分析结果表明，灌溉下限、施氮量和施钾量对土壤剖面NO-3-N含量影响均未达到显著水平（表3）。试验因素对NO-3-N含量的影响表现为施氮量>施钾量>灌溉下限（表2），說明滴灌水肥一体化对 NO-3-N 含量具有一定的调控能力，施氮量从根本上改变了输入土壤中的氮量，是剖面NO-3-N含量的主要影响因素，而灌溉对剖面NO-3-N含量影响较小。根据极差分析结果可知，N3K3W2组合是提高剖面NO-3-N含量的最优组合。
　　3 讨论与结论
　　 水分是NO-3-N运移的载体，NO-3-N在土壤中的分布取决于土壤水分的运动。滴灌条件下，土壤水分从点源径向扩散，尽管滴头水力性能、土壤质地和作物吸水等会影响土壤水分运动，总体上水分分布呈半球或椭球状;球体半径在灌溉作用下持续增大，但湿润峰的推进逐渐趋缓;湿润体内，点源处土壤水分饱和，向外径向递减[11]。由于NO-3-N不存在专性吸附，易在土壤水分中扩散和迁移，水肥一体化随水进入土体的NO-3-N在水势梯度作用下径向运动，因此，在本试验中，滴灌的水分运动特征是NO-3-N分布的主要影响因素， 滴头正下方土壤在长期淋洗作用下，NO-3-N淋失，成为土壤剖面NO-3-N含量最低区域;NO-3-N随水运动到垄坡和垄沟后，随着土壤水分的消耗而累积，尤其是表土在蒸发作用下，有明显的表聚特征。
　　 灌溉下限土壤水分含量设置越高，湿润体含水量长期保持在较高水平，灌溉频繁，且每次灌溉初始含水量高，水分运移速度较大，土壤中NO-3-N容易淋洗[12];灌溉下限越低，单次灌溉水量越多，土壤中充水孔隙较多，水分连续性较好，水流在土壤中流动所受的阻力减小[13]，也会导致NO-3-N淋洗到深层土壤中，因此，本试验中，高水分下限控制为少量多次灌溉，低水分下限控制为大水量小频率灌溉，部分NO-3-N淋出剖面或分布在距离滴头较远位置，剖面NO-3-N含量均低于75%田间持水量作为土壤水分控制下限处理。施氮是土壤NO-3-N含量增加的主要途径之一，Kiggundu等研究表明，NO-3-N随着养分使用量增加而增加，同时增大淋失风险[14]，本试验结果也表明随着施氮量增加，剖面NO-3-N含量提高，这与前人的研究结果[14]一致。尽管钾素用量对土壤氮素影响研究报道较少，但研究表明，施钾可提高追施氮肥在土壤中的残留量[15];可降低氮肥的挥发损失，如当尿素和氯化钾以1 ∶ 1同步追施可使尿素中的氨挥发损失量从42%降低到4.6%[16]，氮素损失量减少50%[17]。本试验结果表明增加施钾量可提高土壤剖面 NO-3-N 含量。此外，在滴灌灌溉条件下，因施氮量和施钾量增加的NO-3-N含量主要在距离滴头水平距离15 cm以外区域，这一区域与作物根系分布相一致，为作物氮素吸收提供了有利条件。
　　 由此可见，滴灌的水分运动和分布特性决定了滴灌水肥一体化氮素的分布;灌溉下限，施氮量和施钾量通过改变NO-3-N的运移速度、浓度和阻力等动力学参数，改变剖面NO-3-N含量，但未从根本上改变NO-3-N的分布形式;施氮量对 NO-3-N含量影响最大，其次为施钾量，灌溉下限对NO-3-N含量影响最小。
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