竇超銀 郭海瑞 孟維忠
摘要:為探究滴灌水肥一體化條件下土壤硝態(tài)氮的空間分布特征,以大棚黃瓜為對(duì)象,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,研究不同灌溉下限(田間持水率的65%、75%、85%,分別記為W1、W2、W3)、施氮量(產(chǎn)量理論需氮量的70%、100%、130%,分別記為N1、N2、N3)和施鉀量(產(chǎn)量理論需鉀量的70%、100%、130%,分別記為K1、K2、K3)對(duì)硝態(tài)氮分布和含量的影響。結(jié)果表明,滴灌水肥一體化灌溉滴頭正下方存在低土壤NO-3-N含量區(qū)域,NO-3-N在壟坡和壟溝區(qū)域累積,并有明顯的表聚特征。隨著灌溉下限的增大,土壤剖面NO-3-N含量有先增大后減小的趨勢(shì);灌溉下限越低,滴頭附近NO-3-N含量越小,灌溉下限越高,NO-3-N越集中于中下層土壤。土壤剖面NO-3-N含量隨施氮量增加而增大,水平和垂直方向各點(diǎn)NO-3-N含量均會(huì)增加,高施氮量提高硝態(tài)氮含量更為明顯。土壤剖面NO-3-N含量隨著施鉀量的增加而增大,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土層。試驗(yàn)3因素對(duì)土壤剖面NO-3-N含量的影響表現(xiàn)為施氮量>施鉀量>灌溉下限,N3K3W2組合條件下土壤剖面NO-3-N含量最高。
關(guān)鍵詞:灌溉下限;施氮量;施鉀量;隨水施肥;硝態(tài)氮分布
中圖分類號(hào): S275.6;S642.206;S642.207? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A? 文章編號(hào):1002-1302(2020)06-0110-07
我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)普遍存在施肥過(guò)量的問(wèn)題,由于肥料過(guò)量投入導(dǎo)致的環(huán)境污染,土壤質(zhì)量退化等一系列后果日益嚴(yán)重,其中氮肥的不合理應(yīng)用尤為突出。研究表明,設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中平均每季氮肥投入量為1 000 kg/hm2,是作物吸收量的5倍左右,當(dāng)季利用率低于10%[1]。大量的氮素被殘留在土壤中,0~90 cm土層氮含量可達(dá)到500~1 230 kg/hm2[2],當(dāng)季氮素化肥的20%~25%隨降雨徑流和滲漏排出農(nóng)田[3],構(gòu)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%來(lái)自農(nóng)田徑流[4]。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)戶持續(xù)盲目地增加肥料投入,若不改變傳統(tǒng)粗放的水肥管理技術(shù),對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面影響勢(shì)必會(huì)更加嚴(yán)重。
滴灌水肥一體化技術(shù)是根據(jù)作物需水需肥規(guī)律將水肥以溶液形式通過(guò)滴灌系統(tǒng)適時(shí)適量供給作物的灌溉施肥技術(shù),具有精確控制、降低鹽漬化和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)、減小土壤養(yǎng)分濃度劇變和有利于根系吸收養(yǎng)分等優(yōu)點(diǎn),近幾年在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到較快發(fā)展并取得明顯的生態(tài)效果。滴灌水肥一體化對(duì)硝態(tài)氮(NO-3-N)的調(diào)控,一方面是利用 NO-3-N 具有易遷移性和易被淋洗的特點(diǎn);另一方面是利用滴灌局部灌溉,結(jié)合少量多次的灌溉制度將灌溉水控制在較小的濕潤(rùn)區(qū)域內(nèi),保持含水量在較高水平的特性[5]。Singandhupe等研究表明,滴灌明顯減少了深層滲漏和土壤蒸發(fā),并能精確控制根層水分狀況,隨水所施肥料主要分布在根系層,提高肥料利用效率;與溝灌相比,水肥一體化增產(chǎn)37%~12.5%,節(jié)水31%~37%,NO-3-N吸收量增加8%~11%[6]。Sharmasarkar等研究表明,滴灌水肥一體化能夠有效調(diào)控土壤氮素的分布,通過(guò)減少深層滲漏減少氮素淋失[7]。Li等研究表明,無(wú)論水肥如何組合,NO-3-N總是在濕潤(rùn)體邊界累積,但如果隨水施肥管理不當(dāng),容易造成養(yǎng)分分布在根區(qū)外[8]。Ajdary等研究認(rèn)為,土壤質(zhì)地是影響滴灌水肥一體化 NO-3-N分布的主要因素,盡管NO-3-N向濕潤(rùn)體外部遷移,在根系分布層仍保持著足夠的NO-3-N[4]。由此可見(jiàn),滴灌水肥一體化條件下,NO-3-N和土壤水分在土空間分布形狀上具有一致性,含量大小分布趨勢(shì)則相反,這一分布特征也是滴灌水肥一體化技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。而隨著滴灌水肥一體化應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入,滴灌水肥一體化已不再是單一的施肥技術(shù),而逐漸成為高效的水肥綜合管理技術(shù),研究者們開(kāi)始關(guān)注水肥一體化下灌溉和施肥制度的合理制定,井濤等研究認(rèn)為滴灌水肥一體化施氮量為90 kg/hm2時(shí)氮肥利用效率最高[9],栗巖峰等的研究表明高施氮量會(huì)增加氮素淋失風(fēng)險(xiǎn)[10]。灌溉施肥制度的調(diào)整必然引起土壤中NO-3-N分布的變化,反之,通過(guò)研究不同灌溉施肥條件下NO-3-N分布的變化規(guī)律可為調(diào)整灌溉施肥制度提供依據(jù),但目前相關(guān)研究報(bào)道還較少。本研究以水肥一體化應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)即灌溉下限、施氮量和施鉀量為試驗(yàn)因素,擬通過(guò)田間試驗(yàn)得出不同水肥條件下硝態(tài)氮的空間分布特征及各因素對(duì)硝態(tài)氮分布的影響規(guī)律,以期為地區(qū)滴灌水肥一體化技術(shù)的合理應(yīng)用提供參考。
1 試驗(yàn)材料與方法
1.1 試驗(yàn)區(qū)概況
試驗(yàn)在遼寧省灌溉試驗(yàn)中心站(120°30′44″E,42°08′59″N)的高標(biāo)準(zhǔn)日光溫室中進(jìn)行,試驗(yàn)站位于遼寧省沈陽(yáng)市黃家鄉(xiāng),為平原地帶,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。供試土壤為黏壤土,容重為1.33 g/cm3,土壤飽和體積含水率為42.2%,田間持水率為24%,土壤中等肥力偏下,速效鉀含量為81.3 mg/kg,速效磷含量為18.4 mg/kg,堿解氮含量為 75.4 mg/kg,全氮含量為1.1 g/kg,有機(jī)質(zhì)含量為 1.2%,土壤pH值為7.1。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)種植作物為黃瓜,供試品種為瑪麗亞。黃瓜采用大壟雙行種植,壟寬1.5 m,壟長(zhǎng)7 m,壟臺(tái)高0.15 m,行距為0.5 m,株距為0.45 m。每壟種植黃瓜16株,兩壟之間的距離為1.5 m。采用膜下滴灌灌溉,黃瓜定植前在壟中心鋪設(shè)滴灌帶,滴頭間距為0.3 m,滴頭流量為1.38 L/h,覆膜完成后,在滴灌帶兩側(cè)水平距離0.25 m處種植作物。黃瓜定植時(shí),為保證黃瓜緩苗率,各處理統(tǒng)一灌水25 mm。此后,根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行灌溉。滴灌布置示意圖及取樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。
黃瓜各處理施肥時(shí)間統(tǒng)一,分別為種植前施底肥,撒施腐熟的有機(jī)肥225 m3/hm2,施復(fù)合肥 750 kg/hm2。生長(zhǎng)期內(nèi)追肥,每次肥料用量根據(jù)處理設(shè)置而異。追肥均采用隨水施肥的方式,灌水 15 mm,肥料在灌水3/4~4/5時(shí)施完,剩余水量用于沖洗管道內(nèi)殘留肥料。
試驗(yàn)設(shè)置不同處理灌溉下限(W)、氮素施用量(N)和鉀施用量(K)。灌溉下限分別為20 cm處田間持水量的65%(W1)、75%(W2)、85%(W3);氮素施用量設(shè)低氮(N1)、中氮(N2)、高氮(N3)等3個(gè)水平;鉀施用量設(shè)低鉀(K1)、中鉀(K2)、高鉀(K3)等3個(gè)水平。其中N2處理和K3處理根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和產(chǎn)量理論需肥量計(jì)算,N素施用量為252 kg/hm2,K2O施用量為351 kg/hm2。高氮和高鉀施用量增加30%,低氮和低鉀施用量減小30%。施肥量60%用量作為底肥施入,剩余用量分別在坐果期、始收期、盛果期和盛采期追施,每次追施肥量為總量的10%。所施用的肥料為尿素(含N 46%)和硫酸鉀(含K2O 50%),各處理設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)在3個(gè)大棚中進(jìn)行,每個(gè)大棚內(nèi)55條壟,兩側(cè)選出5條壟不作處理,即中間50條壟開(kāi)展試驗(yàn),每5條壟為1個(gè)小區(qū)(7.5 m×7.0 m),單個(gè)大棚劃分為10個(gè)小區(qū),隨機(jī)布置9個(gè)處理(空余1個(gè)小區(qū)無(wú)處理),每個(gè)大棚作為1個(gè)重復(fù),每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。田間管理工作聘請(qǐng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)人員負(fù)責(zé),參考當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)做法。
1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法
土壤含水量通過(guò)TRIME測(cè)定,每日08:00讀數(shù)指導(dǎo)灌溉。在黃瓜盛采期追肥后1周,用土鉆取土樣,取樣點(diǎn)位置為距離滴頭水平距離0、15、30、45、75 cm處,取樣深度為0~10、10~20、20~30、30~40、40~60 cm,土樣NO-3-N含量由遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院測(cè)試分析中心測(cè)定。常規(guī)數(shù)據(jù)整理由Excel 2010完成,分析單因素對(duì)NO-3-N含量影響時(shí)取單因素平均值,NO-3-N剖面分布采用Surfer 8.0繪制,正交極差和方差分析由SPSS 20.0完成。
2 結(jié)果與分析
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含量與分布如圖2所示,各處理NO-3-N空間分布形狀相近,在滴頭正下方20 cm以下,水平距離20 cm以內(nèi),均出現(xiàn) NO-3-N低含量區(qū)域,含量低于30 mg/kg;在壟坡和壟溝交匯處是剖面NO-3-N含量最高區(qū)域,在W1和W2處理中,含量高于120 mg/kg,在W3處理中含量達(dá)到90 mg/kg;在壟臺(tái)、壟坡和壟溝NO-3-N表聚明顯,表層0~10 cm含量多高于60 mg/kg;此外,NO-3-N空間分布具有顯著的梯度分布特點(diǎn),越接近表層,含量梯度越大。W1、W2和W3處理剖面NO-3-N平均含量分別為54.4、57.3、 53.0 mg/kg,即隨著灌溉下限的增大,剖面NO-3-N含量有先增大后減小的趨勢(shì)。
不同水平距離NO-3-N含量變化如圖3-A所示,在水平方向上,NO-3-N含量總體變化趨勢(shì)為隨滴頭距離的增大,NO-3-N含量先增大后減小。距滴頭0、15 cm處W1處理NO-3-N含量均值最小,約為32 mg/kg,W2處理和W3處理含量均約為 40 mg/kg,高出W1處理25.0%;30 cm處W2處理和W1處理的NO-3-N含量分別增至59.6、63.6 mg/kg,W3處理增量較小,NO-3-N含量為51.0 mg/kg;45 cm處各處理NO-3-N含量均進(jìn)一步增大,NO-3-N含量在75.7~77.2 mg/kg 之間,
變幅僅為2.0%,處理之間差異較小;壟中(75 cm處)NO-3-N含量下降,其中W1處理減幅最大,降低20.9%,W2處理減幅最小,減少13.2%;表明灌溉下限對(duì)NO-3-N水平分布的影響主要在滴頭附近區(qū)域,且在低灌溉下限控制下NO-3-N含量較小。
在垂直方向上,NO-3-N含量總體變化趨勢(shì)為隨土層深度增大而減?。▓D3-B)。在0~10 cm處W2處理NO-3-N含量最高,約為104.4 mg/kg,分別高出W3處理和W1處理43.5%、15.4%;10~20、20~30 cm處NO-3-N含量較表層急劇下降,W3處理在20~30 cm深度含量高于其他處理,而W1處理含量最低;30 cm以下土層,NO-3-N含量相對(duì)穩(wěn)定,減幅小,W2處理NO-3-N含量最低;這表明灌溉下限控制越高,NO-3-N越集中于中下層土壤。
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含量與分布如圖4所示,不同施氮處理滴頭正下方均有“Λ”字形低NO-3-N含量區(qū)域,NO-3-N主要在“Λ”字外累積,其分布特征與不同灌溉下限條件下NO-3-N分布特征相同;N1處理和N3處理NO-3-N在壟坡的富集較N2處理明顯,NO-3-N含量高于110 mg/kg;在近地表含量梯度變化也高于N2處理。N1、N2和N3剖面NO-3-N平均含量分別為52.0、50.4、62.3 mg/kg,即低氮和中氮處理用量引起剖面中NO-3-N含量差異較小;隨著施氮的增加,土壤剖面中NO-3-N含量有增大的趨勢(shì)。
由圖5可知,在水平方向上,NO-3-N含量總體變化趨勢(shì)為0~15 cm時(shí)NO-3-N含量變化小,15~45 cm時(shí)NO-3-N含量迅速增大并在 45 cm 處達(dá)到峰值(70.4~87.2 mg/kg),45~75 cm時(shí)NO-3-N含量急劇減小;在近滴頭45 cm范圍內(nèi)NO-3-N含量平均增加105.5%,從壟坡到壟溝含量平均下降 17.0%。N3處理不同水平距離NO-3-N含量均高于其他處理,其中0~15 cm時(shí)差距較小,僅高出 1.5~10.3 mg/kg,隨著距離的增加差異增大,45 cm處較N2處理和N1處理均高出23.8%;N1處理在0~45 cm 內(nèi)NO-3-N含量高于N2處理,但壟溝中含量低于N2處理,差值因距離變化而異,沒(méi)有明顯的規(guī)律;表明當(dāng)施氮量高于中氮處理施氮量時(shí),距離滴頭不同水平位置NO-3-N含量均會(huì)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異不明顯。在垂直方向上,NO-3-N含量總體變化趨勢(shì)為隨土層深度增大而減小,且NO-3-N含量的減小幅度也隨著土層深度的增加而減小,表層 NO-3-N 含量從75.5~103.7 mg/kg(0~10 cm時(shí))減少到44.6~50.3 mg/kg(10~20 cm時(shí)),下降48.5%~62.4%;而30~60 cm土層NO-3-N含量差異范圍為1.4~2.3 mg/kg,降幅低于5.3%。各處理之間,N3處理不同深度土層 NO-3-N 含量均高于N2處理和N1處理,但隨著深度增加,差異逐漸減小,如N3處理與N2處理差異由0~10 cm 土層的28.3 mg/kg減少到40~60 cm土層的 2.3 mg/kg;N1處理和N2處理除表層NO-3-N含量存在差異外,10 cm以下土層含量均接近(圖5);表明高施氮量對(duì)不同深度土層NO-3-N含量有明顯提升作用,當(dāng)施氮量低于中氮處理施氮量時(shí),施氮量對(duì)NO-3-N含量垂直方向上的分布影響不明顯。
2.3 不同施鉀量土壤剖面NO-3-N分布特征
不同施鉀量NO-3-N含量與分布如圖6所示,NO-3-N分布形式與不同灌溉下限及施氮量條件下分布一致,剖面中心存在NO-3-N低含量區(qū),壟坡和壟溝具有明顯的表聚性;壟坡和壟溝NO-3-N含量和變化梯度隨著施鉀量的增加而增大。K1、K2和K3剖面NO-3-N平均含量分別為59.0、54.6、51.1 mg/kg,即隨著施鉀量的增加,土壤剖面 NO-3-N含量有減小的趨勢(shì)。
由圖7可知,在水平方向上,NO-3-N含量隨著到滴頭距離的增大先增大后減小,各處理NO-3-N含量峰值均出現(xiàn)在水平距離45 cm處。距滴頭0~15 cm內(nèi)NO-3-N含量相對(duì)穩(wěn)定,不同處理NO-3-N含量在33.4~43.5 mg/kg范圍內(nèi),差異較小;在水平距離為30~75 cm時(shí),NO-3-N含量隨著施鉀量的增加而增大,K3處理高出K1處理13.3~17.3 mg/kg,增幅達(dá) 19.5%~35.0%,但在45~75 cm 時(shí),K2處理和K1處理NO-3-N含量接近(圖7);這表明施鉀量對(duì) NO-3-N水平分布的影響主要在15 cm以外,在施鉀量高于中鉀處理施用量時(shí),NO-3-N有明顯的提高。在垂直方向上,NO-3-N含量總體變化趨勢(shì)為隨土層深度增大而減小。在 0~20 cm 內(nèi),各處理 NO-3-N含量迅速減小,減幅為24.7%~28.3%,處理之間NO-3-N含量表現(xiàn)為K3>K2>K1,表層差異最大,K3高出K1處理261%,隨著土層深度增加,處理之間差異減小;20 cm 土層以下NO-3-N含量變化趨緩,含量變化在9.2~14.7 mg/kg范圍內(nèi),處理之間NO-3-N含量相近(圖7);這表明在垂直方向上施鉀量對(duì)
NO-3-N 含量的影響主要在0~20 cm土層,鉀素施用量的增加可以促進(jìn)NO-3-N含量增加。
2.4 土壤NO-3-N含量影響因素分析
滴灌水肥一體化NO-3-N含量極差分析如表2所示,不同灌溉下限NO-3-N含量表現(xiàn)為W2>W3>W1,不同氮量施用條件下NO-3-N含量表現(xiàn)為N3>N1>N2,施鉀量對(duì)NO-3-N含量的影響為K3>K2>K1,即75%田間持水量、高施氮量和高施鉀量條件下土壤NO-3-N含量較高,但方差分析結(jié)果表明,灌溉下限、施氮量和施鉀量對(duì)土壤剖面NO-3-N含量影響均未達(dá)到顯著水平(表3)。試驗(yàn)因素對(duì)NO-3-N含量的影響表現(xiàn)為施氮量>施鉀量>灌溉下限(表2),說(shuō)明滴灌水肥一體化對(duì) NO-3-N 含量具有一定的調(diào)控能力,施氮量從根本上改變了輸入土壤中的氮量,是剖面NO-3-N含量的主要影響因素,而灌溉對(duì)剖面NO-3-N含量影響較小。根據(jù)極差分析結(jié)果可知,N3K3W2組合是提高剖面NO-3-N含量的最優(yōu)組合。
3 討論與結(jié)論
水分是NO-3-N運(yùn)移的載體,NO-3-N在土壤中的分布取決于土壤水分的運(yùn)動(dòng)。滴灌條件下,土壤水分從點(diǎn)源徑向擴(kuò)散,盡管滴頭水力性能、土壤質(zhì)地和作物吸水等會(huì)影響土壤水分運(yùn)動(dòng),總體上水分分布呈半球或橢球狀;球體半徑在灌溉作用下持續(xù)增大,但濕潤(rùn)峰的推進(jìn)逐漸趨緩;濕潤(rùn)體內(nèi),點(diǎn)源處土壤水分飽和,向外徑向遞減[11]。由于NO-3-N不存在專性吸附,易在土壤水分中擴(kuò)散和遷移,水肥一體化隨水進(jìn)入土體的NO-3-N在水勢(shì)梯度作用下徑向運(yùn)動(dòng),因此,在本試驗(yàn)中,滴灌的水分運(yùn)動(dòng)特征是NO-3-N分布的主要影響因素, 滴頭正下方土壤在長(zhǎng)期淋洗作用下,NO-3-N淋失,成為土壤剖面NO-3-N含量最低區(qū)域;NO-3-N隨水運(yùn)動(dòng)到壟坡和壟溝后,隨著土壤水分的消耗而累積,尤其是表土在蒸發(fā)作用下,有明顯的表聚特征。
灌溉下限土壤水分含量設(shè)置越高,濕潤(rùn)體含水量長(zhǎng)期保持在較高水平,灌溉頻繁,且每次灌溉初始含水量高,水分運(yùn)移速度較大,土壤中NO-3-N容易淋洗[12];灌溉下限越低,單次灌溉水量越多,土壤中充水孔隙較多,水分連續(xù)性較好,水流在土壤中流動(dòng)所受的阻力減小[13],也會(huì)導(dǎo)致NO-3-N淋洗到深層土壤中,因此,本試驗(yàn)中,高水分下限控制為少量多次灌溉,低水分下限控制為大水量小頻率灌溉,部分NO-3-N淋出剖面或分布在距離滴頭較遠(yuǎn)位置,剖面NO-3-N含量均低于75%田間持水量作為土壤水分控制下限處理。施氮是土壤NO-3-N含量增加的主要途徑之一,Kiggundu等研究表明,NO-3-N隨著養(yǎng)分使用量增加而增加,同時(shí)增大淋失風(fēng)險(xiǎn)[14],本試驗(yàn)結(jié)果也表明隨著施氮量增加,剖面NO-3-N含量提高,這與前人的研究結(jié)果[14]一致。盡管鉀素用量對(duì)土壤氮素影響研究報(bào)道較少,但研究表明,施鉀可提高追施氮肥在土壤中的殘留量[15];可降低氮肥的揮發(fā)損失,如當(dāng)尿素和氯化鉀以1 ∶ 1同步追施可使尿素中的氨揮發(fā)損失量從42%降低到4.6%[16],氮素?fù)p失量減少50%[17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明增加施鉀量可提高土壤剖面 NO-3-N 含量。此外,在滴灌灌溉條件下,因施氮量和施鉀量增加的NO-3-N含量主要在距離滴頭水平距離15 cm以外區(qū)域,這一區(qū)域與作物根系分布相一致,為作物氮素吸收提供了有利條件。
由此可見(jiàn),滴灌的水分運(yùn)動(dòng)和分布特性決定了滴灌水肥一體化氮素的分布;灌溉下限,施氮量和施鉀量通過(guò)改變NO-3-N的運(yùn)移速度、濃度和阻力等動(dòng)力學(xué)參數(shù),改變剖面NO-3-N含量,但未從根本上改變NO-3-N的分布形式;施氮量對(duì) NO-3-N含量影響最大,其次為施鉀量,灌溉下限對(duì)NO-3-N含量影響最小。
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