滴灌灌水下限和避雨栽培對(duì)氮素淋失及葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響

衛(wèi)青青，謝建華，劉淑慧，吳文勇，胡雅琪

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.北京市大興區(qū)種業(yè)與植保服務(wù)站，北京 102600；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100044）

0 引 言

在發(fā)展中國(guó)家，近20年全球果園的面積和產(chǎn)量分別增長(zhǎng)了22.0%和54.3%。當(dāng)前，葡萄是我國(guó)水果種植面積和產(chǎn)量居前6 位的樹(shù)種之一[1]，在我國(guó)水果生產(chǎn)中占有重要地位。避雨栽培是一種常見(jiàn)的葡萄栽培技術(shù)，大量實(shí)踐表明，在葡萄藤樹(shù)冠之上搭建農(nóng)用聚乙烯薄膜屋頂[2]，通過(guò)使雨水遠(yuǎn)離樹(shù)葉和果實(shí)，可以有效地消除重大病害和裂果發(fā)病率[3]，甚至延緩葉片衰老[4]，從而提高果實(shí)質(zhì)量和產(chǎn)量[5]。同時(shí)，降雨強(qiáng)度是影響氮素淋失量的主要因素[6]，避雨栽培因?yàn)樽钄嗔藦?qiáng)降雨侵蝕，對(duì)土壤養(yǎng)分的淋失起到了很好的阻控效果[7]。我國(guó)消耗了世界上近三分之一的氮肥[8]，但氮肥的有效利用率仍相對(duì)低下[9]，氮素的淋失不但是造成氮素?fù)p失的主要途徑[10]，降低了氮肥利用率，而且還會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)惡化[11]。研究結(jié)果顯示，灌溉量是影響土壤淋失水量的主要因素之一[12]，灌水量和降雨量又是土壤灌溉量的主要來(lái)源。我國(guó)最新公報(bào)顯示，農(nóng)業(yè)用水3 612.4 億m3，與2019年相比，占比增加0.9%[13]，密集灌溉或強(qiáng)降雨條件會(huì)增加土壤氮素向地下水的流失[14]，且葡萄對(duì)氮素的吸收程度受水氮調(diào)控影響極其顯著[15]。因此，研究滴灌灌水下限和避雨栽培對(duì)氮素淋失及葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響具有重要意義。

氮素淋溶所造成的負(fù)面影響，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注。梁斌等[16]利用滲漏池收集設(shè)施番茄在滴灌和漫灌條件下的土壤滲漏液表明滴灌模式相比于漫灌模式在總氮淋失量上減少了20.11%。Lü 等[17]研究了在大棚蔬菜滴灌施肥生產(chǎn)系統(tǒng)中通過(guò)減少灌溉和施肥量來(lái)顯著減少氮素淋失，結(jié)果顯示灌溉量對(duì)減少氮素淋失的作用大于氮素的投入。

目前針對(duì)果樹(shù)如何進(jìn)行科學(xué)合理的氮素淋失阻控措施進(jìn)而優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)已受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度關(guān)注，對(duì)氮素淋失的阻控措施主要有灌溉施肥制度優(yōu)化、氮肥種類優(yōu)選、改良土壤特性、配施硝化抑制劑以及耕作與農(nóng)藝措施，以灌水下限和避雨栽培為影響因素的細(xì)致研究相對(duì)較少。試驗(yàn)采用田間水利試驗(yàn)設(shè)施—測(cè)坑，可以比較精細(xì)的測(cè)量作物滲漏水量，從而為研究土壤NH4+-N和NO3--N的淋溶創(chuàng)造了條件。為了研究不同灌水下限和是否避雨處理對(duì)土壤氮素流失及葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響，本試驗(yàn)研究了滲濾液中不同形態(tài)的氮素和產(chǎn)量品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)，為進(jìn)一步探索節(jié)水減肥機(jī)制、阻控氮素淋失和指導(dǎo)葡萄生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年3月16日至9月30日在國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心龐各莊試驗(yàn)站（北緯39°35′，東經(jīng)116°20′）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于北京市南部的大興區(qū)，海拔30 m。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫11.6 ℃，多年平均降雨量556 mm，季節(jié)分布不均勻，多集中在汛期6-9月份，約占全年的80%左右，年均水面蒸發(fā)量為1 021 mm，陸面蒸發(fā)量450 mm，主要土壤類型為砂質(zhì)壤土和粉質(zhì)壤土。試驗(yàn)初期土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Soil fundamental physical and chemical properties

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在尺寸為2.0 m×2.0 m×2.0 m（長(zhǎng)×寬×深）的測(cè)坑里進(jìn)行，面積4.0 m2，1.5 m 厚土層，土層表面距坑口0.1 m，底部設(shè)有0.2 m 厚底座，底座與回填土之間有0.2 m 厚的無(wú)紡布濾層，并安裝排水設(shè)施，測(cè)坑側(cè)向排水管都通向地下觀測(cè)室，觀測(cè)室內(nèi)設(shè)有滲漏水盛水器。所用測(cè)坑為田間水利試驗(yàn)設(shè)施，測(cè)坑內(nèi)土壤回填方式為分層填土、夯實(shí)，使坑內(nèi)的土壤容重、土壤結(jié)構(gòu)等與大田一致，測(cè)坑周圍有保護(hù)區(qū)，且保護(hù)區(qū)與測(cè)坑作物一致。葡萄測(cè)坑試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容包括：葡萄地土壤氮素在滲漏水中的形態(tài)、變化動(dòng)態(tài)、淋溶規(guī)律。試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of test layout

試驗(yàn)品種為葡萄“瑞都早紅”（樹(shù)齡4 a），南北行向，株行距2.0 m×2.5 m。試驗(yàn)采用滴灌方式，以灌水下限和是否避雨為影響因素，共設(shè)6 個(gè)處理，見(jiàn)表2。每個(gè)測(cè)坑定植一棵葡萄樹(shù)，每個(gè)處理重復(fù)3 次，共18 個(gè)測(cè)坑。試驗(yàn)期間分別在葡萄萌芽期、果實(shí)膨大期和著色期進(jìn)行了追肥，每次每棵葡萄樹(shù)20 g全元素水溶肥。隔年施用1次有機(jī)肥，施用肥料種類為腐熟的雞糞，每公頃施肥量為45 t，采取溝施的方法，在距葡萄植株50 cm 以外開(kāi)溝，溝寬40 cm，深40～50 cm 左右，將土、肥攪拌后施入。本次試驗(yàn)前，已于2020年10月施用了有機(jī)肥。試驗(yàn)區(qū)土壤含水率采用TRIME-PICO-IPH(德國(guó))土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定，在距離樹(shù)根30 cm 處打Trime管，每7 d監(jiān)測(cè)1 次，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)定深度為100 cm，10 cm 為一層，共10層，取其0～80 cm 平均值[18]，試驗(yàn)各處理組土壤水分上限均設(shè)置為田間持水量的100%，且其他田間管理在試驗(yàn)期間保持一致。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental treatment design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與分析方法

（1）葡萄測(cè)坑土壤淋溶水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量的測(cè)定。2021年6月27日至9月12日，每日對(duì)地下觀測(cè)室內(nèi)滲漏水盛水器中的滲漏水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄每個(gè)處理的日滲漏水量，每個(gè)處理3 個(gè)測(cè)坑，并取部分水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，樣品儲(chǔ)存于4℃冰箱中。采用AA3 連續(xù)流動(dòng)分析儀（Seal Analytical GmbH）測(cè)定土壤淋溶水水樣的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。

（2）產(chǎn)量及品質(zhì)。待其成熟后測(cè)產(chǎn)，于2021年9月1日進(jìn)行。各處理分別稱量其3個(gè)測(cè)坑中葡萄的產(chǎn)量，取其平均值作為單株產(chǎn)量，以單株產(chǎn)量通過(guò)面積換算獲得總產(chǎn)量。每個(gè)處理隨機(jī)挑選葡萄3串，檢測(cè)果實(shí)的內(nèi)在品質(zhì)，果實(shí)可溶性固形物含量采用手持式折光儀（糖度計(jì)）直接測(cè)定；維生素C含量采用2，6—二氯靛酚滴定法測(cè)定；還原糖含量采用直接滴定法測(cè)定；可滴定酸含量采用氫氧化鈉-酚酞滴定法測(cè)定。

（3）氣象因子。試驗(yàn)期間的日最高、最低溫度、降雨量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)輻射和蒸發(fā)量等氣象因子采用試驗(yàn)地的無(wú)線自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站（北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，綠水WS1800）進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1.4 計(jì)算公式及方法

灌水量：取土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層0～80 cm 土層測(cè)定的土壤含水率為依據(jù)，確定灌水時(shí)間和灌溉水量，用灌水深度表示[18]，灌水量計(jì)算式為：

式中：m為灌水量，mm；α為土壤實(shí)測(cè)含水率占田間持水率的比值，%；θ為作物生長(zhǎng)適宜土壤含水率上限,取土壤田間持水量的100%；p為土壤濕潤(rùn)比，北京屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，再根據(jù)《設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》北京地方標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)葡萄土壤濕潤(rùn)比的取值建議，取30%[19]；H為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，取0.8 m[19]。

氮素累積淋失量：每日對(duì)試驗(yàn)測(cè)坑的滲漏水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄各個(gè)測(cè)坑的滲漏水排水量，再根據(jù)其測(cè)得的滲漏水NO3--N或NH4+-N濃度，計(jì)算氮素累積淋失量：

式中：Nleach為氮素累積淋失量，kg/hm2；S為試驗(yàn)測(cè)坑表面積，cm2；ci為每次淋失溶液NO3--N 或NH4+-N，mg/L；vi為每次淋失溶液體積，mL。

NO3--N淋失率：

式中：Rleach為NO3--N 淋失率；QO為NO3--N 淋失量，kg/hm2；QN為作物施氮量，kg/hm2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 對(duì)數(shù)據(jù)做基礎(chǔ)處理，Origin 2018 作圖分析，SPSS 22.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水下限和避雨栽培對(duì)土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N濃度的影響

整個(gè)葡萄試驗(yàn)地氮素淋失觀測(cè)周期內(nèi)，各處理淋溶水中NH4+-N 和NO3--N 的濃度結(jié)果如圖2所示。可以看出，土壤淋失水中NO3--N的濃度明顯高于NH4+-N的濃度。因?yàn)橥馏w中的膠體呈負(fù)電極，易吸收土壤中的NH4+-N，氮素一般以NO3--N為主要形態(tài)淋失[20]。NH4+-N 的濃度變化范圍為1.10～2 758.50 ug/L，而NO3--N 的濃度變化范圍為2.17～130.53 mg/L。T3 和T6 處理淋溶水中NH4+-N 濃度分別比T1 處理高了72.73%、118.18%，且差異顯著。各處理淋失水中NO3--N 濃度分別為30.12±11.12、29.06±7.60、25.78±6.37、25.79±10.69、24.32±11.46、23.82±12.28 mg/L。其中，T5 和T6 處理淋失水中NO3--N 的濃度均顯著（p＜0.05）低于T1 和T2 處理，表明避雨栽培能夠降低土壤淋失水中NO3--N 的濃度，合理降低灌水下限可以進(jìn)一步降低土壤淋失水中NO3--N的濃度。

圖2 各處理土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N濃度Fig.2 NH4+-N and NO3--N concentration in soil leaching water of each treatment

2.2 不同灌水下限和避雨栽培對(duì)土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N淋失量的影響

本次試驗(yàn)中，觀察到土壤氮素淋失的發(fā)生和灌溉降雨事件的時(shí)間次序保持一致，灌溉降雨事件直接影響氮素的淋失過(guò)程，其中，避雨栽培的3個(gè)處理不受降雨事件的影響。如圖3所示，當(dāng)有大的降雨或灌水事件發(fā)生時(shí)，NH4+-N 和NO3--N 淋失量都有一定幅度的增加，這與前人結(jié)果[21]一致，氮素淋失量受到灌溉降雨事件的極大影響，氮素淋失量的增大與灌溉降雨量的強(qiáng)度呈正相關(guān)，其中NO3--N 淋失量受灌溉降雨事件的影響更大一些[22,23]。圖3顯示，8月16日有一場(chǎng)大的降雨事件發(fā)生，同時(shí)T1、T2、T4、T5 處理還有灌水發(fā)生，各處理的NH4+-N 和NO3--N 淋失量均有不同程度上明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)日各處理組NH4+-N 淋失量分別為51.83、29.81、36.69、15.99、10.28、4.01 g/hm2，NO3--N 淋失量分別為8.18、3.94、0.25、1.86、2.05、0.05 kg/hm2，可以看出無(wú)避雨處理的試驗(yàn)組在NH4+-N和NO3--N淋失量方面都比相同灌水下限時(shí)的避雨處理試驗(yàn)組高。NO3--N 易溶于水，隨著降雨量增大，灌水充足，土壤含水率增加，土壤NO3--N 淋失量逐漸增加，同時(shí)，NO3--N 累積位置也下移[24]。土壤NH4+-N 和NO3--N 淋失量的增長(zhǎng)、降低趨勢(shì)基本一致。

圖3 整個(gè)葡萄觀測(cè)周期內(nèi)灌溉降雨量和NH4+-N、NO3--N淋失量的變化Fig.3 Changes of irrigation rainfall and leaching loss of NH4+-N and NO3--N during the whole grape observation cycle

2.3 不同灌水下限和避雨栽培對(duì)土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N累積淋失量的影響

灌水下限和避雨栽培都能影響土壤氮素的淋失過(guò)程。試驗(yàn)期內(nèi)觀測(cè)NH4+-N 和NO3--N 累積淋失量見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯瑹o(wú)避雨處理的3 個(gè)處理NH4+-N 和NO3--N 累積淋失量均大于避雨處理的3 個(gè)處理。其中，在相同避雨措施下，灌水下限為70% 時(shí)，NH4+-N 的淋失總量最小，T1、T3 處理分別比T2 處理高了0.01、0.09 kg/hm2，T4、T6 處理分別比T5 處理高了0.03、0.02 kg/hm2。表明高灌水和低灌水都容易造成土壤NH4+-N 的淋失量增加。灌水下限為80%、70%和60%的避雨處理在NO3--N 的淋失總量上分別比相同灌水下限的無(wú)避雨處理降低了54.16%、58.29%、53.92%。由圖4可以看出，灌水下限能明顯影響土壤NO3--N 累積量，高灌水下限條件下土壤NO3--N 累積量變化比低灌水下限時(shí)大，在相同避雨處理的情況下，降低灌水下限，可以有效減少NO3--N 淋失量，T2、T3處理分別比T1處理降低了13.22%、44.67%，T5、T6處理分別比T4 處理降低了21.04%、44.37%。這與前人結(jié)果[25]相一致。NO3--N 大量累積是N 素淋失必要條件之一，隨著灌水量的增加，淋失量也逐漸增加，降低灌水下限能夠降低土壤NO3--N的淋失量。

圖4 各處理土壤淋失水中NH4+-N、NO3--N累積淋失量Fig.4 cumulative leaching amount of NH4+-N and NO3--N in soil leaching water of each treatment

2.4 不同灌水下限和避雨栽培對(duì)土壤NO3--N 淋失率的影響

旱地土壤的氮素淋失主要是以NO3--N 的形式淋失。向下運(yùn)移的水流和土壤剖面NO3--N積累是造成NO3--N 淋失的主要條件[26]。有研究表明，減少灌水量可以明顯提高水分利用率和減少NO3--N 淋失率[25,27]。整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)NO3--N 淋失率結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，NO3--N 淋失率在T1 處理中最高，比其他處理組分別高了25.84%、42.72%、103.16%、109.38%、154.30%?？梢?jiàn)在葡萄地生產(chǎn)系統(tǒng)中，灌水下限依然是影響土壤NO3--N 淋失的重要因素，無(wú)避雨栽培時(shí)，T2、T3 處理的NO3--N淋失率分別比T1處理降低了20.54%、29.93%；避雨栽培時(shí)，T5、T6 處理分別比T4 處理降低了2.97%、20.11%，說(shuō)明相同的避雨措施條件下，淋失水量、NO3--N淋失量及NO3--N 淋失率和灌水下限成正比。而灌水下限設(shè)為80%、70%和60%的避雨處理在NO3--N 的淋失率上分別比相同灌水下限的無(wú)避雨處理降低了50.78%、39.90%、43.88%，說(shuō)明避雨栽培可以有效地降低NO3--N的淋失率。

圖5 各處理觀測(cè)周期內(nèi)的NO3--N淋失量和NO3--N淋失率變化Fig.5 changes of NO3--N leaching amount and NO3--N leaching rate in each treatment observation period

2.5 不同灌水下限和避雨栽培對(duì)葡萄產(chǎn)量品質(zhì)的影響

滴灌條件下灌水和避雨栽培對(duì)葡萄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響見(jiàn)表3所示。T5處理單位面積產(chǎn)量較T1、T2、T3、T4和T6處理分別高了12 734、3 822、14 099、7 824、13 600 kg/hm2，且差異顯著。通過(guò)方差分析得出，土壤水分下限和是否為避雨處理都對(duì)葡萄的產(chǎn)量有顯著性影響[28]，這與付詩(shī)寧等人[29]所得結(jié)論一致，但是二者的交互作用對(duì)葡萄產(chǎn)量影響不顯著。各處理組的葡萄果實(shí)品質(zhì)在可溶性固形物和可滴定酸方面沒(méi)有顯著差異；T4 和T5 處理的維生素C 含量顯著高于其他處理，分別比T1處理高了19.63%、21.07%；在無(wú)避雨的3個(gè)試驗(yàn)組中，T3 處理的還原糖含量分別比T1、T2 處理高了12.74%、25.00%，說(shuō)明適當(dāng)?shù)慕档屯寥浪窒孪蘅赡軙?huì)提高葡萄果實(shí)的還原糖含量；T5 和T6 處理的可溶性固形物含量高于其他試驗(yàn)處理組，該結(jié)果進(jìn)一步證明了適當(dāng)?shù)慕档凸嗨孪蘅赡軙?huì)提高葡萄的果實(shí)品質(zhì)，且避雨栽培也可能對(duì)葡萄果實(shí)品質(zhì)的改善有一定的促進(jìn)作用，這與郭俊強(qiáng)[30]和劉亞妮[31]所得結(jié)論一致；T6 處理可能是由于土壤水分含量較低，受到水分脅迫的影響還原糖含量顯著低于其他處理，避雨處理的3個(gè)試驗(yàn)組可能是由于降低了光照強(qiáng)度，影響了光合作用，在還原糖方面均顯著低于T3處理。

表3 不同處理下葡萄的品質(zhì)Tab.3 The quality of grapes under different irrigation treatments

3 結(jié) 論

（1）整個(gè)葡萄試驗(yàn)觀測(cè)期內(nèi)，灌水和降雨事件引發(fā)氮素淋溶，且淋溶的主要形態(tài)為NO3--N。土壤淋失水中NO3--N 的濃度明顯高于NH4+-N 的濃度，NH4+-N 的濃度變化范圍為1.10～2 758.50 ug/L，NO3--N 的濃度變化范圍為2.17～130.53 mg/L。

（2）灌溉降雨事件直接影響氮素的淋溶趨勢(shì)，且NH4+-N淋失量和NO3--N淋失量的增長(zhǎng)、降低趨勢(shì)基本一致。

（3）避雨栽培和灌水量的優(yōu)化能夠較好的降低葡萄滴灌試驗(yàn)中土壤氮素淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)中，T1 處理的NO3--N 淋溶總量最大，均值為41.06 kg/hm2。與T1處理相比，T2～T6處理中NO3--N 的淋失總量分別減少了13.24%、44.67%、54.17%、63.81%、71.50%。

（4）合理降低灌水下限和避雨栽培可以有效地降低NO3--N 的淋失率。試驗(yàn)結(jié)果得出，T2、T3 處理的NO3--N 淋失率分別比T1 處理降低了20.54%、29.93%；T5、T6 處理的NO3--N淋失率分別比T4 處理降低了2.97%、20.11%。灌水下限為80%、70%和60%的避雨處理分別比相同灌水下限的無(wú)避雨處理降低了50.78%、39.90%、43.88%。

（5）在土壤水分下限和是否為避雨處理的影響下，單位面積產(chǎn)量最高的是T5 處理，T1、T2、T3、T4、T6 處理分別比T5 處理低了34.02%、10.21%、37.67%、20.90%、36.33%。可見(jiàn)，過(guò)高的灌水和水分的虧缺都不利于葡萄產(chǎn)量的增加。試驗(yàn)表明，從葡萄產(chǎn)量方面出發(fā)，避雨處理優(yōu)于無(wú)避雨處理，灌水下限為70%時(shí)是最優(yōu)灌水量。