番茄膜下滴灌下土壤水分及硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)研究

周美玲，趙 強(qiáng)

(1.江西省水投生態(tài)環(huán)境有限公司，江西 南昌 330000；2.江西省水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，江西 南昌 330001)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，淡水資源總量約為2.81×104億m3，居世界第六位，但人均水資源總量?jī)H為2 300 m3，是世界平均水平的1/4[1]。然而，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總用水量的80%以上，干旱缺水已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要制約因素之一[2]。據(jù)權(quán)威部門的預(yù)測(cè)結(jié)果，在不增加現(xiàn)有農(nóng)田灌溉用水量的情況下，2030年全國(guó)缺水高達(dá)1.3×103～2.6×103億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水500～700億m3[3]。我國(guó)各灌區(qū)灌溉水利用率只達(dá)到53.2%，而發(fā)達(dá)國(guó)家灌溉水利用率高達(dá)80%～90%[4]。除此之外，在我國(guó)露地蔬菜栽培中氮肥過(guò)量施用的問(wèn)題仍較普遍，有些地方氮肥施用量甚至超1 200 kg/hm2[5]。硝態(tài)氮淋洗是土壤氮素淋失的主要途徑，又是引起地下水污染的主要原因。氮肥用量過(guò)大，灌水過(guò)多等產(chǎn)生的氮素?fù)p失對(duì)環(huán)境的影響日益引起人們的關(guān)注。如何提高農(nóng)業(yè)水分利用效率，減少農(nóng)業(yè)氮肥污染已經(jīng)成為了一個(gè)新的研究課題。膜下滴灌是目前干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式，該措施下灌溉水利用率可達(dá)95%。土壤中硝態(tài)氮的運(yùn)移必須在有水的條件下進(jìn)行，硝態(tài)氮運(yùn)移的數(shù)量、速率和深度既可能有利于作物吸收，也可能對(duì)作物無(wú)效，還可能減輕或加重對(duì)地下水的污染，而飽和水流會(huì)引起氮的淋失[6]。滴灌和施肥以及兩者之間的相互作用對(duì)提高水分利用效率及硝態(tài)氮的運(yùn)移產(chǎn)生深刻影響。因此研究滴灌下土壤水分及硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律，不僅有助于理解滴灌的節(jié)水機(jī)理，而且對(duì)加強(qiáng)氮素管理，保護(hù)環(huán)境有著重要的理論和實(shí)踐意義。本文通過(guò)甘肅省石羊河流域開(kāi)展膜下滴灌田間試驗(yàn)，研究番茄種植條件下土壤水分及硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律，為提高石羊河流域農(nóng)田灌溉水分利用效率，防止硝態(tài)氮污染提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況與方法

本試驗(yàn)于2013年4月～10月在甘肅省武威市灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于甘肅省武威市涼州區(qū)(102°52′E、37°52′N)，處于石羊河流域中游區(qū)域。多年平均降水量和蒸發(fā)量分別為164.4 mm與2 000 mm，研究區(qū)地下水位深度達(dá)48 m[7]。試驗(yàn)在大田中進(jìn)行，試驗(yàn)地的理化性質(zhì)見(jiàn)表1所示。

供試作物品種為“世紀(jì)紅冠”的番茄。在種植方式，種植密度，肥料施用量，田間管理等均相同的條件下，采用滴灌方式進(jìn)行灌溉，試驗(yàn)設(shè)有3個(gè)滴灌處理，分別為T1、T2和T3處理，1個(gè)溝灌對(duì)照即T4處理，每個(gè)處理有3組重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，采用隨機(jī)排列方式布置。各處理灌溉水處理措施見(jiàn)表2所示。每個(gè)小區(qū)面積為6.00 m2(1.20 m×5.00 m)，每個(gè)小區(qū)覆1.40 m寬的地膜1行，按畦面寬120 cm，兩邊分別壓土10 cm，種植密度為行距45 cm，株距45 cm，番茄移栽時(shí)間為2013年4月20日，番茄收獲時(shí)間為當(dāng)年9月15日。試驗(yàn)所用的淡水為當(dāng)?shù)氐叵滤?，利用?fù)壓計(jì)控制灌溉水，溝灌每5天灌水一次，灌水定額為375 m3/hm2，作物種植前施有機(jī)肥，施肥量按磷酸二銨525 kg/hm2，尿素300 kg/ hm2，鉀肥225 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)，7月13日采用滴灌追施一次無(wú)機(jī)肥，其他農(nóng)藝措施均參照當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目

在番茄生育期內(nèi)每10天通過(guò)土鉆取土獲取土樣，每個(gè)取樣點(diǎn)取6層，分別為0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm和80～100 cm。土壤含水率采用烘干法測(cè)定(將土樣在105℃下烘8個(gè)小時(shí))；留部分土樣采用流動(dòng)分析儀測(cè)定硝態(tài)氮。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

表2 各處理灌溉水處理措施 kPa

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌下土壤水分運(yùn)移規(guī)律分析

圖1為各處理不同時(shí)間段土壤水分分布規(guī)律。-20 kPa、-30 kPa、-50 kPa滴灌條件下控制3種不同初始土壤含水率，溝灌為滴灌的對(duì)照試驗(yàn)。其中圖1-a為開(kāi)花坐果期第4次溝灌后第三天的土壤含水率；圖1-b為果實(shí)膨大期第1次溝灌后第一天的土壤含水率；圖1-c為果實(shí)膨大期第6次溝灌后第二天的土壤含水率；圖1-d為成熟期第1次溝灌后第4天的土壤含水率。滴灌灌水時(shí)間長(zhǎng)，流量小，作物與非作物區(qū)土壤濕潤(rùn)程度不同，導(dǎo)致滴灌措施下土壤水分在土壤中的分布、運(yùn)移有其獨(dú)特的規(guī)律。由圖1-a、1-b可看出，土壤中初始含水率的大小對(duì)土壤水分運(yùn)移有影響，-20 kPa土水勢(shì)下進(jìn)行滴灌有利于水分向深層遷移，3種滴灌措施下土壤各層含水率變化較大，并且0～40 cm深度土壤含水率變化幅度大于40～100 cm深度。膜下滴灌過(guò)程中，滴頭附近土壤含水率較大，土壤含水率隨深度先減小，再增大。40 cm深處土壤含水率最小，這和該深度處番茄根系分布有關(guān)。由圖1還可以看出，滴灌下各層土壤含水率隨時(shí)間變化較小，基本上不變化。而溝灌措施下的土壤含水率隨時(shí)間變化較大，這說(shuō)明滴灌措施下水在土壤中的運(yùn)移容易被土壤所吸附。由圖1-b可以看出，在溝灌后第一天土壤質(zhì)量含水率與-20 kPa滴灌下的土壤質(zhì)量含水率差別不大，而溝灌后第二天至下次溝灌前，溝灌下的土壤含水率與-20 kPa滴灌下的土壤含水率差別越來(lái)越大，這進(jìn)一步說(shuō)明溝灌措施下的土壤水分極易流失。這無(wú)疑可以從一方面說(shuō)明滴灌有利于提高灌溉水利用效率。60 cm深層以下土壤含水率在-30 kPa土水勢(shì)時(shí)滴灌基本不變，大量水分停留在作物根系層，有利于作物對(duì)水分的吸收。另外，我們還可以發(fā)現(xiàn)，溝灌60 cm 以下土壤含水率在灌水兩天內(nèi)變化較大，這是溝灌后超過(guò)田間持水率的部分土壤水分向深層土層入滲的結(jié)果。這種土壤水分向深層土層入滲容易導(dǎo)致土壤內(nèi)部環(huán)境的破壞，不利于作物的生長(zhǎng)。并且部分土壤水分往土壤深層入滲容易造成水資源的浪費(fèi)，并可能引起地下水的污染。由以上分析可知，滴灌下土壤水分主要分布于0-60 cm深度，有利于作物根系對(duì)水分的吸收。該措施下的水分易被土壤吸附，有利于提高水的利用效率。土水勢(shì)為-30 kPa時(shí)進(jìn)行滴灌，優(yōu)于另外兩種滴灌措施。

圖1 不同時(shí)段土壤含水率分布規(guī)律

2.2 滴灌下硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律分析

由圖2可以看出，滴灌下土壤中NO3-N含量隨時(shí)間變化小，而溝灌下土壤中NO3-N含量隨時(shí)間變化大，并集中于施肥前后。這說(shuō)明溝灌下土壤中的NO3-N淋失量大。由圖2-c，圖2-d中溝灌下的硝態(tài)氮變化曲線可以看出，7月23日到8月13日這段時(shí)間內(nèi)，土壤20 cm深度處NO3-N含量減少33 mg/kg，而-20 kPa滴灌下的NO3-N含量減少1 mg/kg，相對(duì)-20 kPa滴灌下的NO3-N淋洗量多32 mg/kg。從追肥不久的圖2-c中還可以看出，溝灌措施下100 cm處NO3-N含量高于滴灌措施下該深度處NO3-N含量的2倍，溝灌引起NO3-N的淋失。這同時(shí)也說(shuō)明了滴灌能減小硝態(tài)氮的淋失，進(jìn)而說(shuō)明滴灌對(duì)減少硝酸鹽方面的環(huán)境污染作用重大。另外可以發(fā)現(xiàn)，即便均采用滴灌灌溉，不同初始土水勢(shì)也會(huì)造成土壤中NO3-N含量不同。由圖2可以看出，滴灌措施下土壤中NO3-N含量在追肥前后沒(méi)有大的變化，并且該含量隨時(shí)間變化小。而土壤中90%的氮都以有機(jī)形式存在，這說(shuō)明滴灌有利于土壤中有機(jī)氮的礦化。研究表明長(zhǎng)期采用滴灌灌溉不但有利于表層土壤中氮礦化勢(shì)的增大，也有利于礦化有機(jī)氮的形成，使耕層土壤有機(jī)氮的品質(zhì)得到改善[8]。從3種不同滴灌處理下土壤中NO3-N含量變化規(guī)律分析得到，-30 kPa滴灌措施下0～40 cm深度范圍內(nèi)NO3-N含量高，40 cm以下NO3-N含量低。這不但有利于作物對(duì)NO3-N的吸收，也能有效防止NO3-N向土層深處遷移。而-50 kPa，-20 kPa這兩種滴灌措施下NO3-N隨深度分布規(guī)律沒(méi)有-30kPa滴灌措施下的明顯，并且-50 kPa下土壤中NO3-N含量偏少，不利于作物對(duì)NO3-N的吸收。由以上的分析可以看出，溝灌容易引起NO3-N的淋失，滴灌不易引起NO3-N向土壤深層流動(dòng)。當(dāng)土水勢(shì)達(dá)到-30 kPa時(shí)進(jìn)行滴灌，對(duì)作物根系層NO3-N的吸收及防止NO3-N的深層流失效果最好。滴灌有利于提高土壤中有機(jī)氮的礦化勢(shì)。因此，采用土水勢(shì)為-30 kPa的膜下滴灌灌溉措施，有利于提高土壤水分及肥料利用效率，可以減小氮肥對(duì)環(huán)境的污染。

3 結(jié) 論

通過(guò)在甘肅省石羊河流域開(kāi)展番茄滴灌試驗(yàn)，研究了膜下滴灌下土壤水分及硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律，主要結(jié)論為：

圖2 不同時(shí)段硝態(tài)氮含量分布規(guī)律

(1)滴灌下土壤水分運(yùn)移規(guī)律分析表明：膜下滴灌下土壤水分主要分布于0～60 cm土層深度，與番茄根系所在層吻合度較高，有利于作物根系對(duì)土壤水分的吸收，而溝灌土壤水分容易入滲至60 cm土層以下，造成土壤水資源的浪費(fèi)；當(dāng)土水勢(shì)達(dá)到-30 kPa時(shí)進(jìn)行滴灌時(shí)，作物對(duì)土壤水分吸收的效果優(yōu)于土水勢(shì)為-50 kPa、-20 kPa兩種措施。

(2)滴灌下硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律分析表明：滴灌條件下土壤中NO3-N含量隨時(shí)間變化小，溝灌條件下土壤中NO3-N含量隨時(shí)間變化大；土水勢(shì)為-30 kPa滴灌措施下0-40 cm深度范圍內(nèi)NO3-N含量高，40 cm以下NO3-N含量低，而土水勢(shì)為-50 kPa、-20 kPa這兩種滴灌措施下NO3-N分布規(guī)律不明顯；土水勢(shì)為-30 kPa滴灌措施下對(duì)作物根系層NO3-N的吸收及防止NO3-N的深層流失效果最好。因此，采用土水勢(shì)為-30 kPa的膜下滴灌灌溉措施，有利于提高土壤水分及肥料利用效率，可以減小氮肥對(duì)環(huán)境的污染。

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