滴灌施肥對設(shè)施栽培花椰菜根系和土壤中氮分布的影響

吳玉恒，吳文勇，韓玉國，廖人寬

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，100083，北京；2.中國水力水電科學(xué)研究院 水利研究所，100044，北京)

近年來，我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)發(fā)展迅速，生產(chǎn)面積以每年10%以上的速度穩(wěn)步增長，截至2010年底，我國設(shè)施蔬菜年種植面積約為466.7萬hm2，是世界上設(shè)施蔬菜栽培面積最大的國家[1-2]。隨著設(shè)施蔬菜的栽培面積和集約化程度的逐漸增大，加上我國蔬菜生產(chǎn)中依舊存在灌溉施肥制度不合理等問題，集約化農(nóng)區(qū)造成的面源污染引起了許多研究者的關(guān)注。不少學(xué)者指出造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因是蔬菜生產(chǎn)過程中化肥的使用過量，不僅造成了土壤退化及鹽漬化、蔬菜品質(zhì)下降，還引起地下水污染等一系列問題[3]。張維理等[4]和劉宏斌等[5]發(fā)現(xiàn)在我國農(nóng)業(yè)集約化程度高、肥料用量大的地區(qū)都存在嚴(yán)峻的地下水污染問題；黃紹文等[6]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國主要蔬菜種植區(qū)土壤普遍存在鹽漬化加重、有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、硝態(tài)氮和速效磷積累等問題。針對農(nóng)業(yè)面源污染問題應(yīng)該采用源頭控制策略，推廣農(nóng)田最佳養(yǎng)分管理，通過合理的水肥管理來提高水肥利用效率減少氮素淋失[7]。

水肥一體化技術(shù)是一項同步控制植物水分供給和肥料施用的技術(shù)，通過滴灌系統(tǒng)合理地改變施用肥料的濃度、灌水施肥持續(xù)時間和施肥頻率等參數(shù)，在保證土壤根區(qū)水肥的正常供給的同時能將水肥淋失最小化。通過水肥一體化技術(shù)將氮肥輸送到土壤中能夠減少植物-土壤系統(tǒng)中銨態(tài)氮揮發(fā)和硝態(tài)氮損失；然而不合理的滴灌系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)依然會導(dǎo)致土壤氮素淋失到作物根系無法吸收的土層中，并且造成地下水體的污染[8]。在灌溉施肥過程中為了清洗滴灌管道和保證施肥的均勻性，人們通常會在施肥前后灌入清水[9]。為了確定灌溉過程中的最佳施肥時機，學(xué)者們主要通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行相關(guān)研究，其研究結(jié)果也不盡相同。Li Jiusheng等[10]通過室內(nèi)試驗監(jiān)測了不同滴灌施肥條件下土壤氮素分布狀況，認(rèn)為灌水施肥總時間的1/4時間灌水，再用1/2時間施肥，最后用1/4時間沖洗管道的施肥策略最佳。侯振安等[11]應(yīng)用15N標(biāo)記尿素進(jìn)行了不同滴灌施肥對棉花氮素吸收和氮肥利用效率影響的盆栽試驗，他們發(fā)現(xiàn)單次灌溉過程中前1/2時間施肥后1/2時間灌水的施肥策略可提高氮肥利用效率，增加棉花的氮素吸收量。C. M. Cote等[12]運用HYDRUS2D對地下滴管施肥進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在質(zhì)地較粗的土壤條件下單次灌溉施肥過程中先施肥后灌水的灌溉施肥策略對減少氮肥淋失和提高肥料利用效率更有利，而A. I. Gardenas等[13]、B. R. Hanson等[14]和V. Phogat等[15]通過數(shù)值模擬得到了相反的結(jié)果，認(rèn)為先施肥后灌水處理的氮素淋失風(fēng)險更大。

為了更好地了解滴灌施肥對土壤水氮運移情況和作物氮素吸收利用狀況的影響，本試驗以溫室花椰菜為試驗對象，研究不同滴灌施肥與蔬菜產(chǎn)量、品質(zhì)及根系生長的相關(guān)關(guān)系，以期獲得水肥一體化系統(tǒng)中滴灌施肥的最優(yōu)閾值。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016年2月至6月在國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心龐各莊試驗站(E116°20′, N39°35′)的日光溫室內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)?shù)啬昃涤炅?68.9 mm，年均水面蒸發(fā)量1 021 mm。日光溫室種植面積為600 m2，溫室內(nèi)0～40 cm土壤基本理化性質(zhì)為全氮0.79 g/kg，有機質(zhì)11.90 g/kg，pH 8.48，堿解氮268 mg/kg，有效磷124 mg/kg，速效鉀138 mg/kg，田間持水量24.48%，土壤密度1.44 g/cm3，土壤為粉質(zhì)壤土。

1.2 試驗設(shè)計

供試花椰菜(BrassicaoleraceaL. var. botrytis L.)品種為“京研60”，采用覆膜平畦栽培種植方式，定植株行距均為50 cm。試驗采用北京綠源塑料有限責(zé)任公司的內(nèi)嵌式滴灌帶，管壁厚0.2 mm，滴灌帶間距為30 cm，滴頭間距為30 cm，滴頭流量1.38 L/h。溫室微灌采用“30逆向布置模式”，滴管首部由過濾器、壓力表、文丘里施肥器組成，各小區(qū)進(jìn)水口裝有旋翼式水表控制灌水量。

試驗設(shè)計4種滴灌施肥處理，即T1(1/5N-4/5W)、T2(1/5W-1/5N-3/5W)、T3(2/5W-1/5N-2/5W)、T4(3/5W-1/5N-1/5W)處理，此T2(1/5W-1/5N-3/5W)處理中1/5W-1/5N-3/5W表示整個灌水過程的前1/5時間灌水，接下來的1/5時間施肥，后3/5時間灌水沖洗管道，其他類同。根據(jù)灌水上下限計算得到的灌溉定額和溫室水壓狀況來確定單次灌水施肥時間為100 min，其中注肥時間確定為20 min，在灌水施肥前配制肥液(將0.822 kg尿素溶于20 L灌溉水中)，每個處理在特定時段用文丘里施肥器進(jìn)行施肥。每個試驗處理重復(fù)3次，共設(shè)置12個試驗小區(qū)，試驗小區(qū)規(guī)格為7 m×6 m，采用完全隨意排列方式，小區(qū)之間有20 cm高的壟，防止處理間水肥混合。

1.3 田間管理

花椰菜生育期內(nèi)采用測墑補灌法確定灌水量，參照DB11T557—2008《設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》中的公式

m=0.1γsph(β1-β2)/η。

式中：m為灌溉定額,mm；γs為計劃濕潤層土壤密度,g/cm3；p為土壤濕潤比，取0.8；h為計劃濕潤層深度,cm；苗期時計劃濕潤層為20 cm，蓮座期和結(jié)球期為40 cm(參考DB11T557—2008《設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》)；β1、β2為灌水上下限(占干土質(zhì)量的比例)，分別取田間持水量的70%和100%；η為灌溉水利用系數(shù)，取0.9。

在花椰菜種植前磷肥和鉀肥作為基肥一次性施入100 kg/hm2、150 kg/hm2，氮肥作為追施肥分次施入，施肥頻率為2周一次，具體施肥時間根據(jù)土壤水肥狀況和花椰菜生長需要來確定?；ㄒ松趦?nèi)灌水施肥情況見圖1。

圖1 花椰菜生育期內(nèi)累計灌水量和施肥量Fig.1 Cumulative irrigation and fertigation in the growing season of cauliflower

1.4 測定內(nèi)容與方法

花椰菜種植前和收獲后每隔10 cm采用土鉆法采集土樣至120 cm，將采回的土壤自然風(fēng)干后用1 mol/L的KCl溶液浸提，使用流動分析儀(AutoAnalyser-Ⅲ,德國Bran+Luebbe公司)測定浸提液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的量[16]。

花椰菜收獲時每個小區(qū)選取1顆長勢一致的植株，并分為葉片、莖稈、花球3個部分，經(jīng)凈化、殺青、烘干后磨碎，各小區(qū)混合均勻后過0.5 mm篩，采用半微量凱氏定氮法[17]測定植物全氮量。在收獲期間選取各處理生長發(fā)育狀況一致的花球進(jìn)行品質(zhì)測定，其中可溶性糖采用硫酸-蒽酮比色法測定，維生素C采用鉬藍(lán)比色法測定，硝酸鹽采用紫外分光光度法測定[18]。

花椰菜收獲后采用挖掘法采集植株1半根系，在50 cm×25 cm的樣方內(nèi)，水平方向上按5 cm間距取至25 cm，深度按10 cm間距取至30 cm，用鏟刀將植株根系切斷后，從外到內(nèi)從上到下依次采集含根土壤，將土樣放入0.25 mm土篩中，用水沖分離土壤與根系后，將根系樣品用根系掃描儀進(jìn)行掃描，用WinRHIZO軟件對根系掃描圖像進(jìn)行分析。

1.5 計算公式及方法

各氮素利用率的公式如下[19]：

氮素農(nóng)學(xué)利用率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量，(kg/kg)；

氮素吸收利用率=(施氮區(qū)作物吸氮量-不施氮區(qū)作物吸氮量)/施氮量×100，%；

氮素生理利用率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)作物吸氮量-不施氮區(qū)作物吸氮量)，(kg/kg)。

數(shù)據(jù)均采用Excel2016和SPSS19.0軟件進(jìn)行處理和制圖，使用Suffer8.0軟件對根系分布進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 花椰菜產(chǎn)量和品質(zhì)

表1 滴灌施肥下花椰菜的產(chǎn)量和品質(zhì)

注：T1表示1/5N-4/5W，T2代表1/5W-1/5N-3/5W，T3代表2/5W-1/5N-2/5W，T4代表3/5W-1/5N-1/5W。不同的小寫字母表示5%水平下差異的顯著性。下同。 Notes：Total fertigation time is 100 min. T1 refers to 1/5N-4/5W, i.e., 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 4/5 of fertigation time (80 min) for watering and washing pipe. T2 refers to 1/5W-1/5N-3/5W, i.e., 1/5 of total fertigation time (20 min) for watering, 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 3/5 of fertigation time (60 min) for watering and washing pipe. T3 refers to 2/5W-1/5N-2/5W, i.e., 2/5 of total fertigation time (40 min) for watering, 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 2/5 of fertigation time (40 min) for watering and washing pipe. T4 refers to 3/5W-1/5N-1/5W, i.e., 3/5 of total fertigation time (60 min) for watering, 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 1/5 of fertigation time (20 min) for watering and washing pipe. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 5% probability level. The same below.

2.2 花椰菜氮素吸收特征

不同處理花椰菜各部位的氮素吸收量如圖2所示。從植株各部位的氮素分配來看，葉片部位的吸氮量占總吸氮量的比例最高，各處理平均吸氮量到達(dá)93.68 kg/hm2，占植株總吸氮量的43.39%；其次是花球部位，平均吸氮量達(dá)到71.31 kg/hm2，占植株總吸氮量的33.03%；莖稈部位的吸氮量最低，為50.89 kg/hm2，占植株總吸氮量的23.57%?？梢钥闯龅喂嗍┓蕦ㄒ嘶ㄇ虿课晃亢腿~片部位的吸氮量產(chǎn)生較大影響。

圖2 花椰菜不同植物部位的吸氮量Fig.2 N uptakes by different plant parts in cauliflower

花椰菜氮素累計總量表現(xiàn)為隨著滴灌施肥時間的向后推移先減少后增加的趨勢，其中T4處理的各部位氮素累積量均最高，花球、莖稈和葉片的氮素累積量分別達(dá)到79.65、55.41和104.36 kg/hm2，而T2處理最低，分別為63.36、46.02和82.60 kg/hm2，造成該差異的原因可能是種植前T4試驗小區(qū)的土壤本底值較高，促進(jìn)了該小區(qū)植株的氮素吸收量。對比各部位氮素累計的差異，可以發(fā)現(xiàn)后期注肥處理的氮素累積量均高于前期施肥處理的氮素累積量，其中T4處理的花球氮素累積量顯著高于T1處理(P<0.05)，T4處理的葉片累積量顯著高于T2處理(P<0.05)。這說明灌水過程中后期注肥處理較前期注肥處理更能促進(jìn)植株對氮素的吸收。

采用氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率和氮肥生理利用率3個指標(biāo)(表2)來全面反映氮肥的利用率和損失率?？梢钥闯鯰3的氮肥農(nóng)學(xué)利用率要高于其他處理，說明T3處理條件下氮肥對產(chǎn)量的提高效果較好。比較各處理的氮肥吸收利用率可以發(fā)現(xiàn)，T3、T4處理較T1、T2處理高39.93%～71.84%，說明T3、T4處理的氮肥損失更低。氮肥生理利用率反映了植物對所吸收氮素在植物體內(nèi)的利用效果，可以看出T1處理要優(yōu)于其他處理。

表2 滴灌施肥下花椰菜氮素利用率

注：NAE表示氮肥農(nóng)學(xué)利用率，NRE表示氮肥吸收利用率，NPE表示氮肥生理利用率。不同的小寫字母表示5%水平下差異的顯著性。 Notes：NAE stands for nitrogen agronomic efficiency, NRE stands for nitrogen recovery efficiency, NPE stands for nitrogen physiological efficiency.

2.3 土壤剖面銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化規(guī)律

花椰菜種植前后土壤銨態(tài)氮的變化規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度的減少，種植前土壤剖面銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈表層高、深層低的特點，收獲后土壤剖面的銨態(tài)氮分布則較為均勻。其中土壤表層(0～40 cm)銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化最為劇烈，銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)由種植前10～40 mg/kg降低到0～10 mg/kg，花椰菜根系主要分布在0～30 cm土層，因此分布在該土層的銨態(tài)氮被植株吸收利用最為明顯。在0～40 cm土層中，T4處理的銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降程度最為明顯，下降了29.19 mg/kg，其次是T1、T3、T2，分別下降23.48、21.97和18.79 mg/kg。

由圖4可見土壤剖面硝態(tài)氮的變化情況。種植前土壤表層(0～40 cm)硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)豐富，收獲后土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有所降低，由種植前53.72～82.28 mg/kg降低到25.44～40.46 mg/kg，其中T1和T4處理硝態(tài)氮含量下降最為明顯，分別下降48.16 mg/kg和41.82 mg/kg。深層土壤(40～120 cm)硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化呈不同的變化規(guī)律，T1和T4處理40～120 cm土層硝態(tài)氮含量分別減小11.04和4.48 mg/kg，而T2和T3處理40～120 cm土層硝態(tài)氮含量分別增加12.37和6.79 mg/kg，這可能是因為T1和T4處理土壤硝態(tài)氮向深層土壤淋失造成的。

圖3 花椰菜種植前(左圖)后(右圖)土壤銨態(tài)氮的縱向分布圖Fig.3 Longitudinal distribution of ammonium-nitrogen in soil before (Left) and after (Right) planting cauliflower

圖4 花椰菜種植前(左圖)后(右圖)土壤硝態(tài)氮的縱向分布圖Fig.4 Lateral distribution of nitrate-nitrogen in soil before (Left) and after (Right) planting cauliflower

2.4 花椰菜根系空間分布規(guī)律

不同滴灌施肥下花椰菜根系空間分布如圖5所示。T3處理的根長密度最大，達(dá)到2.54 cm/cm3， 分布范圍最廣。T3處理在采集土樣區(qū)域中的平均根長密度為1.20 cm/cm3；其次是T2處理，最大根長密度達(dá)到1.36 cm/cm3，平均根長密度為0.88 cm/cm3；T4處理平均根長密度最小，僅為0.62 cm/cm3。從根系分布特征上分析，T1和T3處理根系分布較為均勻，T2處理根系呈現(xiàn)縱向生長的趨勢，T4處理的根系則橫向生長力更為旺盛，這可能是由于灌溉施肥過程中前期灌水導(dǎo)致土壤水分達(dá)到飽和，后期施肥則氮素不容易向深層土壤轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生側(cè)向滲漏，促進(jìn)了根系橫向生長。

圖5 滴灌施肥下花椰菜根系空間分布Fig.5 Spatial distribution of cauliflower’s roots under different fertigation strategies

在垂直方向上，T1中根長密度>1 cm/cm3的區(qū)域深度為21 cm,T2和T3均為30 cm，T4僅為16 cm。根長密度>1.5 cm/cm3的區(qū)域深度為24 cm。在水平方向上，T1中根長密度>1 cm/cm3的區(qū)域深度為14 cm，T2為17.5，T3為30 cm, T4為20 cm。這可能是因為前期施肥處理的施肥時間早，導(dǎo)致氮素向深層土壤移動，根系縱向生長優(yōu)于橫向生長，而后期施肥處理的施肥時間遲，更多的氮素被保留在土壤表層，所以根系分布較淺。

2.5 土壤硝態(tài)氮分布與根長的相關(guān)關(guān)系

圖6 硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與各根長參數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between nitrate-nitrogen content and root length parameters

根長是根系分布研究中的重要參數(shù)，在研究植株根系長度時常用總根長、直徑<2 mm根系根長和直徑<1 mm根系根長等指標(biāo)[20-21]。為了探究土壤氮素分布與花椰菜根系生長的關(guān)系，分別對每10 cm深度土層中(0～30 cm)的各類根長指標(biāo)與對應(yīng)土層土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行相關(guān)分析。圖6表明以上3個根長指標(biāo)與土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有較好的一元線性關(guān)系。其中直徑<2 mm根系根長的擬合效果最好(R2=0.811 8)，其次是直徑<1 mm根系根長(R2=0.781 0)，總根長的擬合效果最差(R2=0.651 1)，說明直徑<2 mm根系根長更能反映土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異性。

3 討論

關(guān)于滴灌施肥對土壤溶質(zhì)運移的影響研究，國內(nèi)外學(xué)者的觀點各有不同：C. M. Cote等[12]運用HYDRUS2D對地下滴管施肥進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在質(zhì)地較粗的土壤條件下單次灌溉施肥過程中先施肥后灌水的灌溉施肥策略對減少氮肥淋失和提高肥料利用效率更有利；侯振安等[11]通過室內(nèi)棉花栽培試驗得到同樣結(jié)論；A.I. Gardenas等[13]則認(rèn)為先施肥后灌水更容易發(fā)生氮素的淋失；Li Jiusheng等[10]通過室內(nèi)土箱試驗發(fā)現(xiàn)中間時段進(jìn)行施肥能夠?qū)⑼寥赖牡刈畲笙薅鹊乇Ａ粼诟鶇^(qū)土壤中，而B. R. Hanson等[14]通過數(shù)值模擬也有類似結(jié)論。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌水施肥過程的中間時段施肥更有利于肥料氮肥保留在根系層，而且其根長密度更大，分布更均勻。模擬或者試驗所采用的土壤質(zhì)地、滴頭流量、灌溉施肥持續(xù)時間和肥料種類等都有可能是造成試驗結(jié)果不一致的原因。C. M. Cote等[12]、A.I. Gardenas等[13]和B. R. Hanson等[14]都是運用HYDRUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬得出的結(jié)果，C. M. Cote等[12]模擬的是地下滴灌情形，而B. R. Hanson等[14]和A.I. Gardenas等[13]模擬的則是地表滴灌條件下的，其中B. R. Hanson等[14]考慮尿素態(tài)氮水解等因素；Li Jiusheng等[10]是通過室內(nèi)的土箱試驗進(jìn)行滴灌試驗，土箱上并未種植作物，其水氮運移規(guī)律并未考慮植物根系的影響；侯振安等[11]的試驗采用的粘壤土，而Li Jiusheng等[10]用的是沙土及沙質(zhì)壤土。本研究是在日光溫室中進(jìn)行，其氣候條件與室內(nèi)土箱試驗差異較大，且溫室土壤在50 cm左右存在黏土層，而模擬和室內(nèi)試驗均是均一土質(zhì)，這都有可能是造成試驗結(jié)果不一致的原因。

已有研究表明:與傳統(tǒng)灌溉施肥方式相比，合理地應(yīng)用滴灌施肥技術(shù)能夠促進(jìn)作物根系向土壤深層生長分布，增加根系與土壤之間的接觸面積[22-24]，這對減少氮淋失和增加水肥利用效率有著重要意義。劉玉春等[21]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)土壤剖面硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與作物根長密度呈正相關(guān)，本研究也同樣表明，花椰菜的各類根長參數(shù)與土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈一元線性正相關(guān)，且細(xì)根根長(直徑<2 mm)與硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的擬合效果更好。

4 結(jié)論

1)滴灌施肥對花椰菜的產(chǎn)量、品質(zhì)以及各部位的氮素累積量影響未達(dá)到顯著水平，綜合產(chǎn)量和各品質(zhì)指標(biāo)，T3處理最優(yōu)；

2)對比種植前后無機氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，其中T4處理在0～30 cm土壤的銨態(tài)氮變化最大，達(dá)到50.23 mg/kg，T4處理在0～40 cm土壤的硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降比例最大，從61.50%下降到34.03%；

3)灌溉施肥過程中前期施肥促進(jìn)根系的縱向生長，后期施肥促進(jìn)根系的橫向生長，其中T3處理的根系分布密度最大，分布范圍最廣，最大根長密度達(dá)到2.54 cm/cm3，平均根長密度為1.20 cm/cm3；

4)土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與各根系根長參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，其中與直徑<2 mm根系根長的擬合效果最好(R2=0.811 8)；

5)綜合產(chǎn)量、品質(zhì)、氮素利用率、根系分布等指標(biāo)，推薦采用2/5W- 1/5N- 2/5W的灌溉施肥方案。