大棚黃瓜滴灌水肥一體化土壤硝態(tài)氮分布特征

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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