施肥方式和施氮量對枸杞微孔陶瓷根灌土壤水氮分布的影響

韓夢雪，張 林

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌712100）

0 引 言

微孔陶瓷根灌是一種新型灌溉方式，將微孔陶瓷灌水器作為滲水介質(zhì)埋入地下直接向作物根區(qū)供水，借由灌水器內(nèi)外水勢差提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)微壓或零壓灌溉[1-3]，具有節(jié)能、節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，在干旱和半干旱地區(qū)應(yīng)用效果較好[4-6]。水肥一體化通過水分與養(yǎng)分的同步供應(yīng)有效的提高了肥料利用效率，增加作物產(chǎn)量且省時(shí)省工，是目前最為高效的灌溉施肥技術(shù)[7]。

水肥一體化應(yīng)用于滴灌的研究較為豐富成熟，可供于參考借鑒，劉曉麗等[8]對比了不同灌水方式下的濕潤體差異和枸杞產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)根際滴灌的濕潤體分布于枸杞根系密集區(qū)域，有利于降低蒸發(fā)和減少滲漏。劉月等[9]研究表明在微咸水滴灌條件下的枸杞灌水量超過2 850 kg/hm2時(shí)，適宜增施氮肥會(huì)使淺層土壤含水率增大。但將微孔陶瓷根灌同水肥一體化技術(shù)相結(jié)合的研究較少，李邵等[10]在負(fù)壓水頭下采用陶瓷盤供水施肥的研究表明在高水分條件下，提高施肥水平能促進(jìn)黃瓜的植株生長和根系發(fā)育，提高葉片光合速率和根系活力。姜紅娜等[11]將多孔陶瓷盤豎埋于土壤中進(jìn)行灌溉施肥，通過保持各層土壤水分的持續(xù)穩(wěn)定，避免土壤干濕交替所產(chǎn)生的不利影響，有良好的生產(chǎn)效果。董愛紅[12]對不同肥料類型下微孔陶瓷灌水器堵塞影響的研究表明，尿素不會(huì)引起灌水器堵塞，硫酸鉀和復(fù)合肥需配合沖洗措施或較大首部壓力使用。氮是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[13]，在水分充足情況下，春小麥生物量隨施氮量增加而增加[14]，但施氮量過高，會(huì)導(dǎo)致作物徒長、燒苗，甚至出現(xiàn)少花低產(chǎn)等情況，同時(shí)也會(huì)形成硝酸鹽淋失，造成地下水污染，加劇土壤環(huán)境污染[15，16]。灌水和施肥方式不同，會(huì)對土壤水分分布和氮素供應(yīng)產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響作物根系生長發(fā)育，并最終影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[17，18]。

為了揭示微孔陶瓷根灌條件下的土壤水氮分布規(guī)律，本文以青海柴達(dá)木枸杞為研究對象，以地表滴灌處理作為對照，通過小區(qū)灌水試驗(yàn)，分析了微孔陶瓷根灌條件下不同施肥方式和施氮量對土壤水含水率、土壤硝態(tài)氮含量和枸杞產(chǎn)量的影響，以期為微孔陶瓷根灌水肥一體化技術(shù)參數(shù)的確定提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于青海省海西州德令哈市懷頭他拉鎮(zhèn)防沙治沙公司枸杞種植園區(qū)（96°44′E，37°21′N，海拔2 874 m），地處柴達(dá)木盆地東北部，氣候?qū)俑咴珊殿愋?，全年累積積溫為1 909 ℃～2 822 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)＞3 000 h，日照強(qiáng)，但由于熱量散失快，晝夜溫差大，夏季平均晝夜溫差達(dá)到13.1 ℃，冬季氣溫低且降雪量少，無霜期約97 d 左右。多年平均降水量110.3 mm，全年80%～90%的降雨集中在6-8月，降雨量少且分配不均。供試土壤為壤質(zhì)砂土，砂粒含量占70%以上，粘粒不足1%，質(zhì)地疏松且保水性差，容重1.52 g/cm3，田間持水率約為18.0%（體積）。土壤所含營養(yǎng)元素稀少，土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.0 g/kg，速效氮含量108.6 mg/kg、速效磷含量為3.6 mg/kg，速效鉀含量為2.9 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2019年4月底，試種枸杞品種為“寧枸七號(hào)”，樹齡4～5 a，株距和行距分別為0.8 m 和1.2 m。試驗(yàn)因素為施肥方式和施氮量，施肥方式有2個(gè)水平，主要包括穴施和水肥一體化；施氮量有3 個(gè)水平（高、中、低），分別為對照處理（CK）施氮量的100%、80%和60%；CK 為當(dāng)?shù)啬は碌喂唷２捎貌煌耆M合試驗(yàn)，共5個(gè)處理，具體見表1。CK處理選用耐特菲姆超級臺(tái)風(fēng)貼片式滴灌帶，滴頭間距為30 cm，全生育期灌水7次，每次灌水2 h，灌水量約13 mm/h。其余四個(gè)處理均采用微孔陶瓷根灌措施進(jìn)行灌溉，供水水源為體積1.1 m3的水桶，工作壓力水頭為50 cm，微孔陶瓷灌水器間距為0.8 m，埋深30 cm，距離枸杞植株20 cm，滴灌和微孔陶瓷根灌均采用一管一行的布置方式，管道長度40 m。微孔陶瓷根灌處理灌水遵循CK 處理灌溉制度，每當(dāng)CK 處理灌水時(shí)，在供水桶內(nèi)補(bǔ)充等量灌水。

表1 試驗(yàn)處理表Tab.1 Test treatment table

施肥時(shí)，CK 處理通過水肥一體化首部直接供給肥水。水肥一體化微孔陶瓷根灌處理通過20 m 揚(yáng)程水泵加壓施肥，施肥時(shí)長2 h，并在施肥完成后沖洗毛管，防止水肥溶液長時(shí)間滯留于毛管中成生物堵塞。試驗(yàn)區(qū)所用氮肥為尿素，含氮量≥46.4%；磷肥和鉀肥采用均衡型的大量元素水溶肥料（P2O5-K2O+TE）施肥，每公頃施用207 kg。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

（1）土壤含水率測定。以枸杞主干位置為0點(diǎn)，測量位置分別設(shè)在枸杞主干一側(cè)5 cm 處（T1）、20 cm 處（T2）、40 cm 處（T3），及相反一側(cè)-20 cm處（T4），在相應(yīng)測位處埋置Trim管，測管埋深100 cm。用TDR水分測定儀，測量土層0～100 cm深度土壤含水率，每間隔20 cm測定1次，土壤表層0～10 cm土壤水分采用取土烘干法測量后換算成體積含水率。

（2）土壤硝態(tài)氮測定。測點(diǎn)位置與土壤含水率測點(diǎn)相同。在枸杞采收期結(jié)束后取5.0 g土樣品置于200 mL塑料瓶中，加入50 mL KCL，在振蕩機(jī)上振蕩30 min后靜置過濾，使用紫外分光儀測定結(jié)果計(jì)算土壤硝態(tài)氮含量。

（3）產(chǎn)量和氮肥利用效率。各處理隨機(jī)選定12株枸杞，對不同果實(shí)成熟期內(nèi)收獲的干果產(chǎn)量予以累加，計(jì)算得該處理產(chǎn)量Y，kg/hm2。

氮肥利用效率（PNP）可反映土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分水平和氮肥施用量綜合效應(yīng)。計(jì)算如式（1）所示。

式中：PNP 為氮肥利用效率，kg/kg；F為施氮量，kg/hm2。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤含水率分布特征

2.1.1 土壤含水率隨時(shí)間變化規(guī)律

圖1 給出灌溉開始后120 h 內(nèi)距樹干5 cm 處土壤含水率變化特征，從圖1可以看出，微孔陶瓷根灌處理的土壤水分分布與地表滴灌（CK）處理差異較大，滴灌開始后，各土層含水率隨灌溉時(shí)間的增加而迅速上升，在2 h 灌水結(jié)束時(shí)表層土壤含水率停止增長，隨后的118 h 內(nèi)由于土壤水分再分布，各土層土壤含水率呈明顯下降趨勢。然而，同時(shí)段的微孔陶瓷根灌處理的各土層含水率隨時(shí)間變幅較小，一直處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，這主要是因?yàn)槲⒖滋沾晒嗨饕猿掷m(xù)性、小流量的方式濕潤土壤，當(dāng)某一層土壤含水率下降，很快就能得到補(bǔ)充。

有研究表明20～40 cm 土層是枸杞根系分布的高密度區(qū)[19]，0～60 cm 土層基本包括枸杞全部根系，對于不同深度的土層而言，滴灌下的0～60 cm土層平均含水率僅在48 h內(nèi)能保持在田持的85%以上，在85 h 后降至田持的70%以下，水分流失較快，根系吸水受限，若無及時(shí)補(bǔ)水則可能對枸杞生長產(chǎn)生不利影響。微孔陶瓷根灌借由土壤水勢差提供動(dòng)力，灌水穩(wěn)定后各土層土壤含水率隨時(shí)間變幅極小，由于灌水器埋放在土壤表層以下30 cm處，20～40 cm土層含水率相對較大，有利于根系吸水，其中40 cm 土層的含水率可穩(wěn)定維持在田持的85%左右，在0～60 cm土層平均含水率可在整個(gè)生育期維持在田持的60%以上，滿足枸杞全生育期的需水要求，從而促進(jìn)枸杞生長和產(chǎn)量的提高。

2.1.2 土壤含水率距樹干不同位置分布特征

灌水開始后48 h 時(shí)，各處理距樹干不同位置處的土壤含水率分布如圖2所示，微孔陶瓷根灌與滴灌的濕潤體分布區(qū)域有明顯差異，滴灌的土壤水分主要分布在60～80 cm 的土層，土壤含水率超過田持的90%，出水口下方100 cm 的土層含水率超過12.4%，該層含水率較灌溉前土壤含水率（8.4%）增長近47.6%，濕潤體呈現(xiàn)出下移的趨勢，發(fā)深層滲漏，當(dāng)濕潤體下移超過根系主要分布區(qū)域時(shí)，可能不利于根系吸水。這是由于滴灌灌水較集中，而砂性土壤保水能力差，大量灌溉水尚未被枸杞吸收利用就滲漏損失了。

微孔陶瓷根灌由于灌水器埋放于地下30 cm 距作物根系一端20 cm 處，灌溉水從灌水器向周圍土壤擴(kuò)散，當(dāng)灌水器外部土壤含水率上升，內(nèi)外水勢差降低，出流減少，反之灌水器則會(huì)向田間土壤自動(dòng)補(bǔ)水，使得灌水器附近區(qū)域（20～40 cm 區(qū)間） 的土壤含水率均穩(wěn)定維持在田持的75%以上，隨著距灌水器距離增大，土壤含水率逐漸減小，同時(shí)微孔陶瓷根灌處理下80 cm、100 cm 土層的土壤含水率接近未灌水時(shí)的狀態(tài)，深層滲漏現(xiàn)象較少。由于微孔陶瓷根灌處理的濕潤體持續(xù)分布在枸杞根系的密集區(qū)域，水分利用效率較高。

2.2 土壤含氮量變化特征

圖3 為枸杞果實(shí)采收后，不同處理土壤硝態(tài)氮（NO3-N）分布情況，在相同施氮量（100%），不同施肥方式下，滴灌同一深度土層的土壤硝態(tài)氮含量隨著與樹干距離的增加而增長T4＞T3＞T2＞T1，隨著土層深度的增加呈先增大再減小的趨勢，并在50～60 cm 土層出現(xiàn)峰值，這是由于灌溉水在擴(kuò)散過程中，濕潤體邊界上的土壤含水率隨擴(kuò)散距離的增加而降低，硝態(tài)氮濃度則隨土壤含水率的降低而上升，水分的運(yùn)移能力下降，硝態(tài)氮逐漸析出積聚于濕潤體邊界，處于濕潤體邊緣的50～60 cm 土層，其硝態(tài)氮含量最大，而深層土壤由于水分下滲較少，運(yùn)移過去硝態(tài)氮的減少，故深層的硝態(tài)氮含量最低。微孔陶瓷根灌灌水，穴施施肥（AF）和微孔陶瓷根灌水肥一體化（F1）處理由于施氮量與CK 相同，土壤硝態(tài)氮含量分布遵循上述規(guī)律，施肥方式對硝態(tài)氮分布無明顯影響。

在相同施肥方式不同施氮量下，以初始土壤硝態(tài)氮含量為基準(zhǔn)線，可以看出采收期后的土壤硝態(tài)氮含量隨著施氮量的降低明顯下降（F1＞F2＞F3），同時(shí)中氮（F2）和低氮（F3） 處理下的硝態(tài)氮分布規(guī)律與高氮（F1） 處理有明顯差別，同一土層硝態(tài)氮含量分布更均勻的同時(shí)峰值所在土層也較高氮處理土層加深20 cm，這是由于施氮量的降低使得氮肥濃度下降，氮肥析出邊界直徑增大，氮肥積聚的深度得到增加。

2.3 產(chǎn)量、氮肥利用效率

各處理產(chǎn)量及氮肥利用效率結(jié)果如圖4所示，在相同施肥量不同施肥方式下的產(chǎn)量表現(xiàn)為微孔陶瓷根灌灌水，穴施施肥（AF）＞微孔陶瓷根灌水肥一體化（F1）＞滴灌處理（CK）且差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），其中AF 處理較CK 處理增產(chǎn)20.3%，F(xiàn)1 處理較CK 處理增產(chǎn)10.9%，在相同施肥量下微孔陶瓷根灌處理由于持續(xù)小流量出流的供水特性，提供相對穩(wěn)定的土壤含水率和足量的運(yùn)移介質(zhì)，有利于提高枸杞產(chǎn)量，但F1 處理可能是由于灌水器施用復(fù)合肥堵塞導(dǎo)致施入土壤肥量減少[12]，從而小于AF 處理產(chǎn)量；相同施肥方式不同施氮量下的產(chǎn)量表現(xiàn)為高氮（F1）＞中氮（F2）＞低氮（F3）（P＜0.05），F(xiàn)2 和F3 處理產(chǎn)量分別為F1 處理的87.7%和79.7%，相同施肥方式不同施氮量下的產(chǎn)量隨施氮量減少而下降。

氮肥利用效率（PNP）可反應(yīng)當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分和氮肥施用量的綜合效應(yīng)，由式（1）可知相同施氮量不同施肥方式下的PNP 與產(chǎn)量規(guī)律相同，微孔陶瓷根灌措施下的PNP 均高于CK 處理，使用微孔陶瓷根灌措施灌水施肥可提高PNP；相同施肥方式不同施氮量下PNP 表現(xiàn)為F3＞F2＞F1（P＜0.05），PNP 隨著施氮量得減少而增長，推測是微孔陶瓷根灌措施持續(xù)濕潤土壤的效果近似于CK 處理增大灌水量來維持土壤含水率，但水肥耦合存在閾值反應(yīng)，高于閾值時(shí)，增產(chǎn)作用減小[20]，在番茄等其他作物的水氮實(shí)驗(yàn)中也存在高水平灌水時(shí)降低施肥能夠提高肥料利用效率的現(xiàn)象[21]，這與本研究結(jié)論基本一致。

3 結(jié) 論

（1）微孔陶瓷根灌措施下的濕潤體持續(xù)穩(wěn)定的分布于枸杞根系的高密度區(qū)，降低滲漏損失的同時(shí)有利于根系吸水。

（2）在微孔陶瓷根灌措施下進(jìn)行減氮處理會(huì)引起土壤硝態(tài)氮含量的降低，但可使土壤硝態(tài)氮量分布更均勻。

（3）在施氮量相同情況下，微孔陶瓷根灌穴施施肥和微孔陶瓷根灌水肥一體化處理分別較地表滴灌處理增產(chǎn)20.3%、10.9%；微孔陶瓷根灌水肥一體化進(jìn)行減氮處理時(shí)，中氮和低氮處理的產(chǎn)量分別為高氮處理產(chǎn)量的87.7%和79.7%。因此，枸杞微孔陶瓷根灌時(shí)，建議采用穴施施肥方式，施氮量為390 kg/hm2，這樣有利于枸杞獲得較高的產(chǎn)量。