水氮耦合對菘藍(lán)耗水和土壤水分的影響

王玉才，何秀成，王澤義，巴玉春，張昌隴，韓 祎，李福強(qiáng)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省民樂縣洪水河管理處，甘肅 民樂734503)

0 引言

水資源匱乏已經(jīng)成為制約西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高水分利用效率顯得非常重要。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中水分循環(huán)受到灌水和施氮重要影響，灌水和施氮影響著作物的耗水量，合理的灌水和施氮能緩解干旱和養(yǎng)分脅迫，增大光合面積和光合速率，增加產(chǎn)量和品質(zhì)，進(jìn)而提高水分和氮素的利用效率[1]。隨灌水量的增加，作物耗水量增大，主要是增加了農(nóng)業(yè)灌水的消耗，褚鵬飛等[2]的研究驗證了此觀點。施用氮肥對作物耗水量的影響，不同學(xué)者的觀點不一致。段文學(xué)等[3]認(rèn)為施氮處理的農(nóng)田耗水量要顯著高于不施氮處理。而劉青林等[4]則認(rèn)為不同氮處理間的農(nóng)田耗水量差異不顯著。

在西北干旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，灌水和施氮是限制作物高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[5-9]。高產(chǎn)高效是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求的主要目標(biāo)，合理的灌水和施肥是實現(xiàn)作物高產(chǎn)高效的重要手段。菘藍(lán)作為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶大面積栽培的藥用經(jīng)濟(jì)作物，需水量較小，但是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶普遍采用大水漫灌和大量施肥的種植模式以獲取菘藍(lán)高產(chǎn)量和高收益，灌水量大且水分利用效率(WUE)很低，特別是過量施用氮肥導(dǎo)致硝態(tài)氮的淋溶和積累，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，進(jìn)而威脅祁連山生態(tài)保護(hù)屏障。在前人研究的基礎(chǔ)上，通過研究河西綠洲灌區(qū)水氮配施對菘藍(lán)耗水特性及土壤水分動態(tài)變化的影響，提出水氮耦合條件下菘藍(lán)高效節(jié)水的需水規(guī)律，探索當(dāng)?shù)剌克{(lán)節(jié)水、減氮種植管理模式，以期為西北干旱區(qū)菘藍(lán)的高產(chǎn)高效種植提供理論依據(jù)[10-11]。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018和2019年4—10月在甘肅省張掖市民樂縣益民灌溉試驗站(100°43′E，38°39′N)進(jìn)行。該試驗區(qū)屬大陸性荒漠草原氣候，海拔約1 970 m，年均氣溫6.0 ℃，≥0 ℃積溫3 500 ℃，≥10 ℃有效積溫2 985 ℃，極端最高溫度37.8 ℃，極端最低溫度-33.3 ℃，年平均日照時間3 000 h，平均無霜期125 d。據(jù)1995—2016年降雨資料，該地區(qū)年平均降雨量為215 mm，降水少且變率大，供需矛盾突出，干旱頻繁。試驗地土壤為輕壤土，pH值為7.22，耕層土壤田間最大持水量為24%，土壤容重1.4 g/cm3。試驗區(qū)地下水位埋深較深，鹽堿化影響較小。

1.2 供試材料

試驗選用當(dāng)?shù)刂胁菟幒献魃缣峁┑牧４箫枬M、均勻一致的菘藍(lán)種子，種子純度96.0%，種子千粒質(zhì)量9.956 g，凈度88.6%，發(fā)芽率87.6%。試驗用氮肥為甘肅劉化(集團(tuán))有限責(zé)任公司生產(chǎn)的尿素，純N含量46%；磷肥為云南省個舊市大通磷化工廠生產(chǎn)的過磷酸鈣，P2O5含量16%；鉀肥為山東華利化肥有限公司生產(chǎn)的硫酸鉀，K2O≥52%。滴灌帶滴頭間距30 cm，滴頭流量為2.5 L/h，正常灌水壓力0.1 MPa。地膜采用寬120 cm、厚0.08 mm的白色農(nóng)用地膜。

1.3 試驗設(shè)計

采用二因素裂區(qū)設(shè)計，灌水量為主處理，施氮量為副處理，灌水量(W)和氮肥用量(N)各3個水平，分別為W1(土壤含水量為田間持水量的60%～70%)、W2(土壤含水量為田間持水量的70%～80%)、W3(土壤含水量為田間持水量的80%～90%)；N1(150 kgN/hm2)、N2(200 kgN/hm2)、N3(250 kgN/hm2，該區(qū)農(nóng)戶普遍氮肥施用量)，對照CK不灌水、不施氮，共10個處理，每個處理3次重復(fù)，共30個小區(qū)。小區(qū)長8 m，寬3.75 m，面積為30 m2，試驗有效種植面積為900 m2。種植密度80萬株/hm2，每小區(qū)保苗數(shù)約為240株。試驗設(shè)計如表1所示。

表1 菘藍(lán)水氮調(diào)控的試驗處理Tab.1 Treatment of water-nitrogen interaction experiment

1.4 土壤水分測定指標(biāo)與方法

土壤水分在播前和收獲后分別用烘干法測定，測深為160 cm，每20 cm為一個層次。菘藍(lán)每個生育期測定1次土壤水分，澆水前后加測一次土壤水分，其中0～20、20～40和40～60 cm用烘干法測定，在 105 ℃烘干8 h至恒質(zhì)量，計算土壤含水量。使用503DR型中子水分儀測定60 cm以下土層的土壤含水量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用EXCEL 2010對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，利用SPSS 19.0軟件中Duncan多重比較法比較各處理相關(guān)數(shù)據(jù)差異的顯著性，各表中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)均為平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 菘藍(lán)全生育期氣象因子

外界栽培環(huán)境對作物產(chǎn)量有重要的影響，尤其是光、溫、水等氣象條件對作物產(chǎn)量的影響極大，而氣象資料恰好能夠幫助農(nóng)戶更好地掌握氣象動態(tài)變化，從而采取有針對性的栽培管理模式加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，預(yù)防各種氣象災(zāi)害，實現(xiàn)穩(wěn)定農(nóng)民增收的目標(biāo)。本試驗于2018年和2019年連續(xù)兩年在張掖市民樂縣益民灌溉試驗站進(jìn)行，2018年和2019年菘藍(lán)全生育期的試驗站主要氣象數(shù)據(jù)如表2所示。菘藍(lán)全生育期，平均氣溫14.7～14.8℃，極端最高氣溫26.6～27.4℃，極端最低的溫度-0.6～1.9℃，降雨量126.0～253.9 mm，日照時間1 365.5～1 414.2 h，蒸發(fā)量1 170～1 193 mm，地表溫度18.0～18.4 ℃。

表2 2018—2019年菘藍(lán)全生育期氣候環(huán)境狀況Tab.2 Environmental conditions of Isatis indigotica Fort.plant in 2018—2019

2.2 土壤水分動態(tài)變化

由圖1可以看出，隨著菘藍(lán)生育期的推進(jìn)，水氮處理0～160 cm土層土壤貯水量呈鋸齒狀降低趨勢，菘藍(lán)的生長發(fā)育是一個消耗土壤貯水的過程。外界環(huán)境降水、灌水量越多，鋸齒狀越劇烈，0～160 cm土層土壤貯水量變化量越大。灌水和施氮顯著影響0～160 cm土層土壤貯水量，增加灌水量，0～160 cm土層土壤貯水量隨之遞減，表現(xiàn)為低水(W1)>中水(W2)>高水(W3)處理，增加灌水增加了菘藍(lán)對土壤貯水的消耗，產(chǎn)生高灌水對應(yīng)低貯水量的變化規(guī)律。增加施氮量，0～160 cm土層土壤貯水量先增加后減小，表現(xiàn)為中氮(N2)>高氮(N3)>低氮(N1)處理，當(dāng)施氮量在0～200 kg/hm2范圍內(nèi)，增施氮肥，0～160 cm土層土壤貯水量增加，0～160 cm土層土壤貯水消耗量減少，可見，適當(dāng)增施氮肥可以減小土壤貯水消耗量，水氮之間存在明顯的正交互作用。當(dāng)施氮量超過200 kg/hm2時，增施氮肥，0～160 cm土層土壤貯水量減小，0～160 cm土層土壤貯水消耗量增加，過量施氮增加了土壤貯水消耗量，水氮之間存在明顯的負(fù)交互作用。

圖1 不同處理對0～160 cm土層土壤貯水量變化的影響Fig.1 Effect of different treatments in soil water storage in 0～160 cm soil layer

2.3 菘藍(lán)總耗水量和不同來源水分占比

作物耗水來源由降水、灌水和土壤貯水變化量3部分組成，作物耗水去向為作物自身吸收和以蒸散方式消耗的水分兩種方式，蒸散包括土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，本試驗田為全膜覆蓋種植模式，以土壤蒸發(fā)方式散失到空氣中的水分很少，可以忽略。

2.3.1 菘藍(lán)生育期總耗水量

由圖2可以看出，灌水和施氮對菘藍(lán)生育期總耗水量有顯著影響，同一灌水水平下，菘藍(lán)總耗水量隨著施氮量的增加先減小后增加，表現(xiàn)為N1>N3>N2，且不同處理間的差異顯著(P<0.05)，低灌水(W1)水平下，N2較N3處理總耗水量降幅為0.8%～1.1%，N2較N1處理總耗水量降幅為2.0%～2.8%；中灌水(W2)水平下，N2較N3處理總耗水量降幅為1.1%～1.5%，N2較N1處理總耗水量降幅為2.6%～3.7%；高灌水(W3)水平下，N2較N3處理總耗水量降幅為1.3%～2.2%，N2較N1處理總耗水量降幅為3.1%～4.9%。

圖2 不同處理對菘藍(lán)總耗水量的影響Fig.2 Effect of different treatments on total water consumption

同一施氮水平下，總耗水量隨著灌水的增加而增加，表現(xiàn)為W3>W2>W1，且不同處理間的差異顯著(P<0.05)，低氮(N1)水平下，W3較W2處理總耗水量增幅為15.3%～16.2%，W2較W1處理總耗水量增幅為13.3%～17.6%；中氮(N2)水平下，W3較W2處理總耗水量增幅為14.7%～14.8%，W2較W1處理總耗水量增幅為12.5%～16.4%；高氮(N3)水平下，W3較W2處理總耗水量增幅為15.0%～15.7%，W2較W1處理總耗水量增幅為12.9%～16.9%。高水低氮(W3N1)處理總耗水量最高，值分別為442.2～442.8 mm，低水中氮(W1N2)處理總耗水量最低，值分別為314.7～333.4 mm和39.5～63.7 mm，中水中氮(W2N2)較高水高氮(W3N3)總耗水量降幅達(dá)13.7%～14.8%，節(jié)水減氮顯著降低了菘藍(lán)生育期總耗水量。

2.3.2 耗水來源及占比

由表3和表4可以看出，灌水和施氮對0～160 cm土層土壤貯水消耗量有顯著影響，同一灌水水平下，0～160 cm土層土壤貯水消耗量隨著施氮量的增加先減小后增加，表現(xiàn)為N1>N3>N2，且不同處理間的差異顯著(P<0.05)。低灌水(W1)水平下，N2較N3處理總耗水量降幅為5.1%～6.2%，N2較N1處理總耗水量降幅為12.3%～14.5%。中灌水(W2)水平下，N2較N3處理總耗水量降幅為6.7%～8.2%，N2較N1處理總耗水量降幅為15.8%～18.1%。高灌水(W3)水平下，N2較N3處理總耗水量降幅為9.2%～9.5%，N2較N1處理總耗水量降幅為19.3%～19.7%。

表3 不同處理對0～160 cm土層土壤貯水量水分來源及其占比的影響(2018年)Tab.3 Effect of source of water consumed and its proportion to total water consumption under different treatments(2018)

表4 不同處理對0～160 cm土層土壤貯水量水分來源及其占比的影響(2019年)Tab.4 Effect of source of water consumed and its proportion to total water consumption under different treatments(2019)

同一施氮水平下，0～160 cm土層土壤貯水消耗量隨著灌水的增加而增加，表現(xiàn)為W3>W2>W1，且不同處理間的差異顯著(P<0.05)。低氮(N1)水平下，W3較W2處理總耗水量增幅為24.2%～24.5%，W2較W1處理總耗水量增幅為22.1%～23.3%。中氮(N2)水平下，W3較W2處理總耗水量增幅為19.0%～22.1%，W2較W1處理總耗水量增幅為17.0%～18.4%；高氮(N3)水平下，W3較W2處理總耗水量增幅為22.6%～23.5%，W2較W1處理總耗水量增幅為19.5%～20.4%。

高水低氮(W3N1)處理0～160 cm土層土壤貯水消耗量為68.9～111.2 mm，低水中氮(W1N2)處理總耗水量最低，值為39.5～63.7 mm，中水中氮(W2N2)較高水高氮(W3N3)0～160 cm土層土壤貯水消耗量降幅達(dá)23.9%～25.6%，節(jié)水減氮顯著降低了播種前至收獲時0～160 cm土層土壤貯水消耗量。增加灌水量，灌溉水和土壤貯水消耗量在菘藍(lán)總耗水量中的占比升高；增加施氮量，灌溉水在菘藍(lán)總耗水量中的占比先升高后降低，土壤貯水消耗量在菘藍(lán)總耗水量中的占比先降低后升高；灌水和施氮間存在明顯的交互效應(yīng)。

2.4 耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)

由表5和表6可以看出，灌水和施氮對菘藍(lán)各生育期階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)均有顯著影響，隨著菘藍(lán)生育進(jìn)程的推進(jìn)，菘藍(lán)各生育期階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)均表現(xiàn)為低、高、低、再低的變化趨勢。在苗期，作物植株較小，菘藍(lán)階段耗水量和耗水強(qiáng)度較小，階段耗水模系數(shù)為7.2%～8.1%。進(jìn)入營養(yǎng)生長期，隨著植株快速生長的需要，菘藍(lán)階段耗水量和耗水強(qiáng)度隨之增大，階段耗水模系數(shù)為54.2%～60.5%。肉質(zhì)根生長期菘藍(lán)生長轉(zhuǎn)入地下部分，生長放緩，菘藍(lán)階段耗水量和耗水強(qiáng)度隨之降低，階段耗水模系數(shù)為21.5%～24.3%。到肉質(zhì)根成熟期，作物明顯衰老，菘藍(lán)階段耗水量和耗水強(qiáng)度隨之快速降低，階段耗水模系數(shù)為11.1%～14.0%。

表5 不同處理下菘藍(lán)各生育階段的耗水特性(2018年)Tab.5 Water consumption characteristics of Isatis at different growth stages under different treatments(2018)

表6 不同處理下菘藍(lán)各生育階段的耗水特性(2019年)Tab.6 Water consumption characteristics of Isatis at different growth stages under different treatment(2019)

同一灌水水平下，菘藍(lán)各生育期耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)隨著施氮量的增加先減小后增加，表現(xiàn)為N1>N3>N2。苗期W2水平下，N2較N3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的降幅依次為13.0%～13.3%、12.8%～13.5%、0.3%～12.1%。營養(yǎng)生長期W2水平下，N2較N3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的增幅依次為4.1%～14.0%、3.8%～14.5%、1.4%～4.1%。肉質(zhì)根生長期W2水平下，N2較N3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的降幅依次為7.3%～10.5%、6.8%～11.5%、14.2%～15.1%。肉質(zhì)根成熟期W2水平下，N2較N3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的降幅依次為14.2%～15.1%、12.8%～13.5%、2.3%～10.9%。

同一施氮水平下，菘藍(lán)各生育期耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)隨著灌水量的增加而增加，表現(xiàn)為W3>W2>W1。苗期N2水平下，W2較W3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的降幅為10.5%～13.1%、12.8%～13.5%、0.3%～2.8%。營養(yǎng)生長期N2水平下，W2較W3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的降幅為14.0%～15.4%、12.6%～13.1%、0.9%～1.4%。肉質(zhì)根生長期N2水平下，W2較W3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的降幅為14.0%～15.4%、12.6%～13.1%、1.7%～4.6%。肉質(zhì)根成熟期N2水平下，W2較W3階段耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)的降幅為15.1%～23.2%、12.6%～21.1%、2.3%～5.8%。

3 討論

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，緩解水資源匱乏的措施是提高水分利用效率，而且水肥耦合對大豆棵間水分高效利用效果顯著[12]。王田濤等[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨著灌水量增加，作物的水分利用效率隨之顯著降低，節(jié)水40%處理的紫花苜蓿水分利用效率5.56 kg/(hm2·mm)顯著低于節(jié)水20%處理13.86 kg/(hm2·mm)和常規(guī)灌溉12.60 kg/(hm2·mm)。本試驗研究結(jié)果表明，水分調(diào)虧程度將會影響菘藍(lán)全生育階段的耗水量，而且隨水分脅迫程度的增加，菘藍(lán)全生育階段消耗的水量減少的愈加顯著。馮福學(xué)等[14]在燕麥試驗上表明，水氮耦合對燕麥水分利用及產(chǎn)量具有顯著互作效應(yīng)，隨灌水量增加，燕麥水分利用效率顯著降低。李世清等[15]研究表明，在旱地條件下，水分利用效率亦隨施肥量的增加相應(yīng)提高，且施氮肥更有利于提高作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的水分利用效率。聞磊等[16]研究表明，春小麥的水分利用效率(WUE)、灌溉水利用效率(IWUE)隨著施氮量的增加均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，N2水分利用效率(180 kg/hm2)明顯大于N1(120 kg/hm2)和N3(240 kg/hm2)處理。尹光華等[17]的研究表明，灌水和施氮顯著影響著作物的水分利用效率，灌水的作用大于施氮；其中，施氮量對增加作物水分利用效率表現(xiàn)為正效應(yīng)，而灌水量對增加作物水分利用效率表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)。作物在水肥互作條件下，灌水和施氮對作物水分和氮素的利用均表現(xiàn)出正交互作用。本研究發(fā)現(xiàn)，水分和氮素的共同作用下，水分和氮素在土壤中的運(yùn)移相互影響，從而引起菘藍(lán)耗水量的變化和土壤貯水量的變化。

本研究發(fā)現(xiàn)，灌水和施氮顯著影響著土壤剖面貯水、菘藍(lán)耗水特性和土壤水的平衡。同一施氮水平下，菘藍(lán)總耗水量與灌水消耗量隨著灌水量的增加而增加，降水消耗量反而減小，這與馬興華等[18]在小麥上的研究結(jié)果基本一致。同樣表明，同一施氮水平下，增加灌水量并不利于菘藍(lán)對自然降水和土壤貯水的利用，一定程度的干旱和適量灌水條件下，施氮會促進(jìn)菘藍(lán)對0～160 cm土層土壤貯水的利用，降低對灌水及天然降水的依賴。同一灌水水平下，菘藍(lán)耗水量和土壤貯水消耗量均隨施氮量的增加先增后減。

邱新強(qiáng)等[19]研究表明，灌水水平下不同程度的水分脅迫使夏玉米各生育期的階段耗水量和耗水強(qiáng)度較CK均普遍降低，其中輕旱處理降幅最小，重旱處理降幅最大。張步翀[20]研究表明，在河西春小麥生長旺盛期的抽穗-灌漿階段，耗水強(qiáng)度達(dá)到最大，此剩余階段也是水分敏感期。本研究也有相近發(fā)現(xiàn)，菘藍(lán)的需水規(guī)律為苗期最小、營養(yǎng)生長期和肉質(zhì)根生長期最大、肉質(zhì)根成熟期居中。

4 結(jié)論

(1)菘藍(lán)生長發(fā)育是一個消耗土壤貯水的過程，適當(dāng)增施氮肥可以減小土壤貯水消耗量，過量施氮增加了土壤貯水消耗量，灌水和施氮間存在明顯的交互效應(yīng)。

(2)同一灌水水平下，菘藍(lán)各生育期耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)隨著施氮量的增加先減小后增加，表現(xiàn)為N1>N3>N2；同一施氮水平下，菘藍(lán)各生育期耗水量、耗水強(qiáng)度和耗水模系數(shù)隨著灌水量的增加而增加，表現(xiàn)為W3>W2>W1。過量灌水和過量施氮均會增加菘藍(lán)生育期總耗水量，浪費水資源的同時降低了水分利用率；節(jié)水減氮有利于降低總耗水量和產(chǎn)生灌水和施氮耦合的正交互效應(yīng)。