河套灌區(qū)控制排水對(duì)氮素流失與利用的影響

竇 旭 史海濱 李瑞平 苗慶豐 田 峰 于丹丹

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.高效節(jié)水技術(shù)裝備與水土環(huán)境效應(yīng)內(nèi)蒙古工程研究中心， 呼和浩特 010018)

0 引言

暗管排水技術(shù)得到廣泛認(rèn)可，并且有著悠久的歷史[1-4]。農(nóng)田暗管排水使原本潮濕而無(wú)法耕種的土壤變得適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并且使得該地區(qū)農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展[5]。隨著科技的進(jìn)步，暗管排水在干旱地區(qū)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，該技術(shù)提高土壤通透性，確保植物生長(zhǎng)[6]，較明溝排水技術(shù)排水效果好，并且提高了田間土地利用效率，改善了田間交通能力，為進(jìn)行耕作、種植和收獲等實(shí)地作業(yè)提供了通道[7]。暗管排水強(qiáng)度的增加使排出的水體中富含大量的氮素，對(duì)地表水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，使得排水中養(yǎng)分濃度過(guò)高[8]，尤其在農(nóng)田灌溉時(shí)期，將土壤中的養(yǎng)分排出土體，降低了肥料利用，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)受限[9-10]。因此，利用控制排水系統(tǒng)減輕不必要的養(yǎng)分流失和減小環(huán)境污染是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[11-12]?？刂婆潘ㄟ^(guò)調(diào)整排水出口的高程，來(lái)控制水位和出流量，從而減少土壤中水分和養(yǎng)分流失[13-14]，控制排水技術(shù)已成為減少農(nóng)田氮素?fù)p失的有效方法[15-17]。

有關(guān)控制排水的研究在國(guó)內(nèi)外不斷增多。國(guó)外學(xué)者利用暗管控制排水技術(shù)對(duì)土壤氮素[18]、作物產(chǎn)量[19]以及排水量[7，18-20]進(jìn)行了大量研究。國(guó)內(nèi)也有較多關(guān)于控制排水的研究[21-23]，袁念念等[21]研究表明，分生育階段進(jìn)行控制排水可減小田間地下水位波動(dòng)，能穩(wěn)定田間氮素形態(tài)、減少氮素流失。殷國(guó)璽等[23]研究表明，控制排水措施有效地降低了排水中氮濃度，減少了排水量，從而減少了氮流失量39.1%～53.2%。并且以控制排水氮濃度和土壤入滲為目標(biāo)函數(shù)，建立了既減少氮流失又防止?jié)碀n的多目標(biāo)控制排水模型，探討了最優(yōu)的地表控制排水時(shí)間。

控制排水是一種新型農(nóng)田排水管理措施，大量研究結(jié)果表明通過(guò)該措施可以減少農(nóng)田排水量，從而減少氮素流失量[19-23]。河套灌區(qū)土壤鹽漬化嚴(yán)重，造成土壤滲透性很差，一般油葵生長(zhǎng)后期，不能進(jìn)行灌溉，否則會(huì)造成嚴(yán)重的死苗現(xiàn)象，因此，采用控制排水可為油葵生長(zhǎng)后期提供適宜的水分和養(yǎng)分。北方地區(qū)不同于南方地區(qū)的暗管排水降漬，水鹽從淋洗入滲到進(jìn)入暗管再到排出暗管的運(yùn)移過(guò)程也不同于南方地區(qū)，同時(shí)河套灌區(qū)受到水資源短缺和土壤次生鹽漬化的雙重威脅，如何實(shí)現(xiàn)脫鹽排鹽的同時(shí)提高水分、養(yǎng)分利用效率，并減少對(duì)環(huán)境的污染，是灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的最大挑戰(zhàn)。本研究重點(diǎn)探討河套灌區(qū)中度鹽漬化土壤不同排水方式對(duì)土壤中氮素含量、氮素流失、氮素吸收利用的影響，深入了解排水方式對(duì)“土壤-作物-環(huán)境”系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)一步分析作物產(chǎn)量、氮肥利用效率及作物收獲后土壤中氮素殘留等的影響，以尋求農(nóng)田最佳排水方式，減少環(huán)境污染的同時(shí)提高肥料利用效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)田位于河套灌區(qū)下游烏拉特灌域內(nèi)(40°45′28″N、108°38′16″E，海拔1 018.88 m)，為暗管排水綜合試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)于2020年5—10月進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處中溫帶大陸性氣候區(qū)，氣溫多變，干燥多風(fēng)，日照充足，光能豐富，降水少，蒸發(fā)強(qiáng)，無(wú)霜期較短。多年平均氣溫6～8℃；多年平均降雨量196～215 mm、蒸發(fā)量2 172.5 mm、無(wú)霜期130 d、風(fēng)速2.5～3 m/s、日照時(shí)數(shù)3 230.9 h；最大凍土深度為1.2 m。屬于典型的干旱地區(qū)。油葵生育季(5—9月)有效降雨量為227.8 mm(圖1)。

1.2 土壤性質(zhì)

利用環(huán)刀在1 m土層內(nèi)土壤剖面上取原狀土后在室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)土壤容重、飽和(質(zhì)量)含水率、田間持水率、飽和導(dǎo)水率，共6層(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)，各剖面取3個(gè)重復(fù)。初始土壤剖面(0～100 cm)平均質(zhì)量含水率約為22.57%，電導(dǎo)率(EC1∶5)為1.27 dS/m，pH值為8.8左右，根據(jù)土壤鹽漬化等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[24]，屬于中度鹽漬化土壤。試驗(yàn)區(qū)土壤基本物理性質(zhì)如表1所示。土壤基礎(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量比分別為13.54 g/kg、0.85 g/kg、86 mg/kg、9.432 mg/kg、218 mg/kg。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical properties in experimental area

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇田間小區(qū)進(jìn)行，設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，生育期控制排水深度分別為40 cm(K1)、70 cm(K2)、100 cm(K3)，選擇明溝排水作為對(duì)照處理(CK)。其中暗管排水試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)小區(qū)布設(shè)2根暗管，暗管埋深100 cm，間距20 m，管徑為80 mm，坡度為0.1%。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)40 m，寬30 m，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)間隔10 m，并在小區(qū)周圍設(shè)有保護(hù)帶，埋設(shè)1 m深聚氯乙烯塑料布隔離，防止相互干擾。對(duì)照選擇當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)明溝排水，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)排水溝深1.5 m，間距100 m。播種前對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了激光平地和鹽堿地改良，試驗(yàn)區(qū)土壤中加入脫硫石膏(30 t/hm2)置換土壤吸附的有害鈉離子；施加細(xì)沙(沙丘沙，85.05 m3/hm2)改善土壤通透性，改變土壤性質(zhì)。暗管排水小區(qū)土壤采樣點(diǎn)位布設(shè)在距暗管0、2.5、5、10 m，對(duì)照區(qū)土壤采樣點(diǎn)位布設(shè)在距排水溝0.4、12.5、25、50 m處。每個(gè)點(diǎn)取3次重復(fù)，每隔10 d采集1次，灌水與降雨前后加測(cè)。具體布設(shè)如圖2(B為暗管間距、L為暗管長(zhǎng)度)所示。

2020年5月20日春灌，灌水量為2 050 m3/hm2，6月1日人工施底肥播種，供試作物為油料向日葵(簡(jiǎn)稱油葵)，品種為澳33，行距60 cm，株距20 cm，施肥量為尿素(含N 46%)130 kg/hm2，磷酸二銨(含N 18%、P2O544%)290 kg/hm2，硫酸鉀(含K2O 50%)150 kg/hm2，施肥后立即覆蓋地膜進(jìn)行人工點(diǎn)播，播種后穴口用細(xì)砂覆蓋，種植密度4.95×104株/hm2。7月18日油葵現(xiàn)蕾期灌水9 000 m3/hm2，追肥尿素130 kg/hm2，9月29日收獲，油葵生育期劃分為：苗期(6月10日—7月12日)、現(xiàn)蕾期(7月13日—8月4日)、開(kāi)花期(8月5—26日)、成熟期(8月27日—9月28日)、收獲期(9月29日)。灌溉水為黃河水，礦化度約為0.67 g/L，灌溉水通過(guò)水泵抽取，灌水量用水表計(jì)量與控制。

1.4 數(shù)據(jù)采集與測(cè)定方法

1.4.1土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量

土壤養(yǎng)分主要測(cè)定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用氯化鉀溶液提取-分光光度計(jì)法測(cè)定。

1.4.2產(chǎn)量及植株氮素含量

油葵成熟時(shí)，在各小區(qū)非邊行選取標(biāo)準(zhǔn)樣株20株，單獨(dú)收獲考種測(cè)產(chǎn)。用H2SO4-H2O2消煮，靛酚藍(lán)比色法測(cè)定油葵植株氮素含量[25]，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中NHI——氮收獲指數(shù)，%

GN——籽粒吸氮量，kg/hm2

PN——植株吸氮量，kg/hm2

PFPN——氮肥偏生產(chǎn)力，kg/kg

Y——油葵產(chǎn)量，kg/hm2

F——肥料純養(yǎng)分N的投入量，kg/hm2

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算及分析方法

采用Excel整理數(shù)據(jù)和制圖，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 排水方式對(duì)土壤氮素含量的影響

2.2 排水方式對(duì)氮素流失的影響

3．用法用量[33]：推薦PEI患者餐中服用胰酶制劑，效果優(yōu)于餐前或餐后服用[39]。胰酶制劑用量主要取決于其所含的脂肪酶量，成人推薦初始劑量為25 000～40 000 IU脂肪酶/餐，如療效不佳，可依個(gè)體增加劑量，最大劑量可用至75 000～80 000 IU脂肪酶/餐(40 000 IU/正餐，2 000 IU/小食)。兒童可給予500～4 000 IU脂肪酶/g膳食脂肪。嬰幼兒推薦500～1 000 IU脂肪酶/g膳食脂肪。嬰幼兒也可予2 000～4 000 IU脂肪酶/母乳喂養(yǎng)或120 ml嬰幼兒配方奶粉。嬰幼兒和兒童的推薦最大劑量為10 000 IU脂肪酶/(kg·d)。

2.3 排水方式對(duì)氮素吸收利用與作物產(chǎn)量的影響

由表2可以看出，不同排水方式植株吸氮量存在不同差異，暗管排水處理隨著生育期控制排水深度的增加，植株吸氮量明顯減少，其中K1處理植株吸氮量最大，較K2、K3、CK處理顯著增加17.54%、39.08%、23.47%(P<0.05)，K2處理較K3處理顯著增加18.33%(P<0.05)。CK處理植株吸氮量較K1、K2處理低19.00%、4.80%，與K1處理存在顯著差異(P<0.05)。K3處理由于排水量和氮素流失相對(duì)較大，導(dǎo)致植株吸氮量較小。不同排水方式對(duì)氮收獲指數(shù)的影響與植株吸氮量相比差異性較小，其中K1、K2處理氮收獲指數(shù)顯著高于K3處理和CK處理，K1、K2處理較K3、CK處理高15.82%～29.83%(P<0.05)。K1、K2處理對(duì)促進(jìn)氮收獲指數(shù)增加有積極作用。

表2 不同排水方式氮素利用效率及產(chǎn)量Tab.2 Nitrogen utilization efficiency and yield of different drainage methods

氮肥偏生產(chǎn)力由大到小依次為K1、K2、K3、CK，控制排水處理(K1、K2)提高氮肥偏生產(chǎn)力3.04%～11.15%，提高了養(yǎng)分吸收量。其中K1處理氮肥偏生產(chǎn)力最大，顯著高于其他處理，分別較K2、K3、CK處理增加4.54%、7.72%、11.15%(P<0.05)。不同排水方式對(duì)作物產(chǎn)量具有較大的影響(表2)，K1能顯著提高玉米產(chǎn)量(P<0.05)，較K2、K3、CK處理分別增加4.52%、7.69%、11.14%，同時(shí)K2處理產(chǎn)量顯著高于K3、CK處理(P<0.05)，分別較K3、CK處理高3.04%、6.34%，K2、K3處理由于生育期灌水流失大量水分和養(yǎng)分導(dǎo)致作物減產(chǎn)，春灌明溝排水(CK)對(duì)鹽分淋洗不充分，油葵受鹽分脅迫，影響出苗以及生長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量較低，這也是導(dǎo)致植株吸氮量、氮收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力較低的主要原因。綜上，生育期控制排水不僅能提高作物產(chǎn)量，還提高了植株利用效率、氮收獲指數(shù)和氮肥偏生產(chǎn)力。對(duì)作物生長(zhǎng)和氮素的吸收利用具有促進(jìn)作用。其中在生育期控制排水深度40 cm(K1)效果更加明顯，對(duì)于本研究K1處理對(duì)氮肥的利用效率較好。

2.4 排水方式對(duì)土壤中氮素殘留的影響

3 討論

3.1 控制排水對(duì)土壤中和流失的影響

3.2 控制排水對(duì)土壤中和流失的影響

3.3 控制排水對(duì)作物產(chǎn)量的影響

控制排水對(duì)不同作物產(chǎn)量有著不同的影響[13]，大多數(shù)都有著積極的影響[12,18,29]，但有的研究也表明控制排水導(dǎo)致作物產(chǎn)量減少或者增產(chǎn)不顯著[31]，可能是因?yàn)榭刂婆潘叨仍O(shè)置過(guò)高，或者與土壤中鹽分含量等因素有關(guān)。TOLOMIO等[13]研究表明，玉米對(duì)控制排水的響應(yīng)最積極，控制排水技術(shù)使玉米產(chǎn)量提高了26.3%，在干旱年份，當(dāng)作物受到干旱脅迫時(shí)，控制排水效果更明顯。NEGM等[32]利用DRAINMOD-DSSAT模型很好地預(yù)測(cè)了作物產(chǎn)量，研究表明控制排水條件下作物產(chǎn)量明顯高于自由排水。SUNOHARA等[33]研究表明，玉米控制排水較自由排水產(chǎn)量平均增長(zhǎng)率為4%，差異不顯著，大豆控制排水較自由排水產(chǎn)量平均增長(zhǎng)率為3%，差異不顯著。

適當(dāng)?shù)目刂婆潘?，可以促進(jìn)作物有效地吸收養(yǎng)分和水分，有利于根系生長(zhǎng)，促進(jìn)干物質(zhì)積累，從而進(jìn)一步影響籽粒產(chǎn)量[18]。本研究中，控制排水深度40 cm(K1)較自由排水(K3)顯著增加了植株吸氮量、氮收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力和產(chǎn)量，原因可能為試驗(yàn)區(qū)高蒸發(fā)量和土壤肥力較差，使得作物生長(zhǎng)中后期需要大量的水分和養(yǎng)分，控制排水深度40 cm(K1)正好為作物生長(zhǎng)提供了所需要的條件，使得其氮素利用率提高并且為作物干物質(zhì)積累提供了有利因素。同時(shí)收獲后土壤中氮素殘留情況進(jìn)一步說(shuō)明，控制排水殘留在土壤中的氮素大部分被作物吸收和利用，最終使得作物增產(chǎn)。

4 結(jié)論

(3)控制排水處理(K1、K2)提高氮肥偏生產(chǎn)力3.04%～11.15%，提高了養(yǎng)分吸收量。生育期控制排水深度40 cm(K1)氮肥偏生產(chǎn)力最大，顯著高于其他處理，分別較K2、K3、CK處理增加4.54%、7.72%、11.15%(P<0.05)。生育期控制排水深度40 cm(K1)能顯著提高玉米產(chǎn)量(P<0.05)，較K2、K3、CK處理分別增加4.52%、7.69%、11.14%。