滴灌施肥條件下土壤硝態(tài)氮空間分布規(guī)律室內(nèi)模擬研究

孫富斌，尹 娟，2，3*，魏小東，馬正虎，蘇振娟

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程中心，銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術研究中心，銀川 750021）

中國作為農(nóng)業(yè)大國，節(jié)水灌溉及水資源高效利用已成為開展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一種趨向。滴灌作為一種高效的節(jié)水灌溉技術，在全國大部分地區(qū)已經(jīng)作為主要的節(jié)水灌溉方式[1-3]，這種灌溉模式能夠有效地提高作物水肥利用效率，尤其在缺水的干旱半干旱區(qū)域得到了大力推廣，有利于提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

滴灌屬于一種局部灌溉技術，在該灌溉模式下，土壤水分、養(yǎng)分等指標含量隨水運移，改變其空間分布狀態(tài)，從而影響作物吸收，因此，研究不同滴灌施肥條件下，土壤水肥運移以及空間分布規(guī)律將十分必要。諸多學者已對滴灌施肥條件下土壤理化性質(zhì)進行了相關研究[4-6]。研究表明，硝酸鹽易造成地下水污染，造成土壤環(huán)境破壞[7-8]，硝態(tài)氮在土壤中的分布、運移明顯受施肥濃度、灌水量、和水肥耦合等因素的影響，而且高水高肥處理極易造成硝態(tài)氮淋失，破壞土壤環(huán)境；在滴灌施肥條件下土壤硝態(tài)氮的擴散受到對流作用，濕潤體中硝態(tài)氮含量與距滴頭距離存在一定比例關系[9]；而在土壤硝態(tài)氮與根系聯(lián)系中，認為在一次施肥的兩端時間滴肥，中間1/3時間段僅灌清水模式最佳[10]；杜春先等[11]試驗也表明硝態(tài)氮在土壤中的累計規(guī)律，其累計含量的大小與施肥、灌溉等影響因子密切相關。綜上所述，采取不同的配施模式以及施氮水平對不同作物影響程度均存在不同程度的差異。

本文將研究滴灌施肥條件下土壤硝態(tài)氮含量隨再分布時間、滴頭流量以及氮肥濃度的變化，以便比較系統(tǒng)地掌握滴灌施肥條件下枸杞田土壤硝態(tài)氮的運移規(guī)律及其空間分布特征，從而為寧夏地區(qū)枸杞種植業(yè)高質(zhì)量發(fā)展以及旱區(qū)節(jié)水灌溉設施農(nóng)業(yè)高效管理模式構建提供強有力的理論支撐和技術指導。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

本次土箱水肥滴灌模擬試驗在寧夏大學土木與水利工程學院實驗中心進行，試驗土壤取自寧夏中部干旱帶吳忠市同心縣下馬關鎮(zhèn)枸杞種植基地，土壤為粉砂質(zhì)壤土，全磷0.77 g/kg、全鉀20.4 g/kg，全鹽 0.99 g/kg，有機質(zhì) 12.1 g/kg，速效鉀 133 mg/kg。試驗土壤的相關性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗土壤性質(zhì)Table 1 Properties of soil

1.2 試驗材料

如圖1所示，試驗設施主要由一套點源供水系統(tǒng)和一個點源入滲單元體有機玻璃箱（長60 cm，寬50 cm，高60 cm）組成，其點源供水系統(tǒng)的工作原理為：馬氏瓶用來供應灌水和調(diào)控試驗的準確度，橡膠軟管代替滴頭，滴頭放置在土箱直角處[12]。

圖1 實驗裝置圖Figure 1 Map of the experimental device

1.3 試驗設計

試驗設灌水量、滴頭流量和氮肥濃度3個因子。灌水量設置W1、W2（3、5 L）2個水平，滴頭流量設置q1、q2和q3（0.5、0.75和1 L/h）3個水平，氮肥濃度設置F1、F2和F3（0、200和500 mg/L）3個水平，試驗設計方法為完全隨機組合，共18個處理（T）分次進行。本研究屬于完全方案，處理數(shù)為水平數(shù)連乘（2×3×3=18）。

根據(jù)試驗設定的滴頭流量（q）和氮肥濃度（F）計算不同處理的灌溉歷時，再依據(jù)灌溉歷時，人為控制滴灌施肥試驗的始終時間。

試驗前將土壤自然風干，過2 mm孔徑篩，按容重1.3 g/cm3進行裝土。每隔5 cm深度分層裝土，分層打毛，從而使土層之間緊密接觸，共裝10層土，裝土結束后使其自然沉降24 h。同時，調(diào)配一定量的硝酸銨（分析純）溶于蒸餾水，制成不同濃度的氮肥溶液，進行滴灌施肥試驗。等滴頭流量達到試驗條件時，開始試驗并計時。

硝態(tài)氮含量（β）（mg/kg）測定采用國家標準[13]。土壤樣品采集具體過程為：在土箱邊緣建立直角坐標系，依次在不同深度（z）（cm）土層中，以土箱直角處滴灌點為圓心，按不同半徑（r）（cm）（縱、徑向均每隔5 cm測一次）畫弧，在圓弧上按照一定角度（α）（0°、30°、45°、60°、90°）依次進行采樣，然后混合形成均勻混合樣（土壤鮮重5 g），以該混合土樣作為表征該土層距滴灌點一定徑向距離或土層深度處土壤性狀的代表樣，取至干濕交界處。再分布時間（t，d），設定為灌后：0（灌后測）、1、3 和 5d 共 4 種。采樣結束后將各代表土樣密封保存于塑料自封袋中，并進行標記備用。

采用烘干法測試土壤含水率（θ）。測定土壤含水率的取土方法與硝態(tài)氮含量測定的取土方法一致。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，Origin 2017進行圖表繪制，利用DPS 7.05、SPSS 25分別進行方差分析和典型相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同再分布時間對土壤硝態(tài)氮分布的影響

圖2表示不同再分布時間后各土層深度硝態(tài)氮（NO3--N）含量徑向變化過程。當土層深度（z）為5 cm時，在徑向距離0～20 cm范圍內(nèi)，再分布時間下NO3--N含量隨徑向距離增大呈遞減的趨勢；徑向距離在20～25 cm時，在不同再分布時間下NO3--N含量隨徑向距離的增大呈增大的趨勢，NO3--N含量在各再分布時間0（灌后測）、1、3和5 d下的增幅分別為：4%、44.7%、17.7%、0.9%，其中再分布時間為1 d時增幅最大。

圖2 不同再分布時間處理下各土層深度NO3--N含量徑向分布Figure 2 Radial distribution of NO3--N content in each soil layer under different redistribution time treatment

當土層深度為10 cm、15 cm時，在不同再分布時間下的NO3--N含量隨徑向距離的增大呈依次遞減的趨勢（除β0外），各再分布時間下的NO3--N含量 βi的大小順序均表現(xiàn)為 β0>β5>β1>β3。

2018年10月12日，人力資源和社會保障部發(fā)布了《社會保險領域嚴重失信“黑名單”管理暫行辦法(征求意見稿)》（以下簡稱“《意見》”），列舉了六種應將其列入社?！昂诿麊巍钡那樾?，并指出社?！昂诿麊巍毙畔⒈患{入當?shù)睾腿珖庞眯畔⒐蚕砥脚_，在政府采購、交通出行、招投標、生產(chǎn)許可、資質(zhì)審核、融資貸款、市場準入、稅收優(yōu)惠、評優(yōu)評先等方面予以限制。

當土層深度為20 cm時，在徑向距離0～20 cm范圍內(nèi)，各再分布時間下NO3--N含量隨徑向增大呈遞減的趨勢，徑向距離在20～25 cm時，各再分布時間下NO3--N含量隨徑向距離的增大呈增大的趨勢。

采用SPSS建立土層深度z、徑向距離r、再分布時間t與硝態(tài)氮含量β的線性回歸模型，得出函數(shù)關系式為：

根據(jù)表2方差分析得出，徑向距離和再分布時間的交互與土壤硝態(tài)氮含量呈顯著相關（P<0.05），土層深度、徑向距離、再分布時間、土層深度和徑向距離的交互、土層深度和再分布時間的交互均與硝態(tài)氮含量呈極顯著相關（P<0.01）。

表2 土層深度、再分布時間和徑向距離對于NO3--N含量總體方差分析Table 2 Population variance analysis of soil depth,redistribution time and radial distance for NO3--N content

2.2 不同滴頭流量對土壤硝態(tài)氮分布的影響

圖3表示不同滴頭流量下各徑向距離硝態(tài)氮（NO3--N）含量縱向變化過程。當?shù)晤^流量為q1（0.5L/h）時，土層深度在0～15 cm范圍內(nèi)NO3--N含量均隨土層深度的增大而減?。煌翆由疃仍?5～30 cm范圍內(nèi)，NO3--N含量隨土層深度的增大其折線圖呈“>”或“<”形分布，波動幅度較大，且拐點發(fā)生在土層深度為20 cm或25 cm處；當土層深度在30～35 cm范圍內(nèi)時，NO3--N含量隨土層深度的增大而增大，依次在各徑向距離下的增大幅度分別為：67.3%、6.7%、42.1%、9.9%。

圖3 不同滴頭流量處理下各徑向距離NO3--N含量縱向分布Figure 3 Longitudinal distribution of NO3--N content in each radial distance treated with different droplet flow rate

當?shù)晤^流量為q2（0.75 L/h）時，NO3--N含量在土層深度0～20 cm范圍內(nèi)呈遞減趨勢，土層深度在20～30 cm范圍內(nèi)，NO3--N含量隨土層深度的增大呈遞增趨勢，土層深度在30～35 cm范圍內(nèi)時，NO3--N含量隨土層深度的增大呈遞減趨勢。在各徑向距離下滴頭流量為q3（1 L/h）時，土層深度在0～25 cm范圍內(nèi)，NO3--N含量隨土層深度的增大不斷減小，且在25 cm處達到最低峰值；土層深度在25～35 cm范圍內(nèi)，NO3--N含量隨土層深度的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢。

綜上分析，當?shù)晤^流量為q1（0.5 L/h）時，NO3--N含量隨土層深度的增大先減小后進行較大幅度的波動，土層深度為30 cm處又隨土層深度的增大而增大；在各徑向距離滴頭流量為q2（0.75 L/h）、q3（1 L/h）時，NO3--N含量隨土層深度的增大先減小后增大再減小。

徑向距離為0～20 cm時，各滴頭流量下的NO3--N含量的大小順序為βq0.5>βq0.75>βq1，且NO3--N的聚集極易發(fā)生在距滴灌出水口較近處。

采用SPSS 25軟件進行土層深度、徑向距離、滴頭流量與硝態(tài)氮含量的線性回歸分析，所形成的函數(shù)關系式為：

由表3相關性分析得出，土壤硝態(tài)氮含量與滴頭流量之間呈極顯著相關，而與徑向距離、土層深度無顯著相關性。

表3 徑向距離、土層深度、滴頭流量與土壤硝態(tài)氮含量的相關性分析Table 3 Correlation analysis of radial distance,soil depth,drop head flow and soil nitrate content

2.3 不同氮肥濃度對土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖4表示不同氮肥濃度下各徑向距離硝態(tài)氮（NO3--N）含量縱向變化過程。在同一徑向距離（r）下，NO3--N含量隨著氮肥濃度的增大而增大。當徑向距離為5 cm時，不同氮肥濃度處理下NO3--N含量隨土層深度（z）的增大變化幅度最大，其氮肥濃度為F1（0 g/L）、F2（2 g/L）、F3（5 g/L）時的NO3--N含量在分別在12.84～14.45、43.33～58.05和111.59～147.05 mg/kg范圍內(nèi)變化，NO3--N含量差值依次為：1.61、14.72和35.40 mg/kg；當徑向距離為10、15和20 cm時，表現(xiàn)出相似的規(guī)律，不同氮肥濃度處理下的NO3--N含量隨土層深度的增大變化幅度較小，其NO3--N含量差值分別為：7.82、11.22 和 2.49 mg/kg；13.15、10.33和 20.24 mg/kg；8.58、0.94 和 6.08 mg/kg；表現(xiàn)為 NO3--N含量差值隨著徑向距離的增大有逐步減小的趨勢。

圖4 不同氮肥濃度處理下各徑向距離NO3--N含量縱向分布Figure 4 Longitudinal distribution of NO3--N content in radial distance under different N concentration treatments

如表4所示，采用SPSS 25軟件的典型相關性，將硝態(tài)氮含量和土層深度、氮肥濃度、徑向距離依次建為集合1、2，分析得出它們之間呈極顯著相關（P<0.001），且滿足的函數(shù)關系式為：

表4 徑向距離、土層深度、氮肥濃度與土壤硝態(tài)氮含量的典型相關性分析Table 4 Typical correlation analysis between radial distance，soil depth，nitrogen concentration and soil nitrate content

3 討論

不同再分布時間對土壤硝態(tài)氮分布的影響。試驗探究得出：在各土層深度再分布時間下NO3--N含量隨徑向距離的增大呈遞減的趨勢，且隨著土層深度的增大，各再分布時間下的NO3--N含量隨徑向距離的增大變化趨勢愈加平緩，與隋娟等[14]在探究水氮分布及運移規(guī)律的研究結論一致。各再分布時間下的 NO3--N 含量 βi的大小順序為 β0>β5>β3>β1，初步分析形成上述規(guī)律的主要原因是β0在滴灌方式下NO3--N含量存在表聚現(xiàn)象[15]，隨土層深度和再分布時間的增大NO3--N含量也會逐步形成累積，相應的 βi就會發(fā)生變化，且 β0、β5遠遠大于 β1、β3。

不同滴頭流量對土壤硝態(tài)氮分布的影響。滴頭流量與硝態(tài)氮含量在徑向運移距離呈現(xiàn)正態(tài)變化，且隨著徑向距離的變化，硝態(tài)氮含量與各滴頭流量大小呈負相關關系，這與王虎等[9]學者的研究規(guī)律一致；而隨土層深度變化，硝態(tài)氮含量變化拐點發(fā)生在土層深度20、30 cm處，這與其[9]提出的NO3--N含量隨土層深度的增大而增大的試驗結論有所差異，可能是由于試驗條件所導致誤差的產(chǎn)生。

不同氮肥濃度對土壤硝態(tài)氮含量的影響。在各徑向距離下，當?shù)蕽舛葹镕1（0 g/L）時，NO3--N含量隨土層深度的增大而遞增，且隨著徑向距離的增大遞增趨勢愈加明顯，這是因為灌水導致土壤濕潤鋒附近原始氮元素淋溶下滲的原因。當?shù)蕽舛葹镕2（2 g/L）、F3（5 g/L）時，土層深度在0～25 cm范圍內(nèi)，NO3--N含量均隨土層深度的增大而遞減；當土層深度大于25 cm時，NO3--N含量有小幅度遞增的趨勢，這是因為NO3--N在土壤濕潤邊界上產(chǎn)生累積所致，這與馮紹元等[14]試驗得出的NO3--N含量在土壤表層含量最高，隨著土層深度的增加NO3--N含量呈波浪狀緩慢下降再升高的結論一致。徑向距離0～20 cm中，NO3--N含量在不同氮肥濃度下的大小順序為：βF500>βF200>βF0，βF500遠遠大于 βF200、βF0，且隨著施氮量的增加，NO3--N含量向下層土壤運移的速度加快，這可能會對淺層地下水產(chǎn)生污染。對于地下水層較淺的地區(qū)來說，適量的氮肥濃度有益于保障地下水免受污染。針對不同地區(qū)地下水位埋深的情況其氮肥濃度也應隨之變化，不合理的氮肥濃度會對地下水環(huán)境產(chǎn)生污染，盡管寧夏地區(qū)位于中部干旱帶地區(qū)，相對地下水位較深，但考慮到寧夏地區(qū)氮素已超標嚴重[16]，因此選擇適宜的氮肥濃度來滿足當?shù)赝寥佬璧筮@至關重要。

4 結論

通過室內(nèi)點源滴灌模擬試驗，分析土壤硝態(tài)氮含量空間分布及其運移規(guī)律，得出以下結論。

①再分布時間下，不同土層深度的硝態(tài)氮含量隨徑向距離的增大呈遞減的趨勢；硝態(tài)氮含量與再分布時間相關性極顯著。

②滴頭流量為0.5 L/h時，硝態(tài)氮含量隨土層深度的增大先減小后增大；滴頭流量為0.75、1 L/h時，硝態(tài)氮含量隨土層深度的增大先減小后增大再減小。

③硝態(tài)氮含量的變化受氮肥濃度的影響，且與徑向距離、土層深度、氮肥濃度之間呈極顯著相關關系。

④若寧夏中部干旱帶地區(qū)（沙壤土）采用滴灌施肥方式給枸杞田補給硝態(tài)氮，當再分布時間為5 d、滴頭流量為0.5 L/h、氮肥濃度為5 g/L左右時能夠滿足本地區(qū)土壤生產(chǎn)需氮要求。