滴灌施肥時序?qū)Σ煌|(zhì)地土壤水氮分布的影響

孫瑋皓，申孝軍，Mounkaila Hamani Abdoul Kader，司轉(zhuǎn)運，高陽*

滴灌施肥時序?qū)Σ煌|(zhì)地土壤水氮分布的影響

孫瑋皓1, 2，申孝軍1, 3，Mounkaila Hamani Abdoul Kader1,2，司轉(zhuǎn)運1，高陽1*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081；3.天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300392）

【】探究不同滴灌施肥時序下不同質(zhì)地土壤水、氮的運移規(guī)律和分布特征。通過室內(nèi)土槽試驗，設(shè)置3種土壤質(zhì)地：砂土、壤土、黏土，分別記為S1、S2、S3，4種施肥時序：僅灌水、1/2N-1/2W（前1/2時間施氮肥）、1/4W-1/2N-1/4W（前1/4時間灌水后在中間1/2時間施氮肥）、3/8W-1/2N-1/8W（前3/8時間灌水后在中間1/2時間施氮肥），分別記為T1、T2、T3、T4，分析了土壤濕潤鋒的運移以及水分、硝態(tài)氮在土體內(nèi)的分布特征。在灌水量和滴頭流量均相同的條件下，3種土壤的濕潤鋒分布特征存在明顯差異。濕潤鋒的最大入滲深度：砂土（29.5 cm）＞壤土（21 cm）＞黏土（15 cm）。硝態(tài)氮在濕潤體邊緣累積，并且隨著施肥次序向前推移，硝態(tài)氮向濕潤體邊緣運移的趨勢越來越明顯。不同施肥時序下，硝態(tài)氮在3種土壤中的分布存在差異。S1T4處理的硝態(tài)氮在砂土下層的比例最低；S2T3處理下壤土的硝態(tài)氮分布最均勻；S3T2處理可以降低硝態(tài)氮在黏土表層堆積。對于砂土、壤土和黏土，分別采用3/8W-1/2N-1/8W、1/4W-1/2N-1/4W和1/2N-1/2W的施肥時序，有利于降低氮肥淋失的風(fēng)險，提高氮肥利用效率。

滴灌；土壤質(zhì)地；施肥時序；濕潤鋒；土壤硝態(tài)氮

0 引 言

【研究意義】滴灌系統(tǒng)是一種高效的節(jié)水灌溉方式[1]。然而，在滴灌系統(tǒng)的設(shè)計和管理中，土壤水分和溶質(zhì)運移特征以及土壤質(zhì)地等因素沒有得到充分的考慮[2]。對滴灌系統(tǒng)的運行與管理進行優(yōu)化需要對土壤水分和養(yǎng)分的運移有更深入的了解。滴灌系統(tǒng)的不同施肥時序顯著影響水肥在土體內(nèi)的分布。【研究進展】滴灌系統(tǒng)可以靈活地控制灌水施肥的時序，既能保證作物得到必要的養(yǎng)分，提高養(yǎng)分利用效率，也 可以避免養(yǎng)分淋失[3-4]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞滴灌條件下濕潤鋒的運移進行了大量的研究，系統(tǒng)分析了滴灌入滲的水分分布特征及影響因素[5-7]。而土壤質(zhì)地對土壤水分和硝態(tài)氮的運移分布也有重要影響。粗質(zhì)地土壤中水分和硝態(tài)氮運移深度明顯大于細質(zhì)地土壤，更易造成水氮淋失[8-9]。滴灌施肥時不同施肥時序?qū)λ史植家灿酗@著影響。Li等[10]研究了滴灌條件下氮素運移和分配規(guī)律。結(jié)果表明，硝態(tài)氮容易隨水流移動。施肥完成后，硝態(tài)氮會在濕潤體的邊緣堆積。如果系統(tǒng)管理不當(dāng)，極易造成硝態(tài)氮的淋失。Cote等[11]研究表明，在1次灌溉周期內(nèi)先施肥后灌水，可以使養(yǎng)分集中在土壤上層，從而減少硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險。而在滴灌砂壤土的研究[12-13]中，1/4W-1/2N-1/4W（前1/4時間灌水后，在中間1/2時間施氮肥）的施肥時序，可有效減少氮肥的淋失，同時促進作物對氮肥的吸收和利用。尚世龍等[14]在砂壤土雙點源交匯區(qū)域的研究也驗證了這一觀點。【切入點】合理的滴灌施肥時序，會使水分和氮素更好的停留在有利于作物根部吸收的土層，進而會影響產(chǎn)量和水氮利用效率[15-16]。因此，在設(shè)計滴灌施肥管理策略時，需要考慮不同質(zhì)地土壤的水力性質(zhì)和溶質(zhì)運移特征。然而，目前關(guān)于不同滴灌施肥時序下不同質(zhì)地土壤的水肥分布特征的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，采用室內(nèi)土槽試驗，設(shè)計滴灌施肥時序和土壤質(zhì)地2個因素，研究不同滴灌施肥時序下水分和硝態(tài)氮在土體中的運移與分布特征，為建立科學(xué)合理的滴灌施肥模式提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合實驗基地（35°14′N、113°76′E，海拔74 m）作物需水過程與調(diào)控重點實驗室內(nèi)進行，位于河南省新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)。壤土和砂土取自新鄉(xiāng)縣，黏土取自焦作廣利灌區(qū)，土壤質(zhì)地分類采用美國制。用BT-9300HT型激光粒度分布儀測定土壤顆粒組成。3種土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。

試驗設(shè)土壤質(zhì)地和施肥時序2個因素：土壤質(zhì)地分為砂土、壤土以及黏土，分別記為S1、S2、S3；施肥時序設(shè)置4個水平，即僅灌水、1/2N-1/2W、1/4W-1/2N-1/4W、3/8W-1/2N-1/8W（如1/4W-1/2N-1/4W表示前1/4時間灌水后在中間1/2時間隨水施氮肥，最后1/4時間灌水），分別記為T1、T2、T3、T4。用硝酸鉀試劑配置氮肥溶液，質(zhì)量濃度為900mg/L。共設(shè)置12個處理，每個處理重復(fù)3次。試驗設(shè)計如表2所示。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

表2 不同施肥時序和土壤質(zhì)地試驗設(shè)計

試驗裝置如圖1所示，由土槽和供水系統(tǒng)組成。土槽采用10 mm厚的透明亞克力板制成，長、寬、高分別為90、60、60 cm，底部設(shè)置若干排氣孔，并在底部鋪10 cm粗砂粒，與土層之間用濾網(wǎng)隔開，防止氣體阻塞。

圖1 滴灌施肥土槽試驗裝置示意圖

為減輕光滑內(nèi)壁對土壤水分下滲的影響，土槽內(nèi)壁用膠水混合細砂粒均勻涂抹。取10～30 cm的耕層土壤，經(jīng)風(fēng)干、磨細，過4 mm篩；然后，按設(shè)計干體積質(zhì)量（砂土：1.40 g/cm3；壤土：1.40 g/cm3；黏土：1.35 g/cm3）以5 cm分層裝入土槽，每層用夯土器夯實，以防產(chǎn)生較大孔隙對土壤入滲過程造成影響，土體深度為45 cm。土壤裝好后進行灌水，灌水后用薄膜覆蓋土壤表面以防止水分蒸發(fā)，為土壤含水率充分再分配均勻，靜置12 h。利用2臺蠕動泵（Kamoer，LLS PLUS-B196）同時進行供水供肥，滴頭間距30 cm。滴頭設(shè)計流量為0.8 L/h，試驗過程中滴頭流量由蠕動泵進行控制。單個蠕動泵的灌水施肥量為2 L，將蠕動泵進水管在肥液桶和水桶之間切換來控制灌水和施肥的時序，灌水時間為150 min。

1.2 觀測項目與方法

試驗時，定時觀測濕潤鋒的運移情況，在土槽外壁描繪濕潤鋒曲線，分別在開始灌水后的5、10、20、30、40、50、60、80、100、120、150 min記錄濕潤鋒運移曲線。灌水施肥結(jié)束后，將槽壁上的濕潤鋒曲線描繪于坐標(biāo)紙上，并立刻在2個滴頭之間，用直徑2 cm的土鉆在土壤平面以5 cm×5 cm間距取土樣，取樣點布置如圖2所示，取土深度視濕潤體深度而定，濕潤體外取3個土樣測定土壤初始含水率。每點取得的土樣，測定土壤含水率和土壤硝態(tài)氮量。土壤含水率用烘干法測定，土壤硝態(tài)氮量用AA3連續(xù)流動分析儀測定。數(shù)據(jù)用于分析不同滴灌施肥時序下不同質(zhì)地土壤的水、氮分布規(guī)律。采用Sufer 15軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)地土壤濕潤鋒運移特征和水分分布特征

圖3中坐標(biāo)點（30，0）是滴頭1的位置，坐標(biāo)點（60，0）是滴頭2的位置。在相同的灌水量和滴頭流量下，不同質(zhì)地土壤濕潤鋒的水平和垂直入滲距離存在明顯差異，土壤質(zhì)地對濕潤鋒運移和分布特征的影響顯著。濕潤鋒的水平和垂直入滲距離均隨著灌水時間的延長而增大。隨著灌水的進行，濕潤鋒的運移速度逐漸減慢，并且在相同的灌水時間內(nèi)，砂土的濕潤鋒的垂直入滲距離大于水平入滲距離，而壤土和黏土的濕潤鋒的水平入滲距離大于垂直入滲距離。濕潤體大?。荷巴粒救劳粒攫ね?。濕潤鋒的最大入滲深度：砂土（29.5 cm）＞壤土（21 cm）＞黏土（15 cm）。

圖2 取樣點布置平面圖（土槽俯視圖）

圖3 T1處理濕潤鋒運移過程

為了更直觀地反映整個濕潤體的土壤水分空間分布情況，利用Kriging插值法，對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，然后利用surfer 15軟件繪制土壤含水率分布的三維切片圖。由圖2可知，2滴頭間取土點有7列，將每列土壤含水率做成1個二維等值線分布圖，7個二維等值線分布圖堆疊在一起就形成立體三維切片圖，滴頭1和滴頭2的坐標(biāo)分別為（0，0，0）和（30，0，0）。

圖4給出了在相同的灌水量（2 L）和滴頭流量（0.8 L/h）下，3種不同土壤質(zhì)地的土壤水分的空間分布情況。在每次灌溉開始時，土壤含水率在靠近滴頭處開始增加，直到灌溉結(jié)束時達到最大值，從圖4可以看出，灌水結(jié)束后，滴頭下方的含水率最大，并且土壤含水率隨距滴頭距離的增加而減少，砂土、壤土、黏土的最大含水率分別為23%、26%、36%。砂土濕潤區(qū)的平均含水率小于壤土和黏土，因為砂土與壤土和黏土相比，其持水能力較低。雖然滴頭流量是相同的，但靠近滴頭的黏土的含水率高于壤土和砂土。從圖4還可以看出，在相同的灌水量和滴頭流量下，不同土壤質(zhì)地的土壤含水率分布差異明顯，土壤質(zhì)地對土壤水分分布影響顯著。

2.2 不同滴灌施肥時序下不同質(zhì)地土壤的硝態(tài)氮分布特征

2.2.1 不同滴灌施肥時序下砂土硝態(tài)氮分布特征

從表3可以看出，S1T4處理在20～30 cm范圍內(nèi)硝態(tài)氮所占比例分別比S1T2處理和S1T3處理低3.23%和2.75%；而在0～20 cm范圍內(nèi)，S1T2處理和S1T3處理比S1T4處理分布均勻。如圖5所示，在砂土中，采用S1T2處理和S1T3處理的施肥時序，硝態(tài)氮向濕潤土壤邊緣遷移的趨勢更加明顯，下層土壤的硝態(tài)氮量較高，因此產(chǎn)生氮肥淋失的風(fēng)險比較大。而S1T4處理可以使更多的硝態(tài)氮在土壤上層積累，氮回收率更高。圖中展示的是灌水結(jié)束時刻的土壤水氮分布，隨著時間的推移，土壤中的水分和硝態(tài)氮還會繼續(xù)向下層運動。因此從減少硝態(tài)氮淋失的角度出發(fā)，在砂土滴灌施肥中，采用S1T4處理較為適宜。

圖5 砂土硝態(tài)氮三維切片圖

表3 砂土各處理硝態(tài)氮在距灌水器不同深度所占比例

2.2.2 不同滴灌施肥時序下壤土硝態(tài)氮分布特征

如圖6所示，在壤土中，采用S2T2處理的施肥時序，下層土壤的硝態(tài)氮量較高，硝態(tài)氮向濕潤土壤邊緣遷移的趨勢比較明顯，因此產(chǎn)生氮肥淋失的風(fēng)險比較大。而S2T3處理和S2T4處理能使更多的硝態(tài)氮累積在土壤上層，并且從表4可以看出，S2T3處理在土壤表層以下14～20 cm范圍內(nèi)硝態(tài)氮所占比例比S2T4處理高5.78%。在灌溉施肥結(jié)束時刻，土壤中的水、氮運移到土壤表層以下20 cm，灌溉施肥結(jié)束后，土壤中的水、氮還會繼續(xù)向下層運動，S2T3處理在土壤表層以下20～30 cm的硝態(tài)氮量更高，使氮肥分布更加均勻，避免在土壤淺層堆積。因此，在壤土滴灌施肥中，采用S2T3處理較為適宜。

圖6 壤土硝態(tài)氮三維切片圖

表4 壤土各處理硝態(tài)氮在距灌水器不同深度范圍內(nèi)所占比例

2.2.3 不同滴灌施肥時序下黏土硝態(tài)氮分布特征

如圖7所示，在黏土中，采用S3T2處理的施肥時序，硝態(tài)氮向濕潤土壤邊緣遷移的趨勢比較明顯，與S3T2處理相比，采用S3T3處理和S3T4處理的施肥時序使更多的硝態(tài)氮累積在土壤淺層。但是，由于黏土的濕潤深度較淺，硝態(tài)氮淋失幾乎可以忽略，從表5中可以看出，S3T2處理在10～15 cm范圍內(nèi)硝態(tài)氮所占比例分別比S3T3處理和S3T4處理高2.69%和15.36%，隨著土壤中水、氮向下層運移，S3T2處理的土壤表層以下15～30 cm的硝態(tài)氮量更高，避免氮肥在土壤表層堆積，造成浪費。因此，在黏土滴灌施肥中，S3T2處理較為適宜。

圖7 黏土硝態(tài)氮三維切片圖

表5 黏土各處理硝態(tài)氮在距灌水器不同深度范圍內(nèi)所占比例

3 討 論

土壤質(zhì)地對濕潤鋒運移及分布特征影響顯著[17-18]，砂土的濕潤深度約為30 cm，大于壤土（20 cm）和黏土（15 cm），濕潤體深度隨土壤黏粒量的增加而減小，該結(jié)果與張俊等[19]和張國祥等[20]的試驗結(jié)果一致。灌水結(jié)束后，滴頭下方的含水率最大，并且隨著距滴頭距離的增加而減少，砂土、壤土、黏土的最大含水率分別為23%、26%、36%。因為砂土與壤土和黏土相比，其持水能力較低。雖然滴頭流量是相同的，但靠近滴頭的黏土的含水率高于壤土和砂土。因此，可以解釋為不同質(zhì)地土壤中的重力和毛細作用力是不同的[21]。

在本試驗中，濕潤土體邊緣硝態(tài)氮質(zhì)量濃度很高，而濕潤土體內(nèi)部硝態(tài)氮質(zhì)量濃度反而較小，即硝態(tài)氮在濕潤土體邊緣累積。硝態(tài)氮極易溶于水且很少被土壤顆粒吸附，主要通過對流在土壤中隨水移動[22]。另外，在灌水施肥期間滴頭下方的土壤的含水率最大，接近飽和含水率，土壤中的孔隙被水充滿，形成局部的厭氧環(huán)境[23]，從而引起滴頭下方的硝態(tài)氮量下降。在本試驗中，施肥次序向前推移，淺層土壤的硝態(tài)氮所占比例變少，硝態(tài)氮向濕潤土壤邊緣運移的趨勢越來越明顯。原因是施肥結(jié)束后灌水時間的不同，施肥次序向前推移會延長施肥后硝態(tài)氮淋洗的時間，硝態(tài)氮隨水流運動，使得濕潤體邊緣的硝態(tài)氮累積更多；還因為施肥次序提前使得施肥前土壤中的含水率降低，硝態(tài)氮的累積量也會增加。鄧建才等[24]在研究中發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)積沙土和黃潮土中，土壤中的硝態(tài)氨濃度隨土壤含水率的增加而降低，符合冪函數(shù)曲線趨勢。郭大應(yīng)等[25]在研究中也發(fā)現(xiàn)土壤含水率的差異會影響土壤中的硝態(tài)氮量，土壤中硝態(tài)氮量與土壤水分呈負相關(guān)。并且在本試驗中，我們發(fā)現(xiàn)，粗質(zhì)地土壤中水分和硝態(tài)氮運移深度明顯大于細質(zhì)地土壤，更易造成水氮淋失，這與李久生等[8]在地下滴灌中和張勇勇等[9]在壟溝灌溉中的試驗結(jié)果一致。而在砂土和壤土中，采用水-肥-水的施肥時序更有利于減少氮素淋失的風(fēng)險，這與李久生等[12]和尚世龍等[14]所做的試驗結(jié)果相同；而由于黏土顆粒間孔隙小，滲透性弱，吸附性強，采用肥-水的施肥時序更有利于提高氮素的利用效率，侯振安等[15]在棉花的田間試驗中的研究也表明在一次灌溉過程中N-W（先灌肥液，后灌水）的施肥時序可以降低氮肥淋失的風(fēng)險，促進棉花對氮素的吸收和利用。在田間生產(chǎn)中，滴灌施肥下土壤中的水、氮運移還會受到土壤體積質(zhì)量、作物種類和根系、試驗地氣候等諸多因素的影響[26-28]，因此，在今后的研究過程中，將開展田間冬小麥試驗，將其與室內(nèi)試驗結(jié)論相結(jié)合，使本文結(jié)論更具應(yīng)用價值。

4 結(jié) 論

1）在滴灌施肥中，硝態(tài)氮在濕潤土體邊緣累積，并且隨著施肥次序向前推移，硝態(tài)氮向濕潤土體邊緣運移的趨勢越來越明顯。

2）在砂土中，采用3/8W-1/2N-1/8W的施肥時序更有利于減少肥料淋失的風(fēng)險；在壤土中，從減少硝態(tài)氮淋失和使硝態(tài)氮分布均勻的角度出發(fā)，1/4W-1/2N-1/4W為最優(yōu)方案，在黏土中，水分和硝態(tài)氮的入滲深度較淺，采用1/2N-1/2W的方案較為適宜。

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Optimal Timing of Fertilization in Drip Fertigation for Bioavailable Water and Nitrogen in Soils of Different Textures

SUN Weihao1,2, SHEN Xiaojun1,3, Mounkaila Hamani Abdoul Kader1,2, SI Zhuanyun1, GAO Yang1*

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Water Requirement and Regulation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3.College of Water Conservancy Engineering, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China)

【】Designing irrigation and fertilization scheduling needs to understand how water and fertilizer move in soil. The aim of this papers is to experimentally study the movement of water and nitrogen (N) in soils of different texture as impacted by timing of fertilization in drip fertigation.【】The experiment was conducted indoor using tanks repacked with sandy (S1), loam (2) and clay (3) soil. For each soil, there were four fertilizations with the fertilization lasting half of the irrigation duration but starting at different times: in the first half (T1), in the central half (T2), and commencing 3/8 way after the onset of irrigation (T3). Irrigation without fertilization was taken as the control (CK). In each treatment, we measured the movement of the wetting front and distributions of water and nitrate in the soil.【】When the irrigation amount and dripping rate were the same, there were significant differences in water movement between the three soil types. The maximum water infiltration depth in the sandy soil was 29.5 cm, compared to 21 cm in the loam soil and 15 cm in the clay soil. Nitrate accumulated at the edge of the wetting fronts, and delaying fertilization timing slowed down nitrate migration towards the wetting front. There were differences in nitrate distribution between the three soil types, and the difference varied with the timing of the fertilization. In the sandy soil, nitrate in the subsoil soil under T4 was least. In the loam soil, the nitrate distribution was more uniform than that in T3. In the clay soil, T2 reduced nitrate accumulation in the surface soil.【】Soil texture and timing of fertigation had significant impacts on nitrogen distribution. For the sandy, loam and clay soil we studied, the best timing for fertilization under drip fertigation was 3/8 way after the irrigation commenced, in the central half and in the first half, respectively. These reduced the risk of nitrogen leaching while in the meantime improving nitrogen use efficiency by crops.

drip fertigation; soil texture; timing of fertilization; wetting front; nitrate distribution

孫瑋皓, 申孝軍, Mounkaila Hamani Abdoul Kader, 等. 滴灌施肥時序?qū)Σ煌|(zhì)地土壤水氮分布的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(3): 47-53.

SUN Weihao, SHEN Xiaojun, Mounkaila Hamani Abdoul Kader, et al. Optimal Timing of Fertilization in Drip Fertigation for Bioavailable Water and Nitrogen in Soils of Different Textures[J]. Journal of Irrigation and Drainage 2022, 41(3): 47-53.

2021-08-03

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項基金項目（CARS-03）；國家自然科學(xué)基金項目（51879267）

孫瑋皓（1996-），男。碩士研究生，主要從事作物高效用水理論與技術(shù)研究。E-mail:sunweihao1996@163.com

高陽（1978-），男。研究員，博士，主要從事作物高效用水理論與技術(shù)研究。E-mail:gaoyang@caas.cn

1672 - 3317（2022）03 - 0047 - 07

S274；S152

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021342

責(zé)任編輯：白芳芳