滴灌技術(shù)參數(shù)及施肥周期對(duì)蘋果根區(qū)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布的影響

張紹武,胡田田,陳紹民,李鴻祥,章 杰

(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)

陜西省是我國(guó)的蘋果主產(chǎn)區(qū)，蘋果種植面積位居全國(guó)第一，在我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)中具有舉足輕重的地位。該地區(qū)傳統(tǒng)的蘋果種植中，施肥方式主要是溝施或穴施[1]，氮肥平均用量約為671.71 kg·hm-2甚至更多[2-3]，遠(yuǎn)超過(guò)適宜的氮肥用量240～360 kg·hm-2[2]，灌水方式主要是雨養(yǎng)或漫灌。硝態(tài)氮是土壤中速效氮的主要存在形態(tài)，可被作物直接吸收，但其極易隨水分運(yùn)動(dòng)，因此傳統(tǒng)的水肥管理模式易導(dǎo)致硝態(tài)氮淋失、水肥利用效率低等問(wèn)題[4]。為了在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥和環(huán)境友好型發(fā)展，近年來(lái)大面積推廣矮化密植和滴灌施肥相結(jié)合的生產(chǎn)模式[5-6]。滴灌施肥可以使作物根區(qū)維持較高的水肥含量，同時(shí)減少深層滲漏。除了水肥用量、肥料類型等影響因素外，不同的滴灌施肥技術(shù)參數(shù)可造成不同的土壤氮素狀況，進(jìn)而影響滴灌施肥效果。因此，研究不同滴灌施肥技術(shù)參數(shù)下根區(qū)土壤硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)變化及分布可為滴灌施肥技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)。

由于滴灌系統(tǒng)的局部濕潤(rùn)性，為了使作物最大程度地利用水肥，在滴灌施肥時(shí)應(yīng)使土壤養(yǎng)分、水分與植物根系分布區(qū)域有效匹配[7]。前人圍繞滴頭間距、滴頭流量、施肥周期、毛管布置方式等方面探討了滴灌施肥下水分、氮素的分布和運(yùn)移等問(wèn)題。如黎會(huì)仙等[8]采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了不同滴頭流量和間距對(duì)土壤水分、氮素遷移和再分布的影響。李勇[9]研究表明，內(nèi)蒙古西部地區(qū)的機(jī)采棉采用滴頭間距30 cm、粉砂質(zhì)粘土和砂質(zhì)壤土的滴頭流量分別為2 L·h-1和3 L·h-1的組合較適合。栗巖峰等[10]通過(guò)監(jiān)測(cè)根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量隨滴灌施肥周期的變化確定了溫室番茄的施肥周期；同樣地，Rajput等[11]指出每天一次的施肥周期可以使洋蔥獲得較高產(chǎn)量，減少硝態(tài)氮的淋溶。陳若男等[12]、李萌等[13]應(yīng)用室內(nèi)模擬試驗(yàn)和Hydrus-2D確定了新疆干旱地區(qū)葡萄滴灌相關(guān)技術(shù)參數(shù)。李東偉等[14]、黃真真等[15]依據(jù)土壤濕潤(rùn)均勻性和棉花生長(zhǎng)的響應(yīng)確定了新疆干旱區(qū)棉花種植中滴灌帶的間距。

綜上所述，前人的研究部分為室內(nèi)或數(shù)值模擬試驗(yàn)[8,13]，在田間的研究多是針對(duì)番茄[10]、棉花[14-15]、葡萄[12-13]等作物，關(guān)于黃土高原溝壑區(qū)矮化密植蘋果園的研究鮮有報(bào)道，但由于降雨量、作物根系分布及種植模式等存在顯著差異，因此前人的研究并不能為該地區(qū)蘋果園滴灌的應(yīng)用進(jìn)行全面有效的指導(dǎo)。本研究通過(guò)田間滴灌施肥試驗(yàn)，研究不同的毛管布置方式、滴頭間距、施肥周期對(duì)根區(qū)土壤硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)變化和空間分布的影響，選擇適合的滴灌技術(shù)參數(shù)和施肥周期，為矮化密植的蘋果園滴灌施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年10月—2018年10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)洛川蘋果試驗(yàn)站(35°47′4″N，109°21′44″E，海拔1 080 m)進(jìn)行。試驗(yàn)地屬渭北黃土高原溝壑區(qū)，暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.2℃，年均降水量622 mm，無(wú)霜期167 d，日照2 552 h，晝夜溫差15.7℃。供試果樹品種為富士，樹齡4 a，處于初果期，株行距2 m×4 m。供試土壤類型為黑壚土，其理化性質(zhì)見(jiàn)表1。全生育期總降雨量為626.2 mm，與30 a生長(zhǎng)季平均降雨量(591 mm)相比[16]，依據(jù)降水距平劃分降水年型((實(shí)際降水量-平均降水量)/平均降水量×100%)[17]，±15%作為干旱年或豐水年的劃分界限，2017—2018年屬于平水年(5.96%)。0～80 cm土層平均含水率在80%田間持水量以上，這主要與試驗(yàn)樹齡較小和園藝地布的覆蓋有關(guān)。試驗(yàn)期內(nèi)降雨量和土壤含水率如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)期內(nèi)降雨量和土壤含水率

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用水肥一體化方式灌水施肥。設(shè)置毛管布置方式、滴頭間距、施肥周期3個(gè)試驗(yàn)因素，毛管布置方式設(shè)置為一行一管和一行兩管(P1、P2)，滴頭間距設(shè)置為30 cm和50 cm(D1、D2)，施肥周期設(shè)置為15 d和30 d(T1、T2)。采用三因素二水平完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共8個(gè)處理。P1D2T1和P1D2T2處理各15棵樹，合為一行；其余處理各30棵樹，每個(gè)處理為一行。共七行試驗(yàn)樹。P2處理滴灌管布置形式為鋪在樹行兩側(cè)，各距樹行30 cm；P1處理布置形式為滴灌管懸掛在樹上。各處理施肥量和灌溉定額均一致。

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

各處理氮、磷、鉀肥(折純)用量分別為240、225、300 kg·hm-2。所用肥料為尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀。每個(gè)處理均設(shè)置閥門、水表(精度為0.000 01 m3)、比例施肥泵和壓力計(jì)，滴灌管類型為內(nèi)鑲式，滴頭流量均為2 L·h-1。滴灌施肥運(yùn)行方式為：開始1/4時(shí)間灌水，中間1/2時(shí)間施肥，后期1/4時(shí)間灌水。各次灌水前實(shí)測(cè)土壤含水率均大于80%θ田持(圖1)，灌水量按照肥料安全的稀釋濃度確定(稀釋后肥液電導(dǎo)率小于3 mS·cm-1)。全生育期灌水施肥制度如表2所示。所有試驗(yàn)樹修剪、拉枝及病蟲害防治均與當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)園一致。

表2 灌水施肥制度

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

監(jiān)測(cè)根區(qū)土壤硝態(tài)氮的動(dòng)態(tài)變化，取樣時(shí)間如下：2018年3月26日、4月5日、4月15日、4月27日、5月7日、5月16日、5月27日、6月6日、6月17日、6月27日。測(cè)定根區(qū)土壤硝態(tài)氮空間分布的時(shí)間為2017年11月4日(此時(shí)為基肥的第二次施入，T1處理執(zhí)行施肥和灌水，T2處理只灌水)。所有取樣20 cm為一層，取至100 cm深，每個(gè)處理取3次重復(fù)。取樣點(diǎn)如圖2所示。

圖2 取樣點(diǎn)布置

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，應(yīng)用Excel 2010和MATLAB 2018a繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)土壤硝態(tài)氮在生育期內(nèi)的變化動(dòng)態(tài)

T1和T2處理土壤硝態(tài)氮變化范圍分別為7.06～168.36 mg·kg-1和9.73～248.86 mg·kg-1。通過(guò)對(duì)比不同施肥周期下同一土層硝態(tài)氮的變化可以得出，延長(zhǎng)施肥周期使生育期內(nèi)0～40 cm和80～100 cm土層硝態(tài)氮變化幅度增大(圖3A～E)。從不同位置取樣點(diǎn)硝態(tài)氮的變化來(lái)看，D2處理較D1處理使30、60 cm取樣點(diǎn)變化范圍增大，即增加了硝態(tài)氮的擴(kuò)散范圍。例如，P1T1D2距樹行30 cm處0～20 cm土層硝態(tài)氮含量變化范圍為6.79～144.56 mg·kg-1，60 cm處變化為21.58～130.68 mg·kg-1(圖3A)；而P1T1D1距樹行30 cm處0～20 cm土層硝態(tài)氮含量變化范圍為13.26～136.50 mg·kg-1，60 cm處變化范圍為10.37～118.10 mg·kg-1(圖3A)。同樣地，P1處理較P2使0、60 cm取樣點(diǎn)變化范圍增大。

不同時(shí)期土壤硝態(tài)氮含量的均值表現(xiàn)為：T2處理較T1顯著影響0～20、20～40、60～80 cm及80～100 cm土層硝態(tài)氮含量；D2處理較D1使0～20 cm土層硝態(tài)氮含量增大。對(duì)各土層硝態(tài)氮累積量的占比而言，P1處理80～100 cm占比顯著高于P2；T1處理0～20、20～40 cm占比顯著高于T2，而80～100 cm正好相反(表3)，表明P1、T2處理土壤硝態(tài)氮有下移傾向；P2、T1處理可使淺層土壤硝態(tài)氮長(zhǎng)期維持較高水平。

表3 不同土層硝態(tài)氮含量均值和累積量占比

2.2 垂直樹行方向土壤硝態(tài)氮分布

P2D2T1處理土壤硝態(tài)氮含量為20～200 mg·kg-1的斑塊分布在距樹行2～60 cm范圍內(nèi)，垂直深度在0～46 cm土層中，形狀近似半橢圓型(圖4A)；P1D1T1處理土壤硝態(tài)氮含量為20～140 mg·kg-1的斑塊分布在距樹行0～19、23～48 cm的范圍內(nèi)，垂直深度在0～48 cm土層中(圖4B)；P2D1T1處理土壤硝態(tài)氮含量為20～220 mg·kg-1的斑塊分布在距樹行4～58 cm范圍內(nèi)，垂直深度分布在0～37 cm土層中，形狀近似半橢圓型(圖4C)；P1D2T1處理土壤硝態(tài)氮含量為20～220 mg·kg-1的斑塊分布在距樹行0～45 cm的范圍內(nèi)，垂直深度在0～50 cm土層中，分布形狀近似1/4橢圓型(圖4D)。在T2處理中(圖4E～H)，0～40 cm土層硝態(tài)氮含量低于70～100 cm土層。與P1處理相比，P2處理下土壤硝態(tài)氮在垂直樹行方向上總分布范圍增大，垂直分布深度減?。慌cD1處理相比，D2處理下土壤硝態(tài)氮在垂直樹行和垂直深度的分布范圍增大；與T1相比，T2處理使0～40 cm土層硝態(tài)氮濃度降低，而較高濃度硝態(tài)氮下移至70～100 cm土層中。

圖4 垂直樹行方向硝態(tài)氮分布/(mg·kg-1)

2.3 沿樹行方向土壤硝態(tài)氮分布

沿樹行方向土壤硝態(tài)氮的分布也影響根系與氮素的接觸面積，其分布的均勻程度與滴頭間距和毛管布置方式有關(guān)(圖5A-D)。P2D2T1處理硝態(tài)氮含量為80～180 mg·kg-1的斑塊水平分布在距滴頭0～21 cm(圖5A)；P1D1T1處理硝態(tài)氮含量為110～120 mg·kg-1的斑塊水平分布在距滴頭0～14 cm(圖5B)；P2D1T1處理硝態(tài)氮含量為80～180 mg·kg-1的斑塊水平分布在距滴頭0～14 cm(圖5C)。對(duì)比硝態(tài)氮斑塊的分布范圍可以看出，P1處理較P2使土壤硝態(tài)氮分布更均勻；在P2條件下，D1處理土壤硝態(tài)氮分布更均勻。

圖5 沿樹行方向硝態(tài)氮分布/(mg·kg-1)

3 討 論

本研究表明，施肥周期由15 d延長(zhǎng)至30 d可使0～40 cm和80～100 cm土層硝態(tài)氮含量在生育期內(nèi)變幅增大，并減少了0～60 cm土層內(nèi)硝態(tài)氮含量。有研究表明[18-19]，在滴灌條件下，由于施肥周期的增加使單次施肥量增大，造成高濃度氮素在土壤表層發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)化。根區(qū)氮素的劇烈轉(zhuǎn)化不僅影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收[20]，而且殘留的硝態(tài)氮會(huì)隨降雨或灌溉水向深層移動(dòng)。栗巖峰等[10]研究表明，每周一次較四周一次的施肥頻率可使0～50 cm土層剖面硝態(tài)氮總量提高21%，較短的施肥周期可使更多的硝態(tài)氮存留在根系層。郭鵬飛等[21]研究表明，施肥頻率7 d·次-1較2 d·次-1情況下0～80 cm土層的硝態(tài)氮在生育期內(nèi)的變化更劇烈，且上層土壤硝態(tài)氮有較明顯向下層運(yùn)移的趨勢(shì)。這些研究結(jié)果均與本研究結(jié)果相似。在本試驗(yàn)條件下，土壤含水率始終保持在80%田間持水量以上(圖1)，這主要與試驗(yàn)區(qū)降雨量、土壤質(zhì)地以及蒸騰量有關(guān)。硝態(tài)氮作為黃土高原溝壑區(qū)蘋果園速效氮的主要形態(tài)，由于其極易隨土壤水分運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，因此在生產(chǎn)實(shí)際中需注意施肥周期，減少硝態(tài)氮在根區(qū)以外的淋失。

不同毛管布置方式和滴頭間距本質(zhì)上是使單個(gè)滴頭的灌水量發(fā)生改變，灌水量對(duì)硝態(tài)氮在土壤中運(yùn)移分布的影響是通過(guò)灌水時(shí)間的持續(xù)實(shí)現(xiàn)的，即增大灌水量，在增加進(jìn)入土壤中水肥量的同時(shí)，也延長(zhǎng)了水分和硝態(tài)氮在土壤中的運(yùn)移時(shí)間。在本研究中，與一行一管的布置方式相比，一行兩管的布置方式下土壤硝態(tài)氮在垂直樹行方向上總的擴(kuò)散范圍增大，但垂直深度擴(kuò)散范圍減小。在滴灌前期土壤水分主要受土壤吸力作用沿水平和垂直方向擴(kuò)散，此時(shí)水平擴(kuò)散速度與垂直擴(kuò)散速度相同；隨著灌水歷時(shí)和滴灌量的增加，土壤水分重力勢(shì)逐漸增大，水平方向水勢(shì)梯度逐漸減小，使該方向的擴(kuò)散速度減慢并逐漸趨近于零，水分主要在重力勢(shì)作用下進(jìn)行垂直入滲，最終使垂直方向擴(kuò)散范圍大于水平方向擴(kuò)散范圍[22]，這與前人研究結(jié)果一致[22-23]。

土壤養(yǎng)分的空間有效性直接影響植物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收[24]。滴灌施肥條件下，土壤的局部濕潤(rùn)性導(dǎo)致土壤養(yǎng)分在空間分布上也是不均一的，進(jìn)而加劇了根-土之間的相互作用[7]。本研究中一行兩管的布置方式在樹行兩側(cè)同時(shí)灌水增大了垂直滴灌管方向硝態(tài)氮的分布范圍(圖4C)，同時(shí)滴頭間距30 cm可有效提高沿滴灌管方向的均勻度(圖5C)，施肥周期15 d可使淺層土壤長(zhǎng)期維持較高的土壤硝態(tài)氮水平(表3)，從而增加了水分和氮素與根系的接觸面積，達(dá)到提高水氮利用效率、減少肥料殘留的目的[25]。因此，考慮根區(qū)土壤硝態(tài)氮分布、動(dòng)態(tài)與根系的關(guān)系，一行兩管、滴頭間距30 cm、施肥周期15 d的組合較適合幼齡矮化密植的蘋果園應(yīng)用。本研究關(guān)注點(diǎn)在根區(qū)土壤硝態(tài)氮的分布以及生育期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，并以此優(yōu)選出一行兩管、滴頭間距30 cm、施肥周期15 d的組合，未考慮到樹體的生長(zhǎng)變化，因此后續(xù)的研究應(yīng)關(guān)注樹體的生長(zhǎng)指標(biāo)、氮素吸收或產(chǎn)量等。

4 結(jié) 論

1)T1和T2處理硝態(tài)氮含量在生育期內(nèi)變化分別為7.06～168.36 mg·kg-1和9.73～248.86 mg·kg-1。延長(zhǎng)施肥周期使0～40 cm和80～100 cm土層硝態(tài)氮變化幅度增大，加劇硝態(tài)氮向深層移動(dòng)，減少0～60 cm土層硝態(tài)氮含量。

2)與P1相比，P2處理使垂直樹行方向的擴(kuò)散范圍增大，垂直深度減小;與D1相比，D2處理使垂直樹行和垂直深度的分布范圍增大。對(duì)于沿樹行方向土壤硝態(tài)氮分布，在P2D1處理下硝態(tài)氮的分布更均勻。

3)P2D1T1可增加硝態(tài)氮在根區(qū)的分布范圍和均勻度以及與根系的接觸面積，減少根區(qū)外硝態(tài)氮淋失，較適合在幼齡矮化密植的蘋果園中應(yīng)用。