微噴灌施肥對三七土壤氮素運移轉(zhuǎn)化試驗研究

王倩，脫云飛*，王飛，沈方圓，鄭陽，杜文娟，向萍，楊啟良

(1. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224； 2. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氮素為植物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素，在土壤中運移轉(zhuǎn)化除了受土壤理化性質(zhì)影響外，還受灌溉施肥方式、氮素形態(tài)等多種因素影響[1].微噴灌可有效控制灌水頻率和施肥量，適宜水肥用量對提高作物水肥利用率、減少養(yǎng)分流失、降低發(fā)病率具有重要意義.國內(nèi)外學(xué)者對不同灌溉施肥土壤氮素運移轉(zhuǎn)化進(jìn)行大量研究.室內(nèi)土箱入滲試驗表明土壤氮素質(zhì)量比與肥液濃度呈正相關(guān)，不同水肥配比影響氮素運移和轉(zhuǎn)化[2].試驗表明土壤氮素變化與灌溉方式關(guān)系緊密，黨建友等[3]發(fā)現(xiàn)微噴灌可有效控制硝態(tài)氮深層滲漏損失.ASSOULINE[4]研究表明滴灌對玉米地土壤氮素運移影響顯著.試驗表明土壤氮素變化與灌水施肥水平、灌溉頻率及灌溉模式關(guān)系緊密，低灌水頻率明顯降低三七根腐病，提高三七產(chǎn)量和皂苷質(zhì)量比[5].ACUTIS等[6]利用LEACHM模型研究玉米不同灌水施肥模式氮素淋失發(fā)現(xiàn)，施肥和灌水量增加使氮素淋失量增大.SADRAS等[7]研究發(fā)現(xiàn)氮肥降低小麥生長旺盛期葉面積指數(shù)，增加土壤蒸發(fā)蒸騰比.土層深度及土壤初始含水率對氮素具有一定影響，研究表明，硝態(tài)氮呈“氮隨水走”運移轉(zhuǎn)化特性，銨態(tài)氮不易隨水分運移[8].ADRIAN等[9]認(rèn)為土層深度對全氮空間分布影響最大，土壤深度0～40 cm氮素積累量最大.

目前針對灌溉施肥土壤氮素運移轉(zhuǎn)化研究主要集中在灌水施肥方式、土壤養(yǎng)分、土地利用方式和土壤質(zhì)地等單因素方面，缺乏對微噴灌施肥不同灌溉施肥對酸性紅壤土氮素運移轉(zhuǎn)化研究，對最佳灌溉施肥用量還處在探索階段.文中以2 a生三七為對象，研究微噴灌施肥三七土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨生育時間和土壤深度運移轉(zhuǎn)化規(guī)律，旨在明確灌溉施肥調(diào)控酸性紅壤土氮素運移轉(zhuǎn)化特性，有助于改善農(nóng)田微生態(tài)環(huán)境，抑制病蟲害，為該地區(qū)三七高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種植提供最佳水肥組合模式.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于云南省紅河州瀘西縣境內(nèi)(103°30′E， 24°15′N)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，干濕季分明，夏季多雨，冬季干旱，每年雨季集中在6—10月.年均降雨量850.0 mm，年均日照2 122 h，無霜期272.7 d.土壤類型為紅壤，pH為4.81～6.85.

1.2 試驗設(shè)計和指標(biāo)測定

試驗于2017—2020年在瀘西縣大栗樹村三七種植基地進(jìn)行，試驗設(shè)置4個施肥水平，即3.20(F1)，4.80(F2)，6.20(F3)和120.00 kg/ha(F4)；3個灌水水平，即0.4FC(W1)，0.6FC(W2)和0.8FC(W3)，F(xiàn)C為田間持水率，為42.28%(體積含水率，下同)，CK為對照(不進(jìn)行灌溉施肥).試驗采用完全區(qū)組設(shè)計，共13個處理，每個處理3次重復(fù)，共設(shè)39個試驗小區(qū).

試驗區(qū)面積為20 hm2，每個小區(qū)長16.70 m，寬1.50 m.試驗區(qū)采用雙層遮陽網(wǎng)遮蓋，灌溉方式為倒掛微噴灌，每月灌水施肥2次，肥料隨灌溉水以肥液形式均勻噴灑，用塑料薄膜進(jìn)行遮雨處理，多余水分通過鼠道排出試驗區(qū).每隔15 d灌水施肥1次并定期鋤草.種植前開溝起壟，溝深30 cm，溝底寬40 cm，以確保不漏水和不漫溝.采樣時間為每年6，7，8，9和10月.在每個小區(qū)上部、中部和下部設(shè)置3個1 m×1 m取樣點，去除取樣點周邊土壤表面枯落物和石礫，分別在10，20，30，40，50，60 cm處取樣.將土樣自然風(fēng)干后去除根莖葉及石礫并研磨過篩.土壤全氮質(zhì)量比采用凱氏定氮法測定，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮質(zhì)量比采用流動分析儀測定[10].施肥肥料選用德美水溶性有機(jī)肥，主要成分WN≥21%，WP2O5≥21%，WK2O≥21%，W腐殖酸≥6%，WFe螯合態(tài)≥0.05%，WZn螯合態(tài)≥0.05%，WCu螯合態(tài)≥0.017%，WMn螯合態(tài)≥0.05%，WB≥0.1%，WMo≥0.007%，WHg≤10 mg/kg，WCd≤10 mg/kg，WCr≤50 mg/kg，WPb≤50 mg/kg.

1.3 相關(guān)指標(biāo)計算

土壤含氮質(zhì)量比計算公式為

式中：WN為含氮質(zhì)量比，g/kg；V為滴定樣品用去鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；V0為滴定試劑空白試驗用去鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；c為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；0.014為氮原子的摩爾質(zhì)量，g/mmol；K2為將風(fēng)干土樣換算成烘干土樣的水分換算系數(shù)；m1為風(fēng)干土質(zhì)量，g.

數(shù)據(jù)采用Excel 2018和SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、相關(guān)性分析和方差分析.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 土壤氮素隨時間運移轉(zhuǎn)化

圖1為土壤全氮隨時間運移轉(zhuǎn)化情況.由圖可知，不同灌水施肥土壤全氮質(zhì)量比WTN隨時間增加先增加后減小.在同一施肥水平，全氮質(zhì)量比隨灌水量增加呈下降趨勢，8月全氮質(zhì)量比達(dá)到峰值.處理W2F2在8月比6，7，9和10月全氮質(zhì)量比分別增加20.19%，6.84%，4.17%和31.96%.各月份全氮質(zhì)量比隨灌水量增加逐漸減小，8月處理W1F2，W2F2，W3F2分別比CK增加63.29%，58.23%和54.43%.原因為隨著灌水量增大，氮素流失風(fēng)險加大，提高氮素水解速率，全氮質(zhì)量比呈減少趨勢.在同一灌水水平，隨著施肥量增加，全氮質(zhì)量比逐漸增大，8月全氮質(zhì)量比最大，處理W2F3全氮質(zhì)量比最大.處理W2F3在8月比6，7，9和10月分別增加19.38%，6.21%，1.99%和11.59%.各月全氮質(zhì)量比隨施肥量增加而增大，8月處理W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分別增加55.70%，58.23%，64.94%和55.95%.處理W2F3全氮質(zhì)量比最大，全氮隨施肥量增大而增大.綜上所述，同一灌溉水平和同一施肥水平全氮質(zhì)量比均在8月達(dá)到峰值.

圖1 土壤全氮隨時間運移轉(zhuǎn)化

圖2為土壤硝態(tài)氮隨時間的運移轉(zhuǎn)化情況.由圖可知，不同灌水施肥土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比WNN隨時間增加先減小后增大.在同一施肥水平隨灌水量增加，硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸降低，9月硝態(tài)氮質(zhì)量比達(dá)到峰值.處理W2F2 9月比6，7，8和10月硝態(tài)氮質(zhì)量比分別增加4.49%，5.30%，29.36%和19.87%.各月份同一施肥水平隨灌水量增加，硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸減少，9月處理W1F2，W2F2，W3F2比CK分別增加41.86%，42.19%和36.42%.隨灌水量增加硝態(tài)氮質(zhì)量比減少，原因為硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，不易被土壤顆粒吸附，隨灌水量增大，硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸降低，W1F2硝態(tài)氮質(zhì)量比最大.同一灌水水平隨施肥量增加，硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增大，9月質(zhì)量比最大.處理W2F4 9月比6，7，8和10月分別增加21.27%，23.97%，17.63%和9.52%.各月份同一灌水水平隨施肥量增加，硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增大.9月處理W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分別增加41.16%，42.19%，50.37%和55.81%，W2F4硝態(tài)氮質(zhì)量比最大.綜上所述，同一灌溉水平和同一施肥水平硝態(tài)氮質(zhì)量比均在9月達(dá)到峰值.

圖2 土壤硝態(tài)氮隨時間的運移轉(zhuǎn)化

圖3為土壤銨態(tài)氮隨時間的運移轉(zhuǎn)化情況.由圖可知，不同灌水施肥條件下土壤銨態(tài)氮質(zhì)量比WAN隨時間增加逐漸減少.在同一施肥水平隨灌水量增加，銨態(tài)氮質(zhì)量比呈上升趨勢，6月銨態(tài)氮質(zhì)量比達(dá)到峰值.處理W2F2 6月比7，8，9和10月銨態(tài)氮質(zhì)量比分別增加18.96%，27.01%，64.14%和68.88%.各月份隨灌水量增加銨態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增大，6月W1F2，W2F2，W3F2分別比CK增加46.32%，52.16%和54.66%.隨月份增加銨態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增加.原因為灌水量增加導(dǎo)致土壤通氣性變差、氧氣質(zhì)量比降低，硝化作用變慢，因此銨態(tài)氮質(zhì)量比增加.同一灌水水平隨施肥量增加，銨態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增大，6月質(zhì)量比最大，其中6月處理W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分別增加32.02%，52.68%，60.67%和75.83%，W2F4銨態(tài)氮質(zhì)量比最大.綜上所述，同一灌溉水平和同一施肥水平銨態(tài)氮質(zhì)量比均在6月達(dá)到峰值.

圖3 土壤銨態(tài)氮隨時間的運移轉(zhuǎn)化

2.2 土壤氮素隨土層深度運移轉(zhuǎn)化

圖4為土壤全氮隨土層深度的運移轉(zhuǎn)化情況.由圖可知，不同灌水施肥土壤全氮質(zhì)量比隨土層深度增加逐漸減少.同一施肥水平隨灌水量增加全氮質(zhì)量比逐漸減少，主要聚集0～10 cm.處理W2F2 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm全氮質(zhì)量比分別增加2.22%，6.15%，10.40%，15.00%和25.45%.各土層全氮質(zhì)量比隨灌水水平增加逐漸增大，0～10 cm土層W1F2，W2F2，W3F2分別比CK增加63.75%，72.5%和62.5%.同一灌水水平隨施肥量增加全氮質(zhì)量比逐漸增大，聚集土層0～10 cm.W2F3全氮質(zhì)量比最大，土層0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm全氮分別增加4.70%，6.85%，9.09%，11.42%和18.18%.各土層全氮質(zhì)量比隨施肥水平增加而增大，0～10 cm土層W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分別增加71.25%，72.50，95.00%和68.75%.0～60 cm土層W2F3全氮質(zhì)量比最大，分別為處理W2F1，W2F2和W2F4的 1.21倍、1.15倍和1.32倍，全氮隨施肥量增大而增大.

圖4 土壤全氮隨土層深度的運移轉(zhuǎn)化

圖5為土壤硝態(tài)氮隨土層深度的運移轉(zhuǎn)化情況.由圖可知，不同灌水施肥土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比隨土層深度增加先減小后增大.W3F2硝態(tài)氮質(zhì)量比累積在40～50 cm.處理W2F2 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm硝態(tài)氮質(zhì)量比分別增加12.90%，31.88%，3.49%，44.51%和57.23%.灌水量增加硝態(tài)氮向土壤深度垂直向下運移，40～50 cm硝態(tài)氮質(zhì)量比增加，不利于植物根系吸收利用，存在氮素流失風(fēng)險.各土層硝態(tài)氮質(zhì)量比隨灌水量增加而減小，20～30 cm土層W1F2，W2F2，W3F2比CK分別增加87.49%，49.61%和37.43%.灌水量增加硝態(tài)氮向深層淋洗，導(dǎo)致硝態(tài)氮質(zhì)量比減小.同一灌水水平隨施肥量增加，硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增大，累積在0～10 cm，處理W2F3硝態(tài)氮質(zhì)量比最大，處理W2F3 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm硝態(tài)氮質(zhì)量比分別增加15.76%，37.23%，23.07%，65.18%和77.25%.20～30 cm土層W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分別增加43.86%，49.61%，79.26%和59.41%.各土層硝態(tài)氮質(zhì)量比隨土層深度增加逐漸減小，W2F3硝態(tài)氮質(zhì)量比最大.灌水水平相同硝態(tài)氮質(zhì)量比隨施肥水平增大而增大，肥量過高不易提高硝態(tài)氮質(zhì)量比.

圖5 土壤硝態(tài)氮隨土層深度的運移轉(zhuǎn)化

圖6為土壤銨態(tài)氮隨土層深度的運移轉(zhuǎn)化情況.由圖可知，不同灌水施肥土壤銨態(tài)氮質(zhì)量比隨土層深度增加呈下降趨勢.同一施肥水平隨灌水量增加銨態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增大，聚集在0～10 cm.處理W2F2 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm銨態(tài)氮分別增加10.74%，18.06%，28.99%，29.26%和46.25%.各土層銨態(tài)氮質(zhì)量比隨灌水量增加逐漸增加，0～10 cm土層W1F2，W2F2，W3F2比CK分別增加39.58%，70.43%和86.02%.0～10 cm土層W3F2比W1F2和W2F2分別增加1.41倍和1.09倍，銨態(tài)氮質(zhì)量比隨灌水量增加而增加.同一灌水水平隨施肥量增加，銨態(tài)氮質(zhì)量比逐漸增大，聚集土層0～10 cm.W2F4銨態(tài)氮質(zhì)量比最大，土層0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm銨態(tài)氮分別增加18.95%，20.53%，22.75%，26.93%和46.25%.各土層銨態(tài)氮質(zhì)量比隨施肥量增加逐漸增大，0～10 cm土層W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分別增加55.38%，63.44%，70.43%和77.69%，W2F1，W2F2，W2F3和W2F4在土層40～50 cm和50～60 cm銨態(tài)氮質(zhì)量比相近，銨態(tài)氮質(zhì)量比隨施肥量增加而增大，施肥量對40～60 cm土層影響不具有統(tǒng)計學(xué)意義.

圖6 土壤銨態(tài)氮隨土層深度的運移轉(zhuǎn)化

2.3 不同灌水施肥三七土壤氮素相關(guān)性分析

通過對灌溉施肥三七土壤水氮運移轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)分析，得出不同灌水施肥全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的相關(guān)性，具體如表1所示.

表1 不同灌水處理土壤水氮的相關(guān)性

結(jié)果表明：微噴灌施肥條件下灌水與土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的相關(guān)系數(shù)分別為-0.085，-0.207和0.182，其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮與灌水相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，而灌水與全氮呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).施肥與全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的相關(guān)系數(shù)分別為0.078，0.168和0.113，其中與全氮相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，施肥與硝態(tài)氮呈正相關(guān)且相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，施肥與銨態(tài)氮相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).

3 討 論

土壤硝態(tài)氮帶負(fù)電荷不易被土壤膠體吸附、易隨水分運動向下運移[8].相同施肥水平全氮質(zhì)量比隨時間增加8月最高，之后逐漸降低，原因為8—10月三七生殖生長高峰期對養(yǎng)分需求量大，受高溫、土壤性質(zhì)和水熱條件影響有利于氮素運移轉(zhuǎn)化供三七根系吸收利用[11].同一灌水水平增加施肥量處理W2F3全氮質(zhì)量比最高，過量施肥容易造成土壤板結(jié)，土壤通氣狀況變差不利于植物吸收利用，這與鄭文生等[12]滴灌控水控肥對土壤氮素運移影響研究結(jié)果一致.一定灌水量增加施肥量導(dǎo)致硝態(tài)氮質(zhì)量比增加，增加灌水量受到水分淋洗向下運移，減少表層質(zhì)量比累積，增加灌水量促進(jìn)植物對硝態(tài)氮吸收和反硝化作用，硝態(tài)氮質(zhì)量比減少，與PREM等[13]研究結(jié)果一致.硝態(tài)氮質(zhì)量比隨月份變化呈現(xiàn)遞減趨勢，9月增大，原因為6—8月植物需肥高峰期，土壤溫度高直接影響生物化學(xué)過程，促進(jìn)植物吸收養(yǎng)分導(dǎo)致硝態(tài)氮質(zhì)量比減小.土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比由大到小順序依次為W1F2，W2F2，W3F2和CK，這與袁念念等[14]研究結(jié)果一致，研究控水控肥對旱地土壤氮素運移轉(zhuǎn)化結(jié)果表明，增加灌水量導(dǎo)致硝態(tài)氮向下運移.不同灌水施肥銨態(tài)氮質(zhì)量比隨時間延長逐漸降低，原因為三七在6—8月處于營養(yǎng)生長高峰期，對土壤養(yǎng)分吸收較強(qiáng)，對養(yǎng)分需求量增大，養(yǎng)分被植物根系吸收利用，一部分土壤內(nèi)部轉(zhuǎn)化，一部分被土壤吸附.

土壤氮素主要以硝態(tài)氮形態(tài)存在，銨態(tài)氮較少，灌水和施肥影響氮素土壤中運移[15-17].SUN等[18]研究表明合理灌水施肥使硝態(tài)氮淋失減少15%.文中研究表明同一施肥水平隨灌水量增加，W1F2，W2F2和W3F2硝態(tài)氮質(zhì)量比逐漸降低，W1F2硝態(tài)氮質(zhì)量比最大，0～30 cm土層累積，W3F2硝態(tài)氮質(zhì)量比30～40 cm土層累積.這與郭鵬飛等[19]研究一致，研究表明相同灌水量提高灌水頻率可以降低氮素淋失風(fēng)險.硝態(tài)氮帶負(fù)電荷隨重力水向土壤下層運移，灌水量過高，減弱土壤對硝態(tài)氮吸附，不易被植物吸收利用，隨水分向下淋洗運移脫離土壤表層；土層深度加深通氣狀況差，造成硝態(tài)氮損失.這與嚴(yán)富來等[20]研究水氮互作對寧夏沙玉米氮素分布規(guī)律結(jié)果相一致.該研究同一施肥銨態(tài)氮隨灌水量增加易聚集0～10 cm，其原因為銨態(tài)氮具有較強(qiáng)吸附作用，不宜在土壤剖面中移動，銨態(tài)氮停留在淺層土壤，三七根系吸收，與張忠學(xué)等[21]研究結(jié)果一致，研究表明控制灌溉水氮素運移轉(zhuǎn)化取決于灌水施肥量.該研究同一灌水水平下隨施肥量增加銨態(tài)氮質(zhì)量比均聚集在土層0～10 cm，W2F4銨態(tài)氮質(zhì)量比最大，研究微噴灌施肥土壤氮素隨時間和深度變化運移轉(zhuǎn)化規(guī)律，對不同灌水施肥三七土壤氮素吸收利用率、累積和土壤養(yǎng)分變化特征還有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié) 論

1) 不同灌水施肥土壤全氮質(zhì)量比隨時間增加先增大后減小，硝態(tài)氮質(zhì)量比隨時間增加先減小后增大，銨態(tài)氮質(zhì)量比隨時間增加逐漸減小；全氮和硝態(tài)氮質(zhì)量比隨灌水量增加逐漸減小，銨態(tài)氮質(zhì)量比隨灌水量增加呈上升趨勢.全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮質(zhì)量比隨施肥量增加而增大，8月W2F3全氮質(zhì)量比最大，9月W2F4硝態(tài)氮質(zhì)量比最大，6月W2F4銨態(tài)氮質(zhì)量比最大.

2) 不同灌水施肥土壤全氮和銨態(tài)氮質(zhì)量比隨土層深度增加逐漸減小，硝態(tài)氮質(zhì)量比隨土層深度增加先減小后增大，全氮、銨態(tài)氮質(zhì)量比隨灌水量增加逐漸增大，硝態(tài)氮質(zhì)量比隨灌水量增加而減小，全氮、銨態(tài)氮質(zhì)量比隨施肥量增加逐漸增大，全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮質(zhì)量比聚集在土層0～10 cm，W2F3全氮質(zhì)量比最大，W2F3硝態(tài)氮質(zhì)量比最大，W2F4銨態(tài)氮質(zhì)量比最大.

3) 不同灌水施肥土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮與灌水量相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，而灌水量與全氮呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).施肥量與硝態(tài)氮呈正相關(guān)且相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)，而施肥量與銨態(tài)氮相關(guān)性具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05).