日光溫室不同水肥措施下水氮遷移特性

張學科

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

日光溫室不同水肥措施下水氮遷移特性

張學科1,2,3

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

為探索寧夏日光溫室中不合理灌溉對番茄水分利用、氮素遷移特性的影響，通過田間試驗方法，在不同灌溉方式(T1漫灌4.50 t·hm-2、T2滴灌3.15 t·hm-2)及氮肥用量(T1常規(guī)量800 kg·hm-2、T2推薦量600 kg·hm-2)處理下測定了土壤水分分布、番茄水分利用率和土壤剖面氮素淋溶特征。結(jié)果表明，在番茄的不同生育期， 0～80 cm土層深度滴灌+推薦施肥土壤含水率大于漫灌+習慣施肥，而80～200 cm土層結(jié)果與之相反，可見，滴灌后水分主要保蓄在80 cm以上土層，而漫灌方式水分滲出耕層土壤的量更多。滴灌+推薦施肥處理瞬時葉片水分利用率、番茄水分利用效率明顯高于漫灌+習慣施肥，但兩處理產(chǎn)量差異不明顯。在當季蔬菜生長期間，不同處理30～50 cm土層的硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)均最高，隨著灌溉次數(shù)的增多，硝態(tài)氮逐漸向下遷移，漫灌+習慣施肥在100～200 cm土層硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)高于滴灌+推薦施肥處理，此質(zhì)量分數(shù)明顯高于國內(nèi)其他蔬菜栽培地區(qū)。水資源浪費與不合理水肥利用引起的地下水污染問題在寧夏日光溫室蔬菜栽培中已相當突出，值得引起相關(guān)部門的重視。

灌溉方式；水分利用效率；硝態(tài)氮淋溶

水資源是人類賴以生存、不可替代的自然資源。寧夏是全國水資源最匱乏的區(qū)域之一，水資源人均占有量僅是全國人均水量的5%左右，是黃河流域水資源最匱乏的區(qū)域之一[1-2]，占世界人均水量的1%左右。與水資源短缺的現(xiàn)實相比，寧夏水資源利用方式仍然很落后，特別是農(nóng)業(yè)用水，引黃灌區(qū)存在著大水漫灌等水資源浪費現(xiàn)象[3-4]， 灌溉水利用系數(shù)僅0.4，水資源利用效率低的根本原因是有效節(jié)水農(nóng)業(yè)制度不健全、節(jié)水技術(shù)推廣力度不夠。寧夏地下水資源分布極不均勻， 全區(qū)地下水資源主要集中分布在引黃灌區(qū)、南部山區(qū)、黃土丘陵區(qū)及中部風沙區(qū)，地下水資源量少且水質(zhì)差。據(jù)2009年調(diào)查結(jié)果[5]顯示，果園與溫室栽培蔬菜體系下地下水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度最高，按照國家地下水水質(zhì)量標準的5個等級(GB/T 14848-93)[6]，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度(以N計)超過20 mg·L-1(Ⅲ～Ⅴ類水質(zhì))占37%，近5 a，寧夏溫室蔬菜栽培面積與施肥量不斷增加，地下水面臨硝酸鹽污染問題將日趨嚴重。目前，農(nóng)業(yè)引起的硝酸鹽污染已是地下水面臨的最大威脅，為此，許多國家[7-9]先后開展了地下水硝態(tài)氮污染及控制對策方面的研究，Overgaard[10]的研究結(jié)果表明，地下水硝態(tài)氮平均質(zhì)量濃度在過去的20～30 a 中增加了3 倍，而且還在以每年3.3 mg·L-1的速度增加。國內(nèi)許多地區(qū)地下水質(zhì)量也在不同程度上受到硝態(tài)氮污染的威脅[11-12]，且呈現(xiàn)出日趨嚴重的發(fā)展態(tài)勢。地下水是寧夏的主要飲用水源，地下水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度狀況將直接關(guān)系到全區(qū)人民的健康。本研究基于寧夏水資源的合理利用與地下水存在的潛在威脅，分析不同水肥措施下土層剖面水、氮分布特征，同時研究結(jié)果將驗證水氮遷移預測模型的合理性，為寧夏水資源利用及溫室蔬菜栽培提供技術(shù)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在寧夏賀蘭縣設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園進行，位于東經(jīng)106°21′54″、北緯38°26′51″，該縣設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積達到1 200 hm2。試驗溫室均建于2009年，栽培蔬菜以番茄、豇豆、芹菜為主，1 a 2茬。該地區(qū)光照充足、熱量豐富，但蒸發(fā)強烈、干旱少雨、無霜期短。年、日溫差較大，氣候年較差平均為31.5 ℃，日較差平均13.6 ℃，年平均氣溫8.7 ℃，平均積溫3 245.6 ℃。試驗溫室坐北朝南，東西延長，東西長65 m，跨度8 m，北墻高1.8 m，脊高2.15 m，聚乙烯無滴膜覆蓋。

1.2 供試土壤

試驗地耕層土壤(0～40 cm) 質(zhì)地為砂壤土，土壤 pH 7.68，全鹽1.88 g·kg-1，有機質(zhì)為8.62 g·kg-1，土壤礦質(zhì)態(tài)氮、速效磷和速效鉀分別為126、303和681 mg·kg-1，土壤肥力中等。

1.3 試驗設(shè)計與實施

試驗設(shè)2個處理。處理1(T1)：漫灌4.50 t·hm-2+習慣氮肥量800 kg·hm-2(FI+CF)；處理2(T2)：滴灌3.15 t·hm-2+推薦氮肥量600 kg·hm-2(DI+RF)。

各試驗小區(qū)均以濕羊糞為底肥，用量為60 m3·hm-2，氮、鉀基施總量的40%、磷肥全部作基肥，有機肥與化肥于2014年12月底施入，氮、鉀其余60%分3次在開花坐果期、結(jié)果初期、結(jié)果后期等量施入，氮、磷、鉀肥料分別選用硝酸鉀、重鈣、硫酸鉀。

追肥方法為漫灌按膜下撒施，隨后按處理灌水；滴灌沖入施肥罐，水肥一體施入。定植后前兩水所有處理均采用漫灌方式進行灌溉，從第3水至拉秧按處理進行不同方式灌溉。安裝主管與滴灌系統(tǒng)，每壟設(shè)置控制閥，每小區(qū)安裝獨立水表控制水量，灌水次數(shù)相同，滴灌灌水量為漫灌灌水量的70%。

試驗于2014-2015年春茬進行，每處理重復4次，小區(qū)面積為63.0 m2，每小區(qū)6壟12行，壟間距1.5 m，壟高25 cm，每小區(qū)間設(shè)2壟作為保護行，垂直埋深200 cm塑料膜防止串水串肥。供試番茄品種為‘金棚榮威’，雙行定植于壟上，株行距為 30 cm×50 cm 。

1.4 測定項目及方法

番茄開花坐果期、結(jié)果初期、結(jié)果后期用土鉆取 0～200 cm土壤剖面土樣，每20 cm取1個混和樣，鮮樣冰箱保存以測定硝態(tài)氮，烘干法測定土壤含水率。并同期采用LI-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)(LI-COR，美國)測定功能葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)，每小區(qū)測6片葉取平均值，計算葉片水分利用效率(WUE):WUE=Pn/Tr。按小區(qū)記錄果實產(chǎn)量；作物水分利用率= 果實產(chǎn)量/(總灌水量+定植時土壤貯水量- 結(jié)果后期土壤貯水量)；土壤貯水量= 土壤體積質(zhì)量×土壤體積×土壤含水率。計算0～200 cm 各層土壤水分構(gòu)成總量；土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)采用1 mol·L-1氯化鉀浸提(水土比10∶1)，全自動流動分析儀法測定(AA3，Bran and Luebbe，Germany)。土壤表層硝態(tài)氮殘留量指殘留在0～100 cm的硝態(tài)氮量，殘留硝態(tài)氮總量=各層土壤體積質(zhì)量×土壤體積×(1-土壤含水率)×硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)的總和。土壤淋溶損失的硝態(tài)氮指下滲至100～200 cm的硝態(tài)氮量，計算方法同表層硝態(tài)氮殘留。

用Excel 2010和SAS V 8進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，t檢驗進行成對數(shù)據(jù)差異性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤水分分布與番茄水分利用效率的影響

在作物的不同生育階段，采用不同灌溉方式后，不同土層不同時期土壤含水率差異較大(圖1)。在番茄生長的3個不同時期，表層與深層因灌溉方式不同土壤含水率差異很大。番茄定植后，大約35 d左右進入開花坐果期，此期間除2次定植水外(兩處理灌水量相同)，按處理共灌水3次，取樣測定在灌水后第5天進行，圖1-A結(jié)果表明，耕作層土壤因其有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于下層土壤，保水保肥性較強，因此具有較高的含水率；在土層深度70 cm處，2種處理下土壤含水率發(fā)生轉(zhuǎn)折，70 cm以上滴灌+推薦施肥大于漫灌+習慣施肥，且50 cm處的兩處理的差額最大。漫灌方式下，90～110 cm處具有較高的含水量，此層水分主要以重力水為主，表明采用漫灌灌溉后5 d時，在砂質(zhì)土壤條件下，快速流能夠到達地下100 cm左右。圖1-B表明，結(jié)果初期與開花坐果期水分分布趨勢基本相同。不同灌溉方式下，0～40 cm土壤含水率差額逐漸增大，下層土壤含水率最大出現(xiàn)在110 cm處，可見，隨著灌水次數(shù)的增多，快速流的深度逐漸增加。圖1-C表明漫灌方式下，經(jīng)過一個完整的植物生長季之后，土壤含水率隨土層深度的增加而增加，說明在此灌溉方式下，重力水水量較大而毛管水較少，尤其在砂質(zhì)土壤類型的溫室生產(chǎn)中更為突出。土壤水分分布除與灌溉方式和灌水量密切相關(guān)外，還受作物根系吸水特性及生育時期、土質(zhì)類型、蒸發(fā)強度、地下水埋深等多種因子共同影響。

A.開花坐果期 Flowering and fruit-set stage;B.結(jié)果初期 Early fruiting stage;C.結(jié)果后期 Later fruiting stage

葉片光合參數(shù)是作物對水分利用效率很重要的衡量指標，單葉水分利用效率是瞬時水分利用效率，它反映了作物短期的生長狀況[13]。在番茄的不同生育期，不同處理光合速率及蒸騰速率均有明顯差異(表1)，開花坐果期，處理間差異不明顯，說明在此期間，滴灌與漫灌后表層土壤水分可完全滿足番茄的水分需求，因此作物生長未受到灌水量不同的影響。但當番茄進入結(jié)果期后，作物需要大量的水分，耕層土壤的含水量會影響番茄的生長及果實形成，短期內(nèi)葉片光合參數(shù)存在顯著差異，滴灌下光合速率和蒸騰速率均高于漫灌處理，但這2個參數(shù)僅反映作物短期生長情況，經(jīng)再次灌溉后，參數(shù)會隨植物吸水狀況而改變。結(jié)果后期葉片水分利用效率存在差異。番茄葉片水分利用效率結(jié)果表明，在每個灌水周期內(nèi)，距離灌溉時間越長，葉片水分利用特性差異越大，而這種差異可通過及時灌溉進行消除，因此從溫室蔬菜葉片水分利用角度看，少量多次灌溉可減少不同灌溉方式引起的差異。

表1 不同處理下番茄葉片水分利用效率

注：同列相同指標數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下表同。

Note：Values followed by different lowercase letters in the same column meant significant differences (P<0.05).The same as follows.

經(jīng)不同灌溉方式處理后，作物水分利用效率存在明顯差異(表2)，滴灌+推薦施肥水分利用效率大于漫灌+習慣施肥，但對產(chǎn)量并未產(chǎn)生明顯的影響。不同灌溉方式及灌水量對不同土壤層次水分分布、葉片水分利用效率及作物水分利用效率均有不同程度的影響，但從經(jīng)濟收益角度看，減水減肥并未影響農(nóng)戶的收入，但投入量卻存在很大差額，因此在生產(chǎn)中滴灌應得到大力推廣，尤其對以砂質(zhì)土壤為主的寧夏，由于地表蒸發(fā)強度較大，滴灌在溫室生產(chǎn)中顯得更為重要。

2.2 不同處理對硝態(tài)氮遷移特性及氮素利用效率的影響

圖2-A結(jié)果表明，在番茄開花坐果期，30～50 cm硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)最高，且漫灌+習慣施肥顯著大于滴灌+推薦施肥。100 cm以下兩處理硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)基本相同，可見定植50 d后，不同灌溉方式及施肥量對硝酸鹽淋溶的影響主要發(fā)生在0～70 cm。當番茄進入結(jié)果初期時， 30～50 cm深度處硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)仍最高，但在70 cm以下，不同處理間差異逐漸明顯，漫灌+習慣施肥明顯大于滴灌+推薦施肥，可能由于漫灌水量大，水分下滲較滴灌快，且漫灌條件下具有較高的施肥量。當番茄進入結(jié)果后期時，此時距定植約150 d，70 cm處硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)較前期明顯增加，漫灌條件下100 cm以下硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)呈增加趨勢。可見，隨著番茄生育期的延長，硝酸鹽不斷下滲，蔬菜生長1季，下滲主要發(fā)生在0～70 cm，大水漫灌加速了土壤中前茬殘留硝酸鹽的淋溶，由于硝酸鹽的淋溶，對地下水存在很大的污染風險。

表2 不同處理下番茄水分利用效率

注：貯水量為0～200 cm總貯水量。

Note:Water in soil refer to 0-200 cm soil depth.

A.開花坐果期 Flowering and fruit-set stage；B.結(jié)果初期 Early fruiting stage；C.結(jié)果后期 Later fruiting stage

由表3可看出，在目前日光溫室生產(chǎn)中，硝酸鹽殘留問題非常嚴重，當季作物對氮素的利用率僅為投入量的1/5～1/3，表層土壤中硝酸鹽殘留逐年增加。對蔬菜而言，根系主要分布在0～60 cm內(nèi)，由于蒸發(fā)作用，下層養(yǎng)分會向上遷移，但遷移距離非常小，因此在溫室土層中，100 cm以下的硝酸鹽基本無法再利用，不同處理后淋溶損失存在顯著差異，漫灌+習慣施肥顯著大于滴灌+推薦施肥處理。

處理Treatment氮素投入/(kg·hm-2)Nitrogeninput作物吸收氮素量/(kg·hm-2)Up-takingnitrogenbycrops土壤表層硝態(tài)氮殘留量(0～100cm)/(kg·hm-2)ResidualNO-3-Ninupsoil當季作物氮素利用率/%Useefficientofnitrogen淋溶損失硝態(tài)氮/(kg·hm-2)LossNO-3-NbyleachingFI+CF800138b1.28×103b17.25b2.43×103aDI+RF600161a1.64×103a26.83a1.31×103b

注：淋溶損失按100～200 cm計算。

3 結(jié)論與討論

通過田間試驗，在番茄生長的不同生育期，0～80 cm 土層深度滴灌+推薦施肥土壤含水率大于漫灌+習慣施肥處理，而80～200 cm土層深度，結(jié)果與之相反，可見，滴灌后水分主要保蓄在80 cm以上土層，而漫灌方式水分滲出耕層土壤的量更多。滴灌+推薦施肥處理瞬時葉片水分利用率、番茄水分利用效率明顯高于漫灌+習慣施肥，但兩處理產(chǎn)量差異不明顯。漫灌方式的用水量為4.50×103m3·hm-2，滴灌方式的用水量為3.15×103m3·hm-2，溫室生產(chǎn)1季蔬菜通過滴灌方式可節(jié)約水資源1.35×103m3·hm-2。據(jù)統(tǒng)計，寧夏截至2013年設(shè)施栽培面積總計7.07萬hm2[14]，按溫室每年生產(chǎn)2季計算，1 a內(nèi)通過漫灌浪費水資源1.67×109m3。目前，設(shè)施栽培面積不斷增加，水資源短缺問題日益嚴峻，因此從水資源利用的角度出發(fā)，在設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培中應快速推廣適合寧夏水質(zhì)特征的滳灌系統(tǒng)。

當番茄進入結(jié)果后期時，此時距定植約150 d，70 cm處硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)較前期明顯增加，漫灌條件下100 cm以下硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)呈增加趨勢?？梢?，隨著番茄生育期的延長，硝酸鹽不斷下滲，蔬菜生長1季，下滲主要發(fā)生在0～70 cm，大水漫灌加速了土壤中前茬殘留硝酸鹽的淋溶，由于硝酸鹽的淋溶，對地下水存在很大的污染風險，隨著日光溫室栽培年限的延長，此問題越來越突出。研究中100～200 cm土層中硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)達50 mg·kg-1，這與中國其他地區(qū)土壤中硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)相比，高出3～5倍[15]。此結(jié)果與農(nóng)田硝態(tài)氮結(jié)果相比，首先硝酸鹽質(zhì)量分數(shù)比農(nóng)田中的高很多，其次硝酸鹽下滲速度也較其他研究快。近5 a，溫室蔬菜栽培面積與施肥量不斷增加，地下水面臨硝酸鹽污染問題非常嚴重，值得引起相關(guān)部門的重視。

Reference：

Received 2016-04-13 Returned 2016-05-20

Foundation item Ministry of Education “Changjiang Scholars and Innovation Team Development Plan” Innovation Team Project (No.IRT1067);Educational Institutions of Higher School Scientific Research Project in Ningxia(No.2014-179).

The author ZHANG Xueke, male, associate professor.Research area: hydraulic engineering and project management.E-mail:slxzxk@163.com

(責任編輯：潘學燕 Responsible editor:PAN Xueyan)

Migration Characteristic of Water and Nitrogen by Different Water and Fertilizer in Sunlight Greenhouse

ZHANG Xueke1,2,3

(1. College of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2.Ningxia Research Center of Technology on Water-saving Irrigation and Water Resources Regulation,Yinchuan 750021,China 3.Engineering Research Center for Efficient Utilization of Water Resources in Modern Agriculture in Arid Regions,Yinchuan 750021, China)

2016-04-13

2016-05-20

教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”創(chuàng)新團隊項目(IRT1067)；寧夏教育廳高等學?？茖W研究項目(2014-179)。

張學科，男，副教授，從事水利工程和工程項目管理教學與科研工作。E-mail:slxzxk@163.com

日期：2016-12-12

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161212.1117.038.html

S274.1

A

1004-1389(2016)12-1884-06