噴灌條件下灌水與施肥對河西走廊春小麥不同生育期硝態(tài)氮分布的影響

朱忠銳，范永申，段福義，陳　震

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)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)

0　引　言

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

試驗(yàn)時(shí)間為2017年3-7月，地點(diǎn)為甘肅省金昌市永昌縣朱王堡鎮(zhèn)試驗(yàn)基地(北緯38°12′，東經(jīng)102°36′)，屬于石羊河流域，平均海拔1 487 m，年平均氣溫7.8 ℃，年均降水量124 mm，年蒸發(fā)量2 000 mm左右，無霜期145 d，年光照時(shí)長3 200 h左右。該地區(qū)常年種植的農(nóng)作物有春小麥、春玉米等，經(jīng)濟(jì)作物主要包括棉花、甜菜、油菜等。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地及理化參數(shù)見表1。試驗(yàn)處理期間共降水量為51.4 mm，全生育期共67.9 mm，試驗(yàn)期間最大風(fēng)速為3.5 m/s，出現(xiàn)在3月22日，灌水期間風(fēng)速都小于三級。

表1　試驗(yàn)地土壤基本參數(shù)指標(biāo)

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理時(shí)間段為春小麥苗期至成熟期，試驗(yàn)區(qū)采用噴灌進(jìn)行灌水與施肥，與當(dāng)?shù)仄韫喾绞叫纬蓪Ρ?。供試小麥品種為隴春30號，該品種由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所培育而成，具有顯著高產(chǎn)性狀。2016年11月20日試驗(yàn)地進(jìn)行冬儲水，儲水量為1 650 m3/hm2，播種時(shí)間為3月13日，收獲為7月21日。播種前施底肥復(fù)合肥和磷酸二銨各375 kg/hm2, 播種行間距、播種量、播種深分別為16 cm、525 kg/hm2、3.5 cm，噴灌處理單個(gè)小區(qū)面積為28 m×46 m，畦灌小區(qū)面積為10 m×128 m。因各處理小區(qū)面積較大，且試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)變異性較小，故未設(shè)重復(fù)。試驗(yàn)控制變量為灌水量和施肥量，分別設(shè)為高、中、低3個(gè)水平(I高、I中、I低：3 300、2 550、1 800 m3/hm2；F高、F中、F低：337.5、225、187.5 kg/hm2)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采用完全隨機(jī)裂區(qū)設(shè)計(jì)，整個(gè)試驗(yàn)共10個(gè)處理，T1～T9為噴灌處理，T10為當(dāng)?shù)啬Ｊ?，試?yàn)處理灌溉施肥制度見表2。試驗(yàn)期間共5次灌水，第一次灌水時(shí)進(jìn)行追肥，肥料為可溶性強(qiáng)的尿素(總氮≥46.0%)，根據(jù)當(dāng)?shù)毓嗨?xí)慣，苗期灌第一次水后，以后每隔15 d左右灌一次水，收獲前20 d左右不灌水。

表2　灌溉施肥制度表

1.3　灌溉施肥方式

試驗(yàn)中噴灌灌水施肥裝置采用的是自制輕小型噴灌機(jī)組。我國從20世紀(jì)70年代開始引進(jìn)并研究輕小型噴灌機(jī)組，經(jīng)過多年發(fā)展，輕小型噴灌機(jī)組已經(jīng)發(fā)展成為多元化、適應(yīng)性強(qiáng)、投資水平低的先進(jìn)機(jī)組應(yīng)用模式[11]。許多專家學(xué)者都對輕小型噴灌機(jī)組的水力性能、機(jī)組配套、機(jī)組能耗及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了較深研究[12-16]。機(jī)組是在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上研制而成，噴灌強(qiáng)度及噴灌均勻度均完全滿足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》和《輕小型噴灌機(jī)》所要求的技術(shù)規(guī)范。裝置采用手推車式結(jié)構(gòu)，主要包括輕小型噴灌機(jī)、輸水軟管、噴頭(ZY-1型)及豎管等裝備，汽油泵(高壓泵)作為動(dòng)力源，壓力表控制灌水壓力，出水口安裝流量表，機(jī)組上裝有施肥罐。噴灌灌水時(shí)從T1開始，輪流灌水，T1～T9處理施肥采用“清水—水肥混合液—清水”的方式進(jìn)行，灌水量比例為1∶2∶1，當(dāng)?shù)啬Ｊ綖槠韫?，改口成?shù)為0.95，施肥為撒施。

1.4　測定項(xiàng)目及方法

(1)硝態(tài)氮。春小麥抽穗期、收獲后對土壤硝態(tài)氮含量進(jìn)行測定，方法為紫外分光光度法，取樣深度設(shè)為20、40、60、80 cm，每個(gè)小區(qū)設(shè)3個(gè)重復(fù),每次20 cm深土樣充分混合后作為該土層土樣，另外，試驗(yàn)用土樣都為濕樣。

(2)氣象參數(shù)。用手持式風(fēng)速儀測定風(fēng)速、風(fēng)向，降水量、氣溫等氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(永昌縣站點(diǎn))上下載。試驗(yàn)處理期間最大降雨量為9.4 mm，最大降雨強(qiáng)度為4.3 mm/h，由于降雨量及降雨強(qiáng)度都不大，故在考慮對硝態(tài)氮淋失影響時(shí)沒有對降雨進(jìn)行分析。

1.5　數(shù)據(jù)處理

使用Excel2007和DPS(Data Processing System)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，數(shù)據(jù)之間的多重比較方法為LSD(Least Significant Different)法，顯著性差異水平設(shè)為5%。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同處理下春小麥抽穗期土壤硝態(tài)氮分布

灌水方式、灌水量、施肥量是造成硝態(tài)氮分布及含量不同的主要因素。在相同灌水水平下，對不同施肥水平0～80 cm土層硝態(tài)氮含量及分布特征進(jìn)行了比較，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。噴灌條件下，由于灌水量的不同，土壤浸潤線下降深度也會不同，造成土壤硝態(tài)氮含量峰值深度不一。一般情況下，隨灌水量增加，硝態(tài)氮含量峰值深度不斷下移，從圖中可看出，峰值深度由20 cm增加到60 cm，中等灌水水平時(shí)，硝態(tài)氮峰值深度在40 cm左右。原因分析，噴灌時(shí)水分下滲屬于無壓入滲，土壤中水分運(yùn)動(dòng)屬于非飽和水運(yùn)動(dòng)方式，下滲深度主要受灌水量影響。另外，除個(gè)別情況下，同一灌水水平時(shí)，高施肥水平硝態(tài)氮含量都顯著大于中、低施肥水平，中等施肥水平硝態(tài)氮含量顯著高于低施肥水平，說明土壤硝態(tài)氮含量主要受施肥量影響，不同施肥水平間顯著性差異顯著(P<0.05)。當(dāng)?shù)啬Ｊ狡韫鄺l件下，0～80 cm土層硝態(tài)氮垂直分布特征差別不大，40～80 cm土層含量較高，原因是0～40 cm為春小麥根系主要活動(dòng)層，對硝態(tài)氮需求量較大，另外，畦灌水分入滲屬于有壓入滲，硝態(tài)氮隨水下滲也是造成該現(xiàn)象的主要原因之一。

注：根據(jù)LSD法進(jìn)行多重比較，同一土層中標(biāo)有不同小寫字母表示差異性顯著(P<0.05)，下同圖1　抽穗期不同處理硝態(tài)氮垂直分布

2.2　不同處理下春小麥?zhǔn)斋@后土壤硝態(tài)氮分布

對比分析春小麥不同生育期不同處理對硝態(tài)氮分布的影響，春小麥?zhǔn)斋@后相同灌水水平條件下，對不同施肥量0～80 cm土層土壤硝態(tài)氮分布特征進(jìn)行了對比分析，收獲后硝態(tài)氮分布如圖2所示。收獲后與抽穗期不同處理下硝態(tài)氮分布特征極其相似，不同灌水水平下，0～80 cm土層硝態(tài)氮分布趨勢線不同，但硝態(tài)氮含量最大值都隨灌水量的增大不斷下移。收獲后硝態(tài)氮含量與抽穗期相比下降明顯(尤其0～40 cm)，春小麥根系吸收與灌溉水淋失是造成該現(xiàn)象的主要原因。低灌水水平時(shí)，硝態(tài)氮在0～20 cm土層大量聚集，40～80 cm土層硝態(tài)氮幾乎無變化，0～80 cm土層硝態(tài)氮呈現(xiàn)出“S”形變化趨勢。另外，當(dāng)灌水水平為高水平時(shí)，硝態(tài)氮在40～60 cm土層有明顯累積，該部分硝態(tài)氮不在根系主要活動(dòng)內(nèi)，說明高灌水水平時(shí)有硝態(tài)氮淋失，并且施肥量越大淋失量也越大。

圖2　收獲后不同處理硝態(tài)氮垂直分布

2.3　抽穗期與收獲后硝態(tài)氮含量差值分析

利用差值法(抽穗期硝態(tài)氮含量與收獲后的差值)，分析春小麥不同生育期、不同處理0～80 cm土層硝態(tài)氮含量，進(jìn)而可得出噴灌條件下適宜的灌水施肥水平。抽穗期與收獲后硝態(tài)氮含量差值分布見圖3。噴灌條件下，當(dāng)灌水水平為中、低水平時(shí)，0～40 cm土層硝態(tài)氮含量差值較大(抽穗期>收獲后)，40～80 cm土層差值不大。原因是當(dāng)?shù)退焦嗨畷r(shí)，收獲后0～40 cm土層土壤含水率較小，氮素反硝化作用強(qiáng)烈，收獲后硝態(tài)氮含量較低；當(dāng)灌水水平為中等灌水水平時(shí)，春小麥生育期內(nèi)土壤含水率較適宜，根系對硝態(tài)氮的吸收順暢，春小麥灌漿期需要大量水分及硝態(tài)氮，這使得中等灌水水平下硝態(tài)氮含量差值與低灌水水平類似。灌水水平為高水平時(shí)，收獲后0～40 cm土層硝態(tài)氮含量顯著較抽穗期為低，但40～60 cm土層硝態(tài)氮含量較抽穗期為高，隨后又出現(xiàn)低值，呈“S”形。灌溉水淋洗、浸潤線帶動(dòng)、根系吸收等因素是造成該現(xiàn)象的主要原因。當(dāng)?shù)毓嗨┓誓Ｊ较?，抽穗期與收獲后硝態(tài)氮含量不同土層差值不大，收獲后0～80 cm土層硝態(tài)氮含量都小于抽穗期，灌溉水有壓入滲與深層滲漏是主要原因?？偨Y(jié)得出，灌水水平及灌水方式是造成不同土層硝態(tài)氮分布不同的原因。

圖3　抽穗期與收獲后硝態(tài)氮含量差值分布

3　結(jié)　語

河西走廊地處我國西北內(nèi)陸，常年干旱少雨，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)對緩解水危機(jī)、提高水資源利用率有利。本文將輕小型噴灌機(jī)組應(yīng)用于該地區(qū)進(jìn)行噴灌灌水施肥試驗(yàn)，該機(jī)組在通過與當(dāng)?shù)仄韫鄬Ρ确治龅贸觯簢姽鄺l件下土壤硝態(tài)氮淋失較少，對春小麥根系吸收氮素有利；硝態(tài)氮淋失是否發(fā)生主要與灌水量有關(guān)，當(dāng)灌水量過大時(shí)，噴灌灌水方式也會引起硝態(tài)氮淋失；春小麥不同生育期0～80 cm土層硝態(tài)氮含量不同，收獲后硝態(tài)氮含量處于較低水平，0～40 cm土層尤其明顯。試驗(yàn)過程中，該機(jī)組的輕便性、靈活性得到充分體現(xiàn)，通過對比試驗(yàn)研究表明，噴灌灌水技術(shù)對控制硝態(tài)氮淋失，提高肥料利用率有利，同時(shí)，該研究也為該地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、保障水資源安全提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉寶睿,楊克繩,劉東艷.論河西走廊陸盆的演化和最終形成期[J]. 地質(zhì)論評, 2009,(1):25-31.

[2]王軍,黃冠華,鄭建華.西北內(nèi)陸旱區(qū)不同溝灌水肥對甜瓜水分利用效率和品質(zhì)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010,(15):3 168-3 175.

[3]趙敏麗,劉普幸,朱小娟,等.基于人糧關(guān)系的土地資源承載力空間格局研究----以河西走廊綠洲為例[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2013,(2):203-208.

[4]蘇濤,王朝輝,李生秀.黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤的硝態(tài)氮?dú)埩艏捌渖鷳B(tài)效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2004,(2):411-414.

[5]陳效民,吳華山,孫靜紅.太湖地區(qū)農(nóng)田土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的時(shí)空變異[J]. 環(huán)境科學(xué), 2006,(6):1 217-1 222.

[6]Zhu Z L Chen D. L. Nitrogen fertilizer use in China-contribution to food production，impacts on the environment and best management strategies[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2002,63:117-127.

[7]張維理,田哲旭,張寧,等.我國北方農(nóng)用氮肥造成地下水硝酸鹽污染的調(diào)查[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 1995,(2):82-89.

[8]張國梁,章申.農(nóng)田氮素淋失研究進(jìn)展[J]. 土壤,1998,(6):291-297.

[9]高亞軍,李生秀,李世清,等.施肥與灌水對硝態(tài)氮在土壤中殘留的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2005,(6):63-66.

[10]王琦,李鋒瑞,張智慧.灌溉與施氮對黑河中游新墾沙地農(nóng)田土壤硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,(7):2 037-2 045.

[11]李紅,陳超,袁壽其,等.中國輕小型噴灌機(jī)組現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2015,(4):356-361.

[12]袁壽其,胡斌,王新坤,等.輕小型噴滴灌兩用機(jī)組管路的優(yōu)化配置及性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014,(3):56-62.

[13]朱興業(yè),蔡彬,涂琴.輕小型噴灌機(jī)組逐級阻力損失水力計(jì)算[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011,(2):180-184.

[14]范永申,黃修橋,仵峰,等.噴灌和軟管灌溉兩用機(jī)組水量分布特性與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009,(11):74-77,123.

[15]涂琴.低能耗多功能輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 江蘇鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2014.

[16]侯永勝.多噴頭輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組優(yōu)化配套研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院, 2007.