噴灌條件下河西走廊春小麥土壤硝態(tài)氮動態(tài)分布及產(chǎn)量關(guān)系

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)重點試驗室，河南 新鄉(xiāng)453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081)

河西走廊地區(qū)常年干旱少雨，因有祁連山脈冰雪融水補給，農(nóng)業(yè)灌溉相對發(fā)達[1]。隨著當(dāng)?shù)貙r(nóng)作物產(chǎn)量需求不斷加大，灌水量與施肥量連年增加，導(dǎo)致水分與養(yǎng)分流失嚴重、水分利用效率低，并且易引起地下水環(huán)境污染問題[2]。針對河西走廊高灌水量與高施肥量導(dǎo)致水、肥浪費問題，許多學(xué)者在地面灌溉、滴灌以及農(nóng)藝節(jié)水方面做了大量研究工作[3-8]，但有關(guān)噴灌技術(shù)在該地區(qū)的應(yīng)用研究報道很少。噴灌技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)地、省工和多目標利用等優(yōu)點[9]，前人對噴灌蒸發(fā)大、易受風(fēng)影響等問題也做了研究[10-13]，發(fā)現(xiàn)水分蒸發(fā)對調(diào)節(jié)溫濕度和抑制過高蒸騰有利；只要合理選擇灌水時間，干旱半干旱風(fēng)沙區(qū)也能實施噴灌。另外，在噴灌條件下土壤硝態(tài)氮分布及產(chǎn)量因素方面，李久生等[14]、魏新平[15]研究發(fā)現(xiàn)，與地面灌溉相比，噴灌后土壤硝態(tài)氮主要集中在作物主根區(qū)，有利于作物吸收利用，但是在河西走廊地區(qū)還沒有開展過噴灌研究。河西走廊常年蒸發(fā)大、多風(fēng)是限制噴灌技術(shù)在該地區(qū)發(fā)展的最主要因素，所以針對噴灌技術(shù)在河西走廊認可度不高、前人研究較少、地塊不集中等問題，此次試驗以當(dāng)?shù)毓嗨┓誓Ｊ綖閷φ?，?yīng)用自制輕小型噴灌機組進行了噴灌灌水施肥，研究了噴灌條件下河西走廊春小麥土壤硝態(tài)氮動態(tài)分布運移規(guī)律以及產(chǎn)量和水分利用效率與灌水施肥水平關(guān)系，以期為河西走廊地區(qū)引進噴灌技術(shù)和制定噴灌灌溉施肥制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗地點為甘肅省金昌市永昌縣朱王堡鎮(zhèn)試驗基地(北緯38°12′，東經(jīng)102°36′)，試驗時間為2017年3-7月，地理位置為永昌縣東部，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，年光照時長3 200 h左右，試驗田內(nèi)土壤容重1.55 g/cm3，田間持水量17.1%。土壤有機質(zhì)含量為1.053%，全氮0.086%，咸解氮56 mg/kg，速效磷15.8 mg/kg，速效鉀45 mg/kg，pH值8.89，以上參數(shù)參照《土壤農(nóng)化分析》測定，土壤質(zhì)地及不同粒徑顆粒分布見表1，參照國際制土壤質(zhì)地分類標準確定試驗地土壤質(zhì)地。

表1 不同土層土壤質(zhì)地Tab.1 Soil texture of different soil layers

1.2 試驗設(shè)計

春小麥生長期為2017年3月至7月，噴灌與當(dāng)?shù)毓嗨Ｊ酵瑫r進行灌水與施肥，試驗處理時間段為春小麥苗期至成熟期。供試春小麥品種為隴春30，播種時間為3月13日，收獲時間為7月21日，2016年11月20日試驗田進行入冬儲水，灌水量為1 650 m3/hm2，播種前施底肥復(fù)合肥和磷酸二銨各375 kg/hm2, 播種行間距16 cm，播種量525 kg/hm2，播種深3.5 cm。試驗控制變量為灌水量和施肥量，分別設(shè)高、中、低3個水平(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)，當(dāng)?shù)毓嗨┓誓Ｊ綖閷φ战M，共計十個處理，T1～T9為噴灌處理，T10為當(dāng)?shù)啬Ｊ剑囼炋幚砉喔仁┓手贫纫姳?。第一次灌水時進行追肥，肥料為尿素(總氮≥46.0%)，試驗處理期間共5次灌水，按照當(dāng)?shù)毓嗨?xí)慣，春小麥苗期灌第一次水后，以后每隔15 d左右灌一次水。噴灌處理每個小區(qū)面積為28 m×46 m，對照處理小區(qū)面積為10 m×128 m。因各處理小區(qū)面積較大，且試驗田土壤變異性較小，故未設(shè)重復(fù)。

表2 不同處理的灌溉施肥制度Tab.2 Irrigation and fertilization systems of different treatments

1.3 灌溉施肥方式

采用自制輕小型應(yīng)急抗旱噴灌裝置進行田間灌溉與施肥。袁壽其等[16]、范永申等[17]、侯永勝[18]、涂琴[19]等都對輕小型噴灌機組的水力性能、機組配套、機組能耗及優(yōu)化設(shè)計進行了較深研究，并且機組整體性能得到了較大提高，該試驗裝置是在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上研制而成，機組噴灌均勻度范圍為79%～85%，滿足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》中固定式噴灌系統(tǒng)噴灌均勻度75%的要求。裝置采用手推車式結(jié)構(gòu)，主要包括輕小型噴灌機、輸水軟管、ZY-1型噴頭及豎管等設(shè)備，動力機為高壓汽油泵，機組上配備有壓力表、流量表和施肥罐。噴灌處理從T1開始，輪流灌水。T1～T9處理施肥采用“清水—水肥混合液—清水”的方式進行，灌水量比例為1∶2∶1。當(dāng)?shù)啬Ｊ綖榇笏?，從機井抽提地下水，經(jīng)渠道流入田間，改口成數(shù)為0.95，施肥為撒施。

1.4 測定項目及方法

(1)硝態(tài)氮及土壤含水率。每次灌水前、灌水后1、2、4、7 d分別取土測定硝態(tài)氮含量，取樣深度為20、40、60、80 cm，每個小區(qū)設(shè)3個重復(fù)，降雨強度大于10 mm和春小麥收獲后加測，試驗處理期間共取土26次，試驗用土樣為鮮土，測定方法為紫外分光光度計法；土壤含水率用TDR儀器測定。

(2)氣象數(shù)據(jù)。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)上查詢、下載，用手持式風(fēng)速儀測定風(fēng)速。春小麥全生育期降水量67.9 mm，試驗處理期間為51.4 mm，灌水期間風(fēng)力小于三級，符合噴灌要求。

(3)產(chǎn)量。收獲時在每個小區(qū)內(nèi)選取5個具有代表性的1 m2樣方進行測產(chǎn)，取其平均值計算不同處理下春小麥產(chǎn)量。

(4)土壤水量平衡。試驗期間地表無徑流，利用水量平衡關(guān)系式計算春小麥全生育期耗水量，關(guān)系式為：

ETc=I+P+K-ΔW-Wd

(1)

式中:ETc為春小麥耗水量，mm；I為灌水量，mm；P為降水量，mm；ΔW為土壤儲水量的增加量，即播種前與收獲后0～80 cm土層儲水量的增加量，mm；K表示試驗階段地下水補給0～80 cm土層水量，mm；Wd為深層滲漏量，mm。

由于試驗田地下水深度超過30 m，深層滲漏和地下水補給忽略不計，故可將式(1)簡化為：

ETc=I+P-ΔW

(2)

另外，土壤水分貯存量的計算公式如下所示：

v=ρhw10

(3)

式中：v為土壤水分總貯存量，mm；ρ為某土層土壤容重，g/cm3；h為土層厚度，cm；w為土壤重量含水率，%。

(5)春小麥水分利用效率 水分利用效率(WUE)計算公式如下所示：

WUE=Y/ET

(4)

式中：Y是產(chǎn)量，kg/hm2；ET是作物全生育期總耗水量，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel和DPS軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進行數(shù)據(jù)的多重比較。

2 土壤硝態(tài)氮分布運移規(guī)律

2.1 不同施肥水平時硝態(tài)氮分布

旱地土壤的供氮能力與硝態(tài)氮有很大關(guān)系[20]。利用第一次灌水前后土壤硝態(tài)氮的分布狀況分析不同灌水方式、不同施肥量條件下土壤硝態(tài)氮的運移規(guī)律，T7～T9為噴灌下高灌水水平處理，T10為畦灌，圖1中H為土層深度，N為硝態(tài)氮含量。

從圖1中可看出，灌水前后不同土層土壤硝態(tài)氮含量都有不同程度的增加，表層土壤硝態(tài)氮含量增加明顯，隨土層深度的增大，土壤硝態(tài)氮增加幅度變小。灌水后2d，T7～T10四個不同處理0～40 cm土層硝態(tài)氮含量分別增加了36%、57%、63%、60%，40～80 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量T10有顯著增加，T7～T9處理變化不明顯。原因分析，灌水后淺層土壤硝態(tài)氮含量顯著增加且增量不一，是由于灌水前有追肥且施肥量不同導(dǎo)致，在此還要說明不同土壤含水率會造成土壤通氣性差異，進而也會影響硝態(tài)氮含量。深層土壤硝態(tài)氮含量的變化主要與灌溉方式有關(guān)。根據(jù)前人研究[21]，由于噴灌灌水定額小、地表無積水且灌水時間較長，灌水量較多儲存在0～40 cm土層，下滲量較小，而畦灌水量大、時間短、地表有積水，水分下滲屬于飽和水下滲且下滲較深，硝態(tài)氮會伴隨土壤水分下滲到較深土層并伴有淋失風(fēng)險?？梢?，灌水方式是造成土壤剖面硝態(tài)氮分布不同的主要原因。灌水后第4 d和第7 d，0～20 cm土層硝態(tài)氮含量都有不同程度的衰減，對照組處理尤為明顯，主要是因為該時期為春小麥苗期，春小麥根系主要分布在該土層，對氮素有需求，另外對照組硝態(tài)氮也有隨水分下滲可能。

圖1 灌水前后土壤硝態(tài)氮的分布運移Fig.1 Distribution and transport of soil before and after irrigation

2.2 不同灌水水平硝態(tài)氮分布

在施肥量近似相同的條件下(T3、T6、T9為337.5 kg/hm2，T10為300 kg/hm2)，利用不同灌水水平下土壤剖面硝態(tài)氮的分布差異，分析不同灌水水平下硝態(tài)氮分布運移規(guī)律，為該試驗尋求最佳灌水定額提供理論依據(jù)。從圖2(T3、T6)、圖1(T9、T10)中可以看出，由于灌水前有追肥，灌水前后不同處理土壤剖面硝態(tài)氮含量都有顯著增加。T3處理灌水后1 d硝態(tài)氮增加量主要在0～20 cm(115%)，20～40 cm(20%)土層雖有增加但不明顯，隨著時間的延長，硝態(tài)氮也沒有下滲趨勢。T6處理灌水后1 d和灌水后2 d的0～40 cm土層硝態(tài)氮含量分布有差異。灌水后1 d的0～20、20～40 cm土層硝態(tài)氮含量分別增加了91%、70.3%，而灌水后2d同一層次土層硝態(tài)氮增加量分別為63.9%、103%，其他時間土壤硝態(tài)氮含量都呈下降趨勢，說明T6處理灌水后土壤硝態(tài)氮有下滲趨勢，但下滲深度在根系主要活動層以內(nèi)(40 cm以上)。T9和T10處理灌水后7d硝態(tài)氮含量在土壤剖面仍有變化，并且40 cm以下土層變化幅度較大，說明T9和T10處理硝態(tài)氮有較大淋失可能(下滲到春小麥根系主要活動層一下視為淋失)。根據(jù)前人研究[22]，硝態(tài)氮與土壤水分有很好的耦合效應(yīng)，灌水前后的分布運移規(guī)律與土壤含水率的分布極為相似，灌水量過大或過小都對氮肥的利用率及春小麥正常生長發(fā)育不利，得出T6處理灌水定額較合理。

圖2 不同灌水水平下硝態(tài)氮分布Fig.2 distribution under different irrigation levels

2.3 全生育期不同土層硝態(tài)氮動態(tài)分布

為了分析試驗處理期間春小麥不同處理不同土層硝態(tài)氮分布狀況，對春小麥灌水前、收獲后以及不同生育期土壤平均硝態(tài)氮含量進行對比分析，不同處理不同土層間硝態(tài)氮分布見圖3。

從圖3(a1)中可以看出，在整個試驗處理期間，T2和T3處理硝態(tài)氮含量處于較高水平，T1處理和T4～T10處理硝態(tài)氮含量較低。原因分析：當(dāng)降水條件與土壤初始條件相同時，土壤硝態(tài)氮含量與施肥水平成正比，T1處理硝態(tài)氮含量較低是因為施肥水平為低水平；硝態(tài)氮不易被土壤顆粒吸附，T4～T10處理由于灌水量較大，硝態(tài)氮會隨水分下滲到較深土層；由于灌水少、蒸發(fā)量大，硝態(tài)氮沒有下滲可能，T2和T3處理硝態(tài)氮在地表積累。從圖3(a2)中看出，T1～T3處理硝態(tài)氮含量都比其他處理低，而且T10處理也表現(xiàn)出比T5、T8處理硝態(tài)氮含量低的現(xiàn)象，在該土層T4～T6處理硝態(tài)氮含量也是處于較高水平。原因是：T1～T3處理屬于噴灌條件下低灌水量水平，沒有充足水分不能下滲到該土層，同時硝化作用也進行緩慢；噴灌條件下土壤水分較多儲存在0～40 cm土層，濕潤鋒也大部分停留在該土層，而畦灌條件下土壤水勢較大，水分下滲較深，部分硝態(tài)氮會隨著水分繼續(xù)下滲。在圖3(a3、a4)中，大灌水定額處理(T7～T10)在40～80 cm土層中硝態(tài)氮含量也有增加，尤其在圖3(a4)中T10處理土壤硝態(tài)氮含量仍然保持在較高水平且有增加趨勢，而其他處理(T1～T6)硝態(tài)氮含量基本保持不變，說明噴灌條件下高灌水水平出現(xiàn)深層滲漏現(xiàn)象，同時硝態(tài)氮存在淋失風(fēng)險，畦灌下深層滲漏和淋失尤為嚴重。

總體分析，灌水前不同處理間硝態(tài)氮含量差別不大，相同土壤條件為本試驗提供了基本保障；苗期和孕穗期土壤硝態(tài)氮含量有明顯增加，原因是苗期灌水前有追肥(只是不同處理施肥水平不同)，孕穗期不屬于春小麥生長發(fā)育關(guān)鍵期，對氮素吸收少；拔節(jié)期和灌漿期硝態(tài)氮含量下降明顯，拔節(jié)期和灌漿期為春小麥生長發(fā)育關(guān)鍵期；收獲后0～20、20～40 cm土層硝態(tài)氮含量處于較低水平，0～40 cm土層為春小麥主要根系活動層，為了維持土壤氮素平衡，播種前需施肥；灌水前與收獲后40～80 cm土層硝態(tài)氮含量沒有減小且有增加趨勢，選著適宜的灌水方式和灌水定額對抑制硝態(tài)氮淋失有積極作用。

3 噴灌條件下不同施肥量對水分利用效率及產(chǎn)量的影響

3.1 產(chǎn)量及水分利用效率與施肥量關(guān)系

不同施肥水平條件下，對春小麥產(chǎn)量與灌水量進行回歸分析，得出F低、F中、F高下產(chǎn)量Y與灌水量I之間的線性關(guān)系[圖4(a)]，從圖中可看出產(chǎn)量與灌水量相關(guān)性較好(R2=0.767 4～0.868 6)，同樣，在不同灌水水平下I低、I中、I高對春小麥產(chǎn)量Y與施肥量F進行回歸分析，兩者線性關(guān)系見圖4(b)，可看出產(chǎn)量與施肥量相關(guān)性不顯著(R2=0.008 8～0.858 6)，只在I低下呈現(xiàn)出相關(guān)性。通過表3和圖4(a)可以看出，I高下春小麥產(chǎn)量都顯著高于I中、I低，I中顯著高于I低，I高下產(chǎn)量(產(chǎn)量取各灌水水平下的平均值)比其他灌水條件下分別高出5.9%、107.3%，I中比I低高出95.7%，另外，I中比當(dāng)?shù)啬Ｊ?畦灌)高出5%，且最大水分利用效率(3.0 kg/m3)也出現(xiàn)在I中。所以，在一定施肥量水平下，春小麥產(chǎn)量與灌水量有較好的相關(guān)性，噴灌灌水模式具有節(jié)水、增效優(yōu)點。從表3中還可看出，春小麥水分利用效率隨灌水量的增加大致呈現(xiàn)出遞增現(xiàn)象，該現(xiàn)象與前人研究[23, 24]結(jié)論相反，原因是噴灌條件下I低時水分蒸發(fā)損失較多，對春小麥生長不利，另外前人研究較多采用畦灌灌水方式，該灌水方式不利于土壤儲存水分。

圖3 不同處理不同土層硝態(tài)氮變化Fig.3 Changes of under different treatments and soil layers

表3 不同試驗處理春小麥耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率Tab.3 Water consumption, yield and water use efficiency of spring wheat under different treatments

注：同列數(shù)據(jù)后不同的小寫字母 表示不同處理間該指標在P<0.05條件下差異顯著。

圖4 產(chǎn)量與灌水量、施肥量關(guān)系Fig.4 The relationship between yield and quantity of irrigation and fertilizer

3.2 產(chǎn)量回歸分析

根據(jù)不同處理間灌水、施肥水平與產(chǎn)量關(guān)系，利用DPS軟件進行產(chǎn)量回歸，擬合方程如下所示：

Y=-30 723.71+48.98F+23.4W-

0.089F2-0.004W2(R=0.993 3)

式中：Y為產(chǎn)量，kg/hm2；F為施肥量，kg/hm2；W為試驗期間累計灌水量，m3/hm2。

擬合出最優(yōu)解為產(chǎn)量11 403.98 kg/hm2、灌水量3 028.03 m3/hm2、施肥量273.87 kg/hm2，所以噴灌條件下中等灌水施肥水平更適合當(dāng)?shù)卮盒←溕L發(fā)育。

4 結(jié) 論

(1)土壤硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而增加，噴灌條件下0～40 cm土層硝態(tài)氮含量增加明顯，40～80 cm土層沒有明顯增加，畦灌后40～80 cm土層硝態(tài)氮含量顯著增加，說明噴灌灌水方式對抑制硝態(tài)氮淋失有利。

(2)相同施肥水平下，I低硝態(tài)氮大部分累積在地表(0～20 cm)，I中硝態(tài)氮大部分被儲存在0～40 cm，I高時硝態(tài)氮隨水分下滲較深，所以噴灌條件下I中有利于作物對氮素的吸收利用。

(3)噴灌條件下春小麥產(chǎn)量與灌水量相關(guān)性較好(R2=0.767 4～0.868 6)，產(chǎn)量與施肥量相關(guān)性不顯著。I中產(chǎn)量比畦灌高出5%，也只比I高低5.9%，另外，最大水分利用效率值(3.0 kg/hm2)也出現(xiàn)在I中內(nèi)。從節(jié)水、增效方面分析，噴灌條件下中等灌水水平對當(dāng)?shù)匕l(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)有利。

(4)對產(chǎn)量進行回歸分析，當(dāng)灌水量與施肥量分別為3 028.03 m3/hm2、273.87 kg/hm2時產(chǎn)量最大，所以，噴灌灌水方式下適合河西走廊地區(qū)的灌溉施肥制度為中等灌水施肥水平。

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