不同灌溉方式對(duì)棗樹根區(qū)土壤速效養(yǎng)分賦存及空間異質(zhì)性的影響

侯曉華，朱耀輝，李發(fā)永，夏梓洋，孟憲剛，賈宏坤

(塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

新疆由于氣候干旱，水資源極度匱乏，該問(wèn)題在南疆尤為突出[1-3]。近年來(lái)由于南疆種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，棗樹種植業(yè)異軍突起[4]，但還缺乏與之相應(yīng)的水肥調(diào)控技術(shù)，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。對(duì)棗樹節(jié)水灌溉條件下養(yǎng)分的賦存、運(yùn)移規(guī)律及空間變異特性方面的研究還較少，由于棗樹滴灌和棉花膜下滴灌的差異，不能簡(jiǎn)單地將棉花傳統(tǒng)的膜下滴灌施肥技術(shù)在棗樹上加以套用，不合理的水肥管理導(dǎo)致肥料的累積和流失[5]，從而引起不必要的環(huán)境污染[6,7]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院節(jié)水灌溉試驗(yàn)基地。屬于沙漠綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，氣候類型為大陸性干旱氣候，年均降水量53.3 mm，年均蒸發(fā)量1 969.4 mm。年均氣溫10.8 ℃，日照時(shí)間2 905 h，太陽(yáng)總輻射量578.125 J/cm2，風(fēng)沙浮塵天氣較多，無(wú)霜期210 d。土壤以沙壤土為主，土壤初始理化學(xué)性質(zhì)(0～80 cm土層平均值)及土壤機(jī)械組成見(jiàn)表1和表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 供試材料

供試材料為6年生棗樹(駿棗，Ziziphus zizyphus)，以酸棗(Ziziphus jujuba var. spinosa)為砧木嫁接而成，行距為2.0 m，株距1.0 m，株高在1.5～2.0 m之間。生育期從4月中下旬至10月上中旬，180 d左右。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physico-chemical properties of tested soil

表2 供試土壤(0～80 cm)機(jī)械組成Tab.2 Soil mechanical composition in 0～80 cm of test soil

注：按美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)制劃分。

1.2.2 小區(qū)設(shè)置及田間管理

本試驗(yàn)分別選擇地面灌和滴灌年限為5年的棗田(棗樹嫁接后第一年為地面灌，未劃分處理，滴灌試驗(yàn)從第二年開(kāi)始)。滴灌為采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫膯我砻詫m式滴灌帶，每個(gè)田塊隨機(jī)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理小區(qū)面積為50 m2，小區(qū)為矩形，東西走向，長(zhǎng)寬10 m×5 m，各小區(qū)之間設(shè)置2 m的隔離帶。滴灌帶鋪設(shè)在距棗樹樹干10 cm處；常規(guī)處理灌水定額為150 m3/667 m2，全生育期灌水6次，其中新梢生長(zhǎng)期1次，花期2次，果實(shí)膨大期2次，果實(shí)成熟期1次。生育期結(jié)束后冬灌1次，全年灌溉定額為1 050 m3/667 m2；滴灌處理灌水定額為20 m3/667 m2，全生育期灌水16次，其中萌芽前期1次，新梢生長(zhǎng)期2次，花期6次，幼果期2次，果實(shí)膨大期4次，果實(shí)成熟期1次，生育期結(jié)束后冬灌(常規(guī)灌)1次，全年灌溉定額為470 m3/667 m2，采用水表記錄單次灌水量。

有機(jī)肥(主要為雞糞)施入方式為穴施，3月底在距棗樹根區(qū)30 cm處挖深度20 cm淺坑施入并覆土，無(wú)機(jī)肥(三元復(fù)合肥，氮磷鉀配比為：2∶1∶1，總養(yǎng)分>40%)施入主要集中在五月、六月、七月以及八月4個(gè)需水關(guān)鍵期。地面灌試驗(yàn)區(qū)將復(fù)合肥在棗樹根區(qū)20 cm處挖坑穴施后再進(jìn)行灌水，滴灌試驗(yàn)區(qū)隨水滴施，滴灌和地面灌處理施肥量相同。施肥總量為2 250 kg/hm2，全生育期施肥3次，施肥周期以棗樹生育期為主，花期1次，幼果期1次，果實(shí)膨大期1次，單次施肥量為750 kg/hm2。采樣期間滴灌和地面灌各有1次灌水，無(wú)施肥，棗樹生育期內(nèi)常規(guī)灌和滴灌的農(nóng)藝措施一致，采樣期內(nèi)無(wú)有效降雨。

1.2.3 根區(qū)土壤取樣方法

本試驗(yàn)分別于2017年4月10日和2017年5月20日兩次采集土樣。滴灌和地面灌處理均采用土鉆取土法進(jìn)行土樣采集，每個(gè)處理隨機(jī)選取3棵具有代表性的棗樹(重復(fù)3次)。其中，滴灌處理第一次取土在距棗樹滴灌滴頭處水平距離分別記為0、10、20、40、60、80 cm處和垂直深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80，80～100 cm處進(jìn)取土(見(jiàn)圖1)，地面灌無(wú)滴灌管帶鋪設(shè)，采樣位置與滴灌相同，第二次取土深度為0～80 cm，水平距離0～60 cm，土層間隔與第一次取土相同；地面灌處理則在距樹干15 cm處作為第一個(gè)采樣點(diǎn)，往水平方向采樣，采樣間隔和方法與滴灌相同。第一次采集樣品216份，第二次采集樣品150份。將取好的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，剩余土樣放入冰箱4 ℃保存。硝態(tài)氮測(cè)定樣品為鮮土樣，其他指標(biāo)測(cè)定均為干土樣。

圖1 大田土壤取樣示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of field sampling

1.2.4 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定方法

采用碳酸氫鈉浸提—鉬藍(lán)比色法測(cè)定土壤有效磷[21]，采用分光光度法測(cè)定土壤硝態(tài)氮[22]，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮[23]，采用火焰光度法測(cè)定速效鉀[24]。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel、sufer11.0、SPPS 22.0進(jìn)行處理、分析，變異系數(shù)CV=SD/MN，其中：SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差、MN為平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 不同灌溉方式對(duì)土壤硝態(tài)氮分布特征及空間變異的影響

圖2、3反映了滴灌和地面灌下土壤硝態(tài)氮的二維分布狀況。棗樹根區(qū)(滴頭附近)土壤硝態(tài)氮隨深度的增加而逐漸減少，水平方向則隨著與根區(qū)間距的增加逐漸升高。棗樹生育期開(kāi)始階段，滴灌棗樹和地面灌棗樹根區(qū)土壤硝態(tài)氮的含量具有一定的相似性，即均在40 cm以下土層深度形成“虧缺區(qū)”，虧缺區(qū)域與棗樹側(cè)根分布形狀十分相似。且各土層土壤硝態(tài)氮含量較低，均低于10 mg/kg?？赡苁菞棙湓蕉诟H土壤微生物處于休眠階段，硝化細(xì)菌硝化作用微弱，土壤以上一年殘留氮素為主，萌芽期，棗樹自身對(duì)硝態(tài)氮開(kāi)始急劇增加，導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮虧缺，20 cm以下為棗樹側(cè)根和吸收根較發(fā)達(dá)的區(qū)域，硝態(tài)氮虧缺最嚴(yán)重。此時(shí)，硝態(tài)氮含量在水平方向上60 cm處有個(gè)峰值，此處正好處于棗樹行間條帶正中位置。雖然處于兩棵棗樹根系交錯(cuò)區(qū)，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域以二級(jí)側(cè)根和毛細(xì)根為主，由于二者休眠期二級(jí)側(cè)根和吸收根系的死亡，此處，對(duì)土壤氮素的利用較弱，硝態(tài)氮?dú)堄嗔扛?，且滴灌棗樹的臨界峰值大于地面灌。

棗樹進(jìn)入新梢生長(zhǎng)期后(圖3)，表現(xiàn)為土壤硝態(tài)氮含量普遍增高，40 cm以上土層升溫快，硝態(tài)氮含量最高，滴灌40～60 cm出現(xiàn)“虧缺區(qū)”，硝態(tài)氮含量多在6 mg/kg以下，地面灌則在60～80 cm 出現(xiàn)“虧缺區(qū)”，硝態(tài)氮含量均在8 mg/kg以下。這從另一方面也反映了滴灌和地面灌棗樹根系的差異，滴灌時(shí)表層土壤水分含量高，硝態(tài)氮累積量也高，滴灌棗樹吸收根系與地面灌相比，吸收根上浮，表現(xiàn)為硝態(tài)氮“虧缺區(qū)”上浮。

圖2 滴灌和漫灌土壤硝態(tài)氮的二維分布圖(第一次采樣)Fig.2 Two-dimensional distribution of nitrate nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖3 滴灌和地面灌土壤硝態(tài)氮二維分布圖(第二次采樣)Fig.3 Two-dimensional distribution of nitrate nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

硝態(tài)氮由于易受土壤水分影響在土壤中的空間變異性較大(表3)。其在土壤中的含量除受水分影響外也受作物根系分布影響。滴灌時(shí)，土壤水分空間變異性也比地面灌大，滴頭附近土壤水分含量較高，隨著濕潤(rùn)體下移，土壤水分含量減少，硝態(tài)氮含量也逐漸減少，變異系數(shù)也有所降低，這與馬騰飛等[25]的研究出的滴灌各施肥處理硝酸鹽主要積聚在40～60 cm土壤的結(jié)論不同。以根區(qū)附近(0 cm)為例，滴灌0～10 cm 土層硝態(tài)氮變異系數(shù)達(dá)到了36.62%，而地面灌只有24.84%，滴灌表層土壤硝態(tài)氮變異系數(shù)顯著大于地面灌。圖4分析了土壤垂直和水平方向硝態(tài)氮變異系數(shù)。垂直方向上土壤硝態(tài)氮變異系數(shù)隨土壤深度的增加而逐漸減少，滴灌與地面灌相比，硝態(tài)氮垂直變異系數(shù)隨深度增加減少幅度較大；同樣，水平方向上，變異系數(shù)隨水平距離的增加而逐漸減少，滴灌與地面灌相比，硝態(tài)氮水平變異系數(shù)隨距離增加減少幅度較大。

表3 不同灌溉方式下土壤硝態(tài)氮含量方差分析表(第二次取樣)Tab.3 Analysis of variance of soil nitrate nitrogen in different irrigation methods (Second sampling)

圖4 不同灌溉方式下土壤硝態(tài)氮垂直和水平變異系數(shù)(第二次取樣)Fig.4 Variation coefficient of soil nitrate nitrogen under different irrigation patterns (Second sampling)

2.2 不同灌溉方式對(duì)土壤堿解氮分布特征及空間變異的影響

圖5、6反映了滴灌和地面灌條件下土壤堿解氮的二維分布狀況，由圖可知，堿解氮的分布狀況與硝態(tài)氮有很大差異，堿解氮的分布更均勻，且空間變異性更小。但總體上隨土壤深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，水平方向上堿解氮含量差異不明顯。棗樹生育期開(kāi)始階段(圖5)土壤堿解氮含量相對(duì)較低，這一點(diǎn)與硝態(tài)氮相似，滴灌土壤堿解氮最大值為34.59 mg/kg，最小值為5.82 mg/kg；地面灌土壤堿解氮最大值為56.85 mg/kg，最小值為7.53 mg/kg。總體上地面灌土壤堿解氮稍高于滴灌。

圖5 滴灌和地面灌土壤堿解氮的二維分布圖(第一次取樣)Fig.5 Two-dimensional distribution of available nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖6 滴灌和地面灌土壤堿解氮二維分布圖(第二次取樣)Fig.6 Two-dimensional distribution of available nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

棗樹進(jìn)入新梢生長(zhǎng)期后(圖6)，隨著溫度升高，土壤微生物活躍，有機(jī)氮分解，土壤堿解氮含量逐漸升高。此時(shí)，滴灌和地面灌0～60 cm的土壤堿解氮的含量均在30 mg/kg以上，二者在水平方向的分布都較為均勻。滴灌土壤堿解氮最大值為57.74 mg/kg，最小值為14.97 mg/kg；地面灌土壤堿解氮最大值為54.12 mg/kg，最小值為3.96 mg/kg。雖然土壤堿解氮的含量隨著土壤深度的增加而減少，但是各土層的差異性顯著低于硝態(tài)氮。水平方向上堿解氮的分布差異性不明顯。說(shuō)明灌溉方式對(duì)土壤堿解氮的影響較小。

滴灌0～20 cm土壤堿解氮的變異系數(shù)稍大于地面灌，各個(gè)土層的變異系數(shù)差異不大(表4)。因此，不同灌溉方式對(duì)土壤堿解氮有一定的影響，但與硝態(tài)氮相比，影響較小。圖7也說(shuō)明了這一點(diǎn)。分析可知，兩種灌溉方式下土壤堿解氮的變異系數(shù)均集中在10%～15%之間。滴灌最大變異系數(shù)為14.57%，最小為8.35%，而地面灌最大變異系數(shù)為15.41%，最小為7.22%。

表4 不同灌溉方式下土壤堿解氮含量方差分析表(第二次取樣)Tab.4 Analysis of variance of soil available nitrogen in different irrigation methods (Second sampling)

2.3 不同灌溉方式對(duì)土壤速效鉀分布特征及空間變異的影響

生育期不同時(shí)期，土壤速效鉀的含量變化十分明顯。棗樹生育期開(kāi)始階段(圖8)滴灌和地面灌棗樹根區(qū)各層土壤速效鉀含量較高，且根區(qū)附近各土層含量差異不大。但滴灌處理土壤中的速效鉀含量顯著低于地面灌處理，其最大值為422 mg/kg，最小值為85 mg/kg；而地面灌處理的最大值為1261 mg/kg，最小值為488 mg/kg。所以，按照土壤供鉀水平標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)，滴灌土壤大部分處于高鉀(速效鉀范圍60～160 mg/kg)，地面灌土壤均處于極高供鉀水平(速效鉀>160 mg/kg)。此時(shí)鉀離子的累積量主要為上季鉀肥施入后的殘余量。

棗樹進(jìn)入新梢生長(zhǎng)期后，對(duì)速效鉀的需求逐漸加大，由于前期沒(méi)有鉀肥施入，土壤鉀離子含量迅速下降(圖9)。此時(shí)滴灌土壤速效鉀最大值為45 mg/kg，最小值只有12 mg/kg，地面灌土壤速效鉀最大值為33 mg/kg，最小值為10 mg/kg。土壤供鉀水平處于中低水平(速效鉀<60 mg/kg)。此時(shí)滴灌處理出現(xiàn) “虧缺區(qū)”，該“虧缺區(qū)”與棗樹側(cè)根系的生長(zhǎng)區(qū)域相吻合。

圖7 不同灌溉方式下土壤堿解氮垂直和水平變異系數(shù)(第二次取樣)Fig.7 Variation coefficient of soil available nitrogen under different irrigation patterns (Second sampling)

圖8 滴灌和地面灌土壤速效鉀的二維分布圖(第一次取樣)Fig.8 Two-dimensional distribution of available potassium in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖9 滴灌和地面灌土壤速效鉀的二維分布圖(第二次取樣)Fig.9 Two-dimensional distribution of available potassium in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

滴灌棗樹根區(qū)速效鉀含量變異大于地面灌。滴灌和地面灌條件下土壤速效鉀含量的變異系數(shù)均隨著土壤深度的增加而減小(表5，圖10)；隨著水平距離的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但在水平方向上的變異系數(shù)差異性小于垂直方向。水平方向上滴灌土壤速效鉀的空間異質(zhì)性與地面灌差異不大(圖10)，但滴頭附近0 cm處速效鉀的變異系數(shù)顯著高于其他土層。滴灌處理垂直方向的變異系數(shù)變化較大(圖10)，表層土壤(0～20 cm)變異系數(shù)均在15%以上，而深層土壤80 cm土層變異系數(shù)則在10%以下。地面灌處理垂直方向變異系數(shù)雖然也隨土層增加有降低的趨勢(shì)，但空間異質(zhì)性顯著小于滴灌，變異系數(shù)多在10%～15%之間。

表5 不同灌溉方式下土壤速效鉀方差分析表(第二次取樣)Tab.5 Analysis of variance of soil available potassium in different irrigation methods (Second sampling)

圖10 不同灌溉方式下土壤速效鉀垂直和水平變異系數(shù)(第二次取樣)Fig.10 Variation coefficient of soil available potassium under different irrigation patterns (Second sampling)

2.4 不同灌溉方式對(duì)土壤速磷分布特征及空間變異的影響

土壤有效磷在棗樹生育期開(kāi)始階段處于較高水平(圖11)，此時(shí)滴灌土壤最大含量最大值為78.89 mg/kg，最小值為0.44 mg/kg；地面灌土壤最大值為62.48 mg/kg，最小值為6.17 mg/kg。滴灌和地面灌處理?xiàng)棙涓鶇^(qū)附近有效磷含量顯著大于其他各點(diǎn)，這與硝態(tài)氮和速效鉀的分布規(guī)律相反。且二者均隨著土壤深度的增加呈減少的趨勢(shì)，水平方向上則隨著水平距離的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，在距滴頭60 cm處出現(xiàn)一個(gè)臨界點(diǎn)。此時(shí)，滴灌和地面灌處理土壤有效磷分布極為相似。

棗樹進(jìn)入新梢期后(圖12)，土壤有效磷含量迅速減少，此時(shí)滴灌土壤有效磷含量最大值為14.02 mg/kg，最小值為0.80 mg/kg；地面灌土壤有效磷含量最大值為8.78 mg/kg，最小值為0.91 mg/kg；但總體上，滴灌處理有效磷在土壤中的分布規(guī)律與生育期開(kāi)始階段相似，仍然以滴頭附近最高，隨土壤深度和水平距離的增加含量逐漸降低，40 cm以下土層有效磷含量極低。而地面灌處理在水平方向上的差異性則小于滴灌，且60 cm以下土層有效磷含量較少。所以可以認(rèn)為植物新梢生長(zhǎng)期對(duì)土壤有效磷的吸收也較多，但總體上有效磷的分布受灌溉方式的影響稍弱于硝態(tài)氮。

圖11 滴灌和地面灌土壤有效磷的二維分布圖(第一次取樣)Fig.11 Two-dimensional distribution of available phosphorus in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖12 滴灌和地面灌土壤有效磷的二維分布圖(第二次取樣)Fig.12 Two-dimensional distribution of available phosphorus in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

表6和圖13對(duì)第二次取土壤有效磷的分布進(jìn)行了方差和變異性分析。滴灌和地面灌在水平方向的變異系數(shù)均隨著距離的增加呈減小的趨勢(shì)，滴頭附近(0 cm處)的變異系數(shù)均較大。而60 cm處的變異系數(shù)均較大。隨著土壤深度的增加，變異系數(shù)逐漸減小。滴灌處理變異性大于地面灌，滴灌處理變異系數(shù)最大變異系數(shù)為25.57%，最小為10.08%，而地面灌最大變異系數(shù)為18.46%，最小為7.95%。滴灌處理變異系數(shù)稍大于地面灌，但二者隨深度和水平距離的變化具有一致性。

表6 不同灌溉方式下土壤速磷方差分析表(第二次取樣)Tab.6 Analysis of variance of soil available phosphorus in different irrigation methods (Second sampling)

圖13 不同灌溉方式下土壤有效磷垂直和水平變異系數(shù)(第二次取樣)Fig.13 Variation coefficient of soil available phosphorus under different irrigation patterns (Second sampling)

3 結(jié) 論

本文主要考察棗樹生育前期和新梢生長(zhǎng)期棗樹根區(qū)養(yǎng)分變異規(guī)律，因?yàn)檫@兩個(gè)階段是棗樹根系發(fā)育最快的兩個(gè)階段，在西北極端干旱地區(qū)，隨著氣溫回升，土壤養(yǎng)分受水分、溫度的影響開(kāi)始明顯。棗樹根區(qū)養(yǎng)分分布情況直接影響到根系在土壤中的生長(zhǎng)，本試驗(yàn)也通過(guò)研究表明不同的灌溉方式對(duì)土壤養(yǎng)分分布能夠產(chǎn)生顯著影響。但具體到各種養(yǎng)分，其影響程度和賦存規(guī)律也不同。研究表明灌溉方式對(duì)土壤堿解氮的空間異質(zhì)性影響較小，對(duì)硝態(tài)氮、有效磷的影響較大。滴灌導(dǎo)致棗樹根系上浮，對(duì)養(yǎng)分的吸收利用也集中在40 cm以上的土層。今后的試驗(yàn)中需進(jìn)一步考察棗樹整個(gè)生育期內(nèi)土壤養(yǎng)分的變化，以及灌溉方式改變導(dǎo)致的土壤根系分布差異，探索根系分布和養(yǎng)分利用的相關(guān)關(guān)系。對(duì)提高棗樹水肥利用效率，完善水肥調(diào)控模式，促進(jìn)南疆節(jié)水灌溉的推廣具有重要意義。

□