日光温室不同水肥措施下水氮迁移特性

张学科

(1. 宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021； 2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

日光温室不同水肥措施下水氮迁移特性

张学科1,2,3

(1. 宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021； 2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

为探索宁夏日光温室中不合理灌溉对番茄水分利用、氮素迁移特性的影响，通过田间试验方法，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常规量800 kg·hm-2、T2推荐量600 kg·hm-2)处理下测定了土壤水分分布、番茄水分利用率和土壤剖面氮素淋溶特征。结果表明，在番茄的不同生育期， 0～80 cm土层深度滴灌+推荐施肥土壤含水率大于漫灌+习惯施肥，而80～200 cm土层结果与之相反，可见，滴灌后水分主要保蓄在80 cm以上土层，而漫灌方式水分渗出耕层土壤的量更多。滴灌+推荐施肥处理瞬时叶片水分利用率、番茄水分利用效率明显高于漫灌+习惯施肥，但两处理产量差异不明显。在当季蔬菜生长期间，不同处理30～50 cm土层的硝态氮质量分数均最高，随着灌溉次数的增多，硝态氮逐渐向下迁移，漫灌+习惯施肥在100～200 cm土层硝酸盐质量分数高于滴灌+推荐施肥处理，此质量分数明显高于国内其他蔬菜栽培地区。水资源浪费与不合理水肥利用引起的地下水污染问题在宁夏日光温室蔬菜栽培中已相当突出，值得引起相关部门的重视。

灌溉方式；水分利用效率；硝态氮淋溶

水资源是人类赖以生存、不可替代的自然资源。宁夏是全国水资源最匮乏的区域之一，水资源人均占有量仅是全国人均水量的5%左右，是黄河流域水资源最匮乏的区域之一[1-2]，占世界人均水量的1%左右。与水资源短缺的现实相比，宁夏水资源利用方式仍然很落后，特别是农业用水，引黄灌区存在着大水漫灌等水资源浪费现象[3-4]， 灌溉水利用系数仅0.4，水资源利用效率低的根本原因是有效节水农业制度不健全、节水技术推广力度不够。宁夏地下水资源分布极不均匀， 全区地下水资源主要集中分布在引黄灌区、南部山区、黄土丘陵区及中部风沙区，地下水资源量少且水质差。据2009年调查结果[5]显示，果园与温室栽培蔬菜体系下地下水中硝态氮质量浓度最高，按照国家地下水水质量标准的5个等级(GB/T 14848-93)[6]，硝态氮质量浓度(以N计)超过20 mg·L-1(Ⅲ～Ⅴ类水质)占37%，近5 a，宁夏温室蔬菜栽培面积与施肥量不断增加，地下水面临硝酸盐污染问题将日趋严重。目前，农业引起的硝酸盐污染已是地下水面临的最大威胁，为此，许多国家[7-9]先后开展了地下水硝态氮污染及控制对策方面的研究，Overgaard[10]的研究结果表明，地下水硝态氮平均质量浓度在过去的20～30 a 中增加了3 倍，而且还在以每年3.3 mg·L-1的速度增加。国内许多地区地下水质量也在不同程度上受到硝态氮污染的威胁[11-12]，且呈现出日趋严重的发展态势。地下水是宁夏的主要饮用水源，地下水硝态氮质量浓度状况将直接关系到全区人民的健康。本研究基于宁夏水资源的合理利用与地下水存在的潜在威胁，分析不同水肥措施下土层剖面水、氮分布特征，同时研究结果将验证水氮迁移预测模型的合理性，为宁夏水资源利用及温室蔬菜栽培提供技术与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏贺兰县设施农业示范园进行，位于东经106°21′54″、北纬38°26′51″，该县设施农业总面积达到1 200 hm2。试验温室均建于2009年，栽培蔬菜以番茄、豇豆、芹菜为主，1 a 2茬。该地区光照充足、热量丰富，但蒸发强烈、干旱少雨、无霜期短。年、日温差较大，气候年较差平均为31.5 ℃，日较差平均13.6 ℃，年平均气温8.7 ℃，平均积温3 245.6 ℃。试验温室坐北朝南，东西延长，东西长65 m，跨度8 m，北墙高1.8 m，脊高2.15 m，聚乙烯无滴膜覆盖。

1.2 供试土壤

试验地耕层土壤(0～40 cm) 质地为砂壤土，土壤 pH 7.68，全盐1.88 g·kg-1，有机质为8.62 g·kg-1，土壤矿质态氮、速效磷和速效钾分别为126、303和681 mg·kg-1，土壤肥力中等。

1.3 试验设计与实施

试验设2个处理。处理1(T1)：漫灌4.50 t·hm-2+习惯氮肥量800 kg·hm-2(FI+CF)；处理2(T2)：滴灌3.15 t·hm-2+推荐氮肥量600 kg·hm-2(DI+RF)。

各试验小区均以湿羊粪为底肥，用量为60 m3·hm-2，氮、钾基施总量的40%、磷肥全部作基肥，有机肥与化肥于2014年12月底施入，氮、钾其余60%分3次在开花坐果期、结果初期、结果后期等量施入，氮、磷、钾肥料分别选用硝酸钾、重钙、硫酸钾。

追肥方法为漫灌按膜下撒施，随后按处理灌水；滴灌冲入施肥罐，水肥一体施入。定植后前两水所有处理均采用漫灌方式进行灌溉，从第3水至拉秧按处理进行不同方式灌溉。安装主管与滴灌系统，每垄设置控制阀，每小区安装独立水表控制水量，灌水次数相同，滴灌灌水量为漫灌灌水量的70%。

试验于2014-2015年春茬进行，每处理重复4次，小区面积为63.0 m2，每小区6垄12行，垄间距1.5 m，垄高25 cm，每小区间设2垄作为保护行，垂直埋深200 cm塑料膜防止串水串肥。供试番茄品种为‘金棚荣威’，双行定植于垄上，株行距为 30 cm×50 cm 。

1.4 测定项目及方法

番茄开花坐果期、结果初期、结果后期用土钻取 0～200 cm土壤剖面土样，每20 cm取1个混和样，鲜样冰箱保存以测定硝态氮，烘干法测定土壤含水率。并同期采用LI-6400 便携式光合测定系统(LI-COR，美国)测定功能叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)，每小区测6片叶取平均值，计算叶片水分利用效率(WUE):WUE=Pn/Tr。按小区记录果实产量；作物水分利用率= 果实产量/(总灌水量+定植时土壤贮水量- 结果后期土壤贮水量)；土壤贮水量= 土壤体积质量×土壤体积×土壤含水率。计算0～200 cm 各层土壤水分构成总量；土壤硝态氮质量分数采用1 mol·L-1氯化钾浸提(水土比10∶1)，全自动流动分析仪法测定(AA3，Bran and Luebbe，Germany)。土壤表层硝态氮残留量指残留在0～100 cm的硝态氮量，残留硝态氮总量=各层土壤体积质量×土壤体积×(1-土壤含水率)×硝态氮质量分数的总和。土壤淋溶损失的硝态氮指下渗至100～200 cm的硝态氮量，计算方法同表层硝态氮残留。

用Excel 2010和SAS V 8进行数据统计分析，t检验进行成对数据差异性比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤水分分布与番茄水分利用效率的影响

在作物的不同生育阶段，采用不同灌溉方式后，不同土层不同时期土壤含水率差异较大(图1)。在番茄生长的3个不同时期，表层与深层因灌溉方式不同土壤含水率差异很大。番茄定植后，大约35 d左右进入开花坐果期，此期间除2次定植水外(两处理灌水量相同)，按处理共灌水3次，取样测定在灌水后第5天进行，图1-A结果表明，耕作层土壤因其有机质质量分数高于下层土壤，保水保肥性较强，因此具有较高的含水率；在土层深度70 cm处，2种处理下土壤含水率发生转折，70 cm以上滴灌+推荐施肥大于漫灌+习惯施肥，且50 cm处的两处理的差额最大。漫灌方式下，90～110 cm处具有较高的含水量，此层水分主要以重力水为主，表明采用漫灌灌溉后5 d时，在砂质土壤条件下，快速流能够到达地下100 cm左右。图1-B表明，结果初期与开花坐果期水分分布趋势基本相同。不同灌溉方式下，0～40 cm土壤含水率差额逐渐增大，下层土壤含水率最大出现在110 cm处，可见，随着灌水次数的增多，快速流的深度逐渐增加。图1-C表明漫灌方式下，经过一个完整的植物生长季之后，土壤含水率随土层深度的增加而增加，说明在此灌溉方式下，重力水水量较大而毛管水较少，尤其在砂质土壤类型的温室生产中更为突出。土壤水分分布除与灌溉方式和灌水量密切相关外，还受作物根系吸水特性及生育时期、土质类型、蒸发强度、地下水埋深等多种因子共同影响。

A.开花坐果期 Flowering and fruit-set stage;B.结果初期 Early fruiting stage;C.结果后期 Later fruiting stage

叶片光合参数是作物对水分利用效率很重要的衡量指标，单叶水分利用效率是瞬时水分利用效率，它反映了作物短期的生长状况[13]。在番茄的不同生育期，不同处理光合速率及蒸腾速率均有明显差异(表1)，开花坐果期，处理间差异不明显，说明在此期间，滴灌与漫灌后表层土壤水分可完全满足番茄的水分需求，因此作物生长未受到灌水量不同的影响。但当番茄进入结果期后，作物需要大量的水分，耕层土壤的含水量会影响番茄的生长及果实形成，短期内叶片光合参数存在显著差异，滴灌下光合速率和蒸腾速率均高于漫灌处理，但这2个参数仅反映作物短期生长情况，经再次灌溉后，参数会随植物吸水状况而改变。结果后期叶片水分利用效率存在差异。番茄叶片水分利用效率结果表明，在每个灌水周期内，距离灌溉时间越长，叶片水分利用特性差异越大，而这种差异可通过及时灌溉进行消除，因此从温室蔬菜叶片水分利用角度看，少量多次灌溉可减少不同灌溉方式引起的差异。

表1 不同处理下番茄叶片水分利用效率

注：同列相同指标数据后不同字母表示差异显著(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.

经不同灌溉方式处理后，作物水分利用效率存在明显差异(表2)，滴灌+推荐施肥水分利用效率大于漫灌+习惯施肥，但对产量并未产生明显的影响。不同灌溉方式及灌水量对不同土壤层次水分分布、叶片水分利用效率及作物水分利用效率均有不同程度的影响，但从经济收益角度看，减水减肥并未影响农户的收入，但投入量却存在很大差额，因此在生产中滴灌应得到大力推广，尤其对以砂质土壤为主的宁夏，由于地表蒸发强度较大，滴灌在温室生产中显得更为重要。

2.2 不同处理对硝态氮迁移特性及氮素利用效率的影响

图2-A结果表明，在番茄开花坐果期，30～50 cm硝酸盐质量分数最高，且漫灌+习惯施肥显著大于滴灌+推荐施肥。100 cm以下两处理硝酸盐质量分数基本相同，可见定植50 d后，不同灌溉方式及施肥量对硝酸盐淋溶的影响主要发生在0～70 cm。当番茄进入结果初期时， 30～50 cm深度处硝酸盐质量分数仍最高，但在70 cm以下，不同处理间差异逐渐明显，漫灌+习惯施肥明显大于滴灌+推荐施肥，可能由于漫灌水量大，水分下渗较滴灌快，且漫灌条件下具有较高的施肥量。当番茄进入结果后期时，此时距定植约150 d，70 cm处硝酸盐质量分数较前期明显增加，漫灌条件下100 cm以下硝酸盐质量分数呈增加趋势。可见，随着番茄生育期的延长，硝酸盐不断下渗，蔬菜生长1季，下渗主要发生在0～70 cm，大水漫灌加速了土壤中前茬残留硝酸盐的淋溶，由于硝酸盐的淋溶，对地下水存在很大的污染风险。

表2 不同处理下番茄水分利用效率

注：贮水量为0～200 cm总贮水量。

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

A.开花坐果期 Flowering and fruit-set stage；B.结果初期 Early fruiting stage；C.结果后期 Later fruiting stage

由表3可看出，在目前日光温室生产中，硝酸盐残留问题非常严重，当季作物对氮素的利用率仅为投入量的1/5～1/3，表层土壤中硝酸盐残留逐年增加。对蔬菜而言，根系主要分布在0～60 cm内，由于蒸发作用，下层养分会向上迁移，但迁移距离非常小，因此在温室土层中，100 cm以下的硝酸盐基本无法再利用，不同处理后淋溶损失存在显著差异，漫灌+习惯施肥显著大于滴灌+推荐施肥处理。

处理Treatment氮素投入/(kg·hm-2)Nitrogeninput作物吸收氮素量/(kg·hm-2)Up-takingnitrogenbycrops土壤表层硝态氮残留量(0～100cm)/(kg·hm-2)ResidualNO-3-Ninupsoil当季作物氮素利用率/%Useefficientofnitrogen淋溶损失硝态氮/(kg·hm-2)LossNO-3-NbyleachingFI+CF800138b1.28×103b17.25b2.43×103aDI+RF600161a1.64×103a26.83a1.31×103b

注：淋溶损失按100～200 cm计算。

3 结论与讨论

通过田间试验，在番茄生长的不同生育期，0～80 cm 土层深度滴灌+推荐施肥土壤含水率大于漫灌+习惯施肥处理，而80～200 cm土层深度，结果与之相反，可见，滴灌后水分主要保蓄在80 cm以上土层，而漫灌方式水分渗出耕层土壤的量更多。滴灌+推荐施肥处理瞬时叶片水分利用率、番茄水分利用效率明显高于漫灌+习惯施肥，但两处理产量差异不明显。漫灌方式的用水量为4.50×103m3·hm-2，滴灌方式的用水量为3.15×103m3·hm-2，温室生产1季蔬菜通过滴灌方式可节约水资源1.35×103m3·hm-2。据统计，宁夏截至2013年设施栽培面积总计7.07万hm2[14]，按温室每年生产2季计算，1 a内通过漫灌浪费水资源1.67×109m3。目前，设施栽培面积不断增加，水资源短缺问题日益严峻，因此从水资源利用的角度出发，在设施农业栽培中应快速推广适合宁夏水质特征的滳灌系统。

当番茄进入结果后期时，此时距定植约150 d，70 cm处硝酸盐质量分数较前期明显增加，漫灌条件下100 cm以下硝酸盐质量分数呈增加趋势。可见，随着番茄生育期的延长，硝酸盐不断下渗，蔬菜生长1季，下渗主要发生在0～70 cm，大水漫灌加速了土壤中前茬残留硝酸盐的淋溶，由于硝酸盐的淋溶，对地下水存在很大的污染风险，随着日光温室栽培年限的延长，此问题越来越突出。研究中100～200 cm土层中硝酸盐质量分数达50 mg·kg-1，这与中国其他地区土壤中硝酸盐质量分数相比，高出3～5倍[15]。此结果与农田硝态氮结果相比，首先硝酸盐质量分数比农田中的高很多，其次硝酸盐下渗速度也较其他研究快。近5 a，温室蔬菜栽培面积与施肥量不断增加，地下水面临硝酸盐污染问题非常严重，值得引起相关部门的重视。

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

(责任编辑：潘学燕 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“长江学者和创新团队发展计划”创新团队项目(IRT1067)；宁夏教育厅高等学校科学研究项目(2014-179)。

张学科，男，副教授，从事水利工程和工程项目管理教学与科研工作。E-mail:slxzxk@163.com

日期：2016-12-12

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161212.1117.038.html

S274.1

A

1004-1389(2016)12-1884-06