氮肥与盐水滴灌对甜高粱产质量及土壤性状的影响

王虎甲，王荣华，吴则东（.甘肃省武威市凉州区水利局，武威733000；.新疆石河子农业科学研究院甜菜研究所，石河子830；3.黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜菜研究所；4.中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨50080）

氮肥与盐水滴灌对甜高粱产质量及土壤性状的影响

王虎甲1，王荣华2，吴则东3，4*
（1.甘肃省武威市凉州区水利局，武威733000；2.新疆石河子农业科学研究院甜菜研究所，石河子832011；3.黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜菜研究所；4.中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨150080）

介绍了欧洲地中海地区应用HYDRUS-2D软件模拟氮肥与混合盐水不同水平滴灌对甜高粱生物量、产糖量及土壤性状的影响，探索土壤水分平衡、盐分与氮素分布和去向，以期增加作物养分吸收和减少养分流失及对环境的污染。

甜高粱；氮肥；盐水；滴灌；产质量；土壤性状

非面源污染是欧洲地中海农业区最重要和最普遍的环境问题之一。农民通常使用高频度灌水和氮肥以确保作物的需求，而生产效率低下的水和氮应用增加了淋溶使营养物质进入地下水。欧盟委员会理事会在1991年发出指令91/676/EEC（也称为硝酸盐指令），这对欧盟成员国建立减少农业来源引起水污染的各种行动方案有利。然而，20年后，欧洲许多地区的农业生产强度增高，同时地下水监测站连续记录的硝酸盐浓度数字也显著增高。特别是，欧洲地中海成员国许多监测站在2004—2007年表现出相对较高的值。硝酸盐超标区占比例为，葡萄牙3.7%，塞浦路斯6.8%，意大利和西班牙12.6%，希腊24.2%，马耳他100%[1]。在这些缺水的欧洲地中海地区，寻求种植水分和养分需求少的作物替代传统作物如玉米等，以减少养分流失到地下水[2]。甜高粱是适应这些环境胁迫最突出的作物之一[3-4]，是一种相对较低的需水量和水分利用效率高的抗旱作物，并具有中度耐盐性[5-10]。甜高粱也是重要的可再生替代能源，因其茎秆存储大量的非结构性碳水化合物（蔗糖、葡萄糖和果糖）可转化为燃料乙醇[3，11-12]。因此，种植甜高粱解决上述问题是最佳选择。

分析和数据模拟工具可用于农业实践，可对氮素淋失及其养分吸收和作物产量的影响进行评估[13-18]。模拟模型可进行快速、长期监测、分析作物与农业生产实践中硝酸盐受害区的影响，并根据“硝酸盐指标”帮助制定行动方案以减少营养物质流入地下水。一些模拟水运动、营养物质运输、土壤盐碱度分布、地表径流和土壤侵蚀的物理模型已校准并经验证[19-22]。半经验水平衡模型也已用于提高灌溉效率和降低水损失[23]。然而，这些方法一直是一维的和忽视了水和溶质的流动性，在水平方向压力向前、具浓度梯度。此外，一维模型不能充分模拟微灌系统（如滴灌灌水器、滴灌带和微喷头），不能有效地将水和营养物质以准确的数量精确地达到大田各处[24]。在葡萄牙滴灌普遍使用，具有模拟土壤剖面物理和化学过程的复合灌溉系统条件。HYDRUS(2D/ 3D)软件包[15，25]是模拟水、热和二、三维非饱和多孔介质溶质迁移的先进模型系统，在欧洲地中海农业区有望建立健全的农业实践。该模型已被广泛用于模拟土壤养分动向来评估和比较不同作物的微灌和灌溉施肥策略，也被用于广泛缺水地区，提高灌溉管理以改善水质等[21-22，24]。该软件也常用作开发或验证新的仿真模型的参考[26]。利用该软件包监测地中海甜高粱生长条件下氮的去向，同时考虑不同滴灌施肥和水质情况，更好地帮助我们理解灌溉和施肥管理措施，以期在未来的实际应用中增加作物养分吸收和减少养分淋失[18]。

1 试验方法简介

设盐水、氮肥和淡水3个因素，4个用量水平，按照正交表L9（34）每种用量组成9种处理；处理I~IV组为氮肥用量由高到低的梯度，A、B、C亚组为盐水由高到低的梯度（淡水为由低到高）。2007—2010年进行4个作物季的试验。模拟系统由3个滴水线组成，沿每个甜高粱垄以形成3个节侧分布，第一条是NaCl水，第二条是氮肥，第三条是淡水，流速都相同[滴头流量18 L/(h·m)；24mm/h，滴灌面积100cm×75cm]。在每一相应的分支滴点安置不同的发射器，调节3条线的排放速度就会得到不同因素不同用量的混合物，即3×4=12种氮与盐滴灌水。HYDRUS-2D软件包来精确模拟土壤中的水分和养分的瞬态轴对称三维运动[17-18]。

2 氮肥与混合盐水滴灌对土壤特性的影响

2.1 土壤水分平衡

HYDRUS-2D模拟在整个模拟期间土壤含水量平均差（ME）和平方根误差（RMSE）分别为-0.007和0．030cm3/cm3，有较高的精准性。在各个试验区中测定了潜在的根水吸收（potential root water uptake，PRWU），即潜在蒸腾（potential transpiration，Tp），测定的Tp值幅度为360～457mm。在处理I～III组，2007—2009年Tp平均值分别为394、397和450mm。处理IV组，Tp值较低，2007—2009年分别为382、379和413mm。考虑到甜高粱对氮的要求相对较低，施氮量在处理III组（N1=130～190kg/hm2N），显然Tp值最大。处理I和II组，属于“奢侈”吸收，即氮的持续吸收超出了其生长所需[17－18]。甜高粱具中度到高度耐盐性，不同品种间差异很小[4，9]。灌溉盐水的Tp值（A组）普遍低于淡水灌溉（C组）[17－18]。2009年在IV－A与IV－C区Tp差异最大（58mm）。因此，在IV－A区，植株发育特别受混合盐水连续应用的影响。测定玉米的Tp值为600～800mm，与此相比，甜高粱的Tp值较低。甜高粱的水需求远远低于传统灌溉作物，因此，在缺水的欧洲地中海地区甜高粱是一个合理的替代作物。在C亚组，只灌溉淡水，2007—2009年Tp由于水胁迫分别降低了25．3%～27．4%、21．9%～22．8%和26．3%～26．9%。在A亚组（灌溉盐水），Tp由于盐度胁迫进一步降低。然而，在2008和2009年，Tp（在A亚组）淡水和盐水综合胁迫下减少了24．2%～26．9%和31．3%～33．3%，比淡水灌溉的地块（C亚组）分别高2．3%～4．7%（2008年）和4．6%～7．0%（2009年）。在后来的几年，盐胁迫越来越高（A亚组）。因此，土壤盐渍化和盐分胁迫的增加与持续增加的混合盐水灌溉有关[17－18]。

HYDRUS－2D模拟实际根系吸水量，即实际蒸发（actual transpiration，Ta）为264～334mm。2007年，A亚组不同小区Ta一般与C亚组相同，表明，灌溉淡水或盐水的所有小区甜高粱耐盐度达到较高的水平。在同一作物季，不同处理蒸腾减少非常相似。根据Y=f（Ta）的实际蒸腾Ta计算测定甜高粱产量（Y）。这种关系，一般是近似线性的，在特定地点标准耕作和营养条件下对特定的植物有效。在研究中发现Ta和干生物质相关性不高（R2=0．51）。然而，水是唯一的限制因素。由于水的应用量每年都是一样的，而在每季的总水深度显然不足以建立更紧密的关系。虽然用淡水灌溉（C组）有较高的甜高粱产量和Ta值，盐水灌溉（A亚组）有较低的甜高粱产量和Ta值。氮也没有影响Y（Ta）的关系，因为在一定时期内氮胁迫主要影响甜高粱产量，而叶面积指数（LAI）和Ta仍然很高。最后，在每个试验小区的土壤水分平衡显示出相对较高的渗流。2007—2009年渗流分别达到162～174、292～299和292～309mm，这些值对应于31%～34%、50%～51%和51%～54%在作物季节从播种到收获的水应用量。而渗透预计是大的，因为在灌溉季节的应用率很高。整个模拟期间（2007—2010年）积累的渗透只达到了36%～37%的用水量，并考虑到在作物生长季节根的水吸收更高，在2008和2009季的渗流所占的存储低于根区水。因此，由于采用灌溉制度最终没能真正量化渗流量，因为每个作物季水平衡评估也把水计算在内，不再访问植物。不过，对氮的应用和灌水水质的影响较小，小区较高的根系吸水其渗流普遍较低[17－18]。

2.2 盐分形成与分布

不同的亚组A和C，土壤液电导率（ECsw）因滴灌施氮对根系吸水的影响而不同。各亚组之间（但在同一组），ECsw因水质对根系吸水的影响而变化。比较测量和模拟，在亚组A和C，ECsw的ME和RMSE分别为－0．602 dS/m和1．764 dS/m。连续使用混合盐水灌溉导致多年来I－A土壤盐渍化。在收获时，模拟结果表明，在滴灌灌水区域ECsw增加到24dS/m以上。每一季的开始基本上对应于降雨浸出期结束，模拟ECsw值多年来也越来越高，特别是在更深的土层。甜高粱盐度阈值参数ECsw=13．2 dS/m，饱和浸出液（saturation extract，ECe）为6．8dS/m（kEC=ECsw/ECe=1．94），2007年收获期ECsw土壤域明显高于此阈值。然而，当作物季节接近结束灌溉停止、土壤干涸时，ECsw可增加超过阈值。因此，由于盐胁迫蒸腾作用并没有显著减少。2008和2009年很早就达到了阈值，在滴灌灌水区域ECsw值超过13．2dS/m，比2007高得多。因此，由于盐胁迫导致土壤中盐分积累使蒸腾作用日益减少。另一方面，淡水灌溉导电率较低（＞0．8），在作物季结束ECsw很大，由于降雨淋溶达到的水平总是低于9dS/m。因此，在C亚组盐胁迫对根的水分吸收没有影响[17－18，22，27]。

2.3 氮平衡与迁移

3 氮肥与盐水滴灌对甜高粱产质量的影响

随着氮用量的增加甜高粱干生物量和糖产量增加量逐渐递减。盐水灌溉也导致产量减少。蔗糖含量随土壤中钠含量的增加而增加。氮的需要随着钠用量的增加而降低。

3.1 生物量

灌溉施肥次数越多甜高粱产量越高。2007—2009年，在所有地块（处理I～III组）测定平均干物质产量分别为19.3、20.4和18.3t/hm2。然而，在最后的分析中我们也必须考虑从当季到下一季增加盐胁迫（灌溉盐水），对作物产量产生负面影响。盐胁迫对养分吸收的影响（对养分淋失的影响）相对较小，因为甜高粱对盐度有中到高的耐受性，因此渗透压的增加使蒸腾作用减少很小。虽然只在处理I（氮施用量最高）盐水灌溉区养分吸收有所下降，但不同地块之间N吸收差异较大。然而，在I-A与I-C小区间氮积累吸收差异仅为17.9kg/hm2。这不足以得出结论，当确定最佳的灌溉施肥计划时，通过考虑灌溉水的质量来节省氮的应用[17-18]。用HYDRUS-2D对数函数计算植物吸收N-和干生物量间的相关性（R2=0.71）。这个对数函数拟合试验数据表明，额外增加N-吸收而甜高粱总干生物量增加在逐渐减少，植物根系每增加一个单位的N-总生物量比以前增加的少，当N吸收达到一定水平（处理II～III组，即130～180kg/hm2），进一步增加养分吸收，并没有使干生物量直接增加。处理I属于“奢侈”吸收，因为植物根系吸收N-的增加并没有使干物质产量显著增加[17-18，22]。

增加氮水平甜高粱产量减少。施氮量达最佳水平不会导致干生物量的直接增加。此外，氮和Na之间有相互作用，施氮的最佳水平降低，Na水平增加；Na用量越高，氮量需求越低，可达到最大产量。当Na水平为60、760、1460和2160 g/m2，施氮量分别为42.7、39.8、36.8和33.9 g/m2甜高粱总干物质达最大。甜高粱获得的最佳施氮水平与同种条件种植玉米相比，甜高粱比玉米更环保，因为其相对较低的需氮量缘故[2-3，27]。较高水平的Na施加到土壤与灌溉水导致总生物量和茎秆生物量减少[28-31]。干生物量随着土壤盐分增加而减少，其可能原因是光合作用生理参数：叶绿素含量、亚硫酸荧光、光系统II量子产率和气孔导度的降低。钠水平的增加使产量降低，比氮水平的增加对产量降低的影响更大。当施氮水平为0、17、34和51 g/m2，增加Na用量，那么甜高粱生物量分别下降0.17、0.26、0.35和0.43g/m2[27]。增加Na用量茎秆干生物量下降仅依赖于施氮水平（未发现交互作用）。在高水平氮下，茎秆干生物量与Na呈负相关；N水平为17 g/m2，Na分别为760、1460和2160 g/m2时，茎秆干生物量分别下降7%、17%和32%；N水平为34g/m2（Na水平不变），茎秆干生物量分别降低10%、22%和38%。叶干生物量对Na的响应也依赖于施N水平。增加Na用量叶干生物量下降，这些因子水平较低时是这样，较高水平的Na明显促进甜高粱叶片发育。Na水平为682、933、1185和1436mg/m2，假设N水平分别为0、17、34和51g/m2，叶干生物量依Na水平增加呈二次曲线增加。但是，Na水平对茎和叶干生物量都是负相关关系。因此，Na对茎干生物量的影响显然比对叶干生物量的影响更明显[27]。

3.2 蔗糖含量与糖产量

总还原糖（TRS）含量受氮用量的显著影响，但Na用量的影响不大；蔗糖明显受N和Na用量的影响。糖产量主要与茎干生物量有相同规律，糖产量也明显受N和Na用量的影响，受这两个因子相互作用的负面影响。回归分析表明，TRS与N用量为线性关系，增加氮用量TRS含量以0.783g/kg比率减少[27]。然而，Smith等发现氮肥增加可发酵糖的生产略有增加[32]。蔗糖含量与N和Na用量呈线性关系。多元逐步回归分析表明：N对蔗糖含量的影响取决于Na水平，当Na用量分别为60、760、1460和2160 g/m2，增加氮的施用量，那么蔗糖含量分别以0.1、0.7、1.4、和2.2 g/kg的速率下降。在氮量低水平（32.5 g/m2）下，蔗糖含量与Na用量呈正相关；氮量高水平时，蔗糖含量与Na用量呈负相关。因此，氮水平为0和17 g/m2，在Na含量为0.031和0.015 g/kg时，蔗糖含量增加；氮水平为34和51 g/m2，增加Na用量，蔗糖含量分别以0.001和0.018 g/kg速率下降。这意味着，甜高粱受盐和氮胁迫的影响[27]。而Almodares等人的研究结果：氮肥对蔗糖含量没有影响[33]。同时，发现盐渍环境中蔗糖含量的不同响应，随着盐度的增加，部分甜高粱品种的蔗糖含量下降，而其它品种蔗糖含量增加[34-35]。增加施氮用量不会直接导致糖产量增加。增加Na用量最佳施氮用量水平降低。当Na用量增加到60、760、1460和2160 g/m2，甜高粱最高糖产量分别降低43.1、38.8、34.4 g/m2。每年增加灌溉水的用量，增加Na从根中浸出，从而降低盐胁迫，增加植物蒸腾作用。在N低水平用量时，Na用量越多，糖产量减少越多，在N施用水平为60 g/m2，Na施用水平分别为760、1460和2160 g/m2，糖产量分别下降4%、16%和34%；在N施用水平为51 g/m2（Na施用水平不变），糖产量分别下降13%、30%和51%[27，34-35]。

3 小结与展望

HYDRUS-2D模拟大田试验整个过程的水含量、土壤液电导率（ECsw）、N-NH4+和N-NO3-浓度，模拟误差分别为0.030 cm3/cm3、1.764dS/m、0.042mmol/L和3.078mmol/L；用HYDRUS-2D模拟可更好地了解灌溉施肥的策略，作为提高作物营养吸收、降低养分淋溶、减少环境污染的重要工具。甜高粱水分需求360～457mm，取决于作物的季节和灌溉处理。如果只在一个作物季应用，那么甜高粱是耐盐水的。连续使用盐水超过一个作物季导致土壤盐渍化，并引起根吸水减少、盐胁迫增加。N-NO3-吸收和干物质产量的关系（R2=0.71）表现为：施用最高水平的氮时作物氮的需求小于其吸收。N在根区的迁移依赖于流经根区的水流量、N的应用量、N肥的形式、滴灌施肥的时间和次数。当滴灌施肥次数较多而肥量少时N-NO3-吸收较高。随着氮用量的增加甜高粱干生物量和糖产量增加量逐渐递减。盐水灌溉也导致产量减少。蔗糖含量随土壤中钠含量的增加而增加。氮的需要随着钠用量的增加而降低。

甜高粱作为减少灌溉用水需求和非面源污染的首选作物，已成为全欧洲乃至全球的迫切需要。2015年中央1号文件指出：“大力推进化肥减量提效、农药减量控害，积极探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路。”随着气候干旱、灌溉水减少以及环境污染的加剧，向着节水节肥的绿色有机农业方向发展乃是必然趋势。最快捷的方法之一就是洋为中用、古为今用，因此，积极借鉴国外先进技术与经验，对其引进、模仿和吸收，根据我国不同农业生态要求和区域特点，进而将之改造、创新为有中国特色的先进技术。因此本滴灌施肥技术、理念及软件对我国现代农业的发展无疑会起促进作用。

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WANG Hu-jia1,WANG Rong-hua2,WU Ze-dong3,4*

(1.Water Conservancy Bureau of Liangzhou,Wuwei733000,Gansu;2.Sugarbeet Research Institute,Shihezi Academy of Agricultural Sciences,Shihezi832000,Xinjiang;3.Crop Academy of Heilongjiang University/Sugar Beet Research Institute of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080,Heilongjiang;4.Key Laboratory of North Sugar Crop Resource and Utilization,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Harbin 150080,Heilongjiang)

Effects of Nitrogen Fertilizer and SalineWater Drip Irrigation on Yield and Quality of Sweet Sorghum and Soil Property

By HYDRUS-2D software simulation，the effects of different level nitrogen fertilizer and saline water of drip irrigation on sweet sorghum biomass,sugar yield and soil properties in European Mediterranean were introduced,to explore the soil water balance,salt and nitrogen distribution and fate,in order to increase crop nutrient uptake and reduce nutrient loss and pollution of the environment.

sweet sorghum;nitrogen fertilizer;salinewater;drip irrigation;yield and quality;soil properties

S566.5

B

1007－2624（2017）04－0043－05

10.13570/j.cnki.scc.2017.04.016

2017-05-04

王虎甲（1974-），男，甘肃武威人，工程师，主要从事水利工程规划设计工作。

吴则东（1972-），男，副研究员，博士，主要从事甜菜遗传及分子育种的研究。Email：wuzedong1972@qq.com