滴灌施肥对设施栽培花椰菜根系和土壤中氮分布的影响

2018-11-15吴玉恒吴文勇韩玉国廖人宽

中国水土保持科学 2018年5期

吴玉恒，吴文勇，韩玉国，廖人宽

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.中国水力水电科学研究院水利研究所，100044，北京)

近年来，我国设施蔬菜生产发展迅速，生产面积以每年10%以上的速度稳步增长，截至2010年底，我国设施蔬菜年种植面积约为466.7万hm2，是世界上设施蔬菜栽培面积最大的国家[1-2]。随着设施蔬菜的栽培面积和集约化程度的逐渐增大，加上我国蔬菜生产中依旧存在灌溉施肥制度不合理等问题，集约化农区造成的面源污染引起了许多研究者的关注。不少学者指出造成农业面源污染的主要原因是蔬菜生产过程中化肥的使用过量，不仅造成了土壤退化及盐渍化、蔬菜品质下降，还引起地下水污染等一系列问题[3]。张维理等[4]和刘宏斌等[5]发现在我国农业集约化程度高、肥料用量大的地区都存在严峻的地下水污染问题；黄绍文等[6]通过调查发现我国主要蔬菜种植区土壤普遍存在盐渍化加重、有机质质量分数低、硝态氮和速效磷积累等问题。针对农业面源污染问题应该采用源头控制策略，推广农田最佳养分管理，通过合理的水肥管理来提高水肥利用效率减少氮素淋失[7]。

水肥一体化技术是一项同步控制植物水分供给和肥料施用的技术，通过滴灌系统合理地改变施用肥料的浓度、灌水施肥持续时间和施肥频率等参数，在保证土壤根区水肥的正常供给的同时能将水肥淋失最小化。通过水肥一体化技术将氮肥输送到土壤中能够减少植物-土壤系统中铵态氮挥发和硝态氮损失；然而不合理的滴灌系统设计参数依然会导致土壤氮素淋失到作物根系无法吸收的土层中，并且造成地下水体的污染[8]。在灌溉施肥过程中为了清洗滴灌管道和保证施肥的均匀性，人们通常会在施肥前后灌入清水[9]。为了确定灌溉过程中的最佳施肥时机，学者们主要通过室内试验和数值模拟的方法进行相关研究，其研究结果也不尽相同。Li Jiusheng等[10]通过室内试验监测了不同滴灌施肥条件下土壤氮素分布状况，认为灌水施肥总时间的1/4时间灌水，再用1/2时间施肥，最后用1/4时间冲洗管道的施肥策略最佳。侯振安等[11]应用15N标记尿素进行了不同滴灌施肥对棉花氮素吸收和氮肥利用效率影响的盆栽试验，他们发现单次灌溉过程中前1/2时间施肥后1/2时间灌水的施肥策略可提高氮肥利用效率，增加棉花的氮素吸收量。C. M. Cote等[12]运用HYDRUS2D对地下滴管施肥进行模拟，结果发现在质地较粗的土壤条件下单次灌溉施肥过程中先施肥后灌水的灌溉施肥策略对减少氮肥淋失和提高肥料利用效率更有利，而A. I. Gardenas等[13]、B. R. Hanson等[14]和V. Phogat等[15]通过数值模拟得到了相反的结果，认为先施肥后灌水处理的氮素淋失风险更大。

为了更好地了解滴灌施肥对土壤水氮运移情况和作物氮素吸收利用状况的影响，本试验以温室花椰菜为试验对象，研究不同滴灌施肥与蔬菜产量、品质及根系生长的相关关系，以期获得水肥一体化系统中滴灌施肥的最优阈值。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年2月至6月在国家节水灌溉北京工程技术研究中心庞各庄试验站(E116°20′, N39°35′)的日光温室内进行，当地年均降雨量568.9 mm，年均水面蒸发量1 021 mm。日光温室种植面积为600 m2，温室内0～40 cm土壤基本理化性质为全氮0.79 g/kg，有机质11.90 g/kg，pH 8.48，碱解氮268 mg/kg，有效磷124 mg/kg，速效钾138 mg/kg，田间持水量24.48%，土壤密度1.44 g/cm3，土壤为粉质壤土。

1.2 试验设计

供试花椰菜(BrassicaoleraceaL. var. botrytis L.)品种为“京研60”，采用覆膜平畦栽培种植方式，定植株行距均为50 cm。试验采用北京绿源塑料有限责任公司的内嵌式滴灌带，管壁厚0.2 mm，滴灌带间距为30 cm，滴头间距为30 cm，滴头流量1.38 L/h。温室微灌采用“30逆向布置模式”，滴管首部由过滤器、压力表、文丘里施肥器组成，各小区进水口装有旋翼式水表控制灌水量。

试验设计4种滴灌施肥处理，即T1(1/5N-4/5W)、T2(1/5W-1/5N-3/5W)、T3(2/5W-1/5N-2/5W)、T4(3/5W-1/5N-1/5W)处理，此T2(1/5W-1/5N-3/5W)处理中1/5W-1/5N-3/5W表示整个灌水过程的前1/5时间灌水，接下来的1/5时间施肥，后3/5时间灌水冲洗管道，其他类同。根据灌水上下限计算得到的灌溉定额和温室水压状况来确定单次灌水施肥时间为100 min，其中注肥时间确定为20 min，在灌水施肥前配制肥液(将0.822 kg尿素溶于20 L灌溉水中)，每个处理在特定时段用文丘里施肥器进行施肥。每个试验处理重复3次，共设置12个试验小区，试验小区规格为7 m×6 m，采用完全随意排列方式，小区之间有20 cm高的垄，防止处理间水肥混合。

1.3 田间管理

花椰菜生育期内采用测墒补灌法确定灌水量，参照DB11T557—2008《设施农业节水灌溉技术规范》中的公式

m=0.1γsph(β1-β2)/η。

式中：m为灌溉定额,mm；γs为计划湿润层土壤密度,g/cm3；p为土壤湿润比，取0.8；h为计划湿润层深度,cm；苗期时计划湿润层为20 cm，莲座期和结球期为40 cm(参考DB11T557—2008《设施农业节水灌溉技术规范》)；β1、β2为灌水上下限(占干土质量的比例)，分别取田间持水量的70%和100%；η为灌溉水利用系数，取0.9。

在花椰菜种植前磷肥和钾肥作为基肥一次性施入100 kg/hm2、150 kg/hm2，氮肥作为追施肥分次施入，施肥频率为2周一次，具体施肥时间根据土壤水肥状况和花椰菜生长需要来确定。花椰菜生育期内灌水施肥情况见图1。

图1 花椰菜生育期内累计灌水量和施肥量Fig.1 Cumulative irrigation and fertigation in the growing season of cauliflower

1.4 测定内容与方法

花椰菜种植前和收获后每隔10 cm采用土钻法采集土样至120 cm，将采回的土壤自然风干后用1 mol/L的KCl溶液浸提，使用流动分析仪(AutoAnalyser-Ⅲ,德国Bran+Luebbe公司)测定浸提液中硝态氮和铵态氮的量[16]。

花椰菜收获时每个小区选取1颗长势一致的植株，并分为叶片、茎秆、花球3个部分，经净化、杀青、烘干后磨碎，各小区混合均匀后过0.5 mm筛，采用半微量凯氏定氮法[17]测定植物全氮量。在收获期间选取各处理生长发育状况一致的花球进行品质测定，其中可溶性糖采用硫酸-蒽酮比色法测定，维生素C采用钼蓝比色法测定，硝酸盐采用紫外分光光度法测定[18]。

花椰菜收获后采用挖掘法采集植株1半根系，在50 cm×25 cm的样方内，水平方向上按5 cm间距取至25 cm，深度按10 cm间距取至30 cm，用铲刀将植株根系切断后，从外到内从上到下依次采集含根土壤，将土样放入0.25 mm土筛中，用水冲分离土壤与根系后，将根系样品用根系扫描仪进行扫描，用WinRHIZO软件对根系扫描图像进行分析。

1.5 计算公式及方法

各氮素利用率的公式如下[19]：

氮素农学利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量，(kg/kg)；

氮素吸收利用率=(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)/施氮量×100，%；

氮素生理利用率=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)，(kg/kg)。

数据均采用Excel2016和SPSS19.0软件进行处理和制图，使用Suffer8.0软件对根系分布进行制图。

2 结果与分析

2.1 花椰菜产量和品质

表1 滴灌施肥下花椰菜的产量和品质

注：T1表示1/5N-4/5W，T2代表1/5W-1/5N-3/5W，T3代表2/5W-1/5N-2/5W，T4代表3/5W-1/5N-1/5W。不同的小写字母表示5%水平下差异的显著性。下同。 Notes：Total fertigation time is 100 min. T1 refers to 1/5N-4/5W, i.e., 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 4/5 of fertigation time (80 min) for watering and washing pipe. T2 refers to 1/5W-1/5N-3/5W, i.e., 1/5 of total fertigation time (20 min) for watering, 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 3/5 of fertigation time (60 min) for watering and washing pipe. T3 refers to 2/5W-1/5N-2/5W, i.e., 2/5 of total fertigation time (40 min) for watering, 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 2/5 of fertigation time (40 min) for watering and washing pipe. T4 refers to 3/5W-1/5N-1/5W, i.e., 3/5 of total fertigation time (60 min) for watering, 1/5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 1/5 of fertigation time (20 min) for watering and washing pipe. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 5% probability level. The same below.

2.2 花椰菜氮素吸收特征

不同处理花椰菜各部位的氮素吸收量如图2所示。从植株各部位的氮素分配来看，叶片部位的吸氮量占总吸氮量的比例最高，各处理平均吸氮量到达93.68 kg/hm2，占植株总吸氮量的43.39%；其次是花球部位，平均吸氮量达到71.31 kg/hm2，占植株总吸氮量的33.03%；茎秆部位的吸氮量最低，为50.89 kg/hm2，占植株总吸氮量的23.57%。可以看出滴灌施肥对花椰菜花球部位吸氮量和叶片部位的吸氮量产生较大影响。

图2 花椰菜不同植物部位的吸氮量Fig.2 N uptakes by different plant parts in cauliflower

花椰菜氮素累计总量表现为随着滴灌施肥时间的向后推移先减少后增加的趋势，其中T4处理的各部位氮素累积量均最高，花球、茎秆和叶片的氮素累积量分别达到79.65、55.41和104.36 kg/hm2，而T2处理最低，分别为63.36、46.02和82.60 kg/hm2，造成该差异的原因可能是种植前T4试验小区的土壤本底值较高，促进了该小区植株的氮素吸收量。对比各部位氮素累计的差异，可以发现后期注肥处理的氮素累积量均高于前期施肥处理的氮素累积量，其中T4处理的花球氮素累积量显著高于T1处理(P<0.05)，T4处理的叶片累积量显著高于T2处理(P<0.05)。这说明灌水过程中后期注肥处理较前期注肥处理更能促进植株对氮素的吸收。

采用氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率和氮肥生理利用率3个指标(表2)来全面反映氮肥的利用率和损失率。可以看出T3的氮肥农学利用率要高于其他处理，说明T3处理条件下氮肥对产量的提高效果较好。比较各处理的氮肥吸收利用率可以发现，T3、T4处理较T1、T2处理高39.93%～71.84%，说明T3、T4处理的氮肥损失更低。氮肥生理利用率反映了植物对所吸收氮素在植物体内的利用效果，可以看出T1处理要优于其他处理。

表2 滴灌施肥下花椰菜氮素利用率

注：NAE表示氮肥农学利用率，NRE表示氮肥吸收利用率，NPE表示氮肥生理利用率。不同的小写字母表示5%水平下差异的显著性。 Notes：NAE stands for nitrogen agronomic efficiency, NRE stands for nitrogen recovery efficiency, NPE stands for nitrogen physiological efficiency.

2.3 土壤剖面铵态氮和硝态氮的变化规律

花椰菜种植前后土壤铵态氮的变化规律如图3所示。从图中可以看出土壤铵态氮质量分数均有不同程度的减少，种植前土壤剖面铵态氮质量分数呈表层高、深层低的特点，收获后土壤剖面的铵态氮分布则较为均匀。其中土壤表层(0～40 cm)铵态氮质量分数变化最为剧烈，铵态氮质量分数由种植前10～40 mg/kg降低到0～10 mg/kg，花椰菜根系主要分布在0～30 cm土层，因此分布在该土层的铵态氮被植株吸收利用最为明显。在0～40 cm土层中，T4处理的铵态氮质量分数下降程度最为明显，下降了29.19 mg/kg，其次是T1、T3、T2，分别下降23.48、21.97和18.79 mg/kg。

由图4可见土壤剖面硝态氮的变化情况。种植前土壤表层(0～40 cm)硝态氮质量分数丰富，收获后土壤硝态氮质量分数均有所降低，由种植前53.72～82.28 mg/kg降低到25.44～40.46 mg/kg，其中T1和T4处理硝态氮含量下降最为明显，分别下降48.16 mg/kg和41.82 mg/kg。深层土壤(40～120 cm)硝态氮质量分数变化呈不同的变化规律，T1和T4处理40～120 cm土层硝态氮含量分别减小11.04和4.48 mg/kg，而T2和T3处理40～120 cm土层硝态氮含量分别增加12.37和6.79 mg/kg，这可能是因为T1和T4处理土壤硝态氮向深层土壤淋失造成的。

图3 花椰菜种植前(左图)后(右图)土壤铵态氮的纵向分布图Fig.3 Longitudinal distribution of ammonium-nitrogen in soil before (Left) and after (Right) planting cauliflower

图4 花椰菜种植前(左图)后(右图)土壤硝态氮的纵向分布图Fig.4 Lateral distribution of nitrate-nitrogen in soil before (Left) and after (Right) planting cauliflower

2.4 花椰菜根系空间分布规律

不同滴灌施肥下花椰菜根系空间分布如图5所示。T3处理的根长密度最大，达到2.54 cm/cm3，分布范围最广。T3处理在采集土样区域中的平均根长密度为1.20 cm/cm3；其次是T2处理，最大根长密度达到1.36 cm/cm3，平均根长密度为0.88 cm/cm3；T4处理平均根长密度最小，仅为0.62 cm/cm3。从根系分布特征上分析，T1和T3处理根系分布较为均匀，T2处理根系呈现纵向生长的趋势，T4处理的根系则横向生长力更为旺盛，这可能是由于灌溉施肥过程中前期灌水导致土壤水分达到饱和，后期施肥则氮素不容易向深层土壤转移，产生侧向渗漏，促进了根系横向生长。

图5 滴灌施肥下花椰菜根系空间分布Fig.5 Spatial distribution of cauliflower’s roots under different fertigation strategies

在垂直方向上，T1中根长密度>1 cm/cm3的区域深度为21 cm,T2和T3均为30 cm，T4仅为16 cm。根长密度>1.5 cm/cm3的区域深度为24 cm。在水平方向上，T1中根长密度>1 cm/cm3的区域深度为14 cm，T2为17.5，T3为30 cm, T4为20 cm。这可能是因为前期施肥处理的施肥时间早，导致氮素向深层土壤移动，根系纵向生长优于横向生长，而后期施肥处理的施肥时间迟，更多的氮素被保留在土壤表层，所以根系分布较浅。

2.5 土壤硝态氮分布与根长的相关关系

图6 硝态氮质量分数与各根长参数的关系Fig.6 Relationship between nitrate-nitrogen content and root length parameters

根长是根系分布研究中的重要参数，在研究植株根系长度时常用总根长、直径<2 mm根系根长和直径<1 mm根系根长等指标[20-21]。为了探究土壤氮素分布与花椰菜根系生长的关系，分别对每10 cm深度土层中(0～30 cm)的各类根长指标与对应土层土壤硝态氮质量分数进行相关分析。图6表明以上3个根长指标与土壤硝态氮质量分数均有较好的一元线性关系。其中直径<2 mm根系根长的拟合效果最好(R2=0.811 8)，其次是直径<1 mm根系根长(R2=0.781 0)，总根长的拟合效果最差(R2=0.651 1)，说明直径<2 mm根系根长更能反映土壤硝态氮质量分数的差异性。

3 讨论

关于滴灌施肥对土壤溶质运移的影响研究，国内外学者的观点各有不同：C. M. Cote等[12]运用HYDRUS2D对地下滴管施肥进行模拟，结果发现在质地较粗的土壤条件下单次灌溉施肥过程中先施肥后灌水的灌溉施肥策略对减少氮肥淋失和提高肥料利用效率更有利；侯振安等[11]通过室内棉花栽培试验得到同样结论；A.I. Gardenas等[13]则认为先施肥后灌水更容易发生氮素的淋失；Li Jiusheng等[10]通过室内土箱试验发现中间时段进行施肥能够将土壤的氮素最大限度地保留在根区土壤中，而B. R. Hanson等[14]通过数值模拟也有类似结论。本研究结果发现，灌水施肥过程的中间时段施肥更有利于肥料氮肥保留在根系层，而且其根长密度更大，分布更均匀。模拟或者试验所采用的土壤质地、滴头流量、灌溉施肥持续时间和肥料种类等都有可能是造成试验结果不一致的原因。C. M. Cote等[12]、A.I. Gardenas等[13]和B. R. Hanson等[14]都是运用HYDRUS软件进行数值模拟得出的结果，C. M. Cote等[12]模拟的是地下滴灌情形，而B. R. Hanson等[14]和A.I. Gardenas等[13]模拟的则是地表滴灌条件下的，其中B. R. Hanson等[14]考虑尿素态氮水解等因素；Li Jiusheng等[10]是通过室内的土箱试验进行滴灌试验，土箱上并未种植作物，其水氮运移规律并未考虑植物根系的影响；侯振安等[11]的试验采用的粘壤土，而Li Jiusheng等[10]用的是沙土及沙质壤土。本研究是在日光温室中进行，其气候条件与室内土箱试验差异较大，且温室土壤在50 cm左右存在黏土层，而模拟和室内试验均是均一土质，这都有可能是造成试验结果不一致的原因。

已有研究表明:与传统灌溉施肥方式相比，合理地应用滴灌施肥技术能够促进作物根系向土壤深层生长分布，增加根系与土壤之间的接触面积[22-24]，这对减少氮淋失和增加水肥利用效率有着重要意义。刘玉春等[21]通过田间试验发现土壤剖面硝态氮质量分数与作物根长密度呈正相关，本研究也同样表明，花椰菜的各类根长参数与土壤硝态氮质量分数呈一元线性正相关，且细根根长(直径<2 mm)与硝态氮质量分数的拟合效果更好。