水肥耦合对膜下滴灌甘蓝根系生长和土壤水氮分布的影响

吴现兵，白美健，李益农，杜太生，章少辉，史 源

水肥耦合对膜下滴灌甘蓝根系生长和土壤水氮分布的影响

吴现兵1,2,3，白美健1※，李益农1，杜太生3，章少辉1，史 源1

（1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2. 河北农业大学城乡建设学院，保定 071001；3. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083）

水肥施用制度是影响水肥利用效率和作物产量的主要因素。该研究主要针对大棚种植甘蓝膜下滴灌下采用不同水肥施用制度时作物根系生长和土壤水氮分布开展试验观测分析，在已有研究推荐的氮肥用量范围中选取了3个氮肥用量（200、300和400 kg/hm2）与制定的灌水方案（上/下限：90%θ/75%θ、100% θ/85% θ和100% θ/75%θ，θ为田间持水率）建立了低水高肥、高水低肥和中水中肥3种水肥施用制度方案，在水利部节水灌溉示范基地大棚内开展了2 季田间对比试验。试验结果表明：较高的灌水下限（85%θ）会增加甘蓝根系在0～20 cm土层中的分配比例，较高的水肥用量能增加根系质量；处理2（高水低肥）的灌水施肥制度可使根系层土壤保持较高的含水率和较小的变异系数，且灌溉水向深层渗漏不明显，生育期内各处理土壤硝态氮和铵态氮的变化主要发生在0～40 cm土层，40 cm以下土层变化较小，而对于根系98%以上分布在40 cm以上土层的甘蓝来说，这有利于根系对N素的吸收利用，从而提高甘蓝对氮素的利用效率；施肥时灌水量较大会引起硝态氮和铵态氮向深层淋失的危险，且300和400 kg/hm2的施氮量在作物收获后土壤表层硝态氮残留量较大。综合分析，该试验认为甘蓝适宜的施氮量200 kg/hm2，适宜的灌水下限85%、灌水上限100%，该结果可为设施膜下滴灌甘蓝水肥管理和减轻农业面源污染提供技术参考。

灌溉；土壤含水率；氮；水肥耦合；膜下滴灌；甘蓝；氮素分布；根系生长

0 引 言

在影响作物生长的诸多因素中，水、肥是能够人为大幅度调控的关键因子。在实际农业生产中人们为了获得可喜产量，过量用水和施肥已成为农业生产常态，这不仅造成了水、肥的严重浪费，更重要的是造成水资源过度开采利用和农业面源污染引起的水土环境恶化。已有研究成果发现，在北方许多农业集约区由于过量施肥造成地下水硝酸盐含量超标，最大超出允许含量的6倍[1]，且蔬菜种植区土壤硝态氮累积量远高于小麦、玉米等粮食作物种植区[2]。为了寻求作物对水肥的用量阈值，近些年许多学者在小麦[3-4]、玉米[5-6]、番茄[7-9]、黄瓜[10]等多种作物上开展了研究工作，也有一些学者通过建立数学回归方程提出所研究作物较优的水、肥用量区间[11-13]。甘蓝作为种植规模较大的叶菜类蔬菜之一，一些学者对其进行研究，提出了较优施氮范围在150～450 kg/hm2之间[14-18]。已有研究主要针对所研究作物建立不同的水肥耦合方案，然后通过试验分析提出不同种植模式和灌水方式下较优的水肥组合，由于气候条件和试验方案制定的局限性，不同学者对同种作物研究结果不尽相同。而在已有研究认为较优的水肥用量基础上，建立不同水肥施用制度对作物根系分布和土壤中水氮分布的影响等方面的研究却报道较少。不同的水肥施用制度引起土壤中水氮分布差异、进而引起根系分布差异，最终造成产量差异。为了因地制宜的提出较为合理的水肥管理制度，探明土壤中水氮和根系分布对其协同响应规律则是十分必要的。

本文在已有研究推荐的氮肥用量范围基础上，选择高、中、低3个施氮量与制定的灌水方案结合，提出低水高肥、高水低肥和中水中肥3种水肥施用制度，对大棚膜下滴灌种植的甘蓝开展田间对比试验研究，分析土壤中水氮和甘蓝根系分布对不同试验方案的协同响应规律，提出了膜下滴灌甘蓝适宜的水肥施用制度，为京津冀地区甘蓝生育期内水肥管理和减轻农业面源污染提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在中国灌溉排水发展中心节水灌溉示范基地的塑料大棚内进行。该基地位于北京市顺义区高丽营镇，116°34′52″N，40°8′20″E，属暖温带大陆半湿润季风气候，多年平均温度11.2 ℃，多年平均降水量625 mm。试验分两季进行，第1季（春季）在1号大棚内进行，第2季（秋季）在2号大棚内进行，两大棚相距3 m。试验开始前，分别在2大棚内选点取土风干碾碎过筛，用马尔文激光粒度仪测得0～60 cm土壤颗粒组成、田间持水率和土壤容重数据见表1。耕层土壤初始硝态氮质量分数41.50 mg/kg，铵态氮质量分数6.21 mg/kg，pH值8.04。灌溉水源为深井，水源距试验点距离约100 m。

表1 大棚土壤主要特性参数

1.2 试验设计

春季试验甘蓝品种为超级春丰，2017年2月8日播种，3月29日移栽，6月3日采收；秋季试验供试品种为中甘201（为当地常种品种），2017年7月22日播种，8月25日移栽，10月28日成熟采收。试验施N量方案制定参照已有试验研究成果建议的施N范围[14-18]，并考虑地域特点、当地种植管理习惯和自身研究目的等因素，结合设定的不同灌水上、下限，最终制定了3个水肥施用制度开展田间对比试验，3个试验处理分别为低水高肥（处理1，F11、F21）、高水低肥（处理2，F12、F22）、中水中肥（处理3，F13、F23）。3个处理的施肥时机、施肥量和灌水上、下限详见表2，灌水施肥日期和次灌水施氮量见图1所示。

表2 甘蓝不同水肥处理方案

注：F11、F12、F13分别为春季（2017年03月-2017年06月）试验中的处理1、处理2和处理3，F21、F22、F23分别为秋季（2017年08月-2017年10月）试验中的处理1、处理2和处理3；θ为田间持水率。

Note: F11, F12 and F13 are treatment 1, treatment 2 and treatment 3, respectively, in the spring experiment (March to June 2017), while F21, F22 and F23 are treatment 1, treatment 2 and treatment 3, respectively, in the autumn experiment (Aug. to Oct. 2017).is the field capacity.

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

注：春季，将3月23日作为第1天开始起算；秋季，将8月18日作为第1天开始起算。

Note: Spring cabbage, starting from March 23 as the first day; Autumn cabbage, starting from August 18 as the first day.<

图1 甘蓝生育期灌水施肥时间和累积灌水量及累积施N量

Fig.1 Irrigation and fertilization time, cumulative irrigation and cumulative N application amount during growth period of cabbage

计划次灌水量用下式进行计算

本试验磷设定为100 kg/hm2（含P2O5），钾为150 kg/hm2（含K2O），各处理不设差异，其中磷肥全部作为基肥在甘蓝移栽前一次性施入，钾肥40%作为基肥，40%在结球初期、20%在结球后期作为追肥随水施入。N、P、K肥分别选用当地常用的尿素（N≥46%）、过磷酸钙（P2O5≥16%）和硫酸钾（K2O≥50%）。

两季试验所用试验场地如图2所示，大棚长35 m，宽6 m。3个处理各设3次重复，共9个小区，根据大棚面积，确定每小区宽2.8 m，长5 m，共14 m2，各处理之间间距1 m，为避免灌水互渗的影响，在各处理之间挖沟埋设5 m × 0.6 m的塑料布进行截渗。另外，为减轻外界对试验的影响大棚两侧分别留2和2.2 m的空地进行保护。两季试验均采用膜下滴灌施肥方式，内镶贴片式滴灌带标称直径16 mm，滴头间距0.3 m，设计出流量1.7～2.0 L/h，实测出流量平均1.8 L/h。各处理甘蓝均采用宽窄行种植模式，窄行40 cm、宽行60 cm，株距40 cm。灌水施肥首部枢纽装设了3套文丘里施肥装置+施肥桶，灌水量由装置在首部的水表进行量测。

注：图中F11-1表示春季试验处理1中第1个重复，F11-2表示春季试验处理1中的第2个重复，以此类推。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 甘蓝根系质量测定

甘蓝收获后，每个小区随机选取3棵甘蓝作为代表，以甘蓝根为中心挖长×宽为40 cm × 40 cm的坑取根进行测量，挖深共60 cm，每20 cm为一层。为了尽可能的将根从土壤中取出，挖出的土壤先放入桶内浸泡1 h以上，之后过筛并捡去根中的杂质，然后用清水冲洗2遍后带回实验室用滤纸吸干根系上附着的水分，用精度0.01 g的电子秤称鲜质量后，放入烘箱105 ℃杀青30 min，然后用60 ℃烘干为恒质量，再称量其干质量。

1.3.2 土壤含水率测量

甘蓝生育期内平均每隔2～3 d用Trime-PICO-IPH测量土壤（体积）含水率。

1.3.3 土壤氮素指标测定

土壤硝态氮和铵态氮含量的测定：在甘蓝移栽前、收获后及生育期内（莲座期、结球初期、结球后期）灌水施肥前和施肥2 d后分别用土钻取土，20 cm为一层，取深共1 m，将土样在阴凉处风干后研磨过2 mm筛后用自封袋进行封存，两季试验结束后将这些样品用KCl溶液浸提后提取上清液用流动分析仪（Auto Analyzer 3，德国BRAN+LUEBBE公司）量测溶液中硝态氮和铵态氮含量，然后换算为土壤中硝态氮和铵态氮含量。

1.4 数据分析方法

试验数据的记录、整理和计算在Excel 2016中进行，方差分析和绘图分析分别采用SPSS 22.0统计软件和Origin 8.0绘图软件。

2 结果与分析

2.1 甘蓝根系随土壤深度分布

作物收获时通过实际挖根发现，两季试验的3个处理最大根系深度都在70 cm以内。表3给出了不同处理下不同土层根系鲜质量和干质量。由表可知，在60 cm深土层内根鲜质量90%以上集中在0～20 cm土层内，且根总鲜质量F13显著高于F11和F12，分别高出18%和22%。各土层各处理之间根鲜生物量均是F13>F11>F12，其中0～20 cm土层差异显著，其他土层数值比较接近，未达到显著差异（> 0.05）。

由于种植品种和季节不同，秋季试验各土层根鲜质量3个处理相差不大，均未达到显著差异水平（> 0.05）。就各土层根鲜质量占总质量比例来看，两季试验0～20 cm土层都是处理2（F12、F22）最大，>20～40 cm和>40～60 cm土层处理2最小。

表3 不同处理甘蓝根系鲜质量和干质量随土层深度分布

注：表中同一列数字后不同字母表示处理之间存在显著差异（< 0.05），下同。LR表示其他处理相对于处理1根鲜质量的相对损失率。

Note: Different letters in the same column show significant differences between different water and fertilizer treatments (< 0.05), the same as below. LR indicates the relative loss rate of the fresh roots weight in treatments relative to treatment 1.

对于干质量，春季甘蓝各土层均是F13最大，F12最小，但差异不显著。秋季甘蓝0～20和>20～40 cm土层根干质量F23值最大，但差异不显著，>40～60 cm土层各处理值都很小，但F21和F22的差异达到了显著水平（< 0.05）。秋季与春季相比，秋季甘蓝根总质量不但远小于春季，而且秋季甘蓝根总体分布较春季更浅。

综上，根鲜质量和干质量在土层中的分布与水肥施用量之间均存在一定响应关系，尤其是春季试验较为明显，F12由于灌水下限较高，灌水频次高于F11和F13，使得根系分布相对较浅，0～20 cm土层占得比重最大，而F13为中水中肥方案，60 cm土层内根总重最大。秋季甘蓝由于品种与春季不同，根系质量远小于春季甘蓝，且根鲜质量与水肥的响应关系不明显。

2.2 甘蓝生育期土壤水分分布

图3给出了春季和秋季0～60 cm土层土壤（体积）含水率在甘蓝生育期的变化情况，表4给出了相应的统计参数。甘蓝移栽时为了保苗一次灌水30 mm，0～60 cm土层均达到了田持，由于苗期甘蓝需水量较小，且采用地膜覆盖，所以从苗期开始土壤含水率虽总体在下降，但下降速度梯度较小，且越往深层土壤下降越慢，进入莲座期后甘蓝耗水量逐渐增加，从莲座中期开始各处理0～20 cm土层土壤含水率逐渐达到灌水下限并进行灌水。总体来看，春季甘蓝F12各层土壤平均含水率较高，F13次之，F11最小，尤其在0～20和>20～40 cm土层较为明显；秋季甘蓝F22各层平均含水率均高于F23和F21，F23在>20～40 cm土层平均含水率明显高于F21，但0～20和>40～60 cm土层2个处理相差不大。

从含水率在生育期波动情况看，0～20 cm土层明显较大，随着土壤深度加深波动减小，0～20 cm土层处理3（F13、F23）明显波动较大，处理2（F12、F22）由于灌水下限最高，波动较小。由表4可看出，F12和F22各层平均含水率都高于其他2个处理，且变异系数C相比其他2个处理最小，F11和F21平均含水率最低，C最大。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

表4 甘蓝生育期0～60 cm土壤（体积）含水率均值和变异系数Cv

2.3 甘蓝生育期土壤硝态氮和铵态氮分布

2.3.1 土壤硝态氮分布

春季甘蓝，各处理按量施基肥后对农田进行了翻耕，第7天（3月29日）对甘蓝进行了移苗，并浇了定值水30 mm。由图4a可知，因为施了基肥在第7天灌水前取土测得土壤硝态氮含量相比第1天0～20 cm土层显著增大，>20～40 cm土层也有明显增大，40 cm以下土层硝态氮含量没有明显变化，在甘蓝苗期向莲座期过渡的第23天（4月14日）测得0～100 cm土层土壤硝态氮均存在不同程度的增加，其中0～60 cm土层增加明显，其原因主要有二：一是定值水灌水量较大，使得基肥中的尿素态氮转化为硝态氮后随灌溉水向深层淋失；二是甘蓝在苗期对氮的需求量较小，基肥施入土壤的氮只有少量被根系吸收利用，剩余大部分在土壤中累积。进入莲座期后，甘蓝株高、茎粗、叶片数及叶面积均开始迅速增加，土壤硝态氮含量开始迅速降低，随着各处理进行追肥，土壤硝态氮含量呈现出波动现象，但由于F11和F12次灌水量较少（2个处理最大次灌水量均为14.12 mm），硝态氮的增加主要表现在0～40 cm土层，40 cm以下土层变化较小，而F13次灌水量较大（次最大灌水量为23.54 mm），在第46天（5月7日）追肥后，在第49天测得各土层硝态氮含量均有不同程度增加（与第46天追肥前相比），0～40 cm土层增加最大，>40～60 cm土层增加了89.20%，>60～80 cm土层增加了46.83%，>80～100 cm土层增加了53.04%，由此可见，F13的灌溉水有部分向深层进行了渗漏，并使得尿素随水向深层淋失，经水解后转化为铵态氮，进而通过土壤中硝化细菌硝化后转变为硝态氮。F13在第56天进行追肥，在60 cm以下土层未发现硝态氮含量升高，主要是由于追肥时土壤未达到灌水下限，次灌水量仅为14.8 mm。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

秋季甘蓝施基肥后对农田进行翻耕，第8天（8月25日）对甘蓝进行了移苗。由图4b可知，追肥后在第8天测得土壤中0～40 cm土层硝态氮含量显著增加，60 cm以下土层无明显变化，与春季甘蓝不同的是在苗期向莲座期过渡的第28天（9月14日）测得0～40 cm土层土壤硝态氮含量相比第8天有所减少，分析原因可能有：一是8月下旬至9月初土壤中温度较高，膜下平均温度约32.0 ℃，0～40 cm土层平均温度约26.6 ℃，土壤中硝态氮在较高温度下分解和转化较快；二是由于土壤温度较高，甘蓝株高、叶片数等生长较快，相比春季在苗期根系从土壤中吸收利用了较多硝态氮。而40 cm以下土层硝态氮含量增大主要是因为定值水灌水量较大所致。进入莲座期后甘蓝对氮素的需求量逐渐增大，使得土壤硝态氮含量开始迅速降低，随着各处理进行追肥，土壤硝态氮含量也呈现出波动现象，与春季相比，秋季甘蓝的F23两次追肥时土壤含水量均未达到灌水下限，由于追肥时灌水量较小，因此未出现向深层淋失的现象。

综上，定值水灌水30 mm偏大，会造成基肥中硝态氮向深层土壤淋失。F13和F23（灌水下限75%θ、灌水上限100%）次灌水量较大，同时进行施肥则将存在灌溉水渗漏并携带硝态氮向土壤深层淋失的危险。作物收获后，0～40 cm土层处理1和处理3土壤硝态氮含量明显大于处理2，尤其是0～20 cm土层尤为明显，可见处理1和处理3施氮量存在浪费现象，因此，从土壤硝态氮分布结果看，处理2（高水低肥，如图1所示）水肥施用制度较优。

2.3.2 土壤铵态氮分布

如图5a所示，春季甘蓝施入基肥后，由于土壤温度较低尿素水解后形成铵态氮的速率相对较慢，使得在第7天（3月29日）测得各处理下土壤0～20 cm土层铵态氮含量最高，>20～40 cm土层铵态氮含量也有较明显增加，40 cm以下增加不明显。之后随着作物吸收利用和铵态氮在土壤中经硝化细菌硝化后转变为硝态氮，铵态氮含量开始明显降低，硝态氮含量逐渐增加（图4a 在第7～23天之间）。甘蓝进入莲座期后随着追肥土壤中的铵态氮含量呈波动曲线，但主要发生在0～20 cm土层，在第46天（5月7日）追肥后，F11和F12铵态氮含量增加发生在0～60 cm土层，而F13由于灌水量较大，随水施入土壤的尿素随水淋失到了1 m土层深度，之后水解形成铵态氮，>60～80 cm土层铵态氮含量（第49天）相比追肥前（第46天）增加了79.16%，>80～100 cm土层增加了98.63%。

如图5b所示，秋季甘蓝施入基肥后，由于土壤温度较高，尿素水解后形成铵态氮的速率相对较快，铵态氮在土壤中不稳定，在合适的土壤水分和温度环境下易挥发流失和硝化形成硝态氮，因此在施肥后第8天（8月25日）测得0～20 cm土层铵态氮含量明显小于春季甘蓝同期数值。秋季甘蓝在生育期追肥F21和F22灌水量较小，而F23两次追肥时土壤都未达到灌水下限，由于灌水量较小，所以各处理在生育期内土壤铵态氮含量变化主要发生在0～40 cm土层，40 cm以下土层变化不明显。

综上，定值水虽然灌水量较大造成了硝态氮的深层淋失，但造成铵态氮的深层淋失量较小，主要原因是定值水灌溉时间比施基肥时间晚7 d左右，这时土壤中大部分尿素已转化为铵态氮和硝态氮，铵态氮与土壤吸附不易随水流失。作物收获后3个处理各土层土壤中铵态氮含量均较小且各处理之间差异不显著。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

2.4 土壤水氮和根系分布对水肥制度协同响应规律分析

次灌水量和施肥量多少会使得土壤剖面上土壤含水率和氮含量分布存在差异，从而对作物根系分布造成一定影响，进而也会影响作物的生长、产量及水氮利用效率。根据以上分析发现，本研究制定的3种水肥施用制度，处理2（F12、F22）相比其他2个处理，虽然总灌水量最大，但由于灌水下限定的较高，使得次灌水量较小，土壤中0～40 cm在甘蓝生育期内均保持较高的含水量，硝态氮和铵态氮向60 cm以下土层淋失不明显，根鲜质量和干质量在0～20 cm土层的分布比例相对较高，最大根深比其他2个处理小7～12 cm。处理1（F11、F21）总灌水量最少，为了获得更多的水分和养分，使得根系埋深明显大于处理2，0～20 cm根鲜质量和干质量分布比例均小于处理2，>20～40和>40～60 cm根质量分布比例均大于处理2；虽然处理1施氮量在3个处理中最大，由于次灌水量与处理2相同，使得土壤中氮素向60 cm以下土层淋失不明显，但春季和秋季甘蓝收获后0～20 cm土层硝态氮残留量却明显大于处理2。处理3（F13、F23）次灌水量最大，使得0～60 cm土层土壤含水率相比其他2个处理波动幅度最大，这也造成土壤氮素随灌溉水向深层淋失的危险；而且根系最大埋深也明显大于处理2，根系总质量在3个处理中最大，>40～60 cm土层根质量的分布比例也大于其他2个处理。因此，比较3个水肥施用制度对根系和土壤水氮分布的影响可知，处理2根系和土壤水氮分布均相对较浅，可提高作物对水氮的利用效率。

从产量上看，春季甘蓝F12产量最高，为78.37 t/hm2，分别高出F11和F13 5.00和4.91 t/hm2。秋季甘蓝F22产量最高，为64.42 t/hm2，分别高出F21和F23 9.36和1.54 t/hm2。由此可见，处理2（F12、F22）的水肥处理方案不仅产量最高，而且水氮主要分布在根系层土壤，甘蓝收获后土壤硝态氮残留量最低，因此，本研究认为处理2（F12、F22）的水肥施用方案优于其他2个处理。

3 讨 论

3.1 不同水肥处理对根系生长的影响

根系是作物从外界吸收水分和养分来维持自身正常生长的重要器官，而根系的发达程度在很大程度上决定于作物生育期内土壤中水分和养分的供应情况，合适的水肥用量可促进根系的生长，但过多或过少的用量则会抑制根系的生长，进而影响作物的生长和产量[19-20]。本研究结果发现，在膜下滴灌条件下两季试验3种水肥处理方式甘蓝的根系均是主要分布在0～40 cm土层，尤其是0～20 cm土层占比最大，40 cm以下土层根系分布很少，这与前人对甜瓜[20]、南瓜[21]、番茄[22]等作物的研究结果类似。不同水肥处理对根系总质量和在各层土壤分布比例也会产生一定影响，总体来看灌水下限越高，由于次灌水量较小，灌溉水主要分布在上层土壤，使得根系分布相对较浅，最大根深也较小；增加次灌水量，会增加根系在40 cm以下土层的根质量和占比，但不同处理之间（除秋季甘蓝的干质量F22显著小于F21（<0.05）外）均未达到显著性差异（>0.05）。

3.2 不同水肥处理对土壤水氮分布的影响

土壤水分在土壤剖面上的分布主要受灌水方式、次灌水量、灌水时间间隔及土壤类型等影响，在土壤类型和灌水方式等条件一定的情况下，当灌水上下限相差越小，则次灌水量越小，灌水时间间隔也越小，灌溉水在土壤中的湿润锋有向深层土壤运移的趋势，但速度较慢，土壤水分主要分布在上层土壤；而当灌水上下限相差较大，虽然灌水时间间隔会变长，但由于次灌水量较大，湿润锋向深层土壤运移明显。本研究制定的3个灌水方案，处理3（F13、F23）次灌水量大于其他2个处理，灌水后在60 cm深土层中测得土壤含水率有明显变化，表明该处理的灌水量有明显向60 cm以下土层运移的现象发生。

氮肥在追肥时由于随灌溉水施入土壤，因此氮素在土壤中的运移和分布与土壤水分相似，合适的水肥管理可显著减少土壤氮素向深层土壤的淋失[23]。但本研究中的F13和F23由于灌水量较大，若按设定的灌水量进行追肥，则灌溉水携带尿素向深层淋失，经水解和硝化作用形成铵态氮和硝态氮，使得深层土壤中铵态氮和硝态氮含量增加，这与Vesna Zupanc[24]和Candela[25]等的研究结论类似。由于甘蓝的根系主要分布在0～60 cm土层内，因此被灌溉水携带进入60 cm以下土层中的氮素被作物吸收利用的可能性将大大降低，作物对氮素的利用效率也会减小。

另外，作物对氮素的吸收利用存在阈值，高于阈值不仅会降低作物产量，还会使作物收获时土壤中氮素残留量较大，可能造成土壤环境恶化等一系列问题。本研究在甘蓝收获时土壤硝态氮和铵态氮残留量见表5，随着施氮量的增加，土壤硝态氮残留量增大，而铵态氮各土层不同处理之间数值相差较小，其原因主要是由于铵态氮在土壤中不稳定，极易发生硝化反应转化为硝态氮所致。由表5可知，各处理硝态氮的残留量主要集中在0～20 cm土层，20 cm以下土层残留量相对较低，由于处理2施氮量最小，因此残留量也最低，且该处理甘蓝产量最高，而两季试验0～20 cm土层处理1和处理3硝态氮含量均显著大于处理2（< 0.05），其中处理1是处理2的2.28～2.83倍，处理3是处理2的1.77～2.45倍，由此可见，处理1和处理3施肥存在浪费现象，这不仅会降低氮素的利用效率，而且残留的硝态氮可能会影响土壤环境和造成地下水污染。刘方春等[26]对小麦收获后取土测得土壤硝态氮残留量结果与本研究结论类似，0～20 cm土层硝态氮残留最大，其次是>20～40 cm土层，40 cm以下土层硝态氮残留量较少。也有研究表明施氮量是决定土壤硝态氮累积量和残留量大小的主要因素[27-28]，合适的施氮量可减少0～20 cm土层硝态氮的累积和残留量，过量的施氮则会显著增加表层土壤硝态氮的累积和残留量，尤其是设施蔬菜，由于不合理的施肥，造成土壤硝态氮的残留量逐年增加，有调查研究发现，陕西省部分地区2 a大棚菜田0～2.0 m土层硝态氮残留量达1 411.8 kg/hm2，5 a的大棚高达1 520.9 kg/hm2，是一般农田的近6.2倍，其中各土层残留量占比最大的是0～20 cm土层[29]。显然，过量的施氮不仅会造成土壤硝态氮残留量显著增加，同时也会降低氮素利用效率，并可能引起土壤环境恶化和地下水污染等问题，由此可见，为了保持作物较好的生长环境、合理利用水肥、减少水肥流失、提高水肥利用效率和作物产量，目前亟待解决问题就是研究确定适合区域不同作物生长的最优水肥施用制度。

表5 2季试验甘蓝收获后0～60 cm土层土壤NO3--N和NH4+-N残留量

4 结 论

通过在大棚内进行的甘蓝膜下滴灌水肥施用制度田间对比试验，研究了甘蓝根系分布及生育期内土壤水分、硝态氮和铵态氮的分布情况，并对土壤水氮和根系分布对水肥制度协同响应规律进行了分析，得出主要结论如下：

1）次灌水量和施肥量是影响膜下滴灌甘蓝土壤中根系生长和土壤氮素分布的主要因素。

2）甘蓝根系90%以上分布在0～20 cm土层，且较高的灌水上限（处理2）会增加甘蓝根系在0～20 cm土层中的分配比例，较高的水肥用量（处理3）可增加根系的质量。

3）高频灌水方案（处理2）可使根系层土壤保持较高的含水率和较小的变异系数，且灌溉水向深层渗漏不明显，这有利于作物对水、氮的吸收利用，从而促进作物生长。

4）各种处理下土壤中硝态氮和铵态氮含量在生育期的变化主要在0～40 cm土层波动较大，40 cm以下土层变化较小，而甘蓝根系98%以上分布在40 cm以上土层，这有利于作物根系对N素的吸收利用，从而提高甘蓝对氮素的利用效率。但处理3设定次灌水量较大存在硝态氮和铵态氮向深层淋失的危险。处理1和处理3施肥量较大，在甘蓝收获时土壤表层硝态氮残留量较大，存在浪费现象。

因此，通过田间对比试验和分析，本研究认为京津冀地区大棚种植甘蓝，采用膜下滴灌一体化施肥时，高水低肥（处理2）方案较优，即施氮量200 kg/hm2，适宜的灌水下限85%、灌水上限100%。由于试验方案制定的局限性，该结果认为是由试验确定的较优方案，进一步可构建模型，通过数值模拟寻求不同条件下最优水肥施用制度和水肥管理模式来精准指导设施甘蓝的科学高效生产。

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Effect of water and fertilizer coupling on root growth, soil water and nitrogen distribution of cabbage with drip irrigation under mulch

Wu Xianbing1,2,3, Bai Meijian1※, Li Yinong1, Du Taisheng3, Zhang Shaohui1, Shi Yuan1

(1.,,, 100038; 2.,,071001,; 3.,,100083,)

The water and fertilizer application scheduling is the main factor affecting the efficiency of water and fertilizer use and crop yield as well as the root growth of crops and the distribution of soil water and nitrogen in soil profile. This study focused on the experimental observation and analysis of cabbage root growth, soil water and nitrogen distribution under different water and fertilizer application scheduling with drip irrigation mulch in greenhouse,aiming at putting forward a better water and fertilizer application scheduling for cabbage cultivation in greenhouse in Beijing-Tianjin-Hebei region. Three nitrogen amounts (200, 300 and 400 kg/hm2) were selected from the recommended range of nitrogen application rates in published literatures and three irrigation amounts were determined (irrigation upper/lower limit：90%θ/75%θ, 100%θ/85%θand 100%θ/75%θ, θfis the field capacity.). Then, three schemes of water and fertilizer application scheduling were established: treatment 1 (low water and high fertilizer), treatment 2 (high water and low fertilizer) and treatment 3 (medium water and medium fertilizer), and field comparison experiments for two seasons were carried out in the greenhouse of the Water Saving Irrigation Demonstration Base of the Ministry of Water Resources. The experimental results showed that the root distribution ratios in 0-20 cm and 0-40 cm soil layers of the three treatments were above 90% and 98% (the proportion of total root weight), respectively. However, the distribution ratio of roots in higher irrigation lower limit (85%θ) was higher than that in lower irrigation lower limits (75%θ) in 0-20 cm soil layers. And a larger amount of water and fertilizer (treatment 3) could increase the total root weight.The water and fertilizer application scheduling of treatment 2 (high water and low fertilizer) could keep higher soil moisture content (average value of soil volume moisture content 28.44%-33.48%) and smaller coefficient of variation (0.08-0.13) in 0-60 cm soil layer during the whole growth period, and the leakage of irrigation water to deep layer (below 60 cm soil layer) was not obvious. The changes of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in the soil during the growth period mainly occurred in the 0-40 cm soil layer, and the change of soil layer below 40 cm was small. For the cabbage with more than 98% of the root system distributed in the soil layer of 0-40 cm, this was beneficial to the absorption and utilization of N by the root system, thus improving the utilization efficiency of nitrogen of cabbage. However, larger amount of irrigation water when fertilizing might lead to the leaching of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen to the deep layer (below 60 cm). In addition, after harvesting, the residues of treatment 1 (nitrogen application rate 400 kg/hm2) and treatment 3 (300 kg/hm2) in 0-20 cm soil layer were significantly higher than those of treatment 2 (200 kg/hm2) (< 0.05), of which treatment 1 was 2.28-2.83 times of treatment 2 and treatment 3 was 1.77-2.45 times of treatment 2. The residual nitrate nitrogen might damage soil environment and cause groundwater pollution. Therefore, comprehensive analysis showed that the suitable nitrogen application rate of cabbage was 200 kg/hm2, the appropriate lower irrigation limit was 85%θ, and the irrigation upper limit was 100%θ. This result could provide technical reference for the water and fertilizer management of cabbage with drip irrigation under mulch and reduction of agricultural non-point source pollution.

irrigation; soil water content; nitrogen; water and fertilizer coupling; drip irrigation under mulch; cabbage; nitrogen distribution; root growth

2019-02-04

2019-08-25

国家重点研发计划（2016YFC0401403）

吴现兵，博士生，主要从事农业节水及水资源高效利用研究。E-mail：wuxb611@126.com

白美健，教授级高工，博士，主要从事灌溉水管理和精细地面灌溉技术研究。E-mail：baimj@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014

S635.1

A

1002-6819(2019)-17-0110-10

吴现兵，白美健，李益农，杜太生，章少辉，史 源.水肥耦合对膜下滴灌甘蓝根系生长和土壤水氮分布的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(17)：110－119. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014 http://www.tcsae.org

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