局部根区滴灌与穴施尿素对土壤氮素空间分布的影响

2020-02-03韩国君陈年来孙小妹任建新

干旱地区农业研究 2020年6期

韩国君，陈年来，褚润，孙小妹，任建新，张莉

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070)

发展节水灌溉和高效施肥技术、推进农业化肥减量和节本增效已是当前农业研究的重要任务之一[1-2]。局部根区灌溉(Partial Root-zone Irrigation，PRI)是适用于我国干旱区的农业节水灌溉技术，具有可操作性强、节水优产、减少氮淋失等优势[3]。与充分灌溉相比，局部根区灌溉的水分侧向入渗明显、深层渗漏较少，有效减少硝态氮淋失，并能促进土壤下层硝态氮向上层迁移，增加植物吸收利用氮素的机会[4-5]。有研究表明，局部根区灌溉马铃薯节水可达30%，土壤残留氮比充分灌溉减少29%[6]。滴灌施肥(Fertigation)在我国被称为水肥一体化，它是一种高效的灌溉与施肥方式[7]。滴灌施肥能显著减少氮的淋溶损失，增加土壤中有效态氮的含量，提高作物对养分的利用率[8]。一次性基施缓控释肥或减量施氮均可实现一次性施肥，能维持我国玉米、小麦和水稻三大粮食作物的产量不降低，减量施氮 20%～37%时，氮肥利用率提高2.3%～20.4%，显著减少农田氨挥发、N2O排放、氮淋溶损失[9-10]。一次性穴施尿素在提高土壤剖面氮素合理分布、降低氮素释放速度[11]、简化施肥管理和减少氮素损失[12]等方面发挥显著作用。研究显示，土壤氮素矿化在表施、深施尿素和灌溉施肥5 d后达到高峰[13]。氮肥深施15 cm可延缓氮肥释放、减少氮素淋失量、保证土壤氮素持续供应[14]。节水减氮有助于发挥深层累积硝态氮的生物有效性，增加作物叶片氮的积累量[15]。节水减氮对作物产量无显著影响，但能最大限度地提高作物水氮利用效率[16]。

当前，虽然已开展较多灌溉与施肥技术的理论研究，但局部根区滴灌下穴施尿素、滴灌施肥对土壤中氮素分布及运移的研究鲜有报道。因此，本文结合局部根区灌溉技术与一次性穴施尿素方式，研究节水灌溉与减量施肥对土壤有效态氮含量及分布的影响，对于节约灌溉用水量、减少化肥使用量及农业生产节本增效的实践具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

施肥与灌溉试验于2019年在甘肃农业大学遮雨棚内进行，设穴施尿素和滴灌施肥两种施肥方式，穴施尿素是一次性将尿素深施至15 cm土层土壤，滴灌施肥是将尿素溶解于水中随滴灌施入土壤。根据滴灌范围划分成面积为1.2 m ×0.7 m的试验小区，小区之间埋深50 cm防渗膜，防止水分、养分相互迁移干扰。在试验地上方搭建遮雨棚的同时，其顶部及四周皆用塑料膜覆盖遮雨。

滴灌用医用输液器进行模拟，滴头流量2.5 L·h-1。灌水量根据实际土壤含水量、灌水上限(田间持水量的90%)和小区面积计算得到，局部根区滴灌和充分灌溉的一次灌水量分别为7 L和14 L。以纯N计设常量施肥(240 kg·hm-2)和减量施肥(180 kg·hm-2)两种施肥量，常量施肥下A1处理为穴施尿素的局部根区滴灌处理，F1处理为穴施尿素的充分灌溉处理，D1处理为滴灌施肥的局部根区滴灌处理；减量施肥下A2处理为穴施尿素的局部根区滴灌处理，F2处理为穴施尿素的充分灌溉处理，D2处理为滴灌施肥的局部根区滴灌处理，共计6个处理(表1)，每个处理重复4次。

表1 施肥与灌溉试验处理

1.2 土壤取样

在灌溉、施肥5 d后用土钻采集试验小区的土壤样品，取样点、施肥点、滴灌点位置见图1。水平方向以滴灌点为0 cm开始取土壤样品，每隔10 cm为一个采样点，分别为距离滴头0、10、20 cm和30 cm，垂直方向由上至下每10 cm取土壤样品1次，分别为0～10、10～20、20～30、30～40 cm。

图1 试验小区土壤取样示意图

用四分法将土壤样品分成2份，放入自封袋存至4℃冰箱，其中1份用于测定土壤含水量，另1份用于土壤硝态氮、铵态氮和碱解氮含量的测定。供试土壤容重1.4 g·cm-3，pH为8.12，田间持水量22%，有机质8.10 g·kg-1，全氮0.62 g·kg-1，土壤铵态氮9.60 mg·kg-1，硝态氮10.07 mg·kg-1。

1.3 测定项目与方法

土壤全氮用半微量开氏法测定；土壤铵态氮含量用2 mol·L-1KCL浸提-靛酚蓝比色法测定；土壤硝态氮含量用紫外分光光度法测定；土壤碱解氮含量用碱解扩散法测定。土壤矿质氮是硝态氮和铵态氮之和。

1.4 数据处理及统计分析

用SPSS 20.0进行ANOVA单因素方差分析，用Duncan’s新复极差法多重比较处理之间的显著性(P<0.05)和交互作用。用Origin 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 滴灌水分入渗速率及土壤含水量空间分布

土壤水分入渗速率是单位时间内地表单位面积土壤的渗入水量，用以表征土壤的渗透特性。土壤最初入渗速率非常大，随后由大变小直至达到最后的稳定值。滴灌土壤水分入渗速率呈先快速下降、而后缓慢减小的趋势(图2)，尤其在滴灌开始的10 min内土壤的入渗速率变化较快，为0.0154 kg·m-2·s-1，与之相比，30 min时土壤入渗速率(0.0068 kg·m-2·s-1)下降56%；在120 min时土壤入渗速率又减小近50%，其值仅为0.0035 kg·m-2·s-1。

图2 滴灌土壤水分入渗速率

灌水结束5 d后各试验小区土壤相对含水量如表2所示，局部根区滴灌处理的灌溉湿润区域与充分灌溉处理的土壤含水量之间差异很小，但2种处理的灌水量分别为7 L和14 L。在距离滴头0 cm处，局部根区滴灌(穴施尿素A1/A2、滴灌施肥D1/D2)处理0～10 cm表层土壤含水量显著小于30～40 cm土层,它们在距离滴头水平方向20 cm各土层之间土壤相对含水量无显著差异。

表2 不同施肥与灌溉处理土壤相对含水量空间分布

2.2 施肥与灌溉对土壤铵态氮含量的影响

总体来说，在距离滴头水平30 cm和垂直40 cm范围内(图3，图4)，在水平方向上，距离滴头30 cm土壤铵态氮含量较小，距离滴头10 cm土壤铵态氮含量较大，且铵态氮含量最大值出现在距离滴头10 cm下方30～40 cm土层中。说明土壤铵态氮水平迁移较小，其更容易向土壤纵深分布。

注：同列中不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different letters in the figure indicate significant difference (P<0.05). The same below.

图4 减量施肥与灌溉下土壤铵态氮空间分布

比较平均值来看，在180 kg·hm-2减量施肥下，滴灌施肥D2处理土壤铵态氮含量平均值为11.99 mg·kg-1，明显小于穴施尿素A2处理(14.64 mg·kg-1)、F2处理(15.21 mg·kg-1)。而且，滴灌施肥土壤铵态氮含量的空间变幅为32.77%，大于穴施尿素A2处理(28.20%)、F2处理(25.53%)。但是在240 kg·hm-2常量施肥下，滴灌施肥D1处理、穴施尿素A处理和F处理的铵态氮空间变幅分别为36.90%、31.94%、33.15%，各处理之间差异较小。总之，滴灌施肥处理土壤铵态氮含量的空间变幅比穴施尿素大12%～28%，而穴施尿素处理的土壤铵态氮空间分布更均匀。

2.3 施肥与灌溉对土壤硝态氮含量的影响

总体看来，无论常量施肥还是减量施肥(图5、图6)，在垂直方向上，各处理0～10 cm土壤表层硝态氮含量最大。在常量施肥下，充分灌溉F1处理土壤硝态氮最大值为27.43 mg·kg-1(在距离滴头30 cm处)，而局部根区滴灌A1处理、D1处理最大值仅为19.56、20.73 mg·kg-1(在距离滴头20 cm处)，它们之间相差24%～29%；同样，在减量施肥下，充分灌溉F2处理在距离滴头30 cm处土壤硝态氮含量最大值为20.73 mg·kg-1，而局部根区滴灌A2处理、D2处理在距离滴头20 cm处土壤硝态氮含量最大值分别为14.33、12.33 mg·kg-1，它们之间相差31%～41%。可见，无论常量还是减量施肥，灌水量对土壤硝态氮运移的影响较大。充分灌溉处理土壤硝态氮在湿润边界容易产生聚集，且土壤硝态氮更容易在水平方向上发生运移。

图5 常量施肥与灌溉下土壤硝态氮的空间分布

图6 减量施肥与灌溉下土壤硝态氮的空间分布

在常量施肥下，充分灌溉F1处理、局部根区滴灌A1处理和D1处理土壤硝态氮的空间变幅分别为40.16%、36.59%、39.22%；在减量施肥下，充分灌溉F2处理、局部根区滴灌A2处理和D2处理土壤硝态氮的空间变幅分别为38.54%、32.41%、33.77%。当施氮量减少25%时，局部根区滴灌、充分灌溉和滴灌施肥的土壤硝态氮含量比常量施肥分别降低了19.64%、22.97%、39.22%。无论常量施肥还是减量施肥，充分灌溉处理的硝态氮积累大于局部根区滴灌处理，灌水量对土壤硝态氮含量的影响大于施肥处理。

2.4 施肥与灌溉对土壤碱解氮含量的影响

分析可知，在距离滴头水平30 cm和垂直40 cm范围内，无论常量施肥还是减量施肥，各处理之间土壤碱解氮含量差异较小(图7、图8)。在常量施肥下，A1处理、F1处理和D1处理土壤碱解氮平均含量分别为127.91、126.32、125.76 mg·kg-1，其空间变异系数分别为5.67%、8.97%、9.26%；在减量施肥下，A2处理、F2处理和D2处理土壤碱解氮平均含量分别为75.49、77.35、75.07 mg·kg-1，其空间变异系数分别为9.94%、11.66%、9.90%。无论是常量施肥还是减量施肥，各处理之间的土壤碱解氮含量差异不显著。可见，土壤碱解氮空间分布较均匀，灌水量和施肥方式对土壤碱解氮含量的影响较小。

图7 常量施肥与灌溉下土壤碱解氮的空间分布

图8 减量施肥与灌溉下土壤碱解氮的空间分布

2.5 施肥与灌溉对土壤氮素转化的影响

由于常量施肥(240 kg·hm-2)与减量施肥(180 kg·hm-2)的施氮量比值为1.33，从尿素转化为土壤硝态氮的比例来看(图9)，滴灌施肥D1/D2处理的斜率1.65，大于穴施尿素的A1/A2处理和F1/F2处理的斜率1.26和1.30。从尿素转化为土壤铵态氮的比例来看，滴灌施肥D1/D2处理的斜率为1.73，大于穴施尿素的A1/A2处理和F1/F2处理的斜率为1.31和1.37。说明穴施尿素处理土壤硝态氮、铵态氮转化得较慢，而滴灌施肥处理转化得较快，造成氮素损失的风险较大。

图9 施肥与灌溉对土壤氮素转化的影响

由图9可见，施肥方式即穴施尿素和滴灌施肥对土壤氮素转化的速率具有一定影响，由于尿素转化为土壤铵态氮和硝态氮的土层空间含量不同，使得两种施肥量下尿素转化为土壤矿质氮的比值不同，即呈现不同斜率。当施氮量减少25%时，穴施尿素下局部根区滴灌、穴施尿素下充分灌溉、滴灌施肥下局部根区滴灌的土壤硝态氮含量分别减少了19.64%、22.97%、39.22%，土壤铵态氮含量分别减少了23.28%、26.05%、41.82%。可见，各处理土壤硝态氮、铵态氮的降幅大小顺序为：滴灌施肥下局部根区滴灌>穴施尿素下充分灌溉>穴施尿素下局部根区滴灌。因此，滴灌施肥处理土壤矿质氮含量变幅大于穴施尿素处理。采用穴施尿素的施肥方式减缓了土壤氮素转化，可以调控养分的缓慢释放。