灌溉量对科尔沁沙地紫花苜蓿土壤速效养分分布及淋失的影响

李天琦， 林志玲, 卢 轩， 黄佳媛， 杨 宁， 沃 野， 高 凯*， 柳小妮， 王显国

(1.内蒙古民族大学农学院， 内蒙古 通辽 028042；2.甘肃农业大学草业学院， 甘肃 兰州 730070； 3.中国农业大学草业科学与技术学院， 北京 100083)

水肥是限制作物增产的两大因子，合理的水肥管理是提高作物产量，改善作物品质的重要因素[1]。如何通过合理的水分管理在提高作物产量的同时控制肥料施入量，提高肥料利用效率，减少土壤中肥料残留和淋溶，降低农业面源污染已经成为干旱半干旱地区农业可持续发展的关键。土壤碱解氮(available nitrogen，AN)、有效磷(available phosphorus，AP)、速效钾(available potassium，AK)作为作物当季可直接吸收利用的速效养分，与作物生长发育密切相关。研究表明土壤速效养分含量受土壤植被状况、土壤理化性质、灌溉制度等众多因素影响[2]。国内外学者针对灌溉对土壤速效养淋失的影响进行了较多研究，结果表明灌溉和降雨是影响氮素淋失的主要因素之一，土壤氮素淋溶与降雨和灌溉成正相关关系，特别在砂质土体灌溉和降雨量越大，氮素随水分向下淋溶量越大，一般情况下，每2～3 mm的降水可使土壤中的氮素下移1 cm[3]。当降雨不足时蒸发量大于降雨量，土壤中氮素随着土壤中上升的水分向上运动，但降雨足够或灌溉时，大量的水分下渗使土壤中的氮也会随之下渗从而造成淋失[4]。土壤磷素的淋失与当地降雨量[5-7]、灌溉量显著相关[8]。土壤速效钾含量与土壤水分含量存在线性关系，速效钾含量会随土壤水分含量的增加上升[10]，土壤中速效钾有随水向下迁移的趋势，灌水量越大，速效钾的淋失量越大，钾素的利用率越低[11]。

科尔沁地区位于内蒙古东部，是我国北方重要的农牧业生产基地。近年来，科尔沁沙地的紫花苜蓿(MedicagosativaL.)种植、加工业快速发展，现已成为国内机械化程度最高、种植面积增长最快、投资力度最大、产业化水平较高的新兴苜蓿优势产区。截至2017年，以阿鲁科尔沁旗为主的科尔沁沙地现已建成集中连片紫花苜蓿种植基地71 333 hm2[12]。目前针对科尔沁沙地苜蓿的研究主要集中在苜蓿越冬、品种选择及施肥量试验上，针对苜蓿水分管理及灌溉量对苜蓿草地土壤速效养分分布和运移的影响研究不多，因此本研究以圆形喷灌机下建植两年紫花苜蓿为试验材料，根据联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith方法计算紫花苜蓿实际需水量(crop evapotranspiration under standard conditions,ETc)，研究不同灌溉量对科尔沁沙地紫花苜蓿草地土壤速效养分空间分布、累积和淋失的影响，探讨科尔沁沙地圆形喷灌机下人工种植紫花苜蓿草地适宜灌溉量，为本地区紫花苜蓿水肥管理和草产业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验地概况

试验开展于2018年4月—9月，试验地点位于内蒙古自治区赤峰市阿鲁科尔沁旗邵根镇绿生源生态科技有限公司。该地地理坐标为东经120°35′，北纬43°42′，属于中温带半干旱大陆性季风气候区，四季分明，年平均气温5.5℃，年日照时数2 760～3 030 h，极端最高气温40.6℃，极端最低气温-32.7℃，年平均积温2 900～3 400℃，无霜期95～140 d，年降水量300～400 mm，主要集中在6—8月，年蒸发量2 000～2 500 mm。试验地地势平坦，土壤质地为沙壤土，0～100 cm土层土壤容重为1.45 g·cm-3，田间持水量为16.31%，灌溉水源为地下水，地下水埋深30 m。2018年试验期内具体气象数据详见表1和图1。试验地于2017年建植，供试苜蓿品种为‘WL298HQ’，播种量为45 kg·hm-2，行距15 cm，使用蒙绿公司生产的圆形喷灌机进行灌溉。试验地面积3.87 hm2，机组共有2跨，每跨长50 m，悬臂长8 m，喷灌机入机压力为0.3 Mpa，入机流量为55～57 m3·h-1。生长季内使用肥料为“蓝磷315”总养分含量(N+P2O5+K2O)≥45%，其中N∶P∶K=11∶19∶15，施肥时间按照当地生产经验确定、施肥量按照当地生产经验确定为每茬300 kg·hm-2。

表1 2018年试验期内气象数据

图1 试验期内实际需水量及有效降雨量

1.2 试验设计

试验采用灌溉量的单因素试验设计，灌溉量设4个水平：60%ETc(W1)，80%ETc(W2)，100%ETc(W3)，120%ETc(W4)，2018年试验期内各处理灌溉量见表2，每个水平设5次重复，共20个小区，每个小区面积0.13 hm2。灌溉时间确定为：当W3处理0～60 cm土层含水量达到田间持水量的60%时W1，W2，W3，W4开始灌溉，灌溉量为相邻两次灌溉时期内累计ETc的60%，80%，100%和120%。为保证不同处理下苜蓿的正常返青，试验期内各处理下的返青期采用100%ETc灌溉处理，其余生育期按照试验处理灌溉。

表2 紫花苜蓿生育期内各处理下灌溉量

ETc的具体计算过程：首先根据试验地气象数依照Penman-Monteith公式计算出各时段内累计的ETo(公式1)，然后根据FAO-56推荐紫花苜蓿作物系数(crop coefficients，Kc)结合本地区气象数据、苜蓿生长状况对试验地地区紫花苜蓿的Kc进行校正，并最终根据公式ETc=Kc×ETo计算出ETc[13]。每次灌水定额由该时段内累计的作物需水量ETc减去该时段内有效降雨量(≥5 mm)来确定。

(1)

式中：ETo为参照作物蒸散强度(mm·d-1)；Rn为作物表面净辐射(MJ·m-2d-1)；G为土壤热通量密度(MJ·m-2d-1)；T为2 m高处日平均气温(℃)；u2为2 m高处风速(m·s-1)；es为饱和水气压(kPa)；ea为实际水气压(kPa)；△为饱和水气压斜率(kPa·℃-1)；γ为干湿表常数(kPa·℃-1)。

Kcini=0.40

Kcmid=1.2+[0.04×(u2-2)-0.004×(RHmin-45)]×(h/3)0.3

Kcend=1.15+[0.04×(u2-2)-0.004×(RHmin-45)]×(h/3)0.3

ETc=Kc×ETo

式中：Kcini为生长初期作物系数；Kcmid为生长中期作物系数；Kcend为生长后期作物系数；ETc为实际作物蒸散强度(mm·d-1)，Kc为作物系数，ETo为参照作物蒸散强度(mm·d-1)。

1.3 测定项目及方法

1.3.1气象数据 试验地气象数据由天山镇气象局提供，包括日平均风速、日最高气温、日最低气温、日最大相对湿度、日最小相对湿度、日降水量等气象因子，依照Penman-Monteith公式计算出参考作物蒸发量。

1.3.2土壤含水量 为判断土壤水分含量是否到达灌溉下限，在W3处理内埋设6组测定管，用来检测W3处理内不同位置土壤含水量，最终取6组数据的平均值，从而消除土壤空间变异性对灌水时间的影响，使用TRIME-TDR测量系统测定土壤含水量，每天测定一次，分别在距地表20，40，60 cm处测定。

1.3.3土壤速效养分 在紫花苜蓿返青前及第三茬刈割后，在每个小区内随机选取3个点，每点取3钻，取0～100 cm土层土样，按照0～10，10～20，20～30，30～50，50～70，70～100 cm分层，装入自封袋，待风干后通过1 mm筛制备测。碱解氮用碱解扩散法测定；有效磷采用olsen法测定；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[14]。

1.3.4土壤剖面中速效养分累积量[15]： 速效养分累积量(kg·hm-2)=土层厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×土壤速效养分含量(mg·kg-1)/10。

1.3.5土壤剖面中速效养分淋失量计算[16]： 速效养分淋失量(kg·hm-2)=初始土体速效养分累积量(kg·hm-2)-土体残留速效养分累积量(kg·hm-2)。

1.4 统计分析

利用Microsoft Excel 2013 进行数据计算；用SPSS 25对数据进行方差分析及回归分析；用Origin 2017作图。

2 结果与分析

2.1 灌溉量对速效养分土壤剖面分布的影响

图2为灌溉量对0～100 cm土层内碱解氮、有效磷、速效钾土壤剖面分布的影响。由图2可知，不同灌溉量处理对不同土层深度碱解氮剖面含量的影响不同，W1—W4处理碱解氮分布呈“S”形，W1—W4处理土壤碱解氮含量的最低值均出现在20～30 cm土层内，在30 cm土层深度以下碱解氮含量不断增加并出现累积峰，其中W1，W2，W4处理碱解氮含量的峰值出现在土壤30～50 cm土层，W3处理峰值出现在50～70 cm土层，各处理峰值出现后，土壤碱解氮含量随着土层深度的增加不断降低。

图2 灌溉量对碱解氮(a)、有效磷(b)、速效钾(c)土壤剖面分布的影响

不同灌溉量对W1—W4处理间有效磷在0～100 cm土层内的剖面分布影响存在差异，W1处理在各个土层深度内，有效磷含量均高于其他处理，而W3处理在各个土层内有效磷含量均低于其他处理。并且W3处理在0～70 cm土层深度内有效磷含量变化不大，而W1，W2处理在0～30 cm土层范围内变化不明显。W1处理有效磷的累积峰出现在50～70 cm土层范围内，W2，W4累积峰出现在30～50 cm土层范围内，W3累积峰则在70～100 cm土层内出现。而不同灌溉量处理在0～100 cm土层深度内的，有效磷含量的最低值出现的土层也不同，W1，W2，W4处理最低值出现在20～30 cm土层范围内，W3处理则在50～70 cm土层内有效磷含量达到最低值。

不同灌溉量处理对0～100 cm土层深度内速效钾含量的影响在W1—W4处理间表现出的趋势一致，均呈现出“S”形分布，即随着土层深度的增加，W1—W4处理土壤速效钾含量不断降低并在20～30 cm土层内降至最低值，之后随着土层深度的增加，土壤速效钾含量不断上升并出现累积峰，在30～50 cm土层深度内达到峰值，然后随着土层深度的增加，速效钾含量不断降低。

2.2 不同灌溉量对速效养分残留量的影响

由表3可知，不同灌溉量处理对碱解氮、有效磷、速效钾在0～100 cm土壤中残留量的影响不同，其中W1处理土壤碱解氮的残留量最高且显著高于其他处理(P<0.05)，W3处理的土壤碱解氮残留量最低，但W2，W3，W4处理间无显著性差异，W1处理分别比W2，W3，W4处理高23.86%，39.74%和33.41%。W1处理下土壤有效磷残留量最高且显著高于其他处理(P<0.05)，W3处理下土壤有效磷残留量最低，且显著低于其他处理(P<0.05)，W2，W4处理间土壤有效磷残留量无显著性差异，W1处理分别比W2，W3，W4高66.38%，207.46%，78.55%。W1处理下土壤速效钾残留量达到最高值且显著高于其他处理(P<0.05)，W4处理下土壤速效钾残留量最低，且显著低于其他处理(P<0.05)，W1处理分别比W2，W3，W4分别高8.53%，22.69%，41.36%。通过对W1—W4处理下土壤中碱解氮、有效磷、速效钾的残留量分析发现，灌溉量最低的W1处理下残留量最高，W3处理下碱解氮和有效磷的残留量最低，W4处理下速效钾残留量最低。

表3 不同灌溉量对速效养分残留量的影响

2.3 不同灌溉量对速效养分淋失量的影响

由表4可知，不同灌溉量处理对0～100 cm土层内的碱解氮、有效磷、速效钾淋失量影响不同。在0～100 cm土层内W1—W4处理碱解氮的淋失量呈现出随灌溉量增加而增加的趋势，W4处理下淋失量最大W1处理下淋失量最小，W4处理较W1，W2，W3处理碱解氮淋失量分别增加249.09 kg·hm-2，201.41 kg·hm-2，24.13 kg·hm-2。其中在W1，W2处理，秋季土壤碱解氮含量比春季土壤碱解氮含量分别增加了138.43 kg·hm-2和90.75 kg·hm-2，W3，W4处理秋季土壤碱解氮含量较春季土壤碱解氮含量减少86.53 kg·hm-2和110.66 kg·hm-2。

表4 不同灌溉量对速效养分淋失量的影响

有效磷淋失量则表现出随灌溉量的增加先增加后降低的趋势，淋失量最大出现在W2处理，淋失量最小值出现在W1处理，W2处理淋失量分别比W1，W3，W4处理增加241.17 kg·hm-2，38.75 kg·hm-2，105.20 kg·hm-2，增幅分别为715.21%，16.41%，61.99%。

速效钾的淋失量则表现出随灌溉量增加而增加的趋势，其中在W1处理下秋季土壤速效钾含量比春季土壤速效钾含量增加了173.84 kg·hm-2。W4处理下速效钾淋失量达到最大，淋失量最小发生在W1处理下，W4较W1，W2，W3处理速效钾淋失量分别增加279.15 kg·hm-2，20.21 kg·hm-2，57 kg·hm-2。

2.4 回归分析

通过对灌溉量与碱解氮淋失量进行多项式拟合(图3)，得到一条开口向下的抛物线，拟合方程为y=—0.004x2+6.25x—2 357.88(R2=0.41，P<0.01)，求偏导得出当灌溉量为781.25 mm时碱解氮淋失量最低，为83.53 kg·hm-2。通过对灌溉量与碱解氮残留量进行多项式拟合(图3)，得到一条开口向上的抛物线，拟合方程为y=0.012x2—16.33x+5879.58(R2=0.59，P<0.01)，求偏导得到当灌溉量为680.42 mm时碱解氮残留量最高，为323.98 kg·hm-2；通过对灌溉量与有效磷淋失量进行多项式拟合(图4)，得到一条开口向下的抛物线，得到拟合方程y=—0.014x2+18.23x—5678.38(R2=0.61，P<0.01)，求偏导得出当灌溉量为651.07 mm时有效磷淋失量最高，为256.14 kg·hm-2；通过对灌溉量与有效磷残留量进行多项式拟合(图4)，得到一条开口向上的抛物线，得到拟合方程y=0.015x2—19.75x+6 751.95(R2=0.88，P<0.01)，求偏导得到当灌溉量为658.33 mm时有效磷残留量最低，为250.91 kg·hm-2。

图3 灌溉量与碱解氮残留量、淋失量关系

图4 灌溉量与有效磷残留量、淋失量关系

通过对灌溉量与速效钾淋失量进行多项式拟合(图5)，得到一条开口向下的抛物线，得到拟合方程y=—0.0098x2+13.577x—4574.3(R2=0.53，P<0.01)，求偏导得出当灌溉量为692.7 mm时速效钾淋失量最高，为128.12 kg·hm-2；通过对灌溉量与速效钾残留量进行多项式拟合(图5)，得到一条开口向上的抛物线，得到拟合方程y=0.001x2—2.79x+2245.5(R2=0.86，P<0.01)，求偏导得到当灌溉量为1 272.73 mm时速效钾残留量最低为463.68 kg·hm-2。

图5 灌溉量与速效钾残留量、淋失量关系

3 讨论

水资源的合理利用始终是干旱半干旱地区的热点问题。水分与养分的循环、利用密切相关，水分既是养分溶解的媒介，又是养分转移的载体，两者有互作效应[17]。在实际生产中养分的高效管理问题也不容忽视，因为养分高效利用的出发点、措施及最终归宿都是对水分的高效利用[18]，水资源的高效利用对于提高水肥利用效率、减少肥料使用、增加生态和经济效益具有重要意义[19]。

本研究中通过土壤剖面分析可以发现，0～30 cm土层内碱解氮、有效磷、速效钾含量最低，这主要是因为0～30 cm为养分的主要吸收土层，种植1年，10 年，15年苜蓿地下生物量50%以上集中在0～30 cm土层，生长2年的苜蓿根系生物量在0～45 cm的比例接近100%[20-21]。有学者针对干旱半干旱灌溉地区的养分淋失研究得出，造成养分淋失发生的主要因素包括土壤中大量养分残留，过量灌溉以及容易渗漏的土壤质地条件[22-25]。当施肥量一定时，灌溉量成为影响养分淋失量的关键因素，这主要是因为农田淋失是土壤与降水或灌溉水相互作用的过程，降雨和灌溉是淋失的主要驱动力，张亦涛等人研究表明当灌溉量超过一定阈值时，水分渗漏量及养分淋失量随着灌水量增加不断增加[26-27]。通过分析速效养分在土壤剖面的分布情况发现在40～60 cm土层内碱解氮、有效磷、速效钾出现明显的累积峰，这可能是因为科尔沁沙地土壤空隙大，保水保肥能力不足，容易造成养分淋失。降水强度、降水时间分布和降水频率变化的是影响土壤养分变化的重要因素[28]，苜蓿生长第三茬正处于本地区雨季，试验期间第三茬累计有效降雨量达131.5 mm，占一至三茬累积降雨量的66.8%，其中8月11—12日两天连续降雨，降雨量达63.5 mm，也为土壤养分淋失创造了天然条件。

碱解氮、有效磷、速效钾均呈现出随灌溉量增加淋失量增加的趋势，其中碱解氮在W1，W2处理下未发生淋失，速效钾W1处理未发生淋失，因为W1，W2处理为正常需水量的60%，80%，灌溉水分不足使土壤表层迅速蒸发，造成土壤下层水分向上运动，从而带动养分上移，特别是在实际生产时在刈割前几天停止补水，方便机械进场及之后的摊晒工作更加速了低水处理下水分上移的程度。同时由于土壤中碱解氮主要包括为铵态氮及硝态氮，其中干湿交替过程中会加速土壤中的硝化过程，而土壤多为带负电荷的胶体，很难吸附硝态氮，使得其跟随土壤水分进行迁移。同时W1，W2处理为作物正常需水量的60%，80%，供水不足会抑制作物生长发育，造成产量下降，最终降低紫花苜蓿对氮磷钾吸收量及携出量。土壤中磷多以阴离子的形态存在且较为稳定，钾则以钾离子形态存在，由于钾的阳离子交换能力较弱，随着灌溉量的增加及土壤水分运动加剧，加速了速效钾从土壤胶体上解离过程。从土壤中速效养分残留量来看，残留量主要受到灌溉量及植物对养分吸收的影响，土壤速效养分残留量与灌溉量呈线性负相关关系，即随着灌溉量的增加，速效养分残留量呈现降低的趋势。同时值得注意的是，为了保证本地区紫花苜蓿顺利越冬，在入冬前会大量灌溉越冬水，加快了土壤中残留养分的淋失过程。因此需要考虑在满足第三茬苜蓿正常生长的前提下，怎样降低第三茬刈割后土壤中的养分残留，从而减少灌溉越冬水造成的养分淋失。

4 结论

灌溉量对科尔沁沙地紫花苜蓿土壤速效养分分布、残留及淋失存在显著性影响，通过灌溉量对碱解氮、有效磷、速效钾残留量和淋失量的回归分析可以得出碱解氮残留量最高、淋失量最低时的灌溉量分别为680.42 mm，781.25 mm；有效磷残留量最高、淋失量最低时的灌溉量分别为658.33 mm，651.07 mm；速效钾残留量最高、淋失量最低时的灌溉量分别为1 272.73 mm，692.7 mm。综合考虑紫花苜蓿产量、水分利用效率、养分残留及淋失等因素，建议科尔沁沙地地区紫花苜蓿人工草地生育期内采用100%ETc的灌溉量进行灌溉。