水氮耦合对菘蓝耗水和土壤水分的影响

王玉才，何秀成，王泽义，巴玉春，张昌陇，韩 祎，李福强

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃省民乐县洪水河管理处，甘肃 民乐734503)

0 引言

水资源匮乏已经成为制约西北干旱地区农业可持续发展的主要瓶颈，发展节水农业、提高水分利用效率显得非常重要。农田生态系统中水分循环受到灌水和施氮重要影响，灌水和施氮影响着作物的耗水量，合理的灌水和施氮能缓解干旱和养分胁迫，增大光合面积和光合速率，增加产量和品质，进而提高水分和氮素的利用效率[1]。随灌水量的增加，作物耗水量增大，主要是增加了农业灌水的消耗，褚鹏飞等[2]的研究验证了此观点。施用氮肥对作物耗水量的影响，不同学者的观点不一致。段文学等[3]认为施氮处理的农田耗水量要显著高于不施氮处理。而刘青林等[4]则认为不同氮处理间的农田耗水量差异不显著。

在西北干旱农业生产区，灌水和施氮是限制作物高产的关键因素[5-9]。高产高效是现代农业生产追求的主要目标，合理的灌水和施肥是实现作物高产高效的重要手段。菘蓝作为当地农户大面积栽培的药用经济作物，需水量较小，但是当地农户普遍采用大水漫灌和大量施肥的种植模式以获取菘蓝高产量和高收益，灌水量大且水分利用效率(WUE)很低，特别是过量施用氮肥导致硝态氮的淋溶和积累，造成严重的环境污染，进而威胁祁连山生态保护屏障。在前人研究的基础上，通过研究河西绿洲灌区水氮配施对菘蓝耗水特性及土壤水分动态变化的影响，提出水氮耦合条件下菘蓝高效节水的需水规律，探索当地菘蓝节水、减氮种植管理模式，以期为西北干旱区菘蓝的高产高效种植提供理论依据[10-11]。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018和2019年4—10月在甘肃省张掖市民乐县益民灌溉试验站(100°43′E，38°39′N)进行。该试验区属大陆性荒漠草原气候，海拔约1 970 m，年均气温6.0 ℃，≥0 ℃积温3 500 ℃，≥10 ℃有效积温2 985 ℃，极端最高温度37.8 ℃，极端最低温度-33.3 ℃，年平均日照时间3 000 h，平均无霜期125 d。据1995—2016年降雨资料，该地区年平均降雨量为215 mm，降水少且变率大，供需矛盾突出，干旱频繁。试验地土壤为轻壤土，pH值为7.22，耕层土壤田间最大持水量为24%，土壤容重1.4 g/cm3。试验区地下水位埋深较深，盐碱化影响较小。

1.2 供试材料

试验选用当地中草药合作社提供的粒大饱满、均匀一致的菘蓝种子，种子纯度96.0%，种子千粒质量9.956 g，净度88.6%，发芽率87.6%。试验用氮肥为甘肃刘化(集团)有限责任公司生产的尿素，纯N含量46%；磷肥为云南省个旧市大通磷化工厂生产的过磷酸钙，P2O5含量16%；钾肥为山东华利化肥有限公司生产的硫酸钾，K2O≥52%。滴灌带滴头间距30 cm，滴头流量为2.5 L/h，正常灌水压力0.1 MPa。地膜采用宽120 cm、厚0.08 mm的白色农用地膜。

1.3 试验设计

采用二因素裂区设计，灌水量为主处理，施氮量为副处理，灌水量(W)和氮肥用量(N)各3个水平，分别为W1(土壤含水量为田间持水量的60%～70%)、W2(土壤含水量为田间持水量的70%～80%)、W3(土壤含水量为田间持水量的80%～90%)；N1(150 kgN/hm2)、N2(200 kgN/hm2)、N3(250 kgN/hm2，该区农户普遍氮肥施用量)，对照CK不灌水、不施氮，共10个处理，每个处理3次重复，共30个小区。小区长8 m，宽3.75 m，面积为30 m2，试验有效种植面积为900 m2。种植密度80万株/hm2，每小区保苗数约为240株。试验设计如表1所示。

表1 菘蓝水氮调控的试验处理Tab.1 Treatment of water-nitrogen interaction experiment

1.4 土壤水分测定指标与方法

土壤水分在播前和收获后分别用烘干法测定，测深为160 cm，每20 cm为一个层次。菘蓝每个生育期测定1次土壤水分，浇水前后加测一次土壤水分，其中0～20、20～40和40～60 cm用烘干法测定，在 105 ℃烘干8 h至恒质量，计算土壤含水量。使用503DR型中子水分仪测定60 cm以下土层的土壤含水量。

1.5 数据统计分析

利用EXCEL 2010对所测数据进行计算，利用SPSS 19.0软件中Duncan多重比较法比较各处理相关数据差异的显著性，各表中出现的数据均为平均值。

2 结果与分析

2.1 菘蓝全生育期气象因子

外界栽培环境对作物产量有重要的影响，尤其是光、温、水等气象条件对作物产量的影响极大，而气象资料恰好能够帮助农户更好地掌握气象动态变化，从而采取有针对性的栽培管理模式加强农业生产，预防各种气象灾害，实现稳定农民增收的目标。本试验于2018年和2019年连续两年在张掖市民乐县益民灌溉试验站进行，2018年和2019年菘蓝全生育期的试验站主要气象数据如表2所示。菘蓝全生育期，平均气温14.7～14.8℃，极端最高气温26.6～27.4℃，极端最低的温度-0.6～1.9℃，降雨量126.0～253.9 mm，日照时间1 365.5～1 414.2 h，蒸发量1 170～1 193 mm，地表温度18.0～18.4 ℃。

表2 2018—2019年菘蓝全生育期气候环境状况Tab.2 Environmental conditions of Isatis indigotica Fort.plant in 2018—2019

2.2 土壤水分动态变化

由图1可以看出，随着菘蓝生育期的推进，水氮处理0～160 cm土层土壤贮水量呈锯齿状降低趋势，菘蓝的生长发育是一个消耗土壤贮水的过程。外界环境降水、灌水量越多，锯齿状越剧烈，0～160 cm土层土壤贮水量变化量越大。灌水和施氮显著影响0～160 cm土层土壤贮水量，增加灌水量，0～160 cm土层土壤贮水量随之递减，表现为低水(W1)>中水(W2)>高水(W3)处理，增加灌水增加了菘蓝对土壤贮水的消耗，产生高灌水对应低贮水量的变化规律。增加施氮量，0～160 cm土层土壤贮水量先增加后减小，表现为中氮(N2)>高氮(N3)>低氮(N1)处理，当施氮量在0～200 kg/hm2范围内，增施氮肥，0～160 cm土层土壤贮水量增加，0～160 cm土层土壤贮水消耗量减少，可见，适当增施氮肥可以减小土壤贮水消耗量，水氮之间存在明显的正交互作用。当施氮量超过200 kg/hm2时，增施氮肥，0～160 cm土层土壤贮水量减小，0～160 cm土层土壤贮水消耗量增加，过量施氮增加了土壤贮水消耗量，水氮之间存在明显的负交互作用。

图1 不同处理对0～160 cm土层土壤贮水量变化的影响Fig.1 Effect of different treatments in soil water storage in 0～160 cm soil layer

2.3 菘蓝总耗水量和不同来源水分占比

作物耗水来源由降水、灌水和土壤贮水变化量3部分组成，作物耗水去向为作物自身吸收和以蒸散方式消耗的水分两种方式，蒸散包括土壤蒸发和作物蒸腾，本试验田为全膜覆盖种植模式，以土壤蒸发方式散失到空气中的水分很少，可以忽略。

2.3.1 菘蓝生育期总耗水量

由图2可以看出，灌水和施氮对菘蓝生育期总耗水量有显著影响，同一灌水水平下，菘蓝总耗水量随着施氮量的增加先减小后增加，表现为N1>N3>N2，且不同处理间的差异显著(P<0.05)，低灌水(W1)水平下，N2较N3处理总耗水量降幅为0.8%～1.1%，N2较N1处理总耗水量降幅为2.0%～2.8%；中灌水(W2)水平下，N2较N3处理总耗水量降幅为1.1%～1.5%，N2较N1处理总耗水量降幅为2.6%～3.7%；高灌水(W3)水平下，N2较N3处理总耗水量降幅为1.3%～2.2%，N2较N1处理总耗水量降幅为3.1%～4.9%。

图2 不同处理对菘蓝总耗水量的影响Fig.2 Effect of different treatments on total water consumption

同一施氮水平下，总耗水量随着灌水的增加而增加，表现为W3>W2>W1，且不同处理间的差异显著(P<0.05)，低氮(N1)水平下，W3较W2处理总耗水量增幅为15.3%～16.2%，W2较W1处理总耗水量增幅为13.3%～17.6%；中氮(N2)水平下，W3较W2处理总耗水量增幅为14.7%～14.8%，W2较W1处理总耗水量增幅为12.5%～16.4%；高氮(N3)水平下，W3较W2处理总耗水量增幅为15.0%～15.7%，W2较W1处理总耗水量增幅为12.9%～16.9%。高水低氮(W3N1)处理总耗水量最高，值分别为442.2～442.8 mm，低水中氮(W1N2)处理总耗水量最低，值分别为314.7～333.4 mm和39.5～63.7 mm，中水中氮(W2N2)较高水高氮(W3N3)总耗水量降幅达13.7%～14.8%，节水减氮显著降低了菘蓝生育期总耗水量。

2.3.2 耗水来源及占比

由表3和表4可以看出，灌水和施氮对0～160 cm土层土壤贮水消耗量有显著影响，同一灌水水平下，0～160 cm土层土壤贮水消耗量随着施氮量的增加先减小后增加，表现为N1>N3>N2，且不同处理间的差异显著(P<0.05)。低灌水(W1)水平下，N2较N3处理总耗水量降幅为5.1%～6.2%，N2较N1处理总耗水量降幅为12.3%～14.5%。中灌水(W2)水平下，N2较N3处理总耗水量降幅为6.7%～8.2%，N2较N1处理总耗水量降幅为15.8%～18.1%。高灌水(W3)水平下，N2较N3处理总耗水量降幅为9.2%～9.5%，N2较N1处理总耗水量降幅为19.3%～19.7%。

表3 不同处理对0～160 cm土层土壤贮水量水分来源及其占比的影响(2018年)Tab.3 Effect of source of water consumed and its proportion to total water consumption under different treatments(2018)

表4 不同处理对0～160 cm土层土壤贮水量水分来源及其占比的影响(2019年)Tab.4 Effect of source of water consumed and its proportion to total water consumption under different treatments(2019)

同一施氮水平下，0～160 cm土层土壤贮水消耗量随着灌水的增加而增加，表现为W3>W2>W1，且不同处理间的差异显著(P<0.05)。低氮(N1)水平下，W3较W2处理总耗水量增幅为24.2%～24.5%，W2较W1处理总耗水量增幅为22.1%～23.3%。中氮(N2)水平下，W3较W2处理总耗水量增幅为19.0%～22.1%，W2较W1处理总耗水量增幅为17.0%～18.4%；高氮(N3)水平下，W3较W2处理总耗水量增幅为22.6%～23.5%，W2较W1处理总耗水量增幅为19.5%～20.4%。

高水低氮(W3N1)处理0～160 cm土层土壤贮水消耗量为68.9～111.2 mm，低水中氮(W1N2)处理总耗水量最低，值为39.5～63.7 mm，中水中氮(W2N2)较高水高氮(W3N3)0～160 cm土层土壤贮水消耗量降幅达23.9%～25.6%，节水减氮显著降低了播种前至收获时0～160 cm土层土壤贮水消耗量。增加灌水量，灌溉水和土壤贮水消耗量在菘蓝总耗水量中的占比升高；增加施氮量，灌溉水在菘蓝总耗水量中的占比先升高后降低，土壤贮水消耗量在菘蓝总耗水量中的占比先降低后升高；灌水和施氮间存在明显的交互效应。

2.4 耗水量、耗水强度和耗水模系数

由表5和表6可以看出，灌水和施氮对菘蓝各生育期阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数均有显著影响，随着菘蓝生育进程的推进，菘蓝各生育期阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数均表现为低、高、低、再低的变化趋势。在苗期，作物植株较小，菘蓝阶段耗水量和耗水强度较小，阶段耗水模系数为7.2%～8.1%。进入营养生长期，随着植株快速生长的需要，菘蓝阶段耗水量和耗水强度随之增大，阶段耗水模系数为54.2%～60.5%。肉质根生长期菘蓝生长转入地下部分，生长放缓，菘蓝阶段耗水量和耗水强度随之降低，阶段耗水模系数为21.5%～24.3%。到肉质根成熟期，作物明显衰老，菘蓝阶段耗水量和耗水强度随之快速降低，阶段耗水模系数为11.1%～14.0%。

表5 不同处理下菘蓝各生育阶段的耗水特性(2018年)Tab.5 Water consumption characteristics of Isatis at different growth stages under different treatments(2018)

表6 不同处理下菘蓝各生育阶段的耗水特性(2019年)Tab.6 Water consumption characteristics of Isatis at different growth stages under different treatment(2019)

同一灌水水平下，菘蓝各生育期耗水量、耗水强度和耗水模系数随着施氮量的增加先减小后增加，表现为N1>N3>N2。苗期W2水平下，N2较N3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的降幅依次为13.0%～13.3%、12.8%～13.5%、0.3%～12.1%。营养生长期W2水平下，N2较N3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的增幅依次为4.1%～14.0%、3.8%～14.5%、1.4%～4.1%。肉质根生长期W2水平下，N2较N3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的降幅依次为7.3%～10.5%、6.8%～11.5%、14.2%～15.1%。肉质根成熟期W2水平下，N2较N3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的降幅依次为14.2%～15.1%、12.8%～13.5%、2.3%～10.9%。

同一施氮水平下，菘蓝各生育期耗水量、耗水强度和耗水模系数随着灌水量的增加而增加，表现为W3>W2>W1。苗期N2水平下，W2较W3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的降幅为10.5%～13.1%、12.8%～13.5%、0.3%～2.8%。营养生长期N2水平下，W2较W3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的降幅为14.0%～15.4%、12.6%～13.1%、0.9%～1.4%。肉质根生长期N2水平下，W2较W3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的降幅为14.0%～15.4%、12.6%～13.1%、1.7%～4.6%。肉质根成熟期N2水平下，W2较W3阶段耗水量、耗水强度和耗水模系数的降幅为15.1%～23.2%、12.6%～21.1%、2.3%～5.8%。

3 讨论

在农业生产中，缓解水资源匮乏的措施是提高水分利用效率，而且水肥耦合对大豆棵间水分高效利用效果显著[12]。王田涛等[13]研究发现，随着灌水量增加，作物的水分利用效率随之显著降低，节水40%处理的紫花苜蓿水分利用效率5.56 kg/(hm2·mm)显著低于节水20%处理13.86 kg/(hm2·mm)和常规灌溉12.60 kg/(hm2·mm)。本试验研究结果表明，水分调亏程度将会影响菘蓝全生育阶段的耗水量，而且随水分胁迫程度的增加，菘蓝全生育阶段消耗的水量减少的愈加显著。冯福学等[14]在燕麦试验上表明，水氮耦合对燕麦水分利用及产量具有显著互作效应，随灌水量增加，燕麦水分利用效率显著降低。李世清等[15]研究表明，在旱地条件下，水分利用效率亦随施肥量的增加相应提高，且施氮肥更有利于提高作物经济产量的水分利用效率。闻磊等[16]研究表明，春小麦的水分利用效率(WUE)、灌溉水利用效率(IWUE)随着施氮量的增加均呈现先增后减的趋势，N2水分利用效率(180 kg/hm2)明显大于N1(120 kg/hm2)和N3(240 kg/hm2)处理。尹光华等[17]的研究表明，灌水和施氮显著影响着作物的水分利用效率，灌水的作用大于施氮；其中，施氮量对增加作物水分利用效率表现为正效应，而灌水量对增加作物水分利用效率表现为负效应。作物在水肥互作条件下，灌水和施氮对作物水分和氮素的利用均表现出正交互作用。本研究发现，水分和氮素的共同作用下，水分和氮素在土壤中的运移相互影响，从而引起菘蓝耗水量的变化和土壤贮水量的变化。

本研究发现，灌水和施氮显著影响着土壤剖面贮水、菘蓝耗水特性和土壤水的平衡。同一施氮水平下，菘蓝总耗水量与灌水消耗量随着灌水量的增加而增加，降水消耗量反而减小，这与马兴华等[18]在小麦上的研究结果基本一致。同样表明，同一施氮水平下，增加灌水量并不利于菘蓝对自然降水和土壤贮水的利用，一定程度的干旱和适量灌水条件下，施氮会促进菘蓝对0～160 cm土层土壤贮水的利用，降低对灌水及天然降水的依赖。同一灌水水平下，菘蓝耗水量和土壤贮水消耗量均随施氮量的增加先增后减。

邱新强等[19]研究表明，灌水水平下不同程度的水分胁迫使夏玉米各生育期的阶段耗水量和耗水强度较CK均普遍降低，其中轻旱处理降幅最小，重旱处理降幅最大。张步翀[20]研究表明，在河西春小麦生长旺盛期的抽穗-灌浆阶段，耗水强度达到最大，此剩余阶段也是水分敏感期。本研究也有相近发现，菘蓝的需水规律为苗期最小、营养生长期和肉质根生长期最大、肉质根成熟期居中。

4 结论

(1)菘蓝生长发育是一个消耗土壤贮水的过程，适当增施氮肥可以减小土壤贮水消耗量，过量施氮增加了土壤贮水消耗量，灌水和施氮间存在明显的交互效应。

(2)同一灌水水平下，菘蓝各生育期耗水量、耗水强度和耗水模系数随着施氮量的增加先减小后增加，表现为N1>N3>N2；同一施氮水平下，菘蓝各生育期耗水量、耗水强度和耗水模系数随着灌水量的增加而增加，表现为W3>W2>W1。过量灌水和过量施氮均会增加菘蓝生育期总耗水量，浪费水资源的同时降低了水分利用率；节水减氮有利于降低总耗水量和产生灌水和施氮耦合的正交互效应。