滴灌施肥条件下土壤硝态氮空间分布规律室内模拟研究

2022-01-05孙富斌魏小东马正虎苏振娟

四川农业大学学报 2021年6期

孙富斌，尹娟，2，3*，魏小东，马正虎，苏振娟

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程中心，银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021）

中国作为农业大国，节水灌溉及水资源高效利用已成为开展现代农业的一种趋向。滴灌作为一种高效的节水灌溉技术，在全国大部分地区已经作为主要的节水灌溉方式[1-3]，这种灌溉模式能够有效地提高作物水肥利用效率，尤其在缺水的干旱半干旱区域得到了大力推广，有利于提高作物产量和品质。

滴灌属于一种局部灌溉技术，在该灌溉模式下，土壤水分、养分等指标含量随水运移，改变其空间分布状态，从而影响作物吸收，因此，研究不同滴灌施肥条件下，土壤水肥运移以及空间分布规律将十分必要。诸多学者已对滴灌施肥条件下土壤理化性质进行了相关研究[4-6]。研究表明，硝酸盐易造成地下水污染，造成土壤环境破坏[7-8]，硝态氮在土壤中的分布、运移明显受施肥浓度、灌水量、和水肥耦合等因素的影响，而且高水高肥处理极易造成硝态氮淋失，破坏土壤环境；在滴灌施肥条件下土壤硝态氮的扩散受到对流作用，湿润体中硝态氮含量与距滴头距离存在一定比例关系[9]；而在土壤硝态氮与根系联系中，认为在一次施肥的两端时间滴肥，中间1/3时间段仅灌清水模式最佳[10]；杜春先等[11]试验也表明硝态氮在土壤中的累计规律，其累计含量的大小与施肥、灌溉等影响因子密切相关。综上所述，采取不同的配施模式以及施氮水平对不同作物影响程度均存在不同程度的差异。

本文将研究滴灌施肥条件下土壤硝态氮含量随再分布时间、滴头流量以及氮肥浓度的变化，以便比较系统地掌握滴灌施肥条件下枸杞田土壤硝态氮的运移规律及其空间分布特征，从而为宁夏地区枸杞种植业高质量发展以及旱区节水灌溉设施农业高效管理模式构建提供强有力的理论支撑和技术指导。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

本次土箱水肥滴灌模拟试验在宁夏大学土木与水利工程学院实验中心进行，试验土壤取自宁夏中部干旱带吴忠市同心县下马关镇枸杞种植基地，土壤为粉砂质壤土，全磷0.77 g/kg、全钾20.4 g/kg，全盐 0.99 g/kg，有机质 12.1 g/kg，速效钾 133 mg/kg。试验土壤的相关性质如表1所示。

表1 试验土壤性质Table 1 Properties of soil

1.2 试验材料

如图1所示，试验设施主要由一套点源供水系统和一个点源入渗单元体有机玻璃箱（长60 cm，宽50 cm，高60 cm）组成，其点源供水系统的工作原理为：马氏瓶用来供应灌水和调控试验的准确度，橡胶软管代替滴头，滴头放置在土箱直角处[12]。

图1 实验装置图Figure 1 Map of the experimental device

1.3 试验设计

试验设灌水量、滴头流量和氮肥浓度3个因子。灌水量设置W1、W2（3、5 L）2个水平，滴头流量设置q1、q2和q3（0.5、0.75和1 L/h）3个水平，氮肥浓度设置F1、F2和F3（0、200和500 mg/L）3个水平，试验设计方法为完全随机组合，共18个处理（T）分次进行。本研究属于完全方案，处理数为水平数连乘（2×3×3=18）。

根据试验设定的滴头流量（q）和氮肥浓度（F）计算不同处理的灌溉历时，再依据灌溉历时，人为控制滴灌施肥试验的始终时间。

试验前将土壤自然风干，过2 mm孔径筛，按容重1.3 g/cm3进行装土。每隔5 cm深度分层装土，分层打毛，从而使土层之间紧密接触，共装10层土，装土结束后使其自然沉降24 h。同时，调配一定量的硝酸铵（分析纯）溶于蒸馏水，制成不同浓度的氮肥溶液，进行滴灌施肥试验。等滴头流量达到试验条件时，开始试验并计时。

硝态氮含量（β）（mg/kg）测定采用国家标准[13]。土壤样品采集具体过程为：在土箱边缘建立直角坐标系，依次在不同深度（z）（cm）土层中，以土箱直角处滴灌点为圆心，按不同半径（r）（cm）（纵、径向均每隔5 cm测一次）画弧，在圆弧上按照一定角度（α）（0°、30°、45°、60°、90°）依次进行采样，然后混合形成均匀混合样（土壤鲜重5 g），以该混合土样作为表征该土层距滴灌点一定径向距离或土层深度处土壤性状的代表样，取至干湿交界处。再分布时间（t，d），设定为灌后：0（灌后测）、1、3 和 5d 共 4 种。采样结束后将各代表土样密封保存于塑料自封袋中，并进行标记备用。

采用烘干法测试土壤含水率（θ）。测定土壤含水率的取土方法与硝态氮含量测定的取土方法一致。

1.4 数据处理

通过Microsoft Excel 2010对试验数据进行统计处理，Origin 2017进行图表绘制，利用DPS 7.05、SPSS 25分别进行方差分析和典型相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同再分布时间对土壤硝态氮分布的影响

图2表示不同再分布时间后各土层深度硝态氮（NO3--N）含量径向变化过程。当土层深度（z）为5 cm时，在径向距离0～20 cm范围内，再分布时间下NO3--N含量随径向距离增大呈递减的趋势；径向距离在20～25 cm时，在不同再分布时间下NO3--N含量随径向距离的增大呈增大的趋势，NO3--N含量在各再分布时间0（灌后测）、1、3和5 d下的增幅分别为：4%、44.7%、17.7%、0.9%，其中再分布时间为1 d时增幅最大。

图2 不同再分布时间处理下各土层深度NO3--N含量径向分布Figure 2 Radial distribution of NO3--N content in each soil layer under different redistribution time treatment

当土层深度为10 cm、15 cm时，在不同再分布时间下的NO3--N含量随径向距离的增大呈依次递减的趋势（除β0外），各再分布时间下的NO3--N含量 βi的大小顺序均表现为 β0>β5>β1>β3。

2018年10月12日，人力资源和社会保障部发布了《社会保险领域严重失信“黑名单”管理暂行办法(征求意见稿)》（以下简称“《意见》”），列举了六种应将其列入社保“黑名单”的情形，并指出社保“黑名单”信息将被纳入当地和全国信用信息共享平台，在政府采购、交通出行、招投标、生产许可、资质审核、融资贷款、市场准入、税收优惠、评优评先等方面予以限制。

当土层深度为20 cm时，在径向距离0～20 cm范围内，各再分布时间下NO3--N含量随径向增大呈递减的趋势，径向距离在20～25 cm时，各再分布时间下NO3--N含量随径向距离的增大呈增大的趋势。

采用SPSS建立土层深度z、径向距离r、再分布时间t与硝态氮含量β的线性回归模型，得出函数关系式为：

根据表2方差分析得出，径向距离和再分布时间的交互与土壤硝态氮含量呈显著相关（P<0.05），土层深度、径向距离、再分布时间、土层深度和径向距离的交互、土层深度和再分布时间的交互均与硝态氮含量呈极显著相关（P<0.01）。

表2 土层深度、再分布时间和径向距离对于NO3--N含量总体方差分析Table 2 Population variance analysis of soil depth,redistribution time and radial distance for NO3--N content

2.2 不同滴头流量对土壤硝态氮分布的影响

图3表示不同滴头流量下各径向距离硝态氮（NO3--N）含量纵向变化过程。当滴头流量为q1（0.5L/h）时，土层深度在0～15 cm范围内NO3--N含量均随土层深度的增大而减小；土层深度在15～30 cm范围内，NO3--N含量随土层深度的增大其折线图呈“>”或“<”形分布，波动幅度较大，且拐点发生在土层深度为20 cm或25 cm处；当土层深度在30～35 cm范围内时，NO3--N含量随土层深度的增大而增大，依次在各径向距离下的增大幅度分别为：67.3%、6.7%、42.1%、9.9%。

图3 不同滴头流量处理下各径向距离NO3--N含量纵向分布Figure 3 Longitudinal distribution of NO3--N content in each radial distance treated with different droplet flow rate

当滴头流量为q2（0.75 L/h）时，NO3--N含量在土层深度0～20 cm范围内呈递减趋势，土层深度在20～30 cm范围内，NO3--N含量随土层深度的增大呈递增趋势，土层深度在30～35 cm范围内时，NO3--N含量随土层深度的增大呈递减趋势。在各径向距离下滴头流量为q3（1 L/h）时，土层深度在0～25 cm范围内，NO3--N含量随土层深度的增大不断减小，且在25 cm处达到最低峰值；土层深度在25～35 cm范围内，NO3--N含量随土层深度的增大呈现先增后减的趋势。

综上分析，当滴头流量为q1（0.5 L/h）时，NO3--N含量随土层深度的增大先减小后进行较大幅度的波动，土层深度为30 cm处又随土层深度的增大而增大；在各径向距离滴头流量为q2（0.75 L/h）、q3（1 L/h）时，NO3--N含量随土层深度的增大先减小后增大再减小。

径向距离为0～20 cm时，各滴头流量下的NO3--N含量的大小顺序为βq0.5>βq0.75>βq1，且NO3--N的聚集极易发生在距滴灌出水口较近处。

采用SPSS 25软件进行土层深度、径向距离、滴头流量与硝态氮含量的线性回归分析，所形成的函数关系式为：

由表3相关性分析得出，土壤硝态氮含量与滴头流量之间呈极显著相关，而与径向距离、土层深度无显著相关性。

表3 径向距离、土层深度、滴头流量与土壤硝态氮含量的相关性分析Table 3 Correlation analysis of radial distance,soil depth,drop head flow and soil nitrate content

2.3 不同氮肥浓度对土壤硝态氮含量的影响

图4表示不同氮肥浓度下各径向距离硝态氮（NO3--N）含量纵向变化过程。在同一径向距离（r）下，NO3--N含量随着氮肥浓度的增大而增大。当径向距离为5 cm时，不同氮肥浓度处理下NO3--N含量随土层深度（z）的增大变化幅度最大，其氮肥浓度为F1（0 g/L）、F2（2 g/L）、F3（5 g/L）时的NO3--N含量在分别在12.84～14.45、43.33～58.05和111.59～147.05 mg/kg范围内变化，NO3--N含量差值依次为：1.61、14.72和35.40 mg/kg；当径向距离为10、15和20 cm时，表现出相似的规律，不同氮肥浓度处理下的NO3--N含量随土层深度的增大变化幅度较小，其NO3--N含量差值分别为：7.82、11.22 和 2.49 mg/kg；13.15、10.33和 20.24 mg/kg；8.58、0.94 和 6.08 mg/kg；表现为 NO3--N含量差值随着径向距离的增大有逐步减小的趋势。

图4 不同氮肥浓度处理下各径向距离NO3--N含量纵向分布Figure 4 Longitudinal distribution of NO3--N content in radial distance under different N concentration treatments

如表4所示，采用SPSS 25软件的典型相关性，将硝态氮含量和土层深度、氮肥浓度、径向距离依次建为集合1、2，分析得出它们之间呈极显著相关（P<0.001），且满足的函数关系式为：

表4 径向距离、土层深度、氮肥浓度与土壤硝态氮含量的典型相关性分析Table 4 Typical correlation analysis between radial distance，soil depth，nitrogen concentration and soil nitrate content

3 讨论

不同再分布时间对土壤硝态氮分布的影响。试验探究得出：在各土层深度再分布时间下NO3--N含量随径向距离的增大呈递减的趋势，且随着土层深度的增大，各再分布时间下的NO3--N含量随径向距离的增大变化趋势愈加平缓，与隋娟等[14]在探究水氮分布及运移规律的研究结论一致。各再分布时间下的 NO3--N 含量 βi的大小顺序为 β0>β5>β3>β1，初步分析形成上述规律的主要原因是β0在滴灌方式下NO3--N含量存在表聚现象[15]，随土层深度和再分布时间的增大NO3--N含量也会逐步形成累积，相应的 βi就会发生变化，且 β0、β5远远大于 β1、β3。

不同滴头流量对土壤硝态氮分布的影响。滴头流量与硝态氮含量在径向运移距离呈现正态变化，且随着径向距离的变化，硝态氮含量与各滴头流量大小呈负相关关系，这与王虎等[9]学者的研究规律一致；而随土层深度变化，硝态氮含量变化拐点发生在土层深度20、30 cm处，这与其[9]提出的NO3--N含量随土层深度的增大而增大的试验结论有所差异，可能是由于试验条件所导致误差的产生。

不同氮肥浓度对土壤硝态氮含量的影响。在各径向距离下，当氮肥浓度为F1（0 g/L）时，NO3--N含量随土层深度的增大而递增，且随着径向距离的增大递增趋势愈加明显，这是因为灌水导致土壤湿润锋附近原始氮元素淋溶下渗的原因。当氮肥浓度为F2（2 g/L）、F3（5 g/L）时，土层深度在0～25 cm范围内，NO3--N含量均随土层深度的增大而递减；当土层深度大于25 cm时，NO3--N含量有小幅度递增的趋势，这是因为NO3--N在土壤湿润边界上产生累积所致，这与冯绍元等[14]试验得出的NO3--N含量在土壤表层含量最高，随着土层深度的增加NO3--N含量呈波浪状缓慢下降再升高的结论一致。径向距离0～20 cm中，NO3--N含量在不同氮肥浓度下的大小顺序为：βF500>βF200>βF0，βF500远远大于 βF200、βF0，且随着施氮量的增加，NO3--N含量向下层土壤运移的速度加快，这可能会对浅层地下水产生污染。对于地下水层较浅的地区来说，适量的氮肥浓度有益于保障地下水免受污染。针对不同地区地下水位埋深的情况其氮肥浓度也应随之变化，不合理的氮肥浓度会对地下水环境产生污染，尽管宁夏地区位于中部干旱带地区，相对地下水位较深，但考虑到宁夏地区氮素已超标严重[16]，因此选择适宜的氮肥浓度来满足当地土壤需氮要求这至关重要。