滴灌施肥时序对不同质地土壤水氮分布的影响

孙玮皓，申孝军，Mounkaila Hamani Abdoul Kader，司转运，高阳*

滴灌施肥时序对不同质地土壤水氮分布的影响

孙玮皓1, 2，申孝军1, 3，Mounkaila Hamani Abdoul Kader1,2，司转运1，高阳1*

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所/农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 研究生院，北京 100081；3.天津农学院 水利工程学院，天津 300392）

【】探究不同滴灌施肥时序下不同质地土壤水、氮的运移规律和分布特征。通过室内土槽试验，设置3种土壤质地：砂土、壤土、黏土，分别记为S1、S2、S3，4种施肥时序：仅灌水、1/2N-1/2W（前1/2时间施氮肥）、1/4W-1/2N-1/4W（前1/4时间灌水后在中间1/2时间施氮肥）、3/8W-1/2N-1/8W（前3/8时间灌水后在中间1/2时间施氮肥），分别记为T1、T2、T3、T4，分析了土壤湿润锋的运移以及水分、硝态氮在土体内的分布特征。在灌水量和滴头流量均相同的条件下，3种土壤的湿润锋分布特征存在明显差异。湿润锋的最大入渗深度：砂土（29.5 cm）＞壤土（21 cm）＞黏土（15 cm）。硝态氮在湿润体边缘累积，并且随着施肥次序向前推移，硝态氮向湿润体边缘运移的趋势越来越明显。不同施肥时序下，硝态氮在3种土壤中的分布存在差异。S1T4处理的硝态氮在砂土下层的比例最低；S2T3处理下壤土的硝态氮分布最均匀；S3T2处理可以降低硝态氮在黏土表层堆积。对于砂土、壤土和黏土，分别采用3/8W-1/2N-1/8W、1/4W-1/2N-1/4W和1/2N-1/2W的施肥时序，有利于降低氮肥淋失的风险，提高氮肥利用效率。

滴灌；土壤质地；施肥时序；湿润锋；土壤硝态氮

0 引 言

【研究意义】滴灌系统是一种高效的节水灌溉方式[1]。然而，在滴灌系统的设计和管理中，土壤水分和溶质运移特征以及土壤质地等因素没有得到充分的考虑[2]。对滴灌系统的运行与管理进行优化需要对土壤水分和养分的运移有更深入的了解。滴灌系统的不同施肥时序显著影响水肥在土体内的分布。【研究进展】滴灌系统可以灵活地控制灌水施肥的时序，既能保证作物得到必要的养分，提高养分利用效率，也 可以避免养分淋失[3-4]。国内外学者围绕滴灌条件下湿润锋的运移进行了大量的研究，系统分析了滴灌入渗的水分分布特征及影响因素[5-7]。而土壤质地对土壤水分和硝态氮的运移分布也有重要影响。粗质地土壤中水分和硝态氮运移深度明显大于细质地土壤，更易造成水氮淋失[8-9]。滴灌施肥时不同施肥时序对水肥分布也有显著影响。Li等[10]研究了滴灌条件下氮素运移和分配规律。结果表明，硝态氮容易随水流移动。施肥完成后，硝态氮会在湿润体的边缘堆积。如果系统管理不当，极易造成硝态氮的淋失。Cote等[11]研究表明，在1次灌溉周期内先施肥后灌水，可以使养分集中在土壤上层，从而减少硝态氮淋失的风险。而在滴灌砂壤土的研究[12-13]中，1/4W-1/2N-1/4W（前1/4时间灌水后，在中间1/2时间施氮肥）的施肥时序，可有效减少氮肥的淋失，同时促进作物对氮肥的吸收和利用。尚世龙等[14]在砂壤土双点源交汇区域的研究也验证了这一观点。【切入点】合理的滴灌施肥时序，会使水分和氮素更好的停留在有利于作物根部吸收的土层，进而会影响产量和水氮利用效率[15-16]。因此，在设计滴灌施肥管理策略时，需要考虑不同质地土壤的水力性质和溶质运移特征。然而，目前关于不同滴灌施肥时序下不同质地土壤的水肥分布特征的研究较少。【拟解决的关键问题】为此，采用室内土槽试验，设计滴灌施肥时序和土壤质地2个因素，研究不同滴灌施肥时序下水分和硝态氮在土体中的运移与分布特征，为建立科学合理的滴灌施肥模式提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验在中国农业科学院新乡综合实验基地（35°14′N、113°76′E，海拔74 m）作物需水过程与调控重点实验室内进行，位于河南省新乡市新乡县七里营镇。壤土和砂土取自新乡县，黏土取自焦作广利灌区，土壤质地分类采用美国制。用BT-9300HT型激光粒度分布仪测定土壤颗粒组成。3种土壤的基本理化性质如表1所示。

试验设土壤质地和施肥时序2个因素：土壤质地分为砂土、壤土以及黏土，分别记为S1、S2、S3；施肥时序设置4个水平，即仅灌水、1/2N-1/2W、1/4W-1/2N-1/4W、3/8W-1/2N-1/8W（如1/4W-1/2N-1/4W表示前1/4时间灌水后在中间1/2时间随水施氮肥，最后1/4时间灌水），分别记为T1、T2、T3、T4。用硝酸钾试剂配置氮肥溶液，质量浓度为900mg/L。共设置12个处理，每个处理重复3次。试验设计如表2所示。

表1 供试土壤的基本理化性质

表2 不同施肥时序和土壤质地试验设计

试验装置如图1所示，由土槽和供水系统组成。土槽采用10 mm厚的透明亚克力板制成，长、宽、高分别为90、60、60 cm，底部设置若干排气孔，并在底部铺10 cm粗砂粒，与土层之间用滤网隔开，防止气体阻塞。

图1 滴灌施肥土槽试验装置示意图

为减轻光滑内壁对土壤水分下渗的影响，土槽内壁用胶水混合细砂粒均匀涂抹。取10～30 cm的耕层土壤，经风干、磨细，过4 mm筛；然后，按设计干体积质量（砂土：1.40 g/cm3；壤土：1.40 g/cm3；黏土：1.35 g/cm3）以5 cm分层装入土槽，每层用夯土器夯实，以防产生较大孔隙对土壤入渗过程造成影响，土体深度为45 cm。土壤装好后进行灌水，灌水后用薄膜覆盖土壤表面以防止水分蒸发，为土壤含水率充分再分配均匀，静置12 h。利用2台蠕动泵（Kamoer，LLS PLUS-B196）同时进行供水供肥，滴头间距30 cm。滴头设计流量为0.8 L/h，试验过程中滴头流量由蠕动泵进行控制。单个蠕动泵的灌水施肥量为2 L，将蠕动泵进水管在肥液桶和水桶之间切换来控制灌水和施肥的时序，灌水时间为150 min。

1.2 观测项目与方法

试验时，定时观测湿润锋的运移情况，在土槽外壁描绘湿润锋曲线，分别在开始灌水后的5、10、20、30、40、50、60、80、100、120、150 min记录湿润锋运移曲线。灌水施肥结束后，将槽壁上的湿润锋曲线描绘于坐标纸上，并立刻在2个滴头之间，用直径2 cm的土钻在土壤平面以5 cm×5 cm间距取土样，取样点布置如图2所示，取土深度视湿润体深度而定，湿润体外取3个土样测定土壤初始含水率。每点取得的土样，测定土壤含水率和土壤硝态氮量。土壤含水率用烘干法测定，土壤硝态氮量用AA3连续流动分析仪测定。数据用于分析不同滴灌施肥时序下不同质地土壤的水、氮分布规律。采用Sufer 15软件进行数据处理和分析作图。

2 结果与分析

2.1 不同质地土壤湿润锋运移特征和水分分布特征

图3中坐标点（30，0）是滴头1的位置，坐标点（60，0）是滴头2的位置。在相同的灌水量和滴头流量下，不同质地土壤湿润锋的水平和垂直入渗距离存在明显差异，土壤质地对湿润锋运移和分布特征的影响显著。湿润锋的水平和垂直入渗距离均随着灌水时间的延长而增大。随着灌水的进行，湿润锋的运移速度逐渐减慢，并且在相同的灌水时间内，砂土的湿润锋的垂直入渗距离大于水平入渗距离，而壤土和黏土的湿润锋的水平入渗距离大于垂直入渗距离。湿润体大小：砂土＞壤土＞黏土。湿润锋的最大入渗深度：砂土（29.5 cm）＞壤土（21 cm）＞黏土（15 cm）。

图2 取样点布置平面图（土槽俯视图）

图3 T1处理湿润锋运移过程

为了更直观地反映整个湿润体的土壤水分空间分布情况，利用Kriging插值法，对数据进行网格化处理，然后利用surfer 15软件绘制土壤含水率分布的三维切片图。由图2可知，2滴头间取土点有7列，将每列土壤含水率做成1个二维等值线分布图，7个二维等值线分布图堆叠在一起就形成立体三维切片图，滴头1和滴头2的坐标分别为（0，0，0）和（30，0，0）。

图4给出了在相同的灌水量（2 L）和滴头流量（0.8 L/h）下，3种不同土壤质地的土壤水分的空间分布情况。在每次灌溉开始时，土壤含水率在靠近滴头处开始增加，直到灌溉结束时达到最大值，从图4可以看出，灌水结束后，滴头下方的含水率最大，并且土壤含水率随距滴头距离的增加而减少，砂土、壤土、黏土的最大含水率分别为23%、26%、36%。砂土湿润区的平均含水率小于壤土和黏土，因为砂土与壤土和黏土相比，其持水能力较低。虽然滴头流量是相同的，但靠近滴头的黏土的含水率高于壤土和砂土。从图4还可以看出，在相同的灌水量和滴头流量下，不同土壤质地的土壤含水率分布差异明显，土壤质地对土壤水分分布影响显著。

2.2 不同滴灌施肥时序下不同质地土壤的硝态氮分布特征

2.2.1 不同滴灌施肥时序下砂土硝态氮分布特征

从表3可以看出，S1T4处理在20～30 cm范围内硝态氮所占比例分别比S1T2处理和S1T3处理低3.23%和2.75%；而在0～20 cm范围内，S1T2处理和S1T3处理比S1T4处理分布均匀。如图5所示，在砂土中，采用S1T2处理和S1T3处理的施肥时序，硝态氮向湿润土壤边缘迁移的趋势更加明显，下层土壤的硝态氮量较高，因此产生氮肥淋失的风险比较大。而S1T4处理可以使更多的硝态氮在土壤上层积累，氮回收率更高。图中展示的是灌水结束时刻的土壤水氮分布，随着时间的推移，土壤中的水分和硝态氮还会继续向下层运动。因此从减少硝态氮淋失的角度出发，在砂土滴灌施肥中，采用S1T4处理较为适宜。

图5 砂土硝态氮三维切片图

表3 砂土各处理硝态氮在距灌水器不同深度所占比例

2.2.2 不同滴灌施肥时序下壤土硝态氮分布特征

如图6所示，在壤土中，采用S2T2处理的施肥时序，下层土壤的硝态氮量较高，硝态氮向湿润土壤边缘迁移的趋势比较明显，因此产生氮肥淋失的风险比较大。而S2T3处理和S2T4处理能使更多的硝态氮累积在土壤上层，并且从表4可以看出，S2T3处理在土壤表层以下14～20 cm范围内硝态氮所占比例比S2T4处理高5.78%。在灌溉施肥结束时刻，土壤中的水、氮运移到土壤表层以下20 cm，灌溉施肥结束后，土壤中的水、氮还会继续向下层运动，S2T3处理在土壤表层以下20～30 cm的硝态氮量更高，使氮肥分布更加均匀，避免在土壤浅层堆积。因此，在壤土滴灌施肥中，采用S2T3处理较为适宜。

图6 壤土硝态氮三维切片图

表4 壤土各处理硝态氮在距灌水器不同深度范围内所占比例

2.2.3 不同滴灌施肥时序下黏土硝态氮分布特征

如图7所示，在黏土中，采用S3T2处理的施肥时序，硝态氮向湿润土壤边缘迁移的趋势比较明显，与S3T2处理相比，采用S3T3处理和S3T4处理的施肥时序使更多的硝态氮累积在土壤浅层。但是，由于黏土的湿润深度较浅，硝态氮淋失几乎可以忽略，从表5中可以看出，S3T2处理在10～15 cm范围内硝态氮所占比例分别比S3T3处理和S3T4处理高2.69%和15.36%，随着土壤中水、氮向下层运移，S3T2处理的土壤表层以下15～30 cm的硝态氮量更高，避免氮肥在土壤表层堆积，造成浪费。因此，在黏土滴灌施肥中，S3T2处理较为适宜。

图7 黏土硝态氮三维切片图

表5 黏土各处理硝态氮在距灌水器不同深度范围内所占比例

3 讨 论

土壤质地对湿润锋运移及分布特征影响显著[17-18]，砂土的湿润深度约为30 cm，大于壤土（20 cm）和黏土（15 cm），湿润体深度随土壤黏粒量的增加而减小，该结果与张俊等[19]和张国祥等[20]的试验结果一致。灌水结束后，滴头下方的含水率最大，并且随着距滴头距离的增加而减少，砂土、壤土、黏土的最大含水率分别为23%、26%、36%。因为砂土与壤土和黏土相比，其持水能力较低。虽然滴头流量是相同的，但靠近滴头的黏土的含水率高于壤土和砂土。因此，可以解释为不同质地土壤中的重力和毛细作用力是不同的[21]。

在本试验中，湿润土体边缘硝态氮质量浓度很高，而湿润土体内部硝态氮质量浓度反而较小，即硝态氮在湿润土体边缘累积。硝态氮极易溶于水且很少被土壤颗粒吸附，主要通过对流在土壤中随水移动[22]。另外，在灌水施肥期间滴头下方的土壤的含水率最大，接近饱和含水率，土壤中的孔隙被水充满，形成局部的厌氧环境[23]，从而引起滴头下方的硝态氮量下降。在本试验中，施肥次序向前推移，浅层土壤的硝态氮所占比例变少，硝态氮向湿润土壤边缘运移的趋势越来越明显。原因是施肥结束后灌水时间的不同，施肥次序向前推移会延长施肥后硝态氮淋洗的时间，硝态氮随水流运动，使得湿润体边缘的硝态氮累积更多；还因为施肥次序提前使得施肥前土壤中的含水率降低，硝态氮的累积量也会增加。邓建才等[24]在研究中发现，在风积沙土和黄潮土中，土壤中的硝态氨浓度随土壤含水率的增加而降低，符合幂函数曲线趋势。郭大应等[25]在研究中也发现土壤含水率的差异会影响土壤中的硝态氮量，土壤中硝态氮量与土壤水分呈负相关。并且在本试验中，我们发现，粗质地土壤中水分和硝态氮运移深度明显大于细质地土壤，更易造成水氮淋失，这与李久生等[8]在地下滴灌中和张勇勇等[9]在垄沟灌溉中的试验结果一致。而在砂土和壤土中，采用水-肥-水的施肥时序更有利于减少氮素淋失的风险，这与李久生等[12]和尚世龙等[14]所做的试验结果相同；而由于黏土颗粒间孔隙小，渗透性弱，吸附性强，采用肥-水的施肥时序更有利于提高氮素的利用效率，侯振安等[15]在棉花的田间试验中的研究也表明在一次灌溉过程中N-W（先灌肥液，后灌水）的施肥时序可以降低氮肥淋失的风险，促进棉花对氮素的吸收和利用。在田间生产中，滴灌施肥下土壤中的水、氮运移还会受到土壤体积质量、作物种类和根系、试验地气候等诸多因素的影响[26-28]，因此，在今后的研究过程中，将开展田间冬小麦试验，将其与室内试验结论相结合，使本文结论更具应用价值。

4 结 论

1）在滴灌施肥中，硝态氮在湿润土体边缘累积，并且随着施肥次序向前推移，硝态氮向湿润土体边缘运移的趋势越来越明显。

2）在砂土中，采用3/8W-1/2N-1/8W的施肥时序更有利于减少肥料淋失的风险；在壤土中，从减少硝态氮淋失和使硝态氮分布均匀的角度出发，1/4W-1/2N-1/4W为最优方案，在黏土中，水分和硝态氮的入渗深度较浅，采用1/2N-1/2W的方案较为适宜。

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Optimal Timing of Fertilization in Drip Fertigation for Bioavailable Water and Nitrogen in Soils of Different Textures

SUN Weihao1,2, SHEN Xiaojun1,3, Mounkaila Hamani Abdoul Kader1,2, SI Zhuanyun1, GAO Yang1*

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Water Requirement and Regulation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3.College of Water Conservancy Engineering, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China)

【】Designing irrigation and fertilization scheduling needs to understand how water and fertilizer move in soil. The aim of this papers is to experimentally study the movement of water and nitrogen (N) in soils of different texture as impacted by timing of fertilization in drip fertigation.【】The experiment was conducted indoor using tanks repacked with sandy (S1), loam (2) and clay (3) soil. For each soil, there were four fertilizations with the fertilization lasting half of the irrigation duration but starting at different times: in the first half (T1), in the central half (T2), and commencing 3/8 way after the onset of irrigation (T3). Irrigation without fertilization was taken as the control (CK). In each treatment, we measured the movement of the wetting front and distributions of water and nitrate in the soil.【】When the irrigation amount and dripping rate were the same, there were significant differences in water movement between the three soil types. The maximum water infiltration depth in the sandy soil was 29.5 cm, compared to 21 cm in the loam soil and 15 cm in the clay soil. Nitrate accumulated at the edge of the wetting fronts, and delaying fertilization timing slowed down nitrate migration towards the wetting front. There were differences in nitrate distribution between the three soil types, and the difference varied with the timing of the fertilization. In the sandy soil, nitrate in the subsoil soil under T4 was least. In the loam soil, the nitrate distribution was more uniform than that in T3. In the clay soil, T2 reduced nitrate accumulation in the surface soil.【】Soil texture and timing of fertigation had significant impacts on nitrogen distribution. For the sandy, loam and clay soil we studied, the best timing for fertilization under drip fertigation was 3/8 way after the irrigation commenced, in the central half and in the first half, respectively. These reduced the risk of nitrogen leaching while in the meantime improving nitrogen use efficiency by crops.

drip fertigation; soil texture; timing of fertilization; wetting front; nitrate distribution

孙玮皓, 申孝军, Mounkaila Hamani Abdoul Kader, 等. 滴灌施肥时序对不同质地土壤水氮分布的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 47-53.

SUN Weihao, SHEN Xiaojun, Mounkaila Hamani Abdoul Kader, et al. Optimal Timing of Fertilization in Drip Fertigation for Bioavailable Water and Nitrogen in Soils of Different Textures[J]. Journal of Irrigation and Drainage 2022, 41(3): 47-53.

2021-08-03

国家现代农业产业技术体系建设专项基金项目（CARS-03）；国家自然科学基金项目（51879267）

孙玮皓（1996-），男。硕士研究生，主要从事作物高效用水理论与技术研究。E-mail:sunweihao1996@163.com

高阳（1978-），男。研究员，博士，主要从事作物高效用水理论与技术研究。E-mail:gaoyang@caas.cn

1672 - 3317（2022）03 - 0047 - 07

S274；S152

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021342

责任编辑：白芳芳