不同滴灌施肥策略对植烟土壤水、盐运移及再分布的影响

2023-11-29席奇亮徐世晓杨铁钊

节水灌溉 2023年11期

周方，席奇亮，薛刚，徐世晓，杨铁钊

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.浙江中烟工业有限责任公司，杭州 310008）

0 引言

根系是作物吸收养分和水分最活跃的器官，在作物的生长发育和产量形成过程中起着至关重要的作用[1]。目前，主要的农业措施如灌溉、施肥等都是首先对根系的生长、分布和功能产生影响进而影响到地上部分的生长[2]。滴灌技术是将灌溉与施肥结合在一起对植株进行施肥，实现水肥一体化灌溉[3]，该技术根据烟株生长适时适量的供应根系养分和水分，可以使作物根区的土壤水分保持在最佳水平，从而有利于作物吸收水分和养分，提高作物产质量[4]。而滴灌过程中土壤水盐运移对作物根系吸收养分尤其重要，水盐运移包括水分运动和盐分迁移，其中水分对盐分运移起着主导作用，即人们常说的“盐随水走”[5]。因此滴灌条件下土壤水分、盐分的运移规律的试验研究，是正确设计滴灌系统和对田间作物水肥进行精准管理的前提和基础。已有报道，滴头流量、土壤初始含水率和土质均会对滴灌条件下土壤水分运移产生影响，随着滴头流量的增大土壤水分在水平方向的扩散速度较垂直方向的扩散速度快[6]；初始含水率和灌水量越大，土壤湿润体越大[7]。孙三民[8]研究发现滴头流量对湿润体水盐运移分布有较显著的影响，大流量有利于水分、盐分向水平方向运移和淋洗，而小流量有利于水分、盐分向垂直方向运移和淋洗；增大灌水量会加大水分向下运移的深度，并增加主要根区的含水率；随灌水深度的增加，表层根量相对减少，深层根量相对增加，细根分布基本呈现出“宽浅型”向“深根型”发展的趋势。葛新伟等[9]研究发现土壤养分的空间迁移受不同灌水量的影响较为明显，随着灌水量的增加，土壤中速效养分向深层迁移的量也随之增加。侯振安等[10]通过对不同滴灌施肥方式下土壤水、盐、氮和棉花根系的分布研究发现在滴灌条件下，氮肥在一次灌溉过程的前期施用有利于提高氮肥利用率，减少氮素的淋洗损失。王全九等[11]研究发现滴头流量越大积水范围越大，且积水范围随时间呈逐渐增大并逐渐趋于稳定；在滴头处垂直方向及土壤表面水平方向的湿润锋随时间的变化关系呈幂函数关系。李炎[12]采用电导率法测定土壤盐分，结果表明土壤电导率变化趋势大致一样，在50 cm 以上的土层中电导率逐渐变小，50 cm 以下的土层电导率变化不大，地表的盐分随着淋溶过程运移到地下，导致地表的电导率值变小。目前，水肥一体化技术对烤烟根系生长、产量和质量的研究较多，但随滴灌施入肥料时土壤中水分、盐分的运移受多种因素影响，尤其是烟草为垄栽作物，滴灌条件下水分、盐分在垄体中的运移特点更不清楚，且根系具有向水向肥性，关于水肥一体化滴灌条件下滴肥方式对土壤中水、盐分布及其与烤烟根系关系方面的研究还较少。前人研究多集中在土壤中本身盐分随水迁移规律，对滴施肥料后土壤中水分、盐分变化的研究鲜有报道。因此，本研究以滴施肥料后土壤中盐分运移情况代表肥料变化情况，旨在探讨烟草专用液体肥在不同滴灌施肥策略下对土壤中水分、盐分分布的影响，以确定适宜烤烟旺长期的施肥方式尽可能地保证肥料随滴灌施入之后分布在烤烟根系密集区附近，减少肥料的流失及淋溶，为滴灌条件下水肥的合理调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验土壤取自郑州市河南农业大学毛庄科教园区（34°51′N，113°35′E）试验田土壤。取耕层土壤0～50 cm，土壤质地为壤土，基础肥力指标分别为：pH 值为7.65，有机质含量13.29 g/kg，碱解氮85.06 mg/kg，有效磷（P2O5）含量14.23 mg/kg，有效钾（K2O）含量185.2 mg/kg；采用筛分法对土壤质地进行分析，取回后，将土样置于阴凉处自然风干，过5 mm×5 mm 筛，剔除植物根系等杂物。土壤基本物理特征见表1。

表1 试验小区土壤营养水平Tab.1 Soil nutrient levels of experimental plots

1.2 试验设备

试验使用自行研制的设备，设备由点源供水系统和点源入渗单元体试验垄体组成，点源供水系统主要由改进的马氏瓶以及供水滴头组成。供水滴头采用医用注射针头，目的是为了在入渗时提供稳定和高精度的供水水源。单元体试验垄体根据点源入渗的特点设计，为防止土体与外界交换温度，单元体采用双层设计。图1为滴灌设备结构及土壤剖面传感器埋设位置示意图。

图1 滴灌设备设置及土壤剖面传感器埋设位置图Fig.1 Drip irrigation equipment installation and soil profile sensor buried position map

1.3 试验方法

试验设置5个处理，CK(只滴肥料40 min)、W1（前期滴水20 min，中期滴肥40 min，后期滴水10 min）、W2（前期滴水30 min，中期滴肥40min，后期滴水10 min）、W3（前期滴水40 min，中期滴肥40 min，后期滴水10 min）和W4（前期滴水30 min，中期滴肥40 min，后期滴水30 min），每个处理重复3次。滴头流量的控制是根据水肥一体化设备滴管滴灌流量设定（2.5 L/h）。具体设计见表2。

表2 试验设计Tab.2 Experimental design

1.4 仪器与观测

土壤水分监测仪可同时监测土壤中水分和盐分的变化，用土壤电导率EC(electrical conductivity of soil water)表示土壤盐分，使用预先安装在土壤剖面的传感器（土壤水分监测仪Sensor）直接测定，每个试验小区有40个测点，即离滴头水平距离(0、5、10、15、20 cm)和垂直土壤深度(5、10、15、20、25、30、35、40 cm)的正交组合。15 个试验小区共有600 个测点。测定时间为每次滴灌开始至滴灌完成再分布24 h 后，每隔5 min记录一次数据。

1.5 数据处理与分析

采用Sigmaplot12.5软件进行图表绘制；土壤水分、盐分的空间分布特征采用地理统计学软件Surfer11。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌施肥处理湿润锋形状和运移特征

2.1.1 湿润体的形状

图2 为停止滴灌时不同处理下湿润锋的形状，由图2 可知，随着滴灌时长的增加，湿润锋的形状出现了不同的变化，湿润锋均呈平卧半椭球体分布，各个处理变化规律大致相同，但随着滴灌时长的增大湿润锋的分布范围逐渐增大；在滴灌过程中，湿润锋边缘呈现不规则状态分布，主要是由于受到土壤质地和初始含水率影响所导致的。随着滴灌时长的增加，湿润锋的运移范围逐渐扩大，湿润体水平方向、垂直方向入渗距离均逐渐增加。

图2 停灌时不同滴灌时长下湿润锋的形状Fig.2 Movement of wetted f ront in treatments different in drip irrigation time

2.1.2 湿润锋的径向（水平方向）、垂向变化

图3为不同滴灌施肥处理下，湿润锋水平扩散、垂直入渗距离和滴灌时间的关系。不同处理下湿润锋水平和垂直方向变化大致相同，随滴灌时间的增长而增大；在0～20 min 时，水平湿润锋增长速度较快，垂直湿润锋随时间的增长速度较慢，这是因为刚开始滴灌时，水分的运动主要是土壤基质势起主导作用(重力作用忽略不计)，土壤基质势大于重力势，在垂直方向入渗缓慢；20 min之后，随着滴灌时间的增长，灌水量的增加，土壤重力势和水力梯度逐渐主导水分运移，径向湿润锋增长速度变缓，垂向湿润锋增长变快。

图3 湿润锋水平扩散半径与垂直入渗距离变化过程Fig.3 Transformation of Wetting front horizontal diffusion radius and vertical infiltration distance

2.1.3 湿润比分析

为了方便进行分析，定义湿润比为滴灌点源入渗的水平湿润锋与垂直湿润锋的比值(x/y)，见表3。由图4 可知，湿润比随灌水时间而减小。这是由于，一方面径向湿润锋随着积水范围增大趋势的减小而发展逐渐缓慢，另一方面随着入渗过程的进行，重力势与土壤基质势相比，所起的作用越来越重要。这样，二者彼此消长，垂向湿润锋较径向湿润锋的发展速度增大，湿润比降低，湿润比在1.08～4.06 之间。从图4看壤土的湿润比随着灌水时间延长呈递减趋势，采用幂函数x/y=AtB形式对土壤湿润比与灌水时间的关系进行拟合。

图4 不同滴灌施肥方式湿润比与时间的关系Fig.4 Relationship between wetting ratio and time under different fertigation strategies

表3 湿润比与时间的关系（x/y =A tB）Tab.3 Relationship between wetting ratio and time（x/y =A tB）

2.2 不同的滴灌施肥处理对土壤水、盐变化的影响

2.2.1 滴灌完成时不同滴灌施肥处理对土壤水分、盐分的影响

由图5可以看出，不同处理的体积含水率变化值均是随入渗距离的增加而逐渐变小。在垂直深度10 cm 以下，W2、W3、W4 处理相同深度的体积含水率随灌水时长的增加而增加；W1 体积含水率变化较大，可能是因为初始含水率较大及土壤质地的影响导致的。不同处理EC值变化较明显，除CK外，其余4 个处理变化规律一致，均是随入渗距离的增大，EC值先变大后变小，出现盐分聚集现象。CK处理只滴肥，随垂直入渗距离的增大EC值逐渐减小，这是因为只滴了肥料，后期没有滴水，盐分还停留在土壤浅层，向下迁移较慢；其余处理随滴灌时长的增加，盐分聚集深度增加。W1、W2、W3 处理前期滴水相同，后期滴水时长逐渐增加，其盐分聚集深度随后期滴水时长的增加而增加；W2、W4 处理前期滴水时长不同，后期滴水时长相同，其变化规律一致，盐分聚集深度随灌水时长的增加而增加。

图5 滴灌完成时土壤垂直方向水分、盐分变化规律Fig.5 The changes of soil water and salinity in vertical direction after drip irrigation

2.2.2 CK处理水分、盐分变化规律

由图6 可知，在只滴肥料时（CK），随着滴灌时间的增加，在水平方向和垂直方向土壤含水率、EC值逐渐增加。土壤垂直方向5 cm 深度初始EC值为0.02 mS/cm，滴肥10、20、30、40 mim 后变化为0.34、0.42、0.41、0.41 mS/cm，随着滴肥的进行盐分向水平和垂直方向迁移，盐分分布范围逐渐增大；滴肥40 min 结束后未出现盐分聚集现象。再分布12 h、24 h 后，盐分主要分布在水平方向（距离滴头的距离）0～10 cm，竖直方向（距离滴头的距离）10 cm左右。

2.2.3 不同滴灌施肥处理土壤含水率分布

在滴灌施肥开始到结束24 h 后持续监测各处理不同位置的土壤含水率，分布状况见图7。滴灌条件下4 种不同的施肥方式（W1、W2、W3、W4）对于土壤含水量的分布影响不大，含水量的分布均呈现出以滴头为中心，随着距滴头距离的增加土壤体积含水量逐渐降低，由于土壤初始含水率不同，土壤含水率变化范围在0%～35.8%。各处理相比，随着滴灌时长的增加，土壤含水率在水平方向和垂直方向分布逐渐增加。

图7 不同处理下水分空间分布变化规律Fig.7 Variation of spatial distribution of water under different treatments

2.2.4 不同滴灌施肥处理土壤盐分分布

在不同滴灌施肥方式的处理下，盐分分布明显不同，分布状况见图8。在水平方向，土壤盐分从滴头处呈现逐渐增大的分布特征；在垂直方向，土壤盐分从地表到深层呈现先逐渐增大后减小的分布特征。

在前期滴水时长相同后期滴水时长不同时（W2W4），前期滴水完成后W2W4 变化大致相同，开始滴水时，土壤中EC值有变化，但是不太明显，这是因为灌溉水自身含有一定量的盐分，滴水完成后盐分分布在垂直方向0～10 cm 左右；开始滴肥后，盐分向水平方向和垂直方向继续扩散，范围逐渐增大，滴肥10、20、30、40 min 后盐分分别在垂直方向10、10、15、15 cm 处聚集，水平方向距离滴头越远盐分含量越小；随着后期滴水时长的增加，盐分继续向水平方向和垂直方向迁移。W2 后期滴水完成后，盐分聚集在垂直方向15 cm左右处，再分布12 h、24 h 后，土壤中盐分继续向水平方向和垂直方向迁移，再分布12 h 后，在垂直方向20 cm 聚集，分布在水平方向0～13 cm 处，再分布24 h 后垂直方向主要在20～25 cm 左右聚集。W4 后期滴水10 min 后，土壤中盐分含量变化不明显，滴水30 min 后，盐分向土壤深处迁移，聚集在垂直方向15～20 cm 处，在滴灌完成后，再分布12 h、24 h 后，土壤中盐分继续向水平方向和垂直方向迁移，再分布12 h 后，在垂直方向25～30 cm 聚集，分布在水平方向0～10 cm 处，再分布24 h后垂直方向主要在30 cm 左右聚集。

前期滴水时长不同后期滴水时长相同时（W1、W2、W3），前期滴水随着滴水时长的增加，在水平方向和垂直方向盐分分布范围在变大，中期随着肥料的施入，盐分随水不断向土层深处迁移，并出现聚集。后期滴水10 min 后，土壤中盐分含量变化不明显。W1滴灌完成后，再分布12 h、24 h后，土壤中盐分向水平方向和垂直方向迁移，在水平方向5～15 cm，垂直方向20 cm 左右聚集。W2 再分布12 h、24 h 后，土壤中盐分继续向水平方向和垂直方向迁移，再分布12 h 后，在垂直方向20 cm 聚集，分布在水平方向0～13 cm 处，再分布24 h 后垂直方向主要在20～25 cm 左右聚集。W3 再分布12 h、24 h后，土壤中盐分向水平方向和垂直方向迁移，在水平方向0～10 cm，垂直方向20～25 cm左右聚集。

3 讨论

3.1 对湿润体、水分、盐分迁移的影响

滴头流量、灌水量和土壤质地等是影响湿润体的重要因素。本文研究与前人基本一致[13-18]，随着滴灌时长和灌水量的增加，土壤含水量也随之增加，湿润体逐渐增大，开始时水平扩散距离大于垂直入渗距离，随着时间的延长，垂直湿润锋扩散速度大于水平扩散速度，这主要是因为受到重力势的影响，随着入渗过程的进行，重力势与土壤基质势相比，所起的作用越来越重要。湿润锋形状与程平等研究结果相一致[19]。盐随水走，这是盐分在土壤中迁移的主要方式，因此影响水分迁移的因素也会影响盐分的迁移[5]。灌水量过大会造成过多水分、盐分向土壤深层迁移，尤其在后期滴水时间过长，肥料随时间再分布向土壤深层迁移，不仅降低了水分的利用率，同时也导致肥料的淋失。本研究结果表明前期滴水时长对盐分在水平方向迁移的影响较大，后期滴水时长对盐分在垂直方向迁移影响较大。水分和盐分的迁移不仅仅受到滴灌时长和灌水量的影响，还受到滴头流量的影响，苏振娟等[20]研究发现，影响土壤含水率的主要因素之一就是滴头流量的变化，浅层土壤含水率随滴头流量的增大而逐渐增大，且在竖向的含水率高于水平方向。孙浩等[21]研究发现，随着滴头流量的增大，会诱导根系向浅层土壤分布，深层根质量所占比率逐渐下降。因此在滴灌时也应充分考虑并控制好滴灌的压力进而控制滴头的流量，对水分和盐分在土壤中的分布也是极其重要的，能够避免由于滴头流量过大导致水分在浅层土壤分布范围较大，不仅仅会造成水分和肥料浪费，更会导致根系分布较浅，影响烟株生长。因此在烟叶生产实践应用中应根据烟株需求合理控制各个时期滴灌时长，进而满足烤烟对水分和养分的需求。

3.2 土壤水、肥分布与烤烟根系匹配适宜性分析

烟草的根属圆锥根系，由主根、侧根和不定根三部分组成。烟草主根不明显，侧根和不定根是根系的主要组成部分，根系的密集范围比分布范围小得多，黄泽春等[22]研究表明烟草根系主要分布在0～20 cm 土层，30 cm 以下仅有少量分布，呈“干”型结构，烟草根系的最大分布深度略小于最大分布宽度。戴冕[23]认为，主要的吸收根系多在茎基周围15～20 cm 范围内。在大田生产中由于距地表20 cm 以下一般存在一个紧实的犁底层，根系难以下扎，因此烤烟的根系分布实际上以在距地表15 cm 左右的侧向分布为主。也有研究认为烤烟根系密集深度约在地表以下40 cm，密集宽度在距茎周40 cm 范围，打顶以后有根系伸长到40 cm 以下或40 cm 以外[24]。本研究表明滴肥方式为前期滴水30 min、中期滴肥40 min、后期滴水30 min 时，在滴灌完成后，水分水平扩散距离为20 cm 左右、垂直扩散距离为30 cm左右，盐分水平扩散距离为20 cm左右、垂直扩散距离为25 cm 左右；土壤中盐分继续向水平方向和垂直方向迁移，再分布24 h后，盐分垂直方向主要在30 cm 左右聚集。根据前人对于烟草根系分布特点的研究结合本文研究结果，认为在烤烟旺长期适宜的滴肥方式为前期滴水30 min、中期滴肥40 min、后期滴水30 min。因为烤烟在大田生长过程中，滴灌过后，由于土壤会因为地表蒸腾作用导致水分向土壤表层迁移，肥料也会随着水分的迁移而向上迁移，所以在滴灌时适时控制滴灌时间，使肥料能够向土壤下层迁移，分布在根系吸收养分主要区域稍下方，能够让肥料随着时间而缓慢的被根系吸收利用，不仅仅能够促进根系的生长和根系对肥料的吸收，更有利于烟株根系深扎，提高肥料利用率。但是对于具体施肥策略对烤烟根系分布的影响有待后人进一步研究证明。