水肥耦合對膜下滴灌甘藍根系生長和土壤水氮分布的影響

吳現兵，白美健，李益農，杜太生，章少輝，史 源

水肥耦合對膜下滴灌甘藍根系生長和土壤水氮分布的影響

吳現兵1,2,3，白美健1※，李益農1，杜太生3，章少輝1，史 源1

（1. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2. 河北農業大學城鄉建設學院，保定 071001；3. 中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083）

水肥施用制度是影響水肥利用效率和作物產量的主要因素。該研究主要針對大棚種植甘藍膜下滴灌下采用不同水肥施用制度時作物根系生長和土壤水氮分布開展試驗觀測分析，在已有研究推薦的氮肥用量范圍中選取了3個氮肥用量（200、300和400 kg/hm2）與制定的灌水方案（上/下限：90%θ/75%θ、100% θ/85% θ和100% θ/75%θ，θ為田間持水率）建立了低水高肥、高水低肥和中水中肥3種水肥施用制度方案，在水利部節水灌溉示范基地大棚內開展了2 季田間對比試驗。試驗結果表明：較高的灌水下限（85%θ）會增加甘藍根系在0～20 cm土層中的分配比例，較高的水肥用量能增加根系質量；處理2（高水低肥）的灌水施肥制度可使根系層土壤保持較高的含水率和較小的變異系數，且灌溉水向深層滲漏不明顯，生育期內各處理土壤硝態氮和銨態氮的變化主要發生在0～40 cm土層，40 cm以下土層變化較小，而對于根系98%以上分布在40 cm以上土層的甘藍來說，這有利于根系對N素的吸收利用，從而提高甘藍對氮素的利用效率；施肥時灌水量較大會引起硝態氮和銨態氮向深層淋失的危險，且300和400 kg/hm2的施氮量在作物收獲后土壤表層硝態氮殘留量較大。綜合分析，該試驗認為甘藍適宜的施氮量200 kg/hm2，適宜的灌水下限85%、灌水上限100%，該結果可為設施膜下滴灌甘藍水肥管理和減輕農業面源污染提供技術參考。

灌溉；土壤含水率；氮；水肥耦合；膜下滴灌；甘藍；氮素分布；根系生長

0 引 言

在影響作物生長的諸多因素中，水、肥是能夠人為大幅度調控的關鍵因子。在實際農業生產中人們為了獲得可喜產量，過量用水和施肥已成為農業生產常態，這不僅造成了水、肥的嚴重浪費，更重要的是造成水資源過度開采利用和農業面源污染引起的水土環境惡化。已有研究成果發現，在北方許多農業集約區由于過量施肥造成地下水硝酸鹽含量超標，最大超出允許含量的6倍[1]，且蔬菜種植區土壤硝態氮累積量遠高于小麥、玉米等糧食作物種植區[2]。為了尋求作物對水肥的用量閾值，近些年許多學者在小麥[3-4]、玉米[5-6]、番茄[7-9]、黃瓜[10]等多種作物上開展了研究工作，也有一些學者通過建立數學回歸方程提出所研究作物較優的水、肥用量區間[11-13]。甘藍作為種植規模較大的葉菜類蔬菜之一，一些學者對其進行研究，提出了較優施氮范圍在150～450 kg/hm2之間[14-18]。已有研究主要針對所研究作物建立不同的水肥耦合方案，然后通過試驗分析提出不同種植模式和灌水方式下較優的水肥組合，由于氣候條件和試驗方案制定的局限性，不同學者對同種作物研究結果不盡相同。而在已有研究認為較優的水肥用量基礎上，建立不同水肥施用制度對作物根系分布和土壤中水氮分布的影響等方面的研究卻報道較少。不同的水肥施用制度引起土壤中水氮分布差異、進而引起根系分布差異，最終造成產量差異。為了因地制宜的提出較為合理的水肥管理制度，探明土壤中水氮和根系分布對其協同響應規律則是十分必要的。

本文在已有研究推薦的氮肥用量范圍基礎上，選擇高、中、低3個施氮量與制定的灌水方案結合，提出低水高肥、高水低肥和中水中肥3種水肥施用制度，對大棚膜下滴灌種植的甘藍開展田間對比試驗研究，分析土壤中水氮和甘藍根系分布對不同試驗方案的協同響應規律，提出了膜下滴灌甘藍適宜的水肥施用制度，為京津冀地區甘藍生育期內水肥管理和減輕農業面源污染提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在中國灌溉排水發展中心節水灌溉示范基地的塑料大棚內進行。該基地位于北京市順義區高麗營鎮，116°34′52″N，40°8′20″E，屬暖溫帶大陸半濕潤季風氣候，多年平均溫度11.2 ℃，多年平均降水量625 mm。試驗分兩季進行，第1季（春季）在1號大棚內進行，第2季（秋季）在2號大棚內進行，兩大棚相距3 m。試驗開始前，分別在2大棚內選點取土風干碾碎過篩，用馬爾文激光粒度儀測得0～60 cm土壤顆粒組成、田間持水率和土壤容重數據見表1。耕層土壤初始硝態氮質量分數41.50 mg/kg，銨態氮質量分數6.21 mg/kg，pH值8.04。灌溉水源為深井，水源距試驗點距離約100 m。

表1 大棚土壤主要特性參數

1.2 試驗設計

春季試驗甘藍品種為超級春豐，2017年2月8日播種，3月29日移栽，6月3日采收；秋季試驗供試品種為中甘201（為當地常種品種），2017年7月22日播種，8月25日移栽，10月28日成熟采收。試驗施N量方案制定參照已有試驗研究成果建議的施N范圍[14-18]，并考慮地域特點、當地種植管理習慣和自身研究目的等因素，結合設定的不同灌水上、下限，最終制定了3個水肥施用制度開展田間對比試驗，3個試驗處理分別為低水高肥（處理1，F11、F21）、高水低肥（處理2，F12、F22）、中水中肥（處理3，F13、F23）。3個處理的施肥時機、施肥量和灌水上、下限詳見表2，灌水施肥日期和次灌水施氮量見圖1所示。

表2 甘藍不同水肥處理方案

注：F11、F12、F13分別為春季（2017年03月-2017年06月）試驗中的處理1、處理2和處理3，F21、F22、F23分別為秋季（2017年08月-2017年10月）試驗中的處理1、處理2和處理3；θ為田間持水率。

Note: F11, F12 and F13 are treatment 1, treatment 2 and treatment 3, respectively, in the spring experiment (March to June 2017), while F21, F22 and F23 are treatment 1, treatment 2 and treatment 3, respectively, in the autumn experiment (Aug. to Oct. 2017).is the field capacity.

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

注：春季，將3月23日作為第1天開始起算；秋季，將8月18日作為第1天開始起算。

Note: Spring cabbage, starting from March 23 as the first day; Autumn cabbage, starting from August 18 as the first day.<

圖1 甘藍生育期灌水施肥時間和累積灌水量及累積施N量

Fig.1 Irrigation and fertilization time, cumulative irrigation and cumulative N application amount during growth period of cabbage

計劃次灌水量用下式進行計算

本試驗磷設定為100 kg/hm2（含P2O5），鉀為150 kg/hm2（含K2O），各處理不設差異，其中磷肥全部作為基肥在甘藍移栽前一次性施入，鉀肥40%作為基肥，40%在結球初期、20%在結球后期作為追肥隨水施入。N、P、K肥分別選用當地常用的尿素（N≥46%）、過磷酸鈣（P2O5≥16%）和硫酸鉀（K2O≥50%）。

兩季試驗所用試驗場地如圖2所示，大棚長35 m，寬6 m。3個處理各設3次重復，共9個小區，根據大棚面積，確定每小區寬2.8 m，長5 m，共14 m2，各處理之間間距1 m，為避免灌水互滲的影響，在各處理之間挖溝埋設5 m × 0.6 m的塑料布進行截滲。另外，為減輕外界對試驗的影響大棚兩側分別留2和2.2 m的空地進行保護。兩季試驗均采用膜下滴灌施肥方式，內鑲貼片式滴灌帶標稱直徑16 mm，滴頭間距0.3 m，設計出流量1.7～2.0 L/h，實測出流量平均1.8 L/h。各處理甘藍均采用寬窄行種植模式，窄行40 cm、寬行60 cm，株距40 cm。灌水施肥首部樞紐裝設了3套文丘里施肥裝置+施肥桶，灌水量由裝置在首部的水表進行量測。

注：圖中F11-1表示春季試驗處理1中第1個重復，F11-2表示春季試驗處理1中的第2個重復，以此類推。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 甘藍根系質量測定

甘藍收獲后，每個小區隨機選取3棵甘藍作為代表，以甘藍根為中心挖長×寬為40 cm × 40 cm的坑取根進行測量，挖深共60 cm，每20 cm為一層。為了盡可能的將根從土壤中取出，挖出的土壤先放入桶內浸泡1 h以上，之后過篩并撿去根中的雜質，然后用清水沖洗2遍后帶回實驗室用濾紙吸干根系上附著的水分，用精度0.01 g的電子秤稱鮮質量后，放入烘箱105 ℃殺青30 min，然后用60 ℃烘干為恒質量，再稱量其干質量。

1.3.2 土壤含水率測量

甘藍生育期內平均每隔2～3 d用Trime-PICO-IPH測量土壤（體積）含水率。

1.3.3 土壤氮素指標測定

土壤硝態氮和銨態氮含量的測定：在甘藍移栽前、收獲后及生育期內（蓮座期、結球初期、結球后期）灌水施肥前和施肥2 d后分別用土鉆取土，20 cm為一層，取深共1 m，將土樣在陰涼處風干后研磨過2 mm篩后用自封袋進行封存，兩季試驗結束后將這些樣品用KCl溶液浸提后提取上清液用流動分析儀（Auto Analyzer 3，德國BRAN+LUEBBE公司）量測溶液中硝態氮和銨態氮含量，然后換算為土壤中硝態氮和銨態氮含量。

1.4 數據分析方法

試驗數據的記錄、整理和計算在Excel 2016中進行，方差分析和繪圖分析分別采用SPSS 22.0統計軟件和Origin 8.0繪圖軟件。

2 結果與分析

2.1 甘藍根系隨土壤深度分布

作物收獲時通過實際挖根發現，兩季試驗的3個處理最大根系深度都在70 cm以內。表3給出了不同處理下不同土層根系鮮質量和干質量。由表可知，在60 cm深土層內根鮮質量90%以上集中在0～20 cm土層內，且根總鮮質量F13顯著高于F11和F12，分別高出18%和22%。各土層各處理之間根鮮生物量均是F13>F11>F12，其中0～20 cm土層差異顯著，其他土層數值比較接近，未達到顯著差異（> 0.05）。

由于種植品種和季節不同，秋季試驗各土層根鮮質量3個處理相差不大，均未達到顯著差異水平（> 0.05）。就各土層根鮮質量占總質量比例來看，兩季試驗0～20 cm土層都是處理2（F12、F22）最大，>20～40 cm和>40～60 cm土層處理2最小。

表3 不同處理甘藍根系鮮質量和干質量隨土層深度分布

注：表中同一列數字后不同字母表示處理之間存在顯著差異（< 0.05），下同。LR表示其他處理相對于處理1根鮮質量的相對損失率。

Note: Different letters in the same column show significant differences between different water and fertilizer treatments (< 0.05), the same as below. LR indicates the relative loss rate of the fresh roots weight in treatments relative to treatment 1.

對于干質量，春季甘藍各土層均是F13最大，F12最小，但差異不顯著。秋季甘藍0～20和>20～40 cm土層根干質量F23值最大，但差異不顯著，>40～60 cm土層各處理值都很小，但F21和F22的差異達到了顯著水平（< 0.05）。秋季與春季相比，秋季甘藍根總質量不但遠小于春季，而且秋季甘藍根總體分布較春季更淺。

綜上，根鮮質量和干質量在土層中的分布與水肥施用量之間均存在一定響應關系，尤其是春季試驗較為明顯，F12由于灌水下限較高，灌水頻次高于F11和F13，使得根系分布相對較淺，0～20 cm土層占得比重最大，而F13為中水中肥方案，60 cm土層內根總重最大。秋季甘藍由于品種與春季不同，根系質量遠小于春季甘藍，且根鮮質量與水肥的響應關系不明顯。

2.2 甘藍生育期土壤水分分布

圖3給出了春季和秋季0～60 cm土層土壤（體積）含水率在甘藍生育期的變化情況，表4給出了相應的統計參數。甘藍移栽時為了保苗一次灌水30 mm，0～60 cm土層均達到了田持，由于苗期甘藍需水量較小，且采用地膜覆蓋，所以從苗期開始土壤含水率雖總體在下降，但下降速度梯度較小，且越往深層土壤下降越慢，進入蓮座期后甘藍耗水量逐漸增加，從蓮座中期開始各處理0～20 cm土層土壤含水率逐漸達到灌水下限并進行灌水。總體來看，春季甘藍F12各層土壤平均含水率較高，F13次之，F11最小，尤其在0～20和>20～40 cm土層較為明顯；秋季甘藍F22各層平均含水率均高于F23和F21，F23在>20～40 cm土層平均含水率明顯高于F21，但0～20和>40～60 cm土層2個處理相差不大。

從含水率在生育期波動情況看，0～20 cm土層明顯較大，隨著土壤深度加深波動減小，0～20 cm土層處理3（F13、F23）明顯波動較大，處理2（F12、F22）由于灌水下限最高，波動較小。由表4可看出，F12和F22各層平均含水率都高于其他2個處理，且變異系數C相比其他2個處理最小，F11和F21平均含水率最低，C最大。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

表4 甘藍生育期0～60 cm土壤（體積）含水率均值和變異系數Cv

2.3 甘藍生育期土壤硝態氮和銨態氮分布

2.3.1 土壤硝態氮分布

春季甘藍，各處理按量施基肥后對農田進行了翻耕，第7天（3月29日）對甘藍進行了移苗，并澆了定值水30 mm。由圖4a可知，因為施了基肥在第7天灌水前取土測得土壤硝態氮含量相比第1天0～20 cm土層顯著增大，>20～40 cm土層也有明顯增大，40 cm以下土層硝態氮含量沒有明顯變化，在甘藍苗期向蓮座期過渡的第23天（4月14日）測得0～100 cm土層土壤硝態氮均存在不同程度的增加，其中0～60 cm土層增加明顯，其原因主要有二：一是定值水灌水量較大，使得基肥中的尿素態氮轉化為硝態氮后隨灌溉水向深層淋失；二是甘藍在苗期對氮的需求量較小，基肥施入土壤的氮只有少量被根系吸收利用，剩余大部分在土壤中累積。進入蓮座期后，甘藍株高、莖粗、葉片數及葉面積均開始迅速增加，土壤硝態氮含量開始迅速降低，隨著各處理進行追肥，土壤硝態氮含量呈現出波動現象，但由于F11和F12次灌水量較少（2個處理最大次灌水量均為14.12 mm），硝態氮的增加主要表現在0～40 cm土層，40 cm以下土層變化較小，而F13次灌水量較大（次最大灌水量為23.54 mm），在第46天（5月7日）追肥后，在第49天測得各土層硝態氮含量均有不同程度增加（與第46天追肥前相比），0～40 cm土層增加最大，>40～60 cm土層增加了89.20%，>60～80 cm土層增加了46.83%，>80～100 cm土層增加了53.04%，由此可見，F13的灌溉水有部分向深層進行了滲漏，并使得尿素隨水向深層淋失，經水解后轉化為銨態氮，進而通過土壤中硝化細菌硝化后轉變為硝態氮。F13在第56天進行追肥，在60 cm以下土層未發現硝態氮含量升高，主要是由于追肥時土壤未達到灌水下限，次灌水量僅為14.8 mm。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

秋季甘藍施基肥后對農田進行翻耕，第8天（8月25日）對甘藍進行了移苗。由圖4b可知，追肥后在第8天測得土壤中0～40 cm土層硝態氮含量顯著增加，60 cm以下土層無明顯變化，與春季甘藍不同的是在苗期向蓮座期過渡的第28天（9月14日）測得0～40 cm土層土壤硝態氮含量相比第8天有所減少，分析原因可能有：一是8月下旬至9月初土壤中溫度較高，膜下平均溫度約32.0 ℃，0～40 cm土層平均溫度約26.6 ℃，土壤中硝態氮在較高溫度下分解和轉化較快；二是由于土壤溫度較高，甘藍株高、葉片數等生長較快，相比春季在苗期根系從土壤中吸收利用了較多硝態氮。而40 cm以下土層硝態氮含量增大主要是因為定值水灌水量較大所致。進入蓮座期后甘藍對氮素的需求量逐漸增大，使得土壤硝態氮含量開始迅速降低，隨著各處理進行追肥，土壤硝態氮含量也呈現出波動現象，與春季相比，秋季甘藍的F23兩次追肥時土壤含水量均未達到灌水下限，由于追肥時灌水量較小，因此未出現向深層淋失的現象。

綜上，定值水灌水30 mm偏大，會造成基肥中硝態氮向深層土壤淋失。F13和F23（灌水下限75%θ、灌水上限100%）次灌水量較大，同時進行施肥則將存在灌溉水滲漏并攜帶硝態氮向土壤深層淋失的危險。作物收獲后，0～40 cm土層處理1和處理3土壤硝態氮含量明顯大于處理2，尤其是0～20 cm土層尤為明顯，可見處理1和處理3施氮量存在浪費現象，因此，從土壤硝態氮分布結果看，處理2（高水低肥，如圖1所示）水肥施用制度較優。

2.3.2 土壤銨態氮分布

如圖5a所示，春季甘藍施入基肥后，由于土壤溫度較低尿素水解后形成銨態氮的速率相對較慢，使得在第7天（3月29日）測得各處理下土壤0～20 cm土層銨態氮含量最高，>20～40 cm土層銨態氮含量也有較明顯增加，40 cm以下增加不明顯。之后隨著作物吸收利用和銨態氮在土壤中經硝化細菌硝化后轉變為硝態氮，銨態氮含量開始明顯降低，硝態氮含量逐漸增加（圖4a 在第7～23天之間）。甘藍進入蓮座期后隨著追肥土壤中的銨態氮含量呈波動曲線，但主要發生在0～20 cm土層，在第46天（5月7日）追肥后，F11和F12銨態氮含量增加發生在0～60 cm土層，而F13由于灌水量較大，隨水施入土壤的尿素隨水淋失到了1 m土層深度，之后水解形成銨態氮，>60～80 cm土層銨態氮含量（第49天）相比追肥前（第46天）增加了79.16%，>80～100 cm土層增加了98.63%。

如圖5b所示，秋季甘藍施入基肥后，由于土壤溫度較高，尿素水解后形成銨態氮的速率相對較快，銨態氮在土壤中不穩定，在合適的土壤水分和溫度環境下易揮發流失和硝化形成硝態氮，因此在施肥后第8天（8月25日）測得0～20 cm土層銨態氮含量明顯小于春季甘藍同期數值。秋季甘藍在生育期追肥F21和F22灌水量較小，而F23兩次追肥時土壤都未達到灌水下限，由于灌水量較小，所以各處理在生育期內土壤銨態氮含量變化主要發生在0～40 cm土層，40 cm以下土層變化不明顯。

綜上，定值水雖然灌水量較大造成了硝態氮的深層淋失，但造成銨態氮的深層淋失量較小，主要原因是定值水灌溉時間比施基肥時間晚7 d左右，這時土壤中大部分尿素已轉化為銨態氮和硝態氮，銨態氮與土壤吸附不易隨水流失。作物收獲后3個處理各土層土壤中銨態氮含量均較小且各處理之間差異不顯著。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

2.4 土壤水氮和根系分布對水肥制度協同響應規律分析

次灌水量和施肥量多少會使得土壤剖面上土壤含水率和氮含量分布存在差異，從而對作物根系分布造成一定影響，進而也會影響作物的生長、產量及水氮利用效率。根據以上分析發現，本研究制定的3種水肥施用制度，處理2（F12、F22）相比其他2個處理，雖然總灌水量最大，但由于灌水下限定的較高，使得次灌水量較小，土壤中0～40 cm在甘藍生育期內均保持較高的含水量，硝態氮和銨態氮向60 cm以下土層淋失不明顯，根鮮質量和干質量在0～20 cm土層的分布比例相對較高，最大根深比其他2個處理小7～12 cm。處理1（F11、F21）總灌水量最少，為了獲得更多的水分和養分，使得根系埋深明顯大于處理2，0～20 cm根鮮質量和干質量分布比例均小于處理2，>20～40和>40～60 cm根質量分布比例均大于處理2；雖然處理1施氮量在3個處理中最大，由于次灌水量與處理2相同，使得土壤中氮素向60 cm以下土層淋失不明顯，但春季和秋季甘藍收獲后0～20 cm土層硝態氮殘留量卻明顯大于處理2。處理3（F13、F23）次灌水量最大，使得0～60 cm土層土壤含水率相比其他2個處理波動幅度最大，這也造成土壤氮素隨灌溉水向深層淋失的危險；而且根系最大埋深也明顯大于處理2，根系總質量在3個處理中最大，>40～60 cm土層根質量的分布比例也大于其他2個處理。因此，比較3個水肥施用制度對根系和土壤水氮分布的影響可知，處理2根系和土壤水氮分布均相對較淺，可提高作物對水氮的利用效率。

從產量上看，春季甘藍F12產量最高，為78.37 t/hm2，分別高出F11和F13 5.00和4.91 t/hm2。秋季甘藍F22產量最高，為64.42 t/hm2，分別高出F21和F23 9.36和1.54 t/hm2。由此可見，處理2（F12、F22）的水肥處理方案不僅產量最高，而且水氮主要分布在根系層土壤，甘藍收獲后土壤硝態氮殘留量最低，因此，本研究認為處理2（F12、F22）的水肥施用方案優于其他2個處理。

3 討 論

3.1 不同水肥處理對根系生長的影響

根系是作物從外界吸收水分和養分來維持自身正常生長的重要器官，而根系的發達程度在很大程度上決定于作物生育期內土壤中水分和養分的供應情況，合適的水肥用量可促進根系的生長，但過多或過少的用量則會抑制根系的生長，進而影響作物的生長和產量[19-20]。本研究結果發現，在膜下滴灌條件下兩季試驗3種水肥處理方式甘藍的根系均是主要分布在0～40 cm土層，尤其是0～20 cm土層占比最大，40 cm以下土層根系分布很少，這與前人對甜瓜[20]、南瓜[21]、番茄[22]等作物的研究結果類似。不同水肥處理對根系總質量和在各層土壤分布比例也會產生一定影響，總體來看灌水下限越高，由于次灌水量較小，灌溉水主要分布在上層土壤，使得根系分布相對較淺，最大根深也較小；增加次灌水量，會增加根系在40 cm以下土層的根質量和占比，但不同處理之間（除秋季甘藍的干質量F22顯著小于F21（<0.05）外）均未達到顯著性差異（>0.05）。

3.2 不同水肥處理對土壤水氮分布的影響

土壤水分在土壤剖面上的分布主要受灌水方式、次灌水量、灌水時間間隔及土壤類型等影響，在土壤類型和灌水方式等條件一定的情況下，當灌水上下限相差越小，則次灌水量越小，灌水時間間隔也越小，灌溉水在土壤中的濕潤鋒有向深層土壤運移的趨勢，但速度較慢，土壤水分主要分布在上層土壤；而當灌水上下限相差較大，雖然灌水時間間隔會變長，但由于次灌水量較大，濕潤鋒向深層土壤運移明顯。本研究制定的3個灌水方案，處理3（F13、F23）次灌水量大于其他2個處理，灌水后在60 cm深土層中測得土壤含水率有明顯變化，表明該處理的灌水量有明顯向60 cm以下土層運移的現象發生。

氮肥在追肥時由于隨灌溉水施入土壤，因此氮素在土壤中的運移和分布與土壤水分相似，合適的水肥管理可顯著減少土壤氮素向深層土壤的淋失[23]。但本研究中的F13和F23由于灌水量較大，若按設定的灌水量進行追肥，則灌溉水攜帶尿素向深層淋失，經水解和硝化作用形成銨態氮和硝態氮，使得深層土壤中銨態氮和硝態氮含量增加，這與Vesna Zupanc[24]和Candela[25]等的研究結論類似。由于甘藍的根系主要分布在0～60 cm土層內，因此被灌溉水攜帶進入60 cm以下土層中的氮素被作物吸收利用的可能性將大大降低，作物對氮素的利用效率也會減小。

另外，作物對氮素的吸收利用存在閾值，高于閾值不僅會降低作物產量，還會使作物收獲時土壤中氮素殘留量較大，可能造成土壤環境惡化等一系列問題。本研究在甘藍收獲時土壤硝態氮和銨態氮殘留量見表5，隨著施氮量的增加，土壤硝態氮殘留量增大，而銨態氮各土層不同處理之間數值相差較小，其原因主要是由于銨態氮在土壤中不穩定，極易發生硝化反應轉化為硝態氮所致。由表5可知，各處理硝態氮的殘留量主要集中在0～20 cm土層，20 cm以下土層殘留量相對較低，由于處理2施氮量最小，因此殘留量也最低，且該處理甘藍產量最高，而兩季試驗0～20 cm土層處理1和處理3硝態氮含量均顯著大于處理2（< 0.05），其中處理1是處理2的2.28～2.83倍，處理3是處理2的1.77～2.45倍，由此可見，處理1和處理3施肥存在浪費現象，這不僅會降低氮素的利用效率，而且殘留的硝態氮可能會影響土壤環境和造成地下水污染。劉方春等[26]對小麥收獲后取土測得土壤硝態氮殘留量結果與本研究結論類似，0～20 cm土層硝態氮殘留最大，其次是>20～40 cm土層，40 cm以下土層硝態氮殘留量較少。也有研究表明施氮量是決定土壤硝態氮累積量和殘留量大小的主要因素[27-28]，合適的施氮量可減少0～20 cm土層硝態氮的累積和殘留量，過量的施氮則會顯著增加表層土壤硝態氮的累積和殘留量，尤其是設施蔬菜，由于不合理的施肥，造成土壤硝態氮的殘留量逐年增加，有調查研究發現，陜西省部分地區2 a大棚菜田0～2.0 m土層硝態氮殘留量達1 411.8 kg/hm2，5 a的大棚高達1 520.9 kg/hm2，是一般農田的近6.2倍，其中各土層殘留量占比最大的是0～20 cm土層[29]。顯然，過量的施氮不僅會造成土壤硝態氮殘留量顯著增加，同時也會降低氮素利用效率，并可能引起土壤環境惡化和地下水污染等問題，由此可見，為了保持作物較好的生長環境、合理利用水肥、減少水肥流失、提高水肥利用效率和作物產量，目前亟待解決問題就是研究確定適合區域不同作物生長的最優水肥施用制度。

表5 2季試驗甘藍收獲后0～60 cm土層土壤NO3--N和NH4+-N殘留量

4 結 論

通過在大棚內進行的甘藍膜下滴灌水肥施用制度田間對比試驗，研究了甘藍根系分布及生育期內土壤水分、硝態氮和銨態氮的分布情況，并對土壤水氮和根系分布對水肥制度協同響應規律進行了分析，得出主要結論如下：

1）次灌水量和施肥量是影響膜下滴灌甘藍土壤中根系生長和土壤氮素分布的主要因素。

2）甘藍根系90%以上分布在0～20 cm土層，且較高的灌水上限（處理2）會增加甘藍根系在0～20 cm土層中的分配比例，較高的水肥用量（處理3）可增加根系的質量。

3）高頻灌水方案（處理2）可使根系層土壤保持較高的含水率和較小的變異系數，且灌溉水向深層滲漏不明顯，這有利于作物對水、氮的吸收利用，從而促進作物生長。

4）各種處理下土壤中硝態氮和銨態氮含量在生育期的變化主要在0～40 cm土層波動較大，40 cm以下土層變化較小，而甘藍根系98%以上分布在40 cm以上土層，這有利于作物根系對N素的吸收利用，從而提高甘藍對氮素的利用效率。但處理3設定次灌水量較大存在硝態氮和銨態氮向深層淋失的危險。處理1和處理3施肥量較大，在甘藍收獲時土壤表層硝態氮殘留量較大，存在浪費現象。

因此，通過田間對比試驗和分析，本研究認為京津冀地區大棚種植甘藍，采用膜下滴灌一體化施肥時，高水低肥（處理2）方案較優，即施氮量200 kg/hm2，適宜的灌水下限85%、灌水上限100%。由于試驗方案制定的局限性，該結果認為是由試驗確定的較優方案，進一步可構建模型，通過數值模擬尋求不同條件下最優水肥施用制度和水肥管理模式來精準指導設施甘藍的科學高效生產。

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Effect of water and fertilizer coupling on root growth, soil water and nitrogen distribution of cabbage with drip irrigation under mulch

Wu Xianbing1,2,3, Bai Meijian1※, Li Yinong1, Du Taisheng3, Zhang Shaohui1, Shi Yuan1

(1.,,, 100038; 2.,,071001,; 3.,,100083,)

The water and fertilizer application scheduling is the main factor affecting the efficiency of water and fertilizer use and crop yield as well as the root growth of crops and the distribution of soil water and nitrogen in soil profile. This study focused on the experimental observation and analysis of cabbage root growth, soil water and nitrogen distribution under different water and fertilizer application scheduling with drip irrigation mulch in greenhouse,aiming at putting forward a better water and fertilizer application scheduling for cabbage cultivation in greenhouse in Beijing-Tianjin-Hebei region. Three nitrogen amounts (200, 300 and 400 kg/hm2) were selected from the recommended range of nitrogen application rates in published literatures and three irrigation amounts were determined (irrigation upper/lower limit：90%θ/75%θ, 100%θ/85%θand 100%θ/75%θ, θfis the field capacity.). Then, three schemes of water and fertilizer application scheduling were established: treatment 1 (low water and high fertilizer), treatment 2 (high water and low fertilizer) and treatment 3 (medium water and medium fertilizer), and field comparison experiments for two seasons were carried out in the greenhouse of the Water Saving Irrigation Demonstration Base of the Ministry of Water Resources. The experimental results showed that the root distribution ratios in 0-20 cm and 0-40 cm soil layers of the three treatments were above 90% and 98% (the proportion of total root weight), respectively. However, the distribution ratio of roots in higher irrigation lower limit (85%θ) was higher than that in lower irrigation lower limits (75%θ) in 0-20 cm soil layers. And a larger amount of water and fertilizer (treatment 3) could increase the total root weight.The water and fertilizer application scheduling of treatment 2 (high water and low fertilizer) could keep higher soil moisture content (average value of soil volume moisture content 28.44%-33.48%) and smaller coefficient of variation (0.08-0.13) in 0-60 cm soil layer during the whole growth period, and the leakage of irrigation water to deep layer (below 60 cm soil layer) was not obvious. The changes of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in the soil during the growth period mainly occurred in the 0-40 cm soil layer, and the change of soil layer below 40 cm was small. For the cabbage with more than 98% of the root system distributed in the soil layer of 0-40 cm, this was beneficial to the absorption and utilization of N by the root system, thus improving the utilization efficiency of nitrogen of cabbage. However, larger amount of irrigation water when fertilizing might lead to the leaching of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen to the deep layer (below 60 cm). In addition, after harvesting, the residues of treatment 1 (nitrogen application rate 400 kg/hm2) and treatment 3 (300 kg/hm2) in 0-20 cm soil layer were significantly higher than those of treatment 2 (200 kg/hm2) (< 0.05), of which treatment 1 was 2.28-2.83 times of treatment 2 and treatment 3 was 1.77-2.45 times of treatment 2. The residual nitrate nitrogen might damage soil environment and cause groundwater pollution. Therefore, comprehensive analysis showed that the suitable nitrogen application rate of cabbage was 200 kg/hm2, the appropriate lower irrigation limit was 85%θ, and the irrigation upper limit was 100%θ. This result could provide technical reference for the water and fertilizer management of cabbage with drip irrigation under mulch and reduction of agricultural non-point source pollution.

irrigation; soil water content; nitrogen; water and fertilizer coupling; drip irrigation under mulch; cabbage; nitrogen distribution; root growth

2019-02-04

2019-08-25

國家重點研發計劃（2016YFC0401403）

吳現兵，博士生，主要從事農業節水及水資源高效利用研究。E-mail：wuxb611@126.com

白美健，教授級高工，博士，主要從事灌溉水管理和精細地面灌溉技術研究。E-mail：baimj@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014

S635.1

A

1002-6819(2019)-17-0110-10

吳現兵，白美健，李益農，杜太生，章少輝，史 源.水肥耦合對膜下滴灌甘藍根系生長和土壤水氮分布的影響[J]. 農業工程學報，2019，35(17)：110－119. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014 http://www.tcsae.org

Wu Xianbing, Bai Meijian, Li Yinong, Du Taisheng, Zhang Shaohui, Shi Yuan. Effect of water and fertilizer coupling on root growth, soil water and nitrogen distribution of cabbage with drip irrigation under mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 110－119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014 http://www.tcsae.org