局部根區(qū)滴灌與穴施尿素對(duì)土壤氮素空間分布的影響

韓國(guó)君，陳年來(lái)，褚 潤(rùn)，孫小妹，任建新，張 莉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

發(fā)展節(jié)水灌溉和高效施肥技術(shù)、推進(jìn)農(nóng)業(yè)化肥減量和節(jié)本增效已是當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的重要任務(wù)之一[1-2]。局部根區(qū)灌溉(Partial Root-zone Irrigation，PRI)是適用于我國(guó)干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，具有可操作性強(qiáng)、節(jié)水優(yōu)產(chǎn)、減少氮淋失等優(yōu)勢(shì)[3]。與充分灌溉相比，局部根區(qū)灌溉的水分側(cè)向入滲明顯、深層滲漏較少，有效減少硝態(tài)氮淋失，并能促進(jìn)土壤下層硝態(tài)氮向上層遷移，增加植物吸收利用氮素的機(jī)會(huì)[4-5]。有研究表明，局部根區(qū)灌溉馬鈴薯節(jié)水可達(dá)30%，土壤殘留氮比充分灌溉減少29%[6]。滴灌施肥(Fertigation)在我國(guó)被稱為水肥一體化，它是一種高效的灌溉與施肥方式[7]。滴灌施肥能顯著減少氮的淋溶損失，增加土壤中有效態(tài)氮的含量，提高作物對(duì)養(yǎng)分的利用率[8]。一次性基施緩控釋肥或減量施氮均可實(shí)現(xiàn)一次性施肥，能維持我國(guó)玉米、小麥和水稻三大糧食作物的產(chǎn)量不降低，減量施氮 20%～37%時(shí)，氮肥利用率提高2.3%～20.4%，顯著減少農(nóng)田氨揮發(fā)、N2O排放、氮淋溶損失[9-10]。一次性穴施尿素在提高土壤剖面氮素合理分布、降低氮素釋放速度[11]、簡(jiǎn)化施肥管理和減少氮素?fù)p失[12]等方面發(fā)揮顯著作用。研究顯示，土壤氮素礦化在表施、深施尿素和灌溉施肥5 d后達(dá)到高峰[13]。氮肥深施15 cm可延緩氮肥釋放、減少氮素淋失量、保證土壤氮素持續(xù)供應(yīng)[14]。節(jié)水減氮有助于發(fā)揮深層累積硝態(tài)氮的生物有效性，增加作物葉片氮的積累量[15]。節(jié)水減氮對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響，但能最大限度地提高作物水氮利用效率[16]。

當(dāng)前，雖然已開(kāi)展較多灌溉與施肥技術(shù)的理論研究，但局部根區(qū)滴灌下穴施尿素、滴灌施肥對(duì)土壤中氮素分布及運(yùn)移的研究鮮有報(bào)道。因此，本文結(jié)合局部根區(qū)灌溉技術(shù)與一次性穴施尿素方式，研究節(jié)水灌溉與減量施肥對(duì)土壤有效態(tài)氮含量及分布的影響，對(duì)于節(jié)約灌溉用水量、減少化肥使用量及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效的實(shí)踐具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

施肥與灌溉試驗(yàn)于2019年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)遮雨棚內(nèi)進(jìn)行，設(shè)穴施尿素和滴灌施肥兩種施肥方式，穴施尿素是一次性將尿素深施至15 cm土層土壤，滴灌施肥是將尿素溶解于水中隨滴灌施入土壤。根據(jù)滴灌范圍劃分成面積為1.2 m ×0.7 m的試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)之間埋深50 cm防滲膜，防止水分、養(yǎng)分相互遷移干擾。在試驗(yàn)地上方搭建遮雨棚的同時(shí)，其頂部及四周皆用塑料膜覆蓋遮雨。

滴灌用醫(yī)用輸液器進(jìn)行模擬，滴頭流量2.5 L·h-1。灌水量根據(jù)實(shí)際土壤含水量、灌水上限(田間持水量的90%)和小區(qū)面積計(jì)算得到，局部根區(qū)滴灌和充分灌溉的一次灌水量分別為7 L和14 L。以純N計(jì)設(shè)常量施肥(240 kg·hm-2)和減量施肥(180 kg·hm-2)兩種施肥量，常量施肥下A1處理為穴施尿素的局部根區(qū)滴灌處理，F(xiàn)1處理為穴施尿素的充分灌溉處理，D1處理為滴灌施肥的局部根區(qū)滴灌處理；減量施肥下A2處理為穴施尿素的局部根區(qū)滴灌處理，F(xiàn)2處理為穴施尿素的充分灌溉處理，D2處理為滴灌施肥的局部根區(qū)滴灌處理，共計(jì)6個(gè)處理(表1)，每個(gè)處理重復(fù)4次。

表1 施肥與灌溉試驗(yàn)處理

1.2 土壤取樣

在灌溉、施肥5 d后用土鉆采集試驗(yàn)小區(qū)的土壤樣品，取樣點(diǎn)、施肥點(diǎn)、滴灌點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。水平方向以滴灌點(diǎn)為0 cm開(kāi)始取土壤樣品，每隔10 cm為一個(gè)采樣點(diǎn)，分別為距離滴頭0、10、20 cm和30 cm，垂直方向由上至下每10 cm取土壤樣品1次，分別為0～10、10～20、20～30、30～40 cm。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)土壤取樣示意圖

用四分法將土壤樣品分成2份，放入自封袋存至4℃冰箱，其中1份用于測(cè)定土壤含水量，另1份用于土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和堿解氮含量的測(cè)定。供試土壤容重1.4 g·cm-3，pH為8.12，田間持水量22%，有機(jī)質(zhì)8.10 g·kg-1，全氮0.62 g·kg-1，土壤銨態(tài)氮9.60 mg·kg-1，硝態(tài)氮10.07 mg·kg-1。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤全氮用半微量開(kāi)氏法測(cè)定；土壤銨態(tài)氮含量用2 mol·L-1KCL浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮含量用紫外分光光度法測(cè)定；土壤堿解氮含量用堿解擴(kuò)散法測(cè)定。土壤礦質(zhì)氮是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 20.0進(jìn)行ANOVA單因素方差分析，用Duncan’s新復(fù)極差法多重比較處理之間的顯著性(P<0.05)和交互作用。用Origin 9.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌水分入滲速率及土壤含水量空間分布

土壤水分入滲速率是單位時(shí)間內(nèi)地表單位面積土壤的滲入水量，用以表征土壤的滲透特性。土壤最初入滲速率非常大，隨后由大變小直至達(dá)到最后的穩(wěn)定值。滴灌土壤水分入滲速率呈先快速下降、而后緩慢減小的趨勢(shì)(圖2)，尤其在滴灌開(kāi)始的10 min內(nèi)土壤的入滲速率變化較快，為0.0154 kg·m-2·s-1，與之相比，30 min時(shí)土壤入滲速率(0.0068 kg·m-2·s-1)下降56%；在120 min時(shí)土壤入滲速率又減小近50%，其值僅為0.0035 kg·m-2·s-1。

圖2 滴灌土壤水分入滲速率

灌水結(jié)束5 d后各試驗(yàn)小區(qū)土壤相對(duì)含水量如表2所示，局部根區(qū)滴灌處理的灌溉濕潤(rùn)區(qū)域與充分灌溉處理的土壤含水量之間差異很小，但2種處理的灌水量分別為7 L和14 L。在距離滴頭0 cm處，局部根區(qū)滴灌(穴施尿素A1/A2、滴灌施肥D1/D2)處理0～10 cm表層土壤含水量顯著小于30～40 cm土層,它們?cè)诰嚯x滴頭水平方向20 cm各土層之間土壤相對(duì)含水量無(wú)顯著差異。

表2 不同施肥與灌溉處理土壤相對(duì)含水量空間分布

2.2 施肥與灌溉對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響

總體來(lái)說(shuō)，在距離滴頭水平30 cm和垂直40 cm范圍內(nèi)(圖3，圖4)，在水平方向上，距離滴頭30 cm土壤銨態(tài)氮含量較小，距離滴頭10 cm土壤銨態(tài)氮含量較大，且銨態(tài)氮含量最大值出現(xiàn)在距離滴頭10 cm下方30～40 cm土層中。說(shuō)明土壤銨態(tài)氮水平遷移較小，其更容易向土壤縱深分布。

注：同列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different letters in the figure indicate significant difference (P<0.05). The same below.

圖4 減量施肥與灌溉下土壤銨態(tài)氮空間分布

比較平均值來(lái)看，在180 kg·hm-2減量施肥下，滴灌施肥D2處理土壤銨態(tài)氮含量平均值為11.99 mg·kg-1，明顯小于穴施尿素A2處理(14.64 mg·kg-1)、F2處理(15.21 mg·kg-1)。而且，滴灌施肥土壤銨態(tài)氮含量的空間變幅為32.77%，大于穴施尿素A2處理(28.20%)、F2處理(25.53%)。但是在240 kg·hm-2常量施肥下，滴灌施肥D1處理、穴施尿素A處理和F處理的銨態(tài)氮空間變幅分別為36.90%、31.94%、33.15%，各處理之間差異較小。總之，滴灌施肥處理土壤銨態(tài)氮含量的空間變幅比穴施尿素大12%～28%，而穴施尿素處理的土壤銨態(tài)氮空間分布更均勻。

2.3 施肥與灌溉對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響

總體看來(lái)，無(wú)論常量施肥還是減量施肥(圖5、圖6)，在垂直方向上，各處理0～10 cm土壤表層硝態(tài)氮含量最大。在常量施肥下，充分灌溉F1處理土壤硝態(tài)氮最大值為27.43 mg·kg-1(在距離滴頭30 cm處)，而局部根區(qū)滴灌A1處理、D1處理最大值僅為19.56、20.73 mg·kg-1(在距離滴頭20 cm處)，它們之間相差24%～29%；同樣，在減量施肥下，充分灌溉F2處理在距離滴頭30 cm處土壤硝態(tài)氮含量最大值為20.73 mg·kg-1，而局部根區(qū)滴灌A2處理、D2處理在距離滴頭20 cm處土壤硝態(tài)氮含量最大值分別為14.33、12.33 mg·kg-1，它們之間相差31%～41%。可見(jiàn)，無(wú)論常量還是減量施肥，灌水量對(duì)土壤硝態(tài)氮運(yùn)移的影響較大。充分灌溉處理土壤硝態(tài)氮在濕潤(rùn)邊界容易產(chǎn)生聚集，且土壤硝態(tài)氮更容易在水平方向上發(fā)生運(yùn)移。

圖5 常量施肥與灌溉下土壤硝態(tài)氮的空間分布

圖6 減量施肥與灌溉下土壤硝態(tài)氮的空間分布

在常量施肥下，充分灌溉F1處理、局部根區(qū)滴灌A1處理和D1處理土壤硝態(tài)氮的空間變幅分別為40.16%、36.59%、39.22%；在減量施肥下，充分灌溉F2處理、局部根區(qū)滴灌A2處理和D2處理土壤硝態(tài)氮的空間變幅分別為38.54%、32.41%、33.77%。當(dāng)施氮量減少25%時(shí)，局部根區(qū)滴灌、充分灌溉和滴灌施肥的土壤硝態(tài)氮含量比常量施肥分別降低了19.64%、22.97%、39.22%。無(wú)論常量施肥還是減量施肥，充分灌溉處理的硝態(tài)氮積累大于局部根區(qū)滴灌處理，灌水量對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響大于施肥處理。

2.4 施肥與灌溉對(duì)土壤堿解氮含量的影響

分析可知，在距離滴頭水平30 cm和垂直40 cm范圍內(nèi)，無(wú)論常量施肥還是減量施肥，各處理之間土壤堿解氮含量差異較小(圖7、圖8)。在常量施肥下，A1處理、F1處理和D1處理土壤堿解氮平均含量分別為127.91、126.32、125.76 mg·kg-1，其空間變異系數(shù)分別為5.67%、8.97%、9.26%；在減量施肥下，A2處理、F2處理和D2處理土壤堿解氮平均含量分別為75.49、77.35、75.07 mg·kg-1，其空間變異系數(shù)分別為9.94%、11.66%、9.90%。無(wú)論是常量施肥還是減量施肥，各處理之間的土壤堿解氮含量差異不顯著。可見(jiàn)，土壤堿解氮空間分布較均勻，灌水量和施肥方式對(duì)土壤堿解氮含量的影響較小。

圖7 常量施肥與灌溉下土壤堿解氮的空間分布

圖8 減量施肥與灌溉下土壤堿解氮的空間分布

2.5 施肥與灌溉對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

由于常量施肥(240 kg·hm-2)與減量施肥(180 kg·hm-2)的施氮量比值為1.33，從尿素轉(zhuǎn)化為土壤硝態(tài)氮的比例來(lái)看(圖9)，滴灌施肥D1/D2處理的斜率1.65，大于穴施尿素的A1/A2處理和F1/F2處理的斜率1.26和1.30。從尿素轉(zhuǎn)化為土壤銨態(tài)氮的比例來(lái)看，滴灌施肥D1/D2處理的斜率為1.73，大于穴施尿素的A1/A2處理和F1/F2處理的斜率為1.31和1.37。說(shuō)明穴施尿素處理土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化得較慢，而滴灌施肥處理轉(zhuǎn)化得較快，造成氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖9 施肥與灌溉對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

由圖9可見(jiàn)，施肥方式即穴施尿素和滴灌施肥對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的速率具有一定影響，由于尿素轉(zhuǎn)化為土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的土層空間含量不同，使得兩種施肥量下尿素轉(zhuǎn)化為土壤礦質(zhì)氮的比值不同，即呈現(xiàn)不同斜率。當(dāng)施氮量減少25%時(shí)，穴施尿素下局部根區(qū)滴灌、穴施尿素下充分灌溉、滴灌施肥下局部根區(qū)滴灌的土壤硝態(tài)氮含量分別減少了19.64%、22.97%、39.22%，土壤銨態(tài)氮含量分別減少了23.28%、26.05%、41.82%。可見(jiàn)，各處理土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的降幅大小順序?yàn)椋旱喂嗍┓氏戮植扛鶇^(qū)滴灌>穴施尿素下充分灌溉>穴施尿素下局部根區(qū)滴灌。因此，滴灌施肥處理土壤礦質(zhì)氮含量變幅大于穴施尿素處理。采用穴施尿素的施肥方式減緩了土壤氮素轉(zhuǎn)化，可以調(diào)控養(yǎng)分的緩慢釋放。

3 討論與結(jié)論

3.1 灌溉方式對(duì)土壤有效氮分布的影響

3.2 施肥方式對(duì)土壤氮素遷移及利用的影響