河套灌區控制排水對氮素流失與利用的影響

竇 旭 史海濱 李瑞平 苗慶豐 田 峰 于丹丹

(1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018；2.高效節水技術裝備與水土環境效應內蒙古工程研究中心， 呼和浩特 010018)

0 引言

暗管排水技術得到廣泛認可，并且有著悠久的歷史[1-4]。農田暗管排水使原本潮濕而無法耕種的土壤變得適宜農業生產，并且使得該地區農業長期可持續發展[5]。隨著科技的進步，暗管排水在干旱地區的應用越來越廣泛，該技術提高土壤通透性，確保植物生長[6]，較明溝排水技術排水效果好，并且提高了田間土地利用效率，改善了田間交通能力，為進行耕作、種植和收獲等實地作業提供了通道[7]。暗管排水強度的增加使排出的水體中富含大量的氮素，對地表水水質產生不利影響，使得排水中養分濃度過高[8]，尤其在農田灌溉時期，將土壤中的養分排出土體，降低了肥料利用，導致作物生長受限[9-10]。因此，利用控制排水系統減輕不必要的養分流失和減小環境污染是農業可持續發展的重要措施[11-12]。控制排水通過調整排水出口的高程，來控制水位和出流量，從而減少土壤中水分和養分流失[13-14]，控制排水技術已成為減少農田氮素損失的有效方法[15-17]。

有關控制排水的研究在國內外不斷增多。國外學者利用暗管控制排水技術對土壤氮素[18]、作物產量[19]以及排水量[7，18-20]進行了大量研究。國內也有較多關于控制排水的研究[21-23]，袁念念等[21]研究表明，分生育階段進行控制排水可減小田間地下水位波動，能穩定田間氮素形態、減少氮素流失。殷國璽等[23]研究表明，控制排水措施有效地降低了排水中氮濃度，減少了排水量，從而減少了氮流失量39.1%～53.2%。并且以控制排水氮濃度和土壤入滲為目標函數，建立了既減少氮流失又防止澇漬的多目標控制排水模型，探討了最優的地表控制排水時間。

控制排水是一種新型農田排水管理措施，大量研究結果表明通過該措施可以減少農田排水量，從而減少氮素流失量[19-23]。河套灌區土壤鹽漬化嚴重，造成土壤滲透性很差，一般油葵生長后期，不能進行灌溉，否則會造成嚴重的死苗現象，因此，采用控制排水可為油葵生長后期提供適宜的水分和養分。北方地區不同于南方地區的暗管排水降漬，水鹽從淋洗入滲到進入暗管再到排出暗管的運移過程也不同于南方地區，同時河套灌區受到水資源短缺和土壤次生鹽漬化的雙重威脅，如何實現脫鹽排鹽的同時提高水分、養分利用效率，并減少對環境的污染，是灌區農業生產面臨的最大挑戰。本研究重點探討河套灌區中度鹽漬化土壤不同排水方式對土壤中氮素含量、氮素流失、氮素吸收利用的影響，深入了解排水方式對“土壤-作物-環境”系統的響應規律，進一步分析作物產量、氮肥利用效率及作物收獲后土壤中氮素殘留等的影響，以尋求農田最佳排水方式，減少環境污染的同時提高肥料利用效率。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗田位于河套灌區下游烏拉特灌域內(40°45′28″N、108°38′16″E，海拔1 018.88 m)，為暗管排水綜合試驗區。試驗于2020年5—10月進行，試驗區地處中溫帶大陸性氣候區，氣溫多變，干燥多風，日照充足，光能豐富，降水少，蒸發強，無霜期較短。多年平均氣溫6～8℃；多年平均降雨量196～215 mm、蒸發量2 172.5 mm、無霜期130 d、風速2.5～3 m/s、日照時數3 230.9 h；最大凍土深度為1.2 m。屬于典型的干旱地區。油葵生育季(5—9月)有效降雨量為227.8 mm(圖1)。

1.2 土壤性質

利用環刀在1 m土層內土壤剖面上取原狀土后在室內試驗測土壤容重、飽和(質量)含水率、田間持水率、飽和導水率，共6層(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)，各剖面取3個重復。初始土壤剖面(0～100 cm)平均質量含水率約為22.57%，電導率(EC1∶5)為1.27 dS/m，pH值為8.8左右，根據土壤鹽漬化等級劃分標準[24]，屬于中度鹽漬化土壤。試驗區土壤基本物理性質如表1所示。土壤基礎肥力為有機質、全氮、有效氮、有效磷、速效鉀質量比分別為13.54 g/kg、0.85 g/kg、86 mg/kg、9.432 mg/kg、218 mg/kg。

表1 試驗區土壤物理性質Tab.1 Soil physical properties in experimental area

1.3 試驗設計

試驗選擇田間小區進行，設置4個試驗小區，生育期控制排水深度分別為40 cm(K1)、70 cm(K2)、100 cm(K3)，選擇明溝排水作為對照處理(CK)。其中暗管排水試驗區，每個小區布設2根暗管，暗管埋深100 cm，間距20 m，管徑為80 mm，坡度為0.1%。試驗小區長40 m，寬30 m，每個試驗小區間隔10 m，并在小區周圍設有保護帶，埋設1 m深聚氯乙烯塑料布隔離，防止相互干擾。對照選擇當地常規明溝排水，當地常規排水溝深1.5 m，間距100 m。播種前對試驗區進行了激光平地和鹽堿地改良，試驗區土壤中加入脫硫石膏(30 t/hm2)置換土壤吸附的有害鈉離子；施加細沙(沙丘沙，85.05 m3/hm2)改善土壤通透性，改變土壤性質。暗管排水小區土壤采樣點位布設在距暗管0、2.5、5、10 m，對照區土壤采樣點位布設在距排水溝0.4、12.5、25、50 m處。每個點取3次重復，每隔10 d采集1次，灌水與降雨前后加測。具體布設如圖2(B為暗管間距、L為暗管長度)所示。

2020年5月20日春灌，灌水量為2 050 m3/hm2，6月1日人工施底肥播種，供試作物為油料向日葵(簡稱油葵)，品種為澳33，行距60 cm，株距20 cm，施肥量為尿素(含N 46%)130 kg/hm2，磷酸二銨(含N 18%、P2O544%)290 kg/hm2，硫酸鉀(含K2O 50%)150 kg/hm2，施肥后立即覆蓋地膜進行人工點播，播種后穴口用細砂覆蓋，種植密度4.95×104株/hm2。7月18日油葵現蕾期灌水9 000 m3/hm2，追肥尿素130 kg/hm2，9月29日收獲，油葵生育期劃分為：苗期(6月10日—7月12日)、現蕾期(7月13日—8月4日)、開花期(8月5—26日)、成熟期(8月27日—9月28日)、收獲期(9月29日)。灌溉水為黃河水，礦化度約為0.67 g/L，灌溉水通過水泵抽取，灌水量用水表計量與控制。

1.4 數據采集與測定方法

1.4.1土壤銨態氮和硝態氮含量

土壤養分主要測定硝態氮、銨態氮含量，實驗室內采用氯化鉀溶液提取-分光光度計法測定。

1.4.2產量及植株氮素含量

油葵成熟時，在各小區非邊行選取標準樣株20株，單獨收獲考種測產。用H2SO4-H2O2消煮，靛酚藍比色法測定油葵植株氮素含量[25]，計算公式為

(1)

(2)

式中NHI——氮收獲指數，%

GN——籽粒吸氮量，kg/hm2

PN——植株吸氮量，kg/hm2

PFPN——氮肥偏生產力，kg/kg

Y——油葵產量，kg/hm2

F——肥料純養分N的投入量，kg/hm2

1.5 數據計算及分析方法

采用Excel整理數據和制圖，利用SPSS 17.0軟件進行方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 排水方式對土壤氮素含量的影響

2.2 排水方式對氮素流失的影響

3．用法用量[33]：推薦PEI患者餐中服用胰酶制劑，效果優于餐前或餐后服用[39]。胰酶制劑用量主要取決于其所含的脂肪酶量，成人推薦初始劑量為25 000～40 000 IU脂肪酶/餐，如療效不佳，可依個體增加劑量，最大劑量可用至75 000～80 000 IU脂肪酶/餐(40 000 IU/正餐，2 000 IU/小食)。兒童可給予500～4 000 IU脂肪酶/g膳食脂肪。嬰幼兒推薦500～1 000 IU脂肪酶/g膳食脂肪。嬰幼兒也可予2 000～4 000 IU脂肪酶/母乳喂養或120 ml嬰幼兒配方奶粉。嬰幼兒和兒童的推薦最大劑量為10 000 IU脂肪酶/(kg·d)。

2.3 排水方式對氮素吸收利用與作物產量的影響

由表2可以看出，不同排水方式植株吸氮量存在不同差異，暗管排水處理隨著生育期控制排水深度的增加，植株吸氮量明顯減少，其中K1處理植株吸氮量最大，較K2、K3、CK處理顯著增加17.54%、39.08%、23.47%(P<0.05)，K2處理較K3處理顯著增加18.33%(P<0.05)。CK處理植株吸氮量較K1、K2處理低19.00%、4.80%，與K1處理存在顯著差異(P<0.05)。K3處理由于排水量和氮素流失相對較大，導致植株吸氮量較小。不同排水方式對氮收獲指數的影響與植株吸氮量相比差異性較小，其中K1、K2處理氮收獲指數顯著高于K3處理和CK處理，K1、K2處理較K3、CK處理高15.82%～29.83%(P<0.05)。K1、K2處理對促進氮收獲指數增加有積極作用。

表2 不同排水方式氮素利用效率及產量Tab.2 Nitrogen utilization efficiency and yield of different drainage methods

氮肥偏生產力由大到小依次為K1、K2、K3、CK，控制排水處理(K1、K2)提高氮肥偏生產力3.04%～11.15%，提高了養分吸收量。其中K1處理氮肥偏生產力最大，顯著高于其他處理，分別較K2、K3、CK處理增加4.54%、7.72%、11.15%(P<0.05)。不同排水方式對作物產量具有較大的影響(表2)，K1能顯著提高玉米產量(P<0.05)，較K2、K3、CK處理分別增加4.52%、7.69%、11.14%，同時K2處理產量顯著高于K3、CK處理(P<0.05)，分別較K3、CK處理高3.04%、6.34%，K2、K3處理由于生育期灌水流失大量水分和養分導致作物減產，春灌明溝排水(CK)對鹽分淋洗不充分，油葵受鹽分脅迫，影響出苗以及生長，導致產量較低，這也是導致植株吸氮量、氮收獲指數、氮肥偏生產力較低的主要原因。綜上，生育期控制排水不僅能提高作物產量，還提高了植株利用效率、氮收獲指數和氮肥偏生產力。對作物生長和氮素的吸收利用具有促進作用。其中在生育期控制排水深度40 cm(K1)效果更加明顯，對于本研究K1處理對氮肥的利用效率較好。

2.4 排水方式對土壤中氮素殘留的影響

3 討論

3.1 控制排水對土壤中和流失的影響

3.2 控制排水對土壤中和流失的影響

3.3 控制排水對作物產量的影響

控制排水對不同作物產量有著不同的影響[13]，大多數都有著積極的影響[12,18,29]，但有的研究也表明控制排水導致作物產量減少或者增產不顯著[31]，可能是因為控制排水高度設置過高，或者與土壤中鹽分含量等因素有關。TOLOMIO等[13]研究表明，玉米對控制排水的響應最積極，控制排水技術使玉米產量提高了26.3%，在干旱年份，當作物受到干旱脅迫時，控制排水效果更明顯。NEGM等[32]利用DRAINMOD-DSSAT模型很好地預測了作物產量，研究表明控制排水條件下作物產量明顯高于自由排水。SUNOHARA等[33]研究表明，玉米控制排水較自由排水產量平均增長率為4%，差異不顯著，大豆控制排水較自由排水產量平均增長率為3%，差異不顯著。

適當的控制排水，可以促進作物有效地吸收養分和水分，有利于根系生長，促進干物質積累，從而進一步影響籽粒產量[18]。本研究中，控制排水深度40 cm(K1)較自由排水(K3)顯著增加了植株吸氮量、氮收獲指數、氮肥偏生產力和產量，原因可能為試驗區高蒸發量和土壤肥力較差，使得作物生長中后期需要大量的水分和養分，控制排水深度40 cm(K1)正好為作物生長提供了所需要的條件，使得其氮素利用率提高并且為作物干物質積累提供了有利因素。同時收獲后土壤中氮素殘留情況進一步說明，控制排水殘留在土壤中的氮素大部分被作物吸收和利用，最終使得作物增產。

4 結論

(3)控制排水處理(K1、K2)提高氮肥偏生產力3.04%～11.15%，提高了養分吸收量。生育期控制排水深度40 cm(K1)氮肥偏生產力最大，顯著高于其他處理，分別較K2、K3、CK處理增加4.54%、7.72%、11.15%(P<0.05)。生育期控制排水深度40 cm(K1)能顯著提高玉米產量(P<0.05)，較K2、K3、CK處理分別增加4.52%、7.69%、11.14%。