滴灌灌水下限和避雨栽培對氮素淋失及葡萄產量品質的影響

衛青青，謝建華，劉淑慧，吳文勇，胡雅琪

（1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.北京市大興區種業與植保服務站，北京 102600；3.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100044）

0 引 言

在發展中國家，近20年全球果園的面積和產量分別增長了22.0%和54.3%。當前，葡萄是我國水果種植面積和產量居前6 位的樹種之一[1]，在我國水果生產中占有重要地位。避雨栽培是一種常見的葡萄栽培技術，大量實踐表明，在葡萄藤樹冠之上搭建農用聚乙烯薄膜屋頂[2]，通過使雨水遠離樹葉和果實，可以有效地消除重大病害和裂果發病率[3]，甚至延緩葉片衰老[4]，從而提高果實質量和產量[5]。同時，降雨強度是影響氮素淋失量的主要因素[6]，避雨栽培因為阻斷了強降雨侵蝕，對土壤養分的淋失起到了很好的阻控效果[7]。我國消耗了世界上近三分之一的氮肥[8]，但氮肥的有效利用率仍相對低下[9]，氮素的淋失不但是造成氮素損失的主要途徑[10]，降低了氮肥利用率，而且還會導致生態系統富營養化和水質惡化[11]。研究結果顯示，灌溉量是影響土壤淋失水量的主要因素之一[12]，灌水量和降雨量又是土壤灌溉量的主要來源。我國最新公報顯示，農業用水3 612.4 億m3，與2019年相比，占比增加0.9%[13]，密集灌溉或強降雨條件會增加土壤氮素向地下水的流失[14]，且葡萄對氮素的吸收程度受水氮調控影響極其顯著[15]。因此，研究滴灌灌水下限和避雨栽培對氮素淋失及葡萄產量品質的影響具有重要意義。

氮素淋溶所造成的負面影響，已經引起國內外諸多學者的關注。梁斌等[16]利用滲漏池收集設施番茄在滴灌和漫灌條件下的土壤滲漏液表明滴灌模式相比于漫灌模式在總氮淋失量上減少了20.11%。Lü 等[17]研究了在大棚蔬菜滴灌施肥生產系統中通過減少灌溉和施肥量來顯著減少氮素淋失，結果顯示灌溉量對減少氮素淋失的作用大于氮素的投入。

目前針對果樹如何進行科學合理的氮素淋失阻控措施進而優質高產已受到國內外專家學者的高度關注，對氮素淋失的阻控措施主要有灌溉施肥制度優化、氮肥種類優選、改良土壤特性、配施硝化抑制劑以及耕作與農藝措施，以灌水下限和避雨栽培為影響因素的細致研究相對較少。試驗采用田間水利試驗設施—測坑，可以比較精細的測量作物滲漏水量，從而為研究土壤NH4+-N和NO3--N的淋溶創造了條件。為了研究不同灌水下限和是否避雨處理對土壤氮素流失及葡萄產量品質的影響，本試驗研究了滲濾液中不同形態的氮素和產量品質相關指標，為進一步探索節水減肥機制、阻控氮素淋失和指導葡萄生產實踐提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2021年3月16日至9月30日在國家節水灌溉北京工程技術研究中心龐各莊試驗站（北緯39°35′，東經116°20′）進行。試驗區位于北京市南部的大興區，海拔30 m。該地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均氣溫11.6 ℃，多年平均降雨量556 mm，季節分布不均勻，多集中在汛期6-9月份，約占全年的80%左右，年均水面蒸發量為1 021 mm，陸面蒸發量450 mm，主要土壤類型為砂質壤土和粉質壤土。試驗初期土壤基本理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質Tab.1 Soil fundamental physical and chemical properties

1.2 試驗設計

試驗在尺寸為2.0 m×2.0 m×2.0 m（長×寬×深）的測坑里進行，面積4.0 m2，1.5 m 厚土層，土層表面距坑口0.1 m，底部設有0.2 m 厚底座，底座與回填土之間有0.2 m 厚的無紡布濾層，并安裝排水設施，測坑側向排水管都通向地下觀測室，觀測室內設有滲漏水盛水器。所用測坑為田間水利試驗設施，測坑內土壤回填方式為分層填土、夯實，使坑內的土壤容重、土壤結構等與大田一致，測坑周圍有保護區，且保護區與測坑作物一致。葡萄測坑試驗的研究內容包括：葡萄地土壤氮素在滲漏水中的形態、變化動態、淋溶規律。試驗示意圖見圖1。

圖1 試驗示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of test layout

試驗品種為葡萄“瑞都早紅”（樹齡4 a），南北行向，株行距2.0 m×2.5 m。試驗采用滴灌方式，以灌水下限和是否避雨為影響因素，共設6 個處理，見表2。每個測坑定植一棵葡萄樹，每個處理重復3 次，共18 個測坑。試驗期間分別在葡萄萌芽期、果實膨大期和著色期進行了追肥，每次每棵葡萄樹20 g全元素水溶肥。隔年施用1次有機肥，施用肥料種類為腐熟的雞糞，每公頃施肥量為45 t，采取溝施的方法，在距葡萄植株50 cm 以外開溝，溝寬40 cm，深40～50 cm 左右，將土、肥攪拌后施入。本次試驗前，已于2020年10月施用了有機肥。試驗區土壤含水率采用TRIME-PICO-IPH(德國)土壤水分監測系統測定，在距離樹根30 cm 處打Trime管，每7 d監測1 次，每個測點的測定深度為100 cm，10 cm 為一層，共10層，取其0～80 cm 平均值[18]，試驗各處理組土壤水分上限均設置為田間持水量的100%，且其他田間管理在試驗期間保持一致。

表2 試驗設計Tab.2 Experimental treatment design

1.3 測定項目與分析方法

（1）葡萄測坑土壤淋溶水中銨態氮、硝態氮量的測定。2021年6月27日至9月12日，每日對地下觀測室內滲漏水盛水器中的滲漏水進行監測，記錄每個處理的日滲漏水量，每個處理3 個測坑，并取部分水樣帶回實驗室，樣品儲存于4℃冰箱中。采用AA3 連續流動分析儀（Seal Analytical GmbH）測定土壤淋溶水水樣的銨態氮、硝態氮含量。

（2）產量及品質。待其成熟后測產，于2021年9月1日進行。各處理分別稱量其3個測坑中葡萄的產量，取其平均值作為單株產量，以單株產量通過面積換算獲得總產量。每個處理隨機挑選葡萄3串，檢測果實的內在品質，果實可溶性固形物含量采用手持式折光儀（糖度計）直接測定；維生素C含量采用2，6—二氯靛酚滴定法測定；還原糖含量采用直接滴定法測定；可滴定酸含量采用氫氧化鈉-酚酞滴定法測定。

（3）氣象因子。試驗期間的日最高、最低溫度、降雨量、相對濕度、風速、風向、太陽輻射和蒸發量等氣象因子采用試驗地的無線自動氣象監測站（北京農業智能裝備技術研究中心，綠水WS1800）進行連續監測。

1.4 計算公式及方法

灌水量：取土壤計劃濕潤層0～80 cm 土層測定的土壤含水率為依據，確定灌水時間和灌溉水量，用灌水深度表示[18]，灌水量計算式為：

式中：m為灌水量，mm；α為土壤實測含水率占田間持水率的比值，%；θ為作物生長適宜土壤含水率上限,取土壤田間持水量的100%；p為土壤濕潤比，北京屬于半濕潤地區，再根據《設施農業節水灌溉工程技術規范》北京地方標準中對葡萄土壤濕潤比的取值建議，取30%[19]；H為計劃濕潤層深度，取0.8 m[19]。

氮素累積淋失量：每日對試驗測坑的滲漏水進行監測，記錄各個測坑的滲漏水排水量，再根據其測得的滲漏水NO3--N或NH4+-N濃度，計算氮素累積淋失量：

式中：Nleach為氮素累積淋失量，kg/hm2；S為試驗測坑表面積，cm2；ci為每次淋失溶液NO3--N 或NH4+-N，mg/L；vi為每次淋失溶液體積，mL。

NO3--N淋失率：

式中：Rleach為NO3--N 淋失率；QO為NO3--N 淋失量，kg/hm2；QN為作物施氮量，kg/hm2。

1.5 數據處理

采用Excel 2016 對數據做基礎處理，Origin 2018 作圖分析，SPSS 22.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌水下限和避雨栽培對土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N濃度的影響

整個葡萄試驗地氮素淋失觀測周期內，各處理淋溶水中NH4+-N 和NO3--N 的濃度結果如圖2所示。可以看出，土壤淋失水中NO3--N的濃度明顯高于NH4+-N的濃度。因為土體中的膠體呈負電極，易吸收土壤中的NH4+-N，氮素一般以NO3--N為主要形態淋失[20]。NH4+-N 的濃度變化范圍為1.10～2 758.50 ug/L，而NO3--N 的濃度變化范圍為2.17～130.53 mg/L。T3 和T6 處理淋溶水中NH4+-N 濃度分別比T1 處理高了72.73%、118.18%，且差異顯著。各處理淋失水中NO3--N 濃度分別為30.12±11.12、29.06±7.60、25.78±6.37、25.79±10.69、24.32±11.46、23.82±12.28 mg/L。其中，T5 和T6 處理淋失水中NO3--N 的濃度均顯著（p＜0.05）低于T1 和T2 處理，表明避雨栽培能夠降低土壤淋失水中NO3--N 的濃度，合理降低灌水下限可以進一步降低土壤淋失水中NO3--N的濃度。

圖2 各處理土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N濃度Fig.2 NH4+-N and NO3--N concentration in soil leaching water of each treatment

2.2 不同灌水下限和避雨栽培對土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N淋失量的影響

本次試驗中，觀察到土壤氮素淋失的發生和灌溉降雨事件的時間次序保持一致，灌溉降雨事件直接影響氮素的淋失過程，其中，避雨栽培的3個處理不受降雨事件的影響。如圖3所示，當有大的降雨或灌水事件發生時，NH4+-N 和NO3--N 淋失量都有一定幅度的增加，這與前人結果[21]一致，氮素淋失量受到灌溉降雨事件的極大影響，氮素淋失量的增大與灌溉降雨量的強度呈正相關，其中NO3--N 淋失量受灌溉降雨事件的影響更大一些[22,23]。圖3顯示，8月16日有一場大的降雨事件發生，同時T1、T2、T4、T5 處理還有灌水發生，各處理的NH4+-N 和NO3--N 淋失量均有不同程度上明顯的上升趨勢。當日各處理組NH4+-N 淋失量分別為51.83、29.81、36.69、15.99、10.28、4.01 g/hm2，NO3--N 淋失量分別為8.18、3.94、0.25、1.86、2.05、0.05 kg/hm2，可以看出無避雨處理的試驗組在NH4+-N和NO3--N淋失量方面都比相同灌水下限時的避雨處理試驗組高。NO3--N 易溶于水，隨著降雨量增大，灌水充足，土壤含水率增加，土壤NO3--N 淋失量逐漸增加，同時，NO3--N 累積位置也下移[24]。土壤NH4+-N 和NO3--N 淋失量的增長、降低趨勢基本一致。

圖3 整個葡萄觀測周期內灌溉降雨量和NH4+-N、NO3--N淋失量的變化Fig.3 Changes of irrigation rainfall and leaching loss of NH4+-N and NO3--N during the whole grape observation cycle

2.3 不同灌水下限和避雨栽培對土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N累積淋失量的影響

灌水下限和避雨栽培都能影響土壤氮素的淋失過程。試驗期內觀測NH4+-N 和NO3--N 累積淋失量見圖4。可以看出，無避雨處理的3 個處理NH4+-N 和NO3--N 累積淋失量均大于避雨處理的3 個處理。其中，在相同避雨措施下，灌水下限為70% 時，NH4+-N 的淋失總量最小，T1、T3 處理分別比T2 處理高了0.01、0.09 kg/hm2，T4、T6 處理分別比T5 處理高了0.03、0.02 kg/hm2。表明高灌水和低灌水都容易造成土壤NH4+-N 的淋失量增加。灌水下限為80%、70%和60%的避雨處理在NO3--N 的淋失總量上分別比相同灌水下限的無避雨處理降低了54.16%、58.29%、53.92%。由圖4可以看出，灌水下限能明顯影響土壤NO3--N 累積量，高灌水下限條件下土壤NO3--N 累積量變化比低灌水下限時大，在相同避雨處理的情況下，降低灌水下限，可以有效減少NO3--N 淋失量，T2、T3處理分別比T1處理降低了13.22%、44.67%，T5、T6處理分別比T4 處理降低了21.04%、44.37%。這與前人結果[25]相一致。NO3--N 大量累積是N 素淋失必要條件之一，隨著灌水量的增加，淋失量也逐漸增加，降低灌水下限能夠降低土壤NO3--N的淋失量。

圖4 各處理土壤淋失水中NH4+-N、NO3--N累積淋失量Fig.4 cumulative leaching amount of NH4+-N and NO3--N in soil leaching water of each treatment

2.4 不同灌水下限和避雨栽培對土壤NO3--N 淋失率的影響

旱地土壤的氮素淋失主要是以NO3--N 的形式淋失。向下運移的水流和土壤剖面NO3--N積累是造成NO3--N 淋失的主要條件[26]。有研究表明，減少灌水量可以明顯提高水分利用率和減少NO3--N 淋失率[25,27]。整個觀測周期內NO3--N 淋失率結果如圖5所示。可以看出，NO3--N 淋失率在T1 處理中最高，比其他處理組分別高了25.84%、42.72%、103.16%、109.38%、154.30%。可見在葡萄地生產系統中，灌水下限依然是影響土壤NO3--N 淋失的重要因素，無避雨栽培時，T2、T3 處理的NO3--N淋失率分別比T1處理降低了20.54%、29.93%；避雨栽培時，T5、T6 處理分別比T4 處理降低了2.97%、20.11%，說明相同的避雨措施條件下，淋失水量、NO3--N淋失量及NO3--N 淋失率和灌水下限成正比。而灌水下限設為80%、70%和60%的避雨處理在NO3--N 的淋失率上分別比相同灌水下限的無避雨處理降低了50.78%、39.90%、43.88%，說明避雨栽培可以有效地降低NO3--N的淋失率。

圖5 各處理觀測周期內的NO3--N淋失量和NO3--N淋失率變化Fig.5 changes of NO3--N leaching amount and NO3--N leaching rate in each treatment observation period

2.5 不同灌水下限和避雨栽培對葡萄產量品質的影響

滴灌條件下灌水和避雨栽培對葡萄產量及品質的影響見表3所示。T5處理單位面積產量較T1、T2、T3、T4和T6處理分別高了12 734、3 822、14 099、7 824、13 600 kg/hm2，且差異顯著。通過方差分析得出，土壤水分下限和是否為避雨處理都對葡萄的產量有顯著性影響[28]，這與付詩寧等人[29]所得結論一致，但是二者的交互作用對葡萄產量影響不顯著。各處理組的葡萄果實品質在可溶性固形物和可滴定酸方面沒有顯著差異；T4 和T5 處理的維生素C 含量顯著高于其他處理，分別比T1處理高了19.63%、21.07%；在無避雨的3個試驗組中，T3 處理的還原糖含量分別比T1、T2 處理高了12.74%、25.00%，說明適當的降低土壤水分下限可能會提高葡萄果實的還原糖含量；T5 和T6 處理的可溶性固形物含量高于其他試驗處理組，該結果進一步證明了適當的降低灌水下限可能會提高葡萄的果實品質，且避雨栽培也可能對葡萄果實品質的改善有一定的促進作用，這與郭俊強[30]和劉亞妮[31]所得結論一致；T6 處理可能是由于土壤水分含量較低，受到水分脅迫的影響還原糖含量顯著低于其他處理，避雨處理的3個試驗組可能是由于降低了光照強度，影響了光合作用，在還原糖方面均顯著低于T3處理。

表3 不同處理下葡萄的品質Tab.3 The quality of grapes under different irrigation treatments

3 結 論

（1）整個葡萄試驗觀測期內，灌水和降雨事件引發氮素淋溶，且淋溶的主要形態為NO3--N。土壤淋失水中NO3--N 的濃度明顯高于NH4+-N 的濃度，NH4+-N 的濃度變化范圍為1.10～2 758.50 ug/L，NO3--N 的濃度變化范圍為2.17～130.53 mg/L。

（2）灌溉降雨事件直接影響氮素的淋溶趨勢，且NH4+-N淋失量和NO3--N淋失量的增長、降低趨勢基本一致。

（3）避雨栽培和灌水量的優化能夠較好的降低葡萄滴灌試驗中土壤氮素淋溶的風險。本試驗中，T1 處理的NO3--N 淋溶總量最大，均值為41.06 kg/hm2。與T1處理相比，T2～T6處理中NO3--N 的淋失總量分別減少了13.24%、44.67%、54.17%、63.81%、71.50%。

（4）合理降低灌水下限和避雨栽培可以有效地降低NO3--N 的淋失率。試驗結果得出，T2、T3 處理的NO3--N 淋失率分別比T1 處理降低了20.54%、29.93%；T5、T6 處理的NO3--N淋失率分別比T4 處理降低了2.97%、20.11%。灌水下限為80%、70%和60%的避雨處理分別比相同灌水下限的無避雨處理降低了50.78%、39.90%、43.88%。

（5）在土壤水分下限和是否為避雨處理的影響下，單位面積產量最高的是T5 處理，T1、T2、T3、T4、T6 處理分別比T5 處理低了34.02%、10.21%、37.67%、20.90%、36.33%。可見，過高的灌水和水分的虧缺都不利于葡萄產量的增加。試驗表明，從葡萄產量方面出發，避雨處理優于無避雨處理，灌水下限為70%時是最優灌水量。