洱海流域大蒜水肥綜合調控模式及其節水減排效應

楊 明，張博超，顧世祥，韓煥豪，高 蓉，崔遠來

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650021；3.昆明理工大學農業與食品學院，昆明 650500）

0 引 言

洱海位于大理白族自治州境內，是云南省第二大高原淡水湖泊。近年來洱海富營養化問題日益嚴重，工業、旅游業、農業等排放的氮磷污染物加劇了洱海的水質污染［1］。研究表明，農業面源氮、磷污染物占洱海面源污染物入湖總量的34%、29%，是造成洱海水質惡化的主要原因之一［2］。洱海流域不合理的水肥管理模式不僅造成了水資源的浪費，更增加了肥料的流失風險［3］，氮肥中的很大部分通過揮發、徑流、滲漏等途徑流失［4］。大蒜作為當地典型旱作物之一，其種植具有“大水大肥”的特點。當地農戶為了追求產量的最大化，長期不合理施用化肥以及粗放式的灌水方式導致了土壤生產力下降以及農業面源污染加劇等一系列環境問題［5］。目前針對該流域農田氮磷流失研究多集中于水稻田［6-8］，對大蒜田的研究較少且大多關注不同施肥方式［9，10］或者種植制度［11］，針對大蒜田的水肥綜合調控的研究較少。針對其他旱作物例如小麥、青稞等的水肥調控試驗結果表明適宜的水肥調控模式不僅不會有減產的風險，還會減小由此帶來的環境負荷［12-14］。

為此，本研究以洱海流域大蒜為研究對象，采用田間對比試驗，探究不同灌溉模式以及施氮量對蒜田的產量和節水減排效應的影響，提出考慮節水、穩產、減肥、以及減排效應的大蒜水肥綜合調控模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

洱海流域屬于低緯高原亞熱帶季風氣候，四季溫和，年平均氣溫15.1 ℃，年平均降雨量908.8 mm，冬干夏雨，6-10月集中了全年90%左右的降雨量。洱海流域是云南省重要的農業生產區，大春作物以水稻、烤煙以及玉米為主，小春作物以大蒜和蠶豆為主。

試驗在洱海流域中部的農業農村部大理綜合實驗站內進行。供試大蒜品種為四川溫江紅七星。供試土壤為暗棕壤，0～20 cm 土壤基本理化性質為：pH 7.1、有機質57.3 g/kg、全氮3.31 g/kg、全磷0.97 g/kg、全鉀19.3 g/kg、速效磷35.3 mg/kg、速效鉀72.7 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2019年11月至2020年5月進行。試驗處理考慮灌溉模式、施氮肥水平2 個因素。灌溉模式設2 個水平：常規灌溉W0、節水灌溉W1。灌水方式均為寬壟溝灌，W0 按照當地農民灌水習慣進行灌水，在各個關鍵生育期灌水，每次灌滿溝深則停止灌水，待水分充分入滲；W1 以計劃濕潤層土壤含水率到達田間持水率的70%作為灌水下限，上限為田間持水率。在小區內多個點位不同土壤深度安裝土壤水分數據采集探頭，采用EM50 土壤水分數據采集器對土壤水分狀況進行實時監測，土壤含水率到達灌水下限時灌水，到達土壤田間持水率時停止灌水。每個小區的灌水量由水表計數得到。施氮肥量設3 個水平：當地實際施氮量390 kg/hm2（N0）、當地施氮量的85%（N1）、當地施氮量的70%（N2）。各處理氮肥基追比為6∶1∶2∶1，分別在播種前基施，越冬前、返青期、蒜薹伸長期隨灌水追施。磷肥及鉀肥所有處理施肥量相同，磷肥施用量為P2O5120 kg/hm2，鉀肥施用量為K2O 225 kg/hm2。共設6 個處理，每個處理3 次重復，共計18 個小區，隨機區組設計。小區面積為26.4 m2，長6 m，寬4.4 m。每個小區內設徑流池，在降雨產生徑流后用于收集徑流水量。每個小區設有淋溶水采集裝置在灌水或降雨后用于采集淋溶水樣，該裝置通過放置在離土壤表面50 cm 深處的淋溶水收集盤采集淋溶水，再將淋溶水導入直徑為15 cm 的PVC管中，收集淋溶水。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 樣品采集與測試

每次降雨或灌水后于田間采集徑流水和淋溶水。用取樣瓶在徑流池內多點采集水樣，收集前將水樣盡量混合均勻。淋溶水用小型手提式水泵從收集管內抽取。樣品收集完后在24 h 內完成分析，否則置于4 ℃環境下低溫保存。分別測定水樣的總氮、總磷、硝態氮和銨態氮。總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894-89），總磷采用鉬酸銨分光光度法（GB11893-89），銨態氮采用靛酚藍比色法（GB/T 8538-1995），硝態氮采用紫外分光光度法（HJ/T346-2007）。

作物收獲時用電子秤稱取每個小區的大蒜鱗莖重，并計算每個小區的產量。每個小區取典型植株3 株，洗凈烘干后測定植株的總氮含量。植株總氮測定采用濃硫酸、過氧化氫氧化，自動定氮儀蒸餾的方法。

1.3.2 計算指標與方法

降雨量由自動氣象站觀測；灌水量由每個小區安裝的水表計量；徑流量由徑流池收集并計量；滲漏量由淋溶水采集裝置采集并計量；由于該區域地下水埋深較淺，地下水補給量可根據整個生育期內地下水位采用改進后的阿維里揚諾夫公式來計算得到［15］。蒸發蒸騰量通過水平衡方程計算得到，即：

式中：ET為作物蒸發蒸騰量，mm；P為降雨量，mm；I為灌水量，mm；K為地下水補給量，mm；ΔW為試驗初期和末期計劃濕潤層水分的變化量，mm；C為排水量，包括地表徑流和深層滲漏，mm。

地下水補給量計算公式為：

式中：H為地下水埋深，m；d為作物計劃濕潤層深度，m；Hmax為地下水極限埋深，m；n為經驗常數，與土壤質地和植被有關，一般取1～3。

作物水分利用效率等于作物產量與全生育期蒸發蒸騰量之比［16］，即：

式中：WUE為作物水分利用效率，kg/m3；Y為作物產量，kg/hm2；ET為作物生育期蒸發蒸騰量，m3/hm2。

肥料偏生產力（PFP），指施用某一特定肥料下的作物產量與施肥量的比值，是反映當地土壤基礎養分水平和化肥施用量綜合效應的重要指標［17］。計算公式為：

式中：PFP為肥料偏生產力，kg/kg；F為肥料用量，kg/hm2。

采用式（5）計算氮磷徑流流失量：

式中：L1為總氮、總磷、硝態氮或銨態氮徑流流失量，kg/hm2；CRi為第i次徑流水中總氮、總磷、硝態氮或銨態氮濃度，mg/L；VRi為第i次徑流水體積，L；S為試驗小區面積，m2。

采用式（6）計算氮磷淋溶流失量：

式中：L2為總氮、總磷、硝態氮或銨態氮淋溶流失量，kg/hm2；CLi為第i次淋溶水中總氮、總磷、硝態氮或銨態氮濃度，mg/L；VLi為第i次淋溶水體積，L；S0為淋溶取樣盤的面積，m2。

采用式（7）計算氮盈余：

1.3.3 數據分析

試驗數據采用Excel 2016 進行制表，Origin 2018 進行制圖，IBM SPSS Statistics 24進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同水肥處理下大蒜節水效應

不同水肥處理田間水量平衡要素見表1。由表1 可知，不同施氮水平平均，與常規灌溉W0 相比，節水灌溉W1 下灌水量平均減少31.09%、滲漏量平均減少46.18%、徑流量平均減少10.07%、蒸發蒸騰量平均減少2.46%，即與W0 相比，W1 節水效果極顯著，其中灌水量及滲漏量減少極顯著，徑流量適當減少，但不顯著，蒸發蒸騰量基本持平。表明W1 模式能維持大蒜正常生長發育需要的蒸發蒸騰量，同時顯著減少灌水及滲漏量。

表1 不同水肥處理下大蒜水平衡要素 mmTab.1 Water balance elements of different water-fertilizer treatments of garlic

同一灌溉模式不同施氮水平下，作物整個生育期內灌水量、蒸發蒸騰量差異不顯著。試驗區距洱海較近，地下水位較高，地下水對土壤主要根系層的水分補給較為充足，是作物需水的主要來源之一，因此不同施氮量下土壤水分狀況變化差異較小。本次試驗全生育期地下水補給量達到375.25 mm，不同水肥處理下占整個生育期作物總蒸發蒸騰量的62.47%～64.58%。有研究認為，在作物及其種植方式、氣候因素相同的條件下，灌水充分，則作物蒸發蒸騰量增加［18］。本次試驗結果表明：與W0相比，W1平均蒸發蒸騰量減少了2.46%。差異主要是由于W0與W1相比，在灌溉之后，土壤較濕潤，棵間蒸發強度增大，產生了更多的無效棵間蒸發。

2.2 不同水肥處理下大蒜氮磷流失規律

2.2.1 不同水肥處理下大蒜徑流流失規律

從表2 可知，同一施氮水平下不同灌溉處理氮磷徑流流失量無顯著差異。本次試驗期內僅收集到一次徑流，且由降雨產生，多次灌溉都沒有產生徑流，導致同一施氮水平不同灌溉模式下氮磷徑流流失量無顯著性差異。

表2 不同水肥處理下大蒜氮磷徑流流失量 kg/hm2Tab.2 Surface drainage loss of nitrogen and phosphorus under different water and fertilizer treatment

同一灌溉模式下，N0 處理總氮徑流流失量顯著高于N1 和N2 處理，與常規施肥（N0）相比，N1 和N2 處理總氮徑流流失量分別減少22.49%和44.11%。N0處理的硝態氮和銨態氮徑流流失量均顯著高于N1 和N2 處理，N1 和N2 處理間差異顯著。與N0 相比，N1 和N2 處理硝態氮徑流流失量分別減少23.42%和46.87%，銨態氮徑流流失量分別減少32.04%和45.15%。有研究表明，肥料氮是氮素流失的物質基礎，施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素。本次試驗結果表明施氮量是影響氮素徑流流失量的主要因素之一，減少施氮肥能夠顯著減少徑流中的氮素含量。同一灌溉模式各施氮處理間總磷徑流流失量無顯著性差異。這主要是由于各處理的施磷量相同，且磷肥施入土壤中易被吸附，各個小區徑流中磷素流失量的差異主要受前幾年耕作和施肥等因素的影響。

2.2.2 不同水肥處理下大蒜氮磷淋溶流失規律

灌溉或有較強降雨時產生淋溶，本次試驗周期內共收集到4 次淋溶水。由表3 可知，同一施氮水平不同灌溉模式下，氮磷淋溶流失量差異顯著，節水灌溉模式W1較傳統灌溉模式W0相比，總氮、硝態氮、銨態氮、總磷淋溶流失量分別平均減少53.45%、54.32%、63.97%、48.54%。本次試驗結果表明，灌溉模式是影響氮磷淋溶流失量的重要因素，節水灌溉模式能有效減少洱海流域大蒜田氮磷的淋溶流失量，減小氮磷流失風險。其中，氮素淋溶以NO3--N 為主要形態，占比為68.1%～74.02%，NH4+-N占比較小，僅為4.65%～7.12%。

表3 不同水肥處理下大蒜氮磷淋溶流失量 kg/hm2Tab.3 Nitrogen and phosphorus leaching loss under different water and fertilizer treatments

在同一灌溉模式下，大蒜田總氮、硝態氮、銨態氮淋溶流失量隨著施氮肥量的增加而增加，總磷淋溶流失量隨施氮肥量變化差異不大。方差分析表明，施氮肥量對總氮、銨態氮、硝態氮淋溶流失量的影響達到極顯著水平，對總磷淋溶流失量無顯著影響。N0處理的氮素淋溶流失量均顯著高于N1和N2處理，N1和N2 處理間無顯著差異，說明N1 處理能夠滿足大蒜穩產所需要的養分需要，同時顯著減少氮素淋溶流失量。與N0相比，N1和N2 處理硝態氮淋溶流失量分別減少38.58%和45.93%，銨態氮淋溶流失量分別減少33.40%和39.24%。W0 灌溉模式下，減氮15%處理N1 下的總氮淋溶流失量較常規施氮處理N0 相比減少35.01%，減氮30% 處理N2 較常規施氮處理N0 減少42.51%；W1 灌溉模式下，減氮15%處理N1 下的總氮淋溶流失量較常規施氮處理N0相比減少37.43%，減氮30%處理N2較常規施氮處理減少43.47%。與W0相比，W1處理下兩種減氮處理均能夠進一步提高減少氮素淋溶流失量的效果。試驗結果表明當地傳統施肥具有較大的氮素淋溶流失風險，減氮施肥能夠有效地降低氮素淋溶流失量，合適的水肥模式能進一步降低氮素淋溶流失風險。

2.2.3 不同水肥處理下大蒜田氮磷總流失量及氮素平衡

不同水肥處理下大蒜田氮磷總流失量見表4。由表4 可知，相同施氮肥處理下，相比于W0，W1 處理總氮流失量平均減少51.15%，總磷流失量平均減少44.25%。表明相比W0，W1 可有效減少大蒜田的氮磷流失量。不同施氮水平下，總氮流失量表現出隨著施氮量的增加而增加的變化規律。N1、N2 處理總氮流失量較N0平均減少35.73%、42.89%，總磷流失量平均減少26.85%、27.06%，表明相比N0，N1、N2 處理可有效減少大蒜田的氮磷流失風險。

表4 不同水肥處理下大蒜田氮磷總流失量Tab.4 Nitrogen and phosphorus loss under different water and fertilizer treatments

大蒜田氮磷流失以淋溶流失為主，通過淋溶流失的氮磷流失量占總流失量的82.74%～96.32%，要遠遠高于通過徑流流失的氮磷流失量。

由圖1可知，化肥是大蒜田氮素輸入的主要來源之一，灌水輸入僅占大蒜田輸入總氮的0.01%。農田氮素輸出的主要方式以作物吸收為主，本次試驗中不同水肥處理下作物吸氮量達到140～260 kg/hm2，占總氮輸出的50.8%～70.9%；氮素淋溶流失量占總氮輸入的3.96%～12.91%，徑流流失量占比不到0.01%。不同水肥處理的平均氮素盈余量為58.87～141.09 kg/hm2，最低的是W1N1 處理。相較于其他處理，W1N1 處理極大程度上減輕了氮素淋溶和徑流流失的風險。

圖1 不同水肥處理下大蒜田氮素輸入和輸出量Fig.1 Nitrogen input and output in garlic cropland under different water and fertilizer treatments

2.3 不同水肥處理下大蒜產量及水肥利用效率

從表5可知，同一施氮水平不同灌溉模式下，大蒜的產量差異不大。與W0 相比，W1 大蒜產量稍有增加，平均增加0.48%。本次試驗結果中改變灌溉模式不會顯著降低大蒜的產量。

表5 不同水肥處理下大蒜產量及水肥利用效率Tab.5 Garlic yield and water-fertilizer utilization efficiency under different water and fertilizer treatments

同一灌溉模式不同的施氮水平下，大蒜產量差異顯著，表現為N0＞N1＞N2的規律，N1、N2處理下的大蒜產量較N0處理分別減少4.31%、30.59%，說明較高施氮水平下減少施氮量不會顯著影響大蒜產量，但減少到一定程度后氮肥無法滿足大蒜正常生長，會使大蒜產量顯著降低。方差分析表明水肥交互作用對大蒜產量無顯著影響。

同一施氮水平下不同灌溉模式的作物水分利用效率表現出W0＜W1的趨勢。W1提高作物水分利用效率3.07%。同一灌溉模式下不同施氮水平的作物水分利用效率則表現為N0＞N1＞N2，體現出了“以肥調水”效應。但N0 和N1 之間差異不顯著，N2 處理顯著低于N0 和N1 處理。顯著性分析表明灌溉模式和水肥交互作用對作物水分利用效率的影響不顯著，施肥量對作物水分利用效率的影響極顯著。作物水分利用效率最高的處理為W1N0，達到1.294 kg/m3，最低為W0N2，僅為0.902 kg/m3。

氮肥偏生產力最高的處理為W1N1，說明合適的水肥處理可以提高氮肥利用率。顯著性分析表明灌溉模式和水肥交互作用對肥料偏生產力的影響都不顯著，施肥量對肥料偏生產力的影響顯著。

3 討 論

研究表明，灌溉和降雨是促使土壤產生淋溶和徑流的主要驅動力，充分灌溉增加了氮素流失的風險［19，20］。洱海流域旱作物期間灌水次數較少，但灌水強度較大，傳統大水漫灌和溝灌會產生較多的滲漏水，很大一部分灌溉水由于滲漏損失無法被作物吸收利用，造成水資源的浪費。同時，土壤中水分的運動會伴隨著養分的遷移，不合理的灌溉模式還會造成土壤養分的大量流失。本研究結果表明，與常規灌溉模式相比，節水灌溉模式下大蒜田灌溉水減少31.09%，滲漏量減少46.18%，節水效果顯著。由于大蒜生育期內降雨量僅有91.4 mm，且降雨強度較弱，因此該地區地表徑流產生幾率較低，氮磷淋溶流失是旱作物氮磷流失的主要途徑，這與秦雪超等［21］在華北平原小麥季、黃沈發［22］在上海郊區旱作農田的研究結果相同，其指出淋溶流失是小麥季氮素流失的主要途徑。因此要加強旱作期間對氮素淋溶流失的監測和研究。與常規灌溉相比，節水灌溉模式下總氮流失量平均減少51.15%，總磷平均流失量減少44.25%。

肥料氮是氮素流失的物質基礎，施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素［23，24］。洱海流域大蒜田化肥投入量較大，在當地傳統水肥模式下氮素流失風險較大。已有不少研究表明，在洱海流域采用合理的化肥減量施用、有機肥替代化肥等措施既能保證作物穩產，又能有效減少農田氮磷流失風險［25-28］。而在其他地區，駱曉聲等［29］研究發現，通過化肥和有機肥的減施，菜田的硝態氮淋溶流失量平均降低42.8%，總磷淋溶流失量平均降低38%；王立剛［30］等研究表明，在山東桓臺當氮肥投入量高于300 kg/hm2時，作物產量將不再顯著增加，反而會使得氮素淋溶流失量顯著升高。本研究結果表明，在常規施氮肥處理下大蒜田的氮素流失量達到37.77 kg/hm2，而減少15%氮肥處理下大蒜產量僅減少4.31%，氮素流失量減少了35.73%，在作物產量保持穩產的前提下具有顯著的減排效果，表明合理的施肥管理措施是降低大蒜田氮素流失的主要途徑之一。

4 結 論

（1）灌溉模式是影響洱海流域大蒜田水量平衡的主要因素。與傳統灌溉模式相比，以土壤田間持水率的70%為灌水下限，田間持水率為灌水上限的灌溉模式平均節水31.09%。

（2）洱海流域大蒜田在常規施肥和傳統灌溉模式下通過徑流和淋溶流失的總氮量為37.77 kg/hm2，占施氮量的9.69%。減氮15%和30%可使氮素總流失量分別減少35.73%和42.89%。采用節水灌溉模式可使總氮流失量平均降低47.43%。

（3）與農民常規施氮相比，減氮15%處理對大蒜產量影響較小，減氮30%會導致大蒜顯著減產。優化水肥模式能夠有效提高作物水分利用效率和肥料偏生產力，實現水肥的較高利用效率。

（4）綜合考慮節水、減排以及大蒜產量，洱海流域大蒜水肥最優管理模式為，減少常規氮肥用量的15%，采用本文推薦的節水灌溉模式，與傳統水肥模式相比，最優水肥模式下灌水量減少32.03%、產量減少2.63%、總氮流失量減少68.26%、總磷流失量減少43.13%，能夠顯著降低氮磷流失帶來的環境風險。