不同滴灌施肥策略對植煙土壤水、鹽運移及再分布的影響

周 方，席奇亮，薛 剛，徐世曉，楊鐵釗

（1.河南農業大學煙草學院，鄭州 450002；2.浙江中煙工業有限責任公司，杭州 310008）

0 引 言

根系是作物吸收養分和水分最活躍的器官，在作物的生長發育和產量形成過程中起著至關重要的作用[1]。目前，主要的農業措施如灌溉、施肥等都是首先對根系的生長、分布和功能產生影響進而影響到地上部分的生長[2]。滴灌技術是將灌溉與施肥結合在一起對植株進行施肥，實現水肥一體化灌溉[3]，該技術根據煙株生長適時適量的供應根系養分和水分，可以使作物根區的土壤水分保持在最佳水平，從而有利于作物吸收水分和養分，提高作物產質量[4]。而滴灌過程中土壤水鹽運移對作物根系吸收養分尤其重要，水鹽運移包括水分運動和鹽分遷移，其中水分對鹽分運移起著主導作用，即人們常說的“鹽隨水走”[5]。因此滴灌條件下土壤水分、鹽分的運移規律的試驗研究，是正確設計滴灌系統和對田間作物水肥進行精準管理的前提和基礎。已有報道，滴頭流量、土壤初始含水率和土質均會對滴灌條件下土壤水分運移產生影響，隨著滴頭流量的增大土壤水分在水平方向的擴散速度較垂直方向的擴散速度快[6]；初始含水率和灌水量越大，土壤濕潤體越大[7]。孫三民[8]研究發現滴頭流量對濕潤體水鹽運移分布有較顯著的影響，大流量有利于水分、鹽分向水平方向運移和淋洗，而小流量有利于水分、鹽分向垂直方向運移和淋洗；增大灌水量會加大水分向下運移的深度，并增加主要根區的含水率；隨灌水深度的增加，表層根量相對減少，深層根量相對增加，細根分布基本呈現出“寬淺型”向“深根型”發展的趨勢。葛新偉等[9]研究發現土壤養分的空間遷移受不同灌水量的影響較為明顯，隨著灌水量的增加，土壤中速效養分向深層遷移的量也隨之增加。侯振安等[10]通過對不同滴灌施肥方式下土壤水、鹽、氮和棉花根系的分布研究發現在滴灌條件下，氮肥在一次灌溉過程的前期施用有利于提高氮肥利用率，減少氮素的淋洗損失。王全九等[11]研究發現滴頭流量越大積水范圍越大，且積水范圍隨時間呈逐漸增大并逐漸趨于穩定；在滴頭處垂直方向及土壤表面水平方向的濕潤鋒隨時間的變化關系呈冪函數關系。李炎[12]采用電導率法測定土壤鹽分，結果表明土壤電導率變化趨勢大致一樣，在50 cm 以上的土層中電導率逐漸變小，50 cm 以下的土層電導率變化不大，地表的鹽分隨著淋溶過程運移到地下，導致地表的電導率值變小。目前，水肥一體化技術對烤煙根系生長、產量和質量的研究較多，但隨滴灌施入肥料時土壤中水分、鹽分的運移受多種因素影響，尤其是煙草為壟栽作物，滴灌條件下水分、鹽分在壟體中的運移特點更不清楚，且根系具有向水向肥性，關于水肥一體化滴灌條件下滴肥方式對土壤中水、鹽分布及其與烤煙根系關系方面的研究還較少。前人研究多集中在土壤中本身鹽分隨水遷移規律，對滴施肥料后土壤中水分、鹽分變化的研究鮮有報道。因此，本研究以滴施肥料后土壤中鹽分運移情況代表肥料變化情況，旨在探討煙草專用液體肥在不同滴灌施肥策略下對土壤中水分、鹽分分布的影響，以確定適宜烤煙旺長期的施肥方式盡可能地保證肥料隨滴灌施入之后分布在烤煙根系密集區附近，減少肥料的流失及淋溶，為滴灌條件下水肥的合理調控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗土壤取自鄭州市河南農業大學毛莊科教園區（34°51′N，113°35′E）試驗田土壤。取耕層土壤0～50 cm，土壤質地為壤土，基礎肥力指標分別為：pH 值為7.65，有機質含量13.29 g/kg，堿解氮85.06 mg/kg，有效磷（P2O5） 含量14.23 mg/kg，有效鉀（K2O）含量185.2 mg/kg；采用篩分法對土壤質地進行分析，取回后，將土樣置于陰涼處自然風干，過5 mm×5 mm 篩，剔除植物根系等雜物。土壤基本物理特征見表1。

表1 試驗小區土壤營養水平Tab.1 Soil nutrient levels of experimental plots

1.2 試驗設備

試驗使用自行研制的設備，設備由點源供水系統和點源入滲單元體試驗壟體組成，點源供水系統主要由改進的馬氏瓶以及供水滴頭組成。供水滴頭采用醫用注射針頭，目的是為了在入滲時提供穩定和高精度的供水水源。單元體試驗壟體根據點源入滲的特點設計，為防止土體與外界交換溫度，單元體采用雙層設計。圖1為滴灌設備結構及土壤剖面傳感器埋設位置示意圖。

圖1 滴灌設備設置及土壤剖面傳感器埋設位置圖Fig.1 Drip irrigation equipment installation and soil profile sensor buried position map

1.3 試驗方法

試驗設置5個處理，CK(只滴肥料40 min)、W1（前期滴水20 min，中期滴肥40 min，后期滴水10 min）、W2（前期滴水30 min，中期滴肥40min，后期滴水10 min）、W3（前期滴水40 min，中期滴肥40 min，后期滴水10 min）和W4（前期滴水30 min，中期滴肥40 min，后期滴水30 min），每個處理重復3次。滴頭流量的控制是根據水肥一體化設備滴管滴灌流量設定（2.5 L/h）。具體設計見表2。

表2 試驗設計Tab.2 Experimental design

1.4 儀器與觀測

土壤水分監測儀可同時監測土壤中水分和鹽分的變化，用土壤電導率EC(electrical conductivity of soil water)表示土壤鹽分，使用預先安裝在土壤剖面的傳感器（土壤水分監測儀Sensor）直接測定，每個試驗小區有40個測點，即離滴頭水平距離(0、5、10、15、20 cm)和垂直土壤深度(5、10、15、20、25、30、35、40 cm)的正交組合。15 個試驗小區共有600 個測點。測定時間為每次滴灌開始至滴灌完成再分布24 h 后，每隔5 min記錄一次數據。

1.5 數據處理與分析

采用Sigmaplot12.5軟件進行圖表繪制；土壤水分、鹽分的空間分布特征采用地理統計學軟件Surfer11。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌施肥處理濕潤鋒形狀和運移特征

2.1.1 濕潤體的形狀

圖2 為停止滴灌時不同處理下濕潤鋒的形狀，由圖2 可知，隨著滴灌時長的增加，濕潤鋒的形狀出現了不同的變化，濕潤鋒均呈平臥半橢球體分布，各個處理變化規律大致相同，但隨著滴灌時長的增大濕潤鋒的分布范圍逐漸增大；在滴灌過程中，濕潤鋒邊緣呈現不規則狀態分布，主要是由于受到土壤質地和初始含水率影響所導致的。隨著滴灌時長的增加，濕潤鋒的運移范圍逐漸擴大，濕潤體水平方向、垂直方向入滲距離均逐漸增加。

圖2 停灌時不同滴灌時長下濕潤鋒的形狀Fig.2 Movement of wetted f ront in treatments different in drip irrigation time

2.1.2 濕潤鋒的徑向（水平方向）、垂向變化

圖3為不同滴灌施肥處理下，濕潤鋒水平擴散、垂直入滲距離和滴灌時間的關系。不同處理下濕潤鋒水平和垂直方向變化大致相同，隨滴灌時間的增長而增大；在0～20 min 時，水平濕潤鋒增長速度較快，垂直濕潤鋒隨時間的增長速度較慢，這是因為剛開始滴灌時，水分的運動主要是土壤基質勢起主導作用(重力作用忽略不計)，土壤基質勢大于重力勢，在垂直方向入滲緩慢；20 min之后，隨著滴灌時間的增長，灌水量的增加，土壤重力勢和水力梯度逐漸主導水分運移，徑向濕潤鋒增長速度變緩，垂向濕潤鋒增長變快。

圖3 濕潤鋒水平擴散半徑與垂直入滲距離變化過程Fig.3 Transformation of Wetting front horizontal diffusion radius and vertical infiltration distance

2.1.3 濕潤比分析

為了方便進行分析，定義濕潤比為滴灌點源入滲的水平濕潤鋒與垂直濕潤鋒的比值(x/y)，見表3。由圖4 可知，濕潤比隨灌水時間而減小。這是由于，一方面徑向濕潤鋒隨著積水范圍增大趨勢的減小而發展逐漸緩慢，另一方面隨著入滲過程的進行，重力勢與土壤基質勢相比，所起的作用越來越重要。這樣，二者彼此消長，垂向濕潤鋒較徑向濕潤鋒的發展速度增大，濕潤比降低，濕潤比在1.08～4.06 之間。從圖4看壤土的濕潤比隨著灌水時間延長呈遞減趨勢，采用冪函數x/y=AtB形式對土壤濕潤比與灌水時間的關系進行擬合。

圖4 不同滴灌施肥方式濕潤比與時間的關系Fig.4 Relationship between wetting ratio and time under different fertigation strategies

表3 濕潤比與時間的關系（x/y =A tB）Tab.3 Relationship between wetting ratio and time（x/y =A tB）

2.2 不同的滴灌施肥處理對土壤水、鹽變化的影響

2.2.1 滴灌完成時不同滴灌施肥處理對土壤水分、鹽分的影響

由圖5可以看出，不同處理的體積含水率變化值均是隨入滲距離的增加而逐漸變小。在垂直深度10 cm 以下，W2、W3、W4 處理相同深度的體積含水率隨灌水時長的增加而增加；W1 體積含水率變化較大，可能是因為初始含水率較大及土壤質地的影響導致的。不同處理EC值變化較明顯，除CK外，其余4 個處理變化規律一致，均是隨入滲距離的增大，EC值先變大后變小，出現鹽分聚集現象。CK處理只滴肥，隨垂直入滲距離的增大EC值逐漸減小，這是因為只滴了肥料，后期沒有滴水，鹽分還停留在土壤淺層，向下遷移較慢；其余處理隨滴灌時長的增加，鹽分聚集深度增加。W1、W2、W3 處理前期滴水相同，后期滴水時長逐漸增加，其鹽分聚集深度隨后期滴水時長的增加而增加；W2、W4 處理前期滴水時長不同，后期滴水時長相同，其變化規律一致，鹽分聚集深度隨灌水時長的增加而增加。

圖5 滴灌完成時土壤垂直方向水分、鹽分變化規律Fig.5 The changes of soil water and salinity in vertical direction after drip irrigation

2.2.2 CK處理水分、鹽分變化規律

由圖6 可知，在只滴肥料時（CK），隨著滴灌時間的增加，在水平方向和垂直方向土壤含水率、EC值逐漸增加。土壤垂直方向5 cm 深度初始EC值為0.02 mS/cm，滴肥10、20、30、40 mim 后變化為0.34、0.42、0.41、0.41 mS/cm，隨著滴肥的進行鹽分向水平和垂直方向遷移，鹽分分布范圍逐漸增大；滴肥40 min 結束后未出現鹽分聚集現象。再分布12 h、24 h 后，鹽分主要分布在水平方向（距離滴頭的距離）0～10 cm，豎直方向（距離滴頭的距離）10 cm左右。

2.2.3 不同滴灌施肥處理土壤含水率分布

在滴灌施肥開始到結束24 h 后持續監測各處理不同位置的土壤含水率，分布狀況見圖7。滴灌條件下4 種不同的施肥方式（W1、W2、W3、W4）對于土壤含水量的分布影響不大，含水量的分布均呈現出以滴頭為中心，隨著距滴頭距離的增加土壤體積含水量逐漸降低，由于土壤初始含水率不同，土壤含水率變化范圍在0%～35.8%。各處理相比，隨著滴灌時長的增加，土壤含水率在水平方向和垂直方向分布逐漸增加。

圖7 不同處理下水分空間分布變化規律Fig.7 Variation of spatial distribution of water under different treatments

2.2.4 不同滴灌施肥處理土壤鹽分分布

在不同滴灌施肥方式的處理下，鹽分分布明顯不同，分布狀況見圖8。在水平方向，土壤鹽分從滴頭處呈現逐漸增大的分布特征；在垂直方向，土壤鹽分從地表到深層呈現先逐漸增大后減小的分布特征。

在前期滴水時長相同后期滴水時長不同時（W2W4），前期滴水完成后W2W4 變化大致相同，開始滴水時，土壤中EC值有變化，但是不太明顯，這是因為灌溉水自身含有一定量的鹽分，滴水完成后鹽分分布在垂直方向0～10 cm 左右；開始滴肥后，鹽分向水平方向和垂直方向繼續擴散，范圍逐漸增大，滴肥10、20、30、40 min 后鹽分分別在垂直方向10、10、15、15 cm 處聚集，水平方向距離滴頭越遠鹽分含量越小；隨著后期滴水時長的增加，鹽分繼續向水平方向和垂直方向遷移。W2 后期滴水完成后，鹽分聚集在垂直方向15 cm左右處，再分布12 h、24 h 后，土壤中鹽分繼續向水平方向和垂直方向遷移，再分布12 h 后，在垂直方向20 cm 聚集，分布在水平方向0～13 cm 處，再分布24 h 后垂直方向主要在20～25 cm 左右聚集。W4 后期滴水10 min 后，土壤中鹽分含量變化不明顯，滴水30 min 后，鹽分向土壤深處遷移，聚集在垂直方向15～20 cm 處，在滴灌完成后，再分布12 h、24 h 后，土壤中鹽分繼續向水平方向和垂直方向遷移，再分布12 h 后，在垂直方向25～30 cm 聚集，分布在水平方向0～10 cm 處，再分布24 h后垂直方向主要在30 cm 左右聚集。

前期滴水時長不同后期滴水時長相同時（W1、W2、W3），前期滴水隨著滴水時長的增加，在水平方向和垂直方向鹽分分布范圍在變大，中期隨著肥料的施入，鹽分隨水不斷向土層深處遷移，并出現聚集。后期滴水10 min 后，土壤中鹽分含量變化不明顯。W1滴灌完成后，再分布12 h、24 h后，土壤中鹽分向水平方向和垂直方向遷移，在水平方向5～15 cm，垂直方向20 cm 左右聚集。W2 再分布12 h、24 h 后，土壤中鹽分繼續向水平方向和垂直方向遷移，再分布12 h 后，在垂直方向20 cm 聚集，分布在水平方向0～13 cm 處，再分布24 h 后垂直方向主要在20～25 cm 左右聚集。W3 再分布12 h、24 h后，土壤中鹽分向水平方向和垂直方向遷移，在水平方向0～10 cm，垂直方向20～25 cm左右聚集。

3 討 論

3.1 對濕潤體、水分、鹽分遷移的影響

滴頭流量、灌水量和土壤質地等是影響濕潤體的重要因素。本文研究與前人基本一致[13-18]，隨著滴灌時長和灌水量的增加，土壤含水量也隨之增加，濕潤體逐漸增大，開始時水平擴散距離大于垂直入滲距離，隨著時間的延長，垂直濕潤鋒擴散速度大于水平擴散速度，這主要是因為受到重力勢的影響，隨著入滲過程的進行，重力勢與土壤基質勢相比，所起的作用越來越重要。濕潤鋒形狀與程平等研究結果相一致[19]。鹽隨水走，這是鹽分在土壤中遷移的主要方式，因此影響水分遷移的因素也會影響鹽分的遷移[5]。灌水量過大會造成過多水分、鹽分向土壤深層遷移，尤其在后期滴水時間過長，肥料隨時間再分布向土壤深層遷移，不僅降低了水分的利用率，同時也導致肥料的淋失。本研究結果表明前期滴水時長對鹽分在水平方向遷移的影響較大，后期滴水時長對鹽分在垂直方向遷移影響較大。水分和鹽分的遷移不僅僅受到滴灌時長和灌水量的影響，還受到滴頭流量的影響，蘇振娟等[20]研究發現，影響土壤含水率的主要因素之一就是滴頭流量的變化，淺層土壤含水率隨滴頭流量的增大而逐漸增大，且在豎向的含水率高于水平方向。孫浩等[21]研究發現，隨著滴頭流量的增大，會誘導根系向淺層土壤分布，深層根質量所占比率逐漸下降。因此在滴灌時也應充分考慮并控制好滴灌的壓力進而控制滴頭的流量，對水分和鹽分在土壤中的分布也是極其重要的，能夠避免由于滴頭流量過大導致水分在淺層土壤分布范圍較大，不僅僅會造成水分和肥料浪費，更會導致根系分布較淺，影響煙株生長。因此在煙葉生產實踐應用中應根據煙株需求合理控制各個時期滴灌時長，進而滿足烤煙對水分和養分的需求。

3.2 土壤水、肥分布與烤煙根系匹配適宜性分析

煙草的根屬圓錐根系，由主根、側根和不定根三部分組成。煙草主根不明顯，側根和不定根是根系的主要組成部分，根系的密集范圍比分布范圍小得多，黃澤春等[22]研究表明煙草根系主要分布在0～20 cm 土層，30 cm 以下僅有少量分布，呈“干”型結構，煙草根系的最大分布深度略小于最大分布寬度。戴冕[23]認為，主要的吸收根系多在莖基周圍15～20 cm 范圍內。在大田生產中由于距地表20 cm 以下一般存在一個緊實的犁底層，根系難以下扎，因此烤煙的根系分布實際上以在距地表15 cm 左右的側向分布為主。也有研究認為烤煙根系密集深度約在地表以下40 cm，密集寬度在距莖周40 cm 范圍，打頂以后有根系伸長到40 cm 以下或40 cm 以外[24]。本研究表明滴肥方式為前期滴水30 min、中期滴肥40 min、后期滴水30 min 時，在滴灌完成后，水分水平擴散距離為20 cm 左右、垂直擴散距離為30 cm左右，鹽分水平擴散距離為20 cm左右、垂直擴散距離為25 cm 左右；土壤中鹽分繼續向水平方向和垂直方向遷移，再分布24 h后，鹽分垂直方向主要在30 cm 左右聚集。根據前人對于煙草根系分布特點的研究結合本文研究結果，認為在烤煙旺長期適宜的滴肥方式為前期滴水30 min、中期滴肥40 min、后期滴水30 min。因為烤煙在大田生長過程中，滴灌過后，由于土壤會因為地表蒸騰作用導致水分向土壤表層遷移，肥料也會隨著水分的遷移而向上遷移，所以在滴灌時適時控制滴灌時間，使肥料能夠向土壤下層遷移，分布在根系吸收養分主要區域稍下方，能夠讓肥料隨著時間而緩慢的被根系吸收利用，不僅僅能夠促進根系的生長和根系對肥料的吸收，更有利于煙株根系深扎，提高肥料利用率。但是對于具體施肥策略對烤煙根系分布的影響有待后人進一步研究證明。

4 結 論

（1）不同滴灌處理的土壤含水量變化趨勢基本一致，土壤含水量隨著灌水時長（灌水量）的增大而增大；濕潤體的形狀、濕潤鋒的水平擴散和垂直入滲距離隨灌水時長的增加而變大。

（2）土壤鹽分的空間遷移受前后期灌水時長的影響較為明顯，隨著總灌水量的增加，土壤中鹽分向深層遷移的量也隨之增加。水肥一體化的滴灌條件下，前期滴水時長對肥料在水平方向遷移的影響較大，后期滴水時長對肥料在垂直方向遷移影響較大。

（3）根據烤煙主要根系分布規律及需水需肥特點前期滴水30 min、中期滴肥40 min、后期滴水30 min是較適宜于旺長期的滴肥方式。