不同灌溉方式對設施番茄土壤剖面硝態氮分布及灌溉水分效率的影響

聶 斌，李文剛，江麗華，鄭福麗，林海濤，宋效宗，趙長星

（1.湖南農業大學 資源與環境學院，長沙410128；2.山東省農業科學院，濟南250100；3.山東省農業科學院 農業資源與環境研究所，濟南250100；4.青島農業大學，山東 青島266109）

水資源缺乏已成為制約我國北方許多地區農業可持續發展的關鍵問題。山東省壽光市是我國著名的設施蔬菜生產基地，號稱“中國蔬菜之鄉”，設施蔬菜生產已成為該地區重要的支柱產業。近年來隨著工農業生產的快速發展，該地區地下水位下降明顯，水資源供需日趨緊張。與此同時，保護地生產中灌溉方式依然是傳統的大水漫灌（溝、畦灌）為主，造成了水分利用率低下、水分養分資源浪費嚴重［1－2］。解決這一問題的關鍵途徑之一是提高現有水資源的有效利用率。因此，探索適于設施蔬菜生產的新的節水灌溉技術，根據作物不同生長階段的需水特性進行適時、適量灌溉，以肥調水，以水促肥，協調水肥供應狀況，最大限度地降低土壤水分無效蒸發和水肥資源的浪費，最終顯著提高水分、養分的利用效率，實現水肥資源最優化利用是該地區設施農業發展的出路所在。

滴灌作為微灌技術的一種，是目前應用廣泛的一項高效節水灌溉技術。灌溉施肥是將養分溶于水中，通過微灌系統將水分、養分輸送到植物根部區域，供植物吸收利用的先進施肥技術，被廣泛應用于經濟效益較高的果園及設施蔬菜栽培中。

小水勤澆是由溝灌演變而來的一種方式，主要是通過減少每次灌溉水量，適時提高灌溉頻率，從而達到減少水分養分損失，提高水肥利用效率的一種灌溉方式，此項技術為當地老百姓摸索出來的經驗，在壽光市種植水平較高的菜農中較多采用。

近年來國內外學者對滴灌條件土壤水分運動分布規律進行了深入系統的研究［3－4］，但多數研究主要考慮在大田常規灌溉方式或僅限于考慮室內情形下的氮素轉化運移情況。而對于在當地應用較為普遍的小水勤澆，則缺少相關研究。隨著設施生產的日益普遍和各種新問題的出現，開展設施生產條件下高效節水施肥技術研究至關重要，對當地設施蔬菜產業的可持續發展具有重要意義。

本試驗以設施番茄生產為研究對象，研究溝灌、小水勤灌和滴灌三種灌溉方式下水分的利用效率及硝態氮在土壤剖面的遷移行為，目的是在評價灌溉方法對設施蔬菜生產節水節肥效果的同時，研究不同灌溉方式對農業環境（包括設施土壤環境和地下水環境）的影響，在當前我國北方水資源供需日趨緊張，肥料價格不斷上漲的形勢下，探索適于設施菜地高產高效與可持續發展的有效途徑，為制訂完科學合理的灌溉措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 試驗點概況 試驗于2010年1月至2010年6月在山東省壽光市設施番茄集約化種植區的稻田鎮東劉營村進行。試驗點位置：36°50′18″N，118°55′02″E。土壤類型為褐土，質地為壤土。供試溫室土壤各層（0—90cm）的基本理化性狀見表1。設施番茄一年種植兩茬，連作制。供試作物為日光溫室番茄（Solanum lycopersicum），品種為“齊達利”（先正達種子公司生產）試驗大棚建于2001年，長70m，寬9 m。番茄種植方式為開溝栽培，寬窄行種植（寬行90 cm，窄行60cm），株距45cm。當地傳統的灌溉方式為溝灌。

壽光地處中緯度帶，北瀕渤海，屬暖溫帶季風區大陸性氣候。受冷暖氣流的交替影響，形成了“春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季爽涼有旱，冬季干冷少雪”的氣候特點。年平均溫度12.5℃，年降雨量約550mm，年平均蒸發量為1 345.7mm，無霜期200d左右。2008年，全市蔬菜播種面積達5.7萬hm2，占農作物播種總面積的45%，總產40億kg以上，產值40億元。目前全市保護地蔬菜種植面積3.7萬hm2，約占蔬菜總播種面積的2／3。蔬菜產業已經成為壽光農業支柱產業和農民收入主要來源，占農民收入的70%以上。

表1 供試溫室番茄土壤基礎理化性狀［5］

1.1.2 試驗處理 共設三個處理，分別為農民習慣、小水勤澆、滴灌。考慮當地實際條件，在不影響試驗的前提下，為便于操作，試驗采用大區設計，每個處理設一個大區，每個大區面積180m2，大區內進行小區劃分，3次重復。為防止水分交叉側滲影響試驗結果，不同小區之間用垂直埋深50cm的塑料薄膜隔開。

施肥水平：試驗各處理施肥總量一致。具體如下：基肥施用干雞糞2 500kg，“聯盟”牌三元復合肥（15—15—15）50kg；追肥量折算后 N 為600kg／hm2，P2O5為450kg／hm2，K2O為750kg／hm2，肥料品種為“東方譽源”牌螯合肥（20—10—20），單質肥料尿素、硫酸鉀。追肥次數根據灌溉方式不同而不同。

農民習慣處理采用傳統的溝灌方式，小水勤澆是由溝灌演變而來的一種方式，其核心是減少每次灌溉量，適時提高灌溉頻率。滴灌采用重力滴灌的方式，滴灌設備由北京易潤滴灌公司壽光分公司提供。農民習慣處理由農戶按照習慣，根據番茄的生長發育狀況確定灌水時間，而小水勤澆、滴灌兩處理則由負壓計指示進行灌溉。灌水量用精確度為0.01m3的水表（亞星牌）計量。具體灌水時間及每次灌水量見表2。

表2 灌水時間及每次灌水量 mm

1.2 試驗計算及測試分析方法

1.2.1 土壤剖面各層硝態氮含量的測定 于種植前、收獲后對0—30，30—60，60—90cm土壤剖面進行分層取樣，每小區4次重復，采用四分法取樣，同層混合均勻，用連續流動分析儀（FiaStar 5000型）測定硝態氮含量，土壤容重采用環刀法。土壤剖面各層硝態氮累積量計算公式如下：

累積N量＝各分層容重×該層硝態氮含量×土層厚度

1.2.2 番茄經濟產量（Y）的統計 每小區選定兩畦（4行）跟蹤計產，用電子臺秤稱量并記錄每次收獲果實的產量，換算成每公頃的產量即為番茄的經濟產量。

1.2.3 產量水平水分利用效率的計算 利用產量水平水分利用效率（WUE）公式計算得到WUE＝Y／I。

式中：Y——經濟產量（kg／hm2）；I——灌水量（m3／hm2）。由于在試驗開始前及試驗結束后取樣測定土壤含水量發現，土壤含水率均保持在18%～20%，變化很小。因此在此忽略土壤水分在當季的消耗。

1.3 試驗數據分析與統計

采用DPS 7.05數據分析軟件對數據進行處理分析，Excel 2007與Sigmaplot 10.0進行制表與繪圖工作。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式對土壤剖面（0－90cm）硝態氮遷移的影響

2.1.1 不同灌溉方式對土壤剖面（0—90cm）硝態氮含量的影響 由圖1可以看出，經過一季實驗后，不同灌溉方式對土壤硝態氮的遷移產生了明顯的影響，在0—30cm的耕層，硝態氮含量為滴灌＞小水勤灌＞農民習慣，表明滴灌能夠對—N在耕層土壤的積累起到顯著的作用。在30—60cm土層—N的平均含量則表現為小水勤灌＞滴灌＞農民習慣，由此說明，小水勤灌能夠促進—N在該土層中的積累；在60—90cm土層，—N的平均含量則表現為農民習慣＞小水勤灌＞滴灌表明農民習慣處理能夠促進—N在土壤剖面底層聚集，造成—N淋失的風險。綜上所述，三種灌溉方式對—N垂向遷移影響明顯不同，農民習慣處理中—N分布呈現高—低—高的趨勢，大量—N積累在土壤剖面底層，而小水勤灌則為高—高—低的趨勢，—N主要分布在中上層剖面中，而滴灌則呈現自上而下顯著遞減的趨勢，N主要分布在土壤表層中。由此可以看出，灌溉方式對硝態氮在土壤中的分布影響很大，灌水量過大易把硝態氮帶入土壤深層，不能被作物吸收而造成淋洗損失。這與前人研究結果類似［6］。

圖1 不同灌溉方式對土壤剖面硝態氮含量的影響注：圖1中數據為3次重復平均值，下同。

2.1.2 不同灌溉方式對耕層（0—30cm）硝態氮殘留的影響 耕層（0—30cm）為作物根系吸收養分的主要區域，—N在該區域的殘留量意味著作物可以直接再次充分利用的量。由圖2可以看出，在施肥量相同的情況下，不同灌溉方式對耕層—N積累量的影響明顯不同，其中滴灌處理最高，達741.00kg／hm2。顯著高于其它處理，而小水勤灌，農民習慣分別為531.33，434.33kg／hm2，盡管小水勤灌處理略高于農民習慣處理，但兩者之間并無顯著性差異（P＜0.05）。

圖2 不同灌溉方式對耕層（0－30cm）硝態氮殘留的影響注：圖中數據采用LSD方差分析方法，同一行不含相同字母表示差異顯著，小寫字母表示不同處理間的顯著性差異（P＜0.05），大寫字母表示不同處理間的極顯著性差異（P＜0.01）。下同。

2.1.3 不同灌溉方式對可利用土層（30—60cm）硝態氮的影響 通常認為，30—60cm土層為過渡土層，在合適的條件下，其中的硝態氮可以為作物再次吸收利用，但同時也存在向下層遷移淋失的風險。由圖3可以看出，不同處理對該層中—N的積累效果不同，—N的積累量以小水勤灌最高，達605.00kg／hm2；滴灌次之，348.67kg／hm2；農民習慣255.67kg／hm2。三者之間存在顯著性差異（P＜0.05）。表明小水勤灌處理能夠有效地將表層遷移下來的—N積累在該層（30—60cm）。增加作物根系再次吸收利用的機會。

圖3 不同灌溉方式對可利用土層（30－60cm）硝態氮的影響

2.1.4 不同灌溉方式對不可再利用土層（60—90 cm）硝態氮的影響 通常認為番茄為淺根系作物，根系所能吸收的養分主要在0—60cm，而超出該部分直至更深土層中的硝態氮累積，作物就無法再利用。由此認為，積累在60—90cm土層的—N為損失不可再利用的氮。由圖4可以看出，各處理的—N的積累表現為農民習慣＞小水勤灌＞滴灌，最高的農民習慣處理中其積累量為453.33kg／hm2，顯著高于其它處理，表明在農民習慣處理下，每次大量的灌水極易造成—N的淋失并在土壤剖面底層發生積累。郭大應等［7］通過室內土柱試驗發現：灌溉使表土層飽和后，產生重力水下滲，若水量大，在同等水量和硝態氮含量條件下，土壤濕度不同，硝態氮在土壤中的淋失和向下運移累積有明顯區別，在低濕度土壤中像硝酸鹽一類易溶鹽比在高濕度土壤中更容易被淋失。本試驗結果與其有相同的規律。究其原因，在于灌溉土壤硝態氮的累積量與土壤濕度負相關。土壤剖面的濕度越小（溝灌），越有利于上層土壤中的硝態氮因大量重力水下滲而累積于底土，污染地下水。高濕度土壤（滴灌），雖然用較少的水就可將上層硝態氮向下淋洗，但由于機械彌散和反硝化作用，較少有硝態氮在底土和地下水中大量累積。同樣，減少每次灌水量，適當增加灌溉頻率（小水勤灌），也顯著減少了—N的遷移淋失風險。

圖4 不同灌溉方式對不可再利用土層（60－90cm）硝態氮的影響

2.1.5 不同灌溉方式對土壤剖面（0—90cm）硝態氮累積量的影響 灌溉是影響硝態氮淋失的重要因素之一。灌溉帶來的下滲水流是累積在土壤中的硝態氮向下遷移直至淋失的必要條件。灌水量和灌水方式都對硝態氮的遷移淋失有重要作用［8］。如圖5所示，盡管不同灌溉對不同土層的影響各不相同，然而對0—90 cm土壤剖面總的積累來說，小水勤灌＞滴灌＞農民習慣，其中小水勤澆能夠顯著增加—N在土壤剖面的積累，而農民習慣中大量的—N已經淋失出90cm土壤剖面而進入更深土層，具有污染地下水的潛在風險。

圖5 不同灌溉方式對土壤剖面（0－90cm）硝態氮累積量的影響

同時，與試驗開始前含量僅為532.53kg／hm2相比，土壤剖面中的NO－3—N積累量均顯著增加，增長率分別為154.38%，134.66%，114.70%，表明在當前施肥條件下，高投入量的施肥是造成—N積累的主要原因之一，應通過改進施肥方法結合有效灌溉設施，促進施用肥料的充分利用，減少—N在土壤中的積累，從而降低對地下水環境的污染風險。這與前人的研究結果相一致［9］。

2.2 不同灌溉方式對溫室番茄經濟產量水平和水分利用效率的影響

由表3可以看出，不同灌溉方式對設施番茄產量影響不同，產量水平表現為小水勤灌＞滴灌＞農民習慣，三者之間存在顯著性差異（P＜0.05）。究其原因，可能是由于農民習慣中較大的灌水量將大量養分隨水淋洗出作物根層以外不能被利用。而小水勤灌則主要將養分保留在0—60cm土層為作物吸收利用。提高了養分利用率，而對于滴灌處理來說，由于養分過量聚集在表層0—30cm土層中，造成作物生理性吸收障礙，間接抑制了作物對養分的充分吸收，長期的連作種植則容易導致設施土壤發生次生鹽害。此結果表明，對采取滴灌的土壤，應在每茬或每年結束后對土壤進行翻耕或洗鹽，降低鹽分累積帶來的次生鹽漬化風險，以便更好利用滴灌節水節肥的優勢，促進滴灌技術的推廣。

表3 不同灌溉方式對溫室番茄經濟產量水平和水分利用效率的影響

產量水分效率（WUE）是表征作物單位耗水量條件下獲得經濟產量多少的一個參數。由表3所示，不同處理的產量水分效率差異明顯，表現為滴灌＞小水勤灌＞農民習慣，三者之間存在極顯著差異（P＜0.01）。試驗結果表明，不同灌溉方式對番茄產量影響達到顯著水平，采用小水勤澆與滴灌方式，不僅能顯著提高番茄產量，而且還有很好的節水效果，這種灌溉方式可以在日光溫室番茄生產中加以推廣應用［10］。

由表3可以看出，滴灌盡管未能獲得最高產量，但由于其僅用較低的耗水量就獲得了較高的產量，尤其適用于我國北方某些水資源極度匱乏的地區，在設施蔬菜生產中發展滴灌節水技術是一個不錯的選擇［11］。

3 討論

在壽光市傳統的保護地生產模式中，通常是在施肥后立即灌溉或將肥料溶于灌溉水中隨水施入。但這樣的施肥方式會導致可溶性肥料迅速地隨水淋失掉而造成肥料浪費。李俊良等的研究結果表明，當季施入的氮肥在蔬菜收獲結束后能夠淋洗到200cm深度，并有可能淋洗到更深的層次，肥料的淋洗損失非常嚴重［12］。而通過對兩種不同養分比例的復合肥在兩個不同的保護地蔬菜輪作體系中的應用研究表明，施肥量的增加使大量N素以—N的形式在0—30cm土層中累積，同時—N也通過淋洗作用向下移動到30—90cm土層。而—N在土壤表層以下土層的累積，也無疑增大了—N淋失的可能性［13］。

小水勤灌和滴灌由于其每次較低的灌溉量，可以更快的讓日光溫室土壤在灌溉后迅速恢復至根系生長較適宜的溫度范圍，提高了溫室內的空氣溫濕度，延長了作物在早春低溫期的生長周期，而且較低的土壤濕度也會促進作物根系深扎擴散，提高根系對養分的吸收能力，增加作物產量［14－15］。但是使用滴灌也存在一定的問題需要解決，比如滴頭殘留鹽分拮抗或者結晶易堵塞、表層鹽分殘留累積導致土壤次生鹽漬化等問題，造成脫水、脫肥、根系吸收養分困難等，影響蔬菜作物的生長，這可以從試驗結果中番茄的產量差異看出。這也是本課題下一步需要繼續深入研究的問題。而對于小水勤灌，則由于基本不額外增加農民投入成本，且操作簡捷方便，與農民傳統的灌溉方式相比，增產效果顯著，同時節約了水資源的無效消耗，更是值得大力推廣。由此，本試驗認為小水勤灌和滴灌減少了水分深層滲漏幾率，從而降低了硝態氮的深層淋洗風險，增加了溫室番茄的產量，提高了水分利用效率，對提高設施土壤健康可持續利用、保護并節約地下水資源具有重要意義。

4 結論

（1）小水勤灌、滴灌比傳統的溝灌方式分別節水16.7%，36.0%，同時顯著提高設施番茄經濟產量，因而相應產量水分效率則分別提高了38.7%，74.0%；可見對于番茄這類對水分需求量不大且有階段性差異的作物來說，只要控制適當，以上兩種灌溉方式均能很好的促進番茄生長，值得在日光溫室栽培中進行大力推廣。

（2）番茄作為淺根系作物，通常認為根系所能吸收的養分絕大多數分布在0—60cm土層中，而超出0—90cm土層直至更深，作物就無再利用。本試驗結果表明，兩種灌溉方式顯著改變了硝態氮在土壤剖面中的分布，對比0—90cm土壤剖面總的累積量，其大小順序為小水勤灌＞滴灌＞農民習慣，其中小水勤澆能夠顯著增加NO－3—N在土壤剖面的積累，將更多的硝態氮保留在作物所能夠再利用的中上土層中，減少了硝態氮向深層土壤的淋失。而農民習慣中大量的NO－3—N已經淋失出90cm土壤剖面而進入更深土層，具有污染地下水的潛在風險。

［1］ 李廷軒，周健民，段增強，等.中國設施栽培系統中的養分管理［J］.水土保持學報，2005，19（4）：70－75.

［2］ 劉兆輝，江麗華，張文君，等.山東省設施蔬菜施肥量演變及土壤養分變化規律［J］.土壤學報，2008，45（2）：296－303.

［3］ 周建斌，陳竹君，李生秀.Fertigation—水肥調控的有效措施［J］.干旱地區農業研究，2001，19（4）：16－21.

［4］ 張建君，李久生，任理.滴灌施肥灌溉條件下土壤水氮運移的研究進展［J］.灌溉排水，2002，21（2）：75－78.

［5］ 鮑士旦.土壤農化分析［M］.北京：中國農業出版社，2000.

［6］ 馬騰飛，危常州，王娟，等.不同灌溉方式下土壤中氮素分布和對棉花氮素吸收的影響［J］.新疆農業科學，2010，47（5）：859－864.

［7］ 郭大應，熊清瑞，謝成春，等.灌溉土壤硝態氮運移與土壤濕度的關系［J］.灌溉排水，2001，20（2）：66－68，72.

［8］ 杜春先，聶俊華，王祥峰.室內模擬有機肥中NO3－、NO2－的淋失規律及其對土壤環境的影響［J］.山東農業科學，2004（6）：48－50.

［9］ 高兵，任濤，李俊良，等.灌溉策略及氮肥施用對設施番茄產量及氮素利用的影響［J］.植物營養與肥料學報，2008，14（6）：1104－1109.

［10］ 吳燕，梁銀麗，朱娟娟，等.灌溉方式對櫻桃番茄產量和品質的影響［J］.西北農林科技大學學報：自然科學版，2009，37（8）：177－181.

［11］ 徐淑貞，張雙寶，魯俊奇，等.日光溫室滴灌番茄需水規律及水分生產函數的研究及應用［J］.節水灌溉，2001（4）：26－28.

［12］ 李俊良，朱建華，張曉晟，等.保護地番茄養分利用及土壤氮素淋失［J］.應用與環境生物學報，2001，7（2）：126－129.

［13］ 朱建華.蔬菜保護地氮素去向及其利用研究［D］.北京：中國農業大學，2002.

［14］ 韋彥，孫麗萍，王樹忠，等.灌溉方式對溫室黃瓜灌溉水分配及硝態氮運移的影響［J］.農業工程學報，2010，26（8）：67－72.

［15］ 付時豐，李中，楊麗娟，等.保護地栽培條件下灌水方法對土壤溫度的影響［J］.灌溉排水學報，2006，25（1）：67－70.