水肥一體化滴灌條件下氮素在土壤中的時空分布特征

王旭洋， 范興科

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 3.中國科學院大學，北京 100049)

0 前 言

對于農業生產，充足的養分供給是作物高產的基本保障。化肥具有投入少，見效快的特點，因此越來越多的化肥被投入到了農田系統中用于追求作物更高產量。過量投入化肥不僅造成氮素流失，浪費大量肥力和資金，而且導致水體富營養化，污染環境，危害人畜健康，破壞水域中的生態平衡[1-4]。相比傳統的施肥灌溉方式，基于滴灌技術的水肥一體化灌溉施肥方法，可按作物的需水需肥規律將水肥直接供應到作物根系附近的土壤中，減少了水肥在運輸過程中的損耗，提高了水肥利用效率[5]，可以實現水分和養分在時間上同步，空間上耦合，具有節水、節肥、高產、高效的功效。

隨著水肥一體化技術的廣泛普及，大多數國內外學者研究了在滴灌條件下設置不同施氮梯度，以及水肥不同混合比例等條件對作物生長，產量以及品質的影響[6-8]，偏重于作物生長過程中的施肥制度研究，而對于滴灌條件下肥力在土壤中的時空分布研究相對較少。氮素是植物必需的大量元素之一，通常植物在生長過程中吸收的氮素要高于其他礦質元素，因而氮素常成為限制植物生長的主要元素[9]，同時多數植物在生長過程當中吸收的氮主要是NO-3-N和NH+4-N[10]，因此研究滴灌條件下NO-3-N和NH+4-N的時空分布，可以更加直觀的了解水肥運移變化規律及其時空分布特點，為水肥一體化灌溉過程中灌水施肥制度的研究制定，提高灌溉施肥的利用效率和生產效率提供科學依據。

1 試驗方法與方案設計

1.1 試驗方法

本試驗采取單點原滴水施肥模擬滴灌條件下的水肥一體化灌溉施肥過程。試驗用大塑料桶頂部直徑50 cm，底部直徑 40 cm，高 58 cm，滴頭固定在桶頂中心位置。供試土壤為中壤土，土壤容重為1.40 g/cm3，風干土重量含水率為3%，田間持水率為24%(重量含水率)，試驗土壤肥力本底值為：初始硝態氮含量為28.57 mg/kg，銨態氮含量為 3.23 mg/kg。根據試驗目的和條件，設計計劃濕潤層深度為30 cm，濕潤半徑為20 cm。按照常規施肥量的標準，本次設計施肥量為20 g尿素，灌水量8 L。

1.2 試驗設計

土料經風干、碾細、過篩(篩孔徑為2 mm)，分層裝土50 cm。將20 g尿素溶于8 L水中，待混合均勻，采用滴灌的方式將水肥施于土壤中，滴頭流量控制在2 L/h，滴灌總歷時4 h。試驗設計3個重復，試驗結束后定時采取土樣進行養分分析，取樣時間分別為滴灌結束后1，3，5，7 d，取樣點分別距離入滲點橫向距離為5，15，20 cm處；距地表縱向為0～5，5～15，15～25，25～35 cm處；為了保持土樣氮素穩定，所取土樣先密封冷藏，最后統一進行樣品處理：經研磨過篩(2 mm細篩)后每個樣稱取5 g，以1 mol/L KCL溶液為浸提液，土水質量比1∶10 浸提，再經震蕩處理后過濾，濾液用流動分析儀來測定樣品NO-3-N和NH+4-N含量。

1.3 試驗數據

所測試驗數據用Sigmaplot繪制等值線圖，并結合Excel對硝態氮與銨態氮含量進行單因素方差分析。

2 試驗結果與分析

2.1 NO-3-N含量在土壤濕潤體內的時空分布特征

滴灌施肥結束后，將土壤濕潤體內距施肥點不同距離處所取土樣養分測試結果繪制NO-3-N和NH+4-N等值線圖，NO-3-N含量在土壤濕潤體內的時空分布如下圖1所示。從圖1可以看出，在空間上分布，整個土壤濕潤體內NO-3-N的含量均高于灌水前的28.57 mg/kg，且NO-3-N含量最高值主要集中在滴頭附近，即0～15 cm土層和水平方向0～15 cm范圍內，表現出明顯的表聚性。NO-3-N含量在垂直方向從上至下呈下降趨勢，水平方向隨著離開滴頭距離的增大也相應呈下降的趨勢。

圖1 土壤剖面中NO-3-N含量等值線分布圖Fig.1 The contour map of NO-3-N in soil profile

表1是同一天不同位置硝態氮含量單因素方差分析結果，Sig.<0.01，表明不同位置硝態氮含量差異極顯著，表2是各位置不同時間硝態氮含量單因素方差分析結果，Sig.<0.01，表明不同時間硝態氮含量差異極顯著。由圖2可知，隨著時間的推移，土壤濕潤體內NO-3-N的含量表現為先增大后減小的趨勢，第5 d達到最高。以土壤剖面中(5,5)，(15,15)，(20,35)3個點為例，(5,5)表示距離滴頭水平距離5 cm，縱深5 cm，其余意義相同，從圖2中可以看出，灌溉施肥結束后從第1 d到第7 d土壤濕潤體內NO-3-N的含量變化過程從第1 d到第3 d，土壤濕潤體內NO-3-N的含量緩慢增大，第3 d到第5 d， NO-3-N的含量迅速增大，但第5 d以后又開始逐漸減小，且距離施肥點越近，如(5,5)點處，變化幅度越大，增幅達到63%，距離施肥點越遠，如(20,35)點處，變化幅度越小，增幅不足11%。說明尿素進入土壤之后，按照本次試驗的施肥量，轉化為NO-3-N一般需要5 d左右的時間。

表1 同一天不同位置硝態氮含量單因素方差分析結果Tab.1 NO-3-N in different locations on the same day by single factor variance analysis

2.2 NH+4-N含量在土壤濕潤體內的時空分布特征

灌水施肥過程結束后，土壤中NH+4-N含量的時空分布如圖3所示。從圖3中可以看出，相對于NO-3-N，NH+4-N在土壤濕潤體內的含量總體比較低，而且呈現逐漸降低的趨勢。在灌水施肥過程結束后前3 d，NH+4-N主要集中在濕潤體內從施肥點到(20，25)cm土層范圍內，施肥點附近的NH+4-N含量相對較高，從施肥點向外，NH+4-N的含量逐漸減少，但第3 d以后，特別是從第5 d到第7 d，土壤濕潤體內NH+4-N的含量迅速降低，最大含量只有2.0 mg/kg左右，不過在地表土壤濕潤體邊緣處NH+4-N的含量高于施肥點及濕潤體中心部分。

表2 各位置不同時間下硝態氮含量單因素方差分析結果Tab.2 NO-3-N in same locations on different day bysingle factor variance analysis

圖2 不同位置NO-3-N含量隨時間變化曲線圖Fig.2 The diagram of NO-3-N in different positions by time changes 注：圖2中不同小寫字母abc表示同一天不同位置含量在0.05水平差異顯著，不同大寫字母ABC表示同一位置不同時間含量在0.05水平差異顯著(Duncan法，下同)。

圖3 土壤剖面中NH+4-N含量等值線分布圖Fig.3 The contour map of NH+4-N in soil profile

表3是同一天不同位置硝態氮含量單因素方差分析結果，Sig<0.01，表明不同位置硝態氮含量差異極顯著，表4是各位置不同時間硝態氮含量單因素方差分析結果，Sig.<0.01，表明不同時間硝態氮含量差異極顯著。圖4是土壤濕潤體剖面中距施肥點(5,5)，(15,15)，(20,35)位置處NH+4-N含量隨著時間變化的過程線圖，從圖4可以看出，在灌水施肥結束后的1～3 d, 土壤濕潤體內NH+4-N含量基本上都高于土壤灌水施肥前的3.23 mg/kg，但到第5 d后，土壤濕潤體中NH+4-N的含量甚至低于灌水施肥前的水平。

表3 同一天不同位置銨態氮含量單因素方差分析結果Tab.3 NH+4-N in different locations on the same day by single factor variance analysis

從NH+4-N在土壤濕潤體內含量的變化特點可以發現，NH+4-N是一個很不穩定的氮素因子，其含量在土壤濕潤體中的分布變化較大，存在時間相對較短，這是由于NH+4-N在水分充足的條件下會發生水解硝化作用，NH+4-N發生硝化作用的結果使得銨態氮在土壤中含量減少, 轉化為硝態氮[11]，另外一部分NH+4-N經氨化作用轉化為NH3而揮發散失，所以消減的特別快，而且存留量很少，以至于低于灌水施肥前風干土中NH+4-N的含量。

表4 各位置不同時間下銨態氮含量單因素方差分析結果Tab.4 NH+4-N in same locations on different day by single factor variance analysis

圖4 不同位置NH+4-N含量隨時間變化曲線圖Fig.4 The diagram of NH+4-N in different positions by time changes

綜合上述土壤濕潤體中NO-3-N和NH+4-N含量的時空變化特征可以看出，在水肥一體化(水肥同施)條件下，灌溉施肥過程結束后的第1 d到第3 d，土壤濕潤體中NO-3-N的含量緩慢提高，而土壤濕潤體中NH+4-N含量卻緩慢降低，但第3 d到第5 d，土壤濕潤體中NO-3-N的含量快速提高，同時土壤濕潤體中NH+4-N含量也是快速降低，甚至低于灌水施肥前的含量，NO-3-N與NH+4-N含量之間存在明顯的此消彼長關系，尤其在第3 d與第5 d之間NH+4-N含量遞減率為93.10%，NO-3-N含量增長率為38.49%，此后土壤濕潤體中NO-3-N和NH+4-N含量都表現出緩慢降低的趨勢。表明在水肥同時條件下的，氮肥在第3 d硝化作用最強，而土壤中部分硝態氮正是由銨態氮經硝化作用轉化而來。同時表明，在水肥一體化灌溉條件下，氮肥(尿素)分解后產生的NO-3-N和NH+4-N中，NO-3-N相對比較穩定，在土壤中存在的時間較長，不過，從第5 d以后，其含量也在降低，而NH+4-N則不是很穩定，會通過硝化作用轉化成NO-3-N。由此可見，土壤中的NO-3-N被作物利用的效率較高，而NH+4-N被作物利用的效率較低。

3 結 語

(1)在水肥一體化滴灌條件下，水肥同施，灌水施肥(尿素)過程結束后，氮素中的NO-3-N和NH+4-N在土壤濕潤體內空間的分布特征與滴灌剛結束后濕潤體內土壤含水量的分布具有一致性，總體表現為灌水施肥點處的含量較高，由灌水點向外，隨著距離的增大，氮素的含量逐漸減小，在土壤濕潤體的邊緣，即濕潤鋒處，氮素的含量最低。另一方面，土壤濕潤體內NH+4-N的含量始終低于NO-3-N的含量。

(2)灌水施肥結束后，氮素中的NO-3-N和NH+4-N在土壤濕潤體內的含量隨時間的延長其分布特征表現為：NO-3-N的含量先增大后減小，到第5 d時含量達到最大，此后含量開始降低。而NH+4-N的含量相對較低，而且一直在減小，特別是在第3 d以后迅速減小，到第5 d時濕潤體內NH+4-N的含量甚至低于灌水前風干土的含量，說明在土壤含水量較高的條件下NH+4-N容易發生水解消化，一部分可能轉化為NH3揮發，另一部分可能轉化為NO-3-N。由此表明，對于氮肥(速效肥)而言，每次的使用量不宜太多，其含量超出作物的吸收能力時利用效率將會降低。

基于上述研究結果，在實際生產中可以參照水肥一體化滴灌條件下氮素分布的特點，結合作物的需水規律和不同生育期根系的分布規律，實現精準施肥，使氮素養分較好的集中在作物根系附近，再依據氮素隨時間變化規律，確定適宜的施肥時間，從而真正提高水肥利用效率。

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