不同灌溉方式對棗樹根區土壤速效養分賦存及空間異質性的影響

侯曉華，朱耀輝，李發永，夏梓洋，孟憲剛，賈宏坤

(塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

新疆由于氣候干旱，水資源極度匱乏，該問題在南疆尤為突出[1-3]。近年來由于南疆種植結構調整，棗樹種植業異軍突起[4]，但還缺乏與之相應的水肥調控技術，水資源浪費嚴重。對棗樹節水灌溉條件下養分的賦存、運移規律及空間變異特性方面的研究還較少，由于棗樹滴灌和棉花膜下滴灌的差異，不能簡單地將棉花傳統的膜下滴灌施肥技術在棗樹上加以套用，不合理的水肥管理導致肥料的累積和流失[5]，從而引起不必要的環境污染[6,7]。

1 試驗設計

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆阿拉爾市塔里木大學水利與建筑工程學院節水灌溉試驗基地。屬于沙漠綠洲農業區，氣候類型為大陸性干旱氣候，年均降水量53.3 mm，年均蒸發量1 969.4 mm。年均氣溫10.8 ℃，日照時間2 905 h，太陽總輻射量578.125 J/cm2，風沙浮塵天氣較多，無霜期210 d。土壤以沙壤土為主，土壤初始理化學性質(0～80 cm土層平均值)及土壤機械組成見表1和表2。

1.2 試驗設計

1.2.1 供試材料

供試材料為6年生棗樹(駿棗，Ziziphus zizyphus)，以酸棗(Ziziphus jujuba var. spinosa)為砧木嫁接而成，行距為2.0 m，株距1.0 m，株高在1.5～2.0 m之間。生育期從4月中下旬至10月上中旬，180 d左右。

表1 供試土壤理化性質Tab.1 Physico-chemical properties of tested soil

表2 供試土壤(0～80 cm)機械組成Tab.2 Soil mechanical composition in 0～80 cm of test soil

注：按美國農業部(USDA)制劃分。

1.2.2 小區設置及田間管理

本試驗分別選擇地面灌和滴灌年限為5年的棗田(棗樹嫁接后第一年為地面灌，未劃分處理，滴灌試驗從第二年開始)。滴灌為采用當地常用的單翼迷宮式滴灌帶，每個田塊隨機設置3個重復，每個處理小區面積為50 m2，小區為矩形，東西走向，長寬10 m×5 m，各小區之間設置2 m的隔離帶。滴灌帶鋪設在距棗樹樹干10 cm處；常規處理灌水定額為150 m3/667 m2，全生育期灌水6次，其中新梢生長期1次，花期2次，果實膨大期2次，果實成熟期1次。生育期結束后冬灌1次，全年灌溉定額為1 050 m3/667 m2；滴灌處理灌水定額為20 m3/667 m2，全生育期灌水16次，其中萌芽前期1次，新梢生長期2次，花期6次，幼果期2次，果實膨大期4次，果實成熟期1次，生育期結束后冬灌(常規灌)1次，全年灌溉定額為470 m3/667 m2，采用水表記錄單次灌水量。

有機肥(主要為雞糞)施入方式為穴施，3月底在距棗樹根區30 cm處挖深度20 cm淺坑施入并覆土，無機肥(三元復合肥，氮磷鉀配比為：2∶1∶1，總養分>40%)施入主要集中在五月、六月、七月以及八月4個需水關鍵期。地面灌試驗區將復合肥在棗樹根區20 cm處挖坑穴施后再進行灌水，滴灌試驗區隨水滴施，滴灌和地面灌處理施肥量相同。施肥總量為2 250 kg/hm2，全生育期施肥3次，施肥周期以棗樹生育期為主，花期1次，幼果期1次，果實膨大期1次，單次施肥量為750 kg/hm2。采樣期間滴灌和地面灌各有1次灌水，無施肥，棗樹生育期內常規灌和滴灌的農藝措施一致，采樣期內無有效降雨。

1.2.3 根區土壤取樣方法

本試驗分別于2017年4月10日和2017年5月20日兩次采集土樣。滴灌和地面灌處理均采用土鉆取土法進行土樣采集，每個處理隨機選取3棵具有代表性的棗樹(重復3次)。其中，滴灌處理第一次取土在距棗樹滴灌滴頭處水平距離分別記為0、10、20、40、60、80 cm處和垂直深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80，80～100 cm處進取土(見圖1)，地面灌無滴灌管帶鋪設，采樣位置與滴灌相同，第二次取土深度為0～80 cm，水平距離0～60 cm，土層間隔與第一次取土相同；地面灌處理則在距樹干15 cm處作為第一個采樣點，往水平方向采樣，采樣間隔和方法與滴灌相同。第一次采集樣品216份，第二次采集樣品150份。將取好的土樣帶回實驗室，風干后過2 mm篩，剩余土樣放入冰箱4 ℃保存。硝態氮測定樣品為鮮土樣，其他指標測定均為干土樣。

圖1 大田土壤取樣示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of field sampling

1.2.4 相關指標測定方法

采用碳酸氫鈉浸提—鉬藍比色法測定土壤有效磷[21]，采用分光光度法測定土壤硝態氮[22]，采用堿解擴散法測定土壤堿解氮[23]，采用火焰光度法測定速效鉀[24]。

1.2.5 數據分析

試驗數據采用Microsoft Office Excel、sufer11.0、SPPS 22.0進行處理、分析，變異系數CV=SD/MN，其中：SD為標準偏差、MN為平均值。

2 結果分析

2.1 不同灌溉方式對土壤硝態氮分布特征及空間變異的影響

圖2、3反映了滴灌和地面灌下土壤硝態氮的二維分布狀況。棗樹根區(滴頭附近)土壤硝態氮隨深度的增加而逐漸減少，水平方向則隨著與根區間距的增加逐漸升高。棗樹生育期開始階段，滴灌棗樹和地面灌棗樹根區土壤硝態氮的含量具有一定的相似性，即均在40 cm以下土層深度形成“虧缺區”，虧缺區域與棗樹側根分布形狀十分相似。且各土層土壤硝態氮含量較低，均低于10 mg/kg。可能是棗樹越冬期根際土壤微生物處于休眠階段，硝化細菌硝化作用微弱，土壤以上一年殘留氮素為主，萌芽期，棗樹自身對硝態氮開始急劇增加，導致土壤硝態氮虧缺，20 cm以下為棗樹側根和吸收根較發達的區域，硝態氮虧缺最嚴重。此時，硝態氮含量在水平方向上60 cm處有個峰值，此處正好處于棗樹行間條帶正中位置。雖然處于兩棵棗樹根系交錯區，但調查發現，該區域以二級側根和毛細根為主，由于二者休眠期二級側根和吸收根系的死亡，此處，對土壤氮素的利用較弱，硝態氮殘余量高，且滴灌棗樹的臨界峰值大于地面灌。

棗樹進入新梢生長期后(圖3)，表現為土壤硝態氮含量普遍增高，40 cm以上土層升溫快，硝態氮含量最高，滴灌40～60 cm出現“虧缺區”，硝態氮含量多在6 mg/kg以下，地面灌則在60～80 cm 出現“虧缺區”，硝態氮含量均在8 mg/kg以下。這從另一方面也反映了滴灌和地面灌棗樹根系的差異，滴灌時表層土壤水分含量高，硝態氮累積量也高，滴灌棗樹吸收根系與地面灌相比，吸收根上浮，表現為硝態氮“虧缺區”上浮。

圖2 滴灌和漫灌土壤硝態氮的二維分布圖(第一次采樣)Fig.2 Two-dimensional distribution of nitrate nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖3 滴灌和地面灌土壤硝態氮二維分布圖(第二次采樣)Fig.3 Two-dimensional distribution of nitrate nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

硝態氮由于易受土壤水分影響在土壤中的空間變異性較大(表3)。其在土壤中的含量除受水分影響外也受作物根系分布影響。滴灌時，土壤水分空間變異性也比地面灌大，滴頭附近土壤水分含量較高，隨著濕潤體下移，土壤水分含量減少，硝態氮含量也逐漸減少，變異系數也有所降低，這與馬騰飛等[25]的研究出的滴灌各施肥處理硝酸鹽主要積聚在40～60 cm土壤的結論不同。以根區附近(0 cm)為例，滴灌0～10 cm 土層硝態氮變異系數達到了36.62%，而地面灌只有24.84%，滴灌表層土壤硝態氮變異系數顯著大于地面灌。圖4分析了土壤垂直和水平方向硝態氮變異系數。垂直方向上土壤硝態氮變異系數隨土壤深度的增加而逐漸減少，滴灌與地面灌相比，硝態氮垂直變異系數隨深度增加減少幅度較大；同樣，水平方向上，變異系數隨水平距離的增加而逐漸減少，滴灌與地面灌相比，硝態氮水平變異系數隨距離增加減少幅度較大。

表3 不同灌溉方式下土壤硝態氮含量方差分析表(第二次取樣)Tab.3 Analysis of variance of soil nitrate nitrogen in different irrigation methods (Second sampling)

圖4 不同灌溉方式下土壤硝態氮垂直和水平變異系數(第二次取樣)Fig.4 Variation coefficient of soil nitrate nitrogen under different irrigation patterns (Second sampling)

2.2 不同灌溉方式對土壤堿解氮分布特征及空間變異的影響

圖5、6反映了滴灌和地面灌條件下土壤堿解氮的二維分布狀況，由圖可知，堿解氮的分布狀況與硝態氮有很大差異，堿解氮的分布更均勻，且空間變異性更小。但總體上隨土壤深度的增加呈現減少的趨勢，水平方向上堿解氮含量差異不明顯。棗樹生育期開始階段(圖5)土壤堿解氮含量相對較低，這一點與硝態氮相似，滴灌土壤堿解氮最大值為34.59 mg/kg，最小值為5.82 mg/kg；地面灌土壤堿解氮最大值為56.85 mg/kg，最小值為7.53 mg/kg。總體上地面灌土壤堿解氮稍高于滴灌。

圖5 滴灌和地面灌土壤堿解氮的二維分布圖(第一次取樣)Fig.5 Two-dimensional distribution of available nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖6 滴灌和地面灌土壤堿解氮二維分布圖(第二次取樣)Fig.6 Two-dimensional distribution of available nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

棗樹進入新梢生長期后(圖6)，隨著溫度升高，土壤微生物活躍，有機氮分解，土壤堿解氮含量逐漸升高。此時，滴灌和地面灌0～60 cm的土壤堿解氮的含量均在30 mg/kg以上，二者在水平方向的分布都較為均勻。滴灌土壤堿解氮最大值為57.74 mg/kg，最小值為14.97 mg/kg；地面灌土壤堿解氮最大值為54.12 mg/kg，最小值為3.96 mg/kg。雖然土壤堿解氮的含量隨著土壤深度的增加而減少，但是各土層的差異性顯著低于硝態氮。水平方向上堿解氮的分布差異性不明顯。說明灌溉方式對土壤堿解氮的影響較小。

滴灌0～20 cm土壤堿解氮的變異系數稍大于地面灌，各個土層的變異系數差異不大(表4)。因此，不同灌溉方式對土壤堿解氮有一定的影響，但與硝態氮相比，影響較小。圖7也說明了這一點。分析可知，兩種灌溉方式下土壤堿解氮的變異系數均集中在10%～15%之間。滴灌最大變異系數為14.57%，最小為8.35%，而地面灌最大變異系數為15.41%，最小為7.22%。

表4 不同灌溉方式下土壤堿解氮含量方差分析表(第二次取樣)Tab.4 Analysis of variance of soil available nitrogen in different irrigation methods (Second sampling)

2.3 不同灌溉方式對土壤速效鉀分布特征及空間變異的影響

生育期不同時期，土壤速效鉀的含量變化十分明顯。棗樹生育期開始階段(圖8)滴灌和地面灌棗樹根區各層土壤速效鉀含量較高，且根區附近各土層含量差異不大。但滴灌處理土壤中的速效鉀含量顯著低于地面灌處理，其最大值為422 mg/kg，最小值為85 mg/kg；而地面灌處理的最大值為1261 mg/kg，最小值為488 mg/kg。所以，按照土壤供鉀水平標準，此時，滴灌土壤大部分處于高鉀(速效鉀范圍60～160 mg/kg)，地面灌土壤均處于極高供鉀水平(速效鉀>160 mg/kg)。此時鉀離子的累積量主要為上季鉀肥施入后的殘余量。

棗樹進入新梢生長期后，對速效鉀的需求逐漸加大，由于前期沒有鉀肥施入，土壤鉀離子含量迅速下降(圖9)。此時滴灌土壤速效鉀最大值為45 mg/kg，最小值只有12 mg/kg，地面灌土壤速效鉀最大值為33 mg/kg，最小值為10 mg/kg。土壤供鉀水平處于中低水平(速效鉀<60 mg/kg)。此時滴灌處理出現 “虧缺區”，該“虧缺區”與棗樹側根系的生長區域相吻合。

圖7 不同灌溉方式下土壤堿解氮垂直和水平變異系數(第二次取樣)Fig.7 Variation coefficient of soil available nitrogen under different irrigation patterns (Second sampling)

圖8 滴灌和地面灌土壤速效鉀的二維分布圖(第一次取樣)Fig.8 Two-dimensional distribution of available potassium in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖9 滴灌和地面灌土壤速效鉀的二維分布圖(第二次取樣)Fig.9 Two-dimensional distribution of available potassium in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

滴灌棗樹根區速效鉀含量變異大于地面灌。滴灌和地面灌條件下土壤速效鉀含量的變異系數均隨著土壤深度的增加而減小(表5，圖10)；隨著水平距離的增加，呈現先減小后增大的趨勢，但在水平方向上的變異系數差異性小于垂直方向。水平方向上滴灌土壤速效鉀的空間異質性與地面灌差異不大(圖10)，但滴頭附近0 cm處速效鉀的變異系數顯著高于其他土層。滴灌處理垂直方向的變異系數變化較大(圖10)，表層土壤(0～20 cm)變異系數均在15%以上，而深層土壤80 cm土層變異系數則在10%以下。地面灌處理垂直方向變異系數雖然也隨土層增加有降低的趨勢，但空間異質性顯著小于滴灌，變異系數多在10%～15%之間。

表5 不同灌溉方式下土壤速效鉀方差分析表(第二次取樣)Tab.5 Analysis of variance of soil available potassium in different irrigation methods (Second sampling)

圖10 不同灌溉方式下土壤速效鉀垂直和水平變異系數(第二次取樣)Fig.10 Variation coefficient of soil available potassium under different irrigation patterns (Second sampling)

2.4 不同灌溉方式對土壤速磷分布特征及空間變異的影響

土壤有效磷在棗樹生育期開始階段處于較高水平(圖11)，此時滴灌土壤最大含量最大值為78.89 mg/kg，最小值為0.44 mg/kg；地面灌土壤最大值為62.48 mg/kg，最小值為6.17 mg/kg。滴灌和地面灌處理棗樹根區附近有效磷含量顯著大于其他各點，這與硝態氮和速效鉀的分布規律相反。且二者均隨著土壤深度的增加呈減少的趨勢，水平方向上則隨著水平距離的增加呈現先減少后增加的趨勢，在距滴頭60 cm處出現一個臨界點。此時，滴灌和地面灌處理土壤有效磷分布極為相似。

棗樹進入新梢期后(圖12)，土壤有效磷含量迅速減少，此時滴灌土壤有效磷含量最大值為14.02 mg/kg，最小值為0.80 mg/kg；地面灌土壤有效磷含量最大值為8.78 mg/kg，最小值為0.91 mg/kg；但總體上，滴灌處理有效磷在土壤中的分布規律與生育期開始階段相似，仍然以滴頭附近最高，隨土壤深度和水平距離的增加含量逐漸降低，40 cm以下土層有效磷含量極低。而地面灌處理在水平方向上的差異性則小于滴灌，且60 cm以下土層有效磷含量較少。所以可以認為植物新梢生長期對土壤有效磷的吸收也較多，但總體上有效磷的分布受灌溉方式的影響稍弱于硝態氮。

圖11 滴灌和地面灌土壤有效磷的二維分布圖(第一次取樣)Fig.11 Two-dimensional distribution of available phosphorus in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

圖12 滴灌和地面灌土壤有效磷的二維分布圖(第二次取樣)Fig.12 Two-dimensional distribution of available phosphorus in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

表6和圖13對第二次取土壤有效磷的分布進行了方差和變異性分析。滴灌和地面灌在水平方向的變異系數均隨著距離的增加呈減小的趨勢，滴頭附近(0 cm處)的變異系數均較大。而60 cm處的變異系數均較大。隨著土壤深度的增加，變異系數逐漸減小。滴灌處理變異性大于地面灌，滴灌處理變異系數最大變異系數為25.57%，最小為10.08%，而地面灌最大變異系數為18.46%，最小為7.95%。滴灌處理變異系數稍大于地面灌，但二者隨深度和水平距離的變化具有一致性。

表6 不同灌溉方式下土壤速磷方差分析表(第二次取樣)Tab.6 Analysis of variance of soil available phosphorus in different irrigation methods (Second sampling)

圖13 不同灌溉方式下土壤有效磷垂直和水平變異系數(第二次取樣)Fig.13 Variation coefficient of soil available phosphorus under different irrigation patterns (Second sampling)

3 結 論

本文主要考察棗樹生育前期和新梢生長期棗樹根區養分變異規律，因為這兩個階段是棗樹根系發育最快的兩個階段，在西北極端干旱地區，隨著氣溫回升，土壤養分受水分、溫度的影響開始明顯。棗樹根區養分分布情況直接影響到根系在土壤中的生長，本試驗也通過研究表明不同的灌溉方式對土壤養分分布能夠產生顯著影響。但具體到各種養分，其影響程度和賦存規律也不同。研究表明灌溉方式對土壤堿解氮的空間異質性影響較小，對硝態氮、有效磷的影響較大。滴灌導致棗樹根系上浮，對養分的吸收利用也集中在40 cm以上的土層。今后的試驗中需進一步考察棗樹整個生育期內土壤養分的變化，以及灌溉方式改變導致的土壤根系分布差異，探索根系分布和養分利用的相關關系。對提高棗樹水肥利用效率，完善水肥調控模式，促進南疆節水灌溉的推廣具有重要意義。

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