局部根區滴灌與穴施尿素對土壤氮素空間分布的影響

韓國君，陳年來，褚 潤，孫小妹，任建新，張 莉

(甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070)

發展節水灌溉和高效施肥技術、推進農業化肥減量和節本增效已是當前農業研究的重要任務之一[1-2]。局部根區灌溉(Partial Root-zone Irrigation，PRI)是適用于我國干旱區的農業節水灌溉技術，具有可操作性強、節水優產、減少氮淋失等優勢[3]。與充分灌溉相比，局部根區灌溉的水分側向入滲明顯、深層滲漏較少，有效減少硝態氮淋失，并能促進土壤下層硝態氮向上層遷移，增加植物吸收利用氮素的機會[4-5]。有研究表明，局部根區灌溉馬鈴薯節水可達30%，土壤殘留氮比充分灌溉減少29%[6]。滴灌施肥(Fertigation)在我國被稱為水肥一體化，它是一種高效的灌溉與施肥方式[7]。滴灌施肥能顯著減少氮的淋溶損失，增加土壤中有效態氮的含量，提高作物對養分的利用率[8]。一次性基施緩控釋肥或減量施氮均可實現一次性施肥，能維持我國玉米、小麥和水稻三大糧食作物的產量不降低，減量施氮 20%～37%時，氮肥利用率提高2.3%～20.4%，顯著減少農田氨揮發、N2O排放、氮淋溶損失[9-10]。一次性穴施尿素在提高土壤剖面氮素合理分布、降低氮素釋放速度[11]、簡化施肥管理和減少氮素損失[12]等方面發揮顯著作用。研究顯示，土壤氮素礦化在表施、深施尿素和灌溉施肥5 d后達到高峰[13]。氮肥深施15 cm可延緩氮肥釋放、減少氮素淋失量、保證土壤氮素持續供應[14]。節水減氮有助于發揮深層累積硝態氮的生物有效性，增加作物葉片氮的積累量[15]。節水減氮對作物產量無顯著影響，但能最大限度地提高作物水氮利用效率[16]。

當前，雖然已開展較多灌溉與施肥技術的理論研究，但局部根區滴灌下穴施尿素、滴灌施肥對土壤中氮素分布及運移的研究鮮有報道。因此，本文結合局部根區灌溉技術與一次性穴施尿素方式，研究節水灌溉與減量施肥對土壤有效態氮含量及分布的影響，對于節約灌溉用水量、減少化肥使用量及農業生產節本增效的實踐具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

施肥與灌溉試驗于2019年在甘肅農業大學遮雨棚內進行，設穴施尿素和滴灌施肥兩種施肥方式，穴施尿素是一次性將尿素深施至15 cm土層土壤，滴灌施肥是將尿素溶解于水中隨滴灌施入土壤。根據滴灌范圍劃分成面積為1.2 m ×0.7 m的試驗小區，小區之間埋深50 cm防滲膜，防止水分、養分相互遷移干擾。在試驗地上方搭建遮雨棚的同時，其頂部及四周皆用塑料膜覆蓋遮雨。

滴灌用醫用輸液器進行模擬，滴頭流量2.5 L·h-1。灌水量根據實際土壤含水量、灌水上限(田間持水量的90%)和小區面積計算得到，局部根區滴灌和充分灌溉的一次灌水量分別為7 L和14 L。以純N計設常量施肥(240 kg·hm-2)和減量施肥(180 kg·hm-2)兩種施肥量，常量施肥下A1處理為穴施尿素的局部根區滴灌處理，F1處理為穴施尿素的充分灌溉處理，D1處理為滴灌施肥的局部根區滴灌處理；減量施肥下A2處理為穴施尿素的局部根區滴灌處理，F2處理為穴施尿素的充分灌溉處理，D2處理為滴灌施肥的局部根區滴灌處理，共計6個處理(表1)，每個處理重復4次。

表1 施肥與灌溉試驗處理

1.2 土壤取樣

在灌溉、施肥5 d后用土鉆采集試驗小區的土壤樣品，取樣點、施肥點、滴灌點位置見圖1。水平方向以滴灌點為0 cm開始取土壤樣品，每隔10 cm為一個采樣點，分別為距離滴頭0、10、20 cm和30 cm，垂直方向由上至下每10 cm取土壤樣品1次，分別為0～10、10～20、20～30、30～40 cm。

圖1 試驗小區土壤取樣示意圖

用四分法將土壤樣品分成2份，放入自封袋存至4℃冰箱，其中1份用于測定土壤含水量，另1份用于土壤硝態氮、銨態氮和堿解氮含量的測定。供試土壤容重1.4 g·cm-3，pH為8.12，田間持水量22%，有機質8.10 g·kg-1，全氮0.62 g·kg-1，土壤銨態氮9.60 mg·kg-1，硝態氮10.07 mg·kg-1。

1.3 測定項目與方法

土壤全氮用半微量開氏法測定；土壤銨態氮含量用2 mol·L-1KCL浸提-靛酚藍比色法測定；土壤硝態氮含量用紫外分光光度法測定；土壤堿解氮含量用堿解擴散法測定。土壤礦質氮是硝態氮和銨態氮之和。

1.4 數據處理及統計分析

用SPSS 20.0進行ANOVA單因素方差分析，用Duncan’s新復極差法多重比較處理之間的顯著性(P<0.05)和交互作用。用Origin 9.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 滴灌水分入滲速率及土壤含水量空間分布

土壤水分入滲速率是單位時間內地表單位面積土壤的滲入水量，用以表征土壤的滲透特性。土壤最初入滲速率非常大，隨后由大變小直至達到最后的穩定值。滴灌土壤水分入滲速率呈先快速下降、而后緩慢減小的趨勢(圖2)，尤其在滴灌開始的10 min內土壤的入滲速率變化較快，為0.0154 kg·m-2·s-1，與之相比，30 min時土壤入滲速率(0.0068 kg·m-2·s-1)下降56%；在120 min時土壤入滲速率又減小近50%，其值僅為0.0035 kg·m-2·s-1。

圖2 滴灌土壤水分入滲速率

灌水結束5 d后各試驗小區土壤相對含水量如表2所示，局部根區滴灌處理的灌溉濕潤區域與充分灌溉處理的土壤含水量之間差異很小，但2種處理的灌水量分別為7 L和14 L。在距離滴頭0 cm處，局部根區滴灌(穴施尿素A1/A2、滴灌施肥D1/D2)處理0～10 cm表層土壤含水量顯著小于30～40 cm土層,它們在距離滴頭水平方向20 cm各土層之間土壤相對含水量無顯著差異。

表2 不同施肥與灌溉處理土壤相對含水量空間分布

2.2 施肥與灌溉對土壤銨態氮含量的影響

總體來說，在距離滴頭水平30 cm和垂直40 cm范圍內(圖3，圖4)，在水平方向上，距離滴頭30 cm土壤銨態氮含量較小，距離滴頭10 cm土壤銨態氮含量較大，且銨態氮含量最大值出現在距離滴頭10 cm下方30～40 cm土層中。說明土壤銨態氮水平遷移較小，其更容易向土壤縱深分布。

注：同列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different letters in the figure indicate significant difference (P<0.05). The same below.

圖4 減量施肥與灌溉下土壤銨態氮空間分布

比較平均值來看，在180 kg·hm-2減量施肥下，滴灌施肥D2處理土壤銨態氮含量平均值為11.99 mg·kg-1，明顯小于穴施尿素A2處理(14.64 mg·kg-1)、F2處理(15.21 mg·kg-1)。而且，滴灌施肥土壤銨態氮含量的空間變幅為32.77%，大于穴施尿素A2處理(28.20%)、F2處理(25.53%)。但是在240 kg·hm-2常量施肥下，滴灌施肥D1處理、穴施尿素A處理和F處理的銨態氮空間變幅分別為36.90%、31.94%、33.15%，各處理之間差異較小。總之，滴灌施肥處理土壤銨態氮含量的空間變幅比穴施尿素大12%～28%，而穴施尿素處理的土壤銨態氮空間分布更均勻。

2.3 施肥與灌溉對土壤硝態氮含量的影響

總體看來，無論常量施肥還是減量施肥(圖5、圖6)，在垂直方向上，各處理0～10 cm土壤表層硝態氮含量最大。在常量施肥下，充分灌溉F1處理土壤硝態氮最大值為27.43 mg·kg-1(在距離滴頭30 cm處)，而局部根區滴灌A1處理、D1處理最大值僅為19.56、20.73 mg·kg-1(在距離滴頭20 cm處)，它們之間相差24%～29%；同樣，在減量施肥下，充分灌溉F2處理在距離滴頭30 cm處土壤硝態氮含量最大值為20.73 mg·kg-1，而局部根區滴灌A2處理、D2處理在距離滴頭20 cm處土壤硝態氮含量最大值分別為14.33、12.33 mg·kg-1，它們之間相差31%～41%。可見，無論常量還是減量施肥，灌水量對土壤硝態氮運移的影響較大。充分灌溉處理土壤硝態氮在濕潤邊界容易產生聚集，且土壤硝態氮更容易在水平方向上發生運移。

圖5 常量施肥與灌溉下土壤硝態氮的空間分布

圖6 減量施肥與灌溉下土壤硝態氮的空間分布

在常量施肥下，充分灌溉F1處理、局部根區滴灌A1處理和D1處理土壤硝態氮的空間變幅分別為40.16%、36.59%、39.22%；在減量施肥下，充分灌溉F2處理、局部根區滴灌A2處理和D2處理土壤硝態氮的空間變幅分別為38.54%、32.41%、33.77%。當施氮量減少25%時，局部根區滴灌、充分灌溉和滴灌施肥的土壤硝態氮含量比常量施肥分別降低了19.64%、22.97%、39.22%。無論常量施肥還是減量施肥，充分灌溉處理的硝態氮積累大于局部根區滴灌處理，灌水量對土壤硝態氮含量的影響大于施肥處理。

2.4 施肥與灌溉對土壤堿解氮含量的影響

分析可知，在距離滴頭水平30 cm和垂直40 cm范圍內，無論常量施肥還是減量施肥，各處理之間土壤堿解氮含量差異較小(圖7、圖8)。在常量施肥下，A1處理、F1處理和D1處理土壤堿解氮平均含量分別為127.91、126.32、125.76 mg·kg-1，其空間變異系數分別為5.67%、8.97%、9.26%；在減量施肥下，A2處理、F2處理和D2處理土壤堿解氮平均含量分別為75.49、77.35、75.07 mg·kg-1，其空間變異系數分別為9.94%、11.66%、9.90%。無論是常量施肥還是減量施肥，各處理之間的土壤堿解氮含量差異不顯著。可見，土壤堿解氮空間分布較均勻，灌水量和施肥方式對土壤堿解氮含量的影響較小。

圖7 常量施肥與灌溉下土壤堿解氮的空間分布

圖8 減量施肥與灌溉下土壤堿解氮的空間分布

2.5 施肥與灌溉對土壤氮素轉化的影響

由于常量施肥(240 kg·hm-2)與減量施肥(180 kg·hm-2)的施氮量比值為1.33，從尿素轉化為土壤硝態氮的比例來看(圖9)，滴灌施肥D1/D2處理的斜率1.65，大于穴施尿素的A1/A2處理和F1/F2處理的斜率1.26和1.30。從尿素轉化為土壤銨態氮的比例來看，滴灌施肥D1/D2處理的斜率為1.73，大于穴施尿素的A1/A2處理和F1/F2處理的斜率為1.31和1.37。說明穴施尿素處理土壤硝態氮、銨態氮轉化得較慢，而滴灌施肥處理轉化得較快，造成氮素損失的風險較大。

圖9 施肥與灌溉對土壤氮素轉化的影響

由圖9可見，施肥方式即穴施尿素和滴灌施肥對土壤氮素轉化的速率具有一定影響，由于尿素轉化為土壤銨態氮和硝態氮的土層空間含量不同，使得兩種施肥量下尿素轉化為土壤礦質氮的比值不同，即呈現不同斜率。當施氮量減少25%時，穴施尿素下局部根區滴灌、穴施尿素下充分灌溉、滴灌施肥下局部根區滴灌的土壤硝態氮含量分別減少了19.64%、22.97%、39.22%，土壤銨態氮含量分別減少了23.28%、26.05%、41.82%。可見，各處理土壤硝態氮、銨態氮的降幅大小順序為：滴灌施肥下局部根區滴灌>穴施尿素下充分灌溉>穴施尿素下局部根區滴灌。因此，滴灌施肥處理土壤礦質氮含量變幅大于穴施尿素處理。采用穴施尿素的施肥方式減緩了土壤氮素轉化，可以調控養分的緩慢釋放。

3 討論與結論

3.1 灌溉方式對土壤有效氮分布的影響

3.2 施肥方式對土壤氮素遷移及利用的影響