灌溉量對科爾沁沙地紫花苜蓿土壤速效養分分布及淋失的影響

李天琦， 林志玲, 盧 軒， 黃佳媛， 楊 寧， 沃 野， 高 凱*， 柳小妮， 王顯國

(1.內蒙古民族大學農學院， 內蒙古 通遼 028042；2.甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070； 3.中國農業大學草業科學與技術學院， 北京 100083)

水肥是限制作物增產的兩大因子，合理的水肥管理是提高作物產量，改善作物品質的重要因素[1]。如何通過合理的水分管理在提高作物產量的同時控制肥料施入量，提高肥料利用效率，減少土壤中肥料殘留和淋溶，降低農業面源污染已經成為干旱半干旱地區農業可持續發展的關鍵。土壤堿解氮(available nitrogen，AN)、有效磷(available phosphorus，AP)、速效鉀(available potassium，AK)作為作物當季可直接吸收利用的速效養分，與作物生長發育密切相關。研究表明土壤速效養分含量受土壤植被狀況、土壤理化性質、灌溉制度等眾多因素影響[2]。國內外學者針對灌溉對土壤速效養淋失的影響進行了較多研究，結果表明灌溉和降雨是影響氮素淋失的主要因素之一，土壤氮素淋溶與降雨和灌溉成正相關關系，特別在砂質土體灌溉和降雨量越大，氮素隨水分向下淋溶量越大，一般情況下，每2～3 mm的降水可使土壤中的氮素下移1 cm[3]。當降雨不足時蒸發量大于降雨量，土壤中氮素隨著土壤中上升的水分向上運動，但降雨足夠或灌溉時，大量的水分下滲使土壤中的氮也會隨之下滲從而造成淋失[4]。土壤磷素的淋失與當地降雨量[5-7]、灌溉量顯著相關[8]。土壤速效鉀含量與土壤水分含量存在線性關系，速效鉀含量會隨土壤水分含量的增加上升[10]，土壤中速效鉀有隨水向下遷移的趨勢，灌水量越大，速效鉀的淋失量越大，鉀素的利用率越低[11]。

科爾沁地區位于內蒙古東部，是我國北方重要的農牧業生產基地。近年來，科爾沁沙地的紫花苜蓿(MedicagosativaL.)種植、加工業快速發展，現已成為國內機械化程度最高、種植面積增長最快、投資力度最大、產業化水平較高的新興苜蓿優勢產區。截至2017年，以阿魯科爾沁旗為主的科爾沁沙地現已建成集中連片紫花苜蓿種植基地71 333 hm2[12]。目前針對科爾沁沙地苜蓿的研究主要集中在苜蓿越冬、品種選擇及施肥量試驗上，針對苜蓿水分管理及灌溉量對苜蓿草地土壤速效養分分布和運移的影響研究不多，因此本研究以圓形噴灌機下建植兩年紫花苜蓿為試驗材料，根據聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith方法計算紫花苜蓿實際需水量(crop evapotranspiration under standard conditions,ETc)，研究不同灌溉量對科爾沁沙地紫花苜蓿草地土壤速效養分空間分布、累積和淋失的影響，探討科爾沁沙地圓形噴灌機下人工種植紫花苜蓿草地適宜灌溉量，為本地區紫花苜蓿水肥管理和草產業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗地概況

試驗開展于2018年4月—9月，試驗地點位于內蒙古自治區赤峰市阿魯科爾沁旗邵根鎮綠生源生態科技有限公司。該地地理坐標為東經120°35′，北緯43°42′，屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候區，四季分明，年平均氣溫5.5℃，年日照時數2 760～3 030 h，極端最高氣溫40.6℃，極端最低氣溫-32.7℃，年平均積溫2 900～3 400℃，無霜期95～140 d，年降水量300～400 mm，主要集中在6—8月，年蒸發量2 000～2 500 mm。試驗地地勢平坦，土壤質地為沙壤土，0～100 cm土層土壤容重為1.45 g·cm-3，田間持水量為16.31%，灌溉水源為地下水，地下水埋深30 m。2018年試驗期內具體氣象數據詳見表1和圖1。試驗地于2017年建植，供試苜蓿品種為‘WL298HQ’，播種量為45 kg·hm-2，行距15 cm，使用蒙綠公司生產的圓形噴灌機進行灌溉。試驗地面積3.87 hm2，機組共有2跨，每跨長50 m，懸臂長8 m，噴灌機入機壓力為0.3 Mpa，入機流量為55～57 m3·h-1。生長季內使用肥料為“藍磷315”總養分含量(N+P2O5+K2O)≥45%，其中N∶P∶K=11∶19∶15，施肥時間按照當地生產經驗確定、施肥量按照當地生產經驗確定為每茬300 kg·hm-2。

表1 2018年試驗期內氣象數據

圖1 試驗期內實際需水量及有效降雨量

1.2 試驗設計

試驗采用灌溉量的單因素試驗設計，灌溉量設4個水平：60%ETc(W1)，80%ETc(W2)，100%ETc(W3)，120%ETc(W4)，2018年試驗期內各處理灌溉量見表2，每個水平設5次重復，共20個小區，每個小區面積0.13 hm2。灌溉時間確定為：當W3處理0～60 cm土層含水量達到田間持水量的60%時W1，W2，W3，W4開始灌溉，灌溉量為相鄰兩次灌溉時期內累計ETc的60%，80%，100%和120%。為保證不同處理下苜蓿的正常返青，試驗期內各處理下的返青期采用100%ETc灌溉處理，其余生育期按照試驗處理灌溉。

表2 紫花苜蓿生育期內各處理下灌溉量

ETc的具體計算過程：首先根據試驗地氣象數依照Penman-Monteith公式計算出各時段內累計的ETo(公式1)，然后根據FAO-56推薦紫花苜蓿作物系數(crop coefficients，Kc)結合本地區氣象數據、苜蓿生長狀況對試驗地地區紫花苜蓿的Kc進行校正，并最終根據公式ETc=Kc×ETo計算出ETc[13]。每次灌水定額由該時段內累計的作物需水量ETc減去該時段內有效降雨量(≥5 mm)來確定。

(1)

式中：ETo為參照作物蒸散強度(mm·d-1)；Rn為作物表面凈輻射(MJ·m-2d-1)；G為土壤熱通量密度(MJ·m-2d-1)；T為2 m高處日平均氣溫(℃)；u2為2 m高處風速(m·s-1)；es為飽和水氣壓(kPa)；ea為實際水氣壓(kPa)；△為飽和水氣壓斜率(kPa·℃-1)；γ為干濕表常數(kPa·℃-1)。

Kcini=0.40

Kcmid=1.2+[0.04×(u2-2)-0.004×(RHmin-45)]×(h/3)0.3

Kcend=1.15+[0.04×(u2-2)-0.004×(RHmin-45)]×(h/3)0.3

ETc=Kc×ETo

式中：Kcini為生長初期作物系數；Kcmid為生長中期作物系數；Kcend為生長后期作物系數；ETc為實際作物蒸散強度(mm·d-1)，Kc為作物系數，ETo為參照作物蒸散強度(mm·d-1)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1氣象數據 試驗地氣象數據由天山鎮氣象局提供，包括日平均風速、日最高氣溫、日最低氣溫、日最大相對濕度、日最小相對濕度、日降水量等氣象因子，依照Penman-Monteith公式計算出參考作物蒸發量。

1.3.2土壤含水量 為判斷土壤水分含量是否到達灌溉下限，在W3處理內埋設6組測定管，用來檢測W3處理內不同位置土壤含水量，最終取6組數據的平均值，從而消除土壤空間變異性對灌水時間的影響，使用TRIME-TDR測量系統測定土壤含水量，每天測定一次，分別在距地表20，40，60 cm處測定。

1.3.3土壤速效養分 在紫花苜蓿返青前及第三茬刈割后，在每個小區內隨機選取3個點，每點取3鉆，取0～100 cm土層土樣，按照0～10，10～20，20～30，30～50，50～70，70～100 cm分層，裝入自封袋，待風干后通過1 mm篩制備測。堿解氮用堿解擴散法測定；有效磷采用olsen法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[14]。

1.3.4土壤剖面中速效養分累積量[15]： 速效養分累積量(kg·hm-2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×土壤速效養分含量(mg·kg-1)/10。

1.3.5土壤剖面中速效養分淋失量計算[16]： 速效養分淋失量(kg·hm-2)=初始土體速效養分累積量(kg·hm-2)-土體殘留速效養分累積量(kg·hm-2)。

1.4 統計分析

利用Microsoft Excel 2013 進行數據計算；用SPSS 25對數據進行方差分析及回歸分析；用Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2.1 灌溉量對速效養分土壤剖面分布的影響

圖2為灌溉量對0～100 cm土層內堿解氮、有效磷、速效鉀土壤剖面分布的影響。由圖2可知，不同灌溉量處理對不同土層深度堿解氮剖面含量的影響不同，W1—W4處理堿解氮分布呈“S”形，W1—W4處理土壤堿解氮含量的最低值均出現在20～30 cm土層內，在30 cm土層深度以下堿解氮含量不斷增加并出現累積峰，其中W1，W2，W4處理堿解氮含量的峰值出現在土壤30～50 cm土層，W3處理峰值出現在50～70 cm土層，各處理峰值出現后，土壤堿解氮含量隨著土層深度的增加不斷降低。

圖2 灌溉量對堿解氮(a)、有效磷(b)、速效鉀(c)土壤剖面分布的影響

不同灌溉量對W1—W4處理間有效磷在0～100 cm土層內的剖面分布影響存在差異，W1處理在各個土層深度內，有效磷含量均高于其他處理，而W3處理在各個土層內有效磷含量均低于其他處理。并且W3處理在0～70 cm土層深度內有效磷含量變化不大，而W1，W2處理在0～30 cm土層范圍內變化不明顯。W1處理有效磷的累積峰出現在50～70 cm土層范圍內，W2，W4累積峰出現在30～50 cm土層范圍內，W3累積峰則在70～100 cm土層內出現。而不同灌溉量處理在0～100 cm土層深度內的，有效磷含量的最低值出現的土層也不同，W1，W2，W4處理最低值出現在20～30 cm土層范圍內，W3處理則在50～70 cm土層內有效磷含量達到最低值。

不同灌溉量處理對0～100 cm土層深度內速效鉀含量的影響在W1—W4處理間表現出的趨勢一致，均呈現出“S”形分布，即隨著土層深度的增加，W1—W4處理土壤速效鉀含量不斷降低并在20～30 cm土層內降至最低值，之后隨著土層深度的增加，土壤速效鉀含量不斷上升并出現累積峰，在30～50 cm土層深度內達到峰值，然后隨著土層深度的增加，速效鉀含量不斷降低。

2.2 不同灌溉量對速效養分殘留量的影響

由表3可知，不同灌溉量處理對堿解氮、有效磷、速效鉀在0～100 cm土壤中殘留量的影響不同，其中W1處理土壤堿解氮的殘留量最高且顯著高于其他處理(P<0.05)，W3處理的土壤堿解氮殘留量最低，但W2，W3，W4處理間無顯著性差異，W1處理分別比W2，W3，W4處理高23.86%，39.74%和33.41%。W1處理下土壤有效磷殘留量最高且顯著高于其他處理(P<0.05)，W3處理下土壤有效磷殘留量最低，且顯著低于其他處理(P<0.05)，W2，W4處理間土壤有效磷殘留量無顯著性差異，W1處理分別比W2，W3，W4高66.38%，207.46%，78.55%。W1處理下土壤速效鉀殘留量達到最高值且顯著高于其他處理(P<0.05)，W4處理下土壤速效鉀殘留量最低，且顯著低于其他處理(P<0.05)，W1處理分別比W2，W3，W4分別高8.53%，22.69%，41.36%。通過對W1—W4處理下土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀的殘留量分析發現，灌溉量最低的W1處理下殘留量最高，W3處理下堿解氮和有效磷的殘留量最低，W4處理下速效鉀殘留量最低。

表3 不同灌溉量對速效養分殘留量的影響

2.3 不同灌溉量對速效養分淋失量的影響

由表4可知，不同灌溉量處理對0～100 cm土層內的堿解氮、有效磷、速效鉀淋失量影響不同。在0～100 cm土層內W1—W4處理堿解氮的淋失量呈現出隨灌溉量增加而增加的趨勢，W4處理下淋失量最大W1處理下淋失量最小，W4處理較W1，W2，W3處理堿解氮淋失量分別增加249.09 kg·hm-2，201.41 kg·hm-2，24.13 kg·hm-2。其中在W1，W2處理，秋季土壤堿解氮含量比春季土壤堿解氮含量分別增加了138.43 kg·hm-2和90.75 kg·hm-2，W3，W4處理秋季土壤堿解氮含量較春季土壤堿解氮含量減少86.53 kg·hm-2和110.66 kg·hm-2。

表4 不同灌溉量對速效養分淋失量的影響

有效磷淋失量則表現出隨灌溉量的增加先增加后降低的趨勢，淋失量最大出現在W2處理，淋失量最小值出現在W1處理，W2處理淋失量分別比W1，W3，W4處理增加241.17 kg·hm-2，38.75 kg·hm-2，105.20 kg·hm-2，增幅分別為715.21%，16.41%，61.99%。

速效鉀的淋失量則表現出隨灌溉量增加而增加的趨勢，其中在W1處理下秋季土壤速效鉀含量比春季土壤速效鉀含量增加了173.84 kg·hm-2。W4處理下速效鉀淋失量達到最大，淋失量最小發生在W1處理下，W4較W1，W2，W3處理速效鉀淋失量分別增加279.15 kg·hm-2，20.21 kg·hm-2，57 kg·hm-2。

2.4 回歸分析

通過對灌溉量與堿解氮淋失量進行多項式擬合(圖3)，得到一條開口向下的拋物線，擬合方程為y=—0.004x2+6.25x—2 357.88(R2=0.41，P<0.01)，求偏導得出當灌溉量為781.25 mm時堿解氮淋失量最低，為83.53 kg·hm-2。通過對灌溉量與堿解氮殘留量進行多項式擬合(圖3)，得到一條開口向上的拋物線，擬合方程為y=0.012x2—16.33x+5879.58(R2=0.59，P<0.01)，求偏導得到當灌溉量為680.42 mm時堿解氮殘留量最高，為323.98 kg·hm-2；通過對灌溉量與有效磷淋失量進行多項式擬合(圖4)，得到一條開口向下的拋物線，得到擬合方程y=—0.014x2+18.23x—5678.38(R2=0.61，P<0.01)，求偏導得出當灌溉量為651.07 mm時有效磷淋失量最高，為256.14 kg·hm-2；通過對灌溉量與有效磷殘留量進行多項式擬合(圖4)，得到一條開口向上的拋物線，得到擬合方程y=0.015x2—19.75x+6 751.95(R2=0.88，P<0.01)，求偏導得到當灌溉量為658.33 mm時有效磷殘留量最低，為250.91 kg·hm-2。

圖3 灌溉量與堿解氮殘留量、淋失量關系

圖4 灌溉量與有效磷殘留量、淋失量關系

通過對灌溉量與速效鉀淋失量進行多項式擬合(圖5)，得到一條開口向下的拋物線，得到擬合方程y=—0.0098x2+13.577x—4574.3(R2=0.53，P<0.01)，求偏導得出當灌溉量為692.7 mm時速效鉀淋失量最高，為128.12 kg·hm-2；通過對灌溉量與速效鉀殘留量進行多項式擬合(圖5)，得到一條開口向上的拋物線，得到擬合方程y=0.001x2—2.79x+2245.5(R2=0.86，P<0.01)，求偏導得到當灌溉量為1 272.73 mm時速效鉀殘留量最低為463.68 kg·hm-2。

圖5 灌溉量與速效鉀殘留量、淋失量關系

3 討論

水資源的合理利用始終是干旱半干旱地區的熱點問題。水分與養分的循環、利用密切相關，水分既是養分溶解的媒介，又是養分轉移的載體，兩者有互作效應[17]。在實際生產中養分的高效管理問題也不容忽視，因為養分高效利用的出發點、措施及最終歸宿都是對水分的高效利用[18]，水資源的高效利用對于提高水肥利用效率、減少肥料使用、增加生態和經濟效益具有重要意義[19]。

本研究中通過土壤剖面分析可以發現，0～30 cm土層內堿解氮、有效磷、速效鉀含量最低，這主要是因為0～30 cm為養分的主要吸收土層，種植1年，10 年，15年苜蓿地下生物量50%以上集中在0～30 cm土層，生長2年的苜蓿根系生物量在0～45 cm的比例接近100%[20-21]。有學者針對干旱半干旱灌溉地區的養分淋失研究得出，造成養分淋失發生的主要因素包括土壤中大量養分殘留，過量灌溉以及容易滲漏的土壤質地條件[22-25]。當施肥量一定時，灌溉量成為影響養分淋失量的關鍵因素，這主要是因為農田淋失是土壤與降水或灌溉水相互作用的過程，降雨和灌溉是淋失的主要驅動力，張亦濤等人研究表明當灌溉量超過一定閾值時，水分滲漏量及養分淋失量隨著灌水量增加不斷增加[26-27]。通過分析速效養分在土壤剖面的分布情況發現在40～60 cm土層內堿解氮、有效磷、速效鉀出現明顯的累積峰，這可能是因為科爾沁沙地土壤空隙大，保水保肥能力不足，容易造成養分淋失。降水強度、降水時間分布和降水頻率變化的是影響土壤養分變化的重要因素[28]，苜蓿生長第三茬正處于本地區雨季，試驗期間第三茬累計有效降雨量達131.5 mm，占一至三茬累積降雨量的66.8%，其中8月11—12日兩天連續降雨，降雨量達63.5 mm，也為土壤養分淋失創造了天然條件。

堿解氮、有效磷、速效鉀均呈現出隨灌溉量增加淋失量增加的趨勢，其中堿解氮在W1，W2處理下未發生淋失，速效鉀W1處理未發生淋失，因為W1，W2處理為正常需水量的60%，80%，灌溉水分不足使土壤表層迅速蒸發，造成土壤下層水分向上運動，從而帶動養分上移，特別是在實際生產時在刈割前幾天停止補水，方便機械進場及之后的攤曬工作更加速了低水處理下水分上移的程度。同時由于土壤中堿解氮主要包括為銨態氮及硝態氮，其中干濕交替過程中會加速土壤中的硝化過程，而土壤多為帶負電荷的膠體，很難吸附硝態氮，使得其跟隨土壤水分進行遷移。同時W1，W2處理為作物正常需水量的60%，80%，供水不足會抑制作物生長發育，造成產量下降，最終降低紫花苜蓿對氮磷鉀吸收量及攜出量。土壤中磷多以陰離子的形態存在且較為穩定，鉀則以鉀離子形態存在，由于鉀的陽離子交換能力較弱，隨著灌溉量的增加及土壤水分運動加劇，加速了速效鉀從土壤膠體上解離過程。從土壤中速效養分殘留量來看，殘留量主要受到灌溉量及植物對養分吸收的影響，土壤速效養分殘留量與灌溉量呈線性負相關關系，即隨著灌溉量的增加，速效養分殘留量呈現降低的趨勢。同時值得注意的是，為了保證本地區紫花苜蓿順利越冬，在入冬前會大量灌溉越冬水，加快了土壤中殘留養分的淋失過程。因此需要考慮在滿足第三茬苜蓿正常生長的前提下，怎樣降低第三茬刈割后土壤中的養分殘留，從而減少灌溉越冬水造成的養分淋失。

4 結論

灌溉量對科爾沁沙地紫花苜蓿土壤速效養分分布、殘留及淋失存在顯著性影響，通過灌溉量對堿解氮、有效磷、速效鉀殘留量和淋失量的回歸分析可以得出堿解氮殘留量最高、淋失量最低時的灌溉量分別為680.42 mm，781.25 mm；有效磷殘留量最高、淋失量最低時的灌溉量分別為658.33 mm，651.07 mm；速效鉀殘留量最高、淋失量最低時的灌溉量分別為1 272.73 mm，692.7 mm。綜合考慮紫花苜蓿產量、水分利用效率、養分殘留及淋失等因素，建議科爾沁沙地地區紫花苜蓿人工草地生育期內采用100%ETc的灌溉量進行灌溉。