王旭洋， 范興科

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

0 前 言

對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，充足的養(yǎng)分供給是作物高產(chǎn)的基本保障?；示哂型度肷?，見效快的特點(diǎn)，因此越來越多的化肥被投入到了農(nóng)田系統(tǒng)中用于追求作物更高產(chǎn)量。過量投入化肥不僅造成氮素流失，浪費(fèi)大量肥力和資金，而且導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，污染環(huán)境，危害人畜健康，破壞水域中的生態(tài)平衡[1-4]。相比傳統(tǒng)的施肥灌溉方式，基于滴灌技術(shù)的水肥一體化灌溉施肥方法，可按作物的需水需肥規(guī)律將水肥直接供應(yīng)到作物根系附近的土壤中，減少了水肥在運(yùn)輸過程中的損耗，提高了水肥利用效率[5]，可以實(shí)現(xiàn)水分和養(yǎng)分在時間上同步，空間上耦合，具有節(jié)水、節(jié)肥、高產(chǎn)、高效的功效。

隨著水肥一體化技術(shù)的廣泛普及，大多數(shù)國內(nèi)外學(xué)者研究了在滴灌條件下設(shè)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(chǎn)量以及品質(zhì)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(zhì)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(shù)植物在生長過程當(dāng)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(yùn)移變化規(guī)律及其時空分布特點(diǎn)，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(chǎn)效率提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法與方案設(shè)計

1.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采取單點(diǎn)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(yàn)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(fēng)干土重量含水率為3%，田間持水率為24%(重量含水率)，試驗(yàn)土壤肥力本底值為：初始硝態(tài)氮含量為28.57 mg/kg，銨態(tài)氮含量為 3.23 mg/kg。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件，設(shè)計計劃濕潤層深度為30 cm，濕潤半徑為20 cm。按照常規(guī)施肥量的標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計施肥量為20 g尿素，灌水量8 L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

土料經(jīng)風(fēng)干、碾細(xì)、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(yàn)設(shè)計3個重復(fù)，試驗(yàn)結(jié)束后定時采取土樣進(jìn)行養(yǎng)分分析，取樣時間分別為滴灌結(jié)束后1，3，5，7 d，取樣點(diǎn)分別距離入滲點(diǎn)橫向距離為5，15，20 cm處；距地表縱向?yàn)?～5，5～15，15～25，25～35 cm處；為了保持土樣氮素穩(wěn)定，所取土樣先密封冷藏，最后統(tǒng)一進(jìn)行樣品處理：經(jīng)研磨過篩(2 mm細(xì)篩)后每個樣稱取5 g，以1 mol/L KCL溶液為浸提液，土水質(zhì)量比1∶10 浸提，再經(jīng)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(yàn)數(shù)據(jù)

所測試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Sigmaplot繪制等值線圖，并結(jié)合Excel對硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量進(jìn)行單因素方差分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 NO-3-N含量在土壤濕潤體內(nèi)的時空分布特征

滴灌施肥結(jié)束后，將土壤濕潤體內(nèi)距施肥點(diǎn)不同距離處所取土樣養(yǎng)分測試結(jié)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，表現(xiàn)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(yīng)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(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)果，Sig.<0.01，表明不同位置硝態(tài)氮含量差異極顯著，表2是各位置不同時間硝態(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)果，Sig.<0.01，表明不同時間硝態(tài)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(nèi)NO-3-N的含量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，第5 d達(dá)到最高。以土壤剖面中(5,5)，(15,15)，(20,35)3個點(diǎn)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(jié)束后從第1 d到第7 d土壤濕潤體內(nèi)NO-3-N的含量變化過程從第1 d到第3 d，土壤濕潤體內(nèi)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(diǎn)越近，如(5,5)點(diǎn)處，變化幅度越大，增幅達(dá)到63%，距離施肥點(diǎn)越遠(yuǎn)，如(20,35)點(diǎn)處，變化幅度越小，增幅不足11%。說明尿素進(jìn)入土壤之后，按照本次試驗(yàn)的施肥量，轉(zhuǎn)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(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)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(nèi)的時空分布特征

灌水施肥過程結(jié)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(nèi)的含量總體比較低，而且呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。在灌水施肥過程結(jié)束后前3 d，NH+4-N主要集中在濕潤體內(nèi)從施肥點(diǎn)到(20，25)cm土層范圍內(nèi)，施肥點(diǎn)附近的NH+4-N含量相對較高，從施肥點(diǎn)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(nèi)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(diǎn)及濕潤體中心部分。

表2 各位置不同時間下硝態(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)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(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)果，Sig<0.01，表明不同位置硝態(tài)氮含量差異極顯著，表4是各位置不同時間硝態(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)果，Sig.<0.01，表明不同時間硝態(tài)氮含量差異極顯著。圖4是土壤濕潤體剖面中距施肥點(diǎn)(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(jié)束后的1～3 d, 土壤濕潤體內(nèi)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(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)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(nèi)含量的變化特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，NH+4-N是一個很不穩(wěn)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(fā)生水解硝化作用，NH+4-N發(fā)生硝化作用的結(jié)果使得銨態(tài)氮在土壤中含量減少, 轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[11]，另外一部分NH+4-N經(jīng)氨化作用轉(zhuǎn)化為NH3而揮發(fā)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(fēng)干土中NH+4-N的含量。

表4 各位置不同時間下銨態(tài)氮含量單因素方差分析結(jié)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(jié)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(guān)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(xiàn)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(qiáng)，而土壤中部分硝態(tài)氮正是由銨態(tài)氮經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)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(chǎn)生的NO-3-N和NH+4-N中，NO-3-N相對比較穩(wěn)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(wěn)定，會通過硝化作用轉(zhuǎn)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(jié) 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(jié)束后，氮素中的NO-3-N和NH+4-N在土壤濕潤體內(nèi)空間的分布特征與滴灌剛結(jié)束后濕潤體內(nèi)土壤含水量的分布具有一致性，總體表現(xiàn)為灌水施肥點(diǎn)處的含量較高，由灌水點(diǎn)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(nèi)NH+4-N的含量始終低于NO-3-N的含量。

(2)灌水施肥結(jié)束后，氮素中的NO-3-N和NH+4-N在土壤濕潤體內(nèi)的含量隨時間的延長其分布特征表現(xiàn)為：NO-3-N的含量先增大后減小，到第5 d時含量達(dá)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(nèi)NH+4-N的含量甚至低于灌水前風(fēng)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(fā)生水解消化，一部分可能轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā)，另一部分可能轉(zhuǎn)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(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中可以參照水肥一體化滴灌條件下氮素分布的特點(diǎn)，結(jié)合作物的需水規(guī)律和不同生育期根系的分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，使氮素養(yǎng)分較好的集中在作物根系附近，再依據(jù)氮素隨時間變化規(guī)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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