李義林, 劉小剛**, 劉艷偉, 董木宏道, 楊啟良, 隋 龍

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肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例對(duì)微潤灌溉濕潤體內(nèi)水肥分布的影響*

李義林1, 劉小剛1**, 劉艷偉1, 董木宏道2, 楊啟良1, 隋 龍1

(1. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 昆明 650500; 2. 昆明皓川工程咨詢有限公司 昆明 650051)

微潤灌溉作為一種新型地下連續(xù)灌溉節(jié)水技術(shù), 可為農(nóng)業(yè)水肥一體化提供有效載體。為探明不同生物質(zhì)摻混比例下豎插式微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水分和養(yǎng)分的分布規(guī)律, 開展室內(nèi)入滲試驗(yàn), 設(shè)置3個(gè)肥液濃度(清水F0: 0 g·L-1; 低濃度FL: 0.2 g·L-1; 高濃度FH: 0.4 g·L-1)和4個(gè)土壤生物質(zhì)(花生殼粉末)摻混比例(無摻混B0: 0; 低摻混BL: 1.5%; 中摻混BM: 3.0%; 高摻混BH: 4.5%), 研究微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)土壤含水率、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀的分布特性。結(jié)果表明: 摻混生物質(zhì)后濕潤體內(nèi)水肥分布范圍顯著增大, 而肥液濃度對(duì)水肥分布范圍的影響不顯著。土壤水肥含量隨著與微潤管水平距離的增加而逐漸減小, 水肥含量最大值出現(xiàn)在微潤管周圍。在與微潤管水平距離為0~10 cm范圍內(nèi), 土壤含水率和硝態(tài)氮分布較均勻, 速效磷和速效鉀則形成累積區(qū)。肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例對(duì)濕潤體內(nèi)水肥含量均值影響顯著。與F0相比, 增加肥液濃度提高土壤含水率和養(yǎng)分(硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀)含量均值3.94%~14.09%和124.92%~458.05%; 與B0相比, 增大生物質(zhì)摻混比例提高土壤含水率和養(yǎng)分含量均值12.89%~33.32%和28.37%~115.44%。微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)土壤含水率和硝態(tài)氮的分布均勻性較高, 而速效磷和速效鉀分布均勻性較低。增大肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例可提高濕潤體內(nèi)土壤含水率和硝態(tài)氮的分布均勻系數(shù), 而降低速效磷和速效鉀的分布均勻系數(shù)。微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥含量均值與至微潤管水平距離的關(guān)系符合四參數(shù)Log-logistic模型?？傊? 在土壤中摻混生物質(zhì)有利于微潤灌溉施肥下水分和養(yǎng)分的運(yùn)移, 增加肥液濃度和土壤生物質(zhì)摻混比例可顯著提高濕潤體內(nèi)的水肥含量, 增大水分和硝態(tài)氮的分布均勻性, 促使速效磷和速效鉀在微潤管周圍的累積量增多。研究結(jié)果可為微潤灌溉水肥一體化技術(shù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

微潤灌溉施肥; 肥液濃度; 生物質(zhì)摻混; 水肥分布; 均勻系數(shù)

水肥一體化是一項(xiàng)高效節(jié)水灌溉施肥技術(shù)[1-4]。前人已對(duì)滴灌、噴灌、漫灌、膜孔灌和涌泉根灌等灌溉施肥模式的水肥分布規(guī)律做了較多研究, 結(jié)果表明不同灌溉施肥方式下土壤水肥分布具有明顯差異。滴灌施肥時(shí)氮素在土壤中的運(yùn)移規(guī)律受土壤性質(zhì)、滴頭流量、肥液濃度及肥料類型等多種因素影響[5-9], 滴頭周圍土壤含水率較高, 土壤硝態(tài)氮含量隨肥液濃度的增加而增大, 在濕潤體邊緣產(chǎn)生累積[10], 而速效磷和速效鉀聚積在表層土壤[11-12]。噴灌施肥養(yǎng)分集中分布在表層土壤, 漫灌施肥養(yǎng)分則集中分布在深層土壤[13]。膜孔灌施肥和涌泉根灌施肥下, 硝態(tài)氮分布規(guī)律和水分相似, 易隨水分流失[14-15]。

微潤灌溉是一種全新的地下精準(zhǔn)微灌技術(shù), 利用半透膜透水原理, 以膜內(nèi)外水勢(shì)梯度和土壤吸力為驅(qū)動(dòng), 通過緩慢出流的方式為作物根區(qū)持續(xù)供水[16-17]。微潤灌溉作為線源連續(xù)出流的入滲方式, 具有流量小、灌水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)[18], 在灌溉方式上與滴灌等流量較大的間歇式灌溉方式完全不同。微潤灌溉技術(shù)使作物吸水過程與田間灌溉過程具有同步性, 可為農(nóng)業(yè)水肥一體化提供有效載體, 達(dá)到節(jié)水節(jié)肥的效果。

目前有關(guān)微潤灌溉水肥一體化的研究還比較少, 韓慶忠等[19]在大田試驗(yàn)的基礎(chǔ)上探索了微潤灌溉水肥一體化在柑桔生產(chǎn)中的適用性, 劉小剛等[20]采用室內(nèi)入滲試驗(yàn)研究了不同水頭和土壤容重下微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)的水鹽分布特性。有關(guān)不同肥液濃度下微潤灌溉濕潤體內(nèi)水肥分布規(guī)律的研究還很欠缺。

農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)可作為土壤改良劑, 粉碎后添加到土壤中能有效改良土壤結(jié)構(gòu), 降低土壤容重, 提高土壤孔隙度, 改善土壤滲透性能, 改變土壤水分分布, 從而影響?zhàn)B分的運(yùn)移[21-22]。有研究[23-26]發(fā)現(xiàn)添加廢棄生物質(zhì)不僅能提高土壤的保水持水能力, 還能吸附和固定土壤中的速效磷和速效鉀, 攔截養(yǎng)分的遷移?；ㄉ鷼ぷ鳛橐环N廉價(jià)廢棄生物質(zhì)極易獲取, 摻混花生殼可改善土壤物理性狀, 但其如何影響微潤灌溉下土壤水肥分布尚不清楚。

本文采用室內(nèi)土箱模擬試驗(yàn)的方法, 以花生殼粉末為摻混生物質(zhì), 探索不同微潤灌溉施肥條件下生物質(zhì)摻混比例對(duì)濕潤體內(nèi)水肥分布規(guī)律的影響, 以期為微潤灌溉水肥一體化管理和生物質(zhì)改良土壤的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試供土壤顆粒組成采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀(英國馬爾文公司)測(cè)定, 土壤自然堆放下粒徑組成為直徑>2 mm、0.02 mm<≤2 mm、0.002 mm<≤0.02 mm和0<≤0.002 mm分別占21.57%、74.38%、3.90%和0.15%。按國際制土壤分類方法, 試供土壤屬于多礫質(zhì)砂質(zhì)壤土。土壤自然容重為1.15 g·cm-3, 初始質(zhì)量含水率與飽和質(zhì)量含水率分別為3.66%和47.52%, 硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀的初始含量分別為26.75 mg?kg-1、4.42 mg?kg-1和35.87 mg?kg-1。

供試摻混生物質(zhì)為花生殼粉末, 過2 mm篩后與土樣按設(shè)計(jì)比例均勻混合。肥料采用史丹利大量元素水溶肥, 其中N、P2O5和K2O的含量均為20%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由土箱和供水系統(tǒng)兩部分組成, 如圖1所示。土箱規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為40 cm×40 cm×45 cm, 由厚度為10 mm的有機(jī)玻璃制成。供水系統(tǒng)由馬氏瓶、橡皮軟管和微潤管3部分組成, 其中馬氏瓶提供連續(xù)恒定的壓力水頭。微潤管為四折痕雙層結(jié)構(gòu), 內(nèi)層為厚度0.06 mm的高分子半透膜, 表面均勻密集地分布著微孔, 孔隙直徑為10~900 nm, 密度為105個(gè)?cm-2; 外層為無紡布保護(hù)層。微潤管公稱直徑為16 mm, 折徑(寬度)為(25±1.5) mm, 壁厚為(0.9±0.5) mm。微潤管的布設(shè)方式采用豎直插入式, 上端通過接頭和橡皮軟管連接馬氏瓶, 下端用橡膠塞封閉。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.3 試驗(yàn)方法與測(cè)定內(nèi)容

試驗(yàn)于2017年7月20日—9月25日在昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院土壤物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)定肥液濃度和土壤生物質(zhì)摻混比例兩個(gè)因素。肥液濃度處理3個(gè), 分別為清水F0(0 g?L-1)、低濃度FL(0.2 g?L-1)和高濃度FH(0.4 g?L-1); 生物質(zhì)摻混比例處理4個(gè), 分別為無摻混B0(0)、低摻混比例BL(1.5%)、中摻混比例BM(3.0%)和高摻混比例BH(4.5%), 其中摻混比例為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)為完全組合設(shè)計(jì), 共12處理, 每個(gè)處理重復(fù)3次。供試土樣以自然容重分層裝入土箱, 每層5 cm, 層間打毛, 以便于充分接觸, 裝土高度為40 cm。為了便于觀測(cè), 將微潤管豎直插入土箱的一角。微潤管的實(shí)際截取長(zhǎng)度為35 cm, 有效入滲長(zhǎng)度為30 cm, 上端接頭與土壤表面平齊, 且與土箱兩壁保持1 cm的水平距離。試驗(yàn)時(shí)壓力水頭設(shè)置為1 m, 土壤表面用塑料膜覆蓋, 以防止土壤水分蒸發(fā)。試驗(yàn)入滲總時(shí)長(zhǎng)為124 h, 入滲結(jié)束時(shí)的累積入滲量見表1。入滲結(jié)束后, 立即用土鉆對(duì)濕潤體分層取樣, 取樣點(diǎn)間隔距離為5 cm, 在微潤管周圍取每層的第1個(gè)點(diǎn), 水平方向和豎直方向同時(shí)進(jìn)行, 取樣點(diǎn)分布如圖2所示。

土壤質(zhì)量含水率采用烘干法測(cè)定; 硝態(tài)氮采用1 mol?L-1KCl浸提, 紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定; 速效磷采用0.5 mol?L-1NaHCO3浸提, 鉬銻抗比色法測(cè)定; 速效鉀采用火焰光度計(jì)測(cè)定。

表1 入滲結(jié)束時(shí)各處理的累積入滲量

F0: 清水對(duì)照(0 g×L-1); FL: 低濃度(0.2 g×L-1)肥液處理; FH: 高濃度(0.4 g×L-1)肥液處理。B0: 無摻混生物質(zhì)(0); BL: 低摻混生物質(zhì)比例(1.5%); BM: 中摻混生物質(zhì)比例(3.0%); BH: 高摻混生物質(zhì)比例(4.5%)。F0: pure water (0 g×L-1); FL: low fertilizer concentration (0.2 g×L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g×L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%).

圖2 取樣點(diǎn)分布示意圖

1.4 數(shù)據(jù)處理

文中所列數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的均值。采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, SPSS 21進(jìn)行多元線性回歸分析和方差分析(ANOVA), Surfer 11.0繪制土壤水肥含量分布圖, Matlab 7.0編程計(jì)算濕潤體剖面水肥分布面積。

濕潤體內(nèi)水肥分布均勻性采用克里斯琴森均勻系數(shù)[27]表示, 計(jì)算公式為:

2 結(jié)果與分析

2.1 微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥分布特性

清水入滲時(shí), 濕潤體內(nèi)養(yǎng)分狀況與初始狀態(tài)相近, 故不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由圖3-圖6可知, 不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例下濕潤體內(nèi)水肥含量的最大值均出現(xiàn)在微潤管周圍, 并且隨著與微潤管水平距離的增加, 濕潤體內(nèi)水肥含量由高到低變化, 最小值接近初始值。

濕潤體內(nèi)土壤含水率和硝態(tài)氮的分布狀況類似,分布范圍較大。在與微潤管水平距離為0~10 cm范圍內(nèi), 土壤含水率和硝態(tài)氮含量等值線較疏, 變化梯度較小, 而在10~25 cm范圍內(nèi), 等值線較密, 變化梯度較大。不同處理下, 土壤含水率最大值為35%~45%, 硝態(tài)氮含量最大值為60~105 mg?kg-1。速效磷和速效鉀的分布規(guī)律趨于一致, 分布范圍較小。在距離微潤管0~10 cm范圍內(nèi)速效磷和速效鉀形成累積區(qū), 并且等值線分布較密, 變化梯度大。在與微潤管水平距離15 cm以外的區(qū)域, 速效磷和速效鉀含量接近初始值, 變化梯度較小。在累積區(qū)內(nèi), 不同處理的速效磷含量最高值達(dá)15~45 mg?kg-1, 速效鉀含量最高值達(dá)165~448 mg?kg-1。

由圖3-圖6還可以看出, 提高生物質(zhì)摻混比例能明顯增大濕潤體內(nèi)水肥含量的分布范圍, 而肥液濃度對(duì)水肥分布范圍的影響不明顯。在肥液濃度一定時(shí), 與B0相比, BL、BM和BH土壤含水率大于12%的分布面積分別增大7.84%~14.11%、16.84%~22.60%和21.81%~32.61%,硝態(tài)氮含量大于40 mg?kg-1的分布面積分別增大5.52%~10.20%、14.76%~18.74%和26.41%~40.40%,速效磷含量大于14 mg?kg-1的分布面積分別增大39.53%~68.85%、52.04%~117.85%和72.25%~162.77%,速效鉀含量大于120 mg·kg-1的分布面積分別增大9.02%~38.64%、13.51%~55.24%和17.42%~71.33%。以上結(jié)果表明, 在肥液濃度一定時(shí), 微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥分布范圍隨著生物質(zhì)摻混比例的增大而增大。這與生物質(zhì)改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)和提高水分入滲性能有關(guān)。

2.2 微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥分布均勻性

統(tǒng)計(jì)分析表明, 肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例對(duì)微潤灌溉濕潤體內(nèi)水肥含量均值影響顯著(<0.05)(表2)。與F0相比, FL和FH的土壤含水率均值分別增大3.94%和14.09%, 硝態(tài)氮含量均值分別增大124.92%和198.13%, 速效磷含量均值分別增大184.90%和335.11%, 速效鉀含量均值分別增大292.31%和458.05%。與B0相比, BL的土壤含水率、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量均值分別增加12.89%、40.16%、39.01%和28.37%, BM分別增加22.38%、58.99%、73.97%和49.33%, BH分別增加33.32%、77.58%、115.44%和82.03%。增大肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例可提高微潤灌溉的累積入滲量(表1), 從而促進(jìn)濕潤體內(nèi)水肥含量均值的增加。

表2結(jié)果表明, 清水入滲時(shí), 生物質(zhì)摻混比例對(duì)濕潤體內(nèi)養(yǎng)分分布均勻系數(shù)影響不顯著, 養(yǎng)分分布與初始狀況相近, 分布較均勻, 而對(duì)水分分布均勻系數(shù)影響顯著(<0.05)。與B0相比, BL、BM和BH的土壤含水率分布均勻系數(shù)分別增大5.29%、8.68%和11.66%。肥液入滲時(shí), 濕潤體內(nèi)土壤含水率和硝態(tài)氮的均勻系數(shù)隨著肥液濃度的增加而增加, 增加幅度分別為2.63%和4.05%, 速效磷和速效鉀的均勻系數(shù)隨著肥液濃度的增加而減小, 下降幅度分別為8.60%和5.57%; 濕潤體內(nèi)水肥分布均勻系數(shù)隨生物質(zhì)摻混比例的變化規(guī)律與肥液濃度相同, 土壤含水率和硝態(tài)氮均勻系數(shù)的增加幅度分別為5.14%~10.67%和8.54%~23.96%, 速效磷和速效鉀的均勻系數(shù)降低幅度分別為7.53%~22.46%和14.22%~32.15%。以上結(jié)果表明, 適量增大肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例可改善微潤灌溉濕潤體內(nèi)水分和硝態(tài)氮的分布均勻性, 但會(huì)增加速效磷和速效鉀的累積, 進(jìn)而導(dǎo)致分布均勻性降低。

F0: 清水對(duì)照(0 g×L-1); FL: 低濃度(0.2 g×L-1)肥液處理; FH: 高濃度(0.4 g×L-1)肥液處理。B0: 無摻混生物質(zhì)(0); BL: 低摻混生物質(zhì)比例(1.5%); BM: 中摻混生物質(zhì)比例(3.0%); BH: 高摻混生物質(zhì)比例(4.5%)。F0: pure water (0 g×L-1); FL: low fertilizer concentration (0.2 g×L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g×L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%).

圖4 不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例下微潤灌溉濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮分布

FL: 低濃度(0.2 g×L-1)肥液處理; FH: 高濃度(0.4 g×L-1)肥液處理。B0: 無摻混生物質(zhì)(0); BL: 低摻混生物質(zhì)比例(1.5%); BM: 中摻混生物質(zhì)比例(3.0%); BH: 高摻混生物質(zhì)比例(4.5%)。FL: low fertilizer concentration (0.2 g×L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g×L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%).

2.3 微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥分布擬合

不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例下微潤灌溉濕潤體內(nèi)水肥含量隨著與微潤管水平距離的增加呈反S型遞減趨勢(shì)。本文采用四參數(shù)Log-Logistic模型擬合微潤灌溉施肥124 h后濕潤體內(nèi)土壤含水率、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量均值與微潤管水平距離的變化關(guān)系。四參數(shù)Log-Logistic模型為:

式中:為水肥擬合含量(%或mg?kg-1);為水肥含量的下限值, 略低于最小值(%或mg?kg-1);為水肥含量的上限值, 略高于最大值(%或mg?kg-1);為水肥含量遞減速率參數(shù), 相當(dāng)于曲線斜率; lg為擬合曲線斜率的絕對(duì)值最大時(shí)對(duì)應(yīng)于至微潤管的水平距離(cm) ;為與微潤管的水平距離(cm)。

對(duì)不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例(除處理FHBH)下微潤灌溉濕潤體內(nèi)的水肥含量均值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別用四參數(shù)Log-Logistic模型進(jìn)行擬合。通過分析發(fā)現(xiàn),、、lg與肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例呈線性關(guān)系, 進(jìn)行多元線性回歸分析。將、、lg的多元回歸方程代入四參數(shù)Log-Logistic模型, 得到不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例下微潤灌溉濕潤體內(nèi)隨與微潤管水平距離變化的水肥含量均值擬合方程, 結(jié)果見表3。

采用處理FHBH的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證擬合方程的可靠性。將處理FHBH的有關(guān)數(shù)據(jù)(=0.4 g?L-1,=4.5%)代入擬合方程, 可計(jì)算出處理FHBH濕潤體內(nèi)與微潤管不同水平距離下水肥含量均值的擬合值, 結(jié)果見圖7。處理FHBH濕潤體內(nèi)與微潤管不同水平距離下土壤含水率、硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量均值的實(shí)測(cè)值與擬合值的決定系數(shù)R均大于0.99, 并通過<0.05的顯著性檢驗(yàn), 均方根誤差(RMSE)分別為1.12%、2.60 mg?kg-1、1.56 mg?kg-1和4.07 mg?kg-1, 均比較小。表明微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥含量均值與至微潤管水平距離的關(guān)系規(guī)律符合四參數(shù)Log-Logistic模型。在肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例一定時(shí), 根據(jù)擬合方程即可計(jì)算出濕潤體內(nèi)與微潤管不同水平距離相對(duì)應(yīng)的水肥含量均值。

3 討論

水肥一體化技術(shù)直接將肥液和水分施加到作物根區(qū), 水分和養(yǎng)分在時(shí)間和空間上同步耦合, 有效解決了傳統(tǒng)水肥管理下水分和養(yǎng)分利用效率低下的問題[4,28]。土壤水肥分布特征決定作物根系的生長(zhǎng)和分布, 進(jìn)一步影響水分和養(yǎng)分的利用效率, 最終影響作物的產(chǎn)量[29], 探明灌溉施肥后土壤的水肥分布規(guī)律具有重要的實(shí)踐意義。本研究發(fā)現(xiàn), 微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥含量最大值出現(xiàn)在微潤管周圍, 隨著與微潤管水平距離的增加, 水肥含量由高到低變化。這與前人[18,20]的研究結(jié)果基本一致。本文還發(fā)現(xiàn), 與微潤管的距離由近及遠(yuǎn)土壤含水率和硝態(tài)氮的等值線變化梯度逐漸增大, 速效磷和速效鉀的等值線變化梯度逐漸減小。

圖5 不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例下微潤灌溉濕潤體內(nèi)速效磷分布

FL: 低濃度(0.2 g×L-1)肥液處理; FH: 高濃度(0.4 g×L-1)肥液處理。B0: 無摻混生物質(zhì)(0); BL: 低摻混生物質(zhì)比例(1.5%); BM: 中摻混生物質(zhì)比例(3.0%); BH: 高摻混生物質(zhì)比例(4.5%)。FL: low fertilizer concentration (0.2 g×L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g×L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%).

圖6 不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例下微潤灌溉濕潤體內(nèi)速效鉀分布

FL: 低濃度(0.2 g×L-1)肥液處理; FH: 高濃度(0.4 g×L-1)肥液處理。B0: 無摻混生物質(zhì)(0); BL: 低摻混生物質(zhì)比例(1.5%); BM: 中摻混生物質(zhì)比例(3.0%); BH: 高摻混生物質(zhì)比例(4.5%)。FL: low fertilizer concentration (0.2 g×L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g×L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%).

表2 微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥含量均值及分布均勻系數(shù)

F0: 清水對(duì)照(0 g×L-1); FL: 低濃度(0.2 g×L-1)肥液處理; FH: 高濃度(0.4 g×L-1)肥液處理。B0: 無摻混生物質(zhì)(0); BL: 低摻混生物質(zhì)比例(1.5%); BM: 中摻混生物質(zhì)比例(3.0%); BH: 高摻混生物質(zhì)比例(4.5%)。同列不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。F0: pure water (0 g×L-1); FL: low fertilizer concentration (0.2 g×L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g×L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%). Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

表3 不同肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例下微潤灌溉濕潤體內(nèi)水肥含量擬合方程

: 肥液濃度(g·L-1);: 生物質(zhì)摻混比例(%)。: fertilizer concentration (g·L-1);: biomass mixing proportion (%).

圖7 微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥含量均值擬合值與實(shí)測(cè)值的關(guān)系

在土壤中摻混生物質(zhì)后微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥分布范圍顯著增大, 并且隨著生物質(zhì)摻混比例的增加而增大。可能是由于土壤中摻混生物質(zhì), 改變了土壤孔隙的大小和分布[26], 使得水分入滲通道增多, 土壤變得疏松, 孔隙之間的連通性增強(qiáng), 水分在孔隙之間流動(dòng)受到的阻力減小, 入滲速率增大, 進(jìn)而促進(jìn)水分運(yùn)移。灌溉施肥時(shí), 肥料養(yǎng)分隨水運(yùn)移, 導(dǎo)致養(yǎng)分分布范圍增大。這也表明微潤灌溉施肥時(shí)在土壤中摻混適量生物質(zhì)能增強(qiáng)養(yǎng)分在土壤中的移動(dòng)性和均勻性, 有利于提高作物根區(qū)土壤的養(yǎng)分含量和促進(jìn)作物生長(zhǎng)。

微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)硝態(tài)氮的分布規(guī)律與水分相似。主要是由于硝態(tài)氮帶有負(fù)電荷, 與土壤膠體顆粒相互排斥, 土壤膠體難以對(duì)其吸附, 在水流推移作用下, 促使其隨水分運(yùn)動(dòng)在土壤中運(yùn)移[15], 這在一定程度上反映了硝態(tài)氮易隨水流失的特性。濕潤體內(nèi)土壤含水率和硝態(tài)氮的分布均勻系數(shù)比較高, 為65%~85%, 說明微潤灌溉屬于高均勻度節(jié)水灌溉技術(shù), 與傳統(tǒng)灌溉方式相比, 能更好地滿足作物的水肥需求[20]。

隨著肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例的增大, 土壤水分和硝態(tài)氮的分布均勻系數(shù)一致增大。這是因?yàn)閹в胸?fù)電荷的土壤膠體顆粒吸附肥液中帶有相反電荷的陽離子后, 電性被中和, 膠體顆粒之間的排斥作用減弱或消失, 微小的膠體顆粒相互吸引凝聚成較大的粒子, 形成土壤團(tuán)聚體, 從而改變土壤結(jié)構(gòu), 增加土壤的孔隙度, 水分入滲的通道增多[30]; 同時(shí)添加生物質(zhì)可加快水分的入滲, 增大累積入滲量, 推動(dòng)水分和硝態(tài)氮向遠(yuǎn)離微潤管的區(qū)域運(yùn)移, 導(dǎo)致水分和硝態(tài)氮的分布比較均勻。在與微潤管水平距離為0~10 cm范圍內(nèi), 水分分布較均勻, 集中在30%~40%, 說明隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng), 濕潤體內(nèi)的土壤含水率將逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn), 在作物的生育期內(nèi)如果土壤含水率可以維持在某個(gè)恒定范圍內(nèi), 將有利于作物根系的分布和生長(zhǎng)[31-32]。

微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)速效磷和速效鉀的分布規(guī)律較為相似, 在與微潤管水平距離為0~10 cm的范圍內(nèi)形成累積區(qū)。速效磷和速效鉀的分布均勻系數(shù)隨著肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例的增大而減小。這主要是與肥液濃度和生物質(zhì)改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)增大入滲速率和生物質(zhì)對(duì)速效磷和速效鉀的吸附作用[22]有關(guān)。

對(duì)于擬合模型的選擇, 不僅要考慮擬合的準(zhǔn)確性, 還要考慮所選擇擬合模型中的參數(shù)是否更具有實(shí)際意義。與傳統(tǒng)模型相比, 四參數(shù)Log-logistic模型增加了一個(gè)拐點(diǎn)參數(shù), 使其具有更大的靈活性, 對(duì)于符合S型變化的關(guān)系曲線擬合效果更好[20]。本研究結(jié)果顯示, 采用四參數(shù)Log-logistic模型擬合微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥含量均值與至微潤管水平距離的關(guān)系, 得到的擬合方程決定系數(shù)均大于0.99, 擬合效果良好。在不同的肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例條件下, 通過擬合方程可以直觀地得到與微潤管不同水平距離的水肥含量均值。

農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)還田技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中, 摻混生物質(zhì)后土壤物理性狀發(fā)生改變, 進(jìn)而影響水分和養(yǎng)分的分布。在利用微潤管進(jìn)行灌溉施肥時(shí)應(yīng)根據(jù)土壤中生物質(zhì)的含量狀況以及作物不同階段的生長(zhǎng)特性, 有效控制水分、養(yǎng)分的供給數(shù)量和比例, 充分發(fā)揮水肥耦合效應(yīng), 達(dá)到以肥調(diào)水, 以水促肥, 協(xié)調(diào)水肥供應(yīng)狀況, 實(shí)現(xiàn)水肥高效利用。依據(jù)濕潤體內(nèi)水肥分布規(guī)律、作物不同生育期水肥需求以及作物根系分布特點(diǎn), 選擇適宜的肥液濃度來改變濕潤體的水肥分布狀況; 同時(shí)調(diào)控微潤管的位置, 使土壤水肥分布與作物需求相匹配, 達(dá)到節(jié)水增效的目的。本試驗(yàn)為室內(nèi)模擬, 土壤的質(zhì)地結(jié)構(gòu)和生物質(zhì)的摻混均勻度與實(shí)際的田間情況存在較大區(qū)別, 大田條件下的微潤灌溉施肥尚需進(jìn)一步探討和研究。

4 結(jié)論

1)土壤摻混生物質(zhì)能顯著增大微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)水肥分布范圍。濕潤體內(nèi)水肥含量隨著與微潤管水平距離的增加而逐漸減小, 水肥含量最大值出現(xiàn)在微潤管周圍。在與微潤管水平距離為0~10 cm范圍內(nèi), 土壤水分和硝態(tài)氮的分布較均勻, 速效磷和速效鉀則形成累積區(qū)。

2)豎插式微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)土壤含水率和硝態(tài)氮的分布均勻性較高, 而速效磷和速效鉀的分布均勻性較低。隨著肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例的增大, 濕潤體內(nèi)土壤含水率和硝態(tài)氮含量均值及分布均勻系數(shù)顯著增大, 速效磷和速效鉀含量均值顯著增大而分布均勻系數(shù)則顯著降低。

3)豎插式微潤灌溉施肥濕潤體內(nèi)與微潤管不同水平距離下的土壤含水率、硝態(tài)氮、速效磷以及速效鉀含量均值的分布規(guī)律符合四參數(shù)Log-logistic模型。

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Increase of fertilizer solution concentration and biomass mixing proportion can enhance water and nutrients distribution in wetted soils under moistube irrigation*

LI Yilin1, LIU Xiaogang1**, LIU Yanwei1, DONGMU Hongdao2, YANG Qiliang1, SUI Long1

(1. Faculty of Modern Agricultural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2. Kunming Haochuan Engineering Consulting Co., Ltd., Kunming 650051, China)

Moistube irrigation is a new water-saving technology for continuous underground irrigation that can provide an effective carrier for agricultural fertigation technology. In order to investigate the mode of distribution of water and nutrients in wetted soils in moistube fertigation in vertical insert mode under different proportions of biomass mixture of soil,a series of indoor soil box infiltration simulation experiments were carried out using peanut shell power as mixed biomass. In the experiments, three fertilizer solution concentrations (F0: pure water at 0 g·L-1; FL: low concentration at 0.2 g·L-1; and FH: high concentration at 0.4 g·L-1) and four proportions of biomass mixture (B0: no mixing at 0; BL: low mixing at 1.5%; BM: moderate mixing at 3.0%; and BH: high mixing at 4.5%) were designed to study the distribution characteristics of soil water content, nitrate nitrogen, available phosphorus and available potassium in wetted soils under moistube fertigation in vertical insert mode. The results showed that the distribution areas of water and nutrients significantly expended after biomass mixture, but fertilizer solution concentration had no significant effect on the distribution areas of water and nutrients. Water and nutrients contents gradually decreased with increasing horizontal distance from moistube in wetted soils and the maximum water and nutrients contents occurred just next to the moistube. The distribution of soil water and nitrate nitrogen were more uniform, while available phosphorus and available potassium formed accumulation area within 0-10 cm in the horizontal distance from the moistube. Fertilizer solution concentration and mixing proportion of biomass significantly influenced the mean contents of water and nutrients in the wetted soils. Compared with F0, mean soil water content and soil nutrients (nitrate nitrogen, available phosphorus and available potassium) contents increased with increasing fertilizer solution concentration respectively by 3.94%-14.09% and 124.92%-458.05%. Mean soil water content and soil nutrients contents increased with increasing proportion of biomass mixture respectively by 12.89%-33.32% and 28.37%-115.44%, compared with those of B0. The distribution uniformity of soil water and nitrate nitrogen was higher, but that of available phosphorus and available potassium was lower in the wetted soils under moistube fertigation in vertical insert mode. The distribution uniformity coefficient of soil water and nitrate nitrogen increased with increasing fertilizer solution concentration and biomass mixing proportion, while that of available phosphorus and available potassium decreased in the wetted soils. The relationship between mean soil water and nutrients and horizontal distance from the moistube conformed to the fourth log-Logistic model in the wetted soils under moistube fertigation in vertical insert mode. In summary, mixing biomass with soil was improved water and nutrients movement in the wetted soils under moistube fertigation in vertical insert mode. Also increasing the concentration of fertilizer solution and proportion of soil biomass mixture significantly increased soil water and nutrients contents. This in turn increased the uniformity of soil water and nitrate nitrogen, and promoted the accumulation of available phosphorus and available potassium around moistube. The research results provided solid theoretical basis and practical reference for moistube fertigation technology.

Moistube fertigation; Fertilizer solution concentration; Biomass mixture of soil; Water and nutrients distribution; Uniformity coefficient

, E-mail: liuxiaogangjy@126.com

May 26, 2018;

Aug. 29, 2018

S275.9

A

2096-6237(2019)01-0119-12

10.13930/j.cnki.cjea.180503

李義林, 劉小剛, 劉艷偉, 董木宏道, 楊啟良, 隋龍. 肥液濃度和生物質(zhì)摻混比例對(duì)微潤灌溉濕潤體內(nèi)水肥分布的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(1): 119-130

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* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51769010, 51469010, 51109102)、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014FB130)和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201710674039)資助

劉小剛, 主要從事節(jié)水灌溉新技術(shù)與水土資源高效利用研究。E-mail: liuxiaogangjy@126.com

李義林, 主要從事節(jié)水灌溉新技術(shù)研究。E-mail: liyilin3194@126.com

2018-05-26

2018-08-29

* This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51769010, 51469010, 51109102), the Basic Research Project of Yunnan Province (2014FB130) and the Innovative Training Program for College Students (201710674039).