吳現(xiàn)兵，白美健，李益農(nóng)，杜太生，章少輝，史 源

水肥耦合對(duì)膜下滴灌甘藍(lán)根系生長和土壤水氮分布的影響

吳現(xiàn)兵1,2,3，白美健1※，李益農(nóng)1，杜太生3，章少輝1，史 源1

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，保定 071001；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083）

水肥施用制度是影響水肥利用效率和作物產(chǎn)量的主要因素。該研究主要針對(duì)大棚種植甘藍(lán)膜下滴灌下采用不同水肥施用制度時(shí)作物根系生長和土壤水氮分布開展試驗(yàn)觀測(cè)分析，在已有研究推薦的氮肥用量范圍中選取了3個(gè)氮肥用量（200、300和400 kg/hm2）與制定的灌水方案（上/下限：90%θ/75%θ、100% θ/85% θ和100% θ/75%θ，θ為田間持水率）建立了低水高肥、高水低肥和中水中肥3種水肥施用制度方案，在水利部節(jié)水灌溉示范基地大棚內(nèi)開展了2 季田間對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：較高的灌水下限（85%θ）會(huì)增加甘藍(lán)根系在0～20 cm土層中的分配比例，較高的水肥用量能增加根系質(zhì)量；處理2（高水低肥）的灌水施肥制度可使根系層土壤保持較高的含水率和較小的變異系數(shù)，且灌溉水向深層滲漏不明顯，生育期內(nèi)各處理土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的變化主要發(fā)生在0～40 cm土層，40 cm以下土層變化較小，而對(duì)于根系98%以上分布在40 cm以上土層的甘藍(lán)來說，這有利于根系對(duì)N素的吸收利用，從而提高甘藍(lán)對(duì)氮素的利用效率；施肥時(shí)灌水量較大會(huì)引起硝態(tài)氮和銨態(tài)氮向深層淋失的危險(xiǎn)，且300和400 kg/hm2的施氮量在作物收獲后土壤表層硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^大。綜合分析，該試驗(yàn)認(rèn)為甘藍(lán)適宜的施氮量200 kg/hm2，適宜的灌水下限85%、灌水上限100%，該結(jié)果可為設(shè)施膜下滴灌甘藍(lán)水肥管理和減輕農(nóng)業(yè)面源污染提供技術(shù)參考。

灌溉；土壤含水率；氮；水肥耦合；膜下滴灌；甘藍(lán)；氮素分布；根系生長

0 引 言

在影響作物生長的諸多因素中，水、肥是能夠人為大幅度調(diào)控的關(guān)鍵因子。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人們?yōu)榱双@得可喜產(chǎn)量，過量用水和施肥已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常態(tài)，這不僅造成了水、肥的嚴(yán)重浪費(fèi)，更重要的是造成水資源過度開采利用和農(nóng)業(yè)面源污染引起的水土環(huán)境惡化。已有研究成果發(fā)現(xiàn)，在北方許多農(nóng)業(yè)集約區(qū)由于過量施肥造成地下水硝酸鹽含量超標(biāo)，最大超出允許含量的6倍[1]，且蔬菜種植區(qū)土壤硝態(tài)氮累積量遠(yuǎn)高于小麥、玉米等糧食作物種植區(qū)[2]。為了尋求作物對(duì)水肥的用量閾值，近些年許多學(xué)者在小麥[3-4]、玉米[5-6]、番茄[7-9]、黃瓜[10]等多種作物上開展了研究工作，也有一些學(xué)者通過建立數(shù)學(xué)回歸方程提出所研究作物較優(yōu)的水、肥用量區(qū)間[11-13]。甘藍(lán)作為種植規(guī)模較大的葉菜類蔬菜之一，一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，提出了較優(yōu)施氮范圍在150～450 kg/hm2之間[14-18]。已有研究主要針對(duì)所研究作物建立不同的水肥耦合方案，然后通過試驗(yàn)分析提出不同種植模式和灌水方式下較優(yōu)的水肥組合，由于氣候條件和試驗(yàn)方案制定的局限性，不同學(xué)者對(duì)同種作物研究結(jié)果不盡相同。而在已有研究認(rèn)為較優(yōu)的水肥用量基礎(chǔ)上，建立不同水肥施用制度對(duì)作物根系分布和土壤中水氮分布的影響等方面的研究卻報(bào)道較少。不同的水肥施用制度引起土壤中水氮分布差異、進(jìn)而引起根系分布差異，最終造成產(chǎn)量差異。為了因地制宜的提出較為合理的水肥管理制度，探明土壤中水氮和根系分布對(duì)其協(xié)同響應(yīng)規(guī)律則是十分必要的。

本文在已有研究推薦的氮肥用量范圍基礎(chǔ)上，選擇高、中、低3個(gè)施氮量與制定的灌水方案結(jié)合，提出低水高肥、高水低肥和中水中肥3種水肥施用制度，對(duì)大棚膜下滴灌種植的甘藍(lán)開展田間對(duì)比試驗(yàn)研究，分析土壤中水氮和甘藍(lán)根系分布對(duì)不同試驗(yàn)方案的協(xié)同響應(yīng)規(guī)律，提出了膜下滴灌甘藍(lán)適宜的水肥施用制度，為京津冀地區(qū)甘藍(lán)生育期內(nèi)水肥管理和減輕農(nóng)業(yè)面源污染提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在中國灌溉排水發(fā)展中心節(jié)水灌溉示范基地的塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。該基地位于北京市順義區(qū)高麗營鎮(zhèn)，116°34′52″N，40°8′20″E，屬暖溫帶大陸半濕潤季風(fēng)氣候，多年平均溫度11.2 ℃，多年平均降水量625 mm。試驗(yàn)分兩季進(jìn)行，第1季（春季）在1號(hào)大棚內(nèi)進(jìn)行，第2季（秋季）在2號(hào)大棚內(nèi)進(jìn)行，兩大棚相距3 m。試驗(yàn)開始前，分別在2大棚內(nèi)選點(diǎn)取土風(fēng)干碾碎過篩，用馬爾文激光粒度儀測(cè)得0～60 cm土壤顆粒組成、田間持水率和土壤容重?cái)?shù)據(jù)見表1。耕層土壤初始硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)41.50 mg/kg，銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.21 mg/kg，pH值8.04。灌溉水源為深井，水源距試驗(yàn)點(diǎn)距離約100 m。

表1 大棚土壤主要特性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

春季試驗(yàn)甘藍(lán)品種為超級(jí)春豐，2017年2月8日播種，3月29日移栽，6月3日采收；秋季試驗(yàn)供試品種為中甘201（為當(dāng)?shù)爻７N品種），2017年7月22日播種，8月25日移栽，10月28日成熟采收。試驗(yàn)施N量方案制定參照已有試驗(yàn)研究成果建議的施N范圍[14-18]，并考慮地域特點(diǎn)、當(dāng)?shù)胤N植管理習(xí)慣和自身研究目的等因素，結(jié)合設(shè)定的不同灌水上、下限，最終制定了3個(gè)水肥施用制度開展田間對(duì)比試驗(yàn)，3個(gè)試驗(yàn)處理分別為低水高肥（處理1，F(xiàn)11、F21）、高水低肥（處理2，F(xiàn)12、F22）、中水中肥（處理3，F(xiàn)13、F23）。3個(gè)處理的施肥時(shí)機(jī)、施肥量和灌水上、下限詳見表2，灌水施肥日期和次灌水施氮量見圖1所示。

表2 甘藍(lán)不同水肥處理方案

注：F11、F12、F13分別為春季（2017年03月-2017年06月）試驗(yàn)中的處理1、處理2和處理3，F(xiàn)21、F22、F23分別為秋季（2017年08月-2017年10月）試驗(yàn)中的處理1、處理2和處理3；θ為田間持水率。

Note: F11, F12 and F13 are treatment 1, treatment 2 and treatment 3, respectively, in the spring experiment (March to June 2017), while F21, F22 and F23 are treatment 1, treatment 2 and treatment 3, respectively, in the autumn experiment (Aug. to Oct. 2017).is the field capacity.

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

注：春季，將3月23日作為第1天開始起算；秋季，將8月18日作為第1天開始起算。

Note: Spring cabbage, starting from March 23 as the first day; Autumn cabbage, starting from August 18 as the first day.<

圖1 甘藍(lán)生育期灌水施肥時(shí)間和累積灌水量及累積施N量

Fig.1 Irrigation and fertilization time, cumulative irrigation and cumulative N application amount during growth period of cabbage

計(jì)劃次灌水量用下式進(jìn)行計(jì)算

本試驗(yàn)磷設(shè)定為100 kg/hm2（含P2O5），鉀為150 kg/hm2（含K2O），各處理不設(shè)差異，其中磷肥全部作為基肥在甘藍(lán)移栽前一次性施入，鉀肥40%作為基肥，40%在結(jié)球初期、20%在結(jié)球后期作為追肥隨水施入。N、P、K肥分別選用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫哪蛩兀∟≥46%）、過磷酸鈣（P2O5≥16%）和硫酸鉀（K2O≥50%）。

兩季試驗(yàn)所用試驗(yàn)場地如圖2所示，大棚長35 m，寬6 m。3個(gè)處理各設(shè)3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，根據(jù)大棚面積，確定每小區(qū)寬2.8 m，長5 m，共14 m2，各處理之間間距1 m，為避免灌水互滲的影響，在各處理之間挖溝埋設(shè)5 m × 0.6 m的塑料布進(jìn)行截滲。另外，為減輕外界對(duì)試驗(yàn)的影響大棚兩側(cè)分別留2和2.2 m的空地進(jìn)行保護(hù)。兩季試驗(yàn)均采用膜下滴灌施肥方式，內(nèi)鑲貼片式滴灌帶標(biāo)稱直徑16 mm，滴頭間距0.3 m，設(shè)計(jì)出流量1.7～2.0 L/h，實(shí)測(cè)出流量平均1.8 L/h。各處理甘藍(lán)均采用寬窄行種植模式，窄行40 cm、寬行60 cm，株距40 cm。灌水施肥首部樞紐裝設(shè)了3套文丘里施肥裝置+施肥桶，灌水量由裝置在首部的水表進(jìn)行量測(cè)。

注：圖中F11-1表示春季試驗(yàn)處理1中第1個(gè)重復(fù)，F(xiàn)11-2表示春季試驗(yàn)處理1中的第2個(gè)重復(fù)，以此類推。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 甘藍(lán)根系質(zhì)量測(cè)定

甘藍(lán)收獲后，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3棵甘藍(lán)作為代表，以甘藍(lán)根為中心挖長×寬為40 cm × 40 cm的坑取根進(jìn)行測(cè)量，挖深共60 cm，每20 cm為一層。為了盡可能的將根從土壤中取出，挖出的土壤先放入桶內(nèi)浸泡1 h以上，之后過篩并撿去根中的雜質(zhì)，然后用清水沖洗2遍后帶回實(shí)驗(yàn)室用濾紙吸干根系上附著的水分，用精度0.01 g的電子秤稱鮮質(zhì)量后，放入烘箱105 ℃殺青30 min，然后用60 ℃烘干為恒質(zhì)量，再稱量其干質(zhì)量。

1.3.2 土壤含水率測(cè)量

甘藍(lán)生育期內(nèi)平均每隔2～3 d用Trime-PICO-IPH測(cè)量土壤（體積）含水率。

1.3.3 土壤氮素指標(biāo)測(cè)定

土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的測(cè)定：在甘藍(lán)移栽前、收獲后及生育期內(nèi)（蓮座期、結(jié)球初期、結(jié)球后期）灌水施肥前和施肥2 d后分別用土鉆取土，20 cm為一層，取深共1 m，將土樣在陰涼處風(fēng)干后研磨過2 mm篩后用自封袋進(jìn)行封存，兩季試驗(yàn)結(jié)束后將這些樣品用KCl溶液浸提后提取上清液用流動(dòng)分析儀（Auto Analyzer 3，德國BRAN+LUEBBE公司）量測(cè)溶液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，然后換算為土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、整理和計(jì)算在Excel 2016中進(jìn)行，方差分析和繪圖分析分別采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件和Origin 8.0繪圖軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘藍(lán)根系隨土壤深度分布

作物收獲時(shí)通過實(shí)際挖根發(fā)現(xiàn)，兩季試驗(yàn)的3個(gè)處理最大根系深度都在70 cm以內(nèi)。表3給出了不同處理下不同土層根系鮮質(zhì)量和干質(zhì)量。由表可知，在60 cm深土層內(nèi)根鮮質(zhì)量90%以上集中在0～20 cm土層內(nèi)，且根總鮮質(zhì)量F13顯著高于F11和F12，分別高出18%和22%。各土層各處理之間根鮮生物量均是F13>F11>F12，其中0～20 cm土層差異顯著，其他土層數(shù)值比較接近，未達(dá)到顯著差異（> 0.05）。

由于種植品種和季節(jié)不同，秋季試驗(yàn)各土層根鮮質(zhì)量3個(gè)處理相差不大，均未達(dá)到顯著差異水平（> 0.05）。就各土層根鮮質(zhì)量占總質(zhì)量比例來看，兩季試驗(yàn)0～20 cm土層都是處理2（F12、F22）最大，>20～40 cm和>40～60 cm土層處理2最小。

表3 不同處理甘藍(lán)根系鮮質(zhì)量和干質(zhì)量隨土層深度分布

注：表中同一列數(shù)字后不同字母表示處理之間存在顯著差異（< 0.05），下同。LR表示其他處理相對(duì)于處理1根鮮質(zhì)量的相對(duì)損失率。

Note: Different letters in the same column show significant differences between different water and fertilizer treatments (< 0.05), the same as below. LR indicates the relative loss rate of the fresh roots weight in treatments relative to treatment 1.

對(duì)于干質(zhì)量，春季甘藍(lán)各土層均是F13最大，F(xiàn)12最小，但差異不顯著。秋季甘藍(lán)0～20和>20～40 cm土層根干質(zhì)量F23值最大，但差異不顯著，>40～60 cm土層各處理值都很小，但F21和F22的差異達(dá)到了顯著水平（< 0.05）。秋季與春季相比，秋季甘藍(lán)根總質(zhì)量不但遠(yuǎn)小于春季，而且秋季甘藍(lán)根總體分布較春季更淺。

綜上，根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量在土層中的分布與水肥施用量之間均存在一定響應(yīng)關(guān)系，尤其是春季試驗(yàn)較為明顯，F(xiàn)12由于灌水下限較高，灌水頻次高于F11和F13，使得根系分布相對(duì)較淺，0～20 cm土層占得比重最大，而F13為中水中肥方案，60 cm土層內(nèi)根總重最大。秋季甘藍(lán)由于品種與春季不同，根系質(zhì)量遠(yuǎn)小于春季甘藍(lán)，且根鮮質(zhì)量與水肥的響應(yīng)關(guān)系不明顯。

2.2 甘藍(lán)生育期土壤水分分布

圖3給出了春季和秋季0～60 cm土層土壤（體積）含水率在甘藍(lán)生育期的變化情況，表4給出了相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。甘藍(lán)移栽時(shí)為了保苗一次灌水30 mm，0～60 cm土層均達(dá)到了田持，由于苗期甘藍(lán)需水量較小，且采用地膜覆蓋，所以從苗期開始土壤含水率雖總體在下降，但下降速度梯度較小，且越往深層土壤下降越慢，進(jìn)入蓮座期后甘藍(lán)耗水量逐漸增加，從蓮座中期開始各處理0～20 cm土層土壤含水率逐漸達(dá)到灌水下限并進(jìn)行灌水?？傮w來看，春季甘藍(lán)F12各層土壤平均含水率較高，F(xiàn)13次之，F(xiàn)11最小，尤其在0～20和>20～40 cm土層較為明顯；秋季甘藍(lán)F22各層平均含水率均高于F23和F21，F(xiàn)23在>20～40 cm土層平均含水率明顯高于F21，但0～20和>40～60 cm土層2個(gè)處理相差不大。

從含水率在生育期波動(dòng)情況看，0～20 cm土層明顯較大，隨著土壤深度加深波動(dòng)減小，0～20 cm土層處理3（F13、F23）明顯波動(dòng)較大，處理2（F12、F22）由于灌水下限最高，波動(dòng)較小。由表4可看出，F(xiàn)12和F22各層平均含水率都高于其他2個(gè)處理，且變異系數(shù)C相比其他2個(gè)處理最小，F(xiàn)11和F21平均含水率最低，C最大。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

表4 甘藍(lán)生育期0～60 cm土壤（體積）含水率均值和變異系數(shù)Cv

2.3 甘藍(lán)生育期土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮分布

2.3.1 土壤硝態(tài)氮分布

春季甘藍(lán)，各處理按量施基肥后對(duì)農(nóng)田進(jìn)行了翻耕，第7天（3月29日）對(duì)甘藍(lán)進(jìn)行了移苗，并澆了定值水30 mm。由圖4a可知，因?yàn)槭┝嘶试诘?天灌水前取土測(cè)得土壤硝態(tài)氮含量相比第1天0～20 cm土層顯著增大，>20～40 cm土層也有明顯增大，40 cm以下土層硝態(tài)氮含量沒有明顯變化，在甘藍(lán)苗期向蓮座期過渡的第23天（4月14日）測(cè)得0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮均存在不同程度的增加，其中0～60 cm土層增加明顯，其原因主要有二：一是定值水灌水量較大，使得基肥中的尿素態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮后隨灌溉水向深層淋失；二是甘藍(lán)在苗期對(duì)氮的需求量較小，基肥施入土壤的氮只有少量被根系吸收利用，剩余大部分在土壤中累積。進(jìn)入蓮座期后，甘藍(lán)株高、莖粗、葉片數(shù)及葉面積均開始迅速增加，土壤硝態(tài)氮含量開始迅速降低，隨著各處理進(jìn)行追肥，土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出波動(dòng)現(xiàn)象，但由于F11和F12次灌水量較少（2個(gè)處理最大次灌水量均為14.12 mm），硝態(tài)氮的增加主要表現(xiàn)在0～40 cm土層，40 cm以下土層變化較小，而F13次灌水量較大（次最大灌水量為23.54 mm），在第46天（5月7日）追肥后，在第49天測(cè)得各土層硝態(tài)氮含量均有不同程度增加（與第46天追肥前相比），0～40 cm土層增加最大，>40～60 cm土層增加了89.20%，>60～80 cm土層增加了46.83%，>80～100 cm土層增加了53.04%，由此可見，F(xiàn)13的灌溉水有部分向深層進(jìn)行了滲漏，并使得尿素隨水向深層淋失，經(jīng)水解后轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，進(jìn)而通過土壤中硝化細(xì)菌硝化后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮。F13在第56天進(jìn)行追肥，在60 cm以下土層未發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮含量升高，主要是由于追肥時(shí)土壤未達(dá)到灌水下限，次灌水量僅為14.8 mm。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

秋季甘藍(lán)施基肥后對(duì)農(nóng)田進(jìn)行翻耕，第8天（8月25日）對(duì)甘藍(lán)進(jìn)行了移苗。由圖4b可知，追肥后在第8天測(cè)得土壤中0～40 cm土層硝態(tài)氮含量顯著增加，60 cm以下土層無明顯變化，與春季甘藍(lán)不同的是在苗期向蓮座期過渡的第28天（9月14日）測(cè)得0～40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量相比第8天有所減少，分析原因可能有：一是8月下旬至9月初土壤中溫度較高，膜下平均溫度約32.0 ℃，0～40 cm土層平均溫度約26.6 ℃，土壤中硝態(tài)氮在較高溫度下分解和轉(zhuǎn)化較快；二是由于土壤溫度較高，甘藍(lán)株高、葉片數(shù)等生長較快，相比春季在苗期根系從土壤中吸收利用了較多硝態(tài)氮。而40 cm以下土層硝態(tài)氮含量增大主要是因?yàn)槎ㄖ邓嗨枯^大所致。進(jìn)入蓮座期后甘藍(lán)對(duì)氮素的需求量逐漸增大，使得土壤硝態(tài)氮含量開始迅速降低，隨著各處理進(jìn)行追肥，土壤硝態(tài)氮含量也呈現(xiàn)出波動(dòng)現(xiàn)象，與春季相比，秋季甘藍(lán)的F23兩次追肥時(shí)土壤含水量均未達(dá)到灌水下限，由于追肥時(shí)灌水量較小，因此未出現(xiàn)向深層淋失的現(xiàn)象。

綜上，定值水灌水30 mm偏大，會(huì)造成基肥中硝態(tài)氮向深層土壤淋失。F13和F23（灌水下限75%θ、灌水上限100%）次灌水量較大，同時(shí)進(jìn)行施肥則將存在灌溉水滲漏并攜帶硝態(tài)氮向土壤深層淋失的危險(xiǎn)。作物收獲后，0～40 cm土層處理1和處理3土壤硝態(tài)氮含量明顯大于處理2，尤其是0～20 cm土層尤為明顯，可見處理1和處理3施氮量存在浪費(fèi)現(xiàn)象，因此，從土壤硝態(tài)氮分布結(jié)果看，處理2（高水低肥，如圖1所示）水肥施用制度較優(yōu)。

2.3.2 土壤銨態(tài)氮分布

如圖5a所示，春季甘藍(lán)施入基肥后，由于土壤溫度較低尿素水解后形成銨態(tài)氮的速率相對(duì)較慢，使得在第7天（3月29日）測(cè)得各處理下土壤0～20 cm土層銨態(tài)氮含量最高，>20～40 cm土層銨態(tài)氮含量也有較明顯增加，40 cm以下增加不明顯。之后隨著作物吸收利用和銨態(tài)氮在土壤中經(jīng)硝化細(xì)菌硝化后轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，銨態(tài)氮含量開始明顯降低，硝態(tài)氮含量逐漸增加（圖4a 在第7～23天之間）。甘藍(lán)進(jìn)入蓮座期后隨著追肥土壤中的銨態(tài)氮含量呈波動(dòng)曲線，但主要發(fā)生在0～20 cm土層，在第46天（5月7日）追肥后，F(xiàn)11和F12銨態(tài)氮含量增加發(fā)生在0～60 cm土層，而F13由于灌水量較大，隨水施入土壤的尿素隨水淋失到了1 m土層深度，之后水解形成銨態(tài)氮，>60～80 cm土層銨態(tài)氮含量（第49天）相比追肥前（第46天）增加了79.16%，>80～100 cm土層增加了98.63%。

如圖5b所示，秋季甘藍(lán)施入基肥后，由于土壤溫度較高，尿素水解后形成銨態(tài)氮的速率相對(duì)較快，銨態(tài)氮在土壤中不穩(wěn)定，在合適的土壤水分和溫度環(huán)境下易揮發(fā)流失和硝化形成硝態(tài)氮，因此在施肥后第8天（8月25日）測(cè)得0～20 cm土層銨態(tài)氮含量明顯小于春季甘藍(lán)同期數(shù)值。秋季甘藍(lán)在生育期追肥F21和F22灌水量較小，而F23兩次追肥時(shí)土壤都未達(dá)到灌水下限，由于灌水量較小，所以各處理在生育期內(nèi)土壤銨態(tài)氮含量變化主要發(fā)生在0～40 cm土層，40 cm以下土層變化不明顯。

綜上，定值水雖然灌水量較大造成了硝態(tài)氮的深層淋失，但造成銨態(tài)氮的深層淋失量較小，主要原因是定值水灌溉時(shí)間比施基肥時(shí)間晚7 d左右，這時(shí)土壤中大部分尿素已轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，銨態(tài)氮與土壤吸附不易隨水流失。作物收獲后3個(gè)處理各土層土壤中銨態(tài)氮含量均較小且各處理之間差異不顯著。

a. 春季b. 秋季 a. Springb. Autumn

2.4 土壤水氮和根系分布對(duì)水肥制度協(xié)同響應(yīng)規(guī)律分析

次灌水量和施肥量多少會(huì)使得土壤剖面上土壤含水率和氮含量分布存在差異，從而對(duì)作物根系分布造成一定影響，進(jìn)而也會(huì)影響作物的生長、產(chǎn)量及水氮利用效率。根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，本研究制定的3種水肥施用制度，處理2（F12、F22）相比其他2個(gè)處理，雖然總灌水量最大，但由于灌水下限定的較高，使得次灌水量較小，土壤中0～40 cm在甘藍(lán)生育期內(nèi)均保持較高的含水量，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮向60 cm以下土層淋失不明顯，根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量在0～20 cm土層的分布比例相對(duì)較高，最大根深比其他2個(gè)處理小7～12 cm。處理1（F11、F21）總灌水量最少，為了獲得更多的水分和養(yǎng)分，使得根系埋深明顯大于處理2，0～20 cm根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量分布比例均小于處理2，>20～40和>40～60 cm根質(zhì)量分布比例均大于處理2；雖然處理1施氮量在3個(gè)處理中最大，由于次灌水量與處理2相同，使得土壤中氮素向60 cm以下土層淋失不明顯，但春季和秋季甘藍(lán)收獲后0～20 cm土層硝態(tài)氮?dú)埩袅繀s明顯大于處理2。處理3（F13、F23）次灌水量最大，使得0～60 cm土層土壤含水率相比其他2個(gè)處理波動(dòng)幅度最大，這也造成土壤氮素隨灌溉水向深層淋失的危險(xiǎn)；而且根系最大埋深也明顯大于處理2，根系總質(zhì)量在3個(gè)處理中最大，>40～60 cm土層根質(zhì)量的分布比例也大于其他2個(gè)處理。因此，比較3個(gè)水肥施用制度對(duì)根系和土壤水氮分布的影響可知，處理2根系和土壤水氮分布均相對(duì)較淺，可提高作物對(duì)水氮的利用效率。

從產(chǎn)量上看，春季甘藍(lán)F12產(chǎn)量最高，為78.37 t/hm2，分別高出F11和F13 5.00和4.91 t/hm2。秋季甘藍(lán)F22產(chǎn)量最高，為64.42 t/hm2，分別高出F21和F23 9.36和1.54 t/hm2。由此可見，處理2（F12、F22）的水肥處理方案不僅產(chǎn)量最高，而且水氮主要分布在根系層土壤，甘藍(lán)收獲后土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅孔畹?，因此，本研究認(rèn)為處理2（F12、F22）的水肥施用方案優(yōu)于其他2個(gè)處理。

3 討 論

3.1 不同水肥處理對(duì)根系生長的影響

根系是作物從外界吸收水分和養(yǎng)分來維持自身正常生長的重要器官，而根系的發(fā)達(dá)程度在很大程度上決定于作物生育期內(nèi)土壤中水分和養(yǎng)分的供應(yīng)情況，合適的水肥用量可促進(jìn)根系的生長，但過多或過少的用量則會(huì)抑制根系的生長，進(jìn)而影響作物的生長和產(chǎn)量[19-20]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在膜下滴灌條件下兩季試驗(yàn)3種水肥處理方式甘藍(lán)的根系均是主要分布在0～40 cm土層，尤其是0～20 cm土層占比最大，40 cm以下土層根系分布很少，這與前人對(duì)甜瓜[20]、南瓜[21]、番茄[22]等作物的研究結(jié)果類似。不同水肥處理對(duì)根系總質(zhì)量和在各層土壤分布比例也會(huì)產(chǎn)生一定影響，總體來看灌水下限越高，由于次灌水量較小，灌溉水主要分布在上層土壤，使得根系分布相對(duì)較淺，最大根深也較小；增加次灌水量，會(huì)增加根系在40 cm以下土層的根質(zhì)量和占比，但不同處理之間（除秋季甘藍(lán)的干質(zhì)量F22顯著小于F21（<0.05）外）均未達(dá)到顯著性差異（>0.05）。

3.2 不同水肥處理對(duì)土壤水氮分布的影響

土壤水分在土壤剖面上的分布主要受灌水方式、次灌水量、灌水時(shí)間間隔及土壤類型等影響，在土壤類型和灌水方式等條件一定的情況下，當(dāng)灌水上下限相差越小，則次灌水量越小，灌水時(shí)間間隔也越小，灌溉水在土壤中的濕潤鋒有向深層土壤運(yùn)移的趨勢(shì)，但速度較慢，土壤水分主要分布在上層土壤；而當(dāng)灌水上下限相差較大，雖然灌水時(shí)間間隔會(huì)變長，但由于次灌水量較大，濕潤鋒向深層土壤運(yùn)移明顯。本研究制定的3個(gè)灌水方案，處理3（F13、F23）次灌水量大于其他2個(gè)處理，灌水后在60 cm深土層中測(cè)得土壤含水率有明顯變化，表明該處理的灌水量有明顯向60 cm以下土層運(yùn)移的現(xiàn)象發(fā)生。

氮肥在追肥時(shí)由于隨灌溉水施入土壤，因此氮素在土壤中的運(yùn)移和分布與土壤水分相似，合適的水肥管理可顯著減少土壤氮素向深層土壤的淋失[23]。但本研究中的F13和F23由于灌水量較大，若按設(shè)定的灌水量進(jìn)行追肥，則灌溉水?dāng)y帶尿素向深層淋失，經(jīng)水解和硝化作用形成銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，使得深層土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加，這與Vesna Zupanc[24]和Candela[25]等的研究結(jié)論類似。由于甘藍(lán)的根系主要分布在0～60 cm土層內(nèi)，因此被灌溉水?dāng)y帶進(jìn)入60 cm以下土層中的氮素被作物吸收利用的可能性將大大降低，作物對(duì)氮素的利用效率也會(huì)減小。

另外，作物對(duì)氮素的吸收利用存在閾值，高于閾值不僅會(huì)降低作物產(chǎn)量，還會(huì)使作物收獲時(shí)土壤中氮素殘留量較大，可能造成土壤環(huán)境惡化等一系列問題。本研究在甘藍(lán)收獲時(shí)土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮?dú)埩袅恳姳?，隨著施氮量的增加，土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅吭龃螅@態(tài)氮各土層不同處理之間數(shù)值相差較小，其原因主要是由于銨態(tài)氮在土壤中不穩(wěn)定，極易發(fā)生硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮所致。由表5可知，各處理硝態(tài)氮的殘留量主要集中在0～20 cm土層，20 cm以下土層殘留量相對(duì)較低，由于處理2施氮量最小，因此殘留量也最低，且該處理甘藍(lán)產(chǎn)量最高，而兩季試驗(yàn)0～20 cm土層處理1和處理3硝態(tài)氮含量均顯著大于處理2（< 0.05），其中處理1是處理2的2.28～2.83倍，處理3是處理2的1.77～2.45倍，由此可見，處理1和處理3施肥存在浪費(fèi)現(xiàn)象，這不僅會(huì)降低氮素的利用效率，而且殘留的硝態(tài)氮可能會(huì)影響土壤環(huán)境和造成地下水污染。劉方春等[26]對(duì)小麥?zhǔn)斋@后取土測(cè)得土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅拷Y(jié)果與本研究結(jié)論類似，0～20 cm土層硝態(tài)氮?dú)埩糇畲?，其次?20～40 cm土層，40 cm以下土層硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^少。也有研究表明施氮量是決定土壤硝態(tài)氮累積量和殘留量大小的主要因素[27-28]，合適的施氮量可減少0～20 cm土層硝態(tài)氮的累積和殘留量，過量的施氮?jiǎng)t會(huì)顯著增加表層土壤硝態(tài)氮的累積和殘留量，尤其是設(shè)施蔬菜，由于不合理的施肥，造成土壤硝態(tài)氮的殘留量逐年增加，有調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，陜西省部分地區(qū)2 a大棚菜田0～2.0 m土層硝態(tài)氮?dú)埩袅窟_(dá)1 411.8 kg/hm2，5 a的大棚高達(dá)1 520.9 kg/hm2，是一般農(nóng)田的近6.2倍，其中各土層殘留量占比最大的是0～20 cm土層[29]。顯然，過量的施氮不僅會(huì)造成土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅匡@著增加，同時(shí)也會(huì)降低氮素利用效率，并可能引起土壤環(huán)境惡化和地下水污染等問題，由此可見，為了保持作物較好的生長環(huán)境、合理利用水肥、減少水肥流失、提高水肥利用效率和作物產(chǎn)量，目前亟待解決問題就是研究確定適合區(qū)域不同作物生長的最優(yōu)水肥施用制度。

表5 2季試驗(yàn)甘藍(lán)收獲后0～60 cm土層土壤NO3--N和NH4+-N殘留量

4 結(jié) 論

通過在大棚內(nèi)進(jìn)行的甘藍(lán)膜下滴灌水肥施用制度田間對(duì)比試驗(yàn)，研究了甘藍(lán)根系分布及生育期內(nèi)土壤水分、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的分布情況，并對(duì)土壤水氮和根系分布對(duì)水肥制度協(xié)同響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析，得出主要結(jié)論如下：

1）次灌水量和施肥量是影響膜下滴灌甘藍(lán)土壤中根系生長和土壤氮素分布的主要因素。

2）甘藍(lán)根系90%以上分布在0～20 cm土層，且較高的灌水上限（處理2）會(huì)增加甘藍(lán)根系在0～20 cm土層中的分配比例，較高的水肥用量（處理3）可增加根系的質(zhì)量。

3）高頻灌水方案（處理2）可使根系層土壤保持較高的含水率和較小的變異系數(shù)，且灌溉水向深層滲漏不明顯，這有利于作物對(duì)水、氮的吸收利用，從而促進(jìn)作物生長。

4）各種處理下土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量在生育期的變化主要在0～40 cm土層波動(dòng)較大，40 cm以下土層變化較小，而甘藍(lán)根系98%以上分布在40 cm以上土層，這有利于作物根系對(duì)N素的吸收利用，從而提高甘藍(lán)對(duì)氮素的利用效率。但處理3設(shè)定次灌水量較大存在硝態(tài)氮和銨態(tài)氮向深層淋失的危險(xiǎn)。處理1和處理3施肥量較大，在甘藍(lán)收獲時(shí)土壤表層硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^大，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。

因此，通過田間對(duì)比試驗(yàn)和分析，本研究認(rèn)為京津冀地區(qū)大棚種植甘藍(lán)，采用膜下滴灌一體化施肥時(shí)，高水低肥（處理2）方案較優(yōu)，即施氮量200 kg/hm2，適宜的灌水下限85%、灌水上限100%。由于試驗(yàn)方案制定的局限性，該結(jié)果認(rèn)為是由試驗(yàn)確定的較優(yōu)方案，進(jìn)一步可構(gòu)建模型，通過數(shù)值模擬尋求不同條件下最優(yōu)水肥施用制度和水肥管理模式來精準(zhǔn)指導(dǎo)設(shè)施甘藍(lán)的科學(xué)高效生產(chǎn)。

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Effect of water and fertilizer coupling on root growth, soil water and nitrogen distribution of cabbage with drip irrigation under mulch

Wu Xianbing1,2,3, Bai Meijian1※, Li Yinong1, Du Taisheng3, Zhang Shaohui1, Shi Yuan1

(1.,,, 100038; 2.,,071001,; 3.,,100083,)

The water and fertilizer application scheduling is the main factor affecting the efficiency of water and fertilizer use and crop yield as well as the root growth of crops and the distribution of soil water and nitrogen in soil profile. This study focused on the experimental observation and analysis of cabbage root growth, soil water and nitrogen distribution under different water and fertilizer application scheduling with drip irrigation mulch in greenhouse,aiming at putting forward a better water and fertilizer application scheduling for cabbage cultivation in greenhouse in Beijing-Tianjin-Hebei region. Three nitrogen amounts (200, 300 and 400 kg/hm2) were selected from the recommended range of nitrogen application rates in published literatures and three irrigation amounts were determined (irrigation upper/lower limit：90%θ/75%θ, 100%θ/85%θand 100%θ/75%θ, θfis the field capacity.). Then, three schemes of water and fertilizer application scheduling were established: treatment 1 (low water and high fertilizer), treatment 2 (high water and low fertilizer) and treatment 3 (medium water and medium fertilizer), and field comparison experiments for two seasons were carried out in the greenhouse of the Water Saving Irrigation Demonstration Base of the Ministry of Water Resources. The experimental results showed that the root distribution ratios in 0-20 cm and 0-40 cm soil layers of the three treatments were above 90% and 98% (the proportion of total root weight), respectively. However, the distribution ratio of roots in higher irrigation lower limit (85%θ) was higher than that in lower irrigation lower limits (75%θ) in 0-20 cm soil layers. And a larger amount of water and fertilizer (treatment 3) could increase the total root weight.The water and fertilizer application scheduling of treatment 2 (high water and low fertilizer) could keep higher soil moisture content (average value of soil volume moisture content 28.44%-33.48%) and smaller coefficient of variation (0.08-0.13) in 0-60 cm soil layer during the whole growth period, and the leakage of irrigation water to deep layer (below 60 cm soil layer) was not obvious. The changes of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in the soil during the growth period mainly occurred in the 0-40 cm soil layer, and the change of soil layer below 40 cm was small. For the cabbage with more than 98% of the root system distributed in the soil layer of 0-40 cm, this was beneficial to the absorption and utilization of N by the root system, thus improving the utilization efficiency of nitrogen of cabbage. However, larger amount of irrigation water when fertilizing might lead to the leaching of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen to the deep layer (below 60 cm). In addition, after harvesting, the residues of treatment 1 (nitrogen application rate 400 kg/hm2) and treatment 3 (300 kg/hm2) in 0-20 cm soil layer were significantly higher than those of treatment 2 (200 kg/hm2) (< 0.05), of which treatment 1 was 2.28-2.83 times of treatment 2 and treatment 3 was 1.77-2.45 times of treatment 2. The residual nitrate nitrogen might damage soil environment and cause groundwater pollution. Therefore, comprehensive analysis showed that the suitable nitrogen application rate of cabbage was 200 kg/hm2, the appropriate lower irrigation limit was 85%θ, and the irrigation upper limit was 100%θ. This result could provide technical reference for the water and fertilizer management of cabbage with drip irrigation under mulch and reduction of agricultural non-point source pollution.

irrigation; soil water content; nitrogen; water and fertilizer coupling; drip irrigation under mulch; cabbage; nitrogen distribution; root growth

2019-02-04

2019-08-25

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0401403）

吳現(xiàn)兵，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)節(jié)水及水資源高效利用研究。E-mail：wuxb611@126.com

白美健，教授級(jí)高工，博士，主要從事灌溉水管理和精細(xì)地面灌溉技術(shù)研究。E-mail：baimj@iwhr.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014

S635.1

A

1002-6819(2019)-17-0110-10

吳現(xiàn)兵，白美健，李益農(nóng)，杜太生，章少輝，史 源.水肥耦合對(duì)膜下滴灌甘藍(lán)根系生長和土壤水氮分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(17)：110－119. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014 http://www.tcsae.org

Wu Xianbing, Bai Meijian, Li Yinong, Du Taisheng, Zhang Shaohui, Shi Yuan. Effect of water and fertilizer coupling on root growth, soil water and nitrogen distribution of cabbage with drip irrigation under mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 110－119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.014 http://www.tcsae.org