施肥方式和施氮量对枸杞微孔陶瓷根灌土壤水氮分布的影响

韩梦雪，张 林

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100）

0 引 言

微孔陶瓷根灌是一种新型灌溉方式，将微孔陶瓷灌水器作为渗水介质埋入地下直接向作物根区供水，借由灌水器内外水势差提供动力，可实现微压或零压灌溉[1-3]，具有节能、节水等优点，在干旱和半干旱地区应用效果较好[4-6]。水肥一体化通过水分与养分的同步供应有效的提高了肥料利用效率，增加作物产量且省时省工，是目前最为高效的灌溉施肥技术[7]。

水肥一体化应用于滴灌的研究较为丰富成熟，可供于参考借鉴，刘晓丽等[8]对比了不同灌水方式下的湿润体差异和枸杞产量，发现根际滴灌的湿润体分布于枸杞根系密集区域，有利于降低蒸发和减少渗漏。刘月等[9]研究表明在微咸水滴灌条件下的枸杞灌水量超过2 850 kg/hm2时，适宜增施氮肥会使浅层土壤含水率增大。但将微孔陶瓷根灌同水肥一体化技术相结合的研究较少，李邵等[10]在负压水头下采用陶瓷盘供水施肥的研究表明在高水分条件下，提高施肥水平能促进黄瓜的植株生长和根系发育，提高叶片光合速率和根系活力。姜红娜等[11]将多孔陶瓷盘竖埋于土壤中进行灌溉施肥，通过保持各层土壤水分的持续稳定，避免土壤干湿交替所产生的不利影响，有良好的生产效果。董爱红[12]对不同肥料类型下微孔陶瓷灌水器堵塞影响的研究表明，尿素不会引起灌水器堵塞，硫酸钾和复合肥需配合冲洗措施或较大首部压力使用。氮是影响作物产量和品质的重要因素[13]，在水分充足情况下，春小麦生物量随施氮量增加而增加[14]，但施氮量过高，会导致作物徒长、烧苗，甚至出现少花低产等情况，同时也会形成硝酸盐淋失，造成地下水污染，加剧土壤环境污染[15，16]。灌水和施肥方式不同，会对土壤水分分布和氮素供应产生较大影响，进而影响作物根系生长发育，并最终影响作物的产量和品质[17，18]。

为了揭示微孔陶瓷根灌条件下的土壤水氮分布规律，本文以青海柴达木枸杞为研究对象，以地表滴灌处理作为对照，通过小区灌水试验，分析了微孔陶瓷根灌条件下不同施肥方式和施氮量对土壤水含水率、土壤硝态氮含量和枸杞产量的影响，以期为微孔陶瓷根灌水肥一体化技术参数的确定提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于青海省海西州德令哈市怀头他拉镇防沙治沙公司枸杞种植园区（96°44′E，37°21′N，海拔2 874 m），地处柴达木盆地东北部，气候属高原干旱类型，全年累积积温为1 909 ℃～2 822 ℃，年平均日照时数＞3 000 h，日照强，但由于热量散失快，昼夜温差大，夏季平均昼夜温差达到13.1 ℃，冬季气温低且降雪量少，无霜期约97 d 左右。多年平均降水量110.3 mm，全年80%～90%的降雨集中在6-8月，降雨量少且分配不均。供试土壤为壤质砂土，砂粒含量占70%以上，粘粒不足1%，质地疏松且保水性差，容重1.52 g/cm3，田间持水率约为18.0%（体积）。土壤所含营养元素稀少，土壤有机质含量为5.0 g/kg，速效氮含量108.6 mg/kg、速效磷含量为3.6 mg/kg，速效钾含量为2.9 mg/kg。

1.2 试验设计

试验始于2019年4月底，试种枸杞品种为“宁枸七号”，树龄4～5 a，株距和行距分别为0.8 m 和1.2 m。试验因素为施肥方式和施氮量，施肥方式有2个水平，主要包括穴施和水肥一体化；施氮量有3 个水平（高、中、低），分别为对照处理（CK）施氮量的100%、80%和60%；CK 为当地膜下滴灌。采用不完全组合试验，共5个处理，具体见表1。CK处理选用耐特菲姆超级台风贴片式滴灌带，滴头间距为30 cm，全生育期灌水7次，每次灌水2 h，灌水量约13 mm/h。其余四个处理均采用微孔陶瓷根灌措施进行灌溉，供水水源为体积1.1 m3的水桶，工作压力水头为50 cm，微孔陶瓷灌水器间距为0.8 m，埋深30 cm，距离枸杞植株20 cm，滴灌和微孔陶瓷根灌均采用一管一行的布置方式，管道长度40 m。微孔陶瓷根灌处理灌水遵循CK 处理灌溉制度，每当CK 处理灌水时，在供水桶内补充等量灌水。

表1 试验处理表Tab.1 Test treatment table

施肥时，CK 处理通过水肥一体化首部直接供给肥水。水肥一体化微孔陶瓷根灌处理通过20 m 扬程水泵加压施肥，施肥时长2 h，并在施肥完成后冲洗毛管，防止水肥溶液长时间滞留于毛管中成生物堵塞。试验区所用氮肥为尿素，含氮量≥46.4%；磷肥和钾肥采用均衡型的大量元素水溶肥料（P2O5-K2O+TE）施肥，每公顷施用207 kg。每个处理设置3次重复。

1.3 测定项目及方法

（1）土壤含水率测定。以枸杞主干位置为0点，测量位置分别设在枸杞主干一侧5 cm 处（T1）、20 cm 处（T2）、40 cm 处（T3），及相反一侧-20 cm处（T4），在相应测位处埋置Trim管，测管埋深100 cm。用TDR水分测定仪，测量土层0～100 cm深度土壤含水率，每间隔20 cm测定1次，土壤表层0～10 cm土壤水分采用取土烘干法测量后换算成体积含水率。

（2）土壤硝态氮测定。测点位置与土壤含水率测点相同。在枸杞采收期结束后取5.0 g土样品置于200 mL塑料瓶中，加入50 mL KCL，在振荡机上振荡30 min后静置过滤，使用紫外分光仪测定结果计算土壤硝态氮含量。

（3）产量和氮肥利用效率。各处理随机选定12株枸杞，对不同果实成熟期内收获的干果产量予以累加，计算得该处理产量Y，kg/hm2。

氮肥利用效率（PNP）可反映土壤基础养分水平和氮肥施用量综合效应。计算如式（1）所示。

式中：PNP 为氮肥利用效率，kg/kg；F为施氮量，kg/hm2。

2 结果分析

2.1 土壤含水率分布特征

2.1.1 土壤含水率随时间变化规律

图1 给出灌溉开始后120 h 内距树干5 cm 处土壤含水率变化特征，从图1可以看出，微孔陶瓷根灌处理的土壤水分分布与地表滴灌（CK）处理差异较大，滴灌开始后，各土层含水率随灌溉时间的增加而迅速上升，在2 h 灌水结束时表层土壤含水率停止增长，随后的118 h 内由于土壤水分再分布，各土层土壤含水率呈明显下降趋势。然而，同时段的微孔陶瓷根灌处理的各土层含水率随时间变幅较小，一直处于比较稳定的状态，这主要是因为微孔陶瓷灌水器以持续性、小流量的方式湿润土壤，当某一层土壤含水率下降，很快就能得到补充。

有研究表明20～40 cm 土层是枸杞根系分布的高密度区[19]，0～60 cm 土层基本包括枸杞全部根系，对于不同深度的土层而言，滴灌下的0～60 cm土层平均含水率仅在48 h内能保持在田持的85%以上，在85 h 后降至田持的70%以下，水分流失较快，根系吸水受限，若无及时补水则可能对枸杞生长产生不利影响。微孔陶瓷根灌借由土壤水势差提供动力，灌水稳定后各土层土壤含水率随时间变幅极小，由于灌水器埋放在土壤表层以下30 cm处，20～40 cm土层含水率相对较大，有利于根系吸水，其中40 cm 土层的含水率可稳定维持在田持的85%左右，在0～60 cm土层平均含水率可在整个生育期维持在田持的60%以上，满足枸杞全生育期的需水要求，从而促进枸杞生长和产量的提高。

2.1.2 土壤含水率距树干不同位置分布特征

灌水开始后48 h 时，各处理距树干不同位置处的土壤含水率分布如图2所示，微孔陶瓷根灌与滴灌的湿润体分布区域有明显差异，滴灌的土壤水分主要分布在60～80 cm 的土层，土壤含水率超过田持的90%，出水口下方100 cm 的土层含水率超过12.4%，该层含水率较灌溉前土壤含水率（8.4%）增长近47.6%，湿润体呈现出下移的趋势，发深层渗漏，当湿润体下移超过根系主要分布区域时，可能不利于根系吸水。这是由于滴灌灌水较集中，而砂性土壤保水能力差，大量灌溉水尚未被枸杞吸收利用就渗漏损失了。

微孔陶瓷根灌由于灌水器埋放于地下30 cm 距作物根系一端20 cm 处，灌溉水从灌水器向周围土壤扩散，当灌水器外部土壤含水率上升，内外水势差降低，出流减少，反之灌水器则会向田间土壤自动补水，使得灌水器附近区域（20～40 cm 区间） 的土壤含水率均稳定维持在田持的75%以上，随着距灌水器距离增大，土壤含水率逐渐减小，同时微孔陶瓷根灌处理下80 cm、100 cm 土层的土壤含水率接近未灌水时的状态，深层渗漏现象较少。由于微孔陶瓷根灌处理的湿润体持续分布在枸杞根系的密集区域，水分利用效率较高。

2.2 土壤含氮量变化特征

图3 为枸杞果实采收后，不同处理土壤硝态氮（NO3-N）分布情况，在相同施氮量（100%），不同施肥方式下，滴灌同一深度土层的土壤硝态氮含量随着与树干距离的增加而增长T4＞T3＞T2＞T1，随着土层深度的增加呈先增大再减小的趋势，并在50～60 cm 土层出现峰值，这是由于灌溉水在扩散过程中，湿润体边界上的土壤含水率随扩散距离的增加而降低，硝态氮浓度则随土壤含水率的降低而上升，水分的运移能力下降，硝态氮逐渐析出积聚于湿润体边界，处于湿润体边缘的50～60 cm 土层，其硝态氮含量最大，而深层土壤由于水分下渗较少，运移过去硝态氮的减少，故深层的硝态氮含量最低。微孔陶瓷根灌灌水，穴施施肥（AF）和微孔陶瓷根灌水肥一体化（F1）处理由于施氮量与CK 相同，土壤硝态氮含量分布遵循上述规律，施肥方式对硝态氮分布无明显影响。

在相同施肥方式不同施氮量下，以初始土壤硝态氮含量为基准线，可以看出采收期后的土壤硝态氮含量随着施氮量的降低明显下降（F1＞F2＞F3），同时中氮（F2）和低氮（F3） 处理下的硝态氮分布规律与高氮（F1） 处理有明显差别，同一土层硝态氮含量分布更均匀的同时峰值所在土层也较高氮处理土层加深20 cm，这是由于施氮量的降低使得氮肥浓度下降，氮肥析出边界直径增大，氮肥积聚的深度得到增加。

2.3 产量、氮肥利用效率

各处理产量及氮肥利用效率结果如图4所示，在相同施肥量不同施肥方式下的产量表现为微孔陶瓷根灌灌水，穴施施肥（AF）＞微孔陶瓷根灌水肥一体化（F1）＞滴灌处理（CK）且差异达到显著水平（P＜0.05），其中AF 处理较CK 处理增产20.3%，F1 处理较CK 处理增产10.9%，在相同施肥量下微孔陶瓷根灌处理由于持续小流量出流的供水特性，提供相对稳定的土壤含水率和足量的运移介质，有利于提高枸杞产量，但F1 处理可能是由于灌水器施用复合肥堵塞导致施入土壤肥量减少[12]，从而小于AF 处理产量；相同施肥方式不同施氮量下的产量表现为高氮（F1）＞中氮（F2）＞低氮（F3）（P＜0.05），F2 和F3 处理产量分别为F1 处理的87.7%和79.7%，相同施肥方式不同施氮量下的产量随施氮量减少而下降。

氮肥利用效率（PNP）可反应当地土壤基础养分和氮肥施用量的综合效应，由式（1）可知相同施氮量不同施肥方式下的PNP 与产量规律相同，微孔陶瓷根灌措施下的PNP 均高于CK 处理，使用微孔陶瓷根灌措施灌水施肥可提高PNP；相同施肥方式不同施氮量下PNP 表现为F3＞F2＞F1（P＜0.05），PNP 随着施氮量得减少而增长，推测是微孔陶瓷根灌措施持续湿润土壤的效果近似于CK 处理增大灌水量来维持土壤含水率，但水肥耦合存在阈值反应，高于阈值时，增产作用减小[20]，在番茄等其他作物的水氮实验中也存在高水平灌水时降低施肥能够提高肥料利用效率的现象[21]，这与本研究结论基本一致。

3 结 论

（1）微孔陶瓷根灌措施下的湿润体持续稳定的分布于枸杞根系的高密度区，降低渗漏损失的同时有利于根系吸水。

（2）在微孔陶瓷根灌措施下进行减氮处理会引起土壤硝态氮含量的降低，但可使土壤硝态氮量分布更均匀。

（3）在施氮量相同情况下，微孔陶瓷根灌穴施施肥和微孔陶瓷根灌水肥一体化处理分别较地表滴灌处理增产20.3%、10.9%；微孔陶瓷根灌水肥一体化进行减氮处理时，中氮和低氮处理的产量分别为高氮处理产量的87.7%和79.7%。因此，枸杞微孔陶瓷根灌时，建议采用穴施施肥方式，施氮量为390 kg/hm2，这样有利于枸杞获得较高的产量。