發(fā)布時間：2022-01-19所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 水資源短缺和土壤環(huán)境污染嚴(yán)重是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的瓶頸, 迫使農(nóng)民開發(fā)和采用可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。水分運(yùn)動機(jī)理和氮肥殘留行為是評價干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)水肥管理水平的依據(jù), 提高水氮利用效率是降低環(huán)境污染這一重要科學(xué)問題的重要途徑。本研究采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)
摘 要: 水資源短缺和土壤環(huán)境污染嚴(yán)重是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的瓶頸, 迫使農(nóng)民開發(fā)和采用可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。水分運(yùn)動機(jī)理和氮肥殘留行為是評價干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)水肥管理水平的依據(jù), 提高水氮利用效率是降低環(huán)境污染這一重要科學(xué)問題的重要途徑。本研究采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì), 以灌溉量為主區(qū), 設(shè) 2250 (低灌溉量, W1)、3450 (傳統(tǒng)灌溉量, W2)和 4650 m3 hm–2 (高灌溉量, W3) 3 個灌溉量; 設(shè) 0 (空白, N1)、300 (傳統(tǒng)施肥量, N2)和 600 kg hm–2 (高施氮量, N3) 3 個純氮投入量, 在干旱的中國西北內(nèi)陸棉區(qū)開展 2 年的田間試驗(yàn), 評估灌溉和施氮策略對水氮運(yùn)移、籽棉產(chǎn)量、水氮生產(chǎn)效率的影響。結(jié)果表明, 灌溉量及水氮耦合效應(yīng)是影響籽棉產(chǎn)量及灌溉水生產(chǎn)力的影響因素, 其中灌溉量是主效應(yīng)。2 年均值表明, 灌溉量為 W1 時, 施肥量由 N1 增加至 N3, 生育期 0~80 cm 平均土壤含水量呈先顯著上升后顯著下降的趨勢, N2 和 N3 處理較 N1 處理籽棉產(chǎn)量分別提高 13.8%和 7.6%, 水分利用效率分別提高 13.6%和 6.8%; 灌溉量為 W2 和 W3 時, 施肥量由 N1 增加至 N3, 生育期 0~80 cm 土層平均含水量無顯著差異。N2 和 N3 處理較 N1 處理籽棉產(chǎn)量分別提高 11.6%和 12.4%, 水分利用效率分別提高 11.4%和 11.5%; 隨著灌溉量的增加, 0~80 cm 土層全生育期含水率總平均值逐漸增大。灌溉量是影響硝態(tài)氮在 0~40 cm 土層積累的主導(dǎo)因素, 而水氮耦合效應(yīng)是導(dǎo)致硝態(tài)氮向下淋溶的主效應(yīng)。W1 灌溉量下, 隨著施氮量的增加, 硝態(tài)氮在 0~40 cm 土層大量積累, 而 W3 灌溉量下, 隨著施氮量的增加, 40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量逐漸增加。總的來說, 灌溉量高于 3450 m3 hm–2、施肥高于 300 kg hm–2后繼續(xù)增加水氮投入未能額外增產(chǎn), 反而可能造成資源浪費(fèi)和對環(huán)境的潛在污染。因此我們建議, 通過水氮優(yōu)化策略提高資源利用效率, 降低環(huán)境污染, 促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
關(guān)鍵詞: 機(jī)采棉; 水氮耦合; 產(chǎn)量; 水分運(yùn)移; 硝態(tài)氮
水分虧缺和土壤貧瘠是干旱半干旱地區(qū)作物生產(chǎn)面臨的實(shí)際田間生境[1], 近年來, 為了獲得較高的產(chǎn)量, 水肥的投入發(fā)揮了重要作用[2], 但農(nóng)業(yè)水肥資源投入量大而利用效率低, 這不僅會加大水資源的浪費(fèi)[3]及肥料等物化成本[4], 還會引發(fā)土壤酸化[5]、次生鹽堿化[6]或板結(jié)[7]等一系列環(huán)境問題, 因此有必要優(yōu)化水肥資源的投入來確保干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。
灌溉量[9]和施氮量[10]是影響作物產(chǎn)量的重要因素。例如, 灌溉定額較低時土壤水分均勻性降低, 深層水分消耗增加。胡曉棠等[11]研究表明, 灌溉后土壤含水量低于田間持水量 60%時, 0~60 cm 土壤含水量維持在 8.0%~22.0%, 含水量波動幅度較大, 深層土壤含水量最低, 不能維持作物生長耗水。干旱脅迫顯著降低了根系的表面積和根長密度[12], 降低根系對水分和養(yǎng)分的吸收能力, 阻斷物質(zhì)傳輸, 進(jìn)而阻礙發(fā)育, 降低作物產(chǎn)量。Wang 等[13]的研究結(jié)果表明, 虧缺灌溉條件下, 雖然土壤通透性較高, 但干旱脅迫導(dǎo)致根系吸收及同化養(yǎng)分的能力下降。而 Cabangon 等[14]的研究也證明在干旱條件下, 未能充分利用的氮肥反而會造成根部水分脅迫加重, 根長密度顯著降低。適度的水分虧缺可以通過限制營養(yǎng)生長和氣孔開放、改變生長階段、減少蒸騰和維持光合作用來維持作物產(chǎn)量和提高灌溉用水效率[15]。石洪亮等[16]開展了花鈴期不同水氮調(diào)控對棉花光合特性的研究后發(fā)現(xiàn), 輕度干旱條件下花鈴期光合產(chǎn)物向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)補(bǔ)償效應(yīng)顯著, 凈光合速率和蒸騰速率減低但灌溉水效率顯著提高, 最終產(chǎn)量僅較充分灌溉下降。
氮素是調(diào)控作物生長、群體發(fā)育、提高水分利用效率的重要營養(yǎng)元素[17], 土壤中氮素缺乏是導(dǎo)致作物在干旱環(huán)境中生產(chǎn)能力低下的主要因素。施氮不僅影響甜瓜對氮素的吸收和利用[18], 而且影響硝態(tài)氮在土壤剖面的分布[19]。有關(guān)研究表明, 農(nóng)田中氮肥投入不足時, 作物營養(yǎng)生長會消耗較多的光合產(chǎn)物和水分, 從而導(dǎo)致生殖生長不足, 嚴(yán)重影響產(chǎn)量的形成和水分利用效率的提升[22-21]。相反, 過量的氮肥投入會促進(jìn)植物過度生長, 延緩衰老, 極大的降低了氮肥的利用效率[22]。此外, 隨氮肥施入量的增加, 土壤中硝態(tài)氮含量和累積量呈增加趨勢, 且在向土壤深層淋溶情況加劇, 引發(fā)土壤的次生鹽漬化[23]。
近年來, 氮肥成本的增加和環(huán)境污染加劇促使人們更加重視氮肥的有效利用[24]。對水稻[25]、玉米[26]、小麥[27]等多種作物研究表明, 施肥量超過最佳用量后, 會使氮肥損失率增加, 土壤硝態(tài)氮含量呈上升趨勢[28]。滴灌條件下傳統(tǒng)灌溉量(3450 m3 hm–2)較大, 所用灌溉時間較長, 灌溉水因重力不斷下滲, 使肥料中氮素在施肥量尚低于最佳施肥量時發(fā)生硝態(tài)氮向下淋溶的現(xiàn)象[27], 而控制灌溉可提高不同施氮量下農(nóng)田土壤氮素的有效性, 降低氮素表觀損失量, 提高氮素利用效率, 減少硝態(tài)氮向 20~ 60 cm 土層淋溶, 張紹武等[29]研究表明, 施氮量對土壤氮素殘留的影響最大, 水分次之, 二者存在明顯的交互作用。而王曉英等[30]提出, 水氮互作效應(yīng)是決定硝態(tài)氮淋溶的主要原因, 且其中灌溉效應(yīng)大于施氮效應(yīng)。
綜上所述, 雖然水氮耦合效應(yīng)的研究已經(jīng)取得了極大的關(guān)注, 但水、氮對無機(jī)氮積累和淋溶二者如何相互調(diào)節(jié)的研究結(jié)果說法不一, 對干旱區(qū)機(jī)采棉田水分運(yùn)動機(jī)理和氮肥殘留行為鮮有報道, 且水分和營養(yǎng)虧缺是干旱和半干旱地區(qū)最常相伴的土壤環(huán)境。因此, 無論從宏觀還是微觀水平都必須將水分和營養(yǎng)條件結(jié)合起來去探索如何實(shí)現(xiàn)“以肥調(diào)水”和“以水促肥”, 進(jìn)而提高作物 WUE 和肥料利用效率, 節(jié)約資源, 減少化肥污染, 方可用來指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。因此, 本研究結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔仁┓柿? 設(shè)置不同灌溉和施肥梯度, 研究水氮耦合效應(yīng)對機(jī)采棉種植模式下籽棉產(chǎn)量和棉田土壤水分運(yùn)移及氮素積累與淋溶的影響, 以期為干旱地區(qū)水氮資源的高效利用提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)區(qū)概況
試驗(yàn)于 2018—2019 年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院阿瓦提棉花綜合試驗(yàn)站進(jìn)行, 試驗(yàn)區(qū)位于塔里木盆地西北沿(40°06'N, 80°44'E, 海拔 1025 m), 所屬地理位置屬于溫暖帶大陸性干旱氣候。年均日照 2679 h, ≥10℃年積溫 3987.7 , ℃ 無霜期 211 d, 年平均降水量 46.4 mm, 蒸發(fā)量 1890.7 mm, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于灌溉。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深>5 m, 地下水無法補(bǔ)給到作物根系分布層, 向上補(bǔ)給量可忽略不計(jì); 土壤類型為灌淤土, 母質(zhì)為沖積物, 質(zhì)地為沙壤土, 容重 1.45 g cm–3, 土壤 pH 8.2, 田間持水量 28.9%。2 年試驗(yàn)區(qū)地理位置完全一致, 試驗(yàn)用地播前 0~ 100 cm 土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況見表 1。試驗(yàn)用地播前 0~ 100 cm 土層硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量見表 2。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì), 以灌溉量為主區(qū), 設(shè) 2250 (低灌溉定額)、3450 (傳統(tǒng)灌溉定額)和 4650 m3 hm–2 (高灌溉定額)3 個處理, 以 W1、W2 和 W3 表示; 以氮肥施用量(以純氮表示)為副區(qū), 設(shè) 0 (空白)、300 (傳統(tǒng)氮肥投入量)和 600 kg hm–2 (高施氮量) 3 個處理, 以 N1、N2 和 N3 表示, 共 9 個處理, 每個處理重復(fù) 3 次, 共 27 個試驗(yàn)小區(qū)。小區(qū)長 6.5 m, 寬 6.9 m, 面積 44.85 m2 , 各小區(qū)由 3 個播幅組成。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O5 53.8%, N 21.2%) 450 kg hm–2, 硫酸鉀 (K2O 51%) 225 kg hm–2, 尿素 300 kg hm–2 (N 46.4%)。
供試品種為新陸中 88 號, 由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供。采用“1 膜 2 管 6 行”機(jī)采棉種植模式, 普通聚乙烯地膜覆蓋, 膜寬 2.05 m, 厚度 0.01 mm, 地表覆蓋度約為 80%。株行配置[(10+66+ 10)+66]11 cm, 理論種植密度 22.5 萬株 hm–2。滴灌帶間距 76 cm, 滴頭間距 25 cm, 滴頭流量 2.1 L h–1, 各小區(qū)安裝水表和開關(guān), 單獨(dú)控水。6 月中旬開始灌溉, 8 月中旬結(jié)束灌溉, 采用“一水一肥” 方式追施尿素, 灌溉定額為灌溉總額的 1/10, 其他管理方式同大田。
1.3 相關(guān)指標(biāo)的測定和計(jì)算
1.3.1 生物產(chǎn)量 棉花收獲期每小區(qū)各重復(fù)分別選取具有代表性的 3 株棉花, 105℃殺青 60 min, 85℃ 烘干至恒重并記錄其重量, 取樣后對小區(qū)內(nèi)取樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記, 在后續(xù)產(chǎn)量測定時避開該取樣點(diǎn)。
1.3.2 產(chǎn)量的測定 于棉花收獲期在各小區(qū)隨機(jī)挑選 6 個 2.27 m×2.93 m 大小的樣方, 記錄其株數(shù)和結(jié)鈴數(shù)。測定后在各小區(qū)分上中下部分各取 50 朵棉花, 曬至恒重后測定單鈴質(zhì)量計(jì)算籽棉產(chǎn)量。
1.3.3 土壤體積水分含量的測定 于苗期、蕾期、開花期、盛鈴期、吐絮期, 利用時域反射儀(Time Domain Reflectometry, 簡稱 TDR, TRIME-PICO 64, IMKO Inc., Germany)金屬探針測定土壤介電常數(shù)并換算成土壤體積含水量, 寬行水平測定位點(diǎn)距滴灌 5 cm, 窄行水平測定位點(diǎn)位于窄行中間。各點(diǎn)每 10 cm 為 1 層, 每層測定 3 次, 測深 80 cm, 數(shù)據(jù)處理時將寬行與窄行位點(diǎn)進(jìn)行平均后分析繪圖。測定位點(diǎn)示意圖見圖 1。
1.3.4 土壤樣品的采集及氮素測定 播種前及棉花開花期、盛鈴期、吐絮期, 采用直徑 10 cm 土鉆, 各小區(qū)每 10 cm 一層取樣, 取樣深度 60 cm, 取樣后立刻稱取 10 g 土樣, 烘干后計(jì)算土壤質(zhì)量含水量及含水率。剩余土樣采用 CaCl2 浸提法制作提取液, 使用靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮含量、紫外分光光度計(jì)法測定硝態(tài)氮的含量[31]。
1.3.5 相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算方法 氮肥生產(chǎn)效率(kg kg–1 N–1)=(施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量)/施肥量;灌溉水分利用效率(kg m–3)=籽棉產(chǎn)量/灌溉量[32]。
1.4 數(shù)據(jù)分析
采用 Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和整理, 利用 DPS Version 7.05 (Data Processing System Software, Inc. CHN)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性分析及回歸方程的模擬, 采用最小顯著性差異 LSD 法進(jìn)行顯著性測驗(yàn), 不同字母表示為二者間差異顯著 (P<0.05), 采用 SigmaPlot Version 12.5 (Systat Software, Inc. USA)軟件對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同灌溉施肥組合對棉花產(chǎn)量及水、氮生產(chǎn)效率的影響
灌溉量對籽棉產(chǎn)量和灌溉水利用效率有極顯著影響(P<0.01), 對生物產(chǎn)量和氮肥生產(chǎn)效率有顯著影響(P<0.05); 施肥量對氮肥生產(chǎn)效率有極顯著影響(P<0.01), 對籽棉產(chǎn)量和灌溉水利用效率有顯著影響(P<0.05); 二者交互作用對生物產(chǎn)量有極顯著影響(P<0.01), 對籽棉產(chǎn)量、灌溉水利用效率和氮肥生產(chǎn)效率有顯著影響(P<0.05) (表 3)。
隨著灌溉量和施肥量的增加, 生物產(chǎn)量和籽棉產(chǎn)量顯著提高, 但灌溉水利用效率隨灌溉量的增加顯著降低, 氮肥生產(chǎn)效率隨施肥量的增加顯著降低。2 年均值表明, 提高灌溉量可顯著增加生物產(chǎn)量, 當(dāng)灌溉量不足時, 植株生物產(chǎn)量隨施肥量的增加呈先增加后降低趨勢; 在灌溉量充足時, 生物產(chǎn)量隨施肥量的增加呈增加趨勢。在施肥量相同時, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 生物產(chǎn)量分別顯著增加 57.8%、41.0%和 71.8%。W1 灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N2 生物產(chǎn)量顯著增加 41.4%。相同灌溉量條件下, N2 和 N3 施肥量下籽棉產(chǎn)量無顯著差異但均顯著高于 N1 處理; 在同一施肥量條件下, 籽棉產(chǎn)量隨灌溉量的增加而增加, 與 W1 處理相比, W3 處理籽棉產(chǎn)量分別顯著提高了 22.3%、22.1%和 27.7%。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 籽棉產(chǎn)量分別顯著提高 11.6%和 12.4%。
灌溉水利用效率隨灌溉量增加顯著降低, 隨施肥量的增加顯著提高。相同施肥量下, 灌溉量從 W1 增加到 W3 灌溉水利用效率分別顯著降低 40.9%、 40.0%和 38.3%。W1 灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N2 灌溉水利用效率顯著增加 13.6%。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N3 灌溉水利用效率顯著增加 11.4%和 11.5%; 氮肥生產(chǎn)效率隨灌溉量的增加顯著提高, 隨施肥量的增加顯著降低。相同施肥量下, 灌溉量從 W1 增加到 W3 氮肥生產(chǎn)效率顯著提高 28.6%和 86.7%。相同灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N3 氮肥生產(chǎn)效率顯著降低 64.3%、25.0%和 48.1%。
2.2 不同灌溉施肥組合下全生育期平均體積含水率差異
灌溉量與施肥量對全生育期 0~80 cm 土層平均體積含水率的影響如表 4 所示, 2 年規(guī)律基本一致。均值表明, 在相同施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 0~80 cm 土層平均體積含水率分別顯著增加 20.4%、 14.3%和 22.0%。W1 灌溉量下, N2 處理 0~80 cm 土層平均體積含水率比 N3 施肥量顯著高 5.6%。W2 和 W3 灌溉量下各施肥處理差異不顯著。
從各層土壤體積含水率上看, 灌溉量對各層土壤體積含水率均有極顯著影響(P<0.01), 施肥量及耦合效應(yīng)對各層土壤體積含水率的影響分別體現(xiàn)在 0~30 cm 和 0~40 cm 土層(P<0.05)。0~10 cm 土層, 相同施肥量下灌溉量由 W1增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 27.9%、11.1%和 28.0%。灌溉量相同時不同施肥量下土壤體積含水率無顯著差異; 10~20 cm 土層, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 30.6%、 12.4%和 36.4%; 20~30 cm 土層, 僅 N3 施肥量下, 灌溉量由 W1 增加到 W3 土壤體積含水率顯著增加 31.3%。W1 灌溉量下, N2 處理分別比 N1 和 N3 處理顯著高 13.9%和 14.8%。W2 灌溉量下各處理無顯著差異。W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3 土壤體積含水率顯著增加 13.2%; 30~40 cm 土層, N2 和 N3 施肥量下, 灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 8.7%和 34.4%。W1 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤體積含水率顯著降低 17.1%。W2 和 W3 灌溉量下不同施肥量土壤含水率無顯著差異; 40~60 cm 土層各處理土壤體積含水率均無顯著差異; 60~70 cm土層, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 27.3%、25.9%和 17.3%。不同灌溉量下各處理土壤體積含水率均無顯著差異; 70~80 cm 土層, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 37.5%、25.8%和 33.6%。 W1 灌溉量下各處理無顯著差異。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤體積含水率分別顯著降低 7.0%和 7.9%。
2.3 不同灌溉施肥組合 0~80 cm 土層土壤體積含水率的時空變化
不同灌溉量與施肥量下 0~80 cm 土層土壤體積含水率的時空變化如圖 2 所示。灌溉量對土壤體積含水率的影響主要體現(xiàn)在空間變化方面, 對 0~ 20 cm 和 60~80 cm 土層的影響尤為明顯; 施肥量對土壤體積含水率的影響主要體現(xiàn)在時間變化方面, 低施肥量會導(dǎo)致生育后期土壤水分向深層移動。
在施肥量一定的條件下, 增加灌溉量可有效提高全生育期內(nèi)土壤體積含水率, 而不同灌溉量一定的條件下, 增施氮肥后土壤體積含水率的變化影響不一致, 且對 0~60 cm 土層影響較為明顯。相同施肥量下, W1 灌溉量 0~20 cm 土層表現(xiàn)出嚴(yán)重干旱的狀態(tài), 隨著灌溉量的增加, 干旱狀況得到緩解。W3 灌溉量下 60~80 cm 土層土壤體積含水率顯著高于 W1 和 W2 處理。從各處理不同生育時期土壤體積含水率變化情況上看, 灌溉量對蕾期至盛鈴期土壤含水率影響較大。W1 灌溉量下, 蕾期至吐絮期土壤體積含水率均低于 W2和 W3灌溉量。W2灌溉量下, 開花期至盛鈴期 3 個施肥量下土壤體積含水率較 W3 灌溉量均有不同程度下降, 至吐絮期 W2 和 W3 兩種灌溉量下土壤體積含水率無顯著差異。W3 灌溉量下僅在蕾期表現(xiàn)出輕度干旱狀況, 開花期后隨著充足的水分投入, 干旱狀況得到緩解; W1 灌溉量下, 隨著施肥量的由 N1 增加至 N3, 土壤含水率呈“低—高 —低”的變化趨勢。W2 灌溉量下, 0~20 cm 和 60~80 cm 土層土壤體積含水率隨施肥量的增加而降低, 20~60 cm 土層無顯著差異。W3 灌溉量下, 0~ 60 cm 土層土壤體積含水率隨施肥量的增加而增加, 60~80 cm 土層內(nèi)隨施肥量的升高而降低。從各處理不同生育時期土壤體積含水率變化情況上看, 施肥量對開花期至吐絮期土壤含水率的影響較為顯著, 這種變化隨灌溉量的增加不斷加劇。
2.4 不同灌溉施肥組合下土壤無機(jī)氮含量
開花期至吐絮期不同灌溉施肥組合下土壤無機(jī)氮總量如表 4 所示, 不同年份間所示規(guī)律相近, 2 年均值表明, 在施肥量相同時, 增加灌溉量可降低土壤無機(jī)氮含量, 而在灌溉量一定時, 土壤無機(jī)氮含量隨施肥量增加而增加。至吐絮期, 各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3, 土壤無機(jī)氮含量分別顯著降低 12.4%、27.4%和 10.0%。3 種灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤無機(jī)氮含量分別顯著增加 33.4%、40.3%和 37.0%。
從無機(jī)氮成分上看, 硝態(tài)氮為影響土壤無機(jī)氮含量的主要因素, 其各生育期變化規(guī)律與無機(jī)氮總量變化趨勢相近, 即提高灌溉量可顯著降低土壤硝態(tài)氮含量, 提高施肥量會顯著增加土壤硝態(tài)氮含量。而銨態(tài)氮隨灌溉量的增加呈下降趨勢, 施肥量對土壤銨態(tài)氮含量無顯著影響。吐絮期各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3, 土壤硝態(tài)氮含量分別顯著降低 13.8%、30.9%和 12.5%; 3 種灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤硝態(tài)氮含量分別顯著增加 34.4%、48.3%和 36.3%。
2.5 不同灌溉施肥組合下土壤硝態(tài)氮運(yùn)移狀況
不同灌溉施肥組合下開花期至吐絮期土壤硝態(tài)氮的運(yùn)移狀況如圖 4 和圖 5 所示。2 年內(nèi)所示規(guī)律相近, 隨生育時期的推進(jìn), 土壤硝態(tài)氮含量呈下降趨勢, 在施肥量一定的條件下增加灌溉量可顯著降低 0~40 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量, 而灌溉量一定的條件下增加施肥量會顯著增加 40~60 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量。開花期, 土壤硝態(tài)氮主要集中在 0~30 cm 土層。其中 W1 灌溉量下各施肥處理土壤硝態(tài)氮含量無顯著差異。W2 和 W3 灌溉量下, N2 和 N3 處理均高于 N1 處理; 盛鈴期, 各層土壤硝態(tài)氮分布較為均勻。在施肥量相同時增加灌溉量, 土壤硝態(tài)氮含量顯著下降。在灌溉量相同時, 增加施肥量會使土壤硝態(tài)氮含量增加, 且灌溉量越低土壤硝態(tài)氮含量增加幅度越大; 吐絮期, 在施肥量相同時, 增加灌溉量會使 0~40 cm 土層硝態(tài)氮含量顯著降低, 40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量顯著增加。在灌溉量相同時, W1灌溉量下 0~40 cm土層硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加顯著增加, 對 40~60 cm 土層無顯著影響。W2 灌溉量下土壤硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而增加, 且 2018 年對 40~60 cm 土層增加尤為明顯。W3 灌溉量下, 40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而增加, 0~40 cm 土層隨施肥量的增加變化不顯著。
將灌溉量(W)、施肥量(N)與吐絮期 0~40 cm 土層 NO3 -N 累積量(Y0-40)進(jìn)行回歸分析, 獲得回歸方程: Y0-40=190.73+0.0016W2 0.0053N2 0.86W+2.34N+0.0 0027WN (R2 =0.96), 其中灌溉量的二次項(xiàng) (P= 0.0459<0.05, t=0.6380)及一次項(xiàng)(P=0.0353<0.05, t= 0.6851)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明灌溉量是影響根區(qū)土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅康闹鲗?dǎo)因素。
將灌溉量(W)、施肥量(N)與吐絮期 40~60 cm 土層 NO3 -N 累積量(Y40-60)進(jìn)行回歸分析, 獲得回歸方程: Y40-60=34.790.00049W2 +0.020N2 +0.15W+1.53N+0.00 54WN (R2 =0.92), 其中灌溉量與施肥量的交互項(xiàng)(P= 0.0076<0.01, t=0.7660), 施肥量的二次項(xiàng)(P=0.0372< 0.05, t= 0.7155)及一次項(xiàng)(P=0.0187<0.05, t=0.6204) 達(dá)到顯著水平。說明灌溉量和施肥量的耦合效應(yīng)是造成硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的主效應(yīng), 施肥量次之。
3 討論
3.1 不同灌溉施肥組合對棉花產(chǎn)量及水氮利用的影響
合理的水肥施用是使兩者產(chǎn)生正效應(yīng)的關(guān)鍵, 二者相互協(xié)調(diào)達(dá)到“以水調(diào)肥, 以肥促水”的互補(bǔ)效果, 表現(xiàn)出水分和養(yǎng)分兩因子對增產(chǎn)作用的疊加效果即耦合效應(yīng)。水分具有顯著的調(diào)肥作用, 提高灌溉量可提高肥料的利用效率, 樊小林等[33]研究不同水分條件下冬小麥氮素利用發(fā)現(xiàn), 小麥籽粒和地上部干物質(zhì)的氮素吸收量與其相應(yīng)產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān), 干旱脅迫使小麥的氮素利用率下降。灌溉量同樣影響著水分利用效率, 降低灌溉量可有效提高灌溉水利用效率。施肥同樣具有明顯的調(diào)水作用, 孫文濤等[34] 在對耦合效應(yīng)的研究中指出, 合理施肥提高了水分利用效率, 從而促進(jìn)增產(chǎn)。本研究結(jié)果與前人不完全一致, 即在水氮充足的條件下二者均有增產(chǎn)作用, 但在水氮施入不均時, 單一因素的過量施入反而會起到抑制作用。其中以 W1N3 最為明顯, 分析其原因可能是該組合下極低的灌溉量不能使氮肥被完全吸收, 根區(qū)土壤也未超過最大田間持水量, 未吸收氮肥在根區(qū)土層殘留, 土壤長期保持氮肥過量的情況進(jìn)而抑制根系生長, 連年的低水高氮施入還可能造成土壤次生鹽堿化的發(fā)生, 造成土壤環(huán)境惡化。
3.2 不同灌溉施肥組合對棉田土壤水分運(yùn)移的影響
關(guān)于水氮耦合效應(yīng)對水分動態(tài)變化有學(xué)者根據(jù)棉田土壤水分程度將棉花生育期分為 3 個時期, 即土壤水分穩(wěn)定期(4 月中旬至 7 月中旬)、土壤水分劇烈變化期(7 月中旬至 8 月底)和緩慢消耗期(8 月底至 10 月底) [35]。本試驗(yàn)條件下棉田土壤水分的時空動態(tài)變化表現(xiàn)出相近的規(guī)律, 即播種后至開花期前, 土壤水分變化浮動較小, 6 月下旬開始灌溉后土壤含水量略有上升。但進(jìn)入花期后棉花需水量迅速增加, 棉田土壤水分被快速消耗, 這一規(guī)律在 0~60 cm 土層尤為明顯。盛鈴期至吐絮期, 土壤水分變化幅度減輕但仍呈下降趨勢。從不同灌溉量對土壤含水量的影響上看, W1 灌溉量下花期至吐絮期 0~60 cm 土壤含水量均未高于 20%, 難以供給棉株需水高峰期的正常生長, 易造成大幅減產(chǎn), 產(chǎn)量的測定也證實(shí)了上述推論。而在高灌溉量下, 緩慢消耗期土壤含水量明顯高于其他處理, 但產(chǎn)量與 W2 灌溉量下無顯著差異, 從節(jié)水灌溉的角度上看, 額外的水分投入未能顯著提高產(chǎn)量, 超額的灌溉水不僅形成了無消耗水, 反而降低了灌溉水利用效率。施肥量加劇了土壤水分在 0~60 cm 土層的消耗, 且在嚴(yán)重水分虧缺條件下對產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。筆者認(rèn)為, 尤其是在干旱農(nóng)業(yè)區(qū)可以考慮減少生育后期灌溉量, 在缺水年份優(yōu)先保證花期水分供應(yīng)減少緩慢消耗期的灌溉量, 同時合理的氮肥減施可以優(yōu)化土壤水分分布, 但亦有研究表明生育后期停水過早會造成葉片早衰影響產(chǎn)量[36], 因此生育期內(nèi)灌溉分配方式還需進(jìn)一步探究。
3.3 不同灌溉施肥組合對棉田土壤氮素遷移的影響
旱地土壤中氮素以硝態(tài)氮形態(tài)存在居多, 銨態(tài)氮形態(tài)存在較少。而硝態(tài)氮是土壤中極為活躍的營養(yǎng)成分。大量的單因素試驗(yàn)表明隨著施氮量增加土壤硝態(tài)氮積累量增加。而灌溉量對硝態(tài)氮淋溶的影響結(jié)論不盡相同, 有學(xué)者認(rèn)為隨著灌溉量及降雨量的增多, 硝態(tài)氮淋溶情況加劇[37]。亦有學(xué)者認(rèn)為, 土壤物理性質(zhì)決定著水分的入滲速度, 灌溉強(qiáng)度與土壤入滲速度的相互關(guān)系共同決定了硝態(tài)氮的淋溶[38]。本試驗(yàn)中土壤硝態(tài)氮積累量回歸方程顯示, 灌溉量主要影響著根系主要分布區(qū)硝態(tài)氮的積累, 而水氮耦合效應(yīng)主要影響著硝態(tài)氮的向深層土壤淋溶。從不同時期土壤硝態(tài)氮時空變化情況上看, 3450 m3 hm–2 和 4650 m3 hm–2 灌溉量下 0~40 cm 土層硝態(tài)氮含量逐漸降低, 40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量逐漸增加, 分析其原因一方面可能為增加施肥量提高了 0~ 60 cm 全土層的硝態(tài)氮含量, 但在生殖生長過程中充足的水分促進(jìn)根系對氮肥的吸收利用, 0~40 cm 土層內(nèi)氮素被大量消耗; 另一方面也可能是在土壤水分過量條件下, 硝態(tài)氮主要以硝酸根離子存在于土壤溶液中, 隨著重力水向下移動。但 2250 m3 hm–2 灌溉量下, 至吐絮期硝態(tài)氮仍大量分布在 0~40 cm 土層, 分析其原因可能是該灌溉量下土壤濕度低, 土壤中硝態(tài)氮主要以固體硝酸鹽形態(tài)存在, 難以被棉株利用和在土壤中移動。因此減少氮肥施用以及合理控制灌溉量是有效降低土壤硝態(tài)氮積累的有效途徑, 而不同灌溉量下氮素去向仍需用同位素標(biāo)記法進(jìn)行進(jìn)一步探究。
4 結(jié)論
本研究主要針對西北內(nèi)陸干旱地區(qū)水資源短缺及氮肥投入過量等問題, 綜合當(dāng)前一膜六行機(jī)采棉生產(chǎn)特點(diǎn), 以優(yōu)化水肥策略提高水氮利用率為目標(biāo), 在降低水肥資源投入的同時保證產(chǎn)量穩(wěn)定, 主要結(jié)論如下: (1) 提高灌溉量可增產(chǎn) 11.6%~12.4%, 但在低灌溉量下, 施肥量超過 300 kg hm–2 后會使產(chǎn)量下降 21.2%。(2) 低灌溉量下, 施肥量為 600 kg hm–2 時會造成嚴(yán)重的干旱脅迫。高灌溉量下增施氮肥可提高根區(qū)土壤含水率, 進(jìn)而減輕水分的下滲, 提高水分利用。(3) 提高灌溉量可降低土壤無機(jī)氮總量, 但在灌溉量高于 3450 m3 hm–2 時會導(dǎo)致無機(jī)氮隨水向深層土壤移動。而灌溉不足則會導(dǎo)致無機(jī)氮在 0~40 cm 土壤大量積累, 易導(dǎo)致土壤次生鹽堿化加劇。因此, 考慮到西北內(nèi)陸機(jī)采棉區(qū)水資源嚴(yán)重緊缺和土壤氮素殘留等問題, 灌溉量應(yīng)不高于 3450 m3 hm–2、施肥量不高于 300 kg hm–2, 既可在保證產(chǎn)量的同時, 達(dá)到節(jié)水減氮的作用, 實(shí)現(xiàn)簡化節(jié)本增效, 促進(jìn)機(jī)采種植的可持續(xù)發(fā)展。——論文作者： 爾 晨 1 林 濤 2,3,4 夏 文 1 張 昊 1 徐高羽 1 湯秋香 1,*
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