汪 然，萬書勤，康躍虎，劉士平，張 洋

(1.中國科學院地理科學與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101； 2.中國科學院大學，北京 100049；3.青海省農林科學院土壤肥料研究所，西寧 810016

0 引 言

油菜是青海省特色資源之一，油菜生產已成為當地農業(yè)增效、農牧民增收的主要渠道之一[1]。但是近年來青海地區(qū)氣溫的不斷升高，加重了油菜生育期內的旱情，致使油菜種植的風險提高[2]。滴灌技術可精確地控制灌溉時間、灌溉量、施肥時間和施肥量，提高水肥利用效率，達到高產高效的目標[3-5]。因此，采用滴灌技術進行油菜的水肥管理，可顯著增強油菜生產的抗風險能力，但目前該方面的研究在青海省尚少。

另外，在干旱半干旱區(qū)，尤其是在利用咸水/微咸水灌溉時，滴灌農田土壤中的鹽分、灌溉水和肥料帶入的鹽分，在灌水過程中會隨灌溉水向濕潤峰外圍遷移，如果這些鹽分得不到有效淋洗，就會在土壤中積累，造成土壤鹽漬化。青海屬高寒干旱地區(qū)，年均降雨量小，蒸發(fā)損失量大，因此在制定滴灌灌溉制度時，必須考慮鹽分淋洗水量，以避免土壤發(fā)生次生鹽漬化。

本文通過在青海省柴達木盆地開展滴灌水鹽調控施肥灌溉對油菜生長、產量及水肥利用等影響的田間試驗研究，以期為青海地區(qū)油菜的滴灌安全高效生產提供技術支持。

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年在青海省海西州烏蘭縣進行。該地區(qū)為典型大陸性高原氣候，以高寒干旱為總特征，年均氣溫3.8 ℃，年降水量在 100～200 mm之間，以6、7、8月降水最多，年蒸發(fā)量在2 070～2 440 mm之間。試驗區(qū)土壤類型為棕鈣土，0～0.2 m土層田間持水量為20.4%，0～0.4 m土層土壤平均容重為1.4 g/cm3，土壤堿解氮含量平均為103.0 mg/kg，速效磷含量平均為20.7 mg/kg，速效鉀含量平均為218.0 mg/kg，當地土壤基礎肥力較好，適宜作物生長。土壤全鹽含量為2.35 g/kg，pH為8.2，屬于輕度鹽漬土。灌溉水為地下水，化學類型為Cl-、Na+型，pH平均為8.4，灌溉水電導率平均為2.4 dS/m(礦化度平均為1.5 g/L)，為微咸水。

1.2 試驗設計

康躍虎發(fā)現滴頭正下方0.2 m深度土壤基質勢能很好地反映大部分作物根系分布層的土壤水分狀況，對于番茄、黃瓜、馬鈴薯和蘿卜等大部分經濟作物，只要該深度處的土壤基質勢控制在-25～-35 kPa范圍內，就能保證高產穩(wěn)產[6]。陳明、康躍虎等發(fā)現，華北半濕潤地區(qū)咸水滴灌條件下，控制滴頭正下方0.2 m處土壤基質勢不低于-20 kPa時，可有效地維持土壤中的鹽分平衡，不產生鹽分持續(xù)積累的問題[7,8]。賈俊姝等研究發(fā)現，在寧夏干旱區(qū)當滴頭正下方0.2 m深度土壤基質勢下限控制在-20 kPa以上時，距離滴頭水平0.5 m遠、0～1.2 m深度土體內土壤鹽分含量顯著降低，鹽分淋洗效果好[9]。王若水等指出在新疆干旱區(qū)滴灌棉田，當滴頭正下方0.2 m深度土壤基質勢降低到-20 kPa開始灌溉，0～0.8 m土體中的鹽分可以得到有效淋洗[10]?；谏鲜鲅芯砍晒?，本試驗采用負壓計控制土壤基質勢閾值來指導油菜的施肥灌溉，并且通過控制滴頭正下方0.2 m深度土壤基質勢下限在-20 kPa進行水鹽調控。

試驗以當地油菜(品種：青雜7號)的施肥量(N 182 kg/hm2、P2O5155 kg/hm2、K2O 38 kg/hm2)為對照(CK，100%)，設計5個滴灌施肥灌溉處理，施肥量分別為對照施肥量的10%、30%、50%，70%、90%。每個處理重復3次，共15個試驗小區(qū)。小區(qū)長6 m，寬6 m，小區(qū)面積36 m2。整個油菜試驗區(qū)共540 m2。

參考當地油菜的施肥模式，其中磷肥采用磷酸二銨(含氮18%磷46%)，全部作為底肥，將計算好的磷酸二銨(表1)均勻撒在土表后，淺耕與土混勻再播種。氮肥和鉀肥，分別用尿素和硫酸鉀，全部采用滴灌施肥灌溉進行追肥，假設每天進行施肥灌溉，整個生育期油菜施肥灌溉天數按平均80 d計算，往肥料罐中加入的肥料為尿素和硫酸鉀。油菜定苗后，開始施肥灌溉，每次灌溉前將計算好的尿素和硫酸鉀(表1)溶解在肥料罐中，隨水進行施肥。到油菜終花期以后不再進行施肥灌溉，以促進成熟。

表1 油菜不同滴灌施肥灌溉處理的施肥量 kg/hm2

1.3 農藝措施

每個試驗小區(qū)有10條滴灌帶，每條滴灌帶長6 m，兩條滴灌帶間距0.6 m。油菜播種在滴灌帶兩側，距離滴灌帶0.15 m遠，即為0.3 m+0.3 m+0.3 m 等行距播；油菜的株距為0.15 m，定苗密度為22.2萬株/hm2。

每個滴灌施肥灌溉處理(包括3個重復)由一個滴灌系統控制，包括球閥、水表、壓力表、閘閥、網式過濾器、壓差式施肥罐。滴灌帶滴頭間距0.3 m，0.1 MPa工作壓力下滴頭流量為2.7 L/h。每個滴灌系統控制的灌溉面積為108 m2。

油菜4月10日播種。5月19日80%油菜出苗后，進行第一次滴灌灌溉，灌水量為40 mm，第一次灌溉不施肥。油菜出苗-定苗期間根據種子周邊墑情，統一進行適時適量灌溉。6月10日油菜定苗，6月16日施肥灌溉處理開始，當土壤基質勢降低到-20 kPa時開始施肥灌溉，土壤基質勢升高到-15 kPa以上時停止灌溉，每次灌水量15 mm左右。

2 測定項目及方法

2.1 降雨與蒸發(fā)

在試驗區(qū)中心位置安裝雨量桶和直徑為0.2 m標準蒸發(fā)皿，測定降雨量和每天水面蒸發(fā)量。

2.2 土壤基質勢

每個處理在第二重復的中間行上滴頭正下方0.2 m深度埋設一支負壓計，來測定土壤基質勢。每天8∶30、14∶30觀測負壓計讀數，用來指導灌溉。

2.3 土壤鹽分與土壤有效速效養(yǎng)分

在滴灌施肥灌溉前(5月4日)、油菜開花期(7月21日)、油菜收獲后(9月18日，停止灌溉24天)用土鉆取土。取樣點垂直于滴灌帶，距離滴頭水平距離分別為0、0.1、0.2、0.3 m，共4個點位；取樣深度分別為0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1、1～1.2 m。土樣風干，碾細過 1 mm孔徑篩，裝入密閉自封袋備用。

土壤調制成飽和泥漿，然后離心(4 000 rpm，30 min)獲得提取液。土壤鹽分用于電導率儀( DDS-11A 中核儀表有限公司)測定土壤飽和提取液電導率(Electrical conductivity of saturated paste extract，ECe)表示。

植物吸收的養(yǎng)分主要是溶解在土壤溶液中的養(yǎng)分。當采用傳統化學提取方法提取土壤中養(yǎng)分時，會把土壤固相中固定的、對植物并非有效的養(yǎng)分提取出來。配制土壤飽和泥漿時，由于加入的水量與田間實際土壤水分狀況最為接近，因此測定土壤飽和泥漿提取液中的養(yǎng)分含量，更能夠反映土壤的真實養(yǎng)分狀況，反映植物能吸收利用的養(yǎng)分含量。基于此思想(已申請發(fā)明專利)，本研究測定土壤飽和泥漿提取液中的養(yǎng)分，其中硝態(tài)氮(mg/L)：紫外分光光度計(上海元析儀器有限公司)測定；銨態(tài)氮(mg/L)：紫外分光光度計(上海元析儀器有限公司)測定；速效磷和速效鉀(mg/L)：ICP-ASE法測定。

2.4 灌溉水利用效率

灌溉水利用效率[11]計算公式如下：

IWUE=Y/I

式中：Y為油菜產量，kg/hm2；I為灌水量，m3。

2.5 肥料偏生產力

肥料偏生產力[12-15](Partial factor productivity from applied fertilizer，PFP)計算公式如下：

PFP=Y/F

式中：Y為油菜產量，kg/hm2；F為所施肥料的養(yǎng)分量，即N+P2O5+K2O的養(yǎng)分量，kg/hm2。

2.6 數據處理及分析

實驗數據采用Excel 2010、Origin 8.6對數據進行處理和繪圖。由于取樣在垂直方向上間隔距離不一樣，在分析數據時采用加權平均值。加權平均值=Σ(樣品含量×取樣深度/分析深度)，文中平均值均指加權平均值。

3 結果分析

3.1 油菜生長季內蒸發(fā)、降雨及灌溉量

4月10日-9月5日油菜生長季的累積降雨量為88 mm，其中80%的雨量分布在7月份之前；累積降雨量明顯小于當地4-9月多年平均降雨量(144 mm)，為缺水年；累計蒸發(fā)量高達923 mm，為累計降雨量的10.5倍。

油菜萌發(fā)出苗階段因為土壤墑情適宜，沒有進行灌溉；5月19日開始第一次灌溉，7月8日之前所有處理灌水一致，5～7 d灌溉一次，共灌溉5次；7月8日之后，油菜進入營養(yǎng)生長和生殖生長的旺盛階段，需水量明顯增加，灌溉頻率增加到1～3 d一次，但不同施肥灌溉處理的灌溉頻率沒有明顯差異。8月25日，所有處理停止滴灌施肥灌溉，以促進莢果成熟。

不同施肥灌溉處理隨著總施肥量從低到高，灌溉量分別為492.6、489.8、542.6、527.8和510.2 mm，平均為512.6 mm；50%處理的灌水量較多，這與埋設負壓計點的土壤空間變異等有關?？傮w上，不同施肥處理油菜的灌水量無明顯差異。

圖1 油菜生長季降雨、蒸發(fā)及灌溉量

3.2 不同滴灌施肥灌溉處理土壤水分狀況

油菜生育期不同施肥灌溉處理土壤基質勢變化如圖2所示。除了在油菜生長旺盛階段，因油菜耗水量大、灌溉不及時，導致個別處理在個別時間土壤基質勢低于灌溉閾值外，所有處理在油菜施肥灌溉階段的大部分時間內，土壤基質勢都保持在-20 kPa之上。8月25日停止施肥灌溉后，所有處理的土壤基質勢逐漸降低。

圖2 油菜生育期不同施肥灌溉處理土壤基質勢變化

圖3表示油菜開花期高頻灌溉階段(7月21日)不同施肥灌溉處理整個剖面的土壤水分狀況。由圖3可知所有處理的土壤含水量隨著深度的增加而降低，0～0.4 m深度油菜根系分布范圍內土壤含水率均高于16%，約為田間持水量的80%。

圖3 7月21日油菜開花期高頻灌溉階段 不同施肥灌溉處理土壤剖面水分分布狀況

由此可以知道，當控制滴頭正下方0.2 m處土壤基質勢下限在-20 kPa之上時，在油菜的大部分生長發(fā)育階段，所有處理油菜根系分布范圍內的土壤水分狀況良好，即油菜生長不會受到水分脅迫。

3.3 不同滴灌施肥灌溉處理下土壤鹽分狀況

圖4分別是不同施肥灌溉處理滴灌施肥灌溉前(5月4日)、油菜開花期(7月21日)和油菜收獲后(9月18日)的土壤剖面上鹽分(土壤ECe)分布狀況。

圖4 油菜生長不同時期土壤剖面上鹽分分布

由圖4可知道：①5月4日滴灌施肥灌溉前，表層0～0.4 m土壤ECe(2.0 dS/m)明顯高于0.6～1.2 m深度土壤ECe(1.4dS/m)，土壤鹽分表聚現象明顯。②與5月4日的土壤ECe相比，7月21日油菜開花期高頻灌溉階段不同施肥灌溉處理0～0.4 m深度土壤ECe顯著降低，平均降低了0.5 dS/m；0.6～1.2 m深度土壤ECe也略有降低，平均降低了0.1 dS/m；總體上所有處理0～1.2 m深度土壤ECe平均降低了0.2 dS/m，且不同處理之間沒有明顯的差異。③與5月4日的土壤ECe相比，9月18日油菜收獲、停止灌溉24 d后，由于土面蒸發(fā)作用，所有處理0～0.2 m表層土壤鹽分明顯增加了，隨著總施肥量從低到高，不同施肥灌溉處理土壤ECe分別增加了1.3、0.2、0.2、0.6、0.8 dS/m；除70%處理外，其他處理0.3～1.2 m土層土壤ECe基本沒有變化，可有效維持鹽分平衡。70%處理0.3～1.2 m土層土壤ECe增加，這同土壤鹽分空間變異有關，另外同施肥灌溉土壤中養(yǎng)分含量增加也有關系。

總之，在油菜滴灌施肥灌溉階段，由于滴灌的不斷淋洗，0～0.4 m土層呈顯著脫鹽狀態(tài)，為油菜生長提供了一個適宜的低鹽環(huán)境；0.6～1.2 m深度土壤鹽分含量也在降低，說明土壤鹽分總體向下運動，已經運動到了1.2 m深度以下。這與焦艷平[16]、Wan[17]等的研究結果一致，焦艷平、Wan等人利用壟作覆膜滴灌技術在重度鹽堿荒地上種植作物，發(fā)現當控制土壤基質勢下限閾值在-25 kPa以上時，在滴灌灌溉階段0～1.2 m土層土壤鹽分得到了很好的淋洗，土壤總鹽量顯著降低。

施肥灌溉結束后，在油菜蒸騰耗水和土面蒸發(fā)作用下，土壤鹽分在表層聚集；與試驗初期相比，土體中鹽分有增加趨勢，這與試驗區(qū)灌溉水礦化度較高(1.5 g/L，電導率平均為2.4 dS/m)有關，即隨灌溉帶入土壤中的鹽分并沒有被淋洗到土壤下層進入地下水隨地下水運動排走，而僅是被淋洗到土層1.2 m深度以下，當灌溉停止之后，在農田蒸發(fā)力的作用下，又進入到1.2 m深度以上的土體內。

王若水等在新疆克拉瑪依滴灌棉田(灌溉水的電導率為0.3 dS/m)的研究發(fā)現，當滴頭正下方0.2 m深度土壤基質勢閾值控制在-10 kPa以上，0～1.2 m土體整體脫鹽；而當土壤基質勢閾值控制在-20 kPa以上，0～0.8 m土體整體脫鹽，但鹽分在0.8～1.2 m積累。因此，在高寒干旱地區(qū)，尤其是用微咸水/咸水灌溉時，土壤基質勢是否需要控制在-10 kPa或更高時，以防止土壤發(fā)生次生鹽漬化，還需進一步研究。

3.4 不同滴灌施肥對土壤速效養(yǎng)分的影響

表2是油菜不同時期不同施肥處理不同深度土壤養(yǎng)分含量，從表2中可以知道：

(1)盡管不同施肥處理淺耕(0～0.4m深度)施入底肥磷酸二銨的含量不一樣，但5月滴灌施肥灌溉前不同處理0～0.4 m深度土壤飽和泥漿提取液中速效磷含量同施肥比例沒有明顯關系，而銨態(tài)氮、速效鉀隨著施肥比例的增加而增加，這說明磷酸二銨中氮的釋放速度相對磷更快；0～0.4 m深度速效鉀隨著施肥比例的增加而增加，這可能是因為肥料磷酸二銨是含鉀型的。不同處理0.5～1.2 m深度速效養(yǎng)分含量的差異，與土壤養(yǎng)分的空間變異性有關，總體上0.5～1.2 m深度各處理間速效養(yǎng)分差異不大，變異系數平均為22%。

(2)因為滴灌每次灌溉都施入了尿素和硝酸鉀，與5月份的值相比，開花期各處理(除90%處理外)0～1.2 m深度土壤飽和泥漿提取液中速效鉀、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量都顯著增加了，且各處理間養(yǎng)分含量值沒有顯著差異；90%處理土壤中速效鉀和硝態(tài)氮的含量明顯較其他4個處理以及5月份的值低，這主要是因為該處理取土樣時正好處于下一次施肥灌溉之前，土壤溶液中大部分的速效鉀和硝態(tài)氮已被油菜吸收了。由此也說明，滴灌每次灌溉施肥可以及時補充作物可吸收的速效養(yǎng)分。盡管滴灌施肥灌溉沒有施入磷肥，但開花期各處理速效磷含量顯著增多，這主要是因為滴灌條件下土壤水分狀況良好，底肥磷酸二銨中磷不斷地釋放。

(3)9月油菜收獲后，由于滴灌施肥已經停止較長時間(22 d)，所有施肥處理的0～1.2 m深度土壤飽和泥漿提取液中速效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均較7月份開花期的值顯著降低，尤其是硝態(tài)氮的值比5月份的水平還低，這說明油菜在生育后期還在不斷地吸收硝態(tài)氮。與5月份的值相比，試驗結束后30%處理土壤飽和泥漿提取液中速效養(yǎng)分含量增加了，而90%處理的值減少，這很可能是因為30%處理油菜營養(yǎng)生長相對較差、消耗的養(yǎng)分少，施肥量足以補充油菜生長發(fā)育吸收的養(yǎng)分，而90%處理油菜營養(yǎng)生長旺盛、消耗的養(yǎng)分多，施肥量不足以補充油菜生長發(fā)育吸收的養(yǎng)分。

表2 油菜不同時期不同施肥處理不同深度土壤養(yǎng)分含量mg/L

3.5 不同滴灌施肥處理對油菜產量及水肥利用效率的影響

不同處理10%～90%施肥比例油菜的產量為3 527.8、3 498.1、3 649.1、3 712.0和3 672.2 kg/hm2，平均為3 611.9 kg/hm2，當相對施肥量為70%時，油菜產量最高，但各處理之間產量方差分析無顯著性差異(P<0.05)。隨著施肥比例的增加，肥料偏生產力迅速降低，當施肥比例大于50%時，肥料偏生產力的降低率變緩(圖5)。不同處理10%～90%施肥比例灌溉水利用效率在6.72～7.20 kg/mm2，總體上灌溉水利用效率與施肥比例的關系不大(圖5)。

圖5 肥料偏生產力及灌溉水利用效率

張亞麗和陳占全[18]在西寧市油菜滴灌水肥高效利用研究中推薦滴灌春油菜最佳的施肥量為: N 74. 2 kg/hm2、P2O565. 0 kg/hm2、K2O 31. 2 kg/hm2，該施肥量下油菜最高產量可達2 863. 6 kg/hm2，為本試驗平均油菜產量的79%。如果換算成本研究成果平均油菜產量水平3 611.9 kg/hm2，張亞麗和陳占全推薦施肥量N、P2O5、K2O分別為本研究100%對照N、P、K施肥量的51%、53%和105%。因此，參考張亞麗和陳占全的推薦施肥量、結合本試驗不同施肥灌溉處理油菜產量和肥料偏生產力，可以知道當滴灌施肥比例為當地油菜推薦施肥量的50%左右(N 91 kg/hm2、P2O578 kg/hm2、K2O 19 kg/hm2)時，就可以獲得高的油菜產量(3 611.9 kg/hm2)和較高的肥料偏生產力。

張洋[19]在同一時期、同一研究區(qū)、100%對照施肥量(N 186.3 kg/hm2，P2O5158.7 kg/hm2，K2O 18.75 kg/hm2)、相同播幅(30+30+30等行距播幅)條件下，滴灌施肥灌溉油菜的產量和灌溉水利用效率分別為2 940和0.56 kg/m3，分別為本試驗平均油菜產量和灌溉水利用效率的81.4%和79.4%。這兩個試驗的主要區(qū)別在于本試驗是按照負壓計指導油菜進行施肥灌溉，灌溉頻率高，油菜整個生育期平均施肥灌溉33次。由此可以知道，滴灌高頻施肥灌溉可以顯著提高油菜的產量、肥料利用效率和灌溉水利用效率。

4 結 論

(1)在高寒干旱區(qū)、灌溉水為微咸水(平均電導率為2.4 dS/m)時，當滴頭正下方0.2 m深度土壤基質勢控制在-20 kPa以上，滴灌施肥灌溉階段0～0.4 m油菜根系分布范圍內土壤水分、鹽分、養(yǎng)分狀況良好，并且土體中鹽分總體向下運動；但是當停止滴灌一段時間后，土壤速效養(yǎng)分含量降低，并且在作物生長耗水和強烈的土面蒸發(fā)作用下，0～0.2 m土壤鹽分升高，但0.3～1.2 m土層土壤鹽分基本不變，可有效維持鹽分平衡。

(2)10%～90%不同滴灌施肥比例下土壤鹽分和速效養(yǎng)分沒有顯著差異，油菜的產量、灌水量、灌溉水利用效率也沒有顯著差異，肥料偏生產力隨著施肥比例的增大顯著降低。當施肥比例為當地油菜施肥量的50%左右時，油菜產量高、肥料偏生產力較高。

鑒于這僅是一年的試驗，研究結論還有待于進一步驗證。

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