劉瑞 王星辰 束良佐 檀興燕 劉一

摘要 就滴灌施肥條件下不同施肥策略對肥料利用率、氣態(tài)氮損失及對土壤環(huán)境的影響3個(gè)層次，根據(jù)文獻(xiàn)對該領(lǐng)域的成果進(jìn)行了總結(jié)，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 滴灌施肥；水氮耦合；氮去向；淋洗；次生鹽漬化

中圖分類號 S274.1；Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2018）15-0024-04

Abstract According to the literatures existed， this paper summarized the existing achievements of this field and analyzed its development prospect from three aspects， including the use ratio of fertilizer， the volatilization of gaseous nitrogen， and the influence of the soil environment under the condition of different drip fertilization strategies.

Key words Drip fertilization；Water and nitrogen coupling；Fate of nitrogen；Leaching；Secondary salinization

氮素是作物生長發(fā)育過程中所必需的營養(yǎng)元素，可以顯著影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤中的氮素可以直接被農(nóng)作物吸收，也可以無機(jī)氮形態(tài)或有機(jī)結(jié)合形態(tài)在土壤剖面中殘留，或者通過其他各種途徑損失。無機(jī)氮素?fù)p失的途徑主要有氣態(tài)氮的揮發(fā)損失、硝態(tài)氮的淋洗、徑流、側(cè)滲等[1]，還有一部分氮素可被農(nóng)作物直接吸收利用，這也是氮去向中最為重要的部分。

氮肥是世界上施用量較大的肥料之一，而我國是世界上生產(chǎn)和消費(fèi)氮肥最多的國家，氮肥用量超過2 500萬t，占我國化肥總用量的60%，占全球氮肥用量的30%[2]，但我國氮肥利用率卻很低，據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)季氮肥利用率僅30%～35%，農(nóng)田氮素?fù)p失率達(dá)到30%～50%，每年因各種途徑導(dǎo)致的氮素?fù)p失約900萬t，價(jià)值400億元[3]。而農(nóng)民為了追求高產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，又過量投入氮素，同時(shí)不注意水資源的稀缺性，盲目進(jìn)行大水灌溉，造成水肥資源的大量浪費(fèi)，而且土體中殘留的過量氮素又隨著大水淋洗而下移，容易對環(huán)境造成污染。我國又是一個(gè)水資源緊缺、水旱災(zāi)害頻繁并且水資源利用率低的國家，但節(jié)水意識不強(qiáng)，農(nóng)村普遍水資源利用率只有40%左右[4]，為了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，以提高作物對水氮資源的利用率。

滴灌技術(shù)是在20世紀(jì)70年代得到迅速發(fā)展的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，而滴灌施肥技術(shù)的出現(xiàn)使得灌溉和施肥的理論及方法發(fā)生革命性的變化，成為一種全新的灌溉和施肥技術(shù)[5-6]。目前已有很多學(xué)者在棉花、玉米等作物上進(jìn)行了研究和試驗(yàn)。

新疆在1996年將滴灌技術(shù)應(yīng)用在棉花生產(chǎn)中，并結(jié)合覆膜栽培形成了膜下滴灌技術(shù)，在2004年滴灌面積發(fā)展到全國的80%以上[7-8]。而對玉米的膜下滴灌研究發(fā)現(xiàn)，膜下滴灌提高了肥料的利用率，大大降低了田間勞動(dòng)的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了地表空間，提高了土地利用率，顯著增加了玉米產(chǎn)量，并使得土壤生態(tài)效益得到改善，降低了土壤污染[9]。Papadopoulos[10]研究表明，滴灌條件下可以通過不同的施肥方式，如肥料的種類、水氮比等有效地提高水氮的利用率，節(jié)水節(jié)肥，并可以控制土壤中無機(jī)氮的含量，減少淋洗以減輕對地下水的污染。

合理的灌溉施肥策略能顯著提高水肥利用率，在節(jié)水節(jié)肥的同時(shí)增加作物產(chǎn)量。而對滴灌施肥條件下氮去向的規(guī)律研究，有助于了解作物的生長規(guī)律并以此作為參考施用氮肥，提高產(chǎn)量，減少其對環(huán)境的污染。目前，國內(nèi)外對滴灌施肥條件下氮素的遷移及其利用率等方面進(jìn)行了較為全面的研究，筆者在此對其進(jìn)行了綜述，以期為今后的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。

1 滴灌施肥對氮吸收利用的影響

氮素在作物生產(chǎn)發(fā)育中占有很重要的地位，是土壤肥力中最為重要的因素，因此提高氮素的利用率是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要管理目標(biāo)[11]。

滴灌施肥技術(shù)將作物生產(chǎn)中的灌溉與施肥這2個(gè)重要技術(shù)融為一體，將肥料溶解在水中，準(zhǔn)確地將肥液施入作物根部附近土壤，在不降低作物產(chǎn)量的前提下，提高氮素利用率，顯著降低了氮素的淋溶損失和氮肥消耗量[12]。Hebbar等[13]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌能顯著提高氮肥利用率，而植株根系總量在滴灌條件下顯著高于畦灌，這為節(jié)水增產(chǎn)提供了可能[14]。Coston等[15]研究N肥的施入方式對桃樹的效果發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥量僅為土壤施肥量的1/4～1/2時(shí)，桃樹葉片含N量和徑粗的增加量即可達(dá)到土壤施肥效果，表明滴灌可節(jié)約N肥25%～50%。

現(xiàn)階段我國氮肥的利用率普遍偏低，侯振安等[8]根據(jù)灌水施肥時(shí)段的分配設(shè)計(jì)了4種不同施氮策略：①清水-肥液-清水，平均分配（W-N-W）；②清水-肥液，平均分配（W-N）；③肥液-清水，平均分配（N-W）；④全部灌肥液（N-N）。試驗(yàn)結(jié)果表明，第3種策略（N-W）下的施肥方式可顯著促進(jìn)棉花根系吸收氮素，增加產(chǎn)量，并減少其在土壤中的殘留量。因此，即便在膜下滴灌條件下，不同的灌溉施肥策略也可以顯著影響氮素利用率，生產(chǎn)中應(yīng)采用合理的施肥策略以提高氮素利用率。

邢英英等[16]研究發(fā)現(xiàn)，溫室番茄滴灌施肥技術(shù)能夠達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和高效的目的，其中高水中肥下能獲得較高的產(chǎn)量和氮肥利用率以及較低的土壤硝態(tài)氮含量；低水中肥處理下能獲得優(yōu)質(zhì)的果實(shí)和較大的水分利用效率。于舜章[17]研究發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥能夠在節(jié)水21.0%～27.1%、節(jié)肥3.7%～49.5%條件下，使得黃瓜產(chǎn)量增加9.9%～17.6%。劉宏平等[18]分析表明，不同肥力土壤的供氮量應(yīng)控制在不同的范圍，對于已經(jīng)連續(xù)大量施用氮肥的農(nóng)田，應(yīng)適當(dāng)減少當(dāng)季氮肥施用量，以降低土壤中較高的無機(jī)氮總量；而對于低肥力或砂質(zhì)棉田，為保證氮素在棉花生育期的充足供應(yīng)，氮肥施用量應(yīng)適當(dāng)提高到225 ～270 kg/hm2；中肥力棉田中的施氮量應(yīng)控制在180 ～ 225 kg/hm2。

馬麗娟等[19]應(yīng)用15N同位素示蹤方法的田間試驗(yàn)表明，適量的咸水灌溉可以提高棉花的產(chǎn)量，但微咸水和淡水對棉花產(chǎn)量影響差異不大；適當(dāng)?shù)柠}分不但不會導(dǎo)致作物產(chǎn)量的降低，甚至可以對植物吸收氮素有促進(jìn)作用，但當(dāng)土壤中鹽分過多即咸水灌溉時(shí)，會產(chǎn)生競爭效應(yīng)，從而抑制植物吸收氮素，明顯影響棉花生產(chǎn)，導(dǎo)致減產(chǎn)，并且鹽分在土壤剖面的積累可能會危害作物生長，因此，適量的咸水滴灌，即微咸水灌溉方式可以提高氮素的利用率，但不可過量。

李培嶺等[20]研究滴灌棉田氮素利用率表明，在根系分區(qū)交替滴灌策略下，灌水量和施氮量對氮肥利用率的影響顯著，并且在達(dá)到滿足棉花生長的一定氮素需求時(shí)，繼續(xù)增加施氮量和灌水量對植物吸收氮素沒有顯著的促進(jìn)作用，其中最有利于提高棉花對氮肥利用率的施氮方式是中氮高水耦合。

侯振安等[8]研究表明，不同滴灌施肥策略對棉花吸收氮素的影響顯著，即可以對氮素利用率和棉花產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。因此，研究可以顯著提高土壤氮素利用率的合理灌溉施肥策略不僅可以減少資源浪費(fèi)，改善環(huán)境，并且可以提高產(chǎn)量，具有重要的意義。

2 滴灌施肥對氣態(tài)氮揮發(fā)的影響

揮發(fā)損失是氮去向的重要途徑[21]，可以顯著影響氮肥利用率，而氣態(tài)氮又是重要的溫室氣體，可能導(dǎo)致臭氧層破壞，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。氣態(tài)氮的損失包括地上部分的損失和土壤中的揮發(fā)損失，影響植物氨態(tài)氮和氮氧化物揮發(fā)的因素包括內(nèi)在因素和環(huán)境因素，內(nèi)在因素主要指作物品種和作物個(gè)體發(fā)育進(jìn)程；環(huán)境因素主要指施氮水平、溫度、空氣濕度和光照強(qiáng)度等，并且CO2濃度也會影響植株N2O的排放，氮素?fù)]發(fā)損失的主要途徑有呼吸作用、蒸騰作用、蛋白質(zhì)水解等[22]。

土壤氣態(tài)氮揮發(fā)主要包括NH3揮發(fā)和NOX揮發(fā)，氨揮發(fā)主要是由于土壤中有機(jī)氮被微生物分解轉(zhuǎn)變成氨態(tài)氮而揮發(fā)，氮氧化物的揮發(fā)主要是由于反硝化過程中硝酸鹽被還原成氮氧化物和氮?dú)舛鴵]發(fā)損失。氮氧化合物的形成主要有2個(gè)機(jī)制：化學(xué)反硝化（好氣條件下）和生物反硝化（缺氧條件下），其中生物反硝化占主要地位。土壤氣態(tài)氮的揮發(fā)量大小受多種因素的影響，并且有文獻(xiàn)表明，長期施用氮肥的土壤，氨揮發(fā)損失會明顯減少[23-24]。土壤pH也可以影響氨揮發(fā)損失，并與pH大小成正比，但也有試驗(yàn)表明堿性土壤在滴灌條件下氨揮發(fā)損失量明顯低于漫灌[25]。Suddick等[26]在加利福尼亞洲南部的扁桃仁果園的研究發(fā)現(xiàn)，地下滴灌施肥比地表滴灌施肥能夠減少7.5%的N2O排放。Kennedy等[27]在加州露地番茄的研究結(jié)果也表明，與漫灌相比，滴灌減少了70%的N2O排放，并且滴灌比漫灌減少N2O排放主要是由于滴灌灌溉量低于漫灌，滴灌后土壤濕潤模式與漫灌不同，反硝化反應(yīng)導(dǎo)致的N2O排放在滴灌和漫灌模式下分別為4.96和11.44 kg/hm 在滴灌條件下，硝化反應(yīng)是N2O的主要來源，而漫灌條件下N2O則主要來源于反硝化反應(yīng)。因此，采取合理的灌溉施肥方式可明顯降低土壤氨揮發(fā)損失。

3 滴灌施肥下氮素的運(yùn)移及其對土壤環(huán)境的影響

氮素進(jìn)入土壤后，未被植物和微生物吸收的氮素會在土壤剖面殘留進(jìn)而影響土壤環(huán)境，尤其是銨態(tài)氮硝化形成的硝態(tài)氮的累積。在滴灌施肥方式不當(dāng)時(shí)會發(fā)生淋洗，嚴(yán)重污染地下水，并且土壤剖面氮的累積和鹽漬化等現(xiàn)象會造成嚴(yán)重的土壤環(huán)境問題[28]。滴灌條件下不同施肥方式對土壤水鹽分布無明顯影響，但對于氮素在土壤中的分布影響顯著[29]。因此研究滴灌施肥對土壤環(huán)境的影響，可以為作物生長發(fā)育提供更好的生長環(huán)境。

3.1 氮素在土壤剖面的殘留

土壤中的氮素主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮2種形式存在。銨態(tài)氮帶正電荷容易被土壤吸附，導(dǎo)致其移動(dòng)性差，并且在土壤中可以通過硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，因而滴灌施肥對其影響較小。而硝態(tài)氮極易溶于水，流動(dòng)性較強(qiáng)，滴灌施肥時(shí)較容易分布在上層土壤，累積在濕潤鋒附近[12]。

Li等[30]對滴灌條件下氮素運(yùn)移分布規(guī)律的試驗(yàn)研究表明，硝態(tài)氮易隨水流運(yùn)動(dòng)，施肥結(jié)束時(shí)，硝態(tài)氮在濕潤體邊緣出現(xiàn)累積現(xiàn)象，若系統(tǒng)管理不當(dāng)，極易造成硝態(tài)氮淋失。栗巖峰等[31]通過滴灌施肥灌溉系統(tǒng)運(yùn)行方式和施肥頻率對番茄根區(qū)土壤氮素研究發(fā)現(xiàn)，在滴頭的周圍，硝態(tài)氮易隨水流運(yùn)動(dòng)，并在濕潤土體的橫向邊緣產(chǎn)生累積；隨著施肥次序向前推移，硝態(tài)氮向濕潤土體邊緣擴(kuò)散的運(yùn)移愈加明顯；剖面內(nèi)的硝態(tài)氮總量隨著施肥頻率的降低而降低；施肥頻率對硝態(tài)氮空間分布的影響隨著施肥次序的前移逐漸增大。Khan等[32]以KBr為溶質(zhì)在田間研究了點(diǎn)源情況下滴頭流量、灌水量和溶液濃度對水分和溶質(zhì)分布的影響，結(jié)果表明，徑向水分和溶質(zhì)基本一致；在垂向，初始濃度大時(shí)，水分和溶質(zhì)運(yùn)移基本一致，初始濃度小時(shí)，水分的運(yùn)動(dòng)比溶質(zhì)運(yùn)移超前，即在濕潤體邊緣沒有溶質(zhì)積累。Bar-Yosef[33]對滴灌條件下黏土和砂土中水分、NO3-和P的分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，對黏土而言，灌水結(jié)束后，濕潤體邊緣有NO3-的累積，而濕潤體內(nèi)部NO3-濃度小于灌溉水中NO3-的濃度；砂土中也存在類似現(xiàn)象，不同的是，土壤溶液中的NO3-的濃度沒有明顯小于灌溉水中NO3-的濃度，這主要是因?yàn)樯巴林杏袡C(jī)質(zhì)很少，幾乎不存在反硝化現(xiàn)象。Zhang等[34]利用計(jì)算機(jī)模型Hydrus 2D/3D模擬表面點(diǎn)源滴灌的硝酸鹽分布情況發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥前灌水對硝酸鹽的分布無顯著影響，但滴灌施肥后灌水可導(dǎo)致硝酸鹽累積于濕潤鋒附近。

3.2 硝態(tài)氮的淋洗

由于硝酸鹽與土壤膠體帶電性相同，因此不利于土壤對NO3-的吸附，而未被及時(shí)利用的硝態(tài)氮是不容忽視的土壤氮素資源，一方面，它在土壤植物體系氮素營養(yǎng)中發(fā)揮著重要的作用；另一方面，它如果沒有及時(shí)被作物吸收利用，在氣候濕潤或大量灌溉條件下，容易發(fā)生淋洗損失，甚至進(jìn)一步遷移至地下水，成為地下水硝酸鹽污染的重要來源[35-38]。影響硝態(tài)氮淋洗量的因素主要有施氮量、灌水量、灌溉水鹽度以及它們兩者和三者之間的交互作用。

楊夢嬌等[39]對滴灌施肥條件下硝態(tài)氮在不同土層的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)灌水量一定時(shí)，施氮量越大，溶液濃度越大，下層土壤硝態(tài)氮含量較低，導(dǎo)致土壤中的濃度峰下降速率增大，加劇了硝態(tài)氮淋洗損失程度；當(dāng)?shù)室欢〞r(shí)，灌水量不足會增加硝態(tài)氮在土壤中的積累量，使得硝態(tài)氮溶液繼續(xù)向下層土壤運(yùn)移；而常規(guī)灌水條件下硝態(tài)氮在不同土層縱向減少量低于低水處理。習(xí)金根等[40]用室內(nèi)土柱模擬法研究了滴灌施肥條件下不同種類氮肥在土壤中的淋溶和轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，指出氮素淋溶和轉(zhuǎn)化受氮肥種類和土壤質(zhì)地的影響顯著；在淋洗的氮素形態(tài)中，主要是尿素態(tài)氮，其次是硝態(tài)氮，氨態(tài)氮的淋洗量最小。Chaney[41]和Liang等[42]對6種不同施肥量對冬小麥?zhǔn)斋@后土層中殘留硝態(tài)氮含量的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤中的硝態(tài)氮?dú)埩袅侩S施肥量的增加而升高，但并不是簡單的線性相關(guān)；采用最佳經(jīng)濟(jì)施肥量時(shí)，土壤中殘留硝態(tài)氮的含量與不施肥處理差異性較小。Sun等[43]和Soto等[44]通過EU-Rotate-N模型對溫室黃瓜和番茄氮素代謝進(jìn)行模擬，表明灌水方法和施肥量的投入顯著影響土壤中硝酸鹽的殘留。Badr等[45]和周博等[46]研究得出，滴灌使番茄根區(qū)土壤中磷的流動(dòng)性高于溝灌，肥料利用效率也高于溝灌；調(diào)整N、P、K比例并減少其用量的配方施肥處理能顯著降低硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀在土壤中的過量累積，降低了土壤鹽分累積。因此，適宜的滴灌施肥措施是減少硝態(tài)氮淋洗、提高氮肥利用率的重要措施。

3.3 對土壤環(huán)境的其他影響

滴灌施肥條件下灌水量相對較少，并且局部濕潤土壤，土壤環(huán)境相對協(xié)調(diào)，有利于土壤中有機(jī)氮的礦化，但容易導(dǎo)致硝態(tài)氮在表層土壤的累積[25]。Wang等[47]和Zhang等[48]研究表明，交替滴灌下，根區(qū)土壤一直處于相對頻繁的干濕交替狀態(tài)，有利于提高土壤微生物活性和代謝，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率，改變了土壤中的碳氮比，促使土壤中的氮元素集中到根系表面，有利于根系和作物對氮的吸收和利用，提高了氮肥利用率。另外，滴灌土壤的干濕交替還能增強(qiáng)養(yǎng)分活化，促進(jìn)土壤耕作層細(xì)菌、放線菌和真菌生長[49-50]；與溝灌相比，滴灌土壤的保濕性好，未改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，但顯著提高革蘭氏陽性細(xì)菌和真菌數(shù)量[51]。陳寧等[52]研究也表明，膜下滴灌能顯著提高土壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，與常規(guī)畦灌相比，分別提高45.25%和79.48%，滴灌還能顯著增大B/F值，改善土壤中微生物比例，使土壤向病害發(fā)生輕的“細(xì)菌型”土壤轉(zhuǎn)化。

土壤酶是由微生物、動(dòng)植物活體分泌物及動(dòng)植物殘骸產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)，具有生物化學(xué)催化活性，能夠參與土壤中許多重要的生物化學(xué)反應(yīng)過程，并且在土壤養(yǎng)分循環(huán)、養(yǎng)分有效態(tài)轉(zhuǎn)化過程以及植物生長發(fā)育所需養(yǎng)分供給過程中起到重要的作用[53-54]。許多學(xué)者研究表明，地下滴灌根際土壤微生物生物量、脲酶、磷酸酶等隨灌水量的增加呈先升高后下降的趨勢；地下滴灌顯著提高土壤有效磷，原因可能是促進(jìn)微生物生長，提高了磷酸酶活性[55-57]。竇超銀等[58]對重度鹽堿地覆膜滴灌利用過程中土壤酶活性變化研究得出，覆膜滴灌種植不僅可以提高土壤酶活性，而且滴灌土壤的酶活性、枸杞生育期內(nèi)土壤酶活性的提高均隨滴灌年限的增加而增大，此外，相對不作處理的撂荒地塊土壤酶活性的減小，覆膜滴灌種植降低了自然條件對土壤酶活性的不利影響。

4 總結(jié)

（1）滴灌施肥條件下，合理的滴灌施肥策略能促進(jìn)作物對氮素的吸收，降低土壤中氨揮發(fā)損失，減少資源浪費(fèi)，顯著提高氮肥利用率，并且在一定程度上實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的目的。

（2）滴灌施肥條件下對氮素在土壤中的分布影響顯著，硝態(tài)氮易隨水流動(dòng)，最終累積在濕潤鋒附近。土壤中的硝態(tài)氮，一方面易被植物吸收利用；另一方面，因施氮量、灌水量、灌溉水鹽度等因素影響，易發(fā)生淋洗，進(jìn)入地下水，造成地下水的環(huán)境污染。而合理的滴灌施肥策略能減少硝態(tài)氮的淋洗，降低環(huán)境污染。

（3）滴灌施肥有利于提高土壤中微生物活性和代謝，改善土壤中的微生物比例，提高土壤中的土壤酶活性，促進(jìn)土壤中養(yǎng)分循環(huán)、養(yǎng)分有效態(tài)轉(zhuǎn)化以及植物生長發(fā)育所需養(yǎng)分供給過程。

5 展望

滴灌施肥條件下，氮素去向及其對環(huán)境的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，當(dāng)前對這一問題還需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）我國當(dāng)前的灌溉主要還是以地面灌溉為主，而氮肥的損失是不可避免的，因此，滴灌施肥的推廣以及如何優(yōu)化滴灌施肥策略，減少氮肥損失，提高氮肥利用效率是今后不得不考慮的方向。

（2）滴灌施肥條件下，氮素的去向是受多方面的綜合影響，因此，在實(shí)際運(yùn)用中，要綜合考慮多方面的因素，減少氮肥資源的浪費(fèi)，降低對環(huán)境的污染。

（3）當(dāng)前信息技術(shù)的發(fā)展十分迅速，應(yīng)將滴灌施肥與信息技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)土壤養(yǎng)分以及土壤環(huán)境的具體監(jiān)測情況，來進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，精準(zhǔn)施肥，打破我國傳統(tǒng)的施肥灌溉模式，降低農(nóng)業(yè)成本，促進(jìn)我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

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