王鼎新，竇超銀，仲志成，周詩源，孟維忠

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，沈陽 110003)

0 引 言

風(fēng)沙土是沙漠邊緣地區(qū)普遍存在的土壤資源，土質(zhì)貧瘠，質(zhì)地粗，蓄水能力低，漏水漏肥嚴(yán)重，土地生產(chǎn)力低。風(fēng)沙土在遼西北科爾沁沙漠南緣廣為分布，長期以來，玉米是該地區(qū)第一大糧食作物，產(chǎn)量卻僅有4.5t～6.0 t/hm2，嚴(yán)重影響了地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如何能提高風(fēng)沙土地區(qū)玉米的產(chǎn)量一直都是當(dāng)?shù)刎叫杞鉀Q的問題。玉米在生長過程中受到多種因素影響，其中水分和氮肥是影響作物生長及產(chǎn)量的兩個(gè)主要限制因子[1]。土壤水分是重要的土壤物理參數(shù)，不僅滿足作物水分生理需求，改善作物生長環(huán)境，同時(shí)能夠提高土壤肥料養(yǎng)分的有效性及礦化，促進(jìn)根系對(duì)土壤肥料中養(yǎng)分吸收利用[2]，明晰土壤水分在土體內(nèi)的分布對(duì)于指導(dǎo)灌溉提高水分利用效率和高效利用土壤儲(chǔ)水量有著重要意義[3]。硝態(tài)氮是植物直接吸收利用的速效氮，反映北方地區(qū)農(nóng)業(yè)氮素水平一個(gè)重要因素[4]，硝態(tài)氮不易被土壤膠體所吸附，易隨水移動(dòng)，因此易被淋洗到深層土壤中[5]。兩者相互作用對(duì)作物根系生長發(fā)育有重大影響，灌水和施肥協(xié)同處理有利于獲得更高的玉米產(chǎn)量[6]。玉米在不同生育時(shí)期根到達(dá)的土層深度不同，苗期根系分布在0～40 cm土層中，開花期和蠟熟期根系可分別達(dá)到160和180 cm，但在0～40 cm土層根系分別占總根量的80%和55%左右，即在垂直方向上玉米的主體根系分布在0～40 cm土層中[7]；在水平方向，玉米根系主要在距植株20 cm半徑范圍的土層中。根據(jù)玉米根系分布特性，改變灌溉策略將氮素分布調(diào)控在主要根系范圍內(nèi)，則可降低風(fēng)沙土漏水漏肥的不利影響。目前，基于灌溉調(diào)控的理論在提高水肥利用效率或劣質(zhì)水土資源利用方面已多有報(bào)道[8-10]，為風(fēng)沙土的水肥調(diào)控提供了參考。因此，本文對(duì)風(fēng)沙土滴灌條件下土壤水分、硝態(tài)氮的空間分布特征進(jìn)行分析，并研究不同灌溉水量對(duì)水氮分布的影響，以期為風(fēng)沙土地區(qū)土壤水肥的調(diào)控，暨玉米滴灌灌溉制度的合理確定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于遼寧省彰武縣北甸子村(E122°23'、N42°50')，地處科爾沁沙地南緣，屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，其主要特征是干燥，風(fēng)沙大。多年平均降雨量412 mm，降雨量年內(nèi)分布不均，夏季降雨量占全年降雨量的60%～70%；多年平均蒸發(fā)量1 781 mm；年平均氣溫6.1 ℃，平均風(fēng)速3.7～4.2 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)24.0 m/s，沙塵暴天氣10～15 d；植物生長期145～150 d，無霜期154 d。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為流動(dòng)風(fēng)沙土，干容重1.69 g/cm3，田間持水率12%，凋萎含水率為1.7%，飽和含水率為16.9%。土壤機(jī)械組成以細(xì)沙為主，占70%，物理性黏粒和粗沙很少，有機(jī)質(zhì)含量為66 g/kg。

1.2 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年5-10月進(jìn)行，玉米供試品種為“遼單535”，大壟雙行玉米壟距1.2 m，玉米寬行距0.8 m，窄行距0.4 m，株距0.3 m，根據(jù)玉米生長劃分為苗期、拔節(jié)期、穗期、灌漿期、完熟期等5個(gè)生育期，以灌溉水量為試驗(yàn)因素。各生育期灌溉水量通過公式W=αKci(Ek,5-Pk,5)計(jì)算，式中Ek,5為第k個(gè)5日冠層水面累計(jì)蒸發(fā)量，逐日實(shí)測(cè)；Pk,5為第k個(gè)5日累計(jì)降雨量，逐日實(shí)測(cè)；Kci為第i個(gè)生育期作物系數(shù)，苗期、拔節(jié)期、穗期、灌漿期和完熟期分別取0.45，0.55，1.2，1，0.7[11]；α為需水系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別取需水系數(shù)0.4(IR1)、0.6(IR2)、0.8(IR3)、1.0(IR4)、1.2(IR5)；試驗(yàn)區(qū)施肥量采用推薦施肥量(純氮)225 kg/hm2[12]，氮肥施肥比例為基肥∶拔節(jié)肥∶穗肥=70∶12∶18，基肥在起壟-播種-覆土-覆膜-施肥一體機(jī)春播時(shí)施入，追肥時(shí)將小區(qū)追肥所需肥料(尿素)溶解，溶液倒入桶中，注水，以水肥一體化形式灌溉施肥。試驗(yàn)共5個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共15個(gè)小區(qū),試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)分布。

播種前種子進(jìn)行晾曬處理，各處理均在春播前翻地，平整土地，施農(nóng)家肥(雞糞)1.5 t/hm2，5～6葉期定苗,拔節(jié)期中耕除草，噴施農(nóng)藥甲胺磷一次，防治蟲害。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

在玉米生育期內(nèi)用土鉆取土樣，取樣點(diǎn)以小區(qū)中部一滴頭為中心，水平方向分別距滴頭距離為0，10，20，30，50 cm，垂直方向取樣深度分別0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm，每個(gè)小區(qū)25個(gè)土樣。土壤含水率測(cè)定采用烘干法；土壤硝態(tài)氮含量測(cè)定采用紫外分光光度法。

分析計(jì)算時(shí)，水平方向不同距離的土壤含水率/硝態(tài)氮含量為該點(diǎn)各深度測(cè)定結(jié)果的加權(quán)平均值；垂直方向不同深度土壤含水率/硝態(tài)氮含量為同一深度各水平測(cè)點(diǎn)的加權(quán)平均值。剖面土壤含水率/硝態(tài)氮含量平均值為剖面內(nèi)所有測(cè)定的加權(quán)平均值。

數(shù)據(jù)處理及繪圖采用Excel 2016軟件，等值線圖用Surfer 8.0繪制，相關(guān)性用SPSS 20.0軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率分布特征

不同灌水處理土壤含水率分布如圖1所示，各處理剖面土壤含水率均在4%～10%之間，含水率等值線凹凸不平，即剖面土壤含水率分布不均勻；總體分布規(guī)律表現(xiàn)為在垂直方向上，表層含水率高于下層土壤，在水平方向上，上層土壤含水率隨距離增大有增大趨勢(shì)，下層土壤含水率在水平方向變化較小，表明土壤水分有向壟溝表層土壤集聚的趨勢(shì)，如IR3和IR5處理，距滴頭40～60 cm的表層土壤含水率高于剖面其他位置。不同灌溉處理之間，IR1～I(xiàn)R5處理剖面含水率分別為5.3%、6.0%、6.2%、4.9%和5.4%，含水率變化幅度僅為1.3%；變異系數(shù)分別為0.22、0.23、0.32、0.23和0.34，說明盡管由于風(fēng)沙土保水性差，土壤含水率低，變幅較小，但灌溉水量的增加會(huì)增大剖面含水率的不均勻性。

圖1 土壤含水率空間分布

土壤含水率在水平方向上的變化如圖2所示，滴頭正下方(0 cm)、10 cm和20 cm處，處理之間含水率變幅分別為197.4%、133.2%和158.2%，且灌水量較小的IR1～I(xiàn)R3處理含水率高于IR4和IR5處理；而30 cm和50 cm處，最大值較最小值分別僅高出12.9%和27.0%，處理之間含水率相近。除IR3處理滴頭正下方土壤含水率均值較高，沿水平方向呈減小-增大-減小趨勢(shì)外，其他處理含水率均值隨著距滴頭距離的增大先增加后減小，其中IR2，IR3處理在20 cm處出現(xiàn)峰值，IR4和IR5處理峰值出現(xiàn)在30 cm處；說明灌水量對(duì)0～20 cm范圍內(nèi)土壤含水率影響較大，同時(shí)，灌水量越大，水分運(yùn)動(dòng)距離越大，峰值距離滴頭位置越遠(yuǎn)。

圖2 土壤含水率在水平方向上的變化

土壤含水率在垂直方向上的變化如圖3所示，IR1、IR4和IR5處理土壤含水率隨著土層深度增加逐漸減小，0～60 cm土層內(nèi)分別下降26.4%、43.1%和48.5%，IR2和IR3處理隨著深度增加含水率先減小后增大，表層土壤含水率最大、最小值在25～35 cm土層中，較表層下降28.4%和43.8%；在不同土層上，處理之間無明顯變化規(guī)律，但在20～30 cm土層，灌水量較大的IR4和IR5處理含水率高于灌水量較小的IR1～I(xiàn)R3處理；30 cm以下相反，IR1～I(xiàn)R3處理土壤含水率高于IR4和IR5處理，且IR2處理高出IR4處理85.4%；說明在垂直方向上，土層深度對(duì)含水率的影響較灌水量的影響更為明顯，0～30 cm是土壤水分主要分布層。

圖3 土壤含水率在垂直方向上的變化

2.2 土壤硝態(tài)氮分布特征

不同灌水處理土壤硝態(tài)氮空間分布如圖4所示，各處理剖面土壤硝態(tài)氮含量均在10～25 mg/kg之間，硝態(tài)氮含量等值線凹凸不平，局部閉合，閉合區(qū)域硝態(tài)氮含量最大，即硝態(tài)氮集聚區(qū)，含量均高于20 mg/kg；集聚區(qū)面積隨著灌水量的增加逐漸增大，IR3處理硝態(tài)氮含量高于20 mg/kg的區(qū)域占剖面面積一半以上，但隨著灌水量進(jìn)一步增加，聚集區(qū)域面積逐漸減??；同時(shí)隨著灌水量的增加，硝態(tài)氮集聚區(qū)有遠(yuǎn)離滴頭的趨勢(shì)，從IR1處理距離滴頭距離小于20 cm到IR5處理聚集區(qū)距離滴頭大于50 cm。不同灌溉處理之間，IR1～I(xiàn)R5處理剖面硝態(tài)氮含量分別為15.4、16.7、19.5、17.6和16.8 mg/kg，IR3處理含量最大，高出IR1處理26.3%；各處理硝態(tài)氮含量變異系數(shù)分別為0.17、0.15、0.18、0.16和0.15，說明風(fēng)沙土土壤中，硝態(tài)氮含量較低、分布不均勻，有明顯的集聚；隨著灌溉水量的增加，土壤中硝態(tài)氮集聚面積和含量先增大后減小，且集聚區(qū)也隨著灌水量的增加而遠(yuǎn)離滴頭位置。

圖4 土壤硝態(tài)氮空間分布

土壤硝態(tài)氮含量水平方向上的變化如圖5所示，水平方向各處理硝態(tài)氮含量都在14～20 mg/kg，IR3處理變幅最大，為4.6 mg/kg，其他處理變幅僅在2～3 mg/kg之間；IR1處理硝態(tài)氮含量最大值在滴頭正下方(0 cm)，IR2、IR3和IR5處理峰值分別在20、30和50 cm處，IR4處理最大值距離滴頭約20 cm。不同處理之間，滴頭正下方硝態(tài)氮含量差值小于4 mg/kg，隨著水平距離的增大，硝態(tài)氮含量差異增大，50 cm處差值大于6 mg/kg；10～50 cm范圍內(nèi)，隨著灌水量增大，水平各點(diǎn)硝態(tài)氮含量先增大后減小，其中IR3處理硝態(tài)氮含量最大，IR1處理含量最小。結(jié)果表明對(duì)硝態(tài)氮在水平方向上分布變化較小，增加灌水量有利于提高水平方向上硝態(tài)氮含量，但灌水量偏大時(shí)，將降低硝態(tài)氮含量，且灌水量越大，硝態(tài)氮含量峰值距離滴頭位置越遠(yuǎn)。

圖5 土壤硝態(tài)氮在水平方向上的變化

圖6 土壤硝態(tài)氮在垂直方向上的變化

土壤硝態(tài)氮含量在垂直方向上的變化如圖6所示，各處理硝態(tài)氮含量在13～22 mg/kg之間，IR5和IR3處理變幅較大，大于5 mg/kg，其他處理變幅約3 mg/kg；IR1和IR2處理土壤硝態(tài)氮含量均隨著土層深度增加逐漸減小，IR3、IR4和IR5處理隨著土層深度的增加硝態(tài)氮含量先減小后增大，表層土壤硝態(tài)氮含量最大，最小值在25～35 cm土層中。不同處理對(duì)比，各層土壤硝態(tài)氮均隨著灌水量的增加有先增大后減小的趨勢(shì)，IR3處理硝態(tài)氮含量相對(duì)高于其他處理，IR1處理含量最低，在0～10、20～30和40～60 cm土層兩處理硝態(tài)氮含量分別相差3.8、1.4和7.1 mg/kg，即處理之間硝態(tài)氮含量差異隨著土層深度增加，先減小后增大。試驗(yàn)結(jié)果表明硝態(tài)氮有明顯的表聚現(xiàn)象，灌水量增加有利于提高各層硝態(tài)氮含量，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量在40 cm以下土層增大。

2.3 水肥分布相關(guān)性分析

各處理土壤含水率和硝態(tài)氮含量平均值相關(guān)性分析如表1所示，水平方向距滴頭不同位置(0、10、20、30和50 cm)土壤含水率和硝態(tài)氮含量之間無顯著關(guān)系，隨灌水量的增加也無明顯規(guī)律；在垂直方向上，含水率與硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)，即土壤含水率越大，硝態(tài)氮含量越高，除IR4處理外，其他處理相關(guān)性在中等強(qiáng)度以上，IR1和IR5為極強(qiáng)相關(guān)，其中IR1處理含水率與硝態(tài)氮含量具有相關(guān)性但相關(guān)系數(shù)隨灌水量增加無明顯變化規(guī)律，即受灌水量影響較??；對(duì)剖面內(nèi)各點(diǎn)含水率與硝態(tài)氮含量的相關(guān)分析則表明IR5處理土壤含水率和硝態(tài)氮含量達(dá)到中等程度相關(guān)，在0.01水平上顯著，其他處理含水率與硝態(tài)氮含量相關(guān)性較弱，且受灌水量影響較小。根據(jù)試驗(yàn)期間小區(qū)灌溉水量統(tǒng)計(jì)，IR1～I(xiàn)R5處理累計(jì)灌水量分別為：145.2、217.9、290.5、363.1和435.7 mm，回歸分析得到土壤剖面硝態(tài)氮含量與灌水量的關(guān)系：

YN=-0.000 1x2+0.083 8x+5.371 5，R2=0.75

(1)

式中：x為灌水量，mm；YN為土壤剖面硝態(tài)氮含量，mg/kg。

分析表明灌水量是影響土壤硝態(tài)氮含量的主要因素之一，但土壤含水率與土壤硝態(tài)氮除表現(xiàn)為以正相關(guān)為主，在垂向分布上相關(guān)性較高外，空間分布的相關(guān)性并不大，且改變灌水量并不能提高兩者相關(guān)性。

表1 各處理含水率與硝態(tài)氮含量相關(guān)性分析

3 討 論

將水和肥控制在作物主要根系分布區(qū)域內(nèi)以提高作物的水肥利用效率是灌溉調(diào)控的理想條件。滴灌條件下，灌溉水以點(diǎn)源入滲的形式從根系附近徑向擴(kuò)散到土壤中[13]，通過控制灌溉水量可避免水分的深層滲漏，滴灌系統(tǒng)的可控性為少量多次的灌溉制度提供了可能[14]。水分的空間分布特征主要表現(xiàn)為滴頭正下方含水率最高，甚至形成一個(gè)穩(wěn)定的飽和區(qū)，土壤含水率自飽和區(qū)向外徑向減?。粷駶欝w一般為橢球體，其形狀取決于土壤質(zhì)地，但通過灌溉制度優(yōu)化，一般均可實(shí)現(xiàn)濕潤體與主要根系分布區(qū)域重合[15]。但在本試驗(yàn)中，土壤含水率分布并沒有較為明顯的規(guī)律性，這可能是由于試驗(yàn)供試土壤為風(fēng)沙土，田間持水量僅12%，土壤保水性差，土壤含水率低，即使是少量的作物根系吸水或土壤蒸發(fā)都會(huì)引起含水率的明顯變化[16]，導(dǎo)致土壤水分分布不均，尤其距滴頭水平距離0～20 cm是玉米根系主要分布區(qū)域，含水率反而低于其他區(qū)域，增加灌水量可提高滴頭下方含水率，如灌水量最大的IR5處理，滴頭正下方局部含水率較高。試驗(yàn)中土壤含水率有明顯的分層現(xiàn)象，且表層土壤含水率高于下層土壤，這是由于膜下滴灌覆膜改變了土壤水分運(yùn)動(dòng)路徑導(dǎo)致，土壤水分在高溫作用下蒸發(fā)，地膜阻礙了水汽進(jìn)入大氣，停留在表層土壤中[17]；而當(dāng)灌水量較大時(shí)，土壤水分在土壤吸力和壟溝蒸發(fā)力的作用下向壟溝方向運(yùn)動(dòng)，越來越偏離水源點(diǎn)(滴頭)[18]。根據(jù)玉米根系分布特點(diǎn)，水分集中于上層有利于根系吸收，但水平方向水分向壟溝運(yùn)動(dòng)則不利于根系吸水，因此，根據(jù)試驗(yàn)土壤水分含量和分布特征，以處理IR2，IR3或IR4為宜，即需水系數(shù)取0.6～1.0。

水是養(yǎng)分的溶劑和載體，養(yǎng)分在土壤中隨水遷移，但這只能說明水分可改變養(yǎng)分分布，并不能說明水肥分布具有一致性，研究結(jié)果也表明土壤含水率較高或較低的區(qū)域均可能出現(xiàn)較高的土壤養(yǎng)分含量，前者是由于肥液濃度高[19]，后者是由于水分蒸發(fā)或被根系吸收，養(yǎng)分在土壤中累積[20]。普遍認(rèn)為制定灌溉制度時(shí)，灌水量不宜過大，養(yǎng)分尤其是硝態(tài)氮容易被淋失到根系層以下[21]，本試驗(yàn)結(jié)論與前人一致，剖面土壤硝態(tài)氮含量隨著灌溉水量的增加先增大后減小，需水系數(shù)大于0.8時(shí)即可能導(dǎo)致硝態(tài)氮淋失。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮在剖面的局部區(qū)域集聚并向遠(yuǎn)離滴頭的位置偏移，這是由于風(fēng)沙土保水保肥性差，未能形成穩(wěn)定的濕潤體，硝態(tài)氮隨著水分遷移，當(dāng)灌水量少時(shí)，運(yùn)動(dòng)距離短，一部分被根系吸收，另一部分在根系吸水后集聚在根系附近；隨著灌水量增加，集聚區(qū)偏離滴頭更遠(yuǎn)；當(dāng)灌溉水量偏大時(shí)，如IR5處理，硝態(tài)氮運(yùn)移到壟溝位置，一部分在水分蒸發(fā)后集聚到表層土壤[17]，一部分繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到深層土壤中。此外，由于覆膜作用，土壤水分在表層積累時(shí)，隨水運(yùn)動(dòng)的硝態(tài)氮也出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象[18]。同樣，硝態(tài)氮的在上層土壤中的累積有利于作物生長，而綜合硝態(tài)氮在剖面的分布特征，以處理IR3為宜。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)表明通過改變灌水量能夠調(diào)控土壤水分和硝態(tài)氮在土壤中的含量和分布，主要結(jié)論如下。

(1)不同灌水量處理土壤剖面含水率均在4%～10%之間，均值變化幅度僅1.3%，變異系數(shù)從低灌水量處理的0.22增加到高灌水量的0.34。增大灌水量不能增加土壤的蓄水量，反而增加土壤水分分布的不均勻性。水平方向上，灌水量對(duì)0～20 cm范圍內(nèi)土壤含水率影響較大，且灌水量越大，水分運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)；在垂直方向上，土壤水分在表層積累，0～30 cm土層是土壤水分主要分布層。

(2)風(fēng)沙土土壤中，硝態(tài)氮含量較低，在10～25 mg/kg之間，分布不均勻，有明顯的集聚；隨著灌溉水量的增加，土壤中硝態(tài)氮含量先增大后減小，IR3處理含量最大，達(dá)到19.5 mg/kg；同時(shí)硝態(tài)氮集聚區(qū)隨著灌水量的增加而離滴頭越來越遠(yuǎn)，甚至運(yùn)動(dòng)到根層以下。水平方向上，灌水量越大，硝態(tài)氮含量峰值距離滴頭位置也越遠(yuǎn)；垂直方向上，硝態(tài)氮有明顯的表聚現(xiàn)象，灌水量增加有利于提高各層硝態(tài)氮含量，但同時(shí)也增加了根層以下土壤硝態(tài)氮含量。

(3)灌水量是影響土壤硝態(tài)氮含量的主要因素之一，但土壤含水率與土壤硝態(tài)氮除表現(xiàn)為以正相關(guān)為主，在垂向分布上相關(guān)性較高外，空間分布的相關(guān)性并不大，且改變灌水量并不能提高兩者相關(guān)性。

綜上結(jié)論，在風(fēng)沙土地區(qū)利用滴灌灌溉玉米時(shí)，為了更好地將土壤水分和養(yǎng)分控制在根系分布層內(nèi)，推薦灌溉制度計(jì)算公式中的需水系數(shù)取0.8。