程奇云，馬娟娟，任 榮，鄭利劍，郭向紅，孫西歡,2

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引 言

土壤氮素包括多種氮素形態(tài)，其中土壤礦質(zhì)氮是植物可以直接吸收的速效氮素[1]。土壤礦質(zhì)氮的分布受多種因素影響，灌溉方式和施肥方式均會(huì)對土壤礦質(zhì)氮素的分布產(chǎn)生顯著影響[2-5]。土壤氮素會(huì)隨灌溉水及雨水的入滲而向土壤深層遷移，產(chǎn)生氮素的淋失[6]，而表層氨氮的積累會(huì)增大氨揮發(fā)的潛力，引發(fā)氮的氣態(tài)損失[7]。此外，施肥管理方式對土壤氮素及作物產(chǎn)量有顯著影響[8,9]。因此，通過調(diào)整灌溉及施肥方式促使土壤礦質(zhì)氮集中于作物的根系吸收層可以顯著減少肥料氮素的損失，促進(jìn)植物對氮素的吸收。蓄水坑灌法是一種新型中深層灌溉方式，與傳統(tǒng)地面灌溉方式相比，可以有效促進(jìn)水氮集中于果樹根系吸收層[10,11]。但是，不同施肥管理方式下，土壤礦質(zhì)氮及肥料氮素的分布規(guī)律仍不夠明確。

因此，本研究通過蘋果園原位試驗(yàn)，研究不同施肥管理方式下，土壤礦質(zhì)氮在土壤中的分布規(guī)律。同時(shí)，利用15N同位素示蹤技術(shù)，對施用的氮肥進(jìn)行標(biāo)記，探尋肥料氮素在土壤中的分布規(guī)律。為蓄水坑灌條件下，蘋果園氮肥施用管理方法的優(yōu)選提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概述

本試驗(yàn)于2018年4月至9月在山西省農(nóng)科院果樹研究所節(jié)水灌溉示范園(112°32′E，37°23′N)內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)地多年平均氣溫為9.8 ℃，多年平均降雨量為460 mm，全年無霜期為175 d，屬典型暖溫帶大陸性半干旱氣候，試驗(yàn)期間月平均降雨量及平均氣溫如圖1所示。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤容重為1.47 g/cm3，田間持水量為24.79%。土壤有機(jī)質(zhì)含量為11.79 g/kg，土壤全氮量為1.01 g/kg，全磷含量為0.57 g/kg，全鉀含量為19.43 g/kg，有效氮含量為53.92 mg/kg，pH值為8.12。

圖1 試驗(yàn)期間降雨及氣溫狀況Fig.1 Precipitation and temperature during experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對象為7 a生矮砧紅富士蘋果樹，南北走向種植，株行距2 m×4 m。試驗(yàn)根據(jù)灌溉方式及施肥管理方式分為4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，具體處理設(shè)計(jì)如表1所示。其中，地面灌溉方式采用傳統(tǒng)地面畦灌；蓄水坑灌處理中，單株果樹設(shè)置4個(gè)蓄水坑，坑深40 cm，坑口直徑30 cm，坑口未覆蓋(見圖2)。灌水上下限為田間持水量的60%至90%，灌溉量及灌溉時(shí)間根據(jù)實(shí)際田間含水量與灌水上下限進(jìn)行計(jì)算確定，實(shí)際田間含水量采用TDR(TRIME-PICO 德國)進(jìn)行測量。

圖2 蓄水坑灌示意圖Fig.2 Sketch of water storage pit irrigation

表1 處理設(shè)計(jì)Tab.1 Design of treatments

施肥管理方式根據(jù)施肥次數(shù)及施肥總量分為3組，單次施肥處理為5月24日一次性施入全部肥料；兩次施肥處理為5月24日和7月19日各施入一半肥料。肥料為尿素，其中15N標(biāo)記的尿素(上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)，豐度10.22%)占總施入尿素的2.63%。其他日常田間管理與當(dāng)?shù)毓麍@情況一致。

1.3 測試指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤樣品的采集

土壤樣品利用土鉆在距樹干60 cm處采集，采集深度為160 cm，每20 cm取一土壤樣品，在每次施肥后第1、7和15 d采集土樣，此外，于7月18日另采集一次，共采樣7次。

1.3.2 土壤礦質(zhì)氮測定

土壤氨態(tài)氮和硝態(tài)氮使用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀(SEAL,德國)進(jìn)行測定。稱取5 g土壤樣品，置于錐形瓶中，并加入50 mL的KCI溶液(1 mol/L)，振蕩30 min，抽取浸提液測試。

1.3.3 土壤氮同位素測定

將適量采集的土壤樣品進(jìn)行風(fēng)干，之后過100目篩子。稱取30 mg風(fēng)干的土壤樣品，采用DELTA V Advantage 同位素質(zhì)譜儀(Thermo, 德國)進(jìn)行測定。

1.3.4 產(chǎn)量及品質(zhì)

對不同處理果實(shí)分別采收并計(jì)算產(chǎn)量。果實(shí)品質(zhì)檢測指標(biāo)包括：果實(shí)硬度，可溶性固形物，單果重和果形指數(shù)。果實(shí)硬度采用GY-1果實(shí)硬度計(jì)(艾普計(jì)量儀器，中國)測定，可溶性固形物采用PAL-1 便攜式測定儀(Atago,日本)測定，單果重采用JA1003電子天平(力辰科技，中國)測定，采用游標(biāo)卡尺(蘇測，中國)測量果實(shí)橫徑和縱徑并計(jì)算出果形指數(shù)。每個(gè)檢測指標(biāo)重復(fù)測量3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，采用IBM SPSS Statistics 23.0軟件進(jìn)行LSD方法(p<0.05)下單因素ANOVA分析，采用origin9.0繪制圖表。

15N同位素相關(guān)計(jì)算公式如下[12,13]：

(1)

式中：NDFF為來源于肥料的氮素含量，kg/kg；自然豐度為0.366%。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對土壤礦質(zhì)氮分布的影響

根據(jù)土壤環(huán)境的不同，尿素水解所需時(shí)間為7～15 d不等[14]。因此，本試驗(yàn)結(jié)合施肥后土壤溫度及土壤水分含量狀況，采用施肥后14 d土壤樣本對土壤礦質(zhì)氮含量進(jìn)行研究。

如圖3所示，對于不同施氮量，土壤氨氮含量均于地表下40 cm和100 cm出現(xiàn)峰值。但是，相較于低氮處理(T1)，高氮處理(T2)40 cm處氨氮的含量出現(xiàn)明顯增長，增長量將近1倍；而100 cm處的氨氮并未出現(xiàn)明顯變化。而土壤硝氮含量則均呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，低值區(qū)均為地表下60～120 cm處，然而，隨施氮量增加，除40 cm土層，土壤硝氮含量值均出現(xiàn)明顯增長，高氮處理(T2)土壤硝氮含量普遍比低氮處理(T1)增長2～3倍。這表明，施氮量的變化主要影響0～60 cm土層氨氮的含量，較多的施肥量明顯提高0至60 cm土層氨氮含量，有研究表明淺層土壤氨氮的增加會(huì)提升氨氣揮發(fā)的潛力[15]。此外，施氮量的增加還會(huì)明顯增加土壤硝氮的含量，并且對各土層的硝氮含量有不同程度的影響。

圖3 不同施氮量下土壤礦質(zhì)氮分布Fig.3 Distribution of soil mineral nitrogen with different fertilization

2.2 施肥次數(shù)對土壤礦質(zhì)氮的影響

由圖4可知， 一次施肥處理(T1)下土壤氨氮累積量隨時(shí)間逐步減小，且減小速率由快逐漸減慢。兩次施肥處理(T3)下土壤氨氮累積量先逐漸減小，而后在第二次施肥(7月19日)后明顯上升，然后逐步下降。一次施肥處理(T1)下土壤硝氮累積量總體隨時(shí)間逐步增加。兩次施肥處理(T3)下土壤硝氮累積量呈單峰形式，在第二次施肥(7月19日)前，與一次施肥處理差異并不明顯，而在施肥后第7 d(7月26日)，各處理的硝氮累積量均出現(xiàn)明顯上升，而后一次施肥處理(T1)基本穩(wěn)定，兩次施肥處理(T3)則出現(xiàn)明顯回落。對于兩處理施肥后第7天的明顯硝氮上升，可能是由于7月下旬土壤溫度、土壤含水率及土壤氧氣含量等土壤環(huán)境適宜土壤硝化反應(yīng)，促進(jìn)了土壤硝氮的累積，而T3處理出現(xiàn)的更大幅度的硝氮累積，則與第二次施肥有明顯相關(guān)，施肥提高了土壤氨氮的含量，為硝化反應(yīng)提供了充足的反應(yīng)物，進(jìn)而出現(xiàn)更明顯的硝氮積累。表明在總施肥量相同的情況下，分次施用可以有效減少氨氮的過量累積，減少土壤氨揮發(fā)的潛力，同時(shí)對土壤硝氮含量有一定程度提升。

圖4 施肥次數(shù)對土壤礦質(zhì)氮累積量的影響Fig.4 Accumulation of soil mineral nitrogen with different fertilizer times

2.3 灌溉方式對土壤礦質(zhì)氮的分布影響

由表2可知，在傳統(tǒng)地面灌溉條件下，土壤氨氮主要集中于淺層土壤，占比54.47%，而土壤硝氮?jiǎng)t分布較為平均。對于蓄水坑灌，土壤氨氮?jiǎng)t主要集中于土壤中層，占比52.87%，土壤硝氮呈現(xiàn)類似的分布規(guī)律，主要集中于中層土壤，占比56.06%。有研究表明，蘋果樹主要吸收根系集中于地表下40～80 cm附近[16]，即土壤中層，因此，在本研究條件以及相同施肥管理方式下，蓄水坑灌法促進(jìn)土壤礦質(zhì)氮集中于土壤中層，可以提供給果樹更充足的礦質(zhì)氮。

表2 不同灌溉方式下土壤礦質(zhì)氮含量及分配比例Tab.2 Soil mineral nitrogen content and distribution ratio with different irrigation methods

2.4 肥料氮素分布

利用15N同位素示蹤技術(shù)，對不同土層中來自所施用肥料的氮素進(jìn)行追蹤，并計(jì)算肥料氮素的分配情況如圖5所示。由圖5可知，地面灌溉條件下，肥料氮素主要集中于0～60 cm土層中，占比94.1%。其中，0～40 cm淺層土壤肥料氮素占全部土壤肥料氮素的58.62%，40～60 cm土壤中肥料氮素占比35.48%。在相同施肥管理?xiàng)l件下，蓄水坑灌處理中，肥料氮素明顯擴(kuò)散至表土下100 cm附近，0～100 cm土壤中肥料氮素占比95.75%，其中，0～40 cm淺層土壤肥料氮素占全部土壤肥料氮素比例為27.05%，40～60 cm土壤中肥料氮素占比34.55%，60～80 cm土壤中肥料氮素占比12.26%，80～100 cm土壤中肥料氮素占比21.89%。表明，相較于傳統(tǒng)地面灌溉，蓄水坑灌可以有效促使肥料氮素?cái)U(kuò)散至果樹根系集中區(qū)，同時(shí)，顯著減少0～40 cm淺層土壤肥料氮素累積，有助于減少氨揮發(fā)引起的氮素氣態(tài)損失。

圖5 肥料氮素在不同土層中的分布Fig.5 Distribution of fertilizer nitrogen in different soil layers

2.5 不同灌溉施肥管理下蘋果的產(chǎn)量

不同處理中產(chǎn)量差異顯著。在蓄水坑灌處理中，兩次施肥處理(T3)的產(chǎn)量明顯高于其他處理。對于一次施肥的處理，隨著施氮總量的增加，產(chǎn)量出現(xiàn)顯著下降(T1,T2)。在相同的施肥管理下，蓄水坑灌處理(T3)的產(chǎn)量比地面灌溉處理(SI)高13.7%，如表3所示。

表3 蘋果產(chǎn)量及品質(zhì)Tab.3 Apple yield and quality

在蘋果品質(zhì)中，可溶性固形物含量存在顯著差異，而果實(shí)硬度，單果重，果形指數(shù)的差異并不顯著。在蓄水坑灌處理中，兩次施肥(T3)的可溶性固形物含量比單次施肥(T1)高14.6%。然而，隨著施氮總量的增加，可溶性固形物含量并無顯著性差異(T1,T2)。在相同施肥管理下，蓄水坑灌處理(T3)的可溶性固形物比地面灌溉處理(SI)高29.8%。

研究表明，相較于傳統(tǒng)地面灌溉，蓄水坑灌可以顯著提高產(chǎn)量及果實(shí)可溶性固形物含量；此外，在相同施肥管理?xiàng)l件下，分次施肥可以有效提高產(chǎn)量及果實(shí)可溶性固形物含量。

3 結(jié) 論

(1)蓄水坑灌條件下，施肥量的增加明顯提高0～60 cm土層氨氮含量和80～160 cm土層硝氮含量；而分次施用可以有效減少氨氮的大量累積，減少土壤氨揮發(fā)的潛力，同時(shí)也可以在一定程度上增加硝氮含量。傳統(tǒng)地面灌溉條件下，土壤氨氮主要集中于淺層土壤，占比54.47%，而土壤硝氮?jiǎng)t分布較為平均；蓄水坑灌條件下，土壤氨氮和硝氮均主要集中于土壤中層，分別占比52.87% 和56.06%。蓄水坑灌法促進(jìn)土壤礦質(zhì)氮集中于蘋果根系吸收層。

(2)地面灌溉條件下，肥料氮素主要集中于0～60 cm土層中，占比94.1%。蓄水坑灌處理中，肥料氮素明顯向下擴(kuò)散，0～100 cm土壤中肥料氮素占比95.75%。相較于傳統(tǒng)地面灌溉，蓄水坑灌可以有效促使肥料氮素?cái)U(kuò)散至中層土壤，顯著減少0～40 cm淺層土壤肥料氮素累積。

(3)相較于地面灌溉，蓄水坑灌可以有效提高產(chǎn)量，約13.7%。同時(shí)，可以提高可溶性固形物含量，約29.8%。