水肥一体化滴灌条件下氮素在土壤中的时空分布特征

王旭洋， 范兴科

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 3.中国科学院大学，北京 100049)

0 前 言

对于农业生产，充足的养分供给是作物高产的基本保障。化肥具有投入少，见效快的特点，因此越来越多的化肥被投入到了农田系统中用于追求作物更高产量。过量投入化肥不仅造成氮素流失，浪费大量肥力和资金，而且导致水体富营养化，污染环境，危害人畜健康，破坏水域中的生态平衡[1-4]。相比传统的施肥灌溉方式，基于滴灌技术的水肥一体化灌溉施肥方法，可按作物的需水需肥规律将水肥直接供应到作物根系附近的土壤中，减少了水肥在运输过程中的损耗，提高了水肥利用效率[5]，可以实现水分和养分在时间上同步，空间上耦合，具有节水、节肥、高产、高效的功效。

随着水肥一体化技术的广泛普及，大多数国内外学者研究了在滴灌条件下设置不同施氮梯度，以及水肥不同混合比例等条件对作物生长，产量以及品质的影响[6-8]，偏重于作物生长过程中的施肥制度研究，而对于滴灌条件下肥力在土壤中的时空分布研究相对较少。氮素是植物必需的大量元素之一，通常植物在生长过程中吸收的氮素要高于其他矿质元素，因而氮素常成为限制植物生长的主要元素[9]，同时多数植物在生长过程当中吸收的氮主要是NO-3-N和NH+4-N[10]，因此研究滴灌条件下NO-3-N和NH+4-N的时空分布，可以更加直观的了解水肥运移变化规律及其时空分布特点，为水肥一体化灌溉过程中灌水施肥制度的研究制定，提高灌溉施肥的利用效率和生产效率提供科学依据。

1 试验方法与方案设计

1.1 试验方法

本试验采取单点原滴水施肥模拟滴灌条件下的水肥一体化灌溉施肥过程。试验用大塑料桶顶部直径50 cm，底部直径 40 cm，高 58 cm，滴头固定在桶顶中心位置。供试土壤为中壤土，土壤容重为1.40 g/cm3，风干土重量含水率为3%，田间持水率为24%(重量含水率)，试验土壤肥力本底值为：初始硝态氮含量为28.57 mg/kg，铵态氮含量为 3.23 mg/kg。根据试验目的和条件，设计计划湿润层深度为30 cm，湿润半径为20 cm。按照常规施肥量的标准，本次设计施肥量为20 g尿素，灌水量8 L。

1.2 试验设计

土料经风干、碾细、过筛(筛孔径为2 mm)，分层装土50 cm。将20 g尿素溶于8 L水中，待混合均匀，采用滴灌的方式将水肥施于土壤中，滴头流量控制在2 L/h，滴灌总历时4 h。试验设计3个重复，试验结束后定时采取土样进行养分分析，取样时间分别为滴灌结束后1，3，5，7 d，取样点分别距离入渗点横向距离为5，15，20 cm处；距地表纵向为0～5，5～15，15～25，25～35 cm处；为了保持土样氮素稳定，所取土样先密封冷藏，最后统一进行样品处理：经研磨过筛(2 mm细筛)后每个样称取5 g，以1 mol/L KCL溶液为浸提液，土水质量比1∶10 浸提，再经震荡处理后过滤，滤液用流动分析仪来测定样品NO-3-N和NH+4-N含量。

1.3 试验数据

所测试验数据用Sigmaplot绘制等值线图，并结合Excel对硝态氮与铵态氮含量进行单因素方差分析。

2 试验结果与分析

2.1 NO-3-N含量在土壤湿润体内的时空分布特征

滴灌施肥结束后，将土壤湿润体内距施肥点不同距离处所取土样养分测试结果绘制NO-3-N和NH+4-N等值线图，NO-3-N含量在土壤湿润体内的时空分布如下图1所示。从图1可以看出，在空间上分布，整个土壤湿润体内NO-3-N的含量均高于灌水前的28.57 mg/kg，且NO-3-N含量最高值主要集中在滴头附近，即0～15 cm土层和水平方向0～15 cm范围内，表现出明显的表聚性。NO-3-N含量在垂直方向从上至下呈下降趋势，水平方向随着离开滴头距离的增大也相应呈下降的趋势。

图1 土壤剖面中NO-3-N含量等值线分布图Fig.1 The contour map of NO-3-N in soil profile

表1是同一天不同位置硝态氮含量单因素方差分析结果，Sig.<0.01，表明不同位置硝态氮含量差异极显著，表2是各位置不同时间硝态氮含量单因素方差分析结果，Sig.<0.01，表明不同时间硝态氮含量差异极显著。由图2可知，随着时间的推移，土壤湿润体内NO-3-N的含量表现为先增大后减小的趋势，第5 d达到最高。以土壤剖面中(5,5)，(15,15)，(20,35)3个点为例，(5,5)表示距离滴头水平距离5 cm，纵深5 cm，其余意义相同，从图2中可以看出，灌溉施肥结束后从第1 d到第7 d土壤湿润体内NO-3-N的含量变化过程从第1 d到第3 d，土壤湿润体内NO-3-N的含量缓慢增大，第3 d到第5 d， NO-3-N的含量迅速增大，但第5 d以后又开始逐渐减小，且距离施肥点越近，如(5,5)点处，变化幅度越大，增幅达到63%，距离施肥点越远，如(20,35)点处，变化幅度越小，增幅不足11%。说明尿素进入土壤之后，按照本次试验的施肥量，转化为NO-3-N一般需要5 d左右的时间。

表1 同一天不同位置硝态氮含量单因素方差分析结果Tab.1 NO-3-N in different locations on the same day by single factor variance analysis

2.2 NH+4-N含量在土壤湿润体内的时空分布特征

灌水施肥过程结束后，土壤中NH+4-N含量的时空分布如图3所示。从图3中可以看出，相对于NO-3-N，NH+4-N在土壤湿润体内的含量总体比较低，而且呈现逐渐降低的趋势。在灌水施肥过程结束后前3 d，NH+4-N主要集中在湿润体内从施肥点到(20，25)cm土层范围内，施肥点附近的NH+4-N含量相对较高，从施肥点向外，NH+4-N的含量逐渐减少，但第3 d以后，特别是从第5 d到第7 d，土壤湿润体内NH+4-N的含量迅速降低，最大含量只有2.0 mg/kg左右，不过在地表土壤湿润体边缘处NH+4-N的含量高于施肥点及湿润体中心部分。

表2 各位置不同时间下硝态氮含量单因素方差分析结果Tab.2 NO-3-N in same locations on different day bysingle factor variance analysis

图2 不同位置NO-3-N含量随时间变化曲线图Fig.2 The diagram of NO-3-N in different positions by time changes 注：图2中不同小写字母abc表示同一天不同位置含量在0.05水平差异显著，不同大写字母ABC表示同一位置不同时间含量在0.05水平差异显著(Duncan法，下同)。

图3 土壤剖面中NH+4-N含量等值线分布图Fig.3 The contour map of NH+4-N in soil profile

表3是同一天不同位置硝态氮含量单因素方差分析结果，Sig<0.01，表明不同位置硝态氮含量差异极显著，表4是各位置不同时间硝态氮含量单因素方差分析结果，Sig.<0.01，表明不同时间硝态氮含量差异极显著。图4是土壤湿润体剖面中距施肥点(5,5)，(15,15)，(20,35)位置处NH+4-N含量随着时间变化的过程线图，从图4可以看出，在灌水施肥结束后的1～3 d, 土壤湿润体内NH+4-N含量基本上都高于土壤灌水施肥前的3.23 mg/kg，但到第5 d后，土壤湿润体中NH+4-N的含量甚至低于灌水施肥前的水平。

表3 同一天不同位置铵态氮含量单因素方差分析结果Tab.3 NH+4-N in different locations on the same day by single factor variance analysis

从NH+4-N在土壤湿润体内含量的变化特点可以发现，NH+4-N是一个很不稳定的氮素因子，其含量在土壤湿润体中的分布变化较大，存在时间相对较短，这是由于NH+4-N在水分充足的条件下会发生水解硝化作用，NH+4-N发生硝化作用的结果使得铵态氮在土壤中含量减少, 转化为硝态氮[11]，另外一部分NH+4-N经氨化作用转化为NH3而挥发散失，所以消减的特别快，而且存留量很少，以至于低于灌水施肥前风干土中NH+4-N的含量。

表4 各位置不同时间下铵态氮含量单因素方差分析结果Tab.4 NH+4-N in same locations on different day by single factor variance analysis

图4 不同位置NH+4-N含量随时间变化曲线图Fig.4 The diagram of NH+4-N in different positions by time changes

综合上述土壤湿润体中NO-3-N和NH+4-N含量的时空变化特征可以看出，在水肥一体化(水肥同施)条件下，灌溉施肥过程结束后的第1 d到第3 d，土壤湿润体中NO-3-N的含量缓慢提高，而土壤湿润体中NH+4-N含量却缓慢降低，但第3 d到第5 d，土壤湿润体中NO-3-N的含量快速提高，同时土壤湿润体中NH+4-N含量也是快速降低，甚至低于灌水施肥前的含量，NO-3-N与NH+4-N含量之间存在明显的此消彼长关系，尤其在第3 d与第5 d之间NH+4-N含量递减率为93.10%，NO-3-N含量增长率为38.49%，此后土壤湿润体中NO-3-N和NH+4-N含量都表现出缓慢降低的趋势。表明在水肥同时条件下的，氮肥在第3 d硝化作用最强，而土壤中部分硝态氮正是由铵态氮经硝化作用转化而来。同时表明，在水肥一体化灌溉条件下，氮肥(尿素)分解后产生的NO-3-N和NH+4-N中，NO-3-N相对比较稳定，在土壤中存在的时间较长，不过，从第5 d以后，其含量也在降低，而NH+4-N则不是很稳定，会通过硝化作用转化成NO-3-N。由此可见，土壤中的NO-3-N被作物利用的效率较高，而NH+4-N被作物利用的效率较低。

3 结 语

(1)在水肥一体化滴灌条件下，水肥同施，灌水施肥(尿素)过程结束后，氮素中的NO-3-N和NH+4-N在土壤湿润体内空间的分布特征与滴灌刚结束后湿润体内土壤含水量的分布具有一致性，总体表现为灌水施肥点处的含量较高，由灌水点向外，随着距离的增大，氮素的含量逐渐减小，在土壤湿润体的边缘，即湿润锋处，氮素的含量最低。另一方面，土壤湿润体内NH+4-N的含量始终低于NO-3-N的含量。

(2)灌水施肥结束后，氮素中的NO-3-N和NH+4-N在土壤湿润体内的含量随时间的延长其分布特征表现为：NO-3-N的含量先增大后减小，到第5 d时含量达到最大，此后含量开始降低。而NH+4-N的含量相对较低，而且一直在减小，特别是在第3 d以后迅速减小，到第5 d时湿润体内NH+4-N的含量甚至低于灌水前风干土的含量，说明在土壤含水量较高的条件下NH+4-N容易发生水解消化，一部分可能转化为NH3挥发，另一部分可能转化为NO-3-N。由此表明，对于氮肥(速效肥)而言，每次的使用量不宜太多，其含量超出作物的吸收能力时利用效率将会降低。

基于上述研究结果，在实际生产中可以参照水肥一体化滴灌条件下氮素分布的特点，结合作物的需水规律和不同生育期根系的分布规律，实现精准施肥，使氮素养分较好的集中在作物根系附近，再依据氮素随时间变化规律，确定适宜的施肥时间，从而真正提高水肥利用效率。

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