不同灌溉方式对枣树根区土壤速效养分赋存及空间异质性的影响

侯晓华，朱耀辉，李发永，夏梓洋，孟宪刚，贾宏坤

(塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

新疆由于气候干旱，水资源极度匮乏，该问题在南疆尤为突出[1-3]。近年来由于南疆种植结构调整，枣树种植业异军突起[4]，但还缺乏与之相应的水肥调控技术，水资源浪费严重。对枣树节水灌溉条件下养分的赋存、运移规律及空间变异特性方面的研究还较少，由于枣树滴灌和棉花膜下滴灌的差异，不能简单地将棉花传统的膜下滴灌施肥技术在枣树上加以套用，不合理的水肥管理导致肥料的累积和流失[5]，从而引起不必要的环境污染[6,7]。

1 试验设计

1.1 试验区概况

试验区位于新疆阿拉尔市塔里木大学水利与建筑工程学院节水灌溉试验基地。属于沙漠绿洲农业区，气候类型为大陆性干旱气候，年均降水量53.3 mm，年均蒸发量1 969.4 mm。年均气温10.8 ℃，日照时间2 905 h，太阳总辐射量578.125 J/cm2，风沙浮尘天气较多，无霜期210 d。土壤以沙壤土为主，土壤初始理化学性质(0～80 cm土层平均值)及土壤机械组成见表1和表2。

1.2 试验设计

1.2.1 供试材料

供试材料为6年生枣树(骏枣，Ziziphus zizyphus)，以酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa)为砧木嫁接而成，行距为2.0 m，株距1.0 m，株高在1.5～2.0 m之间。生育期从4月中下旬至10月上中旬，180 d左右。

表1 供试土壤理化性质Tab.1 Physico-chemical properties of tested soil

表2 供试土壤(0～80 cm)机械组成Tab.2 Soil mechanical composition in 0～80 cm of test soil

注：按美国农业部(USDA)制划分。

1.2.2 小区设置及田间管理

本试验分别选择地面灌和滴灌年限为5年的枣田(枣树嫁接后第一年为地面灌，未划分处理，滴灌试验从第二年开始)。滴灌为采用当地常用的单翼迷宫式滴灌带，每个田块随机设置3个重复，每个处理小区面积为50 m2，小区为矩形，东西走向，长宽10 m×5 m，各小区之间设置2 m的隔离带。滴灌带铺设在距枣树树干10 cm处；常规处理灌水定额为150 m3/667 m2，全生育期灌水6次，其中新梢生长期1次，花期2次，果实膨大期2次，果实成熟期1次。生育期结束后冬灌1次，全年灌溉定额为1 050 m3/667 m2；滴灌处理灌水定额为20 m3/667 m2，全生育期灌水16次，其中萌芽前期1次，新梢生长期2次，花期6次，幼果期2次，果实膨大期4次，果实成熟期1次，生育期结束后冬灌(常规灌)1次，全年灌溉定额为470 m3/667 m2，采用水表记录单次灌水量。

有机肥(主要为鸡粪)施入方式为穴施，3月底在距枣树根区30 cm处挖深度20 cm浅坑施入并覆土，无机肥(三元复合肥，氮磷钾配比为：2∶1∶1，总养分>40%)施入主要集中在五月、六月、七月以及八月4个需水关键期。地面灌试验区将复合肥在枣树根区20 cm处挖坑穴施后再进行灌水，滴灌试验区随水滴施，滴灌和地面灌处理施肥量相同。施肥总量为2 250 kg/hm2，全生育期施肥3次，施肥周期以枣树生育期为主，花期1次，幼果期1次，果实膨大期1次，单次施肥量为750 kg/hm2。采样期间滴灌和地面灌各有1次灌水，无施肥，枣树生育期内常规灌和滴灌的农艺措施一致，采样期内无有效降雨。

1.2.3 根区土壤取样方法

本试验分别于2017年4月10日和2017年5月20日两次采集土样。滴灌和地面灌处理均采用土钻取土法进行土样采集，每个处理随机选取3棵具有代表性的枣树(重复3次)。其中，滴灌处理第一次取土在距枣树滴灌滴头处水平距离分别记为0、10、20、40、60、80 cm处和垂直深度0～10、10～20、20～40、40～60、60～80，80～100 cm处进取土(见图1)，地面灌无滴灌管带铺设，采样位置与滴灌相同，第二次取土深度为0～80 cm，水平距离0～60 cm，土层间隔与第一次取土相同；地面灌处理则在距树干15 cm处作为第一个采样点，往水平方向采样，采样间隔和方法与滴灌相同。第一次采集样品216份，第二次采集样品150份。将取好的土样带回实验室，风干后过2 mm筛，剩余土样放入冰箱4 ℃保存。硝态氮测定样品为鲜土样，其他指标测定均为干土样。

图1 大田土壤取样示意图(单位：cm)Fig.1 Schematic diagram of field sampling

1.2.4 相关指标测定方法

采用碳酸氢钠浸提—钼蓝比色法测定土壤有效磷[21]，采用分光光度法测定土壤硝态氮[22]，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮[23]，采用火焰光度法测定速效钾[24]。

1.2.5 数据分析

试验数据采用Microsoft Office Excel、sufer11.0、SPPS 22.0进行处理、分析，变异系数CV=SD/MN，其中：SD为标准偏差、MN为平均值。

2 结果分析

2.1 不同灌溉方式对土壤硝态氮分布特征及空间变异的影响

图2、3反映了滴灌和地面灌下土壤硝态氮的二维分布状况。枣树根区(滴头附近)土壤硝态氮随深度的增加而逐渐减少，水平方向则随着与根区间距的增加逐渐升高。枣树生育期开始阶段，滴灌枣树和地面灌枣树根区土壤硝态氮的含量具有一定的相似性，即均在40 cm以下土层深度形成“亏缺区”，亏缺区域与枣树侧根分布形状十分相似。且各土层土壤硝态氮含量较低，均低于10 mg/kg。可能是枣树越冬期根际土壤微生物处于休眠阶段，硝化细菌硝化作用微弱，土壤以上一年残留氮素为主，萌芽期，枣树自身对硝态氮开始急剧增加，导致土壤硝态氮亏缺，20 cm以下为枣树侧根和吸收根较发达的区域，硝态氮亏缺最严重。此时，硝态氮含量在水平方向上60 cm处有个峰值，此处正好处于枣树行间条带正中位置。虽然处于两棵枣树根系交错区，但调查发现，该区域以二级侧根和毛细根为主，由于二者休眠期二级侧根和吸收根系的死亡，此处，对土壤氮素的利用较弱，硝态氮残余量高，且滴灌枣树的临界峰值大于地面灌。

枣树进入新梢生长期后(图3)，表现为土壤硝态氮含量普遍增高，40 cm以上土层升温快，硝态氮含量最高，滴灌40～60 cm出现“亏缺区”，硝态氮含量多在6 mg/kg以下，地面灌则在60～80 cm 出现“亏缺区”，硝态氮含量均在8 mg/kg以下。这从另一方面也反映了滴灌和地面灌枣树根系的差异，滴灌时表层土壤水分含量高，硝态氮累积量也高，滴灌枣树吸收根系与地面灌相比，吸收根上浮，表现为硝态氮“亏缺区”上浮。

图2 滴灌和漫灌土壤硝态氮的二维分布图(第一次采样)Fig.2 Two-dimensional distribution of nitrate nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

图3 滴灌和地面灌土壤硝态氮二维分布图(第二次采样)Fig.3 Two-dimensional distribution of nitrate nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

硝态氮由于易受土壤水分影响在土壤中的空间变异性较大(表3)。其在土壤中的含量除受水分影响外也受作物根系分布影响。滴灌时，土壤水分空间变异性也比地面灌大，滴头附近土壤水分含量较高，随着湿润体下移，土壤水分含量减少，硝态氮含量也逐渐减少，变异系数也有所降低，这与马腾飞等[25]的研究出的滴灌各施肥处理硝酸盐主要积聚在40～60 cm土壤的结论不同。以根区附近(0 cm)为例，滴灌0～10 cm 土层硝态氮变异系数达到了36.62%，而地面灌只有24.84%，滴灌表层土壤硝态氮变异系数显著大于地面灌。图4分析了土壤垂直和水平方向硝态氮变异系数。垂直方向上土壤硝态氮变异系数随土壤深度的增加而逐渐减少，滴灌与地面灌相比，硝态氮垂直变异系数随深度增加减少幅度较大；同样，水平方向上，变异系数随水平距离的增加而逐渐减少，滴灌与地面灌相比，硝态氮水平变异系数随距离增加减少幅度较大。

表3 不同灌溉方式下土壤硝态氮含量方差分析表(第二次取样)Tab.3 Analysis of variance of soil nitrate nitrogen in different irrigation methods (Second sampling)

图4 不同灌溉方式下土壤硝态氮垂直和水平变异系数(第二次取样)Fig.4 Variation coefficient of soil nitrate nitrogen under different irrigation patterns (Second sampling)

2.2 不同灌溉方式对土壤碱解氮分布特征及空间变异的影响

图5、6反映了滴灌和地面灌条件下土壤碱解氮的二维分布状况，由图可知，碱解氮的分布状况与硝态氮有很大差异，碱解氮的分布更均匀，且空间变异性更小。但总体上随土壤深度的增加呈现减少的趋势，水平方向上碱解氮含量差异不明显。枣树生育期开始阶段(图5)土壤碱解氮含量相对较低，这一点与硝态氮相似，滴灌土壤碱解氮最大值为34.59 mg/kg，最小值为5.82 mg/kg；地面灌土壤碱解氮最大值为56.85 mg/kg，最小值为7.53 mg/kg。总体上地面灌土壤碱解氮稍高于滴灌。

图5 滴灌和地面灌土壤碱解氮的二维分布图(第一次取样)Fig.5 Two-dimensional distribution of available nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

图6 滴灌和地面灌土壤碱解氮二维分布图(第二次取样)Fig.6 Two-dimensional distribution of available nitrogen in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

枣树进入新梢生长期后(图6)，随着温度升高，土壤微生物活跃，有机氮分解，土壤碱解氮含量逐渐升高。此时，滴灌和地面灌0～60 cm的土壤碱解氮的含量均在30 mg/kg以上，二者在水平方向的分布都较为均匀。滴灌土壤碱解氮最大值为57.74 mg/kg，最小值为14.97 mg/kg；地面灌土壤碱解氮最大值为54.12 mg/kg，最小值为3.96 mg/kg。虽然土壤碱解氮的含量随着土壤深度的增加而减少，但是各土层的差异性显著低于硝态氮。水平方向上碱解氮的分布差异性不明显。说明灌溉方式对土壤碱解氮的影响较小。

滴灌0～20 cm土壤碱解氮的变异系数稍大于地面灌，各个土层的变异系数差异不大(表4)。因此，不同灌溉方式对土壤碱解氮有一定的影响，但与硝态氮相比，影响较小。图7也说明了这一点。分析可知，两种灌溉方式下土壤碱解氮的变异系数均集中在10%～15%之间。滴灌最大变异系数为14.57%，最小为8.35%，而地面灌最大变异系数为15.41%，最小为7.22%。

表4 不同灌溉方式下土壤碱解氮含量方差分析表(第二次取样)Tab.4 Analysis of variance of soil available nitrogen in different irrigation methods (Second sampling)

2.3 不同灌溉方式对土壤速效钾分布特征及空间变异的影响

生育期不同时期，土壤速效钾的含量变化十分明显。枣树生育期开始阶段(图8)滴灌和地面灌枣树根区各层土壤速效钾含量较高，且根区附近各土层含量差异不大。但滴灌处理土壤中的速效钾含量显著低于地面灌处理，其最大值为422 mg/kg，最小值为85 mg/kg；而地面灌处理的最大值为1261 mg/kg，最小值为488 mg/kg。所以，按照土壤供钾水平标准，此时，滴灌土壤大部分处于高钾(速效钾范围60～160 mg/kg)，地面灌土壤均处于极高供钾水平(速效钾>160 mg/kg)。此时钾离子的累积量主要为上季钾肥施入后的残余量。

枣树进入新梢生长期后，对速效钾的需求逐渐加大，由于前期没有钾肥施入，土壤钾离子含量迅速下降(图9)。此时滴灌土壤速效钾最大值为45 mg/kg，最小值只有12 mg/kg，地面灌土壤速效钾最大值为33 mg/kg，最小值为10 mg/kg。土壤供钾水平处于中低水平(速效钾<60 mg/kg)。此时滴灌处理出现 “亏缺区”，该“亏缺区”与枣树侧根系的生长区域相吻合。

图7 不同灌溉方式下土壤碱解氮垂直和水平变异系数(第二次取样)Fig.7 Variation coefficient of soil available nitrogen under different irrigation patterns (Second sampling)

图8 滴灌和地面灌土壤速效钾的二维分布图(第一次取样)Fig.8 Two-dimensional distribution of available potassium in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

图9 滴灌和地面灌土壤速效钾的二维分布图(第二次取样)Fig.9 Two-dimensional distribution of available potassium in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

滴灌枣树根区速效钾含量变异大于地面灌。滴灌和地面灌条件下土壤速效钾含量的变异系数均随着土壤深度的增加而减小(表5，图10)；随着水平距离的增加，呈现先减小后增大的趋势，但在水平方向上的变异系数差异性小于垂直方向。水平方向上滴灌土壤速效钾的空间异质性与地面灌差异不大(图10)，但滴头附近0 cm处速效钾的变异系数显著高于其他土层。滴灌处理垂直方向的变异系数变化较大(图10)，表层土壤(0～20 cm)变异系数均在15%以上，而深层土壤80 cm土层变异系数则在10%以下。地面灌处理垂直方向变异系数虽然也随土层增加有降低的趋势，但空间异质性显著小于滴灌，变异系数多在10%～15%之间。

表5 不同灌溉方式下土壤速效钾方差分析表(第二次取样)Tab.5 Analysis of variance of soil available potassium in different irrigation methods (Second sampling)

图10 不同灌溉方式下土壤速效钾垂直和水平变异系数(第二次取样)Fig.10 Variation coefficient of soil available potassium under different irrigation patterns (Second sampling)

2.4 不同灌溉方式对土壤速磷分布特征及空间变异的影响

土壤有效磷在枣树生育期开始阶段处于较高水平(图11)，此时滴灌土壤最大含量最大值为78.89 mg/kg，最小值为0.44 mg/kg；地面灌土壤最大值为62.48 mg/kg，最小值为6.17 mg/kg。滴灌和地面灌处理枣树根区附近有效磷含量显著大于其他各点，这与硝态氮和速效钾的分布规律相反。且二者均随着土壤深度的增加呈减少的趋势，水平方向上则随着水平距离的增加呈现先减少后增加的趋势，在距滴头60 cm处出现一个临界点。此时，滴灌和地面灌处理土壤有效磷分布极为相似。

枣树进入新梢期后(图12)，土壤有效磷含量迅速减少，此时滴灌土壤有效磷含量最大值为14.02 mg/kg，最小值为0.80 mg/kg；地面灌土壤有效磷含量最大值为8.78 mg/kg，最小值为0.91 mg/kg；但总体上，滴灌处理有效磷在土壤中的分布规律与生育期开始阶段相似，仍然以滴头附近最高，随土壤深度和水平距离的增加含量逐渐降低，40 cm以下土层有效磷含量极低。而地面灌处理在水平方向上的差异性则小于滴灌，且60 cm以下土层有效磷含量较少。所以可以认为植物新梢生长期对土壤有效磷的吸收也较多，但总体上有效磷的分布受灌溉方式的影响稍弱于硝态氮。

图11 滴灌和地面灌土壤有效磷的二维分布图(第一次取样)Fig.11 Two-dimensional distribution of available phosphorus in drip irrigation and flood irrigation soil (First sampling)

图12 滴灌和地面灌土壤有效磷的二维分布图(第二次取样)Fig.12 Two-dimensional distribution of available phosphorus in drip irrigation and flood irrigation soil (Second sampling)

表6和图13对第二次取土壤有效磷的分布进行了方差和变异性分析。滴灌和地面灌在水平方向的变异系数均随着距离的增加呈减小的趋势，滴头附近(0 cm处)的变异系数均较大。而60 cm处的变异系数均较大。随着土壤深度的增加，变异系数逐渐减小。滴灌处理变异性大于地面灌，滴灌处理变异系数最大变异系数为25.57%，最小为10.08%，而地面灌最大变异系数为18.46%，最小为7.95%。滴灌处理变异系数稍大于地面灌，但二者随深度和水平距离的变化具有一致性。

表6 不同灌溉方式下土壤速磷方差分析表(第二次取样)Tab.6 Analysis of variance of soil available phosphorus in different irrigation methods (Second sampling)

图13 不同灌溉方式下土壤有效磷垂直和水平变异系数(第二次取样)Fig.13 Variation coefficient of soil available phosphorus under different irrigation patterns (Second sampling)

3 结 论

本文主要考察枣树生育前期和新梢生长期枣树根区养分变异规律，因为这两个阶段是枣树根系发育最快的两个阶段，在西北极端干旱地区，随着气温回升，土壤养分受水分、温度的影响开始明显。枣树根区养分分布情况直接影响到根系在土壤中的生长，本试验也通过研究表明不同的灌溉方式对土壤养分分布能够产生显著影响。但具体到各种养分，其影响程度和赋存规律也不同。研究表明灌溉方式对土壤碱解氮的空间异质性影响较小，对硝态氮、有效磷的影响较大。滴灌导致枣树根系上浮，对养分的吸收利用也集中在40 cm以上的土层。今后的试验中需进一步考察枣树整个生育期内土壤养分的变化，以及灌溉方式改变导致的土壤根系分布差异，探索根系分布和养分利用的相关关系。对提高枣树水肥利用效率，完善水肥调控模式，促进南疆节水灌溉的推广具有重要意义。

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