滴灌灌水量对枸杞土壤水分及养分迁移特征的影响

尹志荣, 雷金银, 赵 营, 桂林国, 黄建成

(宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所, 银川 750002)

水资源短缺是宁夏农业生产发展和生态环境建设的主要限制因子[1]，合理的灌水量不仅会提高作物产量，还能提高水分利用效率。枸杞(Lyciumbarbarum)是宁夏最具潜力的地方优势特色产业和战略性主导产业，已形成中宁为核心区、清水河流域和银北灌区为两翼的“一体两翼”产业带格局，但严重滞后的栽培技术成为制约枸杞产业快速发展的最大障碍。一方面农药、化肥使用较多，严重影响了枸杞品质；另一方面，大水漫灌方式仍然存在，滴灌使用率及精量灌溉存在缺失。同时，枸杞园土壤养分消耗量远高于农田[2]，随着种植年限的延长，土壤养分含量出现下降趋势[3]。如何在有限水资源减少的情况下高效种植枸杞使其产生更多的社会、经济和生态效益，已备受众多学者的关注。

目前对枸杞的研究较多集中在品种培育[4-7]、盐分及干旱胁迫[8-12]、药用价值研发等[13-15]方面，围绕不同的水分处理方法对枸杞生长、光合及其他生理特性等方面也进行了大量研究[16-22]。郑国保等[23]采用不同的水分梯度以习惯灌水量9 000 m3/hm2为对照，设置了2/3，1/2，1/4共4个处理，研究发现，2/3的处理即可保证枸杞植株的正常生长、达到高产，又可发挥水分生产潜力、实现节水。胥生荣等[24]为进一步明确枸杞水分运输特性，提高农业生产潜力，研究发现，枸杞耐旱特性与根系导水能力密切相关。宋仰超等[25]研究了滴灌水肥一体化条件下灌水量与施氮量耦合对枸杞生长与产量的影响，结果表明实施一定程度的调亏灌溉与减氮施肥可以使枸杞增产、增收。关于不同灌溉水平对土壤养分的影响报道极少，有研究表明高灌溉量会导致硝态氮淋溶，引起减产[26]。适当施肥、控制灌溉量是防止磷素淋失的有效手段[27]。针对灌溉对枸杞园土壤水分或养分状况的分析较多是单独分析，较少涉及不同灌溉量对土壤深层水分和养分状况及其对枸杞品质产量影响的综合评价。本研究采用大田滴灌控水试验，探讨不同灌水量对枸杞土壤水分和养分在土壤中运移的影响，为限量灌溉条件下枸杞水分、养分科学管理及优质高产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验于2017年4—10月在宁夏农科院园林场试验基地进行。供试土壤为淡灰钙土，0—40 cm耕作层土壤各项理化性质指标见表1。试验枸杞品种为“宁杞5号”，树龄2 a。

表1 试验区土壤肥力状况及基本物理参数

1.2 试验设计

试验设5个水分处理，即常规灌水量处理W1(CK)，灌水量为5 100 m3/hm2；其他处理灌水量依次减少750 m3/hm2，分别为W2处理，灌水量为4 350 m3/hm2；W3处理，灌水量为3 600 m3/hm2；W4处理，灌水量为2 850 m3/hm2；W5处理，灌水量为2 100 m3/hm2；每个处理3次重复，共15个小区，小区面积为14 m×3 m。

灌溉方式为滴灌，沿枸杞行每一行设置一个灌水处理，每行距地面20 cm铺设滴灌管1根，每株枸杞树下安装4 L/h流量的管上式滴头1个，每根滴灌管前安装开关，整个灌水量有首部水表控制。考虑到枸杞萌芽期需足量底墒水，因此不同处理萌芽期的灌水量均相同，从5月份开始，按试验方案实施灌溉。具体灌水时间及灌水量见表2。各处理灌水定额及灌水次数可根据降雨等情况进行上下浮动调节。各处理施肥量为同一水平，田间管理与当地大田一致。

1.3 分析项目与方法

1.3.1 产量及品质测定 于枸杞果熟期在标记固定的植株上采集鲜果测定产量，每个处理选取5株为一组，重复3次，共15株，取其平均产量。同时，每组中随机选取30粒无破损果实装入自封袋带回实验室，应用滴定法进行枸杞总糖、总酸含量测定，采用分光光度法进行枸杞多糖、甜菜碱含量测定，采用折光仪法进行可溶性固形物含量测定。

1.3.2 土壤水分及养分测定 于试验实施前在每个灌水处理间布设TDR探测管，每次灌水及降雨前后10 cm为一层测定0—80 cm土壤体积含水量。同时采集0—100 cm土层土样，20 cm为一层测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量。碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用钼锑抗吸光光度法测定，速效钾采用火焰光度法测定。文中土壤水分及养分图表数据为7月22日灌水前后采集，取3次重复均值。该时期为枸杞全生育期最高耗水时期，此时灌水施肥有助于保证树体营养充足、促进枸杞开花结果、增加果实产量，分析此时段的土壤水分及养分变化可优化枸杞灌水施肥策略。

表2 2017年试验期枸杞灌水定额 m3/hm2

1.4 数据分析及处理方法

采用Microsoft Excel 2007处理数据和制图，采用DPS 7.5软件对数据进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同灌水条件下土壤水分变化特征

枸杞土壤水分变化主要集中在20—60 cm土层。由图1可知，在20 cm土层灌水前10 d时各处理的土壤含水量分别是17.8%，15.36%，15.99%，20.3%，15.71%，灌水1 d后土壤含水量明显增加，从灌水后1～3 d开始降低，随后趋于平稳。W4处理土壤含水量最高，平均为20.41%，方差分析显示(表3)与其他处理差异极显著(p<0.01)；W1处理变化最平稳，灌水前后含水量仅差0.18%；W2，W3，W5处理趋势基本一致。40 cm土层在灌水1 d后含水量也是逐渐增加，从灌水后1～3 d缓慢下降，随时间的推移至灌水后5 d时W1，W3，W5处理继续下降，而W2，W4处理含水量增加，并且水分下移明显，不同处理40 cm土层含水量较20 cm土层分别增加17.17%，3.72%，15.24%，1.81%，7.40%，W1，W4处理与W2，W5处理差异极显著(p<0.01)，与W3处理差异显著(p<0.05)。60 cm土层土壤含水量稳定在20.0%～26.0%，各处理随灌水后时间的推移变化逐渐平缓，处理间差异极显著(p<0.01)。总的来看，不同处理土壤含水量随着深度的增加而增加，不同土层含水量随着灌水后时间的推移呈先降低再增加的趋势，W4，W1处理含水量最高，W3处理变化最平缓，W2，W5处理波动性变化含水量最低。原因是7月22日W4，W1处理灌水定额分别为300，225 m3/hm2，灌水后除植株吸收部分水分后土壤含水量表现充足，而W2处理单次灌水定额为450 m3/hm2，灌水后土壤含水量降低的原因可能是蒸发损失所致，由此可见灌水量太大或太小均会影响土壤含水量的高低，适度的灌水量有利于植物吸收及土壤蓄水。

图1 同层次不同灌水量下土壤含水量变化

2.2 不同灌水量对土壤剖面碱解氮的影响

水分与养分的迁移有着密切的关系，碱解氮在土壤中具有不稳定性，易受土壤水热条件影响。由图2可知，各处理剖面碱解氮变化主要集中在0—40 cm耕作层。灌水前，20 cm土层W4处理碱解氮含量最高，W1处理次之，与灌前含水量变化特征一致，其他处理随灌水量的减少而降低。灌水后1 d，各处理20 cm土层碱解氮相比灌前有所增加，增幅分别为1.21%，16.87%，6.26%，7.85%，383.06%，W5处理增加最明显，究其原因可能是7月中下旬枸杞长势已经稳定，高灌水量容易造成养分向深层移动，导致淋失，而低灌水量在灌后短时间内土壤养分受水分的影响在作物根层达到集聚状态。这与史宏志等[28]研究不同灌水定额对烟株圆顶时期0—20 cm土层碱解氮含量的变化结果有相似之处。灌水后3 d，各处理的变化趋势逐渐趋于平稳且差异较小。灌水后5 d，W5处理碱解氮在土壤剖面波动性较大，呈“M”形趋势，W1，W2，W3处理缓慢下降，W4处理以40 cm土层为拐点抛物线形下降。整体而言，随着灌水量的减少，0—20 cm土层碱解氮呈先增加后降低再增加的“N”形趋势，40—100 cm土层恰好相反，表明随着灌水量的减少土壤中碱解氮向深层迁移的量相应减少，这就有利于降低氮素向土壤深层迁移进入地下水对水环境带来潜在的威胁。灌水前后W1处理碱解氮20 cm土层无明显变化，灌水后1～5 d的均值为66.3 mg/kg与灌前数值相等，40—60 cm土层逐渐减少，下移至80 cm出现累积；W2，W3处理除灌水后20 cm碱解氮平均增加29.35%，6.26%外，40—80 cm土层随时间的推移而降低；W4，W5处理不同土层碱解氮在灌水后1～5 d呈“V”形趋势，W4处理60—100 cm累积量低于灌前。方差分析表明，不同灌水量下各处理间不同土层碱解氮含量没有显著性差异(表3)，W2处理20 cm土层碱解氮含量最高，达71.6 mg/kg，W4，W5处理40—100 cm剖面均值最高，分别为38.8，28.9 mg/kg。

表3 不同灌水量下20-60 cm土壤含水量及有效养分统计分析情况

图2 不同灌水量下土壤碱解氮含量变化

2.3 不同灌水量对土壤剖面有效磷的影响

由图3可知，灌水前后各处理有效磷的变化同样分布在40 cm以上土层，其中20 cm土层含量最富集，60—100 cm土层基本无变化。灌水前，20 cm土层有效磷随着灌水量的减少逐渐增加，W5处理土壤有效磷含量最高，相比W1，W2，W3，W4处理依次高出4.34，1.84，1.17，1.10倍。灌水后1 d，各处理土壤有效磷明显增加，平均增幅为1.22～6.12倍。灌水后3 d，各处理有效磷逐渐下降，至灌水后5 d时，W1处理继续保持下降趋势，而其他处理又出现增加的趋势，增幅为2.24～3.74倍。随着灌水量的减少，各处理0—20 cm土层有效磷呈先增加后下降再增加的“N”形趋势，40—100 cm土层基本上先降后增。随着灌水后时间的推移，W5处理有效磷最高，在灌后5 d，0—100 cm土层平均含量为103.1 mg/kg，其次是W2处理，而W1处理有效磷最低，平均含量仅29.9 mg/kg。可见，过量灌水有可能造成磷在土壤中的亏缺范围和亏缺强度加大，相反控制灌水量可使土壤磷的扩散受到抑制，在土体中的移动性下降，积累量反而增多。这与谷秋荣等[29]的研究结果一致。方差分析表明(表3)，不同处理有效磷无显著差异，W2，W5处理20 cm土层有效磷含量最高，分别为162.6，157.1 mg/kg，W4，W5处理40—100 cm剖面均值最高，分别为46.5，59.1 mg/kg。

2.4 不同灌水量对土壤剖面速效钾的影响

由图4可知，灌水对速效钾在土壤剖面分布的影响较复杂，主要运移范围不同于土壤碱解氮和有效磷，其随土层的加深呈波动性变化，峰值拐点不同。灌水前，W4，W5处理0—100 cm土层速效钾含量最高，均值达到453，431 mg/kg，较其他处理高出12.83%～38.11%。灌水后1 d，W1，W2，W3，W5处理各土层速效钾含量均增加，只有W4处理20—60 cm土层速效钾下降。随着土层深度的增加W1，W2，W4处理趋势相同，以40 cm和80 cm土层为拐点呈先减少后增加再减少的趋势，而W3，W5处理同样以80 cm土层为拐点先增加后减少，表明不同灌水量滴灌后土壤中的速效钾从80 cm土层向下深度开始降低。灌水后3 d，不同处理速效钾出现下降趋势，尽管W1处理0—40 cm土层和W3处理0—20 cm土层速效钾略有增加，但幅度较小基本与灌水后1 d持平。灌水后5 d，各处理不同土层速效钾继续保持下降趋势，W4，W5处理变化平稳、差异较小，W1处理与W3处理除20 cm土层速效钾相差104 mg/kg外，其他土层趋势相同，W2处理随土层加深以80 cm为拐点缓慢增加后逐渐下降，呈抛物线形。随着灌水后时间的推移，各处理速效钾逐渐降低；随着灌水量的减少，各处理以“W2”，“W4”为拐点呈先增加后降低再增加“N”形趋势。方差分析表明(表3)，40 cm土层速效钾含量中W2处理与W3处理差异显著(p<0.05)，60 cm土层速效钾含量中W2处理与W3，W4处理差异均显著(p<0.05)。W2处理速效钾最高，W4，W5处理速效钾最低，与碱解氮和有效磷的变化存在差异。

图4 不同灌水量下土壤速效钾含量变化

2.5 不同灌水量对枸杞产量及品质的影响

由表4可知，不同灌水量对枸杞产量和品质有显著差异。产量方面，W2，W5处理与W3处理差异显著且产量最高，相比W1处理分别增产21.57%，18.6%。品质方面，各处理间多糖质量分数与总酸质量分数及可溶性固形物无显著差异，但总糖质量分数中W4处理与W2，W3，W5处理差异显著，W2，W5处理总糖质量分数最高，相比W1处理分别增加6.82%，5.68%，甜菜碱含量中W1，W2处理与其他处理无显著差异，但两处理间差异显著，可见调控灌水对枸杞品质的影响程度不同，本文研究结果表明枸杞生育期内调控灌水量可促成枸杞总糖、多糖质量分数的提高，增加产量，这与苏雪玲等[30]对宁夏南梁农场的枸杞研究结果相一致。

表4 不同灌水量下枸杞产量、品质情况

3 讨 论

3.1 不同灌水量对土壤水分运移的影响

田间土壤存在很大的变异性，灌溉可以对土壤水分进行有针对性的调控[31]，一定时期的水分亏缺不会造成土壤含水量的降低[32]。郭全忠[33]研究表明，大量灌水会增加水分向土壤深层迁移，降低水分利用率，常规灌水量减少1/2的节灌处理水分向深层迁移量相对较低，水分利用率高。本研究中灌水前后各土层含水量的分布差异明显，随着灌水量的减少20，40，60 cm土层各处理土壤水分运移以W2，W4为拐点先减少后增加，灌水后1 d各处理土壤含水量处于饱和状态，随着灌溉时间的推移水分运移速度逐渐减缓，在灌后5 d时基本趋于稳定。随着土层的加深，各处理土壤含水量逐渐下移。有研究表明，过高的灌水量容易造成水分渗漏，严重干旱胁迫会造成土壤中的可利用水减少、枸杞枝叶水分亏缺[34]。本研究在7月中下旬(7月22日)按照设计灌水定额进行调控灌溉，由于各处理单次灌水定额的不同，使得水分运移分布存在差异，此时W4，W1处理灌水量适中(分别为225，300 m3/hm2)，土壤水分的运移分布均匀且充足。可见，适度控水具有调节水分分布的作用。因土壤水分运移受到气象、作物吸水、土壤孔隙、灌水施肥模式等多方面因素的综合影响，本试验仅根据一次灌水前后的测定结果进行分析，整个生育期及各种影响因子的综合影响究竟如何仍需进一步探究。

3.2 不同灌水量对土壤养分迁移的影响

由于枸杞的根系主要分布在40 cm土层中，肥料随水施入土壤后的运移速率会因为根系的吸收存在较大差异，大田栽植枸杞土壤养分的迁移受灌水量的影响明显。随着灌水后时间的推移以及灌水量的减少，不同处理碱解氮含量以W2，W3处理为拐点呈先增加后降低再增加的“N”形趋势，0—100 cm土层平均累积量先降低再增加，同时随着土层的加深碱解氮向深层迁移的量逐渐减少，表明适度控水有利于降低氮素向土壤深层迁移而进入地下水给水环境带来潜在的威胁。朱靖蓉等[35]研究表明灌溉明显影响0—100 cm土壤碱解氮含量变化，0—40 cm碱解氮含量变幅最大，灌水量越大碱解氮被淋溶到下层的量就越大，这与本研究结果基本一致。另外，还有研究表明灌水控制下限能够显著影响不同形态磷素含量在土壤剖面中的分布，其中灌水对土壤速效磷含量的影响主要发生在0—30 cm土层[36]。本研究中不同灌水量对土壤有效磷的影响以0—20 cm土层最突出，其他土层变幅则相对较小，主要由于磷素在土壤中易被吸附固定，不易随水向土壤深层迁移，而且灌水后土壤有效磷明显升高，随着灌水量的减少各处理以W2，W4为拐点呈先增加后减少再增加的“N”形趋势，W1处理在灌后5 d有效磷含量降到最低，在土壤剖面的迁移量最小。董业雯等[37]研究表明随着灌水量的逐渐增大，同一时期同一土层不同灌水量土壤速效磷含量呈现相反的趋势，这与本结果有相似之处。就土壤速效钾而言，有关研究表明，在不同的灌水定额下不同的土壤层次中，速效钾含量都会发生变化，40 cm土层以下速效钾含量受作物吸收的影响较小，而受运移的影响较大[38]。在本研究中W2处理速效钾含量最高，表明灌水量的大小会直接带动速效钾的迁移，灌水量越大随水迁移的速率越快，累积量越多。同时，不同处理速效钾随土层深度的增加整体呈递增趋势，这可能是受淋溶作用的影响而不容易在地表聚集，与灌水期碱解氮和有效磷的变化略有差异，但从秋果期最后一次采样测试分析得出根层20 cm速效钾随灌水量的增加而降低，说明不同时期枸杞对养分的需求不同，可以通过不同水肥调控措施调节养分在土壤剖面的移动性，为枸杞根层创造合适的水、肥条件，从而为根系的生长提供有利的环境。

4 结 论

(1) 不同灌水量下枸杞土壤水分运动主要发生在0—60 cm土层。灌水后1～5 d，0—20 cm土层含水量随着灌水量的减少而增加，而40 cm及60 cm土层含水量随着灌水量的减少先减少后增加，当灌水量减少到一定程度时，各土层含水量均下降。W4处理土壤含水量最高，W1处理次之，W2，W5处理土壤含水量最低，产量和品质的变化则相反。

(2) 不同处理碱解氮集中分布在0—40 cm耕作层，此后随土层深度增加逐渐降低，随灌水后时间的延长含量无明显变化，可见在短时间内土壤碱解氮沿着剖面随水淋失的风险较小。

(3) 不同处理有效磷在0—20 cm土层最富集，其含量介于90 ～200 mg/kg，远高于底层。W2，W5处理有效磷含量较高。

(4) 灌水后不同处理速效钾随土层深度呈波动性变化，随枸杞生育期的延长其含量逐渐降低。W2处理速效钾含量最高。