河套灌区控制排水对氮素流失与利用的影响

窦 旭 史海滨 李瑞平 苗庆丰 田 峰 于丹丹

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古工程研究中心， 呼和浩特 010018)

0 引言

暗管排水技术得到广泛认可，并且有着悠久的历史[1-4]。农田暗管排水使原本潮湿而无法耕种的土壤变得适宜农业生产，并且使得该地区农业长期可持续发展[5]。随着科技的进步，暗管排水在干旱地区的应用越来越广泛，该技术提高土壤通透性，确保植物生长[6]，较明沟排水技术排水效果好，并且提高了田间土地利用效率，改善了田间交通能力，为进行耕作、种植和收获等实地作业提供了通道[7]。暗管排水强度的增加使排出的水体中富含大量的氮素，对地表水水质产生不利影响，使得排水中养分浓度过高[8]，尤其在农田灌溉时期，将土壤中的养分排出土体，降低了肥料利用，导致作物生长受限[9-10]。因此，利用控制排水系统减轻不必要的养分流失和减小环境污染是农业可持续发展的重要措施[11-12]。控制排水通过调整排水出口的高程，来控制水位和出流量，从而减少土壤中水分和养分流失[13-14]，控制排水技术已成为减少农田氮素损失的有效方法[15-17]。

有关控制排水的研究在国内外不断增多。国外学者利用暗管控制排水技术对土壤氮素[18]、作物产量[19]以及排水量[7，18-20]进行了大量研究。国内也有较多关于控制排水的研究[21-23]，袁念念等[21]研究表明，分生育阶段进行控制排水可减小田间地下水位波动，能稳定田间氮素形态、减少氮素流失。殷国玺等[23]研究表明，控制排水措施有效地降低了排水中氮浓度，减少了排水量，从而减少了氮流失量39.1%～53.2%。并且以控制排水氮浓度和土壤入渗为目标函数，建立了既减少氮流失又防止涝渍的多目标控制排水模型，探讨了最优的地表控制排水时间。

控制排水是一种新型农田排水管理措施，大量研究结果表明通过该措施可以减少农田排水量，从而减少氮素流失量[19-23]。河套灌区土壤盐渍化严重，造成土壤渗透性很差，一般油葵生长后期，不能进行灌溉，否则会造成严重的死苗现象，因此，采用控制排水可为油葵生长后期提供适宜的水分和养分。北方地区不同于南方地区的暗管排水降渍，水盐从淋洗入渗到进入暗管再到排出暗管的运移过程也不同于南方地区，同时河套灌区受到水资源短缺和土壤次生盐渍化的双重威胁，如何实现脱盐排盐的同时提高水分、养分利用效率，并减少对环境的污染，是灌区农业生产面临的最大挑战。本研究重点探讨河套灌区中度盐渍化土壤不同排水方式对土壤中氮素含量、氮素流失、氮素吸收利用的影响，深入了解排水方式对“土壤-作物-环境”系统的响应规律，进一步分析作物产量、氮肥利用效率及作物收获后土壤中氮素残留等的影响，以寻求农田最佳排水方式，减少环境污染的同时提高肥料利用效率。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验田位于河套灌区下游乌拉特灌域内(40°45′28″N、108°38′16″E，海拔1 018.88 m)，为暗管排水综合试验区。试验于2020年5—10月进行，试验区地处中温带大陆性气候区，气温多变，干燥多风，日照充足，光能丰富，降水少，蒸发强，无霜期较短。多年平均气温6～8℃；多年平均降雨量196～215 mm、蒸发量2 172.5 mm、无霜期130 d、风速2.5～3 m/s、日照时数3 230.9 h；最大冻土深度为1.2 m。属于典型的干旱地区。油葵生育季(5—9月)有效降雨量为227.8 mm(图1)。

1.2 土壤性质

利用环刀在1 m土层内土壤剖面上取原状土后在室内试验测土壤容重、饱和(质量)含水率、田间持水率、饱和导水率，共6层(0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)，各剖面取3个重复。初始土壤剖面(0～100 cm)平均质量含水率约为22.57%，电导率(EC1∶5)为1.27 dS/m，pH值为8.8左右，根据土壤盐渍化等级划分标准[24]，属于中度盐渍化土壤。试验区土壤基本物理性质如表1所示。土壤基础肥力为有机质、全氮、有效氮、有效磷、速效钾质量比分别为13.54 g/kg、0.85 g/kg、86 mg/kg、9.432 mg/kg、218 mg/kg。

表1 试验区土壤物理性质Tab.1 Soil physical properties in experimental area

1.3 试验设计

试验选择田间小区进行，设置4个试验小区，生育期控制排水深度分别为40 cm(K1)、70 cm(K2)、100 cm(K3)，选择明沟排水作为对照处理(CK)。其中暗管排水试验区，每个小区布设2根暗管，暗管埋深100 cm，间距20 m，管径为80 mm，坡度为0.1%。试验小区长40 m，宽30 m，每个试验小区间隔10 m，并在小区周围设有保护带，埋设1 m深聚氯乙烯塑料布隔离，防止相互干扰。对照选择当地常规明沟排水，当地常规排水沟深1.5 m，间距100 m。播种前对试验区进行了激光平地和盐碱地改良，试验区土壤中加入脱硫石膏(30 t/hm2)置换土壤吸附的有害钠离子；施加细沙(沙丘沙，85.05 m3/hm2)改善土壤通透性，改变土壤性质。暗管排水小区土壤采样点位布设在距暗管0、2.5、5、10 m，对照区土壤采样点位布设在距排水沟0.4、12.5、25、50 m处。每个点取3次重复，每隔10 d采集1次，灌水与降雨前后加测。具体布设如图2(B为暗管间距、L为暗管长度)所示。

2020年5月20日春灌，灌水量为2 050 m3/hm2，6月1日人工施底肥播种，供试作物为油料向日葵(简称油葵)，品种为澳33，行距60 cm，株距20 cm，施肥量为尿素(含N 46%)130 kg/hm2，磷酸二铵(含N 18%、P2O544%)290 kg/hm2，硫酸钾(含K2O 50%)150 kg/hm2，施肥后立即覆盖地膜进行人工点播，播种后穴口用细砂覆盖，种植密度4.95×104株/hm2。7月18日油葵现蕾期灌水9 000 m3/hm2，追肥尿素130 kg/hm2，9月29日收获，油葵生育期划分为：苗期(6月10日—7月12日)、现蕾期(7月13日—8月4日)、开花期(8月5—26日)、成熟期(8月27日—9月28日)、收获期(9月29日)。灌溉水为黄河水，矿化度约为0.67 g/L，灌溉水通过水泵抽取，灌水量用水表计量与控制。

1.4 数据采集与测定方法

1.4.1土壤铵态氮和硝态氮含量

土壤养分主要测定硝态氮、铵态氮含量，实验室内采用氯化钾溶液提取-分光光度计法测定。

1.4.2产量及植株氮素含量

油葵成熟时，在各小区非边行选取标准样株20株，单独收获考种测产。用H2SO4-H2O2消煮，靛酚蓝比色法测定油葵植株氮素含量[25]，计算公式为

(1)

(2)

式中NHI——氮收获指数，%

GN——籽粒吸氮量，kg/hm2

PN——植株吸氮量，kg/hm2

PFPN——氮肥偏生产力，kg/kg

Y——油葵产量，kg/hm2

F——肥料纯养分N的投入量，kg/hm2

1.5 数据计算及分析方法

采用Excel整理数据和制图，利用SPSS 17.0软件进行方差分析，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 排水方式对土壤氮素含量的影响

2.2 排水方式对氮素流失的影响

3．用法用量[33]：推荐PEI患者餐中服用胰酶制剂，效果优于餐前或餐后服用[39]。胰酶制剂用量主要取决于其所含的脂肪酶量，成人推荐初始剂量为25 000～40 000 IU脂肪酶/餐，如疗效不佳，可依个体增加剂量，最大剂量可用至75 000～80 000 IU脂肪酶/餐(40 000 IU/正餐，2 000 IU/小食)。儿童可给予500～4 000 IU脂肪酶/g膳食脂肪。婴幼儿推荐500～1 000 IU脂肪酶/g膳食脂肪。婴幼儿也可予2 000～4 000 IU脂肪酶/母乳喂养或120 ml婴幼儿配方奶粉。婴幼儿和儿童的推荐最大剂量为10 000 IU脂肪酶/(kg·d)。

2.3 排水方式对氮素吸收利用与作物产量的影响

由表2可以看出，不同排水方式植株吸氮量存在不同差异，暗管排水处理随着生育期控制排水深度的增加，植株吸氮量明显减少，其中K1处理植株吸氮量最大，较K2、K3、CK处理显著增加17.54%、39.08%、23.47%(P<0.05)，K2处理较K3处理显著增加18.33%(P<0.05)。CK处理植株吸氮量较K1、K2处理低19.00%、4.80%，与K1处理存在显著差异(P<0.05)。K3处理由于排水量和氮素流失相对较大，导致植株吸氮量较小。不同排水方式对氮收获指数的影响与植株吸氮量相比差异性较小，其中K1、K2处理氮收获指数显著高于K3处理和CK处理，K1、K2处理较K3、CK处理高15.82%～29.83%(P<0.05)。K1、K2处理对促进氮收获指数增加有积极作用。

表2 不同排水方式氮素利用效率及产量Tab.2 Nitrogen utilization efficiency and yield of different drainage methods

氮肥偏生产力由大到小依次为K1、K2、K3、CK，控制排水处理(K1、K2)提高氮肥偏生产力3.04%～11.15%，提高了养分吸收量。其中K1处理氮肥偏生产力最大，显著高于其他处理，分别较K2、K3、CK处理增加4.54%、7.72%、11.15%(P<0.05)。不同排水方式对作物产量具有较大的影响(表2)，K1能显著提高玉米产量(P<0.05)，较K2、K3、CK处理分别增加4.52%、7.69%、11.14%，同时K2处理产量显著高于K3、CK处理(P<0.05)，分别较K3、CK处理高3.04%、6.34%，K2、K3处理由于生育期灌水流失大量水分和养分导致作物减产，春灌明沟排水(CK)对盐分淋洗不充分，油葵受盐分胁迫，影响出苗以及生长，导致产量较低，这也是导致植株吸氮量、氮收获指数、氮肥偏生产力较低的主要原因。综上，生育期控制排水不仅能提高作物产量，还提高了植株利用效率、氮收获指数和氮肥偏生产力。对作物生长和氮素的吸收利用具有促进作用。其中在生育期控制排水深度40 cm(K1)效果更加明显，对于本研究K1处理对氮肥的利用效率较好。

2.4 排水方式对土壤中氮素残留的影响

3 讨论

3.1 控制排水对土壤中和流失的影响

3.2 控制排水对土壤中和流失的影响

3.3 控制排水对作物产量的影响

控制排水对不同作物产量有着不同的影响[13]，大多数都有着积极的影响[12,18,29]，但有的研究也表明控制排水导致作物产量减少或者增产不显著[31]，可能是因为控制排水高度设置过高，或者与土壤中盐分含量等因素有关。TOLOMIO等[13]研究表明，玉米对控制排水的响应最积极，控制排水技术使玉米产量提高了26.3%，在干旱年份，当作物受到干旱胁迫时，控制排水效果更明显。NEGM等[32]利用DRAINMOD-DSSAT模型很好地预测了作物产量，研究表明控制排水条件下作物产量明显高于自由排水。SUNOHARA等[33]研究表明，玉米控制排水较自由排水产量平均增长率为4%，差异不显著，大豆控制排水较自由排水产量平均增长率为3%，差异不显著。

适当的控制排水，可以促进作物有效地吸收养分和水分，有利于根系生长，促进干物质积累，从而进一步影响籽粒产量[18]。本研究中，控制排水深度40 cm(K1)较自由排水(K3)显著增加了植株吸氮量、氮收获指数、氮肥偏生产力和产量，原因可能为试验区高蒸发量和土壤肥力较差，使得作物生长中后期需要大量的水分和养分，控制排水深度40 cm(K1)正好为作物生长提供了所需要的条件，使得其氮素利用率提高并且为作物干物质积累提供了有利因素。同时收获后土壤中氮素残留情况进一步说明，控制排水残留在土壤中的氮素大部分被作物吸收和利用，最终使得作物增产。

4 结论

(3)控制排水处理(K1、K2)提高氮肥偏生产力3.04%～11.15%，提高了养分吸收量。生育期控制排水深度40 cm(K1)氮肥偏生产力最大，显著高于其他处理，分别较K2、K3、CK处理增加4.54%、7.72%、11.15%(P<0.05)。生育期控制排水深度40 cm(K1)能显著提高玉米产量(P<0.05)，较K2、K3、CK处理分别增加4.52%、7.69%、11.14%。