滴灌灌水下限和避雨栽培对氮素淋失及葡萄产量品质的影响

卫青青，谢建华，刘淑慧，吴文勇，胡雅琪

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.北京市大兴区种业与植保服务站，北京 102600；3.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100044）

0 引 言

在发展中国家，近20年全球果园的面积和产量分别增长了22.0%和54.3%。当前，葡萄是我国水果种植面积和产量居前6 位的树种之一[1]，在我国水果生产中占有重要地位。避雨栽培是一种常见的葡萄栽培技术，大量实践表明，在葡萄藤树冠之上搭建农用聚乙烯薄膜屋顶[2]，通过使雨水远离树叶和果实，可以有效地消除重大病害和裂果发病率[3]，甚至延缓叶片衰老[4]，从而提高果实质量和产量[5]。同时，降雨强度是影响氮素淋失量的主要因素[6]，避雨栽培因为阻断了强降雨侵蚀，对土壤养分的淋失起到了很好的阻控效果[7]。我国消耗了世界上近三分之一的氮肥[8]，但氮肥的有效利用率仍相对低下[9]，氮素的淋失不但是造成氮素损失的主要途径[10]，降低了氮肥利用率，而且还会导致生态系统富营养化和水质恶化[11]。研究结果显示，灌溉量是影响土壤淋失水量的主要因素之一[12]，灌水量和降雨量又是土壤灌溉量的主要来源。我国最新公报显示，农业用水3 612.4 亿m³，与2019年相比，占比增加0.9%[13]，密集灌溉或强降雨条件会增加土壤氮素向地下水的流失[14]，且葡萄对氮素的吸收程度受水氮调控影响极其显著[15]。因此，研究滴灌灌水下限和避雨栽培对氮素淋失及葡萄产量品质的影响具有重要意义。

氮素淋溶所造成的负面影响，已经引起国内外诸多学者的关注。梁斌等[16]利用渗漏池收集设施番茄在滴灌和漫灌条件下的土壤渗漏液表明滴灌模式相比于漫灌模式在总氮淋失量上减少了20.11%。LÜ 等[17]研究了在大棚蔬菜滴灌施肥生产系统中通过减少灌溉和施肥量来显著减少氮素淋失，结果显示灌溉量对减少氮素淋失的作用大于氮素的投入。

目前针对果树如何进行科学合理的氮素淋失阻控措施进而优质高产已受到国内外专家学者的高度关注，对氮素淋失的阻控措施主要有灌溉施肥制度优化、氮肥种类优选、改良土壤特性、配施硝化抑制剂以及耕作与农艺措施，以灌水下限和避雨栽培为影响因素的细致研究相对较少。试验采用田间水利试验设施—测坑，可以比较精细的测量作物渗漏水量，从而为研究土壤NH4+-N和NO3--N的淋溶创造了条件。为了研究不同灌水下限和是否避雨处理对土壤氮素流失及葡萄产量品质的影响，本试验研究了渗滤液中不同形态的氮素和产量品质相关指标，为进一步探索节水减肥机制、阻控氮素淋失和指导葡萄生产实践提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年3月16日至9月30日在国家节水灌溉北京工程技术研究中心庞各庄试验站（北纬39°35′，东经116°20′）进行。试验区位于北京市南部的大兴区，海拔30 m。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温11.6 ℃，多年平均降雨量556 mm，季节分布不均匀，多集中在汛期6-9月份，约占全年的80%左右，年均水面蒸发量为1 021 mm，陆面蒸发量450 mm，主要土壤类型为砂质壤土和粉质壤土。试验初期土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 Soil fundamental physical and chemical properties

1.2 试验设计

试验在尺寸为2.0 m×2.0 m×2.0 m（长×宽×深）的测坑里进行，面积4.0 m2，1.5 m 厚土层，土层表面距坑口0.1 m，底部设有0.2 m 厚底座，底座与回填土之间有0.2 m 厚的无纺布滤层，并安装排水设施，测坑侧向排水管都通向地下观测室，观测室内设有渗漏水盛水器。所用测坑为田间水利试验设施，测坑内土壤回填方式为分层填土、夯实，使坑内的土壤容重、土壤结构等与大田一致，测坑周围有保护区，且保护区与测坑作物一致。葡萄测坑试验的研究内容包括：葡萄地土壤氮素在渗漏水中的形态、变化动态、淋溶规律。试验示意图见图1。

图1 试验示意图（单位：m）Fig.1 Schematic diagram of test layout

试验品种为葡萄“瑞都早红”（树龄4 a），南北行向，株行距2.0 m×2.5 m。试验采用滴灌方式，以灌水下限和是否避雨为影响因素，共设6 个处理，见表2。每个测坑定植一棵葡萄树，每个处理重复3 次，共18 个测坑。试验期间分别在葡萄萌芽期、果实膨大期和着色期进行了追肥，每次每棵葡萄树20 g全元素水溶肥。隔年施用1次有机肥，施用肥料种类为腐熟的鸡粪，每公顷施肥量为45 t，采取沟施的方法，在距葡萄植株50 cm 以外开沟，沟宽40 cm，深40～50 cm 左右，将土、肥搅拌后施入。本次试验前，已于2020年10月施用了有机肥。试验区土壤含水率采用TRIME-PICO-IPH(德国)土壤水分监测系统测定，在距离树根30 cm 处打Trime管，每7 d监测1 次，每个测点的测定深度为100 cm，10 cm 为一层，共10层，取其0～80 cm 平均值[18]，试验各处理组土壤水分上限均设置为田间持水量的100%，且其他田间管理在试验期间保持一致。

表2 试验设计Tab.2 Experimental treatment design

1.3 测定项目与分析方法

（1）葡萄测坑土壤淋溶水中铵态氮、硝态氮量的测定。2021年6月27日至9月12日，每日对地下观测室内渗漏水盛水器中的渗漏水进行监测，记录每个处理的日渗漏水量，每个处理3 个测坑，并取部分水样带回实验室，样品储存于4℃冰箱中。采用AA3 连续流动分析仪（Seal Analytical GmbH）测定土壤淋溶水水样的铵态氮、硝态氮含量。

（2）产量及品质。待其成熟后测产，于2021年9月1日进行。各处理分别称量其3个测坑中葡萄的产量，取其平均值作为单株产量，以单株产量通过面积换算获得总产量。每个处理随机挑选葡萄3串，检测果实的内在品质，果实可溶性固形物含量采用手持式折光仪（糖度计）直接测定；维生素C含量采用2，6—二氯靛酚滴定法测定；还原糖含量采用直接滴定法测定；可滴定酸含量采用氢氧化钠-酚酞滴定法测定。

（3）气象因子。试验期间的日最高、最低温度、降雨量、相对湿度、风速、风向、太阳辐射和蒸发量等气象因子采用试验地的无线自动气象监测站（北京农业智能装备技术研究中心，绿水WS1800）进行连续监测。

1.4 计算公式及方法

灌水量：取土壤计划湿润层0～80 cm 土层测定的土壤含水率为依据，确定灌水时间和灌溉水量，用灌水深度表示[18]，灌水量计算式为：

式中：m为灌水量，mm；α为土壤实测含水率占田间持水率的比值，%；θ为作物生长适宜土壤含水率上限,取土壤田间持水量的100%；p为土壤湿润比，北京属于半湿润地区，再根据《设施农业节水灌溉工程技术规范》北京地方标准中对葡萄土壤湿润比的取值建议，取30%[19]；H为计划湿润层深度，取0.8 m[19]。

氮素累积淋失量：每日对试验测坑的渗漏水进行监测，记录各个测坑的渗漏水排水量，再根据其测得的渗漏水NO3--N或NH4+-N浓度，计算氮素累积淋失量：

式中：Nleach为氮素累积淋失量，kg/hm2；S为试验测坑表面积，cm2；ci为每次淋失溶液NO3--N 或NH4+-N，mg/L；vi为每次淋失溶液体积，mL。

NO3--N淋失率：

式中：Rleach为NO3--N 淋失率；QO为NO3--N 淋失量，kg/hm2；QN为作物施氮量，kg/hm2。

1.5 数据处理

采用Excel 2016 对数据做基础处理，Origin 2018 作图分析，SPSS 22.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水下限和避雨栽培对土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N浓度的影响

整个葡萄试验地氮素淋失观测周期内，各处理淋溶水中NH4+-N 和NO3--N 的浓度结果如图2所示。可以看出，土壤淋失水中NO3--N的浓度明显高于NH4+-N的浓度。因为土体中的胶体呈负电极，易吸收土壤中的NH4+-N，氮素一般以NO3--N为主要形态淋失[20]。NH4+-N 的浓度变化范围为1.10～2 758.50 ug/L，而NO3--N 的浓度变化范围为2.17～130.53 mg/L。T3 和T6 处理淋溶水中NH4+-N 浓度分别比T1 处理高了72.73%、118.18%，且差异显著。各处理淋失水中NO3--N 浓度分别为30.12±11.12、29.06±7.60、25.78±6.37、25.79±10.69、24.32±11.46、23.82±12.28 mg/L。其中，T5 和T6 处理淋失水中NO3--N 的浓度均显著（p＜0.05）低于T1 和T2 处理，表明避雨栽培能够降低土壤淋失水中NO3--N 的浓度，合理降低灌水下限可以进一步降低土壤淋失水中NO3--N的浓度。

图2 各处理土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N浓度Fig.2 NH4+-N and NO3--N concentration in soil leaching water of each treatment

2.2 不同灌水下限和避雨栽培对土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N淋失量的影响

本次试验中，观察到土壤氮素淋失的发生和灌溉降雨事件的时间次序保持一致，灌溉降雨事件直接影响氮素的淋失过程，其中，避雨栽培的3个处理不受降雨事件的影响。如图3所示，当有大的降雨或灌水事件发生时，NH4+-N 和NO3--N 淋失量都有一定幅度的增加，这与前人结果[21]一致，氮素淋失量受到灌溉降雨事件的极大影响，氮素淋失量的增大与灌溉降雨量的强度呈正相关，其中NO3--N 淋失量受灌溉降雨事件的影响更大一些[22,23]。图3显示，8月16日有一场大的降雨事件发生，同时T1、T2、T4、T5 处理还有灌水发生，各处理的NH4+-N 和NO3--N 淋失量均有不同程度上明显的上升趋势。当日各处理组NH4+-N 淋失量分别为51.83、29.81、36.69、15.99、10.28、4.01 g/hm2，NO3--N 淋失量分别为8.18、3.94、0.25、1.86、2.05、0.05 kg/hm2，可以看出无避雨处理的试验组在NH4+-N和NO3--N淋失量方面都比相同灌水下限时的避雨处理试验组高。NO3--N 易溶于水，随着降雨量增大，灌水充足，土壤含水率增加，土壤NO3--N 淋失量逐渐增加，同时，NO3--N 累积位置也下移[24]。土壤NH4+-N 和NO3--N 淋失量的增长、降低趋势基本一致。

图3 整个葡萄观测周期内灌溉降雨量和NH4+-N、NO3--N淋失量的变化Fig.3 Changes of irrigation rainfall and leaching loss of NH4+-N and NO3--N during the whole grape observation cycle

2.3 不同灌水下限和避雨栽培对土壤淋溶水中NH4+-N和NO3--N累积淋失量的影响

灌水下限和避雨栽培都能影响土壤氮素的淋失过程。试验期内观测NH4+-N 和NO3--N 累积淋失量见图4。可以看出，无避雨处理的3 个处理NH4+-N 和NO3--N 累积淋失量均大于避雨处理的3 个处理。其中，在相同避雨措施下，灌水下限为70% 时，NH4+-N 的淋失总量最小，T1、T3 处理分别比T2 处理高了0.01、0.09 kg/hm2，T4、T6 处理分别比T5 处理高了0.03、0.02 kg/hm2。表明高灌水和低灌水都容易造成土壤NH4+-N 的淋失量增加。灌水下限为80%、70%和60%的避雨处理在NO3--N 的淋失总量上分别比相同灌水下限的无避雨处理降低了54.16%、58.29%、53.92%。由图4可以看出，灌水下限能明显影响土壤NO3--N 累积量，高灌水下限条件下土壤NO3--N 累积量变化比低灌水下限时大，在相同避雨处理的情况下，降低灌水下限，可以有效减少NO3--N 淋失量，T2、T3处理分别比T1处理降低了13.22%、44.67%，T5、T6处理分别比T4 处理降低了21.04%、44.37%。这与前人结果[25]相一致。NO3--N 大量累积是N 素淋失必要条件之一，随着灌水量的增加，淋失量也逐渐增加，降低灌水下限能够降低土壤NO3--N的淋失量。

图4 各处理土壤淋失水中NH4+-N、NO3--N累积淋失量Fig.4 cumulative leaching amount of NH4+-N and NO3--N in soil leaching water of each treatment

2.4 不同灌水下限和避雨栽培对土壤NO3--N 淋失率的影响

旱地土壤的氮素淋失主要是以NO3--N 的形式淋失。向下运移的水流和土壤剖面NO3--N积累是造成NO3--N 淋失的主要条件[26]。有研究表明，减少灌水量可以明显提高水分利用率和减少NO3--N 淋失率[25,27]。整个观测周期内NO3--N 淋失率结果如图5所示。可以看出，NO3--N 淋失率在T1 处理中最高，比其他处理组分别高了25.84%、42.72%、103.16%、109.38%、154.30%。可见在葡萄地生产系统中，灌水下限依然是影响土壤NO3--N 淋失的重要因素，无避雨栽培时，T2、T3 处理的NO3--N淋失率分别比T1处理降低了20.54%、29.93%；避雨栽培时，T5、T6 处理分别比T4 处理降低了2.97%、20.11%，说明相同的避雨措施条件下，淋失水量、NO3--N淋失量及NO3--N 淋失率和灌水下限成正比。而灌水下限设为80%、70%和60%的避雨处理在NO3--N 的淋失率上分别比相同灌水下限的无避雨处理降低了50.78%、39.90%、43.88%，说明避雨栽培可以有效地降低NO3--N的淋失率。

图5 各处理观测周期内的NO3--N淋失量和NO3--N淋失率变化Fig.5 changes of NO3--N leaching amount and NO3--N leaching rate in each treatment observation period

2.5 不同灌水下限和避雨栽培对葡萄产量品质的影响

滴灌条件下灌水和避雨栽培对葡萄产量及品质的影响见表3所示。T5处理单位面积产量较T1、T2、T3、T4和T6处理分别高了12 734、3 822、14 099、7 824、13 600 kg/hm2，且差异显著。通过方差分析得出，土壤水分下限和是否为避雨处理都对葡萄的产量有显著性影响[28]，这与付诗宁等人[29]所得结论一致，但是二者的交互作用对葡萄产量影响不显著。各处理组的葡萄果实品质在可溶性固形物和可滴定酸方面没有显著差异；T4 和T5 处理的维生素C 含量显著高于其他处理，分别比T1处理高了19.63%、21.07%；在无避雨的3个试验组中，T3 处理的还原糖含量分别比T1、T2 处理高了12.74%、25.00%，说明适当的降低土壤水分下限可能会提高葡萄果实的还原糖含量；T5 和T6 处理的可溶性固形物含量高于其他试验处理组，该结果进一步证明了适当的降低灌水下限可能会提高葡萄的果实品质，且避雨栽培也可能对葡萄果实品质的改善有一定的促进作用，这与郭俊强[30]和刘亚妮[31]所得结论一致；T6 处理可能是由于土壤水分含量较低，受到水分胁迫的影响还原糖含量显著低于其他处理，避雨处理的3个试验组可能是由于降低了光照强度，影响了光合作用，在还原糖方面均显著低于T3处理。

表3 不同处理下葡萄的品质Tab.3 The quality of grapes under different irrigation treatments

3 结 论

（1）整个葡萄试验观测期内，灌水和降雨事件引发氮素淋溶，且淋溶的主要形态为NO3--N。土壤淋失水中NO3--N 的浓度明显高于NH4+-N 的浓度，NH4+-N 的浓度变化范围为1.10～2 758.50 ug/L，NO3--N 的浓度变化范围为2.17～130.53 mg/L。

（2）灌溉降雨事件直接影响氮素的淋溶趋势，且NH4+-N淋失量和NO3--N淋失量的增长、降低趋势基本一致。

（3）避雨栽培和灌水量的优化能够较好的降低葡萄滴灌试验中土壤氮素淋溶的风险。本试验中，T1 处理的NO3--N 淋溶总量最大，均值为41.06 kg/hm2。与T1处理相比，T2～T6处理中NO3--N 的淋失总量分别减少了13.24%、44.67%、54.17%、63.81%、71.50%。

（4）合理降低灌水下限和避雨栽培可以有效地降低NO3--N 的淋失率。试验结果得出，T2、T3 处理的NO3--N 淋失率分别比T1 处理降低了20.54%、29.93%；T5、T6 处理的NO3--N淋失率分别比T4 处理降低了2.97%、20.11%。灌水下限为80%、70%和60%的避雨处理分别比相同灌水下限的无避雨处理降低了50.78%、39.90%、43.88%。

（5）在土壤水分下限和是否为避雨处理的影响下，单位面积产量最高的是T5 处理，T1、T2、T3、T4、T6 处理分别比T5 处理低了34.02%、10.21%、37.67%、20.90%、36.33%。可见，过高的灌水和水分的亏缺都不利于葡萄产量的增加。试验表明，从葡萄产量方面出发，避雨处理优于无避雨处理，灌水下限为70%时是最优灌水量。