洱海流域大蒜水肥综合调控模式及其节水减排效应

杨 明，张博超，顾世祥，韩焕豪，高 蓉，崔远来

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021；3.昆明理工大学农业与食品学院，昆明 650500）

0 引 言

洱海位于大理白族自治州境内，是云南省第二大高原淡水湖泊。近年来洱海富营养化问题日益严重，工业、旅游业、农业等排放的氮磷污染物加剧了洱海的水质污染［1］。研究表明，农业面源氮、磷污染物占洱海面源污染物入湖总量的34%、29%，是造成洱海水质恶化的主要原因之一［2］。洱海流域不合理的水肥管理模式不仅造成了水资源的浪费，更增加了肥料的流失风险［3］，氮肥中的很大部分通过挥发、径流、渗漏等途径流失［4］。大蒜作为当地典型旱作物之一，其种植具有“大水大肥”的特点。当地农户为了追求产量的最大化，长期不合理施用化肥以及粗放式的灌水方式导致了土壤生产力下降以及农业面源污染加剧等一系列环境问题［5］。目前针对该流域农田氮磷流失研究多集中于水稻田［6-8］，对大蒜田的研究较少且大多关注不同施肥方式［9，10］或者种植制度［11］，针对大蒜田的水肥综合调控的研究较少。针对其他旱作物例如小麦、青稞等的水肥调控试验结果表明适宜的水肥调控模式不仅不会有减产的风险，还会减小由此带来的环境负荷［12-14］。

为此，本研究以洱海流域大蒜为研究对象，采用田间对比试验，探究不同灌溉模式以及施氮量对蒜田的产量和节水减排效应的影响，提出考虑节水、稳产、减肥、以及减排效应的大蒜水肥综合调控模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

洱海流域属于低纬高原亚热带季风气候，四季温和，年平均气温15.1 ℃，年平均降雨量908.8 mm，冬干夏雨，6-10月集中了全年90%左右的降雨量。洱海流域是云南省重要的农业生产区，大春作物以水稻、烤烟以及玉米为主，小春作物以大蒜和蚕豆为主。

试验在洱海流域中部的农业农村部大理综合实验站内进行。供试大蒜品种为四川温江红七星。供试土壤为暗棕壤，0～20 cm 土壤基本理化性质为：pH 7.1、有机质57.3 g/kg、全氮3.31 g/kg、全磷0.97 g/kg、全钾19.3 g/kg、速效磷35.3 mg/kg、速效钾72.7 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2019年11月至2020年5月进行。试验处理考虑灌溉模式、施氮肥水平2 个因素。灌溉模式设2 个水平：常规灌溉W0、节水灌溉W1。灌水方式均为宽垄沟灌，W0 按照当地农民灌水习惯进行灌水，在各个关键生育期灌水，每次灌满沟深则停止灌水，待水分充分入渗；W1 以计划湿润层土壤含水率到达田间持水率的70%作为灌水下限，上限为田间持水率。在小区内多个点位不同土壤深度安装土壤水分数据采集探头，采用EM50 土壤水分数据采集器对土壤水分状况进行实时监测，土壤含水率到达灌水下限时灌水，到达土壤田间持水率时停止灌水。每个小区的灌水量由水表计数得到。施氮肥量设3 个水平：当地实际施氮量390 kg/hm²（N0）、当地施氮量的85%（N1）、当地施氮量的70%（N2）。各处理氮肥基追比为6∶1∶2∶1，分别在播种前基施，越冬前、返青期、蒜薹伸长期随灌水追施。磷肥及钾肥所有处理施肥量相同，磷肥施用量为P2O5120 kg/hm²，钾肥施用量为K2O 225 kg/hm²。共设6 个处理，每个处理3 次重复，共计18 个小区，随机区组设计。小区面积为26.4 m²，长6 m，宽4.4 m。每个小区内设径流池，在降雨产生径流后用于收集径流水量。每个小区设有淋溶水采集装置在灌水或降雨后用于采集淋溶水样，该装置通过放置在离土壤表面50 cm 深处的淋溶水收集盘采集淋溶水，再将淋溶水导入直径为15 cm 的PVC管中，收集淋溶水。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集与测试

每次降雨或灌水后于田间采集径流水和淋溶水。用取样瓶在径流池内多点采集水样，收集前将水样尽量混合均匀。淋溶水用小型手提式水泵从收集管内抽取。样品收集完后在24 h 内完成分析，否则置于4 ℃环境下低温保存。分别测定水样的总氮、总磷、硝态氮和铵态氮。总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894-89），总磷采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89），铵态氮采用靛酚蓝比色法（GB/T 8538-1995），硝态氮采用紫外分光光度法（HJ/T346-2007）。

作物收获时用电子秤称取每个小区的大蒜鳞茎重，并计算每个小区的产量。每个小区取典型植株3 株，洗净烘干后测定植株的总氮含量。植株总氮测定采用浓硫酸、过氧化氢氧化，自动定氮仪蒸馏的方法。

1.3.2 计算指标与方法

降雨量由自动气象站观测；灌水量由每个小区安装的水表计量；径流量由径流池收集并计量；渗漏量由淋溶水采集装置采集并计量；由于该区域地下水埋深较浅，地下水补给量可根据整个生育期内地下水位采用改进后的阿维里扬诺夫公式来计算得到［15］。蒸发蒸腾量通过水平衡方程计算得到，即：

式中：ET为作物蒸发蒸腾量，mm；P为降雨量，mm；I为灌水量，mm；K为地下水补给量，mm；ΔW为试验初期和末期计划湿润层水分的变化量，mm；C为排水量，包括地表径流和深层渗漏，mm。

地下水补给量计算公式为：

式中：H为地下水埋深，m；d为作物计划湿润层深度，m；Hmax为地下水极限埋深，m；n为经验常数，与土壤质地和植被有关，一般取1～3。

作物水分利用效率等于作物产量与全生育期蒸发蒸腾量之比［16］，即：

式中：WUE为作物水分利用效率，kg/m3；Y为作物产量，kg/hm2；ET为作物生育期蒸发蒸腾量，m³/hm2。

肥料偏生产力（PFP），指施用某一特定肥料下的作物产量与施肥量的比值，是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标［17］。计算公式为：

式中：PFP为肥料偏生产力，kg/kg；F为肥料用量，kg/hm2。

采用式（5）计算氮磷径流流失量：

式中：L1为总氮、总磷、硝态氮或铵态氮径流流失量，kg/hm2；CRi为第i次径流水中总氮、总磷、硝态氮或铵态氮浓度，mg/L；VRi为第i次径流水体积，L；S为试验小区面积，m²。

采用式（6）计算氮磷淋溶流失量：

式中：L2为总氮、总磷、硝态氮或铵态氮淋溶流失量，kg/hm2；CLi为第i次淋溶水中总氮、总磷、硝态氮或铵态氮浓度，mg/L；VLi为第i次淋溶水体积，L；S0为淋溶取样盘的面积，m²。

采用式（7）计算氮盈余：

1.3.3 数据分析

试验数据采用Excel 2016 进行制表，Origin 2018 进行制图，IBM SPSS Statistics 24进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理下大蒜节水效应

不同水肥处理田间水量平衡要素见表1。由表1 可知，不同施氮水平平均，与常规灌溉W0 相比，节水灌溉W1 下灌水量平均减少31.09%、渗漏量平均减少46.18%、径流量平均减少10.07%、蒸发蒸腾量平均减少2.46%，即与W0 相比，W1 节水效果极显著，其中灌水量及渗漏量减少极显著，径流量适当减少，但不显著，蒸发蒸腾量基本持平。表明W1 模式能维持大蒜正常生长发育需要的蒸发蒸腾量，同时显著减少灌水及渗漏量。

表1 不同水肥处理下大蒜水平衡要素 mmTab.1 Water balance elements of different water-fertilizer treatments of garlic

同一灌溉模式不同施氮水平下，作物整个生育期内灌水量、蒸发蒸腾量差异不显著。试验区距洱海较近，地下水位较高，地下水对土壤主要根系层的水分补给较为充足，是作物需水的主要来源之一，因此不同施氮量下土壤水分状况变化差异较小。本次试验全生育期地下水补给量达到375.25 mm，不同水肥处理下占整个生育期作物总蒸发蒸腾量的62.47%～64.58%。有研究认为，在作物及其种植方式、气候因素相同的条件下，灌水充分，则作物蒸发蒸腾量增加［18］。本次试验结果表明：与W0相比，W1平均蒸发蒸腾量减少了2.46%。差异主要是由于W0与W1相比，在灌溉之后，土壤较湿润，棵间蒸发强度增大，产生了更多的无效棵间蒸发。

2.2 不同水肥处理下大蒜氮磷流失规律

2.2.1 不同水肥处理下大蒜径流流失规律

从表2 可知，同一施氮水平下不同灌溉处理氮磷径流流失量无显著差异。本次试验期内仅收集到一次径流，且由降雨产生，多次灌溉都没有产生径流，导致同一施氮水平不同灌溉模式下氮磷径流流失量无显著性差异。

表2 不同水肥处理下大蒜氮磷径流流失量 kg/hm2Tab.2 Surface drainage loss of nitrogen and phosphorus under different water and fertilizer treatment

同一灌溉模式下，N0 处理总氮径流流失量显著高于N1 和N2 处理，与常规施肥（N0）相比，N1 和N2 处理总氮径流流失量分别减少22.49%和44.11%。N0处理的硝态氮和铵态氮径流流失量均显著高于N1 和N2 处理，N1 和N2 处理间差异显著。与N0 相比，N1 和N2 处理硝态氮径流流失量分别减少23.42%和46.87%，铵态氮径流流失量分别减少32.04%和45.15%。有研究表明，肥料氮是氮素流失的物质基础，施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素。本次试验结果表明施氮量是影响氮素径流流失量的主要因素之一，减少施氮肥能够显著减少径流中的氮素含量。同一灌溉模式各施氮处理间总磷径流流失量无显著性差异。这主要是由于各处理的施磷量相同，且磷肥施入土壤中易被吸附，各个小区径流中磷素流失量的差异主要受前几年耕作和施肥等因素的影响。

2.2.2 不同水肥处理下大蒜氮磷淋溶流失规律

灌溉或有较强降雨时产生淋溶，本次试验周期内共收集到4 次淋溶水。由表3 可知，同一施氮水平不同灌溉模式下，氮磷淋溶流失量差异显著，节水灌溉模式W1较传统灌溉模式W0相比，总氮、硝态氮、铵态氮、总磷淋溶流失量分别平均减少53.45%、54.32%、63.97%、48.54%。本次试验结果表明，灌溉模式是影响氮磷淋溶流失量的重要因素，节水灌溉模式能有效减少洱海流域大蒜田氮磷的淋溶流失量，减小氮磷流失风险。其中，氮素淋溶以NO3--N 为主要形态，占比为68.1%～74.02%，NH4+-N占比较小，仅为4.65%～7.12%。

表3 不同水肥处理下大蒜氮磷淋溶流失量 kg/hm2Tab.3 Nitrogen and phosphorus leaching loss under different water and fertilizer treatments

在同一灌溉模式下，大蒜田总氮、硝态氮、铵态氮淋溶流失量随着施氮肥量的增加而增加，总磷淋溶流失量随施氮肥量变化差异不大。方差分析表明，施氮肥量对总氮、铵态氮、硝态氮淋溶流失量的影响达到极显著水平，对总磷淋溶流失量无显著影响。N0处理的氮素淋溶流失量均显著高于N1和N2处理，N1和N2 处理间无显著差异，说明N1 处理能够满足大蒜稳产所需要的养分需要，同时显著减少氮素淋溶流失量。与N0相比，N1和N2 处理硝态氮淋溶流失量分别减少38.58%和45.93%，铵态氮淋溶流失量分别减少33.40%和39.24%。W0 灌溉模式下，减氮15%处理N1 下的总氮淋溶流失量较常规施氮处理N0 相比减少35.01%，减氮30% 处理N2 较常规施氮处理N0 减少42.51%；W1 灌溉模式下，减氮15%处理N1 下的总氮淋溶流失量较常规施氮处理N0相比减少37.43%，减氮30%处理N2较常规施氮处理减少43.47%。与W0相比，W1处理下两种减氮处理均能够进一步提高减少氮素淋溶流失量的效果。试验结果表明当地传统施肥具有较大的氮素淋溶流失风险，减氮施肥能够有效地降低氮素淋溶流失量，合适的水肥模式能进一步降低氮素淋溶流失风险。

2.2.3 不同水肥处理下大蒜田氮磷总流失量及氮素平衡

不同水肥处理下大蒜田氮磷总流失量见表4。由表4 可知，相同施氮肥处理下，相比于W0，W1 处理总氮流失量平均减少51.15%，总磷流失量平均减少44.25%。表明相比W0，W1 可有效减少大蒜田的氮磷流失量。不同施氮水平下，总氮流失量表现出随着施氮量的增加而增加的变化规律。N1、N2 处理总氮流失量较N0平均减少35.73%、42.89%，总磷流失量平均减少26.85%、27.06%，表明相比N0，N1、N2 处理可有效减少大蒜田的氮磷流失风险。

表4 不同水肥处理下大蒜田氮磷总流失量Tab.4 Nitrogen and phosphorus loss under different water and fertilizer treatments

大蒜田氮磷流失以淋溶流失为主，通过淋溶流失的氮磷流失量占总流失量的82.74%～96.32%，要远远高于通过径流流失的氮磷流失量。

由图1可知，化肥是大蒜田氮素输入的主要来源之一，灌水输入仅占大蒜田输入总氮的0.01%。农田氮素输出的主要方式以作物吸收为主，本次试验中不同水肥处理下作物吸氮量达到140～260 kg/hm²，占总氮输出的50.8%～70.9%；氮素淋溶流失量占总氮输入的3.96%～12.91%，径流流失量占比不到0.01%。不同水肥处理的平均氮素盈余量为58.87～141.09 kg/hm²，最低的是W1N1 处理。相较于其他处理，W1N1 处理极大程度上减轻了氮素淋溶和径流流失的风险。

图1 不同水肥处理下大蒜田氮素输入和输出量Fig.1 Nitrogen input and output in garlic cropland under different water and fertilizer treatments

2.3 不同水肥处理下大蒜产量及水肥利用效率

从表5可知，同一施氮水平不同灌溉模式下，大蒜的产量差异不大。与W0 相比，W1 大蒜产量稍有增加，平均增加0.48%。本次试验结果中改变灌溉模式不会显著降低大蒜的产量。

表5 不同水肥处理下大蒜产量及水肥利用效率Tab.5 Garlic yield and water-fertilizer utilization efficiency under different water and fertilizer treatments

同一灌溉模式不同的施氮水平下，大蒜产量差异显著，表现为N0＞N1＞N2的规律，N1、N2处理下的大蒜产量较N0处理分别减少4.31%、30.59%，说明较高施氮水平下减少施氮量不会显著影响大蒜产量，但减少到一定程度后氮肥无法满足大蒜正常生长，会使大蒜产量显著降低。方差分析表明水肥交互作用对大蒜产量无显著影响。

同一施氮水平下不同灌溉模式的作物水分利用效率表现出W0＜W1的趋势。W1提高作物水分利用效率3.07%。同一灌溉模式下不同施氮水平的作物水分利用效率则表现为N0＞N1＞N2，体现出了“以肥调水”效应。但N0 和N1 之间差异不显著，N2 处理显著低于N0 和N1 处理。显著性分析表明灌溉模式和水肥交互作用对作物水分利用效率的影响不显著，施肥量对作物水分利用效率的影响极显著。作物水分利用效率最高的处理为W1N0，达到1.294 kg/m3，最低为W0N2，仅为0.902 kg/m3。

氮肥偏生产力最高的处理为W1N1，说明合适的水肥处理可以提高氮肥利用率。显著性分析表明灌溉模式和水肥交互作用对肥料偏生产力的影响都不显著，施肥量对肥料偏生产力的影响显著。

3 讨 论

研究表明，灌溉和降雨是促使土壤产生淋溶和径流的主要驱动力，充分灌溉增加了氮素流失的风险［19，20］。洱海流域旱作物期间灌水次数较少，但灌水强度较大，传统大水漫灌和沟灌会产生较多的渗漏水，很大一部分灌溉水由于渗漏损失无法被作物吸收利用，造成水资源的浪费。同时，土壤中水分的运动会伴随着养分的迁移，不合理的灌溉模式还会造成土壤养分的大量流失。本研究结果表明，与常规灌溉模式相比，节水灌溉模式下大蒜田灌溉水减少31.09%，渗漏量减少46.18%，节水效果显著。由于大蒜生育期内降雨量仅有91.4 mm，且降雨强度较弱，因此该地区地表径流产生几率较低，氮磷淋溶流失是旱作物氮磷流失的主要途径，这与秦雪超等［21］在华北平原小麦季、黄沈发［22］在上海郊区旱作农田的研究结果相同，其指出淋溶流失是小麦季氮素流失的主要途径。因此要加强旱作期间对氮素淋溶流失的监测和研究。与常规灌溉相比，节水灌溉模式下总氮流失量平均减少51.15%，总磷平均流失量减少44.25%。

肥料氮是氮素流失的物质基础，施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素［23，24］。洱海流域大蒜田化肥投入量较大，在当地传统水肥模式下氮素流失风险较大。已有不少研究表明，在洱海流域采用合理的化肥减量施用、有机肥替代化肥等措施既能保证作物稳产，又能有效减少农田氮磷流失风险［25-28］。而在其他地区，骆晓声等［29］研究发现，通过化肥和有机肥的减施，菜田的硝态氮淋溶流失量平均降低42.8%，总磷淋溶流失量平均降低38%；王立刚［30］等研究表明，在山东桓台当氮肥投入量高于300 kg/hm²时，作物产量将不再显著增加，反而会使得氮素淋溶流失量显著升高。本研究结果表明，在常规施氮肥处理下大蒜田的氮素流失量达到37.77 kg/hm²，而减少15%氮肥处理下大蒜产量仅减少4.31%，氮素流失量减少了35.73%，在作物产量保持稳产的前提下具有显著的减排效果，表明合理的施肥管理措施是降低大蒜田氮素流失的主要途径之一。

4 结 论

（1）灌溉模式是影响洱海流域大蒜田水量平衡的主要因素。与传统灌溉模式相比，以土壤田间持水率的70%为灌水下限，田间持水率为灌水上限的灌溉模式平均节水31.09%。

（2）洱海流域大蒜田在常规施肥和传统灌溉模式下通过径流和淋溶流失的总氮量为37.77 kg/hm²，占施氮量的9.69%。减氮15%和30%可使氮素总流失量分别减少35.73%和42.89%。采用节水灌溉模式可使总氮流失量平均降低47.43%。

（3）与农民常规施氮相比，减氮15%处理对大蒜产量影响较小，减氮30%会导致大蒜显著减产。优化水肥模式能够有效提高作物水分利用效率和肥料偏生产力，实现水肥的较高利用效率。

（4）综合考虑节水、减排以及大蒜产量，洱海流域大蒜水肥最优管理模式为，减少常规氮肥用量的15%，采用本文推荐的节水灌溉模式，与传统水肥模式相比，最优水肥模式下灌水量减少32.03%、产量减少2.63%、总氮流失量减少68.26%、总磷流失量减少43.13%，能够显著降低氮磷流失带来的环境风险。