發布時間：2022-01-19所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 水資源短缺和土壤環境污染嚴重是制約農業可持續健康發展的瓶頸, 迫使農民開發和采用可持續的農業生產技術。水分運動機理和氮肥殘留行為是評價干旱地區農業水肥管理水平的依據, 提高水氮利用效率是降低環境污染這一重要科學問題的重要途徑。本研究采用裂區試驗設
摘 要: 水資源短缺和土壤環境污染嚴重是制約農業可持續健康發展的瓶頸, 迫使農民開發和采用可持續的農業生產技術。水分運動機理和氮肥殘留行為是評價干旱地區農業水肥管理水平的依據, 提高水氮利用效率是降低環境污染這一重要科學問題的重要途徑。本研究采用裂區試驗設計, 以灌溉量為主區, 設 2250 (低灌溉量, W1)、3450 (傳統灌溉量, W2)和 4650 m3 hm–2 (高灌溉量, W3) 3 個灌溉量; 設 0 (空白, N1)、300 (傳統施肥量, N2)和 600 kg hm–2 (高施氮量, N3) 3 個純氮投入量, 在干旱的中國西北內陸棉區開展 2 年的田間試驗, 評估灌溉和施氮策略對水氮運移、籽棉產量、水氮生產效率的影響。結果表明, 灌溉量及水氮耦合效應是影響籽棉產量及灌溉水生產力的影響因素, 其中灌溉量是主效應。2 年均值表明, 灌溉量為 W1 時, 施肥量由 N1 增加至 N3, 生育期 0~80 cm 平均土壤含水量呈先顯著上升后顯著下降的趨勢, N2 和 N3 處理較 N1 處理籽棉產量分別提高 13.8%和 7.6%, 水分利用效率分別提高 13.6%和 6.8%; 灌溉量為 W2 和 W3 時, 施肥量由 N1 增加至 N3, 生育期 0~80 cm 土層平均含水量無顯著差異。N2 和 N3 處理較 N1 處理籽棉產量分別提高 11.6%和 12.4%, 水分利用效率分別提高 11.4%和 11.5%; 隨著灌溉量的增加, 0~80 cm 土層全生育期含水率總平均值逐漸增大。灌溉量是影響硝態氮在 0~40 cm 土層積累的主導因素, 而水氮耦合效應是導致硝態氮向下淋溶的主效應。W1 灌溉量下, 隨著施氮量的增加, 硝態氮在 0~40 cm 土層大量積累, 而 W3 灌溉量下, 隨著施氮量的增加, 40~60 cm 土層硝態氮含量逐漸增加。總的來說, 灌溉量高于 3450 m3 hm–2、施肥高于 300 kg hm–2后繼續增加水氮投入未能額外增產, 反而可能造成資源浪費和對環境的潛在污染。因此我們建議, 通過水氮優化策略提高資源利用效率, 降低環境污染, 促進農業可持續發展。
關鍵詞: 機采棉; 水氮耦合; 產量; 水分運移; 硝態氮
水分虧缺和土壤貧瘠是干旱半干旱地區作物生產面臨的實際田間生境[1], 近年來, 為了獲得較高的產量, 水肥的投入發揮了重要作用[2], 但農業水肥資源投入量大而利用效率低, 這不僅會加大水資源的浪費[3]及肥料等物化成本[4], 還會引發土壤酸化[5]、次生鹽堿化[6]或板結[7]等一系列環境問題, 因此有必要優化水肥資源的投入來確保干旱半干旱地區農業的可持續發展[8]。
灌溉量[9]和施氮量[10]是影響作物產量的重要因素。例如, 灌溉定額較低時土壤水分均勻性降低, 深層水分消耗增加。胡曉棠等[11]研究表明, 灌溉后土壤含水量低于田間持水量 60%時, 0~60 cm 土壤含水量維持在 8.0%~22.0%, 含水量波動幅度較大, 深層土壤含水量最低, 不能維持作物生長耗水。干旱脅迫顯著降低了根系的表面積和根長密度[12], 降低根系對水分和養分的吸收能力, 阻斷物質傳輸, 進而阻礙發育, 降低作物產量。Wang 等[13]的研究結果表明, 虧缺灌溉條件下, 雖然土壤通透性較高, 但干旱脅迫導致根系吸收及同化養分的能力下降。而 Cabangon 等[14]的研究也證明在干旱條件下, 未能充分利用的氮肥反而會造成根部水分脅迫加重, 根長密度顯著降低。適度的水分虧缺可以通過限制營養生長和氣孔開放、改變生長階段、減少蒸騰和維持光合作用來維持作物產量和提高灌溉用水效率[15]。石洪亮等[16]開展了花鈴期不同水氮調控對棉花光合特性的研究后發現, 輕度干旱條件下花鈴期光合產物向生殖器官轉運補償效應顯著, 凈光合速率和蒸騰速率減低但灌溉水效率顯著提高, 最終產量僅較充分灌溉下降。
氮素是調控作物生長、群體發育、提高水分利用效率的重要營養元素[17], 土壤中氮素缺乏是導致作物在干旱環境中生產能力低下的主要因素。施氮不僅影響甜瓜對氮素的吸收和利用[18], 而且影響硝態氮在土壤剖面的分布[19]。有關研究表明, 農田中氮肥投入不足時, 作物營養生長會消耗較多的光合產物和水分, 從而導致生殖生長不足, 嚴重影響產量的形成和水分利用效率的提升[22-21]。相反, 過量的氮肥投入會促進植物過度生長, 延緩衰老, 極大的降低了氮肥的利用效率[22]。此外, 隨氮肥施入量的增加, 土壤中硝態氮含量和累積量呈增加趨勢, 且在向土壤深層淋溶情況加劇, 引發土壤的次生鹽漬化[23]。
近年來, 氮肥成本的增加和環境污染加劇促使人們更加重視氮肥的有效利用[24]。對水稻[25]、玉米[26]、小麥[27]等多種作物研究表明, 施肥量超過最佳用量后, 會使氮肥損失率增加, 土壤硝態氮含量呈上升趨勢[28]。滴灌條件下傳統灌溉量(3450 m3 hm–2)較大, 所用灌溉時間較長, 灌溉水因重力不斷下滲, 使肥料中氮素在施肥量尚低于最佳施肥量時發生硝態氮向下淋溶的現象[27], 而控制灌溉可提高不同施氮量下農田土壤氮素的有效性, 降低氮素表觀損失量, 提高氮素利用效率, 減少硝態氮向 20~ 60 cm 土層淋溶, 張紹武等[29]研究表明, 施氮量對土壤氮素殘留的影響最大, 水分次之, 二者存在明顯的交互作用。而王曉英等[30]提出, 水氮互作效應是決定硝態氮淋溶的主要原因, 且其中灌溉效應大于施氮效應。
綜上所述, 雖然水氮耦合效應的研究已經取得了極大的關注, 但水、氮對無機氮積累和淋溶二者如何相互調節的研究結果說法不一, 對干旱區機采棉田水分運動機理和氮肥殘留行為鮮有報道, 且水分和營養虧缺是干旱和半干旱地區最常相伴的土壤環境。因此, 無論從宏觀還是微觀水平都必須將水分和營養條件結合起來去探索如何實現“以肥調水”和“以水促肥”, 進而提高作物 WUE 和肥料利用效率, 節約資源, 減少化肥污染, 方可用來指導生產實踐。因此, 本研究結合當地灌溉施肥量, 設置不同灌溉和施肥梯度, 研究水氮耦合效應對機采棉種植模式下籽棉產量和棉田土壤水分運移及氮素積累與淋溶的影響, 以期為干旱地區水氮資源的高效利用提供依據。
1 材料與方法
1.1 試驗區概況
試驗于 2018—2019 年在新疆農業科學院阿瓦提棉花綜合試驗站進行, 試驗區位于塔里木盆地西北沿(40°06'N, 80°44'E, 海拔 1025 m), 所屬地理位置屬于溫暖帶大陸性干旱氣候。年均日照 2679 h, ≥10℃年積溫 3987.7 , ℃ 無霜期 211 d, 年平均降水量 46.4 mm, 蒸發量 1890.7 mm, 農業生產完全依賴于灌溉。試驗區地下水埋深>5 m, 地下水無法補給到作物根系分布層, 向上補給量可忽略不計; 土壤類型為灌淤土, 母質為沖積物, 質地為沙壤土, 容重 1.45 g cm–3, 土壤 pH 8.2, 田間持水量 28.9%。2 年試驗區地理位置完全一致, 試驗用地播前 0~ 100 cm 土壤基礎養分狀況見表 1。試驗用地播前 0~ 100 cm 土層硝態氮及銨態氮含量見表 2。
1.2 試驗設計
采用裂區試驗設計, 以灌溉量為主區, 設 2250 (低灌溉定額)、3450 (傳統灌溉定額)和 4650 m3 hm–2 (高灌溉定額)3 個處理, 以 W1、W2 和 W3 表示; 以氮肥施用量(以純氮表示)為副區, 設 0 (空白)、300 (傳統氮肥投入量)和 600 kg hm–2 (高施氮量) 3 個處理, 以 N1、N2 和 N3 表示, 共 9 個處理, 每個處理重復 3 次, 共 27 個試驗小區。小區長 6.5 m, 寬 6.9 m, 面積 44.85 m2 , 各小區由 3 個播幅組成。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O5 53.8%, N 21.2%) 450 kg hm–2, 硫酸鉀 (K2O 51%) 225 kg hm–2, 尿素 300 kg hm–2 (N 46.4%)。
供試品種為新陸中 88 號, 由新疆農業科學院經濟作物研究所提供。采用“1 膜 2 管 6 行”機采棉種植模式, 普通聚乙烯地膜覆蓋, 膜寬 2.05 m, 厚度 0.01 mm, 地表覆蓋度約為 80%。株行配置[(10+66+ 10)+66]11 cm, 理論種植密度 22.5 萬株 hm–2。滴灌帶間距 76 cm, 滴頭間距 25 cm, 滴頭流量 2.1 L h–1, 各小區安裝水表和開關, 單獨控水。6 月中旬開始灌溉, 8 月中旬結束灌溉, 采用“一水一肥” 方式追施尿素, 灌溉定額為灌溉總額的 1/10, 其他管理方式同大田。
1.3 相關指標的測定和計算
1.3.1 生物產量 棉花收獲期每小區各重復分別選取具有代表性的 3 株棉花, 105℃殺青 60 min, 85℃ 烘干至恒重并記錄其重量, 取樣后對小區內取樣點進行標記, 在后續產量測定時避開該取樣點。
1.3.2 產量的測定 于棉花收獲期在各小區隨機挑選 6 個 2.27 m×2.93 m 大小的樣方, 記錄其株數和結鈴數。測定后在各小區分上中下部分各取 50 朵棉花, 曬至恒重后測定單鈴質量計算籽棉產量。
1.3.3 土壤體積水分含量的測定 于苗期、蕾期、開花期、盛鈴期、吐絮期, 利用時域反射儀(Time Domain Reflectometry, 簡稱 TDR, TRIME-PICO 64, IMKO Inc., Germany)金屬探針測定土壤介電常數并換算成土壤體積含水量, 寬行水平測定位點距滴灌 5 cm, 窄行水平測定位點位于窄行中間。各點每 10 cm 為 1 層, 每層測定 3 次, 測深 80 cm, 數據處理時將寬行與窄行位點進行平均后分析繪圖。測定位點示意圖見圖 1。
1.3.4 土壤樣品的采集及氮素測定 播種前及棉花開花期、盛鈴期、吐絮期, 采用直徑 10 cm 土鉆, 各小區每 10 cm 一層取樣, 取樣深度 60 cm, 取樣后立刻稱取 10 g 土樣, 烘干后計算土壤質量含水量及含水率。剩余土樣采用 CaCl2 浸提法制作提取液, 使用靛酚藍比色法測定銨態氮含量、紫外分光光度計法測定硝態氮的含量[31]。
1.3.5 相關指標的計算方法 氮肥生產效率(kg kg–1 N–1)=(施氮區籽棉產量不施氮區籽棉產量)/施肥量;灌溉水分利用效率(kg m–3)=籽棉產量/灌溉量[32]。
1.4 數據分析
采用 Microsoft Excel 2010 軟件進行數據的分析和整理, 利用 DPS Version 7.05 (Data Processing System Software, Inc. CHN)進行數據的顯著性分析及回歸方程的模擬, 采用最小顯著性差異 LSD 法進行顯著性測驗, 不同字母表示為二者間差異顯著 (P<0.05), 采用 SigmaPlot Version 12.5 (Systat Software, Inc. USA)軟件對分析數據進行繪圖。
2 結果與分析
2.1 不同灌溉施肥組合對棉花產量及水、氮生產效率的影響
灌溉量對籽棉產量和灌溉水利用效率有極顯著影響(P<0.01), 對生物產量和氮肥生產效率有顯著影響(P<0.05); 施肥量對氮肥生產效率有極顯著影響(P<0.01), 對籽棉產量和灌溉水利用效率有顯著影響(P<0.05); 二者交互作用對生物產量有極顯著影響(P<0.01), 對籽棉產量、灌溉水利用效率和氮肥生產效率有顯著影響(P<0.05) (表 3)。
隨著灌溉量和施肥量的增加, 生物產量和籽棉產量顯著提高, 但灌溉水利用效率隨灌溉量的增加顯著降低, 氮肥生產效率隨施肥量的增加顯著降低。2 年均值表明, 提高灌溉量可顯著增加生物產量, 當灌溉量不足時, 植株生物產量隨施肥量的增加呈先增加后降低趨勢; 在灌溉量充足時, 生物產量隨施肥量的增加呈增加趨勢。在施肥量相同時, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 生物產量分別顯著增加 57.8%、41.0%和 71.8%。W1 灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N2 生物產量顯著增加 41.4%。相同灌溉量條件下, N2 和 N3 施肥量下籽棉產量無顯著差異但均顯著高于 N1 處理; 在同一施肥量條件下, 籽棉產量隨灌溉量的增加而增加, 與 W1 處理相比, W3 處理籽棉產量分別顯著提高了 22.3%、22.1%和 27.7%。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 籽棉產量分別顯著提高 11.6%和 12.4%。
灌溉水利用效率隨灌溉量增加顯著降低, 隨施肥量的增加顯著提高。相同施肥量下, 灌溉量從 W1 增加到 W3 灌溉水利用效率分別顯著降低 40.9%、 40.0%和 38.3%。W1 灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N2 灌溉水利用效率顯著增加 13.6%。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N3 灌溉水利用效率顯著增加 11.4%和 11.5%; 氮肥生產效率隨灌溉量的增加顯著提高, 隨施肥量的增加顯著降低。相同施肥量下, 灌溉量從 W1 增加到 W3 氮肥生產效率顯著提高 28.6%和 86.7%。相同灌溉量下, 施肥量從 N1 增加到 N3 氮肥生產效率顯著降低 64.3%、25.0%和 48.1%。
2.2 不同灌溉施肥組合下全生育期平均體積含水率差異
灌溉量與施肥量對全生育期 0~80 cm 土層平均體積含水率的影響如表 4 所示, 2 年規律基本一致。均值表明, 在相同施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 0~80 cm 土層平均體積含水率分別顯著增加 20.4%、 14.3%和 22.0%。W1 灌溉量下, N2 處理 0~80 cm 土層平均體積含水率比 N3 施肥量顯著高 5.6%。W2 和 W3 灌溉量下各施肥處理差異不顯著。
從各層土壤體積含水率上看, 灌溉量對各層土壤體積含水率均有極顯著影響(P<0.01), 施肥量及耦合效應對各層土壤體積含水率的影響分別體現在 0~30 cm 和 0~40 cm 土層(P<0.05)。0~10 cm 土層, 相同施肥量下灌溉量由 W1增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 27.9%、11.1%和 28.0%。灌溉量相同時不同施肥量下土壤體積含水率無顯著差異; 10~20 cm 土層, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 30.6%、 12.4%和 36.4%; 20~30 cm 土層, 僅 N3 施肥量下, 灌溉量由 W1 增加到 W3 土壤體積含水率顯著增加 31.3%。W1 灌溉量下, N2 處理分別比 N1 和 N3 處理顯著高 13.9%和 14.8%。W2 灌溉量下各處理無顯著差異。W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3 土壤體積含水率顯著增加 13.2%; 30~40 cm 土層, N2 和 N3 施肥量下, 灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 8.7%和 34.4%。W1 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤體積含水率顯著降低 17.1%。W2 和 W3 灌溉量下不同施肥量土壤含水率無顯著差異; 40~60 cm 土層各處理土壤體積含水率均無顯著差異; 60~70 cm土層, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 27.3%、25.9%和 17.3%。不同灌溉量下各處理土壤體積含水率均無顯著差異; 70~80 cm 土層, 3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤體積含水率分別顯著增加 37.5%、25.8%和 33.6%。 W1 灌溉量下各處理無顯著差異。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤體積含水率分別顯著降低 7.0%和 7.9%。
2.3 不同灌溉施肥組合 0~80 cm 土層土壤體積含水率的時空變化
不同灌溉量與施肥量下 0~80 cm 土層土壤體積含水率的時空變化如圖 2 所示。灌溉量對土壤體積含水率的影響主要體現在空間變化方面, 對 0~ 20 cm 和 60~80 cm 土層的影響尤為明顯; 施肥量對土壤體積含水率的影響主要體現在時間變化方面, 低施肥量會導致生育后期土壤水分向深層移動。
在施肥量一定的條件下, 增加灌溉量可有效提高全生育期內土壤體積含水率, 而不同灌溉量一定的條件下, 增施氮肥后土壤體積含水率的變化影響不一致, 且對 0~60 cm 土層影響較為明顯。相同施肥量下, W1 灌溉量 0~20 cm 土層表現出嚴重干旱的狀態, 隨著灌溉量的增加, 干旱狀況得到緩解。W3 灌溉量下 60~80 cm 土層土壤體積含水率顯著高于 W1 和 W2 處理。從各處理不同生育時期土壤體積含水率變化情況上看, 灌溉量對蕾期至盛鈴期土壤含水率影響較大。W1 灌溉量下, 蕾期至吐絮期土壤體積含水率均低于 W2和 W3灌溉量。W2灌溉量下, 開花期至盛鈴期 3 個施肥量下土壤體積含水率較 W3 灌溉量均有不同程度下降, 至吐絮期 W2 和 W3 兩種灌溉量下土壤體積含水率無顯著差異。W3 灌溉量下僅在蕾期表現出輕度干旱狀況, 開花期后隨著充足的水分投入, 干旱狀況得到緩解; W1 灌溉量下, 隨著施肥量的由 N1 增加至 N3, 土壤含水率呈“低—高 —低”的變化趨勢。W2 灌溉量下, 0~20 cm 和 60~80 cm 土層土壤體積含水率隨施肥量的增加而降低, 20~60 cm 土層無顯著差異。W3 灌溉量下, 0~ 60 cm 土層土壤體積含水率隨施肥量的增加而增加, 60~80 cm 土層內隨施肥量的升高而降低。從各處理不同生育時期土壤體積含水率變化情況上看, 施肥量對開花期至吐絮期土壤含水率的影響較為顯著, 這種變化隨灌溉量的增加不斷加劇。
2.4 不同灌溉施肥組合下土壤無機氮含量
開花期至吐絮期不同灌溉施肥組合下土壤無機氮總量如表 4 所示, 不同年份間所示規律相近, 2 年均值表明, 在施肥量相同時, 增加灌溉量可降低土壤無機氮含量, 而在灌溉量一定時, 土壤無機氮含量隨施肥量增加而增加。至吐絮期, 各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3, 土壤無機氮含量分別顯著降低 12.4%、27.4%和 10.0%。3 種灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤無機氮含量分別顯著增加 33.4%、40.3%和 37.0%。
從無機氮成分上看, 硝態氮為影響土壤無機氮含量的主要因素, 其各生育期變化規律與無機氮總量變化趨勢相近, 即提高灌溉量可顯著降低土壤硝態氮含量, 提高施肥量會顯著增加土壤硝態氮含量。而銨態氮隨灌溉量的增加呈下降趨勢, 施肥量對土壤銨態氮含量無顯著影響。吐絮期各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3, 土壤硝態氮含量分別顯著降低 13.8%、30.9%和 12.5%; 3 種灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤硝態氮含量分別顯著增加 34.4%、48.3%和 36.3%。
2.5 不同灌溉施肥組合下土壤硝態氮運移狀況
不同灌溉施肥組合下開花期至吐絮期土壤硝態氮的運移狀況如圖 4 和圖 5 所示。2 年內所示規律相近, 隨生育時期的推進, 土壤硝態氮含量呈下降趨勢, 在施肥量一定的條件下增加灌溉量可顯著降低 0~40 cm 土層土壤硝態氮含量, 而灌溉量一定的條件下增加施肥量會顯著增加 40~60 cm 土層土壤硝態氮含量。開花期, 土壤硝態氮主要集中在 0~30 cm 土層。其中 W1 灌溉量下各施肥處理土壤硝態氮含量無顯著差異。W2 和 W3 灌溉量下, N2 和 N3 處理均高于 N1 處理; 盛鈴期, 各層土壤硝態氮分布較為均勻。在施肥量相同時增加灌溉量, 土壤硝態氮含量顯著下降。在灌溉量相同時, 增加施肥量會使土壤硝態氮含量增加, 且灌溉量越低土壤硝態氮含量增加幅度越大; 吐絮期, 在施肥量相同時, 增加灌溉量會使 0~40 cm 土層硝態氮含量顯著降低, 40~60 cm 土層硝態氮含量顯著增加。在灌溉量相同時, W1灌溉量下 0~40 cm土層硝態氮含量隨施肥量的增加顯著增加, 對 40~60 cm 土層無顯著影響。W2 灌溉量下土壤硝態氮含量隨施肥量的增加而增加, 且 2018 年對 40~60 cm 土層增加尤為明顯。W3 灌溉量下, 40~60 cm 土層硝態氮含量隨施肥量的增加而增加, 0~40 cm 土層隨施肥量的增加變化不顯著。
將灌溉量(W)、施肥量(N)與吐絮期 0~40 cm 土層 NO3 -N 累積量(Y0-40)進行回歸分析, 獲得回歸方程: Y0-40=190.73+0.0016W2 0.0053N2 0.86W+2.34N+0.0 0027WN (R2 =0.96), 其中灌溉量的二次項 (P= 0.0459<0.05, t=0.6380)及一次項(P=0.0353<0.05, t= 0.6851)達到顯著水平(P<0.05)。說明灌溉量是影響根區土壤硝態氮殘留量的主導因素。
將灌溉量(W)、施肥量(N)與吐絮期 40~60 cm 土層 NO3 -N 累積量(Y40-60)進行回歸分析, 獲得回歸方程: Y40-60=34.790.00049W2 +0.020N2 +0.15W+1.53N+0.00 54WN (R2 =0.92), 其中灌溉量與施肥量的交互項(P= 0.0076<0.01, t=0.7660), 施肥量的二次項(P=0.0372< 0.05, t= 0.7155)及一次項(P=0.0187<0.05, t=0.6204) 達到顯著水平。說明灌溉量和施肥量的耦合效應是造成硝態氮向深層土壤淋溶的主效應, 施肥量次之。
3 討論
3.1 不同灌溉施肥組合對棉花產量及水氮利用的影響
合理的水肥施用是使兩者產生正效應的關鍵, 二者相互協調達到“以水調肥, 以肥促水”的互補效果, 表現出水分和養分兩因子對增產作用的疊加效果即耦合效應。水分具有顯著的調肥作用, 提高灌溉量可提高肥料的利用效率, 樊小林等[33]研究不同水分條件下冬小麥氮素利用發現, 小麥籽粒和地上部干物質的氮素吸收量與其相應產量呈極顯著正相關, 干旱脅迫使小麥的氮素利用率下降。灌溉量同樣影響著水分利用效率, 降低灌溉量可有效提高灌溉水利用效率。施肥同樣具有明顯的調水作用, 孫文濤等[34] 在對耦合效應的研究中指出, 合理施肥提高了水分利用效率, 從而促進增產。本研究結果與前人不完全一致, 即在水氮充足的條件下二者均有增產作用, 但在水氮施入不均時, 單一因素的過量施入反而會起到抑制作用。其中以 W1N3 最為明顯, 分析其原因可能是該組合下極低的灌溉量不能使氮肥被完全吸收, 根區土壤也未超過最大田間持水量, 未吸收氮肥在根區土層殘留, 土壤長期保持氮肥過量的情況進而抑制根系生長, 連年的低水高氮施入還可能造成土壤次生鹽堿化的發生, 造成土壤環境惡化。
3.2 不同灌溉施肥組合對棉田土壤水分運移的影響
關于水氮耦合效應對水分動態變化有學者根據棉田土壤水分程度將棉花生育期分為 3 個時期, 即土壤水分穩定期(4 月中旬至 7 月中旬)、土壤水分劇烈變化期(7 月中旬至 8 月底)和緩慢消耗期(8 月底至 10 月底) [35]。本試驗條件下棉田土壤水分的時空動態變化表現出相近的規律, 即播種后至開花期前, 土壤水分變化浮動較小, 6 月下旬開始灌溉后土壤含水量略有上升。但進入花期后棉花需水量迅速增加, 棉田土壤水分被快速消耗, 這一規律在 0~60 cm 土層尤為明顯。盛鈴期至吐絮期, 土壤水分變化幅度減輕但仍呈下降趨勢。從不同灌溉量對土壤含水量的影響上看, W1 灌溉量下花期至吐絮期 0~60 cm 土壤含水量均未高于 20%, 難以供給棉株需水高峰期的正常生長, 易造成大幅減產, 產量的測定也證實了上述推論。而在高灌溉量下, 緩慢消耗期土壤含水量明顯高于其他處理, 但產量與 W2 灌溉量下無顯著差異, 從節水灌溉的角度上看, 額外的水分投入未能顯著提高產量, 超額的灌溉水不僅形成了無消耗水, 反而降低了灌溉水利用效率。施肥量加劇了土壤水分在 0~60 cm 土層的消耗, 且在嚴重水分虧缺條件下對產量產生負效應。筆者認為, 尤其是在干旱農業區可以考慮減少生育后期灌溉量, 在缺水年份優先保證花期水分供應減少緩慢消耗期的灌溉量, 同時合理的氮肥減施可以優化土壤水分分布, 但亦有研究表明生育后期停水過早會造成葉片早衰影響產量[36], 因此生育期內灌溉分配方式還需進一步探究。
3.3 不同灌溉施肥組合對棉田土壤氮素遷移的影響
旱地土壤中氮素以硝態氮形態存在居多, 銨態氮形態存在較少。而硝態氮是土壤中極為活躍的營養成分。大量的單因素試驗表明隨著施氮量增加土壤硝態氮積累量增加。而灌溉量對硝態氮淋溶的影響結論不盡相同, 有學者認為隨著灌溉量及降雨量的增多, 硝態氮淋溶情況加劇[37]。亦有學者認為, 土壤物理性質決定著水分的入滲速度, 灌溉強度與土壤入滲速度的相互關系共同決定了硝態氮的淋溶[38]。本試驗中土壤硝態氮積累量回歸方程顯示, 灌溉量主要影響著根系主要分布區硝態氮的積累, 而水氮耦合效應主要影響著硝態氮的向深層土壤淋溶。從不同時期土壤硝態氮時空變化情況上看, 3450 m3 hm–2 和 4650 m3 hm–2 灌溉量下 0~40 cm 土層硝態氮含量逐漸降低, 40~60 cm 土層硝態氮含量逐漸增加, 分析其原因一方面可能為增加施肥量提高了 0~ 60 cm 全土層的硝態氮含量, 但在生殖生長過程中充足的水分促進根系對氮肥的吸收利用, 0~40 cm 土層內氮素被大量消耗; 另一方面也可能是在土壤水分過量條件下, 硝態氮主要以硝酸根離子存在于土壤溶液中, 隨著重力水向下移動。但 2250 m3 hm–2 灌溉量下, 至吐絮期硝態氮仍大量分布在 0~40 cm 土層, 分析其原因可能是該灌溉量下土壤濕度低, 土壤中硝態氮主要以固體硝酸鹽形態存在, 難以被棉株利用和在土壤中移動。因此減少氮肥施用以及合理控制灌溉量是有效降低土壤硝態氮積累的有效途徑, 而不同灌溉量下氮素去向仍需用同位素標記法進行進一步探究。
4 結論
本研究主要針對西北內陸干旱地區水資源短缺及氮肥投入過量等問題, 綜合當前一膜六行機采棉生產特點, 以優化水肥策略提高水氮利用率為目標, 在降低水肥資源投入的同時保證產量穩定, 主要結論如下: (1) 提高灌溉量可增產 11.6%~12.4%, 但在低灌溉量下, 施肥量超過 300 kg hm–2 后會使產量下降 21.2%。(2) 低灌溉量下, 施肥量為 600 kg hm–2 時會造成嚴重的干旱脅迫。高灌溉量下增施氮肥可提高根區土壤含水率, 進而減輕水分的下滲, 提高水分利用。(3) 提高灌溉量可降低土壤無機氮總量, 但在灌溉量高于 3450 m3 hm–2 時會導致無機氮隨水向深層土壤移動。而灌溉不足則會導致無機氮在 0~40 cm 土壤大量積累, 易導致土壤次生鹽堿化加劇。因此, 考慮到西北內陸機采棉區水資源嚴重緊缺和土壤氮素殘留等問題, 灌溉量應不高于 3450 m3 hm–2、施肥量不高于 300 kg hm–2, 既可在保證產量的同時, 達到節水減氮的作用, 實現簡化節本增效, 促進機采種植的可持續發展。——論文作者： 爾 晨 1 林 濤 2,3,4 夏 文 1 張 昊 1 徐高羽 1 湯秋香 1,*
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