张绍武,胡田田,陈绍民,李鸿祥,章 杰

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

陕西省是我国的苹果主产区，苹果种植面积位居全国第一，在我国苹果产业中具有举足轻重的地位。该地区传统的苹果种植中，施肥方式主要是沟施或穴施[1]，氮肥平均用量约为671.71 kg·hm-2甚至更多[2-3]，远超过适宜的氮肥用量240～360 kg·hm-2[2]，灌水方式主要是雨养或漫灌。硝态氮是土壤中速效氮的主要存在形态，可被作物直接吸收，但其极易随水分运动，因此传统的水肥管理模式易导致硝态氮淋失、水肥利用效率低等问题[4]。为了在生产过程中实现节水节肥和环境友好型发展，近年来大面积推广矮化密植和滴灌施肥相结合的生产模式[5-6]。滴灌施肥可以使作物根区维持较高的水肥含量，同时减少深层渗漏。除了水肥用量、肥料类型等影响因素外，不同的滴灌施肥技术参数可造成不同的土壤氮素状况，进而影响滴灌施肥效果。因此，研究不同滴灌施肥技术参数下根区土壤硝态氮动态变化及分布可为滴灌施肥技术的应用提供依据。

由于滴灌系统的局部湿润性，为了使作物最大程度地利用水肥，在滴灌施肥时应使土壤养分、水分与植物根系分布区域有效匹配[7]。前人围绕滴头间距、滴头流量、施肥周期、毛管布置方式等方面探讨了滴灌施肥下水分、氮素的分布和运移等问题。如黎会仙等[8]采用室内模拟试验研究了不同滴头流量和间距对土壤水分、氮素迁移和再分布的影响。李勇[9]研究表明，内蒙古西部地区的机采棉采用滴头间距30 cm、粉砂质粘土和砂质壤土的滴头流量分别为2 L·h-1和3 L·h-1的组合较适合。栗岩峰等[10]通过监测根区土壤硝态氮含量随滴灌施肥周期的变化确定了温室番茄的施肥周期；同样地，Rajput等[11]指出每天一次的施肥周期可以使洋葱获得较高产量，减少硝态氮的淋溶。陈若男等[12]、李萌等[13]应用室内模拟试验和Hydrus-2D确定了新疆干旱地区葡萄滴灌相关技术参数。李东伟等[14]、黄真真等[15]依据土壤湿润均匀性和棉花生长的响应确定了新疆干旱区棉花种植中滴灌带的间距。

综上所述，前人的研究部分为室内或数值模拟试验[8,13]，在田间的研究多是针对番茄[10]、棉花[14-15]、葡萄[12-13]等作物，关于黄土高原沟壑区矮化密植苹果园的研究鲜有报道，但由于降雨量、作物根系分布及种植模式等存在显著差异，因此前人的研究并不能为该地区苹果园滴灌的应用进行全面有效的指导。本研究通过田间滴灌施肥试验，研究不同的毛管布置方式、滴头间距、施肥周期对根区土壤硝态氮动态变化和空间分布的影响，选择适合的滴灌技术参数和施肥周期，为矮化密植的苹果园滴灌施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年10月—2018年10月在西北农林科技大学洛川苹果试验站(35°47′4″N，109°21′44″E，海拔1 080 m)进行。试验地属渭北黄土高原沟壑区，暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温9.2℃，年均降水量622 mm，无霜期167 d，日照2 552 h，昼夜温差15.7℃。供试果树品种为富士，树龄4 a，处于初果期，株行距2 m×4 m。供试土壤类型为黑垆土，其理化性质见表1。全生育期总降雨量为626.2 mm，与30 a生长季平均降雨量(591 mm)相比[16]，依据降水距平划分降水年型((实际降水量-平均降水量)/平均降水量×100%)[17]，±15%作为干旱年或丰水年的划分界限，2017—2018年属于平水年(5.96%)。0～80 cm土层平均含水率在80%田间持水量以上，这主要与试验树龄较小和园艺地布的覆盖有关。试验期内降雨量和土壤含水率如图1所示。

图1 试验期内降雨量和土壤含水率

表1 供试土壤理化性质

1.2 试验方案

试验采用水肥一体化方式灌水施肥。设置毛管布置方式、滴头间距、施肥周期3个试验因素，毛管布置方式设置为一行一管和一行两管(P1、P2)，滴头间距设置为30 cm和50 cm(D1、D2)，施肥周期设置为15 d和30 d(T1、T2)。采用三因素二水平完全随机设计，共8个处理。P1D2T1和P1D2T2处理各15棵树，合为一行；其余处理各30棵树，每个处理为一行。共七行试验树。P2处理滴灌管布置形式为铺在树行两侧，各距树行30 cm；P1处理布置形式为滴灌管悬挂在树上。各处理施肥量和灌溉定额均一致。

1.3 试验实施

各处理氮、磷、钾肥(折纯)用量分别为240、225、300 kg·hm-2。所用肥料为尿素、磷酸二氢钾和氯化钾。每个处理均设置阀门、水表(精度为0.000 01 m3)、比例施肥泵和压力计，滴灌管类型为内镶式，滴头流量均为2 L·h-1。滴灌施肥运行方式为：开始1/4时间灌水，中间1/2时间施肥，后期1/4时间灌水。各次灌水前实测土壤含水率均大于80%θ田持(图1)，灌水量按照肥料安全的稀释浓度确定(稀释后肥液电导率小于3 mS·cm-1)。全生育期灌水施肥制度如表2所示。所有试验树修剪、拉枝及病虫害防治均与当地标准园一致。

表2 灌水施肥制度

1.4 测定项目与方法

监测根区土壤硝态氮的动态变化，取样时间如下：2018年3月26日、4月5日、4月15日、4月27日、5月7日、5月16日、5月27日、6月6日、6月17日、6月27日。测定根区土壤硝态氮空间分布的时间为2017年11月4日(此时为基肥的第二次施入，T1处理执行施肥和灌水，T2处理只灌水)。所有取样20 cm为一层，取至100 cm深，每个处理取3次重复。取样点如图2所示。

图2 取样点布置

1.5 数据处理与分析

应用SPSS 17.0软件对数据进行显著性分析，应用Excel 2010和MATLAB 2018a绘图。

2 结果与分析

2.1 根区土壤硝态氮在生育期内的变化动态

T1和T2处理土壤硝态氮变化范围分别为7.06～168.36 mg·kg-1和9.73～248.86 mg·kg-1。通过对比不同施肥周期下同一土层硝态氮的变化可以得出，延长施肥周期使生育期内0～40 cm和80～100 cm土层硝态氮变化幅度增大(图3A～E)。从不同位置取样点硝态氮的变化来看，D2处理较D1处理使30、60 cm取样点变化范围增大，即增加了硝态氮的扩散范围。例如，P1T1D2距树行30 cm处0～20 cm土层硝态氮含量变化范围为6.79～144.56 mg·kg-1，60 cm处变化为21.58～130.68 mg·kg-1(图3A)；而P1T1D1距树行30 cm处0～20 cm土层硝态氮含量变化范围为13.26～136.50 mg·kg-1，60 cm处变化范围为10.37～118.10 mg·kg-1(图3A)。同样地，P1处理较P2使0、60 cm取样点变化范围增大。

不同时期土壤硝态氮含量的均值表现为：T2处理较T1显著影响0～20、20～40、60～80 cm及80～100 cm土层硝态氮含量；D2处理较D1使0～20 cm土层硝态氮含量增大。对各土层硝态氮累积量的占比而言，P1处理80～100 cm占比显著高于P2；T1处理0～20、20～40 cm占比显著高于T2，而80～100 cm正好相反(表3)，表明P1、T2处理土壤硝态氮有下移倾向；P2、T1处理可使浅层土壤硝态氮长期维持较高水平。

表3 不同土层硝态氮含量均值和累积量占比

2.2 垂直树行方向土壤硝态氮分布

P2D2T1处理土壤硝态氮含量为20～200 mg·kg-1的斑块分布在距树行2～60 cm范围内，垂直深度在0～46 cm土层中，形状近似半椭圆型(图4A)；P1D1T1处理土壤硝态氮含量为20～140 mg·kg-1的斑块分布在距树行0～19、23～48 cm的范围内，垂直深度在0～48 cm土层中(图4B)；P2D1T1处理土壤硝态氮含量为20～220 mg·kg-1的斑块分布在距树行4～58 cm范围内，垂直深度分布在0～37 cm土层中，形状近似半椭圆型(图4C)；P1D2T1处理土壤硝态氮含量为20～220 mg·kg-1的斑块分布在距树行0～45 cm的范围内，垂直深度在0～50 cm土层中，分布形状近似1/4椭圆型(图4D)。在T2处理中(图4E～H)，0～40 cm土层硝态氮含量低于70～100 cm土层。与P1处理相比，P2处理下土壤硝态氮在垂直树行方向上总分布范围增大，垂直分布深度减小；与D1处理相比，D2处理下土壤硝态氮在垂直树行和垂直深度的分布范围增大；与T1相比，T2处理使0～40 cm土层硝态氮浓度降低，而较高浓度硝态氮下移至70～100 cm土层中。

图4 垂直树行方向硝态氮分布/(mg·kg-1)

2.3 沿树行方向土壤硝态氮分布

沿树行方向土壤硝态氮的分布也影响根系与氮素的接触面积，其分布的均匀程度与滴头间距和毛管布置方式有关(图5A-D)。P2D2T1处理硝态氮含量为80～180 mg·kg-1的斑块水平分布在距滴头0～21 cm(图5A)；P1D1T1处理硝态氮含量为110～120 mg·kg-1的斑块水平分布在距滴头0～14 cm(图5B)；P2D1T1处理硝态氮含量为80～180 mg·kg-1的斑块水平分布在距滴头0～14 cm(图5C)。对比硝态氮斑块的分布范围可以看出，P1处理较P2使土壤硝态氮分布更均匀；在P2条件下，D1处理土壤硝态氮分布更均匀。

图5 沿树行方向硝态氮分布/(mg·kg-1)

3 讨 论

本研究表明，施肥周期由15 d延长至30 d可使0～40 cm和80～100 cm土层硝态氮含量在生育期内变幅增大，并减少了0～60 cm土层内硝态氮含量。有研究表明[18-19]，在滴灌条件下，由于施肥周期的增加使单次施肥量增大，造成高浓度氮素在土壤表层发生剧烈转化。根区氮素的剧烈转化不仅影响作物对养分的吸收[20]，而且残留的硝态氮会随降雨或灌溉水向深层移动。栗岩峰等[10]研究表明，每周一次较四周一次的施肥频率可使0～50 cm土层剖面硝态氮总量提高21%，较短的施肥周期可使更多的硝态氮存留在根系层。郭鹏飞等[21]研究表明，施肥频率7 d·次-1较2 d·次-1情况下0～80 cm土层的硝态氮在生育期内的变化更剧烈，且上层土壤硝态氮有较明显向下层运移的趋势。这些研究结果均与本研究结果相似。在本试验条件下，土壤含水率始终保持在80%田间持水量以上(图1)，这主要与试验区降雨量、土壤质地以及蒸腾量有关。硝态氮作为黄土高原沟壑区苹果园速效氮的主要形态，由于其极易随土壤水分运动而移动，因此在生产实际中需注意施肥周期，减少硝态氮在根区以外的淋失。

不同毛管布置方式和滴头间距本质上是使单个滴头的灌水量发生改变，灌水量对硝态氮在土壤中运移分布的影响是通过灌水时间的持续实现的，即增大灌水量，在增加进入土壤中水肥量的同时，也延长了水分和硝态氮在土壤中的运移时间。在本研究中，与一行一管的布置方式相比，一行两管的布置方式下土壤硝态氮在垂直树行方向上总的扩散范围增大，但垂直深度扩散范围减小。在滴灌前期土壤水分主要受土壤吸力作用沿水平和垂直方向扩散，此时水平扩散速度与垂直扩散速度相同；随着灌水历时和滴灌量的增加，土壤水分重力势逐渐增大，水平方向水势梯度逐渐减小，使该方向的扩散速度减慢并逐渐趋近于零，水分主要在重力势作用下进行垂直入渗，最终使垂直方向扩散范围大于水平方向扩散范围[22]，这与前人研究结果一致[22-23]。

土壤养分的空间有效性直接影响植物根系对养分的吸收[24]。滴灌施肥条件下，土壤的局部湿润性导致土壤养分在空间分布上也是不均一的，进而加剧了根-土之间的相互作用[7]。本研究中一行两管的布置方式在树行两侧同时灌水增大了垂直滴灌管方向硝态氮的分布范围(图4C)，同时滴头间距30 cm可有效提高沿滴灌管方向的均匀度(图5C)，施肥周期15 d可使浅层土壤长期维持较高的土壤硝态氮水平(表3)，从而增加了水分和氮素与根系的接触面积，达到提高水氮利用效率、减少肥料残留的目的[25]。因此，考虑根区土壤硝态氮分布、动态与根系的关系，一行两管、滴头间距30 cm、施肥周期15 d的组合较适合幼龄矮化密植的苹果园应用。本研究关注点在根区土壤硝态氮的分布以及生育期内的动态变化，并以此优选出一行两管、滴头间距30 cm、施肥周期15 d的组合，未考虑到树体的生长变化，因此后续的研究应关注树体的生长指标、氮素吸收或产量等。

4 结 论

1)T1和T2处理硝态氮含量在生育期内变化分别为7.06～168.36 mg·kg-1和9.73～248.86 mg·kg-1。延长施肥周期使0～40 cm和80～100 cm土层硝态氮变化幅度增大，加剧硝态氮向深层移动，减少0～60 cm土层硝态氮含量。

2)与P1相比，P2处理使垂直树行方向的扩散范围增大，垂直深度减小;与D1相比，D2处理使垂直树行和垂直深度的分布范围增大。对于沿树行方向土壤硝态氮分布，在P2D1处理下硝态氮的分布更均匀。

3)P2D1T1可增加硝态氮在根区的分布范围和均匀度以及与根系的接触面积，减少根区外硝态氮淋失，较适合在幼龄矮化密植的苹果园中应用。