摘 要: 水资源短缺和土壤环境污染严重是制约农业可持续健康发展的瓶颈, 迫使农民开发和采用可持续的农业生产技术。水分运动机理和氮肥残留行为是评价干旱地区农业水肥管理水平的依据, 提高水氮利用效率是降低环境污染这一重要科学问题的重要途径。本研究采用裂区试验设计, 以灌溉量为主区, 设 2250 (低灌溉量, W1)、3450 (传统灌溉量, W2)和 4650 m3 hm–2 (高灌溉量, W3) 3 个灌溉量; 设 0 (空白, N1)、300 (传统施肥量, N2)和 600 kg hm–2 (高施氮量, N3) 3 个纯氮投入量, 在干旱的中国西北内陆棉区开展 2 年的田间试验, 评估灌溉和施氮策略对水氮运移、籽棉产量、水氮生产效率的影响。结果表明, 灌溉量及水氮耦合效应是影响籽棉产量及灌溉水生产力的影响因素, 其中灌溉量是主效应。2 年均值表明, 灌溉量为 W1 时, 施肥量由 N1 增加至 N3, 生育期 0~80 cm 平均土壤含水量呈先显著上升后显著下降的趋势, N2 和 N3 处理较 N1 处理籽棉产量分别提高 13.8%和 7.6%, 水分利用效率分别提高 13.6%和 6.8%; 灌溉量为 W2 和 W3 时, 施肥量由 N1 增加至 N3, 生育期 0~80 cm 土层平均含水量无显著差异。N2 和 N3 处理较 N1 处理籽棉产量分别提高 11.6%和 12.4%, 水分利用效率分别提高 11.4%和 11.5%; 随着灌溉量的增加, 0~80 cm 土层全生育期含水率总平均值逐渐增大。灌溉量是影响硝态氮在 0~40 cm 土层积累的主导因素, 而水氮耦合效应是导致硝态氮向下淋溶的主效应。W1 灌溉量下, 随着施氮量的增加, 硝态氮在 0~40 cm 土层大量积累, 而 W3 灌溉量下, 随着施氮量的增加, 40~60 cm 土层硝态氮含量逐渐增加。总的来说, 灌溉量高于 3450 m3 hm–2、施肥高于 300 kg hm–2后继续增加水氮投入未能额外增产, 反而可能造成资源浪费和对环境的潜在污染。因此我们建议, 通过水氮优化策略提高资源利用效率, 降低环境污染, 促进农业可持续发展。
关键词: 机采棉; 水氮耦合; 产量; 水分运移; 硝态氮
水分亏缺和土壤贫瘠是干旱半干旱地区作物生产面临的实际田间生境[1], 近年来, 为了获得较高的产量, 水肥的投入发挥了重要作用[2], 但农业水肥资源投入量大而利用效率低, 这不仅会加大水资源的浪费[3]及肥料等物化成本[4], 还会引发土壤酸化[5]、次生盐碱化[6]或板结[7]等一系列环境问题, 因此有必要优化水肥资源的投入来确保干旱半干旱地区农业的可持续发展[8]。
灌溉量[9]和施氮量[10]是影响作物产量的重要因素。例如, 灌溉定额较低时土壤水分均匀性降低, 深层水分消耗增加。胡晓棠等[11]研究表明, 灌溉后土壤含水量低于田间持水量 60%时, 0~60 cm 土壤含水量维持在 8.0%~22.0%, 含水量波动幅度较大, 深层土壤含水量最低, 不能维持作物生长耗水。干旱胁迫显著降低了根系的表面积和根长密度[12], 降低根系对水分和养分的吸收能力, 阻断物质传输, 进而阻碍发育, 降低作物产量。Wang 等[13]的研究结果表明, 亏缺灌溉条件下, 虽然土壤通透性较高, 但干旱胁迫导致根系吸收及同化养分的能力下降。而 Cabangon 等[14]的研究也证明在干旱条件下, 未能充分利用的氮肥反而会造成根部水分胁迫加重, 根长密度显著降低。适度的水分亏缺可以通过限制营养生长和气孔开放、改变生长阶段、减少蒸腾和维持光合作用来维持作物产量和提高灌溉用水效率[15]。石洪亮等[16]开展了花铃期不同水氮调控对棉花光合特性的研究后发现, 轻度干旱条件下花铃期光合产物向生殖器官转运补偿效应显著, 净光合速率和蒸腾速率减低但灌溉水效率显著提高, 最终产量仅较充分灌溉下降。
氮素是调控作物生长、群体发育、提高水分利用效率的重要营养元素[17], 土壤中氮素缺乏是导致作物在干旱环境中生产能力低下的主要因素。施氮不仅影响甜瓜对氮素的吸收和利用[18], 而且影响硝态氮在土壤剖面的分布[19]。有关研究表明, 农田中氮肥投入不足时, 作物营养生长会消耗较多的光合产物和水分, 从而导致生殖生长不足, 严重影响产量的形成和水分利用效率的提升[22-21]。相反, 过量的氮肥投入会促进植物过度生长, 延缓衰老, 极大的降低了氮肥的利用效率[22]。此外, 随氮肥施入量的增加, 土壤中硝态氮含量和累积量呈增加趋势, 且在向土壤深层淋溶情况加剧, 引发土壤的次生盐渍化[23]。
近年来, 氮肥成本的增加和环境污染加剧促使人们更加重视氮肥的有效利用[24]。对水稻[25]、玉米[26]、小麦[27]等多种作物研究表明, 施肥量超过最佳用量后, 会使氮肥损失率增加, 土壤硝态氮含量呈上升趋势[28]。滴灌条件下传统灌溉量(3450 m3 hm–2)较大, 所用灌溉时间较长, 灌溉水因重力不断下渗, 使肥料中氮素在施肥量尚低于最佳施肥量时发生硝态氮向下淋溶的现象[27], 而控制灌溉可提高不同施氮量下农田土壤氮素的有效性, 降低氮素表观损失量, 提高氮素利用效率, 减少硝态氮向 20~ 60 cm 土层淋溶, 张绍武等[29]研究表明, 施氮量对土壤氮素残留的影响最大, 水分次之, 二者存在明显的交互作用。而王晓英等[30]提出, 水氮互作效应是决定硝态氮淋溶的主要原因, 且其中灌溉效应大于施氮效应。
综上所述, 虽然水氮耦合效应的研究已经取得了极大的关注, 但水、氮对无机氮积累和淋溶二者如何相互调节的研究结果说法不一, 对干旱区机采棉田水分运动机理和氮肥残留行为鲜有报道, 且水分和营养亏缺是干旱和半干旱地区最常相伴的土壤环境。因此, 无论从宏观还是微观水平都必须将水分和营养条件结合起来去探索如何实现“以肥调水”和“以水促肥”, 进而提高作物 WUE 和肥料利用效率, 节约资源, 减少化肥污染, 方可用来指导生产实践。因此, 本研究结合当地灌溉施肥量, 设置不同灌溉和施肥梯度, 研究水氮耦合效应对机采棉种植模式下籽棉产量和棉田土壤水分运移及氮素积累与淋溶的影响, 以期为干旱地区水氮资源的高效利用提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于 2018—2019 年在新疆农业科学院阿瓦提棉花综合试验站进行, 试验区位于塔里木盆地西北沿(40°06'N, 80°44'E, 海拔 1025 m), 所属地理位置属于温暖带大陆性干旱气候。年均日照 2679 h, ≥10℃年积温 3987.7 , ℃ 无霜期 211 d, 年平均降水量 46.4 mm, 蒸发量 1890.7 mm, 农业生产完全依赖于灌溉。试验区地下水埋深>5 m, 地下水无法补给到作物根系分布层, 向上补给量可忽略不计; 土壤类型为灌淤土, 母质为冲积物, 质地为沙壤土, 容重 1.45 g cm–3, 土壤 pH 8.2, 田间持水量 28.9%。2 年试验区地理位置完全一致, 试验用地播前 0~ 100 cm 土壤基础养分状况见表 1。试验用地播前 0~ 100 cm 土层硝态氮及铵态氮含量见表 2。
1.2 试验设计
采用裂区试验设计, 以灌溉量为主区, 设 2250 (低灌溉定额)、3450 (传统灌溉定额)和 4650 m3 hm–2 (高灌溉定额)3 个处理, 以 W1、W2 和 W3 表示; 以氮肥施用量(以纯氮表示)为副区, 设 0 (空白)、300 (传统氮肥投入量)和 600 kg hm–2 (高施氮量) 3 个处理, 以 N1、N2 和 N3 表示, 共 9 个处理, 每个处理重复 3 次, 共 27 个试验小区。小区长 6.5 m, 宽 6.9 m, 面积 44.85 m2 , 各小区由 3 个播幅组成。底肥一次性投入磷酸二铵(P2O5 53.8%, N 21.2%) 450 kg hm–2, 硫酸钾 (K2O 51%) 225 kg hm–2, 尿素 300 kg hm–2 (N 46.4%)。
供试品种为新陆中 88 号, 由新疆农业科学院经济作物研究所提供。采用“1 膜 2 管 6 行”机采棉种植模式, 普通聚乙烯地膜覆盖, 膜宽 2.05 m, 厚度 0.01 mm, 地表覆盖度约为 80%。株行配置[(10+66+ 10)+66]11 cm, 理论种植密度 22.5 万株 hm–2。滴灌带间距 76 cm, 滴头间距 25 cm, 滴头流量 2.1 L h–1, 各小区安装水表和开关, 单独控水。6 月中旬开始灌溉, 8 月中旬结束灌溉, 采用“一水一肥” 方式追施尿素, 灌溉定额为灌溉总额的 1/10, 其他管理方式同大田。
1.3 相关指标的测定和计算
1.3.1 生物产量 棉花收获期每小区各重复分别选取具有代表性的 3 株棉花, 105℃杀青 60 min, 85℃ 烘干至恒重并记录其重量, 取样后对小区内取样点进行标记, 在后续产量测定时避开该取样点。
1.3.2 产量的测定 于棉花收获期在各小区随机挑选 6 个 2.27 m×2.93 m 大小的样方, 记录其株数和结铃数。测定后在各小区分上中下部分各取 50 朵棉花, 晒至恒重后测定单铃质量计算籽棉产量。
1.3.3 土壤体积水分含量的测定 于苗期、蕾期、开花期、盛铃期、吐絮期, 利用时域反射仪(Time Domain Reflectometry, 简称 TDR, TRIME-PICO 64, IMKO Inc., Germany)金属探针测定土壤介电常数并换算成土壤体积含水量, 宽行水平测定位点距滴灌 5 cm, 窄行水平测定位点位于窄行中间。各点每 10 cm 为 1 层, 每层测定 3 次, 测深 80 cm, 数据处理时将宽行与窄行位点进行平均后分析绘图。测定位点示意图见图 1。
1.3.4 土壤样品的采集及氮素测定 播种前及棉花开花期、盛铃期、吐絮期, 采用直径 10 cm 土钻, 各小区每 10 cm 一层取样, 取样深度 60 cm, 取样后立刻称取 10 g 土样, 烘干后计算土壤质量含水量及含水率。剩余土样采用 CaCl2 浸提法制作提取液, 使用靛酚蓝比色法测定铵态氮含量、紫外分光光度计法测定硝态氮的含量[31]。
1.3.5 相关指标的计算方法 氮肥生产效率(kg kg–1 N–1)=(施氮区籽棉产量不施氮区籽棉产量)/施肥量;灌溉水分利用效率(kg m–3)=籽棉产量/灌溉量[32]。
1.4 数据分析
采用 Microsoft Excel 2010 软件进行数据的分析和整理, 利用 DPS Version 7.05 (Data Processing System Software, Inc. CHN)进行数据的显著性分析及回归方程的模拟, 采用最小显著性差异 LSD 法进行显著性测验, 不同字母表示为二者间差异显著 (P<0.05), 采用 SigmaPlot Version 12.5 (Systat Software, Inc. USA)软件对分析数据进行绘图。
2 结果与分析
2.1 不同灌溉施肥组合对棉花产量及水、氮生产效率的影响
灌溉量对籽棉产量和灌溉水利用效率有极显著影响(P<0.01), 对生物产量和氮肥生产效率有显著影响(P<0.05); 施肥量对氮肥生产效率有极显著影响(P<0.01), 对籽棉产量和灌溉水利用效率有显著影响(P<0.05); 二者交互作用对生物产量有极显著影响(P<0.01), 对籽棉产量、灌溉水利用效率和氮肥生产效率有显著影响(P<0.05) (表 3)。
随着灌溉量和施肥量的增加, 生物产量和籽棉产量显著提高, 但灌溉水利用效率随灌溉量的增加显著降低, 氮肥生产效率随施肥量的增加显著降低。2 年均值表明, 提高灌溉量可显著增加生物产量, 当灌溉量不足时, 植株生物产量随施肥量的增加呈先增加后降低趋势; 在灌溉量充足时, 生物产量随施肥量的增加呈增加趋势。在施肥量相同时, 3 种施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 生物产量分别显著增加 57.8%、41.0%和 71.8%。W1 灌溉量下, 施肥量从 N1 增加到 N2 生物产量显著增加 41.4%。相同灌溉量条件下, N2 和 N3 施肥量下籽棉产量无显著差异但均显著高于 N1 处理; 在同一施肥量条件下, 籽棉产量随灌溉量的增加而增加, 与 W1 处理相比, W3 处理籽棉产量分别显著提高了 22.3%、22.1%和 27.7%。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 籽棉产量分别显著提高 11.6%和 12.4%。
灌溉水利用效率随灌溉量增加显著降低, 随施肥量的增加显著提高。相同施肥量下, 灌溉量从 W1 增加到 W3 灌溉水利用效率分别显著降低 40.9%、 40.0%和 38.3%。W1 灌溉量下, 施肥量从 N1 增加到 N2 灌溉水利用效率显著增加 13.6%。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量从 N1 增加到 N3 灌溉水利用效率显著增加 11.4%和 11.5%; 氮肥生产效率随灌溉量的增加显著提高, 随施肥量的增加显著降低。相同施肥量下, 灌溉量从 W1 增加到 W3 氮肥生产效率显著提高 28.6%和 86.7%。相同灌溉量下, 施肥量从 N1 增加到 N3 氮肥生产效率显著降低 64.3%、25.0%和 48.1%。
2.2 不同灌溉施肥组合下全生育期平均体积含水率差异
灌溉量与施肥量对全生育期 0~80 cm 土层平均体积含水率的影响如表 4 所示, 2 年规律基本一致。均值表明, 在相同施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 0~80 cm 土层平均体积含水率分别显著增加 20.4%、 14.3%和 22.0%。W1 灌溉量下, N2 处理 0~80 cm 土层平均体积含水率比 N3 施肥量显著高 5.6%。W2 和 W3 灌溉量下各施肥处理差异不显著。
从各层土壤体积含水率上看, 灌溉量对各层土壤体积含水率均有极显著影响(P<0.01), 施肥量及耦合效应对各层土壤体积含水率的影响分别体现在 0~30 cm 和 0~40 cm 土层(P<0.05)。0~10 cm 土层, 相同施肥量下灌溉量由 W1增加到 W3, 土壤体积含水率分别显著增加 27.9%、11.1%和 28.0%。灌溉量相同时不同施肥量下土壤体积含水率无显著差异; 10~20 cm 土层, 3 种施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤体积含水率分别显著增加 30.6%、 12.4%和 36.4%; 20~30 cm 土层, 仅 N3 施肥量下, 灌溉量由 W1 增加到 W3 土壤体积含水率显著增加 31.3%。W1 灌溉量下, N2 处理分别比 N1 和 N3 处理显著高 13.9%和 14.8%。W2 灌溉量下各处理无显著差异。W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3 土壤体积含水率显著增加 13.2%; 30~40 cm 土层, N2 和 N3 施肥量下, 灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤体积含水率分别显著增加 8.7%和 34.4%。W1 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤体积含水率显著降低 17.1%。W2 和 W3 灌溉量下不同施肥量土壤含水率无显著差异; 40~60 cm 土层各处理土壤体积含水率均无显著差异; 60~70 cm土层, 3 种施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤体积含水率分别显著增加 27.3%、25.9%和 17.3%。不同灌溉量下各处理土壤体积含水率均无显著差异; 70~80 cm 土层, 3 种施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3, 土壤体积含水率分别显著增加 37.5%、25.8%和 33.6%。 W1 灌溉量下各处理无显著差异。W2 和 W3 灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤体积含水率分别显著降低 7.0%和 7.9%。
2.3 不同灌溉施肥组合 0~80 cm 土层土壤体积含水率的时空变化
不同灌溉量与施肥量下 0~80 cm 土层土壤体积含水率的时空变化如图 2 所示。灌溉量对土壤体积含水率的影响主要体现在空间变化方面, 对 0~ 20 cm 和 60~80 cm 土层的影响尤为明显; 施肥量对土壤体积含水率的影响主要体现在时间变化方面, 低施肥量会导致生育后期土壤水分向深层移动。
在施肥量一定的条件下, 增加灌溉量可有效提高全生育期内土壤体积含水率, 而不同灌溉量一定的条件下, 增施氮肥后土壤体积含水率的变化影响不一致, 且对 0~60 cm 土层影响较为明显。相同施肥量下, W1 灌溉量 0~20 cm 土层表现出严重干旱的状态, 随着灌溉量的增加, 干旱状况得到缓解。W3 灌溉量下 60~80 cm 土层土壤体积含水率显著高于 W1 和 W2 处理。从各处理不同生育时期土壤体积含水率变化情况上看, 灌溉量对蕾期至盛铃期土壤含水率影响较大。W1 灌溉量下, 蕾期至吐絮期土壤体积含水率均低于 W2和 W3灌溉量。W2灌溉量下, 开花期至盛铃期 3 个施肥量下土壤体积含水率较 W3 灌溉量均有不同程度下降, 至吐絮期 W2 和 W3 两种灌溉量下土壤体积含水率无显著差异。W3 灌溉量下仅在蕾期表现出轻度干旱状况, 开花期后随着充足的水分投入, 干旱状况得到缓解; W1 灌溉量下, 随着施肥量的由 N1 增加至 N3, 土壤含水率呈“低—高 —低”的变化趋势。W2 灌溉量下, 0~20 cm 和 60~80 cm 土层土壤体积含水率随施肥量的增加而降低, 20~60 cm 土层无显著差异。W3 灌溉量下, 0~ 60 cm 土层土壤体积含水率随施肥量的增加而增加, 60~80 cm 土层内随施肥量的升高而降低。从各处理不同生育时期土壤体积含水率变化情况上看, 施肥量对开花期至吐絮期土壤含水率的影响较为显著, 这种变化随灌溉量的增加不断加剧。
2.4 不同灌溉施肥组合下土壤无机氮含量
开花期至吐絮期不同灌溉施肥组合下土壤无机氮总量如表 4 所示, 不同年份间所示规律相近, 2 年均值表明, 在施肥量相同时, 增加灌溉量可降低土壤无机氮含量, 而在灌溉量一定时, 土壤无机氮含量随施肥量增加而增加。至吐絮期, 各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3, 土壤无机氮含量分别显著降低 12.4%、27.4%和 10.0%。3 种灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤无机氮含量分别显著增加 33.4%、40.3%和 37.0%。
从无机氮成分上看, 硝态氮为影响土壤无机氮含量的主要因素, 其各生育期变化规律与无机氮总量变化趋势相近, 即提高灌溉量可显著降低土壤硝态氮含量, 提高施肥量会显著增加土壤硝态氮含量。而铵态氮随灌溉量的增加呈下降趋势, 施肥量对土壤铵态氮含量无显著影响。吐絮期各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3, 土壤硝态氮含量分别显著降低 13.8%、30.9%和 12.5%; 3 种灌溉量下, 施肥量由 N1 增加到 N3, 土壤硝态氮含量分别显著增加 34.4%、48.3%和 36.3%。
2.5 不同灌溉施肥组合下土壤硝态氮运移状况
不同灌溉施肥组合下开花期至吐絮期土壤硝态氮的运移状况如图 4 和图 5 所示。2 年内所示规律相近, 随生育时期的推进, 土壤硝态氮含量呈下降趋势, 在施肥量一定的条件下增加灌溉量可显著降低 0~40 cm 土层土壤硝态氮含量, 而灌溉量一定的条件下增加施肥量会显著增加 40~60 cm 土层土壤硝态氮含量。开花期, 土壤硝态氮主要集中在 0~30 cm 土层。其中 W1 灌溉量下各施肥处理土壤硝态氮含量无显著差异。W2 和 W3 灌溉量下, N2 和 N3 处理均高于 N1 处理; 盛铃期, 各层土壤硝态氮分布较为均匀。在施肥量相同时增加灌溉量, 土壤硝态氮含量显著下降。在灌溉量相同时, 增加施肥量会使土壤硝态氮含量增加, 且灌溉量越低土壤硝态氮含量增加幅度越大; 吐絮期, 在施肥量相同时, 增加灌溉量会使 0~40 cm 土层硝态氮含量显著降低, 40~60 cm 土层硝态氮含量显著增加。在灌溉量相同时, W1灌溉量下 0~40 cm土层硝态氮含量随施肥量的增加显著增加, 对 40~60 cm 土层无显著影响。W2 灌溉量下土壤硝态氮含量随施肥量的增加而增加, 且 2018 年对 40~60 cm 土层增加尤为明显。W3 灌溉量下, 40~60 cm 土层硝态氮含量随施肥量的增加而增加, 0~40 cm 土层随施肥量的增加变化不显著。
将灌溉量(W)、施肥量(N)与吐絮期 0~40 cm 土层 NO3 -N 累积量(Y0-40)进行回归分析, 获得回归方程: Y0-40=190.73+0.0016W2 0.0053N2 0.86W+2.34N+0.0 0027WN (R2 =0.96), 其中灌溉量的二次项 (P= 0.0459<0.05, t=0.6380)及一次项(P=0.0353<0.05, t= 0.6851)达到显著水平(P<0.05)。说明灌溉量是影响根区土壤硝态氮残留量的主导因素。
将灌溉量(W)、施肥量(N)与吐絮期 40~60 cm 土层 NO3 -N 累积量(Y40-60)进行回归分析, 获得回归方程: Y40-60=34.790.00049W2 +0.020N2 +0.15W+1.53N+0.00 54WN (R2 =0.92), 其中灌溉量与施肥量的交互项(P= 0.0076<0.01, t=0.7660), 施肥量的二次项(P=0.0372< 0.05, t= 0.7155)及一次项(P=0.0187<0.05, t=0.6204) 达到显著水平。说明灌溉量和施肥量的耦合效应是造成硝态氮向深层土壤淋溶的主效应, 施肥量次之。
3 讨论
3.1 不同灌溉施肥组合对棉花产量及水氮利用的影响
合理的水肥施用是使两者产生正效应的关键, 二者相互协调达到“以水调肥, 以肥促水”的互补效果, 表现出水分和养分两因子对增产作用的叠加效果即耦合效应。水分具有显著的调肥作用, 提高灌溉量可提高肥料的利用效率, 樊小林等[33]研究不同水分条件下冬小麦氮素利用发现, 小麦籽粒和地上部干物质的氮素吸收量与其相应产量呈极显著正相关, 干旱胁迫使小麦的氮素利用率下降。灌溉量同样影响着水分利用效率, 降低灌溉量可有效提高灌溉水利用效率。施肥同样具有明显的调水作用, 孙文涛等[34] 在对耦合效应的研究中指出, 合理施肥提高了水分利用效率, 从而促进增产。本研究结果与前人不完全一致, 即在水氮充足的条件下二者均有增产作用, 但在水氮施入不均时, 单一因素的过量施入反而会起到抑制作用。其中以 W1N3 最为明显, 分析其原因可能是该组合下极低的灌溉量不能使氮肥被完全吸收, 根区土壤也未超过最大田间持水量, 未吸收氮肥在根区土层残留, 土壤长期保持氮肥过量的情况进而抑制根系生长, 连年的低水高氮施入还可能造成土壤次生盐碱化的发生, 造成土壤环境恶化。
3.2 不同灌溉施肥组合对棉田土壤水分运移的影响
关于水氮耦合效应对水分动态变化有学者根据棉田土壤水分程度将棉花生育期分为 3 个时期, 即土壤水分稳定期(4 月中旬至 7 月中旬)、土壤水分剧烈变化期(7 月中旬至 8 月底)和缓慢消耗期(8 月底至 10 月底) [35]。本试验条件下棉田土壤水分的时空动态变化表现出相近的规律, 即播种后至开花期前, 土壤水分变化浮动较小, 6 月下旬开始灌溉后土壤含水量略有上升。但进入花期后棉花需水量迅速增加, 棉田土壤水分被快速消耗, 这一规律在 0~60 cm 土层尤为明显。盛铃期至吐絮期, 土壤水分变化幅度减轻但仍呈下降趋势。从不同灌溉量对土壤含水量的影响上看, W1 灌溉量下花期至吐絮期 0~60 cm 土壤含水量均未高于 20%, 难以供给棉株需水高峰期的正常生长, 易造成大幅减产, 产量的测定也证实了上述推论。而在高灌溉量下, 缓慢消耗期土壤含水量明显高于其他处理, 但产量与 W2 灌溉量下无显著差异, 从节水灌溉的角度上看, 额外的水分投入未能显著提高产量, 超额的灌溉水不仅形成了无消耗水, 反而降低了灌溉水利用效率。施肥量加剧了土壤水分在 0~60 cm 土层的消耗, 且在严重水分亏缺条件下对产量产生负效应。笔者认为, 尤其是在干旱农业区可以考虑减少生育后期灌溉量, 在缺水年份优先保证花期水分供应减少缓慢消耗期的灌溉量, 同时合理的氮肥减施可以优化土壤水分分布, 但亦有研究表明生育后期停水过早会造成叶片早衰影响产量[36], 因此生育期内灌溉分配方式还需进一步探究。
3.3 不同灌溉施肥组合对棉田土壤氮素迁移的影响
旱地土壤中氮素以硝态氮形态存在居多, 铵态氮形态存在较少。而硝态氮是土壤中极为活跃的营养成分。大量的单因素试验表明随着施氮量增加土壤硝态氮积累量增加。而灌溉量对硝态氮淋溶的影响结论不尽相同, 有学者认为随着灌溉量及降雨量的增多, 硝态氮淋溶情况加剧[37]。亦有学者认为, 土壤物理性质决定着水分的入渗速度, 灌溉强度与土壤入渗速度的相互关系共同决定了硝态氮的淋溶[38]。本试验中土壤硝态氮积累量回归方程显示, 灌溉量主要影响着根系主要分布区硝态氮的积累, 而水氮耦合效应主要影响着硝态氮的向深层土壤淋溶。从不同时期土壤硝态氮时空变化情况上看, 3450 m3 hm–2 和 4650 m3 hm–2 灌溉量下 0~40 cm 土层硝态氮含量逐渐降低, 40~60 cm 土层硝态氮含量逐渐增加, 分析其原因一方面可能为增加施肥量提高了 0~ 60 cm 全土层的硝态氮含量, 但在生殖生长过程中充足的水分促进根系对氮肥的吸收利用, 0~40 cm 土层内氮素被大量消耗; 另一方面也可能是在土壤水分过量条件下, 硝态氮主要以硝酸根离子存在于土壤溶液中, 随着重力水向下移动。但 2250 m3 hm–2 灌溉量下, 至吐絮期硝态氮仍大量分布在 0~40 cm 土层, 分析其原因可能是该灌溉量下土壤湿度低, 土壤中硝态氮主要以固体硝酸盐形态存在, 难以被棉株利用和在土壤中移动。因此减少氮肥施用以及合理控制灌溉量是有效降低土壤硝态氮积累的有效途径, 而不同灌溉量下氮素去向仍需用同位素标记法进行进一步探究。
4 结论
本研究主要针对西北内陆干旱地区水资源短缺及氮肥投入过量等问题, 综合当前一膜六行机采棉生产特点, 以优化水肥策略提高水氮利用率为目标, 在降低水肥资源投入的同时保证产量稳定, 主要结论如下: (1) 提高灌溉量可增产 11.6%~12.4%, 但在低灌溉量下, 施肥量超过 300 kg hm–2 后会使产量下降 21.2%。(2) 低灌溉量下, 施肥量为 600 kg hm–2 时会造成严重的干旱胁迫。高灌溉量下增施氮肥可提高根区土壤含水率, 进而减轻水分的下渗, 提高水分利用。(3) 提高灌溉量可降低土壤无机氮总量, 但在灌溉量高于 3450 m3 hm–2 时会导致无机氮随水向深层土壤移动。而灌溉不足则会导致无机氮在 0~40 cm 土壤大量积累, 易导致土壤次生盐碱化加剧。因此, 考虑到西北内陆机采棉区水资源严重紧缺和土壤氮素残留等问题, 灌溉量应不高于 3450 m3 hm–2、施肥量不高于 300 kg hm–2, 既可在保证产量的同时, 达到节水减氮的作用, 实现简化节本增效, 促进机采种植的可持续发展。——论文作者： 尔 晨 1 林 涛 2,3,4 夏 文 1 张 昊 1 徐高羽 1 汤秋香 1,*
References
[1] Hui Y A, Ta S D. Improved water use efficiency and fruit quality of greenhouse crops under regulated deficit irrigation in northwest China. Agric Water Manage, 2017, 79: 193–204.
[2] Malavolta E, Nogueira N G, Heinrichs R, Higashi E N, Rodriguez V, Guerra E. Evaluation of nutritional status of the cotton plant with respect to nitrogen. Commun Soil Sci Plan, 2004, 35: 1007–1019.
[3] Aujla M S, Thind H S, Buttar G S. Cotton yield and water use efficiency at various levels of water and N through drip irrigation under two methods of planting. Agric Water Manage, 2005, 71: 167–179.
[4] 赵士诚, 裴雪霞, 何萍, 张秀芝, 李科江, 周卫, 梁国庆, 金继运. 氮肥减量后移对土壤氮素供应和夏玉米氮素吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16: 492–497. Zhao S C, Pei X X, He P, Zhang X Z, Li K J, Zhou W, Liang G Q, Jin J Y. Effects of reducing and postponing nitrogen application on soil N supply, plant N uptake and utilization of summer maize. Plant Nutr Fert Sci, 2010, 16: 492–497 (in Chinese with English abstract).
[5] Guo J H, Liu X J, Zhang Y, Shen J L, Han W. X, Zhang W F, Christie P, Goulding K W, Vitousek P M, Zhang F S. Significant acidification in major Chinese croplands. Science, 2010, 327: 1008–1010.
[6] 赵波, 王振华, 李文昊. 滴灌方式及定额对北疆冬灌棉田土壤水盐分布及次年棉花生长的影响. 农业工程学报, 2016, 32(6): 139–148. Zhao B, Wang Z H, Li W H. Effects of winter drip irrigation mode and quota on water and salt distribution in cotton field soil and cotton growth next year in northern Xinjiang. Trans CSAE, 2016, 32(6): 139–148 (in Chinese with English abstract).
[7] 宰松梅, 仵峰, 范永申, 温季, 韩启彪, 孙浩. 不同滴灌形式对棉田土壤理化性状的影响. 农业工程学报, 2011, 27(12): 84–89. Zai S M, Wu F, Fan Y S, Wen J, Han Q B, Sun H. Effects of drip irrigation patter on soil properties in cotton field. Trans CSAE, 2011, 27(12): 84–89 (in Chinese with English abstract).
[8] Kang S Z, Hao X M, Du T S, Tong L, Sun X L, Lu H N, Li X L, Huo Z L, Li S E, Ding R S. Improving agricultural water productivity to ensure food security in China under changing environment: from research to practice. Agric Water Manage, 2017, 179: 5–17.
[9] 罗宏海, 李俊华, 勾玲, 张旺锋, 何在菊, 杨新军. 膜下滴灌对不同土壤水分棉花花铃期光合生产、分配及籽棉产量的调节. 中国农业科学, 2008, 41: 1955–1962. Luo H H, Li J H, Gou L, Zhang W F, He Z J, Yang X J. Regulation of under-mulch-drip irrigation on production and distribution of photosynthetic assimilate and cotton yield under different soil moisture contents during cotton flowering and boll-setting stage. Sci Agric Sin, 2008, 41: 1955–1962 (in Chinese with English abstract).
