微喷灌施肥对三七土壤氮素运移转化试验研究

王倩，脱云飞*，王飞，沈方圆，郑阳，杜文娟，向萍，杨启良

(1. 西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650224；

2. 昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650500)

农业生产氮素为植物生长发育不可缺少的营养元素，在土壤中运移转化除了受土壤理化性质影响外，还受灌溉施肥方式、氮素形态等多种因素影响[1].微喷灌可有效控制灌水频率和施肥量，适宜水肥用量对提高作物水肥利用率、减少养分流失、降低发病率具有重要意义.国内外学者对不同灌溉施肥土壤氮素运移转化进行大量研究.室内土箱入渗试验表明土壤氮素质量比与肥液浓度呈正相关，不同水肥配比影响氮素运移和转化[2].试验表明土壤氮素变化与灌溉方式关系紧密，党建友等[3]发现微喷灌可有效控制硝态氮深层渗漏损失.ASSOULINE[4]研究表明滴灌对玉米地土壤氮素运移影响显著.试验表明土壤氮素变化与灌水施肥水平、灌溉频率及灌溉模式关系紧密，低灌水频率明显降低三七根腐病，提高三七产量和皂苷质量比[5].ACUTIS等[6]利用LEACHM模型研究玉米不同灌水施肥模式氮素淋失发现，施肥和灌水量增加使氮素淋失量增大.SADRAS等[7]研究发现氮肥降低小麦生长旺盛期叶面积指数，增加土壤蒸发蒸腾比.土层深度及土壤初始含水率对氮素具有一定影响，研究表明，硝态氮呈“氮随水走”运移转化特性，铵态氮不易随水分运移[8].ADRIAN等[9]认为土层深度对全氮空间分布影响最大，土壤深度0～40 cm氮素积累量最大.

目前针对灌溉施肥土壤氮素运移转化研究主要集中在灌水施肥方式、土壤养分、土地利用方式和土壤质地等单因素方面，缺乏对微喷灌施肥不同灌溉施肥对酸性红壤土氮素运移转化研究，对最佳灌溉施肥用量还处在探索阶段.文中以2 a生三七为对象，研究微喷灌施肥三七土壤全氮、铵态氮和硝态氮随生育时间和土壤深度运移转化规律，旨在明确灌溉施肥调控酸性红壤土氮素运移转化特性，有助于改善农田微生态环境，抑制病虫害，为该地区三七高产优质种植提供最佳水肥组合模式.

1.1 试验区概况

试验区位于云南省红河州泸西县境内(103°30′E， 24°15′N)，属北亚热带季风气候，干湿季分明，夏季多雨，冬季干旱，每年雨季集中在6—10月.年均降雨量850.0 mm，年均日照2 122 h，无霜期272.7 d.土壤类型为红壤，pH为4.81～6.85.

1.2 试验设计和指标测定

试验于2017—2020年在泸西县大栗树村三七种植基地进行，试验设置4个施肥水平，即3.20(F1)，4.80(F2)，6.20(F3)和120.00 kg/ha(F4)；
3个灌水水平，即0.4FC(W1)，0.6FC(W2)和0.8FC(W3)，FC为田间持水率，为42.28%(体积含水率，下同)，CK为对照(不进行灌溉施肥).试验采用完全区组设计，共13个处理，每个处理3次重复，共设39个试验小区.

试验区面积为20 hm2，每个小区长16.70 m，宽1.50 m.试验区采用双层遮阳网遮盖，灌溉方式为倒挂微喷灌，每月灌水施肥2次，肥料随灌溉水以肥液形式均匀喷洒，用塑料薄膜进行遮雨处理，多余水分通过鼠道排出试验区.每隔15 d灌水施肥1次并定期锄草.种植前开沟起垄，沟深30 cm，沟底宽40 cm，以确保不漏水和不漫沟.采样时间为每年6，7，8，9和10月.在每个小区上部、中部和下部设置3个1 m×1 m取样点，去除取样点周边土壤表面枯落物和石砾，分别在10，20，30，40，50，60 cm处取样.将土样自然风干后去除根茎叶及石砾并研磨过筛.土壤全氮质量比采用凯氏定氮法测定，硝态氮和铵态氮质量比采用流动分析仪测定[10].施肥肥料选用德美水溶性有机肥，主要成分WN≥21%，WP2O5≥21%，WK2O≥21%，W腐殖酸≥6%，WFe螯合态≥0.05%，WZn螯合态≥0.05%，WCu螯合态≥0.017%，WMn螯合态≥0.05%，WB≥0.1%，WMo≥0.007%，WHg≤10 mg/kg，WCd≤10 mg/kg，WCr≤50 mg/kg，WPb≤50 mg/kg.

1.3 相关指标计算

土壤含氮质量比计算公式为

式中：WN为含氮质量比，g/kg；
V为滴定样品用去盐酸标准溶液的体积，mL；
V0为滴定试剂空白试验用去盐酸标准溶液的体积，mL；
c为盐酸标准溶液的浓度，mol/L；
0.014为氮原子的摩尔质量，g/mmol；
K2为将风干土样换算成烘干土样的水分换算系数；
m1为风干土质量，g.

数据采用Excel 2018和SPSS 19.0统计软件进行数据处理、相关性分析和方差分析.

2.1 土壤氮素随时间运移转化

图1为土壤全氮随时间运移转化情况.由图可知，不同灌水施肥土壤全氮质量比WTN随时间增加先增加后减小.在同一施肥水平，全氮质量比随灌水量增加呈下降趋势，8月全氮质量比达到峰值.处理W2F2在8月比6，7，9和10月全氮质量比分别增加20.19%，6.84%，4.17%和31.96%.各月份全氮质量比随灌水量增加逐渐减小，8月处理W1F2，W2F2，W3F2分别比CK增加63.29%，58.23%和54.43%.原因为随着灌水量增大，氮素流失风险加大，提高氮素水解速率，全氮质量比呈减少趋势.在同一灌水水平，随着施肥量增加，全氮质量比逐渐增大，8月全氮质量比最大，处理W2F3全氮质量比最大.处理W2F3在8月比6，7，9和10月分别增加19.38%，6.21%，1.99%和11.59%.各月全氮质量比随施肥量增加而增大，8月处理W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分别增加55.70%，58.23%，64.94%和55.95%.处理W2F3全氮质量比最大，全氮随施肥量增大而增大.综上所述，同一灌溉水平和同一施肥水平全氮质量比均在8月达到峰值.

图1 土壤全氮随时间运移转化

图2为土壤硝态氮随时间的运移转化情况.由图可知，不同灌水施肥土壤硝态氮质量比WNN随时间增加先减小后增大.在同一施肥水平随灌水量增加，硝态氮质量比逐渐降低，9月硝态氮质量比达到峰值.处理W2F2 9月比6，7，8和10月硝态氮质量比分别增加4.49%，5.30%，29.36%和19.87%.各月份同一施肥水平随灌水量增加，硝态氮质量比逐渐减少，9月处理W1F2，W2F2，W3F2比CK分别增加41.86%，42.19%和36.42%.随灌水量增加硝态氮质量比减少，原因为硝态氮带负电荷，不易被土壤颗粒吸附，随灌水量增大，硝态氮质量比逐渐降低，W1F2硝态氮质量比最大.同一灌水水平随施肥量增加，硝态氮质量比逐渐增大，9月质量比最大.处理W2F4 9月比6，7，8和10月分别增加21.27%，23.97%，17.63%和9.52%.各月份同一灌水水平随施肥量增加，硝态氮质量比逐渐增大.9月处理W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分别增加41.16%，42.19%，50.37%和55.81%，W2F4硝态氮质量比最大.综上所述，同一灌溉水平和同一施肥水平硝态氮质量比均在9月达到峰值.

图2 土壤硝态氮随时间的运移转化

图3为土壤铵态氮随时间的运移转化情况.由图可知，不同灌水施肥条件下土壤铵态氮质量比WAN随时间增加逐渐减少.在同一施肥水平随灌水量增加，铵态氮质量比呈上升趋势，6月铵态氮质量比达到峰值.处理W2F2 6月比7，8，9和10月铵态氮质量比分别增加18.96%，27.01%，64.14%和68.88%.各月份随灌水量增加铵态氮质量比逐渐增大，6月W1F2，W2F2，W3F2分别比CK增加46.32%，52.16%和54.66%.随月份增加铵态氮质量比逐渐增加.原因为灌水量增加导致土壤通气性变差、氧气质量比降低，硝化作用变慢，因此铵态氮质量比增加.同一灌水水平随施肥量增加，铵态氮质量比逐渐增大，6月质量比最大，其中6月处理W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分别增加32.02%，52.68%，60.67%和75.83%，W2F4铵态氮质量比最大.综上所述，同一灌溉水平和同一施肥水平铵态氮质量比均在6月达到峰值.

图3 土壤铵态氮随时间的运移转化

2.2 土壤氮素随土层深度运移转化

图4为土壤全氮随土层深度的运移转化情况.由图可知，不同灌水施肥土壤全氮质量比随土层深度增加逐渐减少.同一施肥水平随灌水量增加全氮质量比逐渐减少，主要聚集0～10 cm.处理W2F2 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm全氮质量比分别增加2.22%，6.15%，10.40%，15.00%和25.45%.各土层全氮质量比随灌水水平增加逐渐增大，0～10 cm土层W1F2，W2F2，W3F2分别比CK增加63.75%，72.5%和62.5%.同一灌水水平随施肥量增加全氮质量比逐渐增大，聚集土层0～10 cm.W2F3全氮质量比最大，土层0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm全氮分别增加4.70%，6.85%，9.09%，11.42%和18.18%.各土层全氮质量比随施肥水平增加而增大，0～10 cm土层W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分别增加71.25%，72.50，95.00%和68.75%.0～60 cm土层W2F3全氮质量比最大，分别为处理W2F1，W2F2和W2F4的 1.21倍、1.15倍和1.32倍，全氮随施肥量增大而增大.

图4 土壤全氮随土层深度的运移转化

图5为土壤硝态氮随土层深度的运移转化情况.由图可知，不同灌水施肥土壤硝态氮质量比随土层深度增加先减小后增大.W3F2硝态氮质量比累积在40～50 cm.处理W2F2 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm硝态氮质量比分别增加12.90%，31.88%，3.49%，44.51%和57.23%.灌水量增加硝态氮向土壤深度垂直向下运移，40～50 cm硝态氮质量比增加，不利于植物根系吸收利用，存在氮素流失风险.各土层硝态氮质量比随灌水量增加而减小，20～30 cm土层W1F2，W2F2，W3F2比CK分别增加87.49%，49.61%和37.43%.灌水量增加硝态氮向深层淋洗，导致硝态氮质量比减小.同一灌水水平随施肥量增加，硝态氮质量比逐渐增大，累积在0～10 cm，处理W2F3硝态氮质量比最大，处理W2F3 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm硝态氮质量比分别增加15.76%，37.23%，23.07%，65.18%和77.25%.20～30 cm土层W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分别增加43.86%，49.61%，79.26%和59.41%.各土层硝态氮质量比随土层深度增加逐渐减小，W2F3硝态氮质量比最大.灌水水平相同硝态氮质量比随施肥水平增大而增大，肥量过高不易提高硝态氮质量比.

图5 土壤硝态氮随土层深度的运移转化

图6为土壤铵态氮随土层深度的运移转化情况.由图可知，不同灌水施肥土壤铵态氮质量比随土层深度增加呈下降趋势.同一施肥水平随灌水量增加铵态氮质量比逐渐增大，聚集在0～10 cm.处理W2F2 0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm铵态氮分别增加10.74%，18.06%，28.99%，29.26%和46.25%.各土层铵态氮质量比随灌水量增加逐渐增加，0～10 cm土层W1F2，W2F2，W3F2比CK分别增加39.58%，70.43%和86.02%.0～10 cm土层W3F2比W1F2和W2F2分别增加1.41倍和1.09倍，铵态氮质量比随灌水量增加而增加.同一灌水水平随施肥量增加，铵态氮质量比逐渐增大，聚集土层0～10 cm.W2F4铵态氮质量比最大，土层0～10 cm比10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm铵态氮分别增加18.95%，20.53%，22.75%，26.93%和46.25%.各土层铵态氮质量比随施肥量增加逐渐增大，0～10 cm土层W2F1，W2F2，W2F3和W2F4比CK分别增加55.38%，63.44%，70.43%和77.69%，W2F1，W2F2，W2F3和W2F4在土层40～50 cm和50～60 cm铵态氮质量比相近，铵态氮质量比随施肥量增加而增大，施肥量对40～60 cm土层影响不具有统计学意义.

图6 土壤铵态氮随土层深度的运移转化

2.3 不同灌水施肥三七土壤氮素相关性分析

通过对灌溉施肥三七土壤水氮运移转化数据分析，得出不同灌水施肥全氮、硝态氮、铵态氮的相关性，具体如表1所示.

表1 不同灌水处理土壤水氮的相关性

结果表明：微喷灌施肥条件下灌水与土壤全氮、硝态氮和铵态氮的相关系数分别为-0.085，-0.207和0.182，其中硝态氮和铵态氮与灌水相关性具有统计学意义(P<0.01)，而灌水与全氮呈负相关且相关性具有统计学意义(P<0.05).施肥与全氮、硝态氮和铵态氮的相关系数分别为0.078，0.168和0.113，其中与全氮相关性具有统计学意义(P<0.05)，施肥与硝态氮呈正相关且相关性具有统计学意义(P<0.01)，施肥与铵态氮相关性具有统计学意义(P<0.05).

土壤硝态氮带负电荷不易被土壤胶体吸附、易随水分运动向下运移[8].相同施肥水平全氮质量比随时间增加8月最高，之后逐渐降低，原因为8—10月三七生殖生长高峰期对养分需求量大，受高温、土壤性质和水热条件影响有利于氮素运移转化供三七根系吸收利用[11].同一灌水水平增加施肥量处理W2F3全氮质量比最高，过量施肥容易造成土壤板结，土壤通气状况变差不利于植物吸收利用，这与郑文生等[12]滴灌控水控肥对土壤氮素运移影响研究结果一致.一定灌水量增加施肥量导致硝态氮质量比增加，增加灌水量受到水分淋洗向下运移，减少表层质量比累积，增加灌水量促进植物对硝态氮吸收和反硝化作用，硝态氮质量比减少，与PREM等[13]研究结果一致.硝态氮质量比随月份变化呈现递减趋势，9月增大，原因为6—8月植物需肥高峰期，土壤温度高直接影响生物化学过程，促进植物吸收养分导致硝态氮质量比减小.土壤硝态氮质量比由大到小顺序依次为W1F2，W2F2，W3F2和CK，这与袁念念等[14]研究结果一致，研究控水控肥对旱地土壤氮素运移转化结果表明，增加灌水量导致硝态氮向下运移.不同灌水施肥铵态氮质量比随时间延长逐渐降低，原因为三七在6—8月处于营养生长高峰期，对土壤养分吸收较强，对养分需求量增大，养分被植物根系吸收利用，一部分土壤内部转化，一部分被土壤吸附.

土壤氮素主要以硝态氮形态存在，铵态氮较少，灌水和施肥影响氮素土壤中运移[15-17].SUN等[18]研究表明合理灌水施肥使硝态氮淋失减少15%.文中研究表明同一施肥水平随灌水量增加，W1F2，W2F2和W3F2硝态氮质量比逐渐降低，W1F2硝态氮质量比最大，0～30 cm土层累积，W3F2硝态氮质量比30～40 cm土层累积.这与郭鹏飞等[19]研究一致，研究表明相同灌水量提高灌水频率可以降低氮素淋失风险.硝态氮带负电荷随重力水向土壤下层运移，灌水量过高，减弱土壤对硝态氮吸附，不易被植物吸收利用，随水分向下淋洗运移脱离土壤表层；
土层深度加深通气状况差，造成硝态氮损失.这与严富来等[20]研究水氮互作对宁夏沙玉米氮素分布规律结果相一致.该研究同一施肥铵态氮随灌水量增加易聚集0～10 cm，其原因为铵态氮具有较强吸附作用，不宜在土壤剖面中移动，铵态氮停留在浅层土壤，三七根系吸收，与张忠学等[21]研究结果一致，研究表明控制灌溉水氮素运移转化取决于灌水施肥量.该研究同一灌水水平下随施肥量增加铵态氮质量比均聚集在土层0～10 cm，W2F4铵态氮质量比最大，研究微喷灌施肥土壤氮素随时间和深度变化运移转化规律，对不同灌水施肥三七土壤氮素吸收利用率、累积和土壤养分变化特征还有待进一步研究.

1) 不同灌水施肥土壤全氮质量比随时间增加先增大后减小，硝态氮质量比随时间增加先减小后增大，铵态氮质量比随时间增加逐渐减小；
全氮和硝态氮质量比随灌水量增加逐渐减小，铵态氮质量比随灌水量增加呈上升趋势.全氮、硝态氮和铵态氮质量比随施肥量增加而增大，8月W2F3全氮质量比最大，9月W2F4硝态氮质量比最大，6月W2F4铵态氮质量比最大.

2) 不同灌水施肥土壤全氮和铵态氮质量比随土层深度增加逐渐减小，硝态氮质量比随土层深度增加先减小后增大，全氮、铵态氮质量比随灌水量增加逐渐增大，硝态氮质量比随灌水量增加而减小，全氮、铵态氮质量比随施肥量增加逐渐增大，全氮、硝态氮和铵态氮质量比聚集在土层0～10 cm，W2F3全氮质量比最大，W2F3硝态氮质量比最大，W2F4铵态氮质量比最大.

3) 不同灌水施肥土壤硝态氮和铵态氮与灌水量相关性具有统计学意义(P<0.01)，而灌水量与全氮呈负相关且相关性具有统计学意义(P<0.05).施肥量与硝态氮呈正相关且相关性具有统计学意义(P<0.01)，而施肥量与铵态氮相关性具有统计学意义(P<0.05).

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