第 16 卷摇 第 5 期 2018 年 10 月 Science of Soil and Water Conservation Vol. 16 摇 No. 5 Oct. 2018 滴灌施肥对设施栽培花椰菜根系和土壤中氮分布的影响 吴玉恒 1 2 覮, 吴文勇, 韩玉国 1 2, 廖人宽 (1. 北京林业大学水土保持学院,100083, 北京 ;2. 中国水力水电科学研究院水利研究所,100044, 北京 ) 摘要 : 针对我国温室蔬菜水肥一体化管理水平低下 灌溉施肥制度不完善等问题, 本研究以设施花椰菜为研究对象, 展开了不同的滴灌施肥处理对花椰菜根系生长和其生长土壤硝态氮分布规律影响的田间试验 试验设置了由不同水肥顺序组成的 4 种滴灌施肥处理, 即 T1(1 / 5N 4 / 5W) T2(1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W) T3(2 / 5W 1 / 5N 2 / 5W) T4(3 / 5W 1 / 5N 1 / 5W), 如 T2(1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W) 表示整个灌水过程的前 1 / 5 时间灌水, 接下来的 1 / 5 时间施肥, 后 3 / 5 时间灌水冲洗管道, 其他类同 在花椰菜生育期内对土壤水分状况进行测定, 收获后测定花椰菜产量 品质及根长密度等指标 研究结果表明 :1) 滴灌施肥对设施花椰菜产量 品质和氮素累积量的影响均未达到显著水平 花椰菜氮素累计总量随着滴灌施肥时间的向后推移先减小后增加, 其中 T4 处理的氮素累计量最高, 达 50 郾 23 mg / kg 2) 通过对比各处理种植前和收获后的土壤无机氮的变化状况, 发现种植前土壤无机氮质量分数呈表层高 深层低的特点, 收获后土壤剖面的无机氮分布更为均匀, 对比发现 T1 和 T4 处理更容易发生硝态氮的淋失 3) 灌溉施肥过程中前期施肥处理的根系纵向生长更好, 而后期施肥处理的根系横向生长更好, 其中 T3 处理的根长密度最大, 为 2 郾 54 cm / cm 3, 根系分布范围最广 4) 各根系根长参数与土壤硝态氮质量分数均呈一次线性正相关, 其中直径 < 2 mm 根系根长的拟合效果最好 (R 2 = 0 郾 811 8) 综合考虑产量 品质和根系生长分布等指标, 灌水过程中前 2 / 5 时间灌水, 接下来 1 / 5 时间施肥, 后 2 / 5 时间冲洗管道的 T3 方案较优 关键词 : 滴灌施肥 ; 根系分布 ; 土壤硝态氮质量分数中图分类号 : S274 文献标志码 : A 文章编号 : 2096 鄄 2673(2018)05 鄄 0067 鄄 10 DOI: 10. 16843 / j. sswc. 2018. 05. 009 Effects of different fertigation strategies on the distribution of cauliflower 爷 s roots and soil nitrogen WU Yuheng 1,WU Wenyong 2,HAN Yuguo 1,LIAO Renkuan 2 (1. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China; 2. Department of Irrigation and Drainage, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 100044, Beijing, China) Abstract: [ Background] In older to solve the problems of low level of water and fertilizer management of vegetable facilities and imperfect irrigation and fertilization system in China, field experiments were conducted in a solar 鄄 heated greenhouse to study the effects of different fertigation strategies on root growth and distribution of nitrate 鄄 nitrogen from a surface point source of urea. [ Methods] Four fertigation strategies with different orders in which water and nutrients was applied for an irrigation event were that 收稿日期 : 2018 02 08 摇修回日期 : 2018 05 14 项目名称 : 国家重点研发计划 设施农田水肥优化管理标准化技术模式冶 (2016YFC0403101); 国家科技支撑计划 大型灌区节水技术集成与示范冶 (2015BAD20B00); 北京市重大科技攻关课题 水肥一体化的高效节水灌溉系统研究与示范冶 (D151100004115002); 十三五国家重点研发计划项目 设施农田水肥优化管理标准化技术模式冶 (2016YFC0403101) 第一作者简介 : 吴玉恒 (1994 ), 男, 硕士研究生 主要研究方向 : 水土保持工程 E 鄄 mail:wuyuheng0124@ 163. com 覮通信作者简介 : 吴文勇 (1977 ), 男, 博士, 教授级高级工程师 主要研究方向 : 农业节水 水文水资源 E 鄄 mail:wenyongwu@ 126. com
68 2018 年 T1(1 / 5N 4 / 5W), T2(1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W), T3(2 / 5W 1 / 5N 2 / 5W), and T4(3 / 5W 1 / 5N 1 / 5W), for example, the 1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W represented irrigating water at the first 1 / 5 of the fertigation time, applying nitrogen at the second 1 / 5 of the fertigation time, and washing pipeline with water at the last 1 / 5 of the fertigation time, the interpretation of other treatments were similar. Cauliflower was taken as the research object in the experiment, and each treatment was triplicate. Soil moisture was determined once a week during caulifower growth. Yield was recorded for each harvest, and the quality, root length density of cauliflower and soil inorganic nitrogen was determined at the end of the experiment. [ Results] 1) Fertigation strategies had no significant effects on yield, quality and nitrogen accumulation of cauliflower. The treatments of applying the nitrogen in the later stage ( T3 and T4) had higher yield by comparing the treatments of applying the nitrogen at the beginning stage ( T1 and T2). The total nitrogen accumulation of cauliflower showed a trend of decreasing first and then increasing by delaying the nitrogen application to later stage, the nitrogen accumulation in T4 reached the highest of 50 郾 23 mg / kg. 2 ) By comparing each treatment in the distribution of inorganic nitrogen during per 鄄 planting and post 鄄 harvest, we found that the content of inorganic nitrogen in soil before planting was high in surface and low in deep layer and the distribution of inorganic nitrogen in post 鄄 harvest soil profile was more uniform. Comparing other treatment, nitrate leaching was more likely to occur in T1 and T4. 3) The measurements of root distribution showed that fertigation at the beginning of the irrigation cycle promoted longitudinal growth of cauliflower 爷 s roots, and fertigation at the end of the irrigation cycle promoted lateral growth of roots. Contrast with other treatments, T3 had the largest root length density (2 郾 54 cm / cm 3 ) and the widest root distribution. 4) A significant linear relationship between the content of soil nitrate 鄄 nitrogen and the root length was found, and the root with diameter < 2 mm had better fitting effect than other indexes of root length ( R 2 = 0 郾 811 8). [ Conclusions] Considering yield, quality, nitrogen use efficiency, root length density and the nitrogen content in soil, the strategy of T3, i. e., applying water at first for 2 / 5 of the total irrigation time, then applying fertilizer for 1 / 5 of the total irrigation time, followed by applying water for the last 2 / 5 of the total irrigation time, was suggested. Keywords: fertigation; distribution of roots; content of soil nitrate 摇摇近年来, 我国设施蔬菜生产发展迅速, 生产面积 以每年 10% 以上的速度稳步增长, 截至 2010 年底, 我国设施蔬菜年种植面积约为 466 郾 7 万 hm 2, 是世 界上设施蔬菜栽培面积最大的国家 [1 2] 随着设施 蔬菜的栽培面积和集约化程度的逐渐增大, 加上我 国蔬菜生产中依旧存在灌溉施肥制度不合理等问 题, 集约化农区造成的面源污染引起了许多研究者 的关注 不少学者指出造成农业面源污染的主要原 因是蔬菜生产过程中化肥的使用过量, 不仅造成了 土壤退化及盐渍化 蔬菜品质下降, 还引起地下水污 染等一系列问题 [3] [4] [5] 张维理等和刘宏斌等发 现在我国农业集约化程度高 肥料用量大的地区都 [6] 存在严峻的地下水污染问题 ; 黄绍文等通过调查 发现我国主要蔬菜种植区土壤普遍存在盐渍化加 重 有机质质量分数低 硝态氮和速效磷积累等问 题 针对农业面源污染问题应该采用源头控制策 略, 推广农田最佳养分管理, 通过合理的水肥管理来 提高水肥利用效率减少氮素淋失 [7] 水肥一体化技术是一项同步控制植物水分供 给和肥料施用的技术, 通过滴灌系统合理地改变 施用肥料的浓度 灌水施肥持续时间和施肥频率 等参数, 在保证土壤根区水肥的正常供给的同时 能将水肥淋失最小化 通过水肥一体化技术将氮 肥输送到土壤中能够减少植物土壤系统中铵态 氮挥发和硝态氮损失 ; 然而不合理的滴灌系统设 计参数依然会导致土壤氮素淋失到作物根系无法 吸收的土层中, 并且造成地下水体的污染 [8] 在 灌溉施肥过程中为了清洗滴灌管道和保证施肥的 均匀性, 人们通常会在施肥前后灌入清水 [9] 为 了确定灌溉过程中的最佳施肥时机, 学者们主要 通过室内试验和数值模拟的方法进行相关研究, [10] 其研究结果也不尽相同 Li Jiusheng 等通过室 内试验监测了不同滴灌施肥条件下土壤氮素分布 状况, 认为灌水施肥总时间的 1 / 4 时间灌水, 再用
摇 第 5 期 吴玉恒等 : 滴灌施肥对设施栽培花椰菜根系和土壤中氮分布的影响 69 1 / 2 时间施肥, 最后用 1 / 4 时间冲洗管道的施肥策 [11] 略最佳 侯振安等应用 15 N 标记尿素进行了不 同滴灌施肥对棉花氮素吸收和氮肥利用效率影响 的盆栽试验, 他们发现单次灌溉过程中前 1 / 2 时 间施肥后 1 / 2 时间灌水的施肥策略可提高氮肥利 用效率, 增加棉花的氮素吸收量 C. M. Cote [12] 等运用 HYDRUS2D 对地下滴管施肥进行模拟, 结果发现在质地较粗的土壤条件下单次灌溉施肥 过程中先施肥后灌水的灌溉施肥策略对减少氮肥 淋失和提高肥料利用效率更有利, 而 A. I. Garde 鄄 nas 等 [13] [14] [15] B. R. Hanson 等和 V. Phogat 等 通过数值模拟得到了相反的结果, 认为先施肥后 灌水处理的氮素淋失风险更大 为了更好地了解滴灌施肥对土壤水氮运移情况 和作物氮素吸收利用状况的影响, 本试验以温室花 椰菜为试验对象, 研究不同滴灌施肥与蔬菜产量 品 质及根系生长的相关关系, 以期获得水肥一体化系 统中滴灌施肥的最优阈值 1 摇材料与方法 1 郾 1 摇试验区概况 试验于 2016 年 2 月至 6 月在国家节水灌溉北 京工程技术研究中心庞各庄试验站 ( E116 毅 20 忆, N39 毅 35 忆 ) 的日光温室内进行, 当地年均降雨量 568 郾 9 mm, 年均水面蒸发量 1 021 mm 日光温室种 植面积为 600 m 2, 温室内 0 ~ 40 cm 土壤基本理化性 质为全氮 0 郾 79 g / kg, 有机质 11 郾 90 g / kg,ph 8 郾 48, 碱 解氮 268 mg / kg, 有效磷 124 mg / kg, 速效钾 138 mg / kg, 田间持水量 24 郾 48%, 土壤密度 1 郾 44 g / cm 3, 土壤 为粉质壤土 1 郾 2 摇试验设计 供试花椰菜 ( Brassica oleracea L. var. botrytis L. ) 品种为 京研 60 冶, 采用覆膜平畦栽培种植方 式, 定植株行距均为 50 cm 试验采用北京绿源塑 料有限责任公司的内嵌式滴灌带, 管壁厚 0 郾 2 mm, 滴灌带间距为 30 cm, 滴头间距为 30 cm, 滴头流量 1 郾 38 L / h 温室微灌采用 30 逆向布置模式冶, 滴管 首部由过滤器 压力表 文丘里施肥器组成, 各小区 进水口装有旋翼式水表控制灌水量 试验设计 4 种滴灌施肥处理, 即 T1(1 / 5N 4 / 5W) T2(1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W) T3(2 / 5W 1 / 5N 2 / 5W) T4 (3 / 5W 1 / 5N 1 / 5W) 处理, 此 T2 (1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W) 处理中 1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W 表 示整个灌水过程的前 1 / 5 时间灌水, 接下来的 1 / 5 时间施肥, 后 3 / 5 时间灌水冲洗管道, 其他类同 根据灌水上下限计算得到的灌溉定额和温室水压状况来确定单次灌水施肥时间为 100 min, 其中注肥时间确定为 20 min, 在灌水施肥前配制肥液 ( 将 0 郾 822 kg 尿素溶于 20 L 灌溉水中 ), 每个处理在特定时段用文丘里施肥器进行施肥 每个试验处理重复 3 次, 共设置 12 个试验小区, 试验小区规格为 7 m 伊 6 m, 采用完全随意排列方式, 小区之间有 20 cm 高的垄, 防止处理间水肥混合 1 郾 3 摇田间管理花椰菜生育期内采用测墒补灌法确定灌水量, 参照 DB11T557 2008 设施农业节水灌溉技术规范 中的公式 m = 0 郾 1 酌 sph( 茁 1 - 茁 2) / 浊 式中 :m 为灌溉定额,mm; 酌 s 为计划湿润层土壤密度,g / cm 3 ;p 为土壤湿润比, 取 0 郾 8;h 为计划湿润层深度,cm; 苗期时计划湿润层为 20 cm, 莲座期和结球期为 40 cm( 参考 DB11T557 2008 设施农业节水灌溉技术规范 ); 茁 1 茁 2 为灌水上下限 ( 占干土质量的比例 ), 分别取田间持水量的 70% 和 100% ; 浊为灌溉水利用系数, 取 0 郾 9 在花椰菜种植前磷肥和钾肥作为基肥一次性施入 100 kg / hm 2 150 kg / hm 2, 氮肥作为追施肥分次施入, 施肥频率为 2 周一次, 具体施肥时间根据土壤水肥状况和花椰菜生长需要来确定 花椰菜生育期内灌水施肥情况见图 1 图 1 摇花椰菜生育期内累计灌水量和施肥量 Fig. 1 摇 Cumulative irrigation and fertigation in the growing season of cauliflower 1 郾 4 摇测定内容与方法花椰菜种植前和收获后每隔 10 cm 采用土钻法采集土样至 120 cm, 将采回的土壤自然风干后用 1 mol / L 的 KCl 溶液浸提, 使用流动分析仪 (AutoAnal 鄄 yser 芋, 德国 Bran + Luebbe 公司 ) 测定浸提液中硝
70 2018 年 态氮和铵态氮的量 [16] 花椰菜收获时每个小区选取 1 颗长势一致的植 株, 并分为叶片 茎秆 花球 3 个部分, 经净化 杀青 烘干后磨碎, 各小区混合均匀后过 0 郾 5 mm 筛, 采用 [17] 半微量凯氏定氮法测定植物全氮量 在收获期 间选取各处理生长发育状况一致的花球进行品质测 定, 其中可溶性糖采用硫酸蒽酮比色法测定, 维生 素 C 采用钼蓝比色法测定, 硝酸盐采用紫外分光光 度法测定 [18] 花椰菜收获后采用挖掘法采集植株 1 半根系, 在 50 cm 伊 25 cm 的样方内, 水平方向上按 5 cm 间 距取至 25 cm, 深度按 10 cm 间距取至 30 cm, 用铲 刀将植株根系切断后, 从外到内从上到下依次采 集含根土壤, 将土样放入 0 郾 25 mm 土筛中, 用水冲 分离土壤与根系后, 将根系样品用根系扫描仪进 行扫描, 用 WinRHIZO 软件对根系扫描图像进行 分析 1 郾 5 摇计算公式及方法 各氮素利用率的公式如下 [19] : 氮素农学利用率 = ( 施氮区产量 - 不施氮区产 量 ) / 施氮量,(kg / kg); 氮素吸收利用率 = ( 施氮区作物吸氮量 - 不施 氮区作物吸氮量 ) / 施氮量伊 100,% ; 氮素生理利用率 = ( 施氮区产量 - 不施氮区产 量 ) / ( 施氮区作物吸氮量 - 不施氮区作物吸氮量 ), (kg / kg) 数据均采用 Excel2016 和 SPSS19 郾 0 软件进行 处理和制图, 使用 Suffer8 郾 0 软件对根系分布进行 制图 2 摇结果与分析 2 郾 1 摇花椰菜产量和品质 表 1 给出了不同滴灌施肥对花椰菜产量和品质 的影响 从表 1 可以看出, 不同滴灌施肥下花椰菜 产量差异较小, 且未达到显著性差异 (P < 0 郾 05), 产 量从大到小依次为 T3 > T4 > T1 > T2, 其中最大产量 达 27 郾 38 t / hm 2, 最小产量为 23 郾 10 t / hm 2 由表 1 可 以看出不同注肥处理对花球品质指标产生影响较 小 对于可溶性糖比例而言,T3 处理比例最高, 为 5 郾 89%,T4 处理最小, 可溶性糖比例为 4 郾 24% 比 较不同处理间还原性维生素 C 质量分数可知,T3 处理 的质量分数最高, 达到 778 郾 33 mg / kg, 其次是 T2 处理, T1 处理维生素 C 质量分数最低, 为 688 郾 67 mg / kg, 各处 理间的差异性均未达显著水平 T4 处理的硝酸盐 质量分数最高, 达 108 郾 63 mg / kg, 而 T1 处理最低, 硝 酸盐质量分数达到 106 郾 84 mg / kg 所有处理的花椰 菜花球中硝酸盐质量分数均低于国家对无公害蔬菜 安全要求的茎菜类蔬菜硝酸盐 NO - 3 臆 1 200 mg / kg (GB 19338 2003) 的标准 综合对比各处理的品 质指标,T3 处理最优 表 1 摇 滴灌施肥下花椰菜的产量和品质 Tab. 1 摇 Cauliflower 蒺 s yield and quality under different fertigation strategies 处理 Treatment 产量 Yield / (t hm - 2 ) 可溶性糖 Soluble sugar / % 维生素 C Vitamin C / (mg kg - 1 ) 硝酸盐 Nitrate / (mg kg - 1 ) T1 25 郾 29 依 1 郾 53a 5 郾 58 依 1 郾 28a 688 郾 67 依 73 郾 40a 106 郾 84 依 6 郾 09a T2 23 郾 10 依 1 郾 44a 5 郾 75 依 0 郾 62a 761 郾 33 依 15 郾 46a 108 郾 10 依 9 郾 09a T3 27 郾 38 依 2 郾 91a 5 郾 89 依 0 郾 69a 778 郾 33 依 75 郾 90a 107 郾 78 依 17 郾 47a T4 26 郾 14 依 2 郾 27a 4 郾 24 依 0 郾 55a 690 郾 67 依 33 郾 00a 108 郾 63 依 13 郾 58a 摇 注 :T1 表示 1 / 5N 4 / 5W,T2 代表 1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W,T3 代表 2 / 5W 1 / 5N 2 / 5W,T4 代表 3 / 5W 1 / 5N 1 / 5W 不同的小写字母表示 5% 水平下差异的显著性 下同 Notes:Total fertigation time is 100 min. T1 refers to 1 / 5N 4 / 5W, i. e., 1 / 5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 4 / 5 of fertigation time (80 min) for watering and washing pipe. T2 refers to 1 / 5W 1 / 5N 3 / 5W, i. e., 1 / 5 of total fertigation time (20 min) for watering, 1 / 5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 3 / 5 of fertigation time (60 min) for watering and washing pipe. T3 re 鄄 fers to 2 / 5W 1 / 5N 2 / 5W, i. e., 2 / 5 of total fertigation time (40 min) for watering, 1 / 5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 2 / 5 of fertigation time (40 min) for watering and washing pipe. T4 refers to 3 / 5W 1 / 5N 1 / 5W, i. e., 3 / 5 of total fertigation time (60 min) for watering, 1 / 5 of total fertigation time (20 min) for fertilization, and 1 / 5 of fertigation time (20 min) for watering and washing pipe. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 5% probability level. The same below. 2 郾 2 摇花椰菜氮素吸收特征 不同处理花椰菜各部位的氮素吸收量如图 2 所 示 从植株各部位的氮素分配来看, 叶片部位的吸 氮量占总吸氮量的比例最高, 各处理平均吸氮量到 达 93 郾 68 kg / hm 2, 占植株总吸氮量的 43 郾 39% ; 其次 是花球部位, 平均吸氮量达到 71 郾 31 kg / hm 2, 占植株
摇 第 5 期 吴玉恒等 : 滴灌施肥对设施栽培花椰菜根系和土壤中氮分布的影响 71 总吸氮量的 33 郾 03% ; 茎秆部位的吸氮量最低, 为 50 郾 89 kg / hm 2, 占植株总吸氮量的 23 郾 57% 可以看出滴灌施肥对花椰菜花球部位吸氮量和叶片部位的吸氮量产生较大影响 积量分别达到 79 郾 65 55 郾 41 和 104 郾 36 kg / hm 2, 而 T2 处理最低, 分别为 63 郾 36 46 郾 02 和 82 郾 60 kg / hm 2, 造成该差异的原因可能是种植前 T4 试验小区的土壤本底值较高, 促进了该小区植株的氮素吸收 图 2 摇 花椰菜不同植物部位的吸氮量 量 对比各部位氮素累计的差异, 可以发现后期注肥处理的氮素累积量均高于前期施肥处理的氮素累积量, 其中 T4 处理的花球氮素累积量显著高于 T1 处理 ( P < 0 郾 05),T4 处理的叶片累积量显著高于 T2 处理 ( P < 0 郾 05) 这说明灌水过程中后期注肥处理较前期注肥处理更能促进植株对氮素的吸收 采用氮肥农学利用率 氮肥吸收利用率和氮肥生理利用率 3 个指标 ( 表 2) 来全面反映氮肥的利用率和损失率 可以看出 T3 的氮肥农学利用率要高于其他处理, 说明 T3 处理条件下氮肥对产量的提高效果较好 比较各处理的氮肥吸收利用率可以发 Fig. 2 摇 N uptakes by different plant parts in cauliflower 现, T3 T4 处理较 T1 T2 处理高 39 郾 93% ~ 花椰菜氮素累计总量表现为随着滴灌施肥时间的向后推移先减少后增加的趋势, 其中 T4 处理的各部位氮素累积量均最高, 花球 茎秆和叶片的氮素累 71 郾 84%, 说明 T3 T4 处理的氮肥损失更低 氮肥生理利用率反映了植物对所吸收氮素在植物体内的利用效果, 可以看出 T1 处理要优于其他处理 摇 摇 表 2 摇 滴灌施肥下花椰菜氮素利用率 Tab. 2 摇 Cauliflower nitrogen utilization efficiency under different fertigation strategies 处理 花椰菜吸氮量 氮肥农学利用率 氮肥吸收利用率 氮肥生理利用率 Treatment Cauliflower N uptake / (kg hm - 2 ) NAE / (kg kg - 1 ) NRE / % NPE / (kg kg - 1 ) T1 201 郾 05 依 27 郾 57a 30 郾 05 依 11 郾 03a 24 郾 70 依 7 郾 49a 91 郾 01 依 30 郾 31a T2 191 郾 97 依 23 郾 20a 26 郾 42 依 9 郾 28a 15 郾 94 依 7 郾 05a 54 郾 26 依 10 郾 36a T3 231 郾 05 依 22 郾 72a 42 郾 05 依 9 郾 09ab 33 郾 08 依 14 郾 28a 72 郾 85 依 17 郾 34a T4 239 郾 42 依 2 郾 89a 45 郾 40 依 1 郾 16b 28 郾 13 依 11 郾 12a 59 郾 01 依 22 郾 50a 摇 摇 注 :NAE 表示氮肥农学利用率,NRE 表示氮肥吸收利用率,NPE 表示氮肥生理利用率 不同的小写字母表示 5% 水平下差异的显著性 Notes:NAE stands for nitrogen agronomic efficiency, NRE stands for nitrogen recovery efficiency, NPE stands for nitrogen physiological efficiency. 2 郾 3 摇土壤剖面铵态氮和硝态氮的变化规律花椰菜种植前后土壤铵态氮的变化规律如图 3 所示 从图中可以看出土壤铵态氮质量分数均有不同程度的减少, 种植前土壤剖面铵态氮质量分数呈表层高 深层低的特点, 收获后土壤剖面的铵态氮分布则较为均匀 其中土壤表层 (0 ~ 40 cm) 铵态氮质量分数变化最为剧烈, 铵态氮质量分数由种植前 10 ~ 40 mg / kg 降低到 0 ~ 10 mg / kg, 花椰菜根系主要分布在 0 ~ 30 cm 土层, 因此分布在该土层的铵态氮被植株吸收利用最为明显 在 0 ~ 40 cm 土层中, T4 处理的铵态氮质量分数下降程度最为明显, 下降了 29 郾 19 mg / kg, 其次是 T1 T3 T2, 分别下降 23 郾 48 摇摇 21 郾 97 和 18 郾 79 mg / kg 由图 4 可见土壤剖面硝态氮的变化情况 种植前土壤表层 (0 ~ 40 cm) 硝态氮质量分数丰富, 收获后土壤硝态氮质量分数均有所降低, 由种植前 53 郾 72 ~82 郾 28 mg / kg 降低到 25 郾 44 ~40 郾 46 mg / kg, 其中 T1 和 T4 处理硝态氮含量下降最为明显, 分别下降 48 郾 16 mg / kg 和 41 郾 82 mg / kg 深层土壤 (40 ~120 cm) 硝态氮质量分数变化呈不同的变化规律,T1 和 T4 处理 40 ~ 120 cm 土层硝态氮含量分别减小 11 郾 04 和 4 郾 48 mg / kg, 而 T2 和 T3 处理 40 ~120 cm 土层硝态氮含量分别增加 12 郾 37 和 6 郾 79 mg / kg, 这可能是因为 T1 和 T4 处理土壤硝态氮向深层土壤淋失造成的
72 2018 年 图 3 摇 花椰菜种植前 ( 左图 ) 后 ( 右图 ) 土壤铵态氮的纵向分布图 Fig. 3 摇 Longitudinal distribution of ammonium 鄄 nitrogen (NH + 4 鄄 N) in soil before (Left) and after ( Right) planting cauliflower 图 4 摇 花椰菜种植前 ( 左图 ) 后 ( 右图 ) 土壤硝态氮的纵向分布图 Fig. 4 摇 Lateral distribution of nitrate 鄄 nitrogen (NO - 3 鄄 N) in soil before (Left) and after (Right) planting cauliflower 2 郾 4 摇花椰菜根系空间分布规律 不同滴灌施肥下花椰菜根系空间分布如图 5 所 示 T3 处理的根长密度最大, 达到 2 郾 54 cm / cm 3, 分布范围最广 T3 处理在采集土样区域中的平均 根长密度为 1 郾 20 cm / cm 3 ; 其次是 T2 处理, 最大根 长密度达到 1 郾 36 cm / cm 3, 平均根长密度为 0 郾 88 cm / cm 3 ;T4 处理平均根长密度最小, 仅为 0 郾 62 cm / cm 3 从根系分布特征上分析,T1 和 T3 处理根系分 布较为均匀,T2 处理根系呈现纵向生长的趋势,T4 处理的根系则横向生长力更为旺盛, 这可能是由于 灌溉施肥过程中前期灌水导致土壤水分达到饱和, 后期施肥则氮素不容易向深层土壤转移, 产生侧向 渗漏, 促进了根系横向生长 在垂直方向上,T1 中根长密度 > 1 cm / cm 3 的区 域深度为 21 cm,t2 和 T3 均为 30 cm,t4 仅为 16 cm 根长密度 > 1 郾 5 cm / cm 3 的区域深度为 24 cm 在水平方向上,T1 中根长密度 > 1 cm / cm 3 的区域深 度为 14 cm,t2 为 17 郾 5,T3 为 30 cm, T4 为 20 cm 这可能是因为前期施肥处理的施肥时间早, 导致氮 素向深层土壤移动, 根系纵向生长优于横向生长, 而 后期施肥处理的施肥时间迟, 更多的氮素被保留在 土壤表层, 所以根系分布较浅
摇 摇 第5 期 吴玉恒等: 滴灌施肥对设施栽培花椰菜根系和土壤中氮分布的影响 73 图 5摇 滴灌施肥下花椰菜根系空间分布 Fig. 5摇 Spatial distribution of cauliflower蒺s roots under different fertigation strategies 2郾 5摇 土壤硝态氮分布与根长的相关关系 根长是根系分布研究中的重要参数,在研究植 株根系长度时常用总根长 直径 < 2 mm 根系根长和 直径 < 1 mm 根系根长等指标 [20 21] 为了探究土壤 氮素分布与花椰菜根系生长的关系, 分别对每 10 cm 深度土层中(0 ~ 30 cm) 的各类根长指标与对应 土层土壤硝态氮质量分数进行相关分析 图 6 表明 以上 3 个根长指标与土壤硝态氮质量分数均有较好 图 6摇 硝态氮质量分数与各根长参数的关系 Fig. 6摇 Relationship between nitrate鄄nitrogen ( NO3- 鄄N) content and root length parameters
74 2018 年 的一元线性关系 其中直径 < 2 mm 根系根长的拟 合效果最好 (R 2 = 0 郾 811 8), 其次是直径 < 1 mm 根 系根长 ( R 2 = 0 郾 781 0 ), 总根长的拟合效果最差 (R 2 = 0 郾 651 1), 说明直径 < 2 mm 根系根长更能反 映土壤硝态氮质量分数的差异性 3 摇讨论 关于滴灌施肥对土壤溶质运移的影响研究, 国 [12] 内外学者的观点各有不同 :C. M. Cote 等运用 HYDRUS2D 对地下滴管施肥进行模拟, 结果发现在 质地较粗的土壤条件下单次灌溉施肥过程中先施肥 后灌水的灌溉施肥策略对减少氮肥淋失和提高肥料 [11] 利用效率更有利 ; 侯振安等通过室内棉花栽培试 [13] 验得到同样结论 ;A. I. Gardenas 等则认为先施 [10] 肥后灌水更容易发生氮素的淋失 ;Li Jiusheng 等 通过室内土箱试验发现中间时段进行施肥能够将土 壤的氮素最大限度地保留在根区土壤中, 而 B. R. [14] Hanson 等通过数值模拟也有类似结论 本研究 结果发现, 灌水施肥过程的中间时段施肥更有利于 肥料氮肥保留在根系层, 而且其根长密度更大, 分布 更均匀 模拟或者试验所采用的土壤质地 滴头流 量 灌溉施肥持续时间和肥料种类等都有可能是造 成试验结果不一致的原因 C. M. Cote 等 [12] A. I. [13] [14] Gardenas 等和 B. R. Hanson 等都是运用 HYDRUS 软件进行数值模拟得出的结果, C. M. [12] Cote 等模拟的是地下滴灌情形, 而 B. R. Hanson [14] [13] 等和 A. I. Gardenas 等模拟的则是地表滴灌 [14] 条件下的, 其中 B. R. Hanson 等考虑尿素态氮 [10] 水解等因素 ;Li Jiusheng 等是通过室内的土箱试 验进行滴灌试验, 土箱上并未种植作物, 其水氮运移 [11] 规律并未考虑植物根系的影响 ; 侯振安等的试验 [10] 采用的粘壤土, 而 Li Jiusheng 等用的是沙土及沙 质壤土 本研究是在日光温室中进行, 其气候条件 与室内土箱试验差异较大, 且温室土壤在 50 cm 左 右存在黏土层, 而模拟和室内试验均是均一土质, 这 都有可能是造成试验结果不一致的原因 已有研究表明 : 与传统灌溉施肥方式相比, 合 理地应用滴灌施肥技术能够促进作物根系向土壤 深层生长分布, 增加根系与土壤之间的接触面 积 [22 24], 这对减少氮淋失和增加水肥利用效率有 [21] 着重要意义 刘玉春等通过田间试验发现土壤 剖面硝态氮质量分数与作物根长密度呈正相关, 本研究也同样表明, 花椰菜的各类根长参数与土 壤硝态氮质量分数呈一元线性正相关, 且细根根 长 ( 直径 < 2 mm) 与硝态氮质量分数的拟合效果更好 4 摇结论 1) 滴灌施肥对花椰菜的产量 品质以及各部位的氮素累积量影响未达到显著水平, 综合产量和各品质指标,T3 处理最优 ; 2) 对比种植前后无机氮质量分数变化, 其中 T4 处理在 0 ~ 30 cm 土壤的铵态氮变化最大, 达到 50 郾 23 mg / kg,t4 处理在 0 ~ 40 cm 土壤的硝态氮质量分数下降比例最大, 从 61 郾 50% 下降到 34 郾 03% ; 3) 灌溉施肥过程中前期施肥促进根系的纵向生长, 后期施肥促进根系的横向生长, 其中 T3 处理的根系分布密度最大, 分布范围最广, 最大根长密度达到 2 郾 54 cm / cm 3, 平均根长密度为 1 郾 20 cm / cm 3 ; 4) 土壤硝态氮质量分数与各根系根长参数呈正相关关系, 其中与直径 < 2 mm 根系根长的拟合效果最好 (R 2 = 0 郾 811 8); 5) 综合产量 品质 氮素利用率 根系分布等指标, 推荐采用 2 / 5W-1 / 5N-2 / 5W 的灌溉施肥方案 5 摇参考文献 [1] 摇喻景权. 十一五冶我国设施蔬菜生产和科技进展及其展望 [J]. 中国蔬菜, 2011, 1(2):11. YU Jingquan. Progress in protected vegetable production and research during the Eleventh Five 鄄 year Plan in China [ J]. China Vegetable, 2011, 1(2):11. [2] 摇喻景权, 周杰. 十二五冶我国设施蔬菜生产和科技进展及其展望 [J]. 中国蔬菜, 2016, 1(9):18. YU Jingquan, ZHOU Jie. Progress in protected vegetable production and research during China's the 12th Five 鄄 year Plan [ J]. China Vegetable, 2016, 1(9):18. [3] 摇张维理, 武淑霞, 冀宏杰, 等. 中国农业面源污染形势估计及控制对策 I. 21 世纪初期中国农业面源污染的形势估计 [J]. 中国农业科学, 2004, 37(7):1008. ZHANG Weili, WU Shuxia, JI Hongjie, et al. Estima 鄄 tion of agricultural non 鄄 point source pollution in China and the alleviating strategies I. Estimation of agricultural non 鄄 point source pollution in China in early 21 Century [ J]. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(7):1008. [4] 摇张维理, 田哲旭, 张宁, 等. 我国北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染的调查 [J]. 植物营养与肥料学报, 1995,1(2):80.
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