楊 明,張博超,顧世祥,韓煥豪,高 蓉,崔遠(yuǎn)來
(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072;2.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,昆明 650021;3.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院,昆明 650500)
洱海位于大理白族自治州境內(nèi),是云南省第二大高原淡水湖泊。近年來洱海富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重,工業(yè)、旅游業(yè)、農(nóng)業(yè)等排放的氮磷污染物加劇了洱海的水質(zhì)污染[1]。研究表明,農(nóng)業(yè)面源氮、磷污染物占洱海面源污染物入湖總量的34%、29%,是造成洱海水質(zhì)惡化的主要原因之一[2]。洱海流域不合理的水肥管理模式不僅造成了水資源的浪費(fèi),更增加了肥料的流失風(fēng)險(xiǎn)[3],氮肥中的很大部分通過揮發(fā)、徑流、滲漏等途徑流失[4]。大蒜作為當(dāng)?shù)氐湫秃底魑镏?,其種植具有“大水大肥”的特點(diǎn)。當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶為了追求產(chǎn)量的最大化,長期不合理施用化肥以及粗放式的灌水方式導(dǎo)致了土壤生產(chǎn)力下降以及農(nóng)業(yè)面源污染加劇等一系列環(huán)境問題[5]。目前針對該流域農(nóng)田氮磷流失研究多集中于水稻田[6-8],對大蒜田的研究較少且大多關(guān)注不同施肥方式[9,10]或者種植制度[11],針對大蒜田的水肥綜合調(diào)控的研究較少。針對其他旱作物例如小麥、青稞等的水肥調(diào)控試驗(yàn)結(jié)果表明適宜的水肥調(diào)控模式不僅不會有減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn),還會減小由此帶來的環(huán)境負(fù)荷[12-14]。
為此,本研究以洱海流域大蒜為研究對象,采用田間對比試驗(yàn),探究不同灌溉模式以及施氮量對蒜田的產(chǎn)量和節(jié)水減排效應(yīng)的影響,提出考慮節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)、減肥、以及減排效應(yīng)的大蒜水肥綜合調(diào)控模式。
洱海流域?qū)儆诘途暩咴瓉啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,四季溫和,年平均氣溫15.1 ℃,年平均降雨量908.8 mm,冬干夏雨,6-10月集中了全年90%左右的降雨量。洱海流域是云南省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),大春作物以水稻、烤煙以及玉米為主,小春作物以大蒜和蠶豆為主。
試驗(yàn)在洱海流域中部的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理綜合實(shí)驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。供試大蒜品種為四川溫江紅七星。供試土壤為暗棕壤,0~20 cm 土壤基本理化性質(zhì)為:pH 7.1、有機(jī)質(zhì)57.3 g/kg、全氮3.31 g/kg、全磷0.97 g/kg、全鉀19.3 g/kg、速效磷35.3 mg/kg、速效鉀72.7 mg/kg。
試驗(yàn)于2019年11月至2020年5月進(jìn)行。試驗(yàn)處理考慮灌溉模式、施氮肥水平2 個因素。灌溉模式設(shè)2 個水平:常規(guī)灌溉W0、節(jié)水灌溉W1。灌水方式均為寬壟溝灌,W0 按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民灌水習(xí)慣進(jìn)行灌水,在各個關(guān)鍵生育期灌水,每次灌滿溝深則停止灌水,待水分充分入滲;W1 以計(jì)劃濕潤層土壤含水率到達(dá)田間持水率的70%作為灌水下限,上限為田間持水率。在小區(qū)內(nèi)多個點(diǎn)位不同土壤深度安裝土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集探頭,采用EM50 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集器對土壤水分狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,土壤含水率到達(dá)灌水下限時灌水,到達(dá)土壤田間持水率時停止灌水。每個小區(qū)的灌水量由水表計(jì)數(shù)得到。施氮肥量設(shè)3 個水平:當(dāng)?shù)貙?shí)際施氮量390 kg/hm2(N0)、當(dāng)?shù)厥┑康?5%(N1)、當(dāng)?shù)厥┑康?0%(N2)。各處理氮肥基追比為6∶1∶2∶1,分別在播種前基施,越冬前、返青期、蒜薹伸長期隨灌水追施。磷肥及鉀肥所有處理施肥量相同,磷肥施用量為P2O5120 kg/hm2,鉀肥施用量為K2O 225 kg/hm2。共設(shè)6 個處理,每個處理3 次重復(fù),共計(jì)18 個小區(qū),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)面積為26.4 m2,長6 m,寬4.4 m。每個小區(qū)內(nèi)設(shè)徑流池,在降雨產(chǎn)生徑流后用于收集徑流水量。每個小區(qū)設(shè)有淋溶水采集裝置在灌水或降雨后用于采集淋溶水樣,該裝置通過放置在離土壤表面50 cm 深處的淋溶水收集盤采集淋溶水,再將淋溶水導(dǎo)入直徑為15 cm 的PVC管中,收集淋溶水。
1.3.1 樣品采集與測試
每次降雨或灌水后于田間采集徑流水和淋溶水。用取樣瓶在徑流池內(nèi)多點(diǎn)采集水樣,收集前將水樣盡量混合均勻。淋溶水用小型手提式水泵從收集管內(nèi)抽取。樣品收集完后在24 h 內(nèi)完成分析,否則置于4 ℃環(huán)境下低溫保存。分別測定水樣的總氮、總磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮??偟捎脡A性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89),總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89),銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法(GB/T 8538-1995),硝態(tài)氮采用紫外分光光度法(HJ/T346-2007)。
作物收獲時用電子秤稱取每個小區(qū)的大蒜鱗莖重,并計(jì)算每個小區(qū)的產(chǎn)量。每個小區(qū)取典型植株3 株,洗凈烘干后測定植株的總氮含量。植株總氮測定采用濃硫酸、過氧化氫氧化,自動定氮儀蒸餾的方法。
1.3.2 計(jì)算指標(biāo)與方法
降雨量由自動氣象站觀測;灌水量由每個小區(qū)安裝的水表計(jì)量;徑流量由徑流池收集并計(jì)量;滲漏量由淋溶水采集裝置采集并計(jì)量;由于該區(qū)域地下水埋深較淺,地下水補(bǔ)給量可根據(jù)整個生育期內(nèi)地下水位采用改進(jìn)后的阿維里揚(yáng)諾夫公式來計(jì)算得到[15]。蒸發(fā)蒸騰量通過水平衡方程計(jì)算得到,即:
式中:ET為作物蒸發(fā)蒸騰量,mm;P為降雨量,mm;I為灌水量,mm;K為地下水補(bǔ)給量,mm;ΔW為試驗(yàn)初期和末期計(jì)劃濕潤層水分的變化量,mm;C為排水量,包括地表徑流和深層滲漏,mm。
地下水補(bǔ)給量計(jì)算公式為:
式中:H為地下水埋深,m;d為作物計(jì)劃濕潤層深度,m;Hmax為地下水極限埋深,m;n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),與土壤質(zhì)地和植被有關(guān),一般取1~3。
作物水分利用效率等于作物產(chǎn)量與全生育期蒸發(fā)蒸騰量之比[16],即:
式中:WUE為作物水分利用效率,kg/m3;Y為作物產(chǎn)量,kg/hm2;ET為作物生育期蒸發(fā)蒸騰量,m3/hm2。
肥料偏生產(chǎn)力(PFP),指施用某一特定肥料下的作物產(chǎn)量與施肥量的比值,是反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應(yīng)的重要指標(biāo)[17]。計(jì)算公式為:
式中:PFP為肥料偏生產(chǎn)力,kg/kg;F為肥料用量,kg/hm2。
采用式(5)計(jì)算氮磷徑流流失量:
式中:L1為總氮、總磷、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮徑流流失量,kg/hm2;CRi為第i次徑流水中總氮、總磷、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮濃度,mg/L;VRi為第i次徑流水體積,L;S為試驗(yàn)小區(qū)面積,m2。
采用式(6)計(jì)算氮磷淋溶流失量:
式中:L2為總氮、總磷、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮淋溶流失量,kg/hm2;CLi為第i次淋溶水中總氮、總磷、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮濃度,mg/L;VLi為第i次淋溶水體積,L;S0為淋溶取樣盤的面積,m2。
采用式(7)計(jì)算氮盈余:
1.3.3 數(shù)據(jù)分析
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016 進(jìn)行制表,Origin 2018 進(jìn)行制圖,IBM SPSS Statistics 24進(jìn)行方差分析。
不同水肥處理田間水量平衡要素見表1。由表1 可知,不同施氮水平平均,與常規(guī)灌溉W0 相比,節(jié)水灌溉W1 下灌水量平均減少31.09%、滲漏量平均減少46.18%、徑流量平均減少10.07%、蒸發(fā)蒸騰量平均減少2.46%,即與W0 相比,W1 節(jié)水效果極顯著,其中灌水量及滲漏量減少極顯著,徑流量適當(dāng)減少,但不顯著,蒸發(fā)蒸騰量基本持平。表明W1 模式能維持大蒜正常生長發(fā)育需要的蒸發(fā)蒸騰量,同時顯著減少灌水及滲漏量。
表1 不同水肥處理下大蒜水平衡要素 mmTab.1 Water balance elements of different water-fertilizer treatments of garlic
同一灌溉模式不同施氮水平下,作物整個生育期內(nèi)灌水量、蒸發(fā)蒸騰量差異不顯著。試驗(yàn)區(qū)距洱海較近,地下水位較高,地下水對土壤主要根系層的水分補(bǔ)給較為充足,是作物需水的主要來源之一,因此不同施氮量下土壤水分狀況變化差異較小。本次試驗(yàn)全生育期地下水補(bǔ)給量達(dá)到375.25 mm,不同水肥處理下占整個生育期作物總蒸發(fā)蒸騰量的62.47%~64.58%。有研究認(rèn)為,在作物及其種植方式、氣候因素相同的條件下,灌水充分,則作物蒸發(fā)蒸騰量增加[18]。本次試驗(yàn)結(jié)果表明:與W0相比,W1平均蒸發(fā)蒸騰量減少了2.46%。差異主要是由于W0與W1相比,在灌溉之后,土壤較濕潤,棵間蒸發(fā)強(qiáng)度增大,產(chǎn)生了更多的無效棵間蒸發(fā)。
2.2.1 不同水肥處理下大蒜徑流流失規(guī)律
從表2 可知,同一施氮水平下不同灌溉處理氮磷徑流流失量無顯著差異。本次試驗(yàn)期內(nèi)僅收集到一次徑流,且由降雨產(chǎn)生,多次灌溉都沒有產(chǎn)生徑流,導(dǎo)致同一施氮水平不同灌溉模式下氮磷徑流流失量無顯著性差異。
表2 不同水肥處理下大蒜氮磷徑流流失量 kg/hm2Tab.2 Surface drainage loss of nitrogen and phosphorus under different water and fertilizer treatment
同一灌溉模式下,N0 處理總氮徑流流失量顯著高于N1 和N2 處理,與常規(guī)施肥(N0)相比,N1 和N2 處理總氮徑流流失量分別減少22.49%和44.11%。N0處理的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮徑流流失量均顯著高于N1 和N2 處理,N1 和N2 處理間差異顯著。與N0 相比,N1 和N2 處理硝態(tài)氮徑流流失量分別減少23.42%和46.87%,銨態(tài)氮徑流流失量分別減少32.04%和45.15%。有研究表明,肥料氮是氮素流失的物質(zhì)基礎(chǔ),施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素。本次試驗(yàn)結(jié)果表明施氮量是影響氮素徑流流失量的主要因素之一,減少施氮肥能夠顯著減少徑流中的氮素含量。同一灌溉模式各施氮處理間總磷徑流流失量無顯著性差異。這主要是由于各處理的施磷量相同,且磷肥施入土壤中易被吸附,各個小區(qū)徑流中磷素流失量的差異主要受前幾年耕作和施肥等因素的影響。
2.2.2 不同水肥處理下大蒜氮磷淋溶流失規(guī)律
灌溉或有較強(qiáng)降雨時產(chǎn)生淋溶,本次試驗(yàn)周期內(nèi)共收集到4 次淋溶水。由表3 可知,同一施氮水平不同灌溉模式下,氮磷淋溶流失量差異顯著,節(jié)水灌溉模式W1較傳統(tǒng)灌溉模式W0相比,總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷淋溶流失量分別平均減少53.45%、54.32%、63.97%、48.54%。本次試驗(yàn)結(jié)果表明,灌溉模式是影響氮磷淋溶流失量的重要因素,節(jié)水灌溉模式能有效減少洱海流域大蒜田氮磷的淋溶流失量,減小氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)。其中,氮素淋溶以NO3--N 為主要形態(tài),占比為68.1%~74.02%,NH4+-N占比較小,僅為4.65%~7.12%。
表3 不同水肥處理下大蒜氮磷淋溶流失量 kg/hm2Tab.3 Nitrogen and phosphorus leaching loss under different water and fertilizer treatments
在同一灌溉模式下,大蒜田總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮淋溶流失量隨著施氮肥量的增加而增加,總磷淋溶流失量隨施氮肥量變化差異不大。方差分析表明,施氮肥量對總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮淋溶流失量的影響達(dá)到極顯著水平,對總磷淋溶流失量無顯著影響。N0處理的氮素淋溶流失量均顯著高于N1和N2處理,N1和N2 處理間無顯著差異,說明N1 處理能夠滿足大蒜穩(wěn)產(chǎn)所需要的養(yǎng)分需要,同時顯著減少氮素淋溶流失量。與N0相比,N1和N2 處理硝態(tài)氮淋溶流失量分別減少38.58%和45.93%,銨態(tài)氮淋溶流失量分別減少33.40%和39.24%。W0 灌溉模式下,減氮15%處理N1 下的總氮淋溶流失量較常規(guī)施氮處理N0 相比減少35.01%,減氮30% 處理N2 較常規(guī)施氮處理N0 減少42.51%;W1 灌溉模式下,減氮15%處理N1 下的總氮淋溶流失量較常規(guī)施氮處理N0相比減少37.43%,減氮30%處理N2較常規(guī)施氮處理減少43.47%。與W0相比,W1處理下兩種減氮處理均能夠進(jìn)一步提高減少氮素淋溶流失量的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥具有較大的氮素淋溶流失風(fēng)險(xiǎn),減氮施肥能夠有效地降低氮素淋溶流失量,合適的水肥模式能進(jìn)一步降低氮素淋溶流失風(fēng)險(xiǎn)。
2.2.3 不同水肥處理下大蒜田氮磷總流失量及氮素平衡
不同水肥處理下大蒜田氮磷總流失量見表4。由表4 可知,相同施氮肥處理下,相比于W0,W1 處理總氮流失量平均減少51.15%,總磷流失量平均減少44.25%。表明相比W0,W1 可有效減少大蒜田的氮磷流失量。不同施氮水平下,總氮流失量表現(xiàn)出隨著施氮量的增加而增加的變化規(guī)律。N1、N2 處理總氮流失量較N0平均減少35.73%、42.89%,總磷流失量平均減少26.85%、27.06%,表明相比N0,N1、N2 處理可有效減少大蒜田的氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)。
表4 不同水肥處理下大蒜田氮磷總流失量Tab.4 Nitrogen and phosphorus loss under different water and fertilizer treatments
大蒜田氮磷流失以淋溶流失為主,通過淋溶流失的氮磷流失量占總流失量的82.74%~96.32%,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通過徑流流失的氮磷流失量。
由圖1可知,化肥是大蒜田氮素輸入的主要來源之一,灌水輸入僅占大蒜田輸入總氮的0.01%。農(nóng)田氮素輸出的主要方式以作物吸收為主,本次試驗(yàn)中不同水肥處理下作物吸氮量達(dá)到140~260 kg/hm2,占總氮輸出的50.8%~70.9%;氮素淋溶流失量占總氮輸入的3.96%~12.91%,徑流流失量占比不到0.01%。不同水肥處理的平均氮素盈余量為58.87~141.09 kg/hm2,最低的是W1N1 處理。相較于其他處理,W1N1 處理極大程度上減輕了氮素淋溶和徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 不同水肥處理下大蒜田氮素輸入和輸出量Fig.1 Nitrogen input and output in garlic cropland under different water and fertilizer treatments
從表5可知,同一施氮水平不同灌溉模式下,大蒜的產(chǎn)量差異不大。與W0 相比,W1 大蒜產(chǎn)量稍有增加,平均增加0.48%。本次試驗(yàn)結(jié)果中改變灌溉模式不會顯著降低大蒜的產(chǎn)量。
表5 不同水肥處理下大蒜產(chǎn)量及水肥利用效率Tab.5 Garlic yield and water-fertilizer utilization efficiency under different water and fertilizer treatments
同一灌溉模式不同的施氮水平下,大蒜產(chǎn)量差異顯著,表現(xiàn)為N0>N1>N2的規(guī)律,N1、N2處理下的大蒜產(chǎn)量較N0處理分別減少4.31%、30.59%,說明較高施氮水平下減少施氮量不會顯著影響大蒜產(chǎn)量,但減少到一定程度后氮肥無法滿足大蒜正常生長,會使大蒜產(chǎn)量顯著降低。方差分析表明水肥交互作用對大蒜產(chǎn)量無顯著影響。
同一施氮水平下不同灌溉模式的作物水分利用效率表現(xiàn)出W0<W1的趨勢。W1提高作物水分利用效率3.07%。同一灌溉模式下不同施氮水平的作物水分利用效率則表現(xiàn)為N0>N1>N2,體現(xiàn)出了“以肥調(diào)水”效應(yīng)。但N0 和N1 之間差異不顯著,N2 處理顯著低于N0 和N1 處理。顯著性分析表明灌溉模式和水肥交互作用對作物水分利用效率的影響不顯著,施肥量對作物水分利用效率的影響極顯著。作物水分利用效率最高的處理為W1N0,達(dá)到1.294 kg/m3,最低為W0N2,僅為0.902 kg/m3。
氮肥偏生產(chǎn)力最高的處理為W1N1,說明合適的水肥處理可以提高氮肥利用率。顯著性分析表明灌溉模式和水肥交互作用對肥料偏生產(chǎn)力的影響都不顯著,施肥量對肥料偏生產(chǎn)力的影響顯著。
研究表明,灌溉和降雨是促使土壤產(chǎn)生淋溶和徑流的主要驅(qū)動力,充分灌溉增加了氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)[19,20]。洱海流域旱作物期間灌水次數(shù)較少,但灌水強(qiáng)度較大,傳統(tǒng)大水漫灌和溝灌會產(chǎn)生較多的滲漏水,很大一部分灌溉水由于滲漏損失無法被作物吸收利用,造成水資源的浪費(fèi)。同時,土壤中水分的運(yùn)動會伴隨著養(yǎng)分的遷移,不合理的灌溉模式還會造成土壤養(yǎng)分的大量流失。本研究結(jié)果表明,與常規(guī)灌溉模式相比,節(jié)水灌溉模式下大蒜田灌溉水減少31.09%,滲漏量減少46.18%,節(jié)水效果顯著。由于大蒜生育期內(nèi)降雨量僅有91.4 mm,且降雨強(qiáng)度較弱,因此該地區(qū)地表徑流產(chǎn)生幾率較低,氮磷淋溶流失是旱作物氮磷流失的主要途徑,這與秦雪超等[21]在華北平原小麥季、黃沈發(fā)[22]在上海郊區(qū)旱作農(nóng)田的研究結(jié)果相同,其指出淋溶流失是小麥季氮素流失的主要途徑。因此要加強(qiáng)旱作期間對氮素淋溶流失的監(jiān)測和研究。與常規(guī)灌溉相比,節(jié)水灌溉模式下總氮流失量平均減少51.15%,總磷平均流失量減少44.25%。
肥料氮是氮素流失的物質(zhì)基礎(chǔ),施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素[23,24]。洱海流域大蒜田化肥投入量較大,在當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水肥模式下氮素流失風(fēng)險(xiǎn)較大。已有不少研究表明,在洱海流域采用合理的化肥減量施用、有機(jī)肥替代化肥等措施既能保證作物穩(wěn)產(chǎn),又能有效減少農(nóng)田氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)[25-28]。而在其他地區(qū),駱曉聲等[29]研究發(fā)現(xiàn),通過化肥和有機(jī)肥的減施,菜田的硝態(tài)氮淋溶流失量平均降低42.8%,總磷淋溶流失量平均降低38%;王立剛[30]等研究表明,在山東桓臺當(dāng)?shù)释度肓扛哂?00 kg/hm2時,作物產(chǎn)量將不再顯著增加,反而會使得氮素淋溶流失量顯著升高。本研究結(jié)果表明,在常規(guī)施氮肥處理下大蒜田的氮素流失量達(dá)到37.77 kg/hm2,而減少15%氮肥處理下大蒜產(chǎn)量僅減少4.31%,氮素流失量減少了35.73%,在作物產(chǎn)量保持穩(wěn)產(chǎn)的前提下具有顯著的減排效果,表明合理的施肥管理措施是降低大蒜田氮素流失的主要途徑之一。
(1)灌溉模式是影響洱海流域大蒜田水量平衡的主要因素。與傳統(tǒng)灌溉模式相比,以土壤田間持水率的70%為灌水下限,田間持水率為灌水上限的灌溉模式平均節(jié)水31.09%。
(2)洱海流域大蒜田在常規(guī)施肥和傳統(tǒng)灌溉模式下通過徑流和淋溶流失的總氮量為37.77 kg/hm2,占施氮量的9.69%。減氮15%和30%可使氮素總流失量分別減少35.73%和42.89%。采用節(jié)水灌溉模式可使總氮流失量平均降低47.43%。
(3)與農(nóng)民常規(guī)施氮相比,減氮15%處理對大蒜產(chǎn)量影響較小,減氮30%會導(dǎo)致大蒜顯著減產(chǎn)。優(yōu)化水肥模式能夠有效提高作物水分利用效率和肥料偏生產(chǎn)力,實(shí)現(xiàn)水肥的較高利用效率。
(4)綜合考慮節(jié)水、減排以及大蒜產(chǎn)量,洱海流域大蒜水肥最優(yōu)管理模式為,減少常規(guī)氮肥用量的15%,采用本文推薦的節(jié)水灌溉模式,與傳統(tǒng)水肥模式相比,最優(yōu)水肥模式下灌水量減少32.03%、產(chǎn)量減少2.63%、總氮流失量減少68.26%、總磷流失量減少43.13%,能夠顯著降低氮磷流失帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。