施氮对不同质地滴灌棉田土壤硝态氮分布及棉花产量的影响

（1.石河子大学农学院，新疆石河子 832003；2.新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003）

摘要：为了探究施氮对不同质地滴灌棉田硝态氮分布及产量的影响，采用温室土柱模拟的方法，研究了滴灌条件下不同质地土壤硝态氮分布迁移特征，分析了施氮对NO3-N和棉花产量的影响。结果表明，在灌水量一定的条件下，在砂土、壤土中施氮量分别为256.00、287.34 kg/hm2时，相应的氮素积累量最大，皮棉产量最高，土壤硝态氮主要集中分布在30～40 cm土层，有利于棉花根系的吸收，且分别比不施氮增产43.87%和44.92%。一定施氮量下，壤土硝态氮分布的均匀性优于砂土，并且根层20～40 cm土层硝态氮量高于砂土，且比砂土平均增产6.16%。砂土、壤土中硝态氮量在各生育期总体呈现“降-增-降”的变化趋势，并且收获前期施纯氮340 kg/hm2处理60 cm土层砂土硝态氮量的第二个峰值较壤土提高15.98%，在生育期末端砂土在深层的氮素积累高于壤土，存在继续向下淋失的风险。

0 引言

中国氮肥消费与生产量位居世界第一，农业氮肥利用率相对较低从而导致巨大的氮肥损失[1-2]。土壤硝态氮量作为土壤氮素诊断指标，对于确定滴灌棉田在不同生育期的氮肥追肥用量具有指导性意义[3]。我国灌溉农作体系中，硝态氮大量残留在收获后的土壤剖面中，这部分残留硝态氮是不可忽视的土壤氮素资源，在土壤-植物体系的氮素营养中发挥着重要作用，但积累在土壤中的硝态氮在降水较多或灌溉量较大的条件下将向深层迁移甚至导致淋失，严重威胁着地下水资源的有效可利用性[4]，易造成地下水资源硝酸盐污染。我国北方农作体系中多种土壤质地并存，不同质地的土壤水分、温度、空气和机械阻力表现不同[5]，对养分吸收利用和作物生长发育的影响也不同，导致在肥料利用率方面存在差异。因此，依据农田土壤状况进行合理施肥实现作物高产高效倍受关注，探明不同质地滴灌棉田肥料利用率差异性特征，可为棉田肥料科学管理提供理论依据。已有研究表明，基于室内土柱模拟法，滴灌施肥条件下氮肥种类和土壤质地对氮素淋溶及转化有显著影响[6]；不同滴灌处理下土壤硝态氮的分布受棉株根系的影响最大，而棉株根系又受土壤质地、土壤含盐量的影响[7]；土壤剖面中硝态氮的总量与氮肥施用量直接相关，而作物对化肥的利用率与施肥量呈相反趋势，适宜的氮肥用量、施用有机肥及合理的有机-无机肥料配比是减少硝态氮在土壤剖面中累积和淋失的有效措施[8]；膜孔灌溉0～60 cm土层硝态氮在作物的整个生育期变化较大，60 cm以下变化平缓，上下土层硝态氮量差异相对较小[9]；滴灌各施肥处理硝酸盐主要集聚在40～60 cm土层，中氮和高氮处理硝酸盐残留量漫灌大于滴灌[10]；砂壤土较重壤土能及早进入生物量和氮素快速积累期，更有利于棉花对养分的吸收[11]。目前，大多数国内外学者对滴灌条件下(包括室内土柱模拟法)氮肥的施用量、施用频率以及水肥耦合等对肥料利用率的影响做了较多研究，但其中大部分是针对单一土壤条件下施氮对硝态氮分布规律的影响研究，对于滴灌施肥后不同质地土壤的氮素迁移和分布研究较少。为此，通过滴灌土柱模拟试验，研究施氮量对不同质地棉田0～60 cm土层剖面硝态氮迁移和分布规律，为优化农田灌溉施肥技术、减少硝酸盐淋洗损失进而为不同质地滴灌棉田制定定量化的施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2015年和2016年4—10月在石河子大学农学院试验站温室内进行。供试土壤分别取自石河子大学农学院试验站和玛纳斯县六户地镇创田地村，质地分别为壤土和砂土，土壤肥力状况如表1所示。

表1 供试土壤颗粒组成及养分状况

1.2 试验设计

试验为二因素试验，分别为土壤质地和氮素水平。其中土壤质地因素设置2个水平，即壤土和砂土；施氮量设置4个氮素（纯氮）水平，即0、240、340、480 kg/hm2，并分别以CK、N1、N2、N3表示。试验采用全组合设计，共8个处理。供试棉花品种为新陆早45号，试验使用底部密封的PVC塑料桶（直径45 cm、高75 cm）上方铺设滴灌带的方式模拟传统大田试验，采用“1管1行”模式，土壤自然晾干，碾碎混匀后过2 mm筛，按干体积质量1.3 g/cm3分层（每层10 cm）装至70 cm高度，试验期间没有渗漏液发生。为了直观形象地描述土柱情况，将土柱、植株分布及滴灌带布设情况绘于图1。

每处理重复6次，其中3桶用于采土样，3桶用于采植物样，共计48桶。各处理采用等额灌水，土柱装完后，每个土柱中灌4 L水以湿润土层，每桶以圆心为中心，半径10 cm处播种，株距21 cm，播后待棉苗高出PVC桶面5 cm时定苗，每桶保留4株长势均匀的棉苗。整个生育期滴灌设计灌溉量540 mm，施肥量为钾肥（K2O）95 kg/hm2、磷肥（P2O5）105 kg/hm2作为基肥一次性施入，氮肥（尿素）中基肥占30%，在填装土柱过程中掺施于土壤中，剩余的氮肥作追肥随水每10 d灌溉1次，灌水施肥按比例（见表2）分多次进行。

表2 水氮分配

1.3 测试指标

分别在棉花盛蕾期、初花期、盛花期、花铃期、盛铃期、吐絮期施肥结束后5 d用土钻采集0～60 cm(10 cm为1层)深度土壤样品，用1 mol/L的KCl浸提新鲜土样1 h，振荡过滤后用双波长分光光度法（UV-2401紫外分光光度计）测定土壤硝态氮量，每个生育期取3个土壤样品（即3桶，每桶各取1个土壤样品），取其平均值作为该生育期土壤硝态氮量，并同时取少量土样装铝盒烘干法测定土壤质量含水率。在棉花收获期取不同处理间棉花植株样，统计蕾铃个数及籽棉产量，测产。

采用Excel和SPSS17.0软件进行数据方差分析，采用Origin8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 施氮对砂土硝态氮垂直分布的影响

为了直观形象地描述砂土硝态氮分布情况，将各生育期内砂土NO3-N的变化绘于图2。从图2可看出，随着土层深度的增加，砂土中NO3-N量总体均呈现出“降-增-降”的趋势，施肥后NO3-N量第一个峰值出现在0～10 cm土层。各生育期中，随着氮素向下迁移呈现出下降趋势，在45 cm土层左右出现第二个峰值。N3处理NO3-N量最小值较CK、N1、N2处理分别平均增加166.71%、21.75%、11.9%，说明在一定范围内施氮量的增加有助于棉花根系对氮素的吸收。盛花期和盛铃期氮素在向下迁移的过程中没有被植株吸收利用的部分在45 cm处出现了一定量的累积，该现象在N3处理中表现尤为显著。

2.2 施氮对壤土硝态氮垂直分布的影响

从图3可以看出，随着土层深度的增加，壤土中NO3-N量总体呈现“降-增-降”的趋势，随着灌水时间的增加以及植株的吸收，NO3-N量在15～35 cm处呈现下降趋势。CK棉花蕾期和铃期硝态氮量的递减率高于花期和吐絮期，N2处理棉花在盛蕾期、初花期、盛花期NO3-N量最小值比N1处理分别减小了4.92%、8.58%、6.09%。壤土N1、N2、N3处理的第二个峰值较砂土分别增加了1.55%、0.91%、2.58%，超过30 cm后砂土中NO3-N量大于壤土，表明滴灌下氮素在壤土土壤剖面中的分布更为均匀。

2.3 全生育期不同层次土壤硝态氮量的变化

从图4可以看出，砂土不同土层全生育期内NO3-N量的分布存在差异，变化范围为6.45～21.54 mg/kg。对于CK，40～50 cm土层NO3-N量表现为先降低后升高的变化趋势，其余土层总体表现“降-增-降”的趋势；50～60 cm土层NO3-N量显著高于其他土层，0～0 cm土层NO3-N量在盛花期到盛铃期急剧升高；对于N1处理，随生育期推进，NO3-N量在50～60 cm土层显著高于其他土层，且在吐絮期10～20 cm土层NO3-N量较CK同期同土层显著增加55.41%；对于N2处理，10～20 cm、40～50 cm土层NO3-N量在盛花期达到最小值，其余土层最小值均出现在盛铃期；对于N3处理，全生育期各土层NO3-N量较CK均有显著性提高，且50～60 cm土层NO3-N量平均较0～10 cm土层增加25.06%，说明随着施氮量的增加，砂土中未被植株根系吸收的氮素出现了向深层土壤运移的趋势。

从图5可以看出，壤土不同土层全生育期内NO3-N量的分布存在差异，随着生育期的递进而呈先降低后升高的趋势，变化范围为6.11～21.89 mg/kg。N2处理下花期30～40 cm土层最小值较N1处理增加7.74%，30～40、40～50、50～60 cm土层处各处理NO3-N量随着生育期的推进呈现先减小后增大再减小的变化趋势，最小值出现在花期前后，这主要是因为花期棉花生殖生长和营养生长同步进行，植株对氮素的需求量较高。

2.4 全生育期不同土层土壤硝态氮量方差分析

从表3可以看出，对于CK，砂土盛蕾期30～40、50～60cm土层NO3-N量差异不显著，其余土层之间差异显著；花期0～10、20～30、50～60 cm土层NO3-N量较40～50 cm土层平均增加了16.94%。在铃期0～10、10～20、30～40、50～60 cm土层之间差异显著，20～30、40～50 cm之间差异不大，并且50～60 cm处较40～50 cm增加了16.70%，吐絮期NO3-N量从浅层到深层的分布差异显著，50～60 cm较0～10 cm处减少了42.50%。盛蕾期壤土中硝态氮量在0～10、50～60 cm和10～20、30～40 cm之间差异不显著，这说明壤土中氮素的分布较砂土更为均匀。在其他时期由浅到深氮素量均有一定程度的减小，在花期、铃期、吐絮期50～60 cm土层NO3-N量分别较0～10 cm土层减少了15.90%、26.80%、35.40%，这进一步说明壤土的氮素利用率相对较高，避免了氮素向深层淋洗的风险。

表3 同生育期内CK和N1处理不同质地土层硝态氮量的垂直分布 mg/kg

注同行不同小写字母表示各处理间差异显著（P＜0.05）；下同。

对于N1处理，砂土与壤土在盛蕾期各土层NO3-N量均有显著性差异，壤土中第二个峰值较砂土增加了7.60%，这是由于砂土的湿润体较壤土更为细长，并且水肥向深层扩散的过程中重力势的作用相对较大导致垂直入渗占主导地位。花期砂土与壤土0～10、20～30、40～50 cm土层NO3-N量差异不大，而花期根系养分需求相对较大导致10～20、30～40 cm土层氮素量存在显著性差异。铃期随着灌水历时的增加其第二个峰值处NO3-N量较花期分别提高了7.90%和4.20%，说明灌水在增加土壤含水率的同时也增加了氮素向深层淋洗的风险。吐絮期砂土中0～10、40～50 cm土层以及20～30、30～40 cm土层NO3-N量均无明显差异，第二个峰值处相比铃期减小了2.30%，而壤土中各土层之间差异显著，这表明壤土在棉花生殖生长较为旺盛的时期根系对氮素的需求量较大，这是由于吐絮期减少了灌水量，也减少了氮素随水向下层移动的量。

表4 同生育期内N2和N3处理不同质地土层硝态氮垂直分布 mg/kg

由表4可以看出，对于N2处理，砂土与壤土在盛蕾期各土层之间NO3-N量差异显著，壤土20～30、50～60 cm土层之间无明显差异，壤土50～60 cm土层NO3-N量较砂土增加3.90%，这是由于质地不同导致干物质的积累速率和养分的吸收速率存在大小差异，从而导致了他们在整个生育期内养分吸收的时段性或瞬时性的变化。在棉花花期、铃期、吐絮期50～60 cm土层砂土NO3-N量均高于壤土，分别较壤土提高了30.60%、8.80%、16.30%，呈现出花期＞铃期＞吐絮期的规律，说明砂土在光合产物向生殖生长转化的关键时期较壤土湿润锋锋面更深，加剧了硝态氮向深层淋洗的风险，所以花期在不影响植株水分需求和养分吸收的前提下应尽量减少灌水，防治因硝态氮向深层累积而降低肥料利用率。

对于N3处理，砂土、壤土在0～10、10～20、20～30 cm土层NO3-N量均有显著性差异，而在30～40 cm土层之间NO3-N量无明显差异，这说明在灌水量一定的情况下，随着施氮量的增大，肥液质量浓度随之增大，而下层NO3-N量相对较低，这使得土壤中硝态氮质量分数峰下降速率增大，导致氮素随水的迁移量增大。而在吐絮期50～60 cm土层，砂土NO3-N量又有不同程度增加，壤土呈现出不同程度降低，这说明随着施氮量的增加，砂土中硝态氮会向更深层土壤迁移，其养分供应能力较壤土差。

2.5 氮肥用量与棉花产量的关系

由图6可知，在棉花不同施氮处理下，棉花籽棉产量以N1处理（240 kg/hm2）最高，其次为N2处理（340 kg/hm2）；当施氮量再增加时，产量有下降的趋势。根据一元二次方程拟合回归方程可知，壤土最高籽棉理论产量为6 846.42 kg/hm2，对应的施氮量为256.00 kg/hm2；砂土最高籽棉理论产量为6 341.12 kg/hm2，对应的施氮量为287.34 kg/hm2。

3 讨论

多项研究表明，大量施肥会造成硝态氮在土壤中的累积，土体硝态氮随施氮量的增加而显著增加[12]。当施氮量高于340 kg/hm2时，土壤NO3-N量明显增加，而且在高施氮量的情况下，NO3-N有明显向更深层迁移的倾向。随施氮量的增加，土壤NO3-N量增大[13]；棉花对氮素的吸收受其在土壤中分布的影响，NO3-N量的峰值出现在土壤40 cm处[14]；滴灌施肥条件下土壤NO3-N量变化呈现先减小再增大再减小的变化趋势[15]。本研究结论与以上研究结论相一致。

本研究只在棉花单一品种下进行了研究，且只研究了土壤养分状况而没有考虑地上部分的营养状况。因而，今后在本地区要进行长期的、更全面的大田验证及应用，以确定各生育期的氮素利用率。

4 结论

1）硝态氮在土壤剖面的分布和累积因土壤质地的不同而不同，在不同的施肥处理下，土壤硝态氮累积量随施氮量的增加而增加，当施氮量高于240 kg/hm2时，土壤NO3-N量明显增加，而且在高施氮量的情况下，NO3-N量有明显向更深层迁移的倾向。

2）相同灌水条件时，在节约生产成本的条件下，砂土、壤土分别以256.00、287.34 kg/hm2的施氮量能够达到最高目标产量。

3）一定施氮量下壤土硝态氮分布在20～40 cm根层的均匀性优于砂土，减少了氮素向土壤深层的淋失，提高了氮素利用率，且比砂土平均增产6.16%。

致谢：本研究得到了吕新老师和新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室数字农业与精准农业课题组的大力协助，在此深表谢意！一并感谢母校甘肃农业大学、石河子大学对我的培养。

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Effect of Soil Texture on the Distribution of Nitrate Nitrogen in the Soil Profile and Its Influence on Drip-irrigated Cotton Production

MAGexin1，2，ZHANG Ze1，2，WEN Pengfei1，2，ZHANG Dongming1，2，LYU Xin1，2
（1.College ofAgronomy,Shihezi University,Shihezi 832003,China;2.Key Laboratory of Oasis EcologicalAgriculture,Xinjiang Production Group,Shihezi 832003,China）

Abstract：The methods of column simulation in greenhouse was used to study the effect of soil texture on the distribution of NO3-N in the 0～60 cm soil and cotton yield under drip irrigation.The results showed that when irrigation amounts were the same,N application rates of 256.00 kg/hm2to sand soil and 287.34 kg/hm2to loam resulted in the greatest cotton production.Compared with the unfertilized control(CK),these fertilizer amounts increased cotton yield by 43.87%in the sand soil and by 44.92%in the loam.Soil NO3-N was mainly distributed in the 30～40 cm depth under these N application rates.This was conducive to the absorption of N by the cotton root system,thus allowing soil N absorption efficiency to be properly regulated and production to be increased.The results also showed that when fertilizer rates were the same,soil NO3-N was distributed more uniformly in the loam soil than in the sandy soil.Soil NO3-N was mainly distributed in the 20～40 cm soil depth of the loam soil.This improved the N utilization rate and increased cotton yield by an average of 6.16%compared with the sand soil.Soil NO3-N content in both the sand soil and loam soil changed with the curve of“decrease-increase-decrease”across the growing season.At the second peak,soil NO3-N content in the 60 cm depth with N application rate of 340 kg/hm2was 15.98%greater in the sand soil than in the loam soil.At the end of the growth period,the sand soil had greater N content than the loam soil and therefore had greater risk for N loss due to leaching.

马革新，张泽，温鹏飞，等.施氮对不同质地滴灌棉田土壤硝态氮分布及棉花产量的影响[J].灌溉排水学报，2017，36（3）：44-51.

作者简介：马革新(1988-)，男，甘肃武威人。硕士研究生，主要从事绿洲农业资源高效利用研究。E-mail：magexin10610412@163.com

通信作者：吕新（1964-），男。教授，博士生导师，主要从事农业信息化与精准农业研究。E-mail：lxshz@126.com