2019, Vol. 27
2. 昆明皓川工程咨询有限公司 昆明 650051
2. Kunming Haochuan Engineering Consulting Co., Ltd., Kunming 650051, China
水肥一体化是一项高效节水灌溉施肥技术[1-4]。前人已对滴灌、喷灌、漫灌、膜孔灌和涌泉根灌等灌溉施肥模式的水肥分布规律做了较多研究, 结果表明不同灌溉施肥方式下土壤水肥分布具有明显差异。滴灌施肥时氮素在土壤中的运移规律受土壤性质、滴头流量、肥液浓度及肥料类型等多种因素影响[5-9], 滴头周围土壤含水率较高, 土壤硝态氮含量随肥液浓度的增加而增大, 在湿润体边缘产生累积[10], 而速效磷和速效钾聚积在表层土壤[11-12]。喷灌施肥养分集中分布在表层土壤, 漫灌施肥养分则集中分布在深层土壤[13]。膜孔灌施肥和涌泉根灌施肥下, 硝态氮分布规律和水分相似, 易随水分流失[14-15]。
微润灌溉是一种全新的地下精准微灌技术, 利用半透膜透水原理, 以膜内外水势梯度和土壤吸力为驱动, 通过缓慢出流的方式为作物根区持续供水[16-17]。微润灌溉作为线源连续出流的入渗方式, 具有流量小、灌水持续时间长的特点[18], 在灌溉方式上与滴灌等流量较大的间歇式灌溉方式完全不同。微润灌溉技术使作物吸水过程与田间灌溉过程具有同步性, 可为农业水肥一体化提供有效载体, 达到节水节肥的效果。
目前有关微润灌溉水肥一体化的研究还比较少, 韩庆忠等[19]在大田试验的基础上探索了微润灌溉水肥一体化在柑桔生产中的适用性, 刘小刚等[20]采用室内入渗试验研究了不同水头和土壤容重下微润灌溉施肥湿润体内的水盐分布特性。有关不同肥液浓度下微润灌溉湿润体内水肥分布规律的研究还很欠缺。
农业废弃生物质可作为土壤改良剂, 粉碎后添加到土壤中能有效改良土壤结构, 降低土壤容重, 提高土壤孔隙度, 改善土壤渗透性能, 改变土壤水分分布, 从而影响养分的运移[21-22]。有研究[23-26]发现添加废弃生物质不仅能提高土壤的保水持水能力, 还能吸附和固定土壤中的速效磷和速效钾, 拦截养分的迁移。花生壳作为一种廉价废弃生物质极易获取, 掺混花生壳可改善土壤物理性状, 但其如何影响微润灌溉下土壤水肥分布尚不清楚。
本文采用室内土箱模拟试验的方法, 以花生壳粉末为掺混生物质, 探索不同微润灌溉施肥条件下生物质掺混比例对湿润体内水肥分布规律的影响, 以期为微润灌溉水肥一体化管理和生物质改良土壤的广泛应用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料试供土壤颗粒组成采用Mastersizer 2000型激光粒度分析仪(英国马尔文公司)测定, 土壤自然堆放下粒径组成为直径d > 2 mm、0.02 mm < d≤2 mm、0.002 mm < d≤0.02 mm和0 < d≤0.002 mm分别占21.57%、74.38%、3.90%和0.15%。按国际制土壤分类方法, 试供土壤属于多砾质砂质壤土。土壤自然容重为1.15 g·cm-3, 初始质量含水率与饱和质量含水率分别为3.66%和47.52%, 硝态氮、速效磷和速效钾的初始含量分别为26.75 mg·kg-1、4.42 mg·kg-1和35.87 mg·kg-1。
供试掺混生物质为花生壳粉末, 过2 mm筛后与土样按设计比例均匀混合。肥料采用史丹利大量元素水溶肥, 其中N、P2O5和K2O的含量均为20%。
1.2 试验装置试验装置由土箱和供水系统两部分组成, 如图 1所示。土箱规格(长×宽×高)为40 cm×40 cm×45 cm, 由厚度为10 mm的有机玻璃制成。供水系统由马氏瓶、橡皮软管和微润管3部分组成, 其中马氏瓶提供连续恒定的压力水头。微润管为四折痕双层结构, 内层为厚度0.06 mm的高分子半透膜, 表面均匀密集地分布着微孔, 孔隙直径为10~900 nm, 密度为105个·cm-2; 外层为无纺布保护层。微润管公称直径为16 mm, 折径(宽度)为(25±1.5) mm, 壁厚为(0.9±0.5) mm。微润管的布设方式采用竖直插入式, 上端通过接头和橡皮软管连接马氏瓶, 下端用橡胶塞封闭。
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图 1 试验装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental device |
试验于2017年7月20日—9月25日在昆明理工大学现代农业工程学院土壤物理实验室进行。试验共设定肥液浓度和土壤生物质掺混比例两个因素。肥液浓度处理3个, 分别为清水F0(0 g·L-1)、低浓度FL(0.2 g·L-1)和高浓度FH(0.4 g·L-1); 生物质掺混比例处理4个, 分别为无掺混B0(0)、低掺混比例BL(1.5%)、中掺混比例BM(3.0%)和高掺混比例BH(4.5%), 其中掺混比例为质量分数。试验为完全组合设计, 共12处理, 每个处理重复3次。供试土样以自然容重分层装入土箱, 每层5 cm, 层间打毛, 以便于充分接触, 装土高度为40 cm。为了便于观测, 将微润管竖直插入土箱的一角。微润管的实际截取长度为35 cm, 有效入渗长度为30 cm, 上端接头与土壤表面平齐, 且与土箱两壁保持1 cm的水平距离。试验时压力水头设置为1 m, 土壤表面用塑料膜覆盖, 以防止土壤水分蒸发。试验入渗总时长为124 h, 入渗结束时的累积入渗量见表 1。入渗结束后, 立即用土钻对湿润体分层取样, 取样点间隔距离为5 cm, 在微润管周围取每层的第1个点, 水平方向和竖直方向同时进行, 取样点分布如图 2所示。
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图 2 取样点分布示意图 Fig. 2 Sample point distribution diagram |
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表 1 入渗结束时各处理的累积入渗量 Table 1 Cumulative infiltration of different treatments at the end of infiltration |
土壤质量含水率采用烘干法测定; 硝态氮采用1 mol·L-1 KCl浸提, 紫外可见分光光度计测定; 速效磷采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提, 钼锑抗比色法测定; 速效钾采用火焰光度计测定。
1.4 数据处理文中所列数据为3次重复的均值。采用Microsoft Excel 2010进行数据处理, SPSS 21进行多元线性回归分析和方差分析(ANOVA), Surfer 11.0绘制土壤水肥含量分布图, Matlab 7.0编程计算湿润体剖面水肥分布面积。
湿润体内水肥分布均匀性采用克里斯琴森均匀系数[27]表示, 计算公式为:
| $ {C_{\rm{u}}} = \left( {1 - \frac{{\sum\limits_{n = 1}^n {\left| {{\theta _i} - \bar \theta } \right|} }}{{n \times \bar \theta }}} \right) \times 100\% $ | (1) |
式中: Cu为湿润体内水肥分布均匀系数(%),
清水入渗时, 湿润体内养分状况与初始状态相近, 故不进行统计分析。由图 3-图 6可知, 不同肥液浓度和生物质掺混比例下湿润体内水肥含量的最大值均出现在微润管周围, 并且随着与微润管水平距离的增加, 湿润体内水肥含量由高到低变化, 最小值接近初始值。
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图 3 不同肥液浓度和生物质掺混比例下微润灌溉湿润体内土壤含水率分布 Fig. 3 Water distribution in wetted soil under moistube irrigation with different fertilizer concentrations and biomass mixing proportions F0:清水对照(0 g·L-1); FL:低浓度(0.2 g·L-1)肥液处理; FH:高浓度(0.4 g·L-1)肥液处理。B0:无掺混生物质(0); BL:低掺混生物质比例(1.5%); BM:中掺混生物质比例(3.0%); BH:高掺混生物质比例(4.5%)。 F0: pure water (0 g·L-1); FL: low fertilizer concentration (0.2 g·L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g·L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%). |
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图 4 不同肥液浓度和生物质掺混比例下微润灌溉湿润体内硝态氮分布 Fig. 4 Nitrate nitrogen distribution in wetted soil under moistube irrigation with different fertilizer concentrations and biomass mixing proportions FL:低浓度(0.2 g·L-1)肥液处理; FH:高浓度(0.4 g·L-1)肥液处理。B0:无掺混生物质(0); BL:低掺混生物质比例(1.5%); BM:中掺混生物质比例(3.0%); BH:高掺混生物质比例(4.5%)。 FL: low fertilizer concentration (0.2 g·L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g·L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%). |
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图 5 不同肥液浓度和生物质掺混比例下微润灌溉湿润体内速效磷分布 Fig. 5 Available phosphorus distribution in wetted soil under moistube irrigation with different fertilizer concentrations and biomass mixing proportions FL:低浓度(0.2 g·L-1)肥液处理; FH:高浓度(0.4 g·L-1)肥液处理。B0:无掺混生物质(0); BL:低掺混生物质比例(1.5%); BM:中掺混生物质比例(3.0%); BH:高掺混生物质比例(4.5%)。 FL: low fertilizer concentration (0.2 g·L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g·L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%). |
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图 6 不同肥液浓度和生物质掺混比例下微润灌溉湿润体内速效钾分布 Fig. 6 Available potassium distribution in wetted soil under moistube irrigation with different fertilizer solution concentrations and biomass mixing proportions FL:低浓度(0.2 g·L-1)肥液处理; FH:高浓度(0.4 g·L-1)肥液处理。B0:无掺混生物质(0); BL:低掺混生物质比例(1.5%); BM:中掺混生物质比例(3.0%); BH:高掺混生物质比例(4.5%)。 FL: low fertilizer concentration (0.2 g·L-1); FH: high fertilizer concentration (0.4 g·L-1). B0: no mixing biomass (0); BL: low mixing proportion of biomass (1.5%); BM: moderate mixing proportion of biomass (3.0%); BH: high mixing proportion of biomass (4.5%). |
湿润体内土壤含水率和硝态氮的分布状况类似, 分布范围较大。在与微润管水平距离为0~10 cm范围内, 土壤含水率和硝态氮含量等值线较疏, 变化梯度较小, 而在10~25 cm范围内, 等值线较密, 变化梯度较大。不同处理下, 土壤含水率最大值为35%~45%, 硝态氮含量最大值为60~105 mg·kg-1。速效磷和速效钾的分布规律趋于一致, 分布范围较小。在距离微润管0~10 cm范围内速效磷和速效钾形成累积区, 并且等值线分布较密, 变化梯度大。在与微润管水平距离15 cm以外的区域, 速效磷和速效钾含量接近初始值, 变化梯度较小。在累积区内, 不同处理的速效磷含量最高值达15~45 mg·kg-1, 速效钾含量最高值达165~448 mg·kg-1。
由图 3-图 6还可以看出, 提高生物质掺混比例能明显增大湿润体内水肥含量的分布范围, 而肥液浓度对水肥分布范围的影响不明显。在肥液浓度一定时, 与B0相比, BL、BM和BH土壤含水率大于12%的分布面积分别增大7.84%~14.11%、16.84%~22.60%和21.81%~32.61%, 硝态氮含量大于40 mg·kg-1的分布面积分别增大5.52%~10.20%、14.76%~18.74%和26.41%~40.40%, 速效磷含量大于14 mg·kg-1的分布面积分别增大39.53%~68.85%、52.04%~117.85%和72.25%~162.77%, 速效钾含量大于120 mg·kg-1的分布面积分别增大9.02%~38.64%、13.51%~55.24%和17.42%~71.33%。以上结果表明, 在肥液浓度一定时, 微润灌溉施肥湿润体内水肥分布范围随着生物质掺混比例的增大而增大。这与生物质改善土壤的孔隙结构和提高水分入渗性能有关。
2.2 微润灌溉施肥湿润体内水肥分布均匀性统计分析表明, 肥液浓度和生物质掺混比例对微润灌溉湿润体内水肥含量均值影响显著(P < 0.05)(表 2)。与F0相比, FL和FH的土壤含水率均值分别增大3.94%和14.09%, 硝态氮含量均值分别增大124.92%和198.13%, 速效磷含量均值分别增大184.90%和335.11%, 速效钾含量均值分别增大292.31%和458.05%。与B0相比, BL的土壤含水率、硝态氮、速效磷和速效钾含量均值分别增加12.89%、40.16%、39.01%和28.37%, BM分别增加22.38%、58.99%、73.97%和49.33%, BH分别增加33.32%、77.58%、115.44%和82.03%。增大肥液浓度和生物质掺混比例可提高微润灌溉的累积入渗量(表 1), 从而促进湿润体内水肥含量均值的增加。
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表 2 微润灌溉施肥湿润体内水肥含量均值及分布均匀系数 Table 2 Means and uniformity coefficients of water and fertilizer contents in wetted soil of moistube fertigation |
表 2结果表明, 清水入渗时, 生物质掺混比例对湿润体内养分分布均匀系数影响不显著, 养分分布与初始状况相近, 分布较均匀, 而对水分分布均匀系数影响显著(P < 0.05)。与B0相比, BL、BM和BH的土壤含水率分布均匀系数分别增大5.29%、8.68%和11.66%。肥液入渗时, 湿润体内土壤含水率和硝态氮的均匀系数随着肥液浓度的增加而增加, 增加幅度分别为2.63%和4.05%, 速效磷和速效钾的均匀系数随着肥液浓度的增加而减小, 下降幅度分别为8.60%和5.57%;湿润体内水肥分布均匀系数随生物质掺混比例的变化规律与肥液浓度相同, 土壤含水率和硝态氮均匀系数的增加幅度分别为5.14%~10.67%和8.54%~23.96%, 速效磷和速效钾的均匀系数降低幅度分别为7.53%~22.46%和14.22%~32.15%。以上结果表明, 适量增大肥液浓度和生物质掺混比例可改善微润灌溉湿润体内水分和硝态氮的分布均匀性, 但会增加速效磷和速效钾的累积, 进而导致分布均匀性降低。
2.3 微润灌溉施肥湿润体内水肥分布拟合不同肥液浓度和生物质掺混比例下微润灌溉湿润体内水肥含量随着与微润管水平距离的增加呈反S型递减趋势。本文采用四参数Log-Logistic模型拟合微润灌溉施肥124 h后湿润体内土壤含水率、硝态氮、速效磷和速效钾含量均值与微润管水平距离的变化关系。四参数Log-Logistic模型为:
| $ C = D + \frac{{A - D}}{{1 + {{10}^{k\left( {l - \lg E} \right)}}}}\;\;\;\left( {0 \le l \le 25} \right) $ | (2) |
式中: C为水肥拟合含量(%或mg·kg-1); D为水肥含量的下限值, 略低于最小值(%或mg·kg-1); A为水肥含量的上限值, 略高于最大值(%或mg·kg-1); k为水肥含量递减速率参数, 相当于曲线斜率; lgE为拟合曲线斜率的绝对值最大时对应于至微润管的水平距离(cm); l为与微润管的水平距离(cm)。
对不同肥液浓度和生物质掺混比例(除处理FHBH)下微润灌溉湿润体内的水肥含量均值实测数据分别用四参数Log-Logistic模型进行拟合。通过分析发现, A、k、lgE与肥液浓度F和生物质掺混比例B呈线性关系, 进行多元线性回归分析。将A、k、lgE的多元回归方程代入四参数Log-Logistic模型, 得到不同肥液浓度和生物质掺混比例下微润灌溉湿润体内随与微润管水平距离l变化的水肥含量均值拟合方程, 结果见表 3。
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表 3 不同肥液浓度和生物质掺混比例下微润灌溉湿润体内水肥含量拟合方程 Table 3 Fitted equations of water and fertilizer contents in wetted soil under moistube irrigation with different fertilizer concentrations and biomass mixing proportions |
采用处理FHBH的试验数据验证拟合方程的可靠性。将处理FHBH的有关数据(F=0.4 g·L-1, B=4.5%)代入拟合方程, 可计算出处理FHBH湿润体内与微润管不同水平距离下水肥含量均值的拟合值, 结果见图 7。处理FHBH湿润体内与微润管不同水平距离下土壤含水率、硝态氮、速效磷和速效钾含量均值的实测值与拟合值的决定系数R2均大于0.99, 并通过P < 0.05的显著性检验, 均方根误差(RMSE)分别为1.12%、2.60 mg·kg-1、1.56 mg·kg-1和4.07 mg·kg-1, 均比较小。表明微润灌溉施肥湿润体内水肥含量均值与至微润管水平距离的关系规律符合四参数Log-Logistic模型。在肥液浓度和生物质掺混比例一定时, 根据拟合方程即可计算出湿润体内与微润管不同水平距离相对应的水肥含量均值。
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图 7 微润灌溉施肥湿润体内水肥含量均值拟合值与实测值的关系 Fig. 7 Relationship between fitted values and measured values of mean contents of water and fertilizer in wetted soil of moistube fertigation |
水肥一体化技术直接将肥液和水分施加到作物根区, 水分和养分在时间和空间上同步耦合, 有效解决了传统水肥管理下水分和养分利用效率低下的问题[4, 28]。土壤水肥分布特征决定作物根系的生长和分布, 进一步影响水分和养分的利用效率, 最终影响作物的产量[29], 探明灌溉施肥后土壤的水肥分布规律具有重要的实践意义。本研究发现, 微润灌溉施肥湿润体内水肥含量最大值出现在微润管周围, 随着与微润管水平距离的增加, 水肥含量由高到低变化。这与前人[18, 20]的研究结果基本一致。本文还发现, 与微润管的距离由近及远土壤含水率和硝态氮的等值线变化梯度逐渐增大, 速效磷和速效钾的等值线变化梯度逐渐减小。
在土壤中掺混生物质后微润灌溉施肥湿润体内水肥分布范围显著增大, 并且随着生物质掺混比例的增加而增大。可能是由于土壤中掺混生物质, 改变了土壤孔隙的大小和分布[26], 使得水分入渗通道增多, 土壤变得疏松, 孔隙之间的连通性增强, 水分在孔隙之间流动受到的阻力减小, 入渗速率增大, 进而促进水分运移。灌溉施肥时, 肥料养分随水运移, 导致养分分布范围增大。这也表明微润灌溉施肥时在土壤中掺混适量生物质能增强养分在土壤中的移动性和均匀性, 有利于提高作物根区土壤的养分含量和促进作物生长。
微润灌溉施肥湿润体内硝态氮的分布规律与水分相似。主要是由于硝态氮带有负电荷, 与土壤胶体颗粒相互排斥, 土壤胶体难以对其吸附, 在水流推移作用下, 促使其随水分运动在土壤中运移[15], 这在一定程度上反映了硝态氮易随水流失的特性。湿润体内土壤含水率和硝态氮的分布均匀系数比较高, 为65%~85%, 说明微润灌溉属于高均匀度节水灌溉技术, 与传统灌溉方式相比, 能更好地满足作物的水肥需求[20]。
随着肥液浓度和生物质掺混比例的增大, 土壤水分和硝态氮的分布均匀系数一致增大。这是因为带有负电荷的土壤胶体颗粒吸附肥液中带有相反电荷的阳离子后, 电性被中和, 胶体颗粒之间的排斥作用减弱或消失, 微小的胶体颗粒相互吸引凝聚成较大的粒子, 形成土壤团聚体, 从而改变土壤结构, 增加土壤的孔隙度, 水分入渗的通道增多[30]; 同时添加生物质可加快水分的入渗, 增大累积入渗量, 推动水分和硝态氮向远离微润管的区域运移, 导致水分和硝态氮的分布比较均匀。在与微润管水平距离为0~10 cm范围内, 水分分布较均匀, 集中在30%~40%, 说明随着入渗时间的延长, 湿润体内的土壤含水率将逐渐趋于稳定。根据前人的研究经验, 在作物的生育期内如果土壤含水率可以维持在某个恒定范围内, 将有利于作物根系的分布和生长[31-32]。
微润灌溉施肥湿润体内速效磷和速效钾的分布规律较为相似, 在与微润管水平距离为0~10 cm的范围内形成累积区。速效磷和速效钾的分布均匀系数随着肥液浓度和生物质掺混比例的增大而减小。这主要是与肥液浓度和生物质改变土壤孔隙结构增大入渗速率和生物质对速效磷和速效钾的吸附作用[22]有关。
对于拟合模型的选择, 不仅要考虑拟合的准确性, 还要考虑所选择拟合模型中的参数是否更具有实际意义。与传统模型相比, 四参数Log-logistic模型增加了一个拐点参数, 使其具有更大的灵活性, 对于符合S型变化的关系曲线拟合效果更好[20]。本研究结果显示, 采用四参数Log-logistic模型拟合微润灌溉施肥湿润体内水肥含量均值与至微润管水平距离的关系, 得到的拟合方程决定系数均大于0.99, 拟合效果良好。在不同的肥液浓度和生物质掺混比例条件下, 通过拟合方程可以直观地得到与微润管不同水平距离的水肥含量均值。
农业废弃生物质还田技术已经广泛应用于实际生产中, 掺混生物质后土壤物理性状发生改变, 进而影响水分和养分的分布。在利用微润管进行灌溉施肥时应根据土壤中生物质的含量状况以及作物不同阶段的生长特性, 有效控制水分、养分的供给数量和比例, 充分发挥水肥耦合效应, 达到以肥调水, 以水促肥, 协调水肥供应状况, 实现水肥高效利用。依据湿润体内水肥分布规律、作物不同生育期水肥需求以及作物根系分布特点, 选择适宜的肥液浓度来改变湿润体的水肥分布状况; 同时调控微润管的位置, 使土壤水肥分布与作物需求相匹配, 达到节水增效的目的。本试验为室内模拟, 土壤的质地结构和生物质的掺混均匀度与实际的田间情况存在较大区别, 大田条件下的微润灌溉施肥尚需进一步探讨和研究。
4 结论1) 土壤掺混生物质能显著增大微润灌溉施肥湿润体内水肥分布范围。湿润体内水肥含量随着与微润管水平距离的增加而逐渐减小, 水肥含量最大值出现在微润管周围。在与微润管水平距离为0~10 cm范围内, 土壤水分和硝态氮的分布较均匀, 速效磷和速效钾则形成累积区。
2) 竖插式微润灌溉施肥湿润体内土壤含水率和硝态氮的分布均匀性较高, 而速效磷和速效钾的分布均匀性较低。随着肥液浓度和生物质掺混比例的增大, 湿润体内土壤含水率和硝态氮含量均值及分布均匀系数显著增大, 速效磷和速效钾含量均值显著增大而分布均匀系数则显著降低。
3) 竖插式微润灌溉施肥湿润体内与微润管不同水平距离下的土壤含水率、硝态氮、速效磷以及速效钾含量均值的分布规律符合四参数Log-logistic模型。
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