內(nèi)蒙古陰山北麓馬鈴薯不同灌溉模式對水肥利用效率及土壤無機氮殘留的影響

內(nèi)蒙古陰山北麓馬鈴薯不同灌溉模式對水肥利用效率及土壤無機氮殘留的影響

考慮到資源的持續(xù)使用和環(huán)境安全，高產(chǎn)高效的農(nóng)業(yè)研究已成為農(nóng)業(yè)研究的熱點。內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)是我國重要的馬鈴薯生產(chǎn)基地,因晝夜溫差大、土壤質(zhì)地疏松等自然優(yōu)勢,當?shù)厣a(chǎn)的馬鈴薯以品質(zhì)優(yōu)良而著稱。然而,農(nóng)民長期形成的習(xí)慣灌溉模式(即漫灌)存在嚴重的資源浪費和環(huán)境問題。因此,近十多年來該地區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)中引進了包括大型指針式噴灌在內(nèi)的多種節(jié)水生產(chǎn)設(shè)備。目前雖然已有關(guān)于馬鈴薯節(jié)水措施效果的報道:如,滴灌比常規(guī)噴灌增加了馬鈴薯產(chǎn)量,提高了經(jīng)濟效益;滴灌、噴灌比管灌顯著提高了水分利用效率;但試驗的結(jié)果在不同地區(qū)以及不同施肥總量下得出,且沒有馬鈴薯收獲后薯田土壤無機氮素殘留的分析。因此,為準確比較馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)不同灌溉模式的水肥效率及環(huán)境效益,本課題組于2009—2010年,在陰山北麓的內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣進行了連續(xù)兩年的比較試驗,系統(tǒng)分析了漫灌、噴灌、露地滴灌、膜下滴灌模式對該地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量水平、水分與養(yǎng)分利用狀況、經(jīng)濟效益以及土壤氮殘留的影響,為馬鈴薯節(jié)水灌溉技術(shù)潛力挖掘以及養(yǎng)分高效利用提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。1材料和方法1.1“克新”馬鈴薯種薯質(zhì)量比較試驗于2009年和2010年在內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣旱作試驗中心基地進行,土壤類型都為栗鈣土,試驗品種均為馬鈴薯“克新一號”脫毒優(yōu)質(zhì)種薯。試驗地0~20cm土壤理化性質(zhì)概況見表1。1.2試驗用磷基肥試驗設(shè)漫灌、噴灌、露地滴灌、膜下滴灌4個處理,其中漫灌和噴灌處理的灌溉量及灌溉次數(shù)依據(jù)對內(nèi)蒙古武川縣130個農(nóng)戶和32個噴灌圈的調(diào)查結(jié)果而定;露地滴灌和膜下滴灌的灌溉量及灌溉次數(shù)依據(jù)本課題組多年試驗結(jié)果而定。各處理的具體灌水量和總施肥量見表2。試驗用氮肥為尿素(N46%),磷肥為過磷酸鈣(P2O516%),鉀肥為硫酸鉀(K2O46%)。漫灌和噴灌處理的氮肥基施33.3%,追施67.7%,露地滴灌和膜下滴灌處理的氮肥100%追施;各處理的磷鉀肥播種時一次施入。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,小區(qū)面積為60m2,每個處理重復(fù)3次。2009年馬鈴薯于5月13日播種,9月15日收獲;2010年馬鈴薯于5月17日播種,9月18日收獲。所有處理均采用壟作,壟高30cm,壟頂寬30cm壟底寬70cm,兩壟中心相距90cm。每壟點播種植2行,行距25cm,株距40cm,種植密度為5.5×104株·hm-2。露地滴灌和膜下滴灌處理選用滴頭間距2l~20cm、滴頭流量0.2L·h-1的滴灌帶,氮肥通過施肥罐施入,灌溉與追肥安排見表3。1.3土樣的采集和測定經(jīng)濟產(chǎn)量與商品率測定:收獲時,每小區(qū)隨機抽取2m2馬鈴薯植株測產(chǎn)(塊莖產(chǎn)量),并以150g塊莖重量為標準進行商品薯與小薯分級。商品率為大于150g塊莖產(chǎn)量占總塊莖產(chǎn)量的百分比。土壤取樣:分別于播種前和各小區(qū)收獲后分0~30cm、30~60cm、60~90cm和90~120cm土層隨機采5點混合土樣,裝入速封袋和鋁盒,分別用于土壤無機氮和水分含量的測定。土壤無機氮測定:準確稱取5g新鮮土樣于塑料瓶中,加入50mL2mol·L-1KCl溶液浸提,振蕩1h后,過濾,利用連續(xù)流動分析儀(SKALARSAN++)測定土壤溶液中的NO3--N和NH4+-N濃度。土壤含水量測定:采用烘干法測定。將采集土樣的鋁盒帶回實驗室,在105℃下烘干24h,根據(jù)烘干前后的重量差異計算土壤含水量。1.4灌收率及經(jīng)濟收率試驗數(shù)據(jù)采用SPSS18.0和Excel軟件統(tǒng)計分析,采用LSD法進行平均數(shù)間多重比較。作物水分利用效率(wateruseefficiency,WUE):WUE=Ya/ETa,其中:WUE(kg·mm-1·hm-2)為作物水分利用效率;Ya(kg·hm-2)為每公頃的經(jīng)濟產(chǎn)量;ETa(mm)為作物耗水量,ETa=EP+I-ΔW,其中EP(mm)為降水量,I(mm)為試驗期間的灌水量,ΔW(mm)為播種時土壤貯水量與收獲時土壤貯水量之差,ΔW=SH×SBD×SW,SH(mm)為土層厚度,SBD(g·cm-3)為土壤容重,SW(%)為土壤水百分含量。肥料偏生產(chǎn)力(partialfactorproductivityfromap-pliedfertilizer,PFP,kg·kg-1):PFP=Yf/Fa,Yf(kg·hm-2)為施肥區(qū)經(jīng)濟產(chǎn)量,Fa(kg·hm-2)為施肥量。經(jīng)濟凈收益(neteconomicincome,NEI,Yuan·hm-2):NEI=Ya×Cr×Ppct+Ya×(1-Cr)×Ppst-Ci,Ya(kg·hm-2)為每公頃的經(jīng)濟產(chǎn)量,Cr(%)為商品率,Ppct(Yuan·kg-1)為商品薯收購價,Ppst(Yuan·kg-1)為小薯收購價,Ci(Yuan·kg-1)為成本投入。土層每公頃累積的NH4+-N(ASA_N)或NO3--N(ASN_N,kg·hm-2):ASA_N(ASN_N)=SH×105×SBD×SA_N(SN_N),SH(cm)為土層厚度,SBD(g·cm-3)為土壤容重,SA_N(mg·kg-1)為土壤NH4+-N含量,SN_N(mg·kg-1)為土壤NO3--N含量。土層每公頃土壤無機氮(Nmin,kg·hm-2):Nmin=ASA_N+ASN_N。2結(jié)果與分析2.1不同灌溉模式的水分利用效率從表4可以看出,不同灌溉模式的馬鈴薯產(chǎn)量為29918.0~46672.9kg·hm-2,不同模式間存在顯著差異。兩年的結(jié)果均表明膜下滴灌處理的馬鈴薯產(chǎn)量最高,將兩年資料平均,膜下滴灌處理分別比漫灌、噴灌和露地滴灌處理產(chǎn)量增加35.7%、26.0%、12.9%;露地滴灌處理產(chǎn)量次之,分別比漫灌、噴灌處理產(chǎn)量增加20.2%、11.6%;噴灌比漫灌處理的產(chǎn)量增加7.7%。表4列出了不同灌溉模式的水分利用效率。膜下滴灌處理的水分利用效率最高,兩年的平均結(jié)果達到178.6kg·mm-1·hm-2,分別比漫灌、噴灌和露地滴灌處理水分利用效率增加200.2%、91.8%、23.7%;露地滴灌處理的水分利用效率也顯著高于漫灌、噴灌,兩年的平均結(jié)果分別比漫灌、噴灌增加142.7%、55.1%;與漫灌處理相比,噴灌處理水分利用效率平均高52.1%。2.2試驗處理地下肥力學(xué)指標檢測,主要有化肥、基肥和基肥2009年和2010年試驗的肥料偏生產(chǎn)力計算(表5)表明,膜下滴灌處理的氮肥、磷肥和鉀肥偏生產(chǎn)力最高,兩年平均分別達192.6kg·kg-1、481.5kg·kg-1、160.5kg·kg-1,均顯著高于漫灌、噴灌和露地滴灌處理,其中,比漫灌、噴灌和露地滴灌處理的氮肥平均偏生產(chǎn)力分別增加50.6kg·kg-1、39.8kg·kg-1、22.0kg·kg-1,磷肥平均偏生產(chǎn)力分別增加126.6kg·kg-1、99.4kg·kg-1、55.0kg·kg-1,鉀肥平均偏生產(chǎn)力分別增加42.3kg·kg-1、33.2kg·kg-1、18.4kg·kg-1。露地滴灌處理兩年平均的氮肥、磷肥和鉀肥偏生產(chǎn)力均顯著高于漫灌、噴灌,其中,比漫灌和噴灌的氮肥平均偏生產(chǎn)力分別增加28.7kg·kg-1、17.8kg·kg-1,磷肥平均偏生產(chǎn)力分別增加71.7kg·kg-1、44.4kg·kg-1,鉀肥平均偏生產(chǎn)力分別增加23.9kg·kg-1、14.8kg·kg-1。噴灌處理兩年平均的氮肥、磷肥和鉀肥偏生產(chǎn)力均顯著高于漫灌,其氮肥平均偏生產(chǎn)力分別增加10.9kg·kg-1,磷肥平均偏生產(chǎn)力增加27.3kg·kg-1,鉀肥平均偏生產(chǎn)力增加9.1kg·kg-1。漫灌處理(農(nóng)民習(xí)慣)的氮肥、磷肥和鉀肥偏生產(chǎn)力最低,兩年平均分別為142.0kg·kg-1、354.9kg·kg-1、118.3kg·kg-1。2.3膜下灌注效果綜合表4和表6可以看出,較高產(chǎn)量的灌溉處理表現(xiàn)出較高的商品率,且差異顯著。盡管2009年和2010年馬鈴薯收購價格差別較大,但膜下滴灌處理的經(jīng)濟凈收益最高,兩年平均值達38223.9Yuan·hm-2,分別比漫灌、噴灌和露地滴灌處理增加35.7%、30.1%、10.7%;露地滴灌處理的經(jīng)濟凈收益也顯著高于漫灌、噴灌,兩年平均值分別比漫灌、噴灌增加28.0%、21.7%;與漫灌處理相比,噴灌處理的經(jīng)濟凈收益平均高8.0%。2.4不同處理土壤無機氮含量分布為比較不同灌溉模式對根層(0~60cm)和非根層(60~120cm)土壤氮素淋洗的差異,在2010年馬鈴薯收獲后,對不同灌溉處理0~120cm土層無機氮殘留量進行了測定,結(jié)果(圖1)表明,不同處理間差異顯著。0~60cm土層,露地滴灌處理下土壤無機氮含量最高,達69.12kg·hm-2,與漫灌、噴灌、膜下滴灌都呈現(xiàn)顯著差異;漫灌土壤無機氮含量最低,為48.07kg·hm-2。60~120cm土層,漫灌條件下土壤無機氮含量最高,達102.95kg·hm-2,與噴灌、露地滴灌、膜下滴灌都呈現(xiàn)顯著差異,分別是噴灌的1.36倍露地滴灌的2.11倍,膜下滴灌的2.28倍,噴灌與露地滴灌、膜下滴灌差異顯著,露地滴灌與膜下滴灌差異不顯著,膜下滴灌土壤無機氮含量最低,為45.14kg·hm-2。3不同處理的化肥效果分析馬鈴薯生產(chǎn)的目標是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和環(huán)境友好。滴灌早已被證明是有效的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施在馬鈴薯栽培中的應(yīng)用效果也非常顯著。本課題組在陰山北麓地區(qū)進行的連續(xù)兩年4種不同灌溉模式的馬鈴薯試驗結(jié)果進一步說明,配套適當?shù)酿B(yǎng)分管理措施,露地滴灌和膜下滴灌,不僅可顯著減少水分用量、提高水分利用效率,而且產(chǎn)量水平較噴灌以及農(nóng)民習(xí)慣的漫灌也有大幅度提高。這充分表明,在目前生產(chǎn)力水平條件下,馬鈴薯增產(chǎn)與節(jié)水是可以同時實現(xiàn)的。內(nèi)蒙古陰山丘陵地區(qū)的水資源十分短缺,深入研究以滴灌為載體的馬鈴薯高產(chǎn)高效綜合技術(shù)措施不僅具有現(xiàn)實意義,而且具有戰(zhàn)略意義。由于4個處理是在同一試驗地實施,肥力基礎(chǔ)相對一致,因此肥料偏生產(chǎn)力結(jié)果可基本反映處理的肥料利用率。采用露地滴灌或膜下滴灌,馬鈴薯氮磷鉀肥料利用率顯著提高。氮肥分期調(diào)控被證明是提高作物氮肥利用率的根本途徑,而滴灌為實現(xiàn)氮肥分期調(diào)控提供了便利。本文露地滴灌和膜下滴灌處理的氮肥是全部作追肥分7次施入,每次的氮肥數(shù)量以及施肥次數(shù)雖不能說已完全符合馬鈴薯生長的需求,但兩處理氮肥利用率的提高無疑是滴灌與氮肥分期調(diào)控共同作用的結(jié)果。從決定經(jīng)濟凈收益高低的幾個因素來看,雖然露地滴灌和膜下滴灌的成本投入高于噴灌和漫灌但由于露地滴灌和膜下滴灌提高產(chǎn)量的同時也提高了馬鈴薯的商品率,從而使其經(jīng)濟凈收益相對于噴灌以及漫灌(農(nóng)民習(xí)慣)顯著提高,而且從長期投入的角度來說,露地滴灌和膜下滴灌的成本投入還能再降低一些。其次,盡管馬鈴薯的收購價格每年波動較大,露地滴灌和膜下滴灌每年帶來的增收不盡相同,但對于陰山北麓地區(qū)以馬鈴薯為主要收入的農(nóng)戶來說,無疑是重要的增收來源,這也成為大力發(fā)展滴灌技術(shù)的