灌溉定額和施氮量對機(jī)采棉田水分運移及硝態(tài)氮殘留的影響

　　摘 要：水資源短缺和土壤環(huán)境污染嚴(yán)重是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的瓶頸，迫使農(nóng)民開發(fā)和采用可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。水分運動機(jī)理和氮肥殘留行為是評價干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)水肥管理水平的依據(jù)，提高水氮利用效率是降低環(huán)境污染這一重要科學(xué)問題的重要途徑。本研究采用裂區(qū)試驗設(shè)計，以灌溉量為主區(qū)，設(shè) 2250 (低灌溉量，W1)、3450 (傳統(tǒng)灌溉量，W2)和 4650 m3 hm?2 (高灌溉量，W3) 3 個灌溉量;設(shè) 0 (空白，N1)、300 (傳統(tǒng)施肥量，N2)和 600 kg hm?2 (高施氮量，N3) 3 個純氮投入量，在干旱的中國西北內(nèi)陸棉區(qū)開展 2 年的田間試驗，評估灌溉和施氮策略對水氮運移、籽棉產(chǎn)量和水氮生產(chǎn)效率的影響。結(jié)果表明，灌溉量及水氮耦合效應(yīng)是影響籽棉產(chǎn)量及灌溉水生產(chǎn)力的影響因素，其中灌溉量是主效應(yīng)。2 年均值表明，灌溉量為 W1 時，施肥量由 N1 增加至 N3，生育期 0~80 cm 平均土壤含水量呈先顯著上升后顯著下降的趨勢，N2 和 N3 處理較 N1 處理籽棉產(chǎn)量分別提高 13.8%和 7.6%，水分利用效率分別提高 13.6%和 6.8%;灌溉量為 W2 和 W3 時，施肥量由 N1 增加至 N3，生育期 0~80 cm 土層平均含水量無顯著差異。N2 和 N3 處理較 N1 處理籽棉產(chǎn)量分別提高 11.6%和 12.4%，水分利用效率分別提高 11.4%和 11.5%;隨著灌溉量的增加，0~80 cm 土層全生育期含水率總平均值逐漸增大。灌溉量是影響硝態(tài)氮在 0~40 cm 土層積累的主導(dǎo)因素，而水氮耦合效應(yīng)是導(dǎo)致硝態(tài)氮向下淋溶的主效應(yīng)。W1 灌溉量下，隨著施氮量的增加，硝態(tài)氮在 0~40 cm 土層大量積累，而 W3 灌溉量下，隨著施氮量的增加，40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量逐漸增加。總的來說，灌溉量高于 3450 m3 hm?2 、施肥高于 300 kg hm?2后繼續(xù)增加水氮投入未能額外增產(chǎn)，反而可能造成資源浪費和對環(huán)境的潛在污染。因此我們建議，通過水氮優(yōu)化策略提高資源利用效率，降低環(huán)境污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

　　本文源自爾晨; 林濤; 夏文; 張昊; 徐高羽; 湯秋香， 作物學(xué)報 發(fā)表時間：2021-07-14

　　關(guān)鍵詞：機(jī)采棉;水氮耦合;產(chǎn)量;水分運移;硝態(tài)氮

　　水分虧缺和土壤貧瘠是干旱半干旱地區(qū)作物生產(chǎn)面臨的實際田間生境[1]，近年來，為了獲得較高的產(chǎn)量，水肥的投入發(fā)揮了重要作用[2]，但農(nóng)業(yè)水肥資源投入量大而利用效率低，這不僅會加大水資源的浪費 [3]及肥料等物化成本[4]，還會引發(fā)土壤酸化[5]、次生鹽堿化[6]或板結(jié)[7]等一系列環(huán)境問題，因此有必要優(yōu)化水肥資源的投入來確保干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8]。

　　灌溉量[9]和施氮量[10]是影響作物產(chǎn)量的重要因素。例如，灌溉定額較低時土壤水分均勻性降低，深層水分消耗增加。胡曉棠等[11]研究表明，灌溉后土壤含水量低于田間持水量 60%時，0~60 cm 土壤含水量維持在 8.0%~22.0%，含水量波動幅度較大，深層土壤含水量最低，不能維持作物生長耗水。干旱脅迫顯著降低了根系的表面積和根長密度[12]，降低根系對水分和養(yǎng)分的吸收能力，阻斷物質(zhì)傳輸，進(jìn)而阻礙發(fā)育，降低作物產(chǎn)量。Wang 等[13]的研究結(jié)果表明，虧缺灌溉條件下，雖然土壤通透性較高，但干旱脅迫導(dǎo)致根系吸收及同化養(yǎng)分的能力下降。而 Cabangon 等[14]的研究也證明在干旱條件下，未能充分利用的氮肥反而會造成根部水分脅迫加重，根長密度顯著降低。適度的水分虧缺可以通過限制營養(yǎng)生長和氣孔開放、改變生長階段、減少蒸騰和維持光合作用來維持作物產(chǎn)量和提高灌溉用水效率[15]。石洪亮等[16]開展了花鈴期不同水氮調(diào)控對棉花光合特性的研究后發(fā)現(xiàn)，輕度干旱條件下花鈴期光合產(chǎn)物向生殖器官轉(zhuǎn)運補償效應(yīng)顯著，凈光合速率和蒸騰速率減低但灌溉水效率顯著提高，最終產(chǎn)量僅較充分灌溉下降。

　　氮素是調(diào)控作物生長、群體發(fā)育和提高水分利用效率的重要營養(yǎng)元素[17]，土壤中氮素缺乏是導(dǎo)致作物在干旱環(huán)境中生產(chǎn)能力低下的主要因素。施氮不僅影響甜瓜對氮素的吸收和利用[18]，而且影響硝態(tài)氮在土壤剖面的分布[19]。有關(guān)研究表明，農(nóng)田中氮肥投入不足時，作物營養(yǎng)生長會消耗較多的光合產(chǎn)物和水分，從而導(dǎo)致生殖生長不足，嚴(yán)重影響產(chǎn)量的形成和水分利用效率的提升[22-21]。相反，過量的氮肥投入會促進(jìn)植物過度生長，延緩衰老，極大的降低了氮肥的利用效率[22]。此外，隨氮肥施入量的增加，土壤中硝態(tài)氮含量和累積量呈增加趨勢，且在向土壤深層淋溶情況加劇，引發(fā)土壤的次生鹽漬化[23]。

　　近年來，氮肥成本的增加和環(huán)境污染加劇促使人們更加重視氮肥的有效利用[24]。對水稻[25]、玉米[26] 和小麥[27]等多種作物研究表明，施肥量超過最佳用量后，會使氮肥損失率增加，土壤硝態(tài)氮含量呈上升趨勢[28]。滴灌條件下傳統(tǒng)灌溉量(3450 m3 hm?2 )較大，所用灌溉時間較長，灌溉水因重力不斷下滲，使肥料中氮素在施肥量尚低于最佳施肥量時發(fā)生硝態(tài)氮向下淋溶的現(xiàn)象[27]，而控制灌溉可提高不同施氮量下農(nóng)田土壤氮素的有效性，降低氮素表觀損失量，提高氮素利用效率，減少硝態(tài)氮向 20~60 cm 土層淋溶，張紹武等[29]研究表明，施氮量對土壤氮素殘留的影響最大，水分次之，二者存在明顯的交互作用。而王曉英等[30] 提出，水氮互作效應(yīng)是決定硝態(tài)氮淋溶的主要原因，且其中灌溉效應(yīng)大于施氮效應(yīng)。

　　綜上所述，雖然水氮耦合效應(yīng)的研究已經(jīng)取得了極大的關(guān)注，但水、氮對無機(jī)氮積累和淋溶二者如何相互調(diào)節(jié)的研究結(jié)果說法不一，對干旱區(qū)機(jī)采棉田水分運動機(jī)理和氮肥殘留行為鮮有報道，且水分和營養(yǎng)虧缺是干旱和半干旱地區(qū)最常相伴的土壤環(huán)境。因此，無論從宏觀還是微觀水平都必須將水分和營養(yǎng)條件結(jié)合起來去探索如何實現(xiàn)“以肥調(diào)水”和“以水促肥”，進(jìn)而提高作物 WUE 和肥料利用效率，節(jié)約資源，減少化肥污染，方可用來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。因此，本研究結(jié)合當(dāng)?shù)毓喔仁┓柿浚O(shè)置不同灌溉和施肥梯度，研究水氮耦合效應(yīng)對機(jī)采棉種植模式下籽棉產(chǎn)量和棉田土壤水分運移及氮素積累與淋溶的影響，以期為干旱地區(qū)水氮資源的高效利用提供依據(jù)。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗區(qū)概況

　　試驗于 2018—2019 年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院阿瓦提棉花綜合試驗站進(jìn)行，試驗區(qū)位于塔里木盆地西北沿 (40°06'N，80°44'E，海拔 1025 m)，所屬地理位置屬于溫暖帶大陸性干旱氣候。年均日照 2679 h，≥10℃ 年積溫 3987.7℃，無霜期 211 d，年平均降水量 46.4 mm，蒸發(fā)量 1890.7 mm，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)完全依賴于灌溉。試驗區(qū)地下水埋深>5 m，地下水無法補給到作物根系分布層，向上補給量可忽略不計;土壤類型為灌淤土，母質(zhì)為沖積物，質(zhì)地為沙壤土，容重 1.45 g cm?3 ，土壤 pH 8.2，田間持水量 28.9%。2 年試驗區(qū)地理位置完全一致，試驗用地播前 0~100 cm 土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況見表 1。試驗用地播前 0~100 cm 土層硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量見表 2。

　　1.2 試驗設(shè)計

　　采用裂區(qū)試驗設(shè)計，以灌溉量為主區(qū)，設(shè) 2250 (低灌溉定額)、3450 (傳統(tǒng)灌溉定額)和 4650 m3 hm?2 (高灌溉定額)3 個處理，以 W1、W2 和 W3 表示;以氮肥施用量(以純氮表示)為副區(qū)，設(shè) 0 (空白)、300 (傳統(tǒng)氮肥投入量)和 600 kg hm?2 (高施氮量)3 個處理，以 N1、N2 和 N3 表示，共 9 個處理，每個處理重復(fù) 3 次，共 27 個試驗小區(qū)。小區(qū)長 6.5 m，寬 6.9 m，面積 44.85 m2 ，各小區(qū)由 3 個播幅組成。底肥一次性投入磷酸二銨(P2O5 53.8%，N 21.2%) 450 kg hm?2 ，硫酸鉀(K2O 51%) 225 kg hm?2 ，尿素 300 kg hm?2 (N 46.4%)。

　　供試品種為新陸中 88 號，由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供。采用“1 膜 2 管 6 行”機(jī)采棉種植模式，普通聚乙烯地膜覆蓋，膜寬 2.05 m，厚度 0.01 mm，地表覆蓋度約為 80%。株行配置[(10+66+10)+66]?11 cm，理論種植密度 22.5 萬株 hm-2。滴灌帶間距 76 cm，滴頭間距 25 cm，滴頭流量 2.1 L h-1，各小區(qū)安裝水表和開關(guān)，單獨控水。6 月中旬開始灌溉，8 月中旬結(jié)束灌溉，采用“一水一肥”方式追施尿素，灌溉定額為灌溉總額的 1/10，其他管理方式同大田。

　　1.3 相關(guān)指標(biāo)的測定和計算

　　1.3.1 生物產(chǎn)量 棉花收獲期每小區(qū)各重復(fù)分別選取具有代表性的 3 株棉花，105℃殺青 60 min，85℃ 烘干至恒重并記錄其重量，取樣后對小區(qū)內(nèi)取樣點進(jìn)行標(biāo)記，在后續(xù)產(chǎn)量測定時避開該取樣點。

　　1.3.2 產(chǎn)量的測定 于棉花收獲期在各小區(qū)隨機(jī)挑選 6 個 2.27 m×2.93 m 大小的樣方，記錄其株數(shù)和結(jié)鈴數(shù)。測定后在各小區(qū)分上中下部分各取 50 朵棉花，曬至恒重后測定單鈴質(zhì)量計算籽棉產(chǎn)量。

　　1.3.3 土壤體積水分含量的測定 于苗期、蕾期、開花期、盛鈴期和吐絮期利用時域反射儀(Time Domain Reflectometry, 簡稱 TDR, TRIME-PICO 64, IMKO Inc., Germany)金屬探針測定土壤介電常數(shù)并換算成土壤體積含水量，寬行水平測定位點距滴灌 5 cm，窄行水平測定位點位于窄行中間。各點每 10 cm 為 1 層，每層測定 3 次，測深 80 cm，數(shù)據(jù)處理時將寬行與窄行位點進(jìn)行平均后分析繪圖。測定位點示意圖見圖 1。

　　1.3.4 土壤樣品的采集及氮素測定 播種前及棉花開花期、盛鈴期、吐絮期，采用直徑 10 cm 土鉆，各小區(qū)每 10 cm 一層取樣，取樣深度 60 cm，取樣后立刻稱取 10 g 土樣，烘干后計算土壤質(zhì)量含水量及含水率。剩余土樣采用 CaCl2 浸提法制作提取液，使用靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮含量、紫外分光光度計法測定硝態(tài)氮的含量[31]。

　　1.3.5 相關(guān)指標(biāo)的計算方法 氮肥生產(chǎn)效率(kg kg?1 N?1 )=(施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量?不施氮區(qū)籽棉產(chǎn)量)/施肥量;灌溉水分利用效率(kg m?3 )=籽棉產(chǎn)量/灌溉量[32]

　　1.4 數(shù)據(jù)分析

　　采用 Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和整理，利用 DPS Version 7.05 (Data Processing System Software, Inc. CHN)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性分析及回歸方程的模擬，采用最小顯著性差異 LSD 法進(jìn)行顯著性測驗，不同字母表示為二者間差異顯著(P<0.05)，采用 Sigmaplot Version 12.5 (Systat Software, Inc. USA)軟件對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 不同灌溉施肥組合對棉花產(chǎn)量及水、氮生產(chǎn)效率的影響

　　灌溉量對籽棉產(chǎn)量和灌溉水利用效率有極顯著影響(P<0.01)，對生物產(chǎn)量和氮肥生產(chǎn)效率有顯著影響 (P<0.05);施肥量對氮肥生產(chǎn)效率有極顯著影響(P<0.01)，對籽棉產(chǎn)量和灌溉水利用效率有顯著影響(P<0.05);二者交互作用對生物產(chǎn)量有極顯著影響(P<0.01)，對籽棉產(chǎn)量、灌溉水利用效率和氮肥生產(chǎn)效率有顯著影響(P<0.05) (表 3)。

　　隨著灌溉量和施肥量的增加，生物產(chǎn)量和籽棉產(chǎn)量顯著提高，但灌溉水利用效率隨灌溉量的增加顯著降低，氮肥生產(chǎn)效率隨施肥量的增加顯著降低。2 年均值表明，提高灌溉量可顯著增加生物產(chǎn)量，當(dāng)灌溉量不足時，植株生物產(chǎn)量隨施肥量的增加呈先增加后降低趨勢;在灌溉量充足時，生物產(chǎn)量隨施肥量的增加呈增加趨勢。在施肥量相同時，3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3，生物產(chǎn)量分別顯著增加 57.8%、 41.0%和 71.8%。W1 灌溉量下，施肥量從 N1 增加到 N2 生物產(chǎn)量顯著增加 41.4%。相同灌溉量條件下， N2 和 N3 施肥量下籽棉產(chǎn)量無顯著差異但均顯著高于 N1 處理;在同一施肥量條件下，籽棉產(chǎn)量隨灌溉量的增加而增加，與 W1 處理相比，W3 處理籽棉產(chǎn)量分別顯著提高了 22.3%、22.1%和 27.7%。W2 和 W3 灌溉量下，施肥量由 N1 增加到 N3，籽棉產(chǎn)量分別顯著提高 11.6%和 12.4%。

　　灌溉水利用效率隨灌溉量增加顯著降低，隨施肥量的增加顯著提高。相同施肥量下，灌溉量從 W1 增加到 W3 灌溉水利用效率分別顯著降低 40.9%、40.0%和 38.3%。W1 灌溉量下，施肥量從 N1 增加到 N2 灌溉水利用效率顯著增加 13.6%。W2 和 W3 灌溉量下，施肥量從 N1 增加到 N3 灌溉水利用效率顯著增加 11.4%和 11.5%;氮肥生產(chǎn)效率隨灌溉量的增加顯著提高，隨施肥量的增加顯著降低。相同施肥量下，灌溉量從 W1 增加到 W3 氮肥生產(chǎn)效率顯著提高 28.6%和 86.7%。相同灌溉量下，施肥量從 N1 增加到 N3 氮肥生產(chǎn)效率顯著降低 64.3%、25.0%和 48.1%。

　　2.2 不同灌溉施肥組合下全生育期平均體積含水率差異

　　灌溉量與施肥量對全生育期 0~80 cm 土層平均體積含水率的影響如表 4 所示，2 年規(guī)律基本一致。均值表明，在相同施肥量下灌溉量由W1 增加到W3，0~80 cm土層平均體積含水率分別顯著增加20.4%、14.3% 和 22.0%。W1 灌溉量下，N2 處理 0~80 cm 土層平均體積含水率比 N3 施肥量顯著高 5.6%。W2 和 W3 灌溉量下各施肥處理差異不顯著。

　　從各層土壤體積含水率上看，灌溉量對各層土壤體積含水率均有極顯著影響(P<0.01)，施肥量及耦合效應(yīng)對各層土壤體積含水率的影響分別體現(xiàn)在 0~30 cm 和 0~40 cm 土層(P<0.05)。0~10 cm 土層，相同施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3，土壤體積含水率分別顯著增加 27.9%、11.1%和 28.0%。灌溉量相同時不同施肥量下土壤體積含水率無顯著差異;10~20 cm 土層，3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3，土壤體積含水率分別顯著增加 30.6%、12.4%和 36.4%;20~30 cm 土層，僅 N3 施肥量下，灌溉量由 W1 增加到 W3 土壤體積含水率顯著增加 31.3%。W1 灌溉量下，N2 處理分別比 N1 和 N3 處理顯著高 13.9%和 14.8%。 W2 灌溉量下各處理無顯著差異。W3 灌溉量下，施肥量由 N1 增加到 N3 土壤體積含水率顯著增加 13.2%; 30~40 cm土層，N2和N3施肥量下，灌溉量由W1增加到W3，土壤體積含水率分別顯著增加8.7%和34.4%。 W1 灌溉量下，施肥量由 N1 增加到 N3，土壤體積含水率顯著降低 17.1%。W2 和 W3 灌溉量下不同施肥量土壤含水率無顯著差異;40~60 cm 土層各處理土壤體積含水率均無顯著差異;60~70 cm 土層，3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3，土壤體積含水率分別顯著增加 27.3%、25.9%和 17.3%。不同灌溉量下各處理土壤體積含水率均無顯著差異;70~80 cm 土層，3 種施肥量下灌溉量由 W1 增加到 W3，土壤體積含水率分別顯著增加 37.5%、25.8%和 33.6%。W1 灌溉量下各處理無顯著差異。W2 和 W3 灌溉量下，施肥量由 N1 增加到 N3，土壤體積含水率分別顯著降低 7.0%和 7.9%。

　　2.3 不同灌溉施肥組合 0~80 cm 土層土壤體積含水率的時空變化

　　不同灌溉量與施肥量下 0~80 cm 土層土壤體積含水率的時空變化如圖 2 所示。灌溉量對土壤體積含水率的影響主要體現(xiàn)在空間變化方面，對 0~20 cm 和 60~80 cm 土層的影響尤為明顯;施肥量對土壤體積含水率的影響主要體現(xiàn)在時間變化方面，低施肥量會導(dǎo)致生育后期土壤水分向深層移動。

　　在施肥量一定的條件下，增加灌溉量可有效提高全生育期內(nèi)土壤體積含水率，而不同灌溉量一定的條件下，增施氮肥后土壤體積含水率的變化影響不一致，且對 0~60 cm 土層影響較為明顯。相同施肥量下， W1 灌溉量 0~20 cm 土層表現(xiàn)出嚴(yán)重干旱的狀態(tài)，隨著灌溉量的增加，干旱狀況得到緩解。W3 灌溉量下 60~80 cm 土層土壤體積含水率顯著高于 W1 和 W2 處理。從各處理不同生育時期土壤體積含水率變化情況上看，灌溉量對蕾期至盛鈴期土壤含水率影響較大。W1 灌溉量下，蕾期至吐絮期土壤體積含水率均低于 W2 和 W3 灌溉量。W2 灌溉量下，開花期至盛鈴期 3 個施肥量下土壤體積含水率較 W3 灌溉量均有不同程度下降，至吐絮期 W2 和 W3 兩種灌溉量下土壤體積含水率無顯著差異。W3 灌溉量下僅在蕾期表現(xiàn)出輕度干旱狀況，開花期后隨著充足的水分投入，干旱狀況得到緩解;W1 灌溉量下，隨著施肥量的由 N1 增加至 N3，土壤含水率呈“低—高—低”的變化趨勢。W2 灌溉量下，0~20 cm 和 60~80 cm 土層土壤體積含水率隨施肥量的增加而降低，20~60 cm 土層無顯著差異。W3 灌溉量下，0~60 cm 土層土壤體積含水率隨施肥量的增加而增加，60~80 cm 土層內(nèi)隨施肥量的升高而降低。從各處理不同生育時期土壤體積含水率變化情況上看，施肥量對開花期至吐絮期土壤含水率的影響較為顯著，這種變化隨灌溉量的增加不斷加劇。

　　2.4 不同灌溉施肥組合下土壤無機(jī)氮含量

　　開花期至吐絮期不同灌溉施肥組合下土壤無機(jī)氮總量如表 4 所示，不同年份間所示規(guī)律相近，2 年均值表明，在施肥量相同時，增加灌溉量可降低土壤無機(jī)氮含量，而在灌溉量一定時，土壤無機(jī)氮含量隨施肥量增加而增加。至吐絮期，各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3，土壤無機(jī)氮含量分別顯著降低 12.4%、 27.4%和 10.0%。3 種灌溉量下，施肥量由 N1 增加到 N3，土壤無機(jī)氮含量分別顯著增加 33.4%、40.3%和 37.0%。

　　從無機(jī)氮成分上看，硝態(tài)氮為影響土壤無機(jī)氮含量的主要因素，其各生育期變化規(guī)律與無機(jī)氮總量變化趨勢相近，即提高灌溉量可顯著降低土壤硝態(tài)氮含量，提高施肥量會顯著增加土壤硝態(tài)氮含量。而銨態(tài)氮隨灌溉量的增加呈下降趨勢，施肥量對土壤銨態(tài)氮含量無顯著影響。吐絮期各施肥量下灌溉量由 W1 提高至 W3，土壤硝態(tài)氮含量分別顯著降低 13.8%、30.9%和 12.5%;3 種灌溉量下，施肥量由 N1 增加到 N3，土壤硝態(tài)氮含量分別顯著增加 34.4%、48.3%和 36.3%。

　　2.5 不同灌溉施肥組合下土壤硝態(tài)氮運移狀況

　　不同灌溉施肥組合下開花期至吐絮期土壤硝態(tài)氮的運移狀況如圖 4 和圖 5 所示。2 年內(nèi)所示規(guī)律相近，隨生育時期的推進(jìn)，土壤硝態(tài)氮含量呈下降趨勢，在施肥量一定的條件下增加灌溉量可顯著降低 0~40 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量，而灌溉量一定的條件下增加施肥量會顯著增加 40~60 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量。開花期，土壤硝態(tài)氮主要集中在 0~30 cm 土層。其中 W1 灌溉量下各施肥處理土壤硝態(tài)氮含量無顯著差異。 W2 和 W3 灌溉量下，N2 和 N3 處理均高于 N1 處理;盛鈴期，各層土壤硝態(tài)氮分布較為均勻。在施肥量相同時增加灌溉量，土壤硝態(tài)氮含量顯著下降。在灌溉量相同時，增加施肥量會使土壤硝態(tài)氮含量增加，且灌溉量越低土壤硝態(tài)氮含量增加幅度越大;吐絮期，在施肥量相同時，增加灌溉量會使 0~40 cm 土層硝態(tài)氮含量顯著降低，40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量顯著增加。在灌溉量相同時，W1 灌溉量下 0~40 cm 土層硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加顯著增加，對 40~60 cm 土層無顯著影響。W2 灌溉量下土壤硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而增加，且 2018 年對 40~60 cm 土層增加尤為明顯。W3 灌溉量下，40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而增加，0~40 cm 土層隨施肥量的增加變化不顯著。

　　將灌溉量(W)、施肥量(N)與吐絮期 0~40 cm 土層 NO3 ? -N 累積量(Y0-40)進(jìn)行回歸分析，獲得回歸方程： Y0-40=190.73+0.0016W2 ?0.0053N2 ?0.86W+2.34N+0.00027WN (R2 =0.96)，其中灌溉量的二次項(P=0.0459<0.05，t=0.6380)及一次項(P=0.0353<0.05，t= ?0.6851)達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明灌溉量是影響根區(qū)土壤硝態(tài)氮殘留量的主導(dǎo)因素。

　　將灌溉量(W)、施肥量(N)與吐絮期 40~60 cm 土層 NO3 ? -N 累積量(Y40-60)進(jìn)行回歸分析，獲得回歸方程： Y40-60=34.79?0.00049W2 +0.020N2 +0.15W+1.53N+0.0054WN (R2 =0.92) ，其中灌溉量與施肥量的交互項 (P=0.0076<0.01，t=0.7660)，施肥量的二次項(P=0.0372<0.05，t= ?0.7155)及一次項(P=0.0187<0.05，t=0.6204) 達(dá)到顯著水平。說明灌溉量和施肥量的耦合效應(yīng)是造成硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的主效應(yīng)，施肥量次之。

　　3 討論

　　3.1 不同灌溉施肥組合對棉花產(chǎn)量及水氮利用的影響

　　合理的水肥施用是使兩者產(chǎn)生正效應(yīng)的關(guān)鍵，二者相互協(xié)調(diào)達(dá)到“以水調(diào)肥，以肥促水”的互補效果，表現(xiàn)出水分和養(yǎng)分兩因子對增產(chǎn)作用的疊加效果即耦合效應(yīng)。水分具有顯著的調(diào)肥作用，提高灌溉量可提高肥料的利用效率，樊小林等[33]研究不同水分條件下冬小麥氮素利用發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒和地上部干物質(zhì)的氮素吸收量與其相應(yīng)產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，干旱脅迫使小麥的氮素利用率下降。灌溉量同樣影響著水分利用效率，降低灌溉量可有效提高灌溉水利用效率。施肥同樣具有明顯的調(diào)水作用，孫文濤等[34]在對耦合效應(yīng)的研究中指出，合理施肥提高了水分利用效率，從而促進(jìn)增產(chǎn)。本研究結(jié)果與前人不完全一致，即在水氮充足的條件下二者均有增產(chǎn)作用，但在水氮施入不均時，單一因素的過量施入反而會起到抑制作用。其中以 W1N3 最為明顯，分析其原因可能是該組合下極低的灌溉量不能使氮肥被完全吸收，根區(qū)土壤也未超過最大田間持水量，未吸收氮肥在根區(qū)土層殘留，土壤長期保持氮肥過量的情況進(jìn)而抑制根系生長，連年的低水高氮施入還可能造成土壤次生鹽堿化的發(fā)生，造成土壤環(huán)境惡化。

　　3.2 不同灌溉施肥組合對棉田土壤水分運移的影響

　　關(guān)于水氮耦合效應(yīng)對水分動態(tài)變化有學(xué)者根據(jù)棉田土壤水分程度將棉花生育期分為 3 個時期，即土壤水分穩(wěn)定期(4 月中旬至 7 月中旬)、土壤水分劇烈變化期(7 月中旬至 8 月底)和緩慢消耗期(8 月底至 10 月底) [35]。本試驗條件下棉田土壤水分的時空動態(tài)變化表現(xiàn)出相近的規(guī)律，即播種后至開花期前，土壤水分變化浮動較小，6 月下旬開始灌溉后土壤含水量略有上升。但進(jìn)入花期后棉花需水量迅速增加，棉田土壤水分被快速消耗，這一規(guī)律在 0~60 cm 土層尤為明顯。盛鈴期至吐絮期，土壤水分變化幅度減輕但仍呈下降趨勢。從不同灌溉量對土壤含水量的影響上看，W1 灌溉量下花期至吐絮期 0~60 cm 土壤含水量均未高于 20%，難以供給棉株需水高峰期的正常生長，易造成大幅減產(chǎn)，產(chǎn)量的測定也證實了上述推論。而在高灌溉量下，緩慢消耗期土壤含水量明顯高于其他處理，但產(chǎn)量與 W2 灌溉量下無顯著差異，從節(jié)水灌溉的角度上看，額外的水分投入未能顯著提高產(chǎn)量，超額的灌溉水不僅形成了無消耗水，反而降低了灌溉水利用效率。施肥量加劇了土壤水分在 0~60 cm 土層的消耗，且在嚴(yán)重水分虧缺條件下對產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。筆者認(rèn)為，尤其是在干旱農(nóng)業(yè)區(qū)可以考慮減少生育后期灌溉量，在缺水年份優(yōu)先保證花期水分供應(yīng)減少緩慢消耗期的灌溉量，同時合理的氮肥減施可以優(yōu)化土壤水分分布，但亦有研究表明生育后期停水過早會造成葉片早衰影響產(chǎn)量[36]，因此生育期內(nèi)灌溉分配方式還需進(jìn)一步探究。

　　3.3 不同灌溉施肥組合對棉田土壤氮素遷移的影響

　　旱地土壤中氮素以硝態(tài)氮形態(tài)存在居多，銨態(tài)氮形態(tài)存在較少。而硝態(tài)氮是土壤中極為活躍的營養(yǎng)成分。大量的單因素試驗表明隨著施氮量增加土壤硝態(tài)氮積累量增加。而灌溉量對硝態(tài)氮淋溶的影響結(jié)論不盡相同，有學(xué)者認(rèn)為隨著灌溉量及降雨量的增多，硝態(tài)氮淋溶情況加劇[37]。亦有學(xué)者認(rèn)為，土壤物理性質(zhì)決定著水分的入滲速度，灌溉強(qiáng)度與土壤入滲速度的相互關(guān)系共同決定了硝態(tài)氮的淋溶[38]。本試驗中土壤硝態(tài)氮積累量回歸方程顯示，灌溉量主要影響著根系主要分布區(qū)硝態(tài)氮的積累，而水氮耦合效應(yīng)主要影響著硝態(tài)氮的向深層土壤淋溶。從不同時期土壤硝態(tài)氮時空變化情況上看，3450 m3 hm?2 和 4650 m3 hm?2 灌溉量下 0~40 cm 土層硝態(tài)氮含量逐漸降低，40~60 cm 土層硝態(tài)氮含量逐漸增加，分析其原因一方面可能為增加施肥量提高了 0~60 cm 全土層的硝態(tài)氮含量，但在生殖生長過程中充足的水分促進(jìn)根系對氮肥的吸收利用，0~40 cm 土層內(nèi)氮素被大量消耗;另一方面也可能是在土壤水分過量條件下，硝態(tài)氮主要以硝酸根離子存在于土壤溶液中，隨著重力水向下移動。但 2250 m3 hm?2 灌溉量下，至吐絮期硝態(tài)氮仍大量分布在 0~40 cm 土層，分析其原因可能是該灌溉量下土壤濕度低，土壤中硝態(tài)氮主要以固體硝酸鹽形態(tài)存在，難以被棉株利用和在土壤中移動。因此減少氮肥施用以及合理控制灌溉量是有效降低土壤硝態(tài)氮積累的有效途徑，而不同灌溉量下氮素去向仍需用同位素標(biāo)記法進(jìn)行進(jìn)一步探究。

　　4 結(jié)論

　　本研究主要針對西北內(nèi)陸干旱地區(qū)水資源短缺及氮肥投入過量等問題，綜合當(dāng)前一膜六行機(jī)采棉生產(chǎn)特點，以優(yōu)化水肥策略提高水氮利用率為目標(biāo)，在降低水肥資源投入的同時保證產(chǎn)量穩(wěn)定，主要結(jié)論如下： (1) 提高灌溉量可增產(chǎn) 11.6%~12.4%，但在低灌溉量下，施肥量超過 300 kg hm?2 后會使產(chǎn)量下降 21.2%。 (2) 低灌溉量下，施肥量為 600 kg hm?2 時會造成嚴(yán)重的干旱脅迫。高灌溉量下增施氮肥可提高根區(qū)土壤含水率，進(jìn)而減輕水分的下滲，提高水分利用。(3) 提高灌溉量可降低土壤無機(jī)氮總量，但在灌溉量高于 3450 m 3 hm?2 時會導(dǎo)致無機(jī)氮隨水向深層土壤移動。而灌溉不足則會導(dǎo)致無機(jī)氮在 0~40 cm 土壤大量積累，易導(dǎo)致土壤次生鹽堿化加劇。因此，考慮到西北內(nèi)陸機(jī)采棉區(qū)水資源嚴(yán)重緊缺和土壤氮素殘留等問題，灌溉量應(yīng)不高于 3450 m3 hm?2 、施肥量不高于 300 kg hm?2 ，既可在保證產(chǎn)量的同時，達(dá)到節(jié)水減氮的作用，實現(xiàn)簡化節(jié)本增效，促進(jìn)機(jī)采種植的可持續(xù)發(fā)展。