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利用滴灌系统施肥可以灵活地控制施肥的时间、数量和施入点,从而获得较高的肥料利用率。采用合理的滴灌水肥管理措施是实现这一目标的关键。滴灌水肥管理是指通过改变灌水(施肥)量、灌水(施肥)频率、滴头流量、肥液浓度和系统运行程序等参数对灌水和施肥过程进行合理的控制,在增加作物产量的同时提高肥料利用率并减少肥料对环境的危害。因此深入研究不同滴灌水肥管理措施下土壤中的水肥分布和作物的动态响应可为制定合理的滴灌施肥模式提供依据。
本文以番茄为研究对象,在日光温室内进行了两年的田间试验,研究了滴灌水肥管理对作物根区水氮运移和分布的影响,以及作物对水氮调控的动态响应。试验选取施肥灌溉系统运行方式、施肥频率、施氮量和肥液浓度四个因素。其中,施氮量取372kg/hm<2>和204kg/hm<2>两个水平;系统运行方式包括不同灌水和施肥次序组成的三种方案:1/2N-1/2W,1/4W-1/2N-1/4W和3/8W-1/2N-1/8W;施肥频率取每周一次、两周一次和四周一次三个水平;肥液浓度取225mgN/l、450mgN/l和720mgN/l三个水平。通过观测番茄根区的水氮动态,番茄的产量、品质和生理生态指标(植株高度、叶面积指数、根系特征、光合速率等),分析了滴灌水肥管理措施对水氮分布特征和变化动态的影响以及番茄响应指标的相应变化,揭示了滴灌水氮调控对作物生长发育产生影响的内在机理,从而初步建立了滴灌水肥管理措施、土壤水氮分布和作物响应指标三者的动态联系。同时还应用HYDRUS-2D软件对滴灌施肥条件下作物根区水氮运移分布及变化动态进行了数值模拟。在此基础上,通过模拟试验进一步分析系统运行方式和施肥频率对番茄根区水氮动态及淋失的影响。主要研究结果如下:
(1)高施氮处理可增加根区土壤中的硝态氮含量,促进根系的发育,但不会带来产量的增加。高施氮量处理的硝态氮在40-50cm土层有明显的累积,淋失的危险较大。
(2)随着施肥次序向前推移,硝态氮向湿润土体边缘扩散的趋势愈加明显。例如采用运行方式1/2N-1/2W时,由于施肥结束后的灌水时间较长,有较多的硝态氮随水流运动到下层土壤中,促进了下层土壤中根系的发育,并使根系中细根的比例增加,因而带来产量和氮肥利用效率的提高。与之相反,采用运行方式3/8W-1/2N-1/8W使更多的硝态氮累积在土壤上层,不利于深层土壤中根系的发育和对氮素的吸收利用,使得产量和氮肥利用效率降低,残留氮量增加。在实际的滴灌施肥过程中,选用运行方式还应当考虑系统运行稳定性的要求,在施肥前先灌少量的清水,以保证施肥的均匀性。因此综合考虑提高产量、减少淋失和系统运行稳定性的要求,滴灌施肥采用运行方式1/4W-1/2N-1/4W较为适宜。
(3)随着施肥频率降低,硝态氮在根区土壤中的总量逐渐减少,在生育期内的变化逐渐加剧。采用每周一次的施肥频率时,硝态氮在根区土壤中的总量最大,在生育期
内的变化过程较为平缓,说明氮肥的供应和消耗过程有较好的一致性,因而导致植株吸氮量增加和残留氮量的减少。同时,施肥频率增加显著地增加了番茄的产量,从而提高了氮肥利用效率。因此在实际的滴灌施肥过程中,施肥频率取每周一次施肥较为适宜。 (4)施肥频率和运行方式有一定的交互作用。施肥频率越低,运行方式对产量的影响越大。随着施肥次序向后推移,施肥频率对产量的影响逐渐增大。因此在实际的滴灌施肥管理中,如果选用的施肥频率较低就必须重点考虑运行方式的影响;如果在灌溉过程的后期施肥则应该重点考虑施肥频率的影响。
(5)随着肥液浓度增高,番茄的产量和各项品质都呈降低趋势,但差异未达显著水平。例如当肥液浓度为720mgN/l时,氮素在滴头周围有明显的聚集,还会抑制根系的发育,降低作物的光合性能,引起产量和品质的下降。因此在滴灌施肥过程中,肥液浓度取225mgN/l较为适宜。
(6)建立了滴灌施肥条件下作物根区水氮运移转化的数学模型,模型考虑了根系吸水吸氮以及水解、硝化、反硝化、吸附等氮素转化过程。用HYDRUS-2D软件求解模型,并用实测结果进行验证,结果显示土壤水分和硝态氮的模拟效果较好,铵态氮的模拟效果较差。利用验证后的模型进一步分析了系统运行方式和施肥频率对番茄根区水氮动态和淋失的影响。结果显示在本文采用的试验条件下,施肥频率和运行方式对根区内的?分布影响较大,对?淋失的影响不明显。施肥量增加对?淋失的影响不大,增加灌水量会显著地增加?的淋失,而且灌水量增大会使施肥频率和运行方式对?淋失的影响增大,降低施肥频率和施肥次序前移都会增加?的淋失量。