刘姗姗,郑秀清,陈军锋,吴 博
(太原理工大学水利科学与工程学院, 山西 太原 030024)
近年来,随着水肥对农业发展贡献与制约的矛盾更加突出,我国从华北到西北干旱区、再到东北寒温带均大面积推广采用水肥一体化灌溉新技术[1-2]进行冬春灌溉,以缓解水资源日益短缺及氮肥低效损耗问题,满足越冬作物及春耕的水分、养分需求。
越冬土壤系统中硝态氮的主要运移方式为随水对流迁移。氮易溶于水,移动性强,土壤水分运动通量直接影响硝态氮的对流,且可溶性肥料是系统氮素迁移底物的直接输入源,所以冬灌水、肥量成为决定土壤剖面硝态氮含量分布极其重要的因素。同时,冻结期土壤封冻温度较低,硝态氮从冰相中离析沉淀,冻结缘内未冻水中的硝态氮含量急剧增加,促使层状土壤系统硝态氮再分布,导致冻融过程中不同水肥量组合下的硝态氮分布存在独特差异。目前,国内外学者就非冻结期土壤中的硝态氮迁移累积规律做了详尽研究[3-11],但是冻融作用与水氮耦合下土水体系中硝态氮迁移累积规律的研究较少。本文以位于太原内陆盆地中部的山西省东阳试验区为依托,重点探索不同水氮量组合下非饱和冻融土壤介质中硝态氮迁移累积规律,为北方大型灌区适宜施氮量的确定和水肥的综合管理提供理论支持。
试验于2013年10月至2014年3月在山西省太原内陆盆地中部的东阳试验区分块进行。试验地块初冻始于11中旬,12月10日后土壤快速冻结,1月下旬进入稳定冻结,受太阳净辐射和底层地热交互作用的影响,2月下旬冻层双向融化,3月中旬达到融通。根据试验区未处理裸地的自然冻融过程,将整个冻融期分为未冻期(11月17日—12月8日)、冻结前期(12月9日—1月19日)、冻结后期(1月20日—2月27日)和消融期(2月28日—3月16日),试验期间土壤最大冻结深度为58 cm,降水主要集中在11月8日和1月10日前后,降雨量分别为2.4 mm和3.5 mm。试验基地土壤质地以壤质黏土和黏土为主,地下水位的埋深变化在1.0~3.0 m之间。试验区常年耕种,土壤耕作层深度约30 cm,均为壤质黏土,犁底层较为明显,其下为10 cm左右的黏土夹层。表土层有机质较高,分布范围在10%左右,pH约为8,全氮0.1%,全磷0.089%。根据美国质地分类法对土壤剖面各土层颗粒含量、有机质、含水率等进行取样测定分析,结果如表1所示。
试验地块常年种植玉米,种植密度约为500 万株·hm-2。秋收后对大田进行除茬、平地。将整块地用30 cm高、40 cm宽的土埂分割为3 m×3 m的试验小区,小区之间留有约1 m的人行过道。试验以溶解性尿素为氮肥,冬灌时,在试验地块的进水口处设置容器溶解定量尿素,使其完全融于水后随畦灌水流均匀施入大田。冬灌时间为2013年10月25日。灌水后,水分携氮素在土壤剖面进行重分布。本次试验设置两个灌溉量、三个施肥水平,采用完全区组设计,共6个处理,以未处理裸地为对照,每个组合设置3个重复,共设21个试验小区,在大田内采取随机排列方式。水氮具体设计方式见表2。
东阳镇试验区设有地面气象观测系统,试验所需观测阶段为2013年11月至2014年4月。观测的主要项目为:日照、水汽压、气温、风向风速、降水量、冻土深度等。观测时间为每天上午8∶00和下午19∶00。
试验地块冬灌施肥时间均为10月20日,灌溉后土壤水氮耦合经历一定时段的再分布过程。土壤硝态氮原位取样层分别为10、20、30、40、50、60、80 cm和110 cm。选取各冻融阶段典型时间点进行取样,取样日期为11月10日、12月1日、12月22日、1月11日、1月17日、1月28日、2月16日、3月1日和3月15日,整个冻融期共采集9次土样,采集时间为上午8∶00~10∶00。各层土壤鲜样取回后用高精度电子秤称取6.000 g,加入50 ml mol·L-1的KCl溶液进行浸提,经AA3型连续流动分析仪测定滤液中硝态氮含量。
表1 试验地块各层土壤状况
表2 试验设计
土壤硝态氮绝对累积量=土壤硝态氮含量×土壤容重×土层厚度/10
相对累积量=(某一土层硝态氮绝对累积量/整个剖面硝态氮累积量)×100%[12]
由于本次试验期间未处理裸地自然冻融状态下土壤最大冻结深度延伸至58 cm,且0~30 cm土壤层受耕作、施肥和灌溉影响最为强烈,本文重点研究不同水氮用量组合下冻结相变区(0~60 cm)及耕作层(0~30 cm)土壤硝态氮的分布及累积情况。
如图1a所示,封冻前硝态氮主要随过冷水对流迁移,表层土壤溶液中硝态氮由于蒸发作用向上输运浓缩于土表,随深度增加,土壤硝态氮含量逐渐减少,并在30 cm左右出现极小值。由表3可见,N100、N300和N500在W750下0~30 cm土壤硝态氮含量分别为11.45、13.15 mg·kg-1和21.60 mg·kg-1,在W375下分别为14.18、15.53 mg·kg-1和16.36 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝态氮含量分别为11.45 mg·kg-1和14.18 mg·kg-1,在N300下分别为13.15 mg·kg-1和15.35 mg·kg-1,在N500下分别为21.60 mg·kg-1和16.36 mg·kg-1,而N0W0硝态氮含量仅为5.90 mg·kg-1,说明各处理地块硝态氮水平显著高于N0W0,且在同一灌水量下,土壤硝态氮含量均值随氮量增加而增加。在N100和N300条件下,硝态氮含量均值随灌水量增加而减少,但在N500条件下,硝态氮含量均值随灌水量增加而增加。这说明高水、氮下,土壤硝态氮的淋溶损失量并不是最大的[13]。从30~60 cm土层看,N100、N300和N500在W750下土壤硝态氮含量分别为15.57、16.66 mg·kg-1和17.27 mg·kg-1,在W375下分别为12.78、11.82 mg·kg-1和10.30 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝态氮含量分别为15.57 mg·kg-1和12.78 mg·kg-1,在N300下分别为16.66 mg·kg-1和11.82 mg·kg-1,在N500下分别为17.27 mg·kg-1和10.30 mg·kg-1,而N0W0地块30~60 cm硝态氮含量仅为4.15 mg·kg-1。说明30~60 cm硝态氮含量均值显著高于未灌水裸地,且随着灌水量的增加而增加。
之后,土壤迅速封冻蒸发减弱,未、正冻区土壤溶液携硝态氮在冻结作用形成的附加基质势梯度下向已冻区迁移并在冰相中析出。如图1b和表3可知,冻结前期N100、N300和N500在W750下0~30 cm土壤硝态氮含量分别为18.36、21.74 mg·kg-1和32.30 mg·kg-1,在W375下分别为17.25、20.04 mg·kg-1和26.40 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝态氮含量分别为18.36 mg·kg-1和17.25 mg·kg-1,在N300下分别为21.74 mg·kg-1和20.04 mg·kg-1,在N500下分别为32.30 mg·kg-1和26.40 mg·kg-1,N0W0地块0~30 cm硝态氮含量为13.68 mg·kg-1,说明0~30 cm土壤硝态氮含量随着水、氮量的增加而增加。且相对于未冻期,0~30 cm土壤硝态氮含量的增幅较为明显,N100、N300和N500在W750下0~30 cm增幅分别为6.91、8.59 mg·kg-1和10.70 mg·kg-1,在W375下分别为3.07、4.51 mg·kg-1和10.04 mg·kg-1,N0W0硝态氮含量增幅为7.78 mg·kg-1,表明冻结特性驱动下硝态氮的迁移量随施氮量的增加而增加,当施肥量为500 kg·hm-2时,硝态氮迁移效果更显著。
冻结后期,各处理硝态氮沿剖面呈波动递减趋势(图1c)。W750和W375在N500下0~30 cm土壤硝态氮含量分别为45.55 mg·kg-1和30.74 mg·kg-1,较冻结前期分别增加了41.02%和16.44%,而其它处理变化较小。说明施氮量为500 kg·hm-2时,硝态氮从冰相中离析沉淀的时间延长,含量增加。随着冻结锋面的向下发展,60 cm以下未冻区硝态氮源源不断补给迁移至30~60 cm。由表4可知,N100、N300和N500在W750下30~60 cm土壤硝态氮含量分别为14.40、15.89 mg·kg-1和27.16 mg·kg-1,在W375下分别为11.55、12.75 mg·kg-1和17.19 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝态氮含量分别为14.40 mg·kg-1和11.55 mg·kg-1,在N300下分别为15.89 mg·kg-1和12.75 mg·kg-1,在N500下分别为27.16 mg·kg-1和17.19 mg·kg-1,N0W0地块30~60 cm硝态氮含量仅为3.86 mg·kg-1,说明水氮处理显著增加30~60 cm冻层的硝态氮含量,且随着水氮用量的增加,硝态氮含量也随之增加。相比于冻结阶段前期,冻层30~60 cm硝态氮含量增幅也较明显,N100、N300和N500在W750下硝态氮含量的增幅分别为1.71、3.64 mg·kg-1和9.58 mg·kg-1,在W375下分别为1.52、2.83 mg·kg-1和8.18 mg·kg-1,而N0W0硝态氮含量增幅为-4.62 mg·kg-1,说明冻结后期灌水量一定时,高施氮量有利于冻结特性驱动下硝态氮向30~60 cm土层迁移。综合来看,冻结过程中冻结相变区土壤硝态氮的迁移顺序主要取决于冻结峰向下的发展过程。整个冻结期内N100、N300和N500在W750下0~60 cm硝态氮含量均值分别为15.08、16.83 mg·kg-1和30.65 mg·kg-1,在W375下分别为13.96、15.63 mg·kg-1和20.84 mg·kg-1,W750和W375在N100下0~60 cm硝态氮含量均值分别为15.08 mg·kg-1和13.96 mg·kg-1,在N300下分别为16.83 mg·kg-1和15.63 mg·kg-1,在N500下分别为30.65 mg·kg-1和20.84 mg·kg-1,而N0W0地块仅为8.71。随水氮用量的增加,冻结期内0~60 cm土壤硝态氮均值增加。
消融期土体的入渗能力恢复到冻结前水平,土体内冻层积存的硝态氮受消融水蒸发和下渗共同作用沿剖面呈“S”型展布(图1d),以40 cm为界在土壤表层和底层形成高值区。由表4可知,N100、N300和N500在W750下0~30 cm硝态氮含量均值分别为20.11、31.88 mg·kg-1和34.83 mg·kg-1,是N0W0的1.23~2.14倍,在W375下分别为17.02、22.38 mg·kg-1和38.80 mg·kg-1,是N0W0的1.04~2.38倍,W750和W375在N100下硝态氮含量分别为20.11 mg·kg-1和17.02 mg·kg-1,在N300下分别为31.88 mg·kg-1和22.38 mg·kg-1,在N500下分别为34.83 mg·kg-1和38.80 mg·kg-1,说明同一灌溉水平下,表层土壤硝态氮含量均值随施氮量的增加而增加。在N100和N300条件下,硝态氮含量均值随水量增加而增加,但在N500条件下,硝态氮含量均值随灌水量增加而减小。30~60 cm为剖面硝态氮纵向迁移的过渡带,不同水氮处理下硝态氮含量均值变化在16.75~20.73 mg·kg-1之间,差异较小。
由表5可知,不同水氮用量组合下土壤硝态氮累积量变化在112.07~162.73 kg·hm-2之间,是N0W0的2.82~4.07倍。N100、N300和N500在W750下0~60 cm土壤硝态氮累积量分别为120.28、124.68 kg·hm-2和162.73 kg·hm-2,在W375下分别为112.07、112.25 kg·hm-2和114.01 kg·hm-2。W750和W375在下N100下0~60 cm硝态氮累积量分别为120.28 kg·hm-2和112.07 kg·hm-2,在N300下分别为124.68 kg·hm-2和112.25 kg·hm-2,在N500下分别为162.73 kg·hm-2和114.01 kg·hm-2,说明水氮处理显著增加了封冻前0~60 cm土壤硝态氮累积量,且随水、氮量的增加,土壤硝态氮储量也呈增加态势。N100、N300和N500在W750下0~30 cm土壤硝态氮相对累积量分别为45.30%、48.58%和50.07%,在W375下分别为51.80%、55.00%和66.03%。W750和W375在N100下0~30 cm硝态氮相对累积量分别为45.30%和51.80%,在N300下分别为48.58%和55.00%,在N500下分别为50.07%和66.03%,说明W750条件下表层硝态氮的相对累积量较低,30~60 cm土层则较高。且同一施肥量下,不同水量处理之间土壤硝态氮相对累积量的差值随氮肥用量的增加而增加。
表3 未冻期和冻结前期不同水氮用量组合下土壤剖面硝态氮含量/(mg·kg-1)
注:同一行不同字母表示α=0.05水平上差异显著,下同。
Note: The different letters in the same columns mean significant difference at the 0.05 level. The same as below.
表4 冻结后期和消融期不同水氮用量组合下土壤剖面硝态氮含量/(mg·kg-1)
图1冻融期土壤剖面硝态氮分布
Fig.1 Distribution of soil nitrate nitrogen in freeze-thaw period
冻结期是土壤冻结作用显露、强度增加并逐步向下发展的过程。从表5可见,冻结前期0~60 cm土层硝态氮累积量变化在109.18~201.60 kg·hm-2之间,是N0W0的1.29~2.38倍。N100、N300和N500在W750下0~60 cm土壤硝态氮累积量分别为127.05、131.83 kg·hm-2和201.60 kg·hm-2,在W375下分别为109.18、122.16 kg·hm-2和137.07 kg·hm-2。W750和W375在N100下0~60 cm硝态氮累积量分别为127.05 kg·hm-2和109.18 kg·hm-2,在N300下分别为131.83 kg·hm-2和122.16 kg·hm-2,在N500下分别为201.60 kg·hm-2和137.07 kg·hm-2,随水、氮量的增加,0~60 cm土壤硝态氮累积量明显增加。N100、N300和N500在W750下0~30 cm土壤硝态氮相对累积量分别为52.79%、59.26%和64.68%,在W375下分别为61.15%、65.33%和73.45%。W750和W375在N100下0~30 cm硝态氮相对累积量分别为52.79%和61.15%,在N300下分别为59.26%和65.33%,在N500下分别为64.68%和73.45%。说明冻结前期0~30 cm土层硝态氮相对累积量随施肥量的增加而增加,30~60 cm土层则降低。但同一肥量下,0~30 cm土壤硝态氮相对累积量反而随灌水量的增加而降低,这与封冻前W750处理0~30 cm土壤硝态氮淋失量较大有关。冻结后期,水氮处理地块硝态氮累积量较裸地显著提高。如表6所示,0~60 cm硝态氮累积量变化在120.13~237.53 kg·hm-2之间,是N0W0的2.48~4.91倍。N100、N300和N500在W750下0~60 cm土壤硝态氮累积量分别为130.75、146.78 kg·hm-2和237.53 kg·hm-2,在W375下分别为120.13、138.83 kg·hm-2和190.63 kg·hm-2。W750和W375在N100下0~60 cm硝态氮累积量分别为130.75 kg·hm-2和120.13 kg·hm-2,在N300下分别为146.78 kg·hm-2和138.83 kg·hm-2,在N500下分别为237.53 kg·hm-2和190.63 kg·hm-2。随不同水氮用量的增加,0~60 cm土层硝态氮累积量增加,且各处理硝态氮累积量差异显著。N100、N300和N500在W750下0~30 cm土壤硝态氮相对累积量分别为48.20%、50.33%和62.33%,在W375下分别为52.51%、54.71%和63.74%。随施氮量的增加,0~30 cm土层硝态氮相对累积量增加,30~60 cm土层则降低。W750和W375在N100下0~30 cm硝态氮相对累积量分别为48.20%和52.51%,在N300下分别为50.33%和54.71%,在N500下分别为62.33%和63.74%。同一肥量下,不同灌溉水平0~30 cm硝态氮相对累积量相差较小。
由表6可见,消融期不同水氮用量组合下0~60 cm土壤硝态氮累积量变化在102.09~162.73 kg·hm-2之间,是N0W0的1.24~1.91倍。N100、N300和N500在W750下0~60 cm土壤硝态氮累积量分别为114.75、158.78 kg·hm-2和163.53 kg·hm-2,在W375下分别为102.09、120.38 kg·hm-2和171.07 kg·hm-2。W750和W375在下N100下0~60 cm硝态氮累积量分别为114.75 kg·hm-2和102.09 kg·hm-2,在N300下分别为158.78 kg·hm-2和120.38 kg·hm-2,在N500下分别为163.53 kg·hm-2和171.07 kg·hm-2,说明在同一灌溉水平下,0~60 cm硝态氮累积量随肥量的增加而增加。在N100和N300条件下,硝态氮累积量随水量增加而增加,但在N500条件下,硝态氮累积量随灌水量增加而稍有减小。N100、N300和N500在W750下0~30 cm土壤硝态氮相对累积量分别为50.57%、52.23%和66.32%,在W375下分别为54.11%、55.77%和73.30%。W750和W375在N100下0~30 cm硝态氮相对累积量分别为50.57%和54.11%,在N300下分别为52.23%和55.77%,在N500下分别为66.32%和73.30%。说明消融期水氮处理地块0~30 cm土层硝态氮相对累积量随施氮量的增加而增加,随灌水量的增加而减少,而30~60 cm土层则呈现相反规律。
冻融期土壤剖面依据水分相体自上而下分为冻结相变区和未相变区[14],土壤冻结过程中硝态氮随未冻水向相变区迁移[15]。水分和氮素的输入与土壤相变区集氮(特指硝态氮,下同)情况密切相关。未冻期0~60 cm土层硝态氮累积量随水、氮量的增加而增加,这与已有研究结果一致[16-18]。冻结开始后随着土壤冻结锋面向下推进, 土壤剖面聚氮区由0~30 cm逐渐下移至30~60 cm。硝态氮向相变区的迁移量随水氮量的增加而增加,当施肥量为500 kg·hm-2,迁移量最大。说明水氮量促进冻结特性驱使下硝态氮向相变区运移,导致冻结期0~60 cm土层硝态氮累积量随水氮量的增加而增加,这也是冻结期相变区硝态氮再分布的独特之处。
表5 未冻期和冻结前期不同水氮用量组合下土壤剖面硝态氮累积量
表6 冻结后期和消融期不同水氮用量组合下土壤剖面硝态氮累积量
硝态氮相对累积量[19]表明了不同时期某一土层的硝态氮在水氮处理下的运移趋势。未冻期0~30 cm土壤硝态氮的相对累积量随灌水量增加而降低,30~60 cm土层则增加。说明灌水量加大了表层硝态氮向亚层淋失的可能性。冻结期施氮量的主导效应逐渐增强,冻结缘附近氮量越高,冻结作用形成的附加基质势梯度越大,越有利于硝态氮向集氮区运移。导致0~30 cm土层硝态氮相对累积量随氮量的增加而增加,30~60 cm土层则降低。消融期,0~30 cm土层硝态氮相对累积量随施氮量的增加而增加,随灌水量的增加而减少,而30~60 cm土层则呈现相反规律。说明施氮量增加更有利于硝态氮的原位累积,而灌水量加大了表层硝态氮向亚层的淋洗趋势。
本次试验未考虑降水对冻融期间硝态氮迁移和累积的影响,因为试验期间降雨集中11月8日和1月11日至14之间。11月8日为未冻期,降雪相对于灌水量对硝态氮的影响可忽略。而11月中旬土壤为密实状冻结,冻层成为入渗水流的控制界面,它对融雪水的减渗作用较强[20]。所以降水对冻层内的硝态氮运移及累积的影响并不明显。
1) 冻结前、后期土壤剖面聚氮区(特指硝态氮)由0~30 cm逐渐下移至30~60 cm。硝态氮向聚氮区的迁移量随水氮量的增加而增加,在N500条件下迁移效果更显著。
2) 冻融期水氮处理显著增加了0~60 cm土层硝态氮累积量,各处理下硝态氮累积量差异显著。未冻期和冻结期,随水、氮量的增加,土壤硝态氮累积量也呈增加态势。消融期,0~60 cm硝态氮累积量随肥量的增加而增加。
3) 未冻期,0~30 cm土壤硝态氮的相对累积量随灌水量增加而降低,30~60 cm土层则增加。冻结期,随氮量的增加,0~30 cm土层硝态氮相对累积量增加,30~60 cm土层则降低。消融期0~30 cm土层硝态氮相对累积量随施氮量的增加而增加,随灌水量的增加而减少,而30~60 cm土层则呈现相反规律。
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