不同土壤质地垄沟灌溉对水氮分布特征的影响

郑爱泉

(杨凌职业技术学院 生物工程分院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

【研究意义】水土资源的日益短缺对粮食安全构成严重威胁。在现代农业生产中，常通过提高水分、养分、太阳辐射等资源的利用效率来促进粮食作物增产[1]。间(套)作是指在时间和空间上集约化的种植方式，能够充分利用太阳辐射、水分、养分、耕地等资源，提高单位面积的产出率[2-3]。水分和养分条件可影响作物种间的相互作用，从而影响间作群体的总产量与资源利用效率[4-5]。因此，减少农业用水、提高农田灌溉水肥利用率对缓解黑河流域水资源紧缺状况及其生态建设具有重要意义。【前人研究进展】过去，由于采用落后的大水漫灌，出现了以消耗大量资源为特征的典型高度集约化农业，成为生态环境恶化的主导因素，也是我国主要粮食作物难以高产的重要原因[6]。在国家实施压缩高耗水作物种植面积政策后，间(套)作模式逐渐被单一作物种植模式代替[7]。当前，以单作为主体的种植模式虽在很大程度上减少了单季作物的农业用水量，但其存在的问题仍不容忽视。养分利用率不高是制约粮食作物增产的主要因素之一，粮食增产必须提高养分利用率，从而减少过度施肥对农田生态系统带来的环境污染问题[8]。垄沟间(套)作是针对土地利用率低、水资源紧缺和生态环境不断恶化等问题，结合当地自然和社会经济条件提出的一种耕作方式[9-11]。垄沟灌溉是通过改变地面微地形形成宽垄沟结构，利用灌水沟输水并借助土壤毛管力作用，将水分侧渗到宽垄种植带的一种地面灌水方式。其仅对沟内作物进行灌溉，并依靠土壤水分侧渗来实现水分在垄沟间的分配，满足垄沟种植带作物的需水量[12]。传统栽培认为，灌水量越大、施氮量越高，产量就越高，这不仅造成水氮利用率降低，还引起地下水水质恶化，水资源日益短缺等问题[13-14]。同时，由于效益驱动，高灌溉量和过量施肥的问题仍普遍存在[15-16]。据统计，施入土壤中的氮肥仅有30%～40%被作物利用，20%～50%主要以硝态氮(NO3-N)的形式淋溶进入地下水。【研究切入点】如何提高作物水肥利用率，实现半干旱雨养农业区降水资源管理和减弱施肥对环境的影响是农业可持续发展中迫切需要解决的关键问题。目前，有研究表明，间(套)作结合垄沟种植可有效提高资源利用率[2-3]，但有关垄沟间(套)作能否提高作物的水分、养分利用率，同步实现粮食增产的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用土箱进行室内垄沟灌溉模拟试验，研究不同土壤质地无作物垄沟灌溉的土壤水分和硝态氮分布特征，以期为垄沟间(套)作种植田间灌水技术和合理设计灌溉系统提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

土壤样品参考周怡等[17]的方法采集。2021年4月采集渭河二级阶地的黏土、一级阶地的砂土和陕北壤土。土壤初始含水量(质量含水量)分别为8.12%、4.13%和3.05%，硝态氮分别为7.46 mg/kg、6.73 mg/kg、5.12 mg/kg，氨态氮分别为7.58 mg/kg、7.73 mg/kg、8.47 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 设3个处理，设计黏土、砂土和壤土的土壤容重分别为1.35 g/cm3、1.40 g/cm3和1.30 g/cm3，土壤初始含水率为8%，灌水量为75 mm，施肥量为90 g。将采回的土壤风干过2 mm筛，配置初始含水量，放置48 h，使土壤含水量大致均匀，按设计容重分层(5 cm)装入不锈钢自制土箱。土箱长2 m、宽0.4 m、高0.8 m，底侧开孔，以防灌水时气阻。在土壤表面修出梯形垄沟，垄宽60 cm、沟底宽30 cm、垄高15 cm，边坡系数取1.0，半垄沟断面尺寸如图1。

图1 半垄沟断面图

1.2.2 试验过程 以尿素为氮源(含氮量46%，陕西华山化工集团有限公司)，在沟中施肥并覆盖，静置3 d使尿素充分熟化。按设计灌水量灌水后，记录水分入渗时间。分别于入渗结束时、再分布24 h和再分布48 h，在垄沟不同测点处取土样(图1)。沟中取土深度为60 cm，每隔10 cm取1个样；垄上取土深度为75 cm，垄表5 cm、10 cm各取1个，以下为每隔10 cm取1个样。土壤样品经人工研磨，过5 mm筛，装入密封袋保存待测。

1.2.3 测定指标

1) 土壤含水量测定。采用烘干称重法[16]测定，测定土层深度为0～70 cm。0～10 cm土层每5 cm取1个样，10 cm以下每10 cm取1个样，取样位置分别为沟中(测点1)、沟边(测点2)、垄边(测点3)、距垄边15 cm(测点4)、垄中(测点5)。测定时间分别为灌水后0 h、24 h和48 h。由于3个土壤类型测点1和测点2土壤剖面含水量变化基本相同，只对测点1进行分析。

2) 硝态氮含量测定。取5 g新鲜土样，1 mol/L KCL溶液为浸提液，以10︰1液土比浸提，充分振荡30 min，经过滤制成待测液，采用全自动凯氏定氮仪(Vapodest 450，德国)测定[17]。

1.3 数据统计与分析

采用 Excel 2010和Matlab对试验数据进行统计分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 不同质地土壤的水分再分布特征

2.1.1 黏土 从图2看出，测点1灌水后0 h，沟中土壤整个剖面含水量迅速增加，在28%以上，渗透至土壤50 cm处；灌水后48 h，土壤含水量呈降低趋势，土层50～60 cm，含水量明显下降。测点3灌水后0 h，含水量迅速增加，在20%以上，渗透至土壤30 cm处；灌水后48 h，土层40 ～60 cm，土壤含水量稍有下降。测点4是垄中和垄边的中点，灌水后0 h，整个土壤剖面含水量大致维持在初始水平，即灌水后0 h沟中水分并未达到测点4；灌水24 h后，上层土壤含水量明显增加，土层15 cm处土壤含水量最高，达20%；灌水48 h后，表层土壤含水量明显下降。测点5位于垄中，灌水48 h后，其土壤剖面含水量保持在初始水平，垄中土壤无法通过侧渗增加含水量。表明，灌水后0 h，在重力势梯度、压力势梯度和土壤吸力梯度作用下，沟中土壤含水量迅速增加。水平方向在吸力梯度作用下的侧渗使沟边土壤含水量明显增加，但水分未能渗透至1/4垄，之后沟中水分继续下渗和侧渗，使得沟中土壤含水量趋于平均，为20%，垄背土壤含水量因水平方向仅依靠土壤毛管作用力和土壤吸持力，侧渗没有下渗作用明显，故48 h内无法渗透垄中。

图2 黏土的水分再分布特征

2.1.2 砂土 由图3看出，测点1在灌水后0 h，沟中土壤整个剖面含水量呈梯度增加，在22%以上，随着土层增加，含水量逐渐降低，渗透至土壤50 cm处；灌水后48 h，上层土含水量明显下降，下层土含水量稍有升高。垄边测点3灌水后0 h，含水量迅速增加，在15%以上，渗透至土壤10 cm处，下土层含水量稍有升高。测点4在灌水结束，含水量增加较缓，达1/4垄。测点5位于垄中，灌水结束时，整个土壤剖面含水量为初始含水量水平(4.13%)；灌水后48 h，上层土含水量明显增加，即在48 h内水分已渗透至垄中，且渗透水量大，渗透作用显著。由于砂土中大颗粒土较多，毛管作用显著，同时砂土持水能力弱，土壤中水分易达饱和，因此，水分在毛管作用力下推进速度明显，水平方向24 h内渗透至垄中。

图3 砂土的水分再分布特征

2.1.3 壤土 由图4可知，测点1灌水后0 h，沟中土壤含水量迅速增加，在25%以上，渗透至土壤30 cm处，土层20 ～30 cm时，土壤含水量稍有降低，土层>40 cm时，土壤含水量维持在初始水平(3.05%)；灌水后48 h，上层土含水量明显降低，下层土含水量明显升高，整个土壤剖面含水量趋于平均，为20%。垄边测点3灌水结束时，侧渗作用显著，上层土壤含水量明显增加，下土层含水量稍有升高；灌水后48 h，土壤中水分逐渐下渗，整个土壤剖面含水量变化不明显。测点4在灌水后0 h，整个土壤剖面含水量维持在初始水平；灌水后24 h，上层土壤含水量明显增加；灌水后48 h，水分继续侧渗，渗透至土壤50 cm处。测点5在灌水后48 h，其土壤剖面含水量一直保持在初始水平，无法通过侧渗增加含水量。表明，灌水后0 h水分下渗不如黏土和砂土明显，水平方向在吸力梯度作用下的侧渗比较明显，使沟边土壤含水量有明显增加，但水分未能渗透至1/4垄；之后沟中水分继续下渗和侧渗，使得沟中土壤含水量趋于平均，为20%，1/4垄处土壤含水量有所上升，但48 h内无法渗透垄中。

图4 壤土的水分再分布特征

2.2 不同土壤质地的土壤含水量

从图5看出，垄沟灌水48 h后黏土的水分下渗作用最明显，土层50 cm处含水量达20.96%，其侧渗作用不明显，上层土只渗透至距沟中45 cm处，在灌水48 h后未能渗透至垄中；壤土与黏土的水分再分布特征类似，但其下渗和侧渗作用弱于黏土，土层50 cm处含水量为16.84%，水平方向上距沟中45 cm处含水量为12.04%，未能渗透至垄中。砂土的水分分布特征与黏土、壤土存在明显差异，土层在垂直方向50 cm处和水平方向距沟中50 cm处的土壤含水量均为11.55%。由于砂土中大颗粒土较多，空隙丰富，在水分的运移过程中，毛管作用十分显著，从而促使水分下渗的重力势与之相比作用并不明显，因此水分主要在毛管作用力下向两个方向同时推进，在48 h内渗透至垄中。

图5 垄沟灌水48 h后不同土壤质地的土壤含水量等线图

2.3 不同土壤质地的土壤硝态氮分布

从图6看出，垄沟灌水48 h后黏土沟中上层土硝态氮含量较低，接近本底值7.46 mg/kg，在沟中50 cm处硝态氮含量最高，达14.25 mg/kg。表明在灌水后48 h内，土壤中的硝态氮不易被土壤颗粒吸附，主要以对流形式随水分向下运移；砂土中水分在两个方向上的渗透作用都较为显著，从而使砂土的硝态氮分布也较均匀，含量峰值(16.95 mg/kg)在整个土壤剖面形成以测点1为圆心，50 cm为半径的圆；壤土在沟中60 cm处硝态氮含量最高，为4.75 mg/kg，表明壤土中硝态氮也随水分的渗透而运移，但壤土中细菌、微生物等含量非常少，硝化作用不明显，故硝态氮含量偏低。

图6 垄沟灌水48 h 后不同土壤质地的土壤硝态氮含量等线图

3 讨论

土壤质地即土壤机械组成，指土壤中各级土粒含量的相对比例及其所表现的土壤砂黏性质，对土壤水分渗入能力的影响是通过其对土壤水分运动的驱动力和水力传导度产生的影响来实现[18]。土壤质地对土壤入渗能力的影响明显，土壤质地越轻，土壤入渗能力越大。在相同入渗水量下，入渗能力依次为壤土<黏土<砂土。黏土各测点土壤含水量随时间变化的特征与张润霞等[19]的研究结果一致。张振华等[20-22]研究表明，土壤质地对土壤水分入渗有显著影响，质地越重，结构越密实，土壤透水性越差，其入渗能力越差。由于土壤质地差异直接影响土壤的孔隙度，土壤质地较轻时，内部大孔隙结构较多，土壤导水率高且内部连通性好，使得土壤水分入渗能力越强，入渗速率越快。随着土壤质地增大，土壤内部连通性因大孔隙数量急剧减小而变差，且封闭气体产生的气阻现象进一步阻碍土壤水分的移动。因此，重质土壤的水分入渗能力小于轻质土壤。

研究表明，土壤质地对土壤水分再分布特征的影响显著，当入渗水量相同时，入渗距离随土壤黏粒含量的增加而减小，随孔隙率的增大而增加，与张勇勇等[23]的研究结果一致。主要原因是砂土的砂粒较多，大孔隙多，土壤质地表面积小，对水分运动过程中的吸附能力小，有利于水分的入渗；重壤土的贮存孔隙较砂土多，贮存孔隙不发生水流运动，不利于水分的入渗。水分的水平运移主要取决于基质势，砂质土的毛管力作用相对较小[24]，导致其水平侧渗距离小于垂直距离。

试验结果表明，硝态氮的分布特征与水分分布特征类似，与张勇勇[25]的研究结果一致。栗博[26]采用室内试验研究宽垄沟灌结果表明，硝态氮的运移及分布与水分入渗规律类似，说明硝态氮在湿润体中随着水分入渗而向湿润体边缘运动，呈现肥随水走的特性。由于硝态氮带负电，易溶于水，不易被土壤胶体吸附，可随土壤水分发生对流迁移，从而导致硝态氮在湿润体边缘累积。由于试验是在土壤质地均匀、初始含水率一定等理想条件下进行，并没有考虑作物对水分入渗和养分吸收的影响作用，试验结果与大田实际存在一定的差别，因此，应进一步通过大田试验对研究结果进行验证与完善。

4 结论

不同土壤质地垄沟灌溉对土壤水分和硝态氮再分布特征的影响类似。黏土的下渗作用最明显，在垂直方向50 cm处含水量可达20.96%，其侧渗作用不明显；壤土在垂直方向50 cm处含水量为16.84%，水平方向距沟中45 cm处含水量为12.04%；砂土在垂直方向50 cm处和水平方向在距沟中50 cm处的土壤含水量均为11.55%。其中，在灌水48 h内，黏土和壤土水分未能渗透至垄中，而砂土已渗透至垄中。硝态氮随土壤水分入渗，黏土和壤土硝态氮在深层土壤中大量累积，而砂土硝态氮淋溶不明显，呈同心圆分布，且更均匀。