史曉凱，馬娟娟，馮曉波，鄭利劍，孫西歡,3

(1.太原理工大學水利科學與工程學院,太原 030024；2.山西省環(huán)境科學研究院，太原 030027；3.山西水利職業(yè)技術學院，山西 運城 044004)

土壤氮素作為農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中最重要的化學元素之一，在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡中扮演著重要的角色，氮循環(huán)的好壞直接影響著農作物的多樣性與產量[1]。有機態(tài)的氮進入土壤后不能直接被農作物吸收，而是經過一系列轉化以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式被植物吸收[2]。土壤氮素運移規(guī)律一直是學者們研究的重點，目前針對不同節(jié)水灌溉方式、灌溉制度以及水肥耦合條件下的氮素運移研究較多，這些研究為更好地提高氮肥利用率、減少氮損失提供了理論參考，對農業(yè)資源的可持續(xù)利用起到了指導作用[3]。

蓄水坑灌法作為一種在北方干旱、半干旱地區(qū)進行推廣的新型節(jié)水灌溉方法[3]，針對不同影響因素下的土壤氮素分布規(guī)律，進行了大量的室內和田間試驗，如不同灌水量、不同施肥濃度、不同土壤體積質量、不同復水、不同復水時間等[4-6]。但對于蓄水坑灌條件下溫度對氮素運移分布規(guī)律的影響還鮮見報道。溫度的變化不僅影響著不同土層氮素的運移分布，還對氮素礦化過程中硝化反硝化作用有重要的影響。因此，研究不同體系溫度對土壤氮素運移規(guī)律的影響刻不容緩。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗所用土壤取自山西省果樹研究所，土壤類型為褐土，經風干、碾碎，過篩(2 mm)后備用。土壤初始含水率為0.034 cm3/cm3， 硝態(tài)氮含量為0.912 mg/kg，銨態(tài)氮含量為0.497 mg/kg。

1.2 試驗裝置

依據(jù)蓄水坑水分入滲的軸對稱特點，取蓄水坑周圍土體的一個30°扇形柱體進行研究。試驗模型(見圖 1)為自制的試驗土箱，半徑為60 cm，高為100 cm的30°三棱柱，三棱柱材質為有機玻璃，并在三棱柱兩側面對稱布設小孔，一側用于取樣，一側用于預埋溫度、水分傳感器自動監(jiān)測。取樣孔徑向與橫向間隔均為10 cm。在三棱柱銳角部分安裝模擬蓄水坑的水室，水室半徑為20 cm，高為60 cm，弧面上均勻地布滿滲水眼，底部采用不透水的有機玻璃板，水室兩壁與土箱相接處均勻涂抹凡士林以防止水分沿土箱兩壁滲漏。

1-溫控箱；2-箱體端門；3-土壤物理模型；4-水室；5-自動水位傳感器；6-土壤溫度、水分傳感器；7-取樣孔；8-室內溫度傳感器；9-箱內電源插座；10-輸入率口插槽；11-輸出率口插槽；12-傳感器數(shù)據(jù)傳輸線；13-數(shù)字顯示器；14-試驗初始注水孔；15-馬氏簡；16-馬氏簡溫水管路；17-接口；18-馬氏簡支架；19-保溫套圖1 試驗模型Fig.1 Test model

三棱柱裝土之前，利用其一側小孔預裝溫度、水分感應探針，實現(xiàn)土體溫度水分的實時監(jiān)測。裝土完畢后，將三棱柱安裝于大型溫控箱之中，確保土體溫度控制在實驗設置溫度。并采用自動升溫控溫式馬氏瓶，確保水、土溫度一致。

1.3 試驗方法

設置土體土壤密度為1.47 g/cm3，蓄水坑(水室)半徑為20 cm，坑深為60 cm。根據(jù)田間灌溉經驗，擬定灌水定額為300 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2，經換算得到本試驗所用灌水量為7 L，肥液濃度為700 mg/L，供試肥料為尿素，試驗采用馬氏瓶定水頭供水，初始灌溉水頭為50 cm。

本試驗以體系溫度(水溫與土溫一致)作為控制變量來對水氮運移規(guī)律進行模擬研究。溫度選取以田間實際灌溉溫度作為參考依據(jù)，共設置5個溫度水平：5、10、20、25、35 ℃。每個溫度水平下試驗周期為15 d、灌后第1 d、第5 d、第10 d、第15 d在預留孔中取樣并進行相關數(shù)據(jù)采集。

1.4 試驗指標的測定

入滲過程中實時記錄濕潤峰遷移位置，土壤含水率則利用預埋水分感應器實時自動測定．土壤中硝態(tài)氮(NO3-N)和銨態(tài)氮(NH4-N)含量用連續(xù)流動分析儀(型號：AAR3)測定。

2 結果與討論

2.1 不同土壤溫度下土壤水分時空再分布規(guī)律

本試驗條件下，各體系溫度肥液入滲過程均在7 h左右完成，之后肥液開始在土體中進行水分和養(yǎng)分的再分布過程。根據(jù)實測結果，溫度相近時土壤水分運移規(guī)律基本相似，故選取5、20、35 ℃代表低、中、高3個溫度水平進行說明(見圖2～圖4)，不同時間下土壤二維含水率等值線形狀呈近似“鴨梨狀”[7]。隨著時間的推移各溫度條件下垂向和徑向遷移距離均逐漸增大，并表現(xiàn)出蓄水坑壁附近土壤水分向遠離蓄水坑壁區(qū)域再分布、濕潤土體內含水率分布逐漸均一的現(xiàn)象。其中徑向距水室中心20～50 cm、垂向距土體表面30～70 cm區(qū)域土壤中的含水率較高，該區(qū)域為大田果樹生長根系活動較為集中區(qū)，表明蓄水坑灌法能很好地為果樹生長提供所需水分。

圖2 低溫下土壤水分時空間分布等值線圖(單位：cm3/cm3)Fig.2 The spatial distribution of volumetric soil water content in different time under the low temperature

圖3 中溫下土壤水分時空分布等值線圖(單位：cm3/cm3)Fig.3 The spatial distribution of volumetric soil water content in different time under the middle temperature

圖4 高溫下土壤水分時空分布等值線圖(單位：cm3/cm3)Fig.4 The spatial distribution of volumetric soil water content in different time under the high temperature

不同體系溫度同一水分運動時刻下，隨溫度升高，其橫向與徑向遷移距離均增大，且溫度越高靠近蓄水坑壁區(qū)域的土壤含水率相對越低，表明溫度的升高加快了土壤水分的再分布速率，促使靠近蓄水坑壁區(qū)域的土壤水分向濕潤體邊緣遷移、擴散，這主要由于試驗所用土壤黏粒含量較高，低溫時溫度變化對土壤黏粒影響較小，中高溫度時，溫度升高，粘粒膨脹變大、使得原來由黏粒結構構成的小空隙也隨之變大，土壤大空隙增多，飽和導水率增加[8]，土壤水分運動加快，另一方面溫度升高有效降低了水動力黏滯系數(shù)。在兩者的共同作用下，溫度升高顯著加快了土壤中水分的再分布速率。

2.2 不同土壤溫度下土壤銨態(tài)氮時空分布規(guī)律

根據(jù)實測結果，溫度相近時土壤銨態(tài)氮運移規(guī)律基本相似，故選取5、20、35 ℃代表低、中、高3個溫度水平描述土壤銨態(tài)氮時空分布特征(見圖5～圖7)，蓄水坑灌尿素肥液入滲至土壤后，各溫度下土壤中銨態(tài)氮含量隨時間推移均呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，這主要是由于尿素肥液施入土壤后先在脲酶的作用下催化水解為銨態(tài)氮，后在硝化細菌的作用下氧化成硝態(tài)氮，而銨態(tài)氮的積累是尿素水解與硝化反應共同作用的結果。低溫下第10 d時土壤養(yǎng)分再分布核心區(qū)(徑向距水室中心20～50 cm、垂向距土體表面30～70 cm區(qū)域)中的銨態(tài)氮含量呈增加態(tài)勢，第15 d開始出現(xiàn)下降趨勢；而中、高溫時，土壤中的銨態(tài)氮含量在第10 d時已出現(xiàn)下降趨勢，且35 ℃溫度條件下第15 d時土壤中的銨態(tài)氮含量已趨近于本底值。表明當溫度高于25 ℃時，蓄水坑灌條件下15 d左右基本可以完成尿素的水解過程。此外，不同體系溫度土壤中養(yǎng)分再分布時間相同時，同一位置(距離蓄水坑中心與地表距離均相同)土壤銨態(tài)氮濃度隨溫度升高呈降低趨勢，可見溫度的升高不僅加快了尿素水解反應的完成，同時促進了硝化反應進程并抑制了銨態(tài)氮在土壤中的積累。

不同體系溫度下土壤中銨態(tài)氮徑向最大遷移距離均位于距水室中心50 cm左右(見圖5～圖7)，遠低于水分的徑向遷移距離，這主要是由于NH+4帶正電荷，而土壤膠體帶負電荷，從而阻礙了銨態(tài)氮再分布[9]，可見溫度對銨態(tài)氮的遷移距離無顯著影響。費良軍[10]研究認為膜孔肥液自由入滲銨態(tài)氮再分布過程遠遠滯后于水分的運動，與本研究結果一致。同時隨溫度升高土體表層的銨態(tài)氮含量顯著下降，這主要是由于溫度升高促進了上層土壤中氨揮發(fā)的速率。

圖5 低溫下土壤銨態(tài)氮含量時空分布等值線圖(單位：mg/kg)Fig.5 The spatial distribution of soil ammonium nitrogen content in different time under the low temperature

圖6 中溫下土壤銨態(tài)氮含量時空分布等值線圖(單位：mg/kg)Fig.6 The spatial distribution of soil ammonium nitrogen content in different time under the middle temperature

圖7 高溫下土壤銨態(tài)氮含量時空分布等值線圖(單位：mg/kg)Fig.7 The spatial distribution of soil ammonium nitrogen content in different time under the high temperature

2.3 不同土壤溫度下土壤中硝態(tài)氮時空分布規(guī)律

蓄水坑灌不同體系溫度下土壤中硝態(tài)氮含量隨時間遷移濕潤體區(qū)域內的硝態(tài)氮濃度逐漸累積升高，且溫度不同硝態(tài)氮的累積速率不同，5 ℃下第15 d出現(xiàn)硝態(tài)氮含量高于本底值的根際土壤區(qū)域；10 ℃下第10 d出現(xiàn)硝態(tài)氮含量高于本底值的根際土壤區(qū)域(見圖8)；而20、25、35 ℃下第5 d已出現(xiàn)硝態(tài)氮含量高于本底值的根際土壤區(qū)域(見圖9～圖11)，表明低溫下土壤的硝化作用較弱，溫度的升高能顯著提高土壤硝化作用進程。Brady[11]等認為硝化作用的最適溫度范圍是25～35 ℃，低于5 ℃或高于50 ℃硝化作用基本停止，這與本研究結果具有相似性。

圖8 10 ℃不同時間土壤硝態(tài)氮空間分布等值線圖(單位：mg/kg)Fig.8 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 10 ℃

圖9 20 ℃不同時間土壤硝態(tài)氮空間分布等值線圖(單位：mg/kg)Fig.9 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 20 ℃

圖10 25 ℃不同時間土壤硝態(tài)氮空間分布等值線圖(單位：mg/kg)Fig.10 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 25 ℃

圖11 35 ℃不同時間土壤硝態(tài)氮空間分布等值線圖(單位：mg/kg)Fig.11 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 35 ℃

土壤水分含量、銨態(tài)氮含量在蓄水坑灌水氮再分布階段由蓄水坑周邊至濕潤體邊緣呈現(xiàn)“高-中-低”的分布態(tài)勢[12]，而土壤硝態(tài)氮的再分布規(guī)律與水分、銨態(tài)氮不同，由蓄水坑周邊至濕潤體邊緣呈現(xiàn)“低-高-低”的分布態(tài)勢。這可能與蓄水坑周邊區(qū)域的水分含量較高，土壤通氣性較差有關系。王改玲[13]等研究認為水分含量由20%充水孔隙度(WFPS)增加到40%WFPS時，反應速度增加，水分含量增加到60%WFPS時反應速度略有降低；張樹蘭[14]等研究認為，陜西省3種主要耕作土壤在田間持水量(FHC)的60%時，硝化作用的最大速率最高，本試驗研究結果與已有結果相似。產生此現(xiàn)象的可能原因為硝化菌屬好氣性微生物，其活性受土壤中氮分壓的強烈影響，當土壤含水量過高時土壤中氮分壓顯著下降，從而降低了土壤硝化速率。

3 結 語

(1)蓄水坑灌各體系溫度下不同時間點的二維含水率等值線形狀呈近“鴨梨狀”。隨著時間的推移各溫度條件下垂向和徑向遷移距離均逐漸增大，并表現(xiàn)出蓄水坑壁附近土壤水分向遠離蓄水坑壁區(qū)域再分布、濕潤土體內含水率分布逐漸均一的現(xiàn)象。且溫度的升高能加快土壤水分的再分布速率，表現(xiàn)為高于本底土壤水分含量的區(qū)域范圍更廣、靠近蓄水坑壁區(qū)域同一位置(距離蓄水坑中心與地表距離均相同)的土壤含水率相對更低。

(2)蓄水坑灌體系溫度升高不僅能加快尿素水解反應的速率，同時可促進硝化反應進程、抑制銨態(tài)氮的積累；當溫度為25～35 ℃時， 15 d左右基本可完成尿素的水解過程；但體系溫度的升高對銨態(tài)氮的徑向遷移速率無顯著影響。

(3)低溫條件下土壤的硝化作用較弱，隨溫度的升高土壤硝化作用逐漸增強，硝化反應最適溫度為25～35 ℃；且當土壤中含水率過高時，將抑制其硝化反應進程。

[1] 梁 浩，胡克林，李保國，等.土壤-作物-大氣系統(tǒng)水熱碳氮過程耦合模型構建[J].農業(yè)工程學報，2014，30(24)：54-66.

[2] 周建斌，陳竹君，李生秀.土壤微生物量氮含量、礦化特性及其供氮作用[J]．生態(tài)學報，2001,21(10)：1 718-1 725.

[3] 孫西歡．蓄水坑灌法及其水土保持作用[J]．水土保持學報，2002，16(3)：130-131．

[4] 尹燕喆，馬娟娟，孫西歡，等．蓄水坑灌條件下復水對水氮運移規(guī)律的影響[J]．排灌機械工程學報，2013，31(10)：914-920．

[5] 馬娟娟，孫西歡，郭向紅，等．蓄水多坑入滲條件下土壤水分運動建模與試驗[J]．農業(yè)機械學報，2010，41(3)：46-51.

[6] 郭向紅，孫西歡，馬娟娟．降雨灌溉蒸發(fā)條件下蘋果園土壤水分運動數(shù)值模擬[J]．農業(yè)機械學報，2009，40(11)：68-73.

[7] 李京玲，孫西歡，馬娟娟，等.蓄水坑灌單坑土壤水分運動模型的有限體積法求解[J].農業(yè)機械學報，2011，42(5)：63-67.

[8] 高洪貝，邵明安.溫度對土壤水分運動參數(shù)的基本影響[J].水科學進展，2011，22(4)：484-494.

[9] 程東娟，趙新宇，費良軍.膜孔灌灌施尿素條件下氮素轉化和分布室內模擬試驗[J].農業(yè)工程學報，2009，25(12)：58-62.

[10] 費良軍，董玉云，朱興華.膜孔單點源肥液入滲濕潤體特性試驗研究[J].農業(yè)工程學報，2006，22(12)：78-81.

[11] BRADY N C. Nitrogen and sulfur economy of soils[C]∥ The nature and properties of soils. New Jersey： Prentice-Hall. Inc., 1999.

[12] 李京玲，馬娟娟，孫西歡，等.蓄水坑灌單坑土壤氮素遷移轉化的數(shù)值模擬[J].農業(yè)工程學報，2012，28(1)：111-117.

[13] 王改玲，陳德立，李 勇. 土壤溫度、水分和NH+4-N濃度對土壤硝化反應速度及N2O排放的影響[J].中國生態(tài)農業(yè)學報，2010,18(1)：1-6.

[14] 張樹蘭，楊學云，呂殿青，等．溫度、水分及不同氮源對土壤硝化作用的影響[J].生態(tài)學報，2002，22(12)：2 147-2 153.