吳 烽，張秫瑄，郭相平，曹克文，朱建彬，王易天

（河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

0 引 言

【研究意義】水分和氮素是影響作物生長(zhǎng)的2 個(gè)重要因素，當(dāng)前我國(guó)南方不少設(shè)施栽培區(qū)為提高產(chǎn)量而過量施加水肥，帶來水肥利用效率低下、作物品質(zhì)降低等問題[1]。同時(shí)，過量的水分會(huì)使肥料淋失進(jìn)入地下水，產(chǎn)生面源污染[2-3]。因此，制定合理的灌溉制度是我國(guó)設(shè)施栽培區(qū)節(jié)約用水和防治農(nóng)業(yè)面源污染的當(dāng)務(wù)之急?！狙芯窟M(jìn)展】在地下一定深度處埋設(shè)植物秸稈形成隔離層，能夠抑制水分入滲，增強(qiáng)表層土壤蓄水能力[4]，在地下25 cm 深度處鋪設(shè)秸稈隔層能夠優(yōu)化水鹽分布[5]，蔬菜種植結(jié)合秸稈施入可有效提高水分利用效率[6-8]，同時(shí)能減少硝態(tài)氮的淋溶損失[9-11]，從而達(dá)到節(jié)水保肥的效果。因此，秸稈施入或深埋措施可有效涵養(yǎng)土壤中的水分和肥力。但也有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈層以上土壤含水率超過一定閾值會(huì)加大滲漏量，降低田間水分利用效率[12]，同時(shí)增加面源污染風(fēng)險(xiǎn)?！厩腥朦c(diǎn)】故尋找秸稈隔層以上適宜的灌水上限以及設(shè)置秸稈隔層條件下的土壤水氮分布特征，對(duì)提高土壤水肥保持能力，控制面源污染具有重要意義。就目前研究來看，前人主要通過秸稈隔層來抑制土表返鹽，而針對(duì)秸稈隔層以上適宜的含水率閾值問題研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，設(shè)置秸稈埋深為25 cm，研究不同灌水上限對(duì)0～25 cm 土層水氮分布的影響，以期為秸稈隔離層深埋條件下的水肥控制提供一定理論支持和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019 年5—9 月在河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)用土取自園區(qū)內(nèi)，土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。試驗(yàn)前期將所取土壤風(fēng)干、磨碎并除去碎石雜物，通過2 mm 篩后混合均勻以備用。備用土樣干體積質(zhì)量為1.34 g/cm3，用環(huán)刀法測(cè)得土樣飽和土壤質(zhì)量含水率為43.7%，用威爾克斯法測(cè)得田間持水率為30.6%（質(zhì)量含水率），用烘干法測(cè)定備用土樣的初始含水率為1.2%（質(zhì)量含水率），用酚二磺酸比色法測(cè)定土樣的初始硝態(tài)氮量為1.4 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用圓柱形土柱為PVC 管道。高80 cm，直徑30 cm。在距離土柱上端20、30、40 cm 處設(shè)置1 層環(huán)繞的4 個(gè)取樣孔，取樣孔直徑為2 cm。在接近土柱底部處設(shè)置排水閥。裝土前在底部鋪設(shè)10 cm 砂石反濾層。將備用土樣按1.34 g/cm3的體積質(zhì)量從反濾層以上分層填裝。裝土?xí)r選擇每次控制深度為10 cm，壓實(shí)完畢梳毛整理表層之后再裝填下一層，以保證土層均勻接觸。土柱上部留15 cm 蓄水高度。

試驗(yàn)中隔離層處理使用干枯水稻秸稈，將其剪成3～5 cm 段狀。有秸稈層處理，從反濾層裝土至距土柱底部30 cm 處，均勻鋪設(shè)400 g，壓實(shí)之后秸稈層厚度為10 cm，即所鋪設(shè)秸稈密度為0.057 g/cm3，之后再填裝土25 cm。即秸稈埋深為25 cm。上方預(yù)留與無秸稈處理相同。

試驗(yàn)設(shè)2 個(gè)因素，即秸稈隔層和隔層以上土壤灌水上限。秸稈隔層分有、無秸稈2 個(gè)水平；灌水上限設(shè)飽和含水率（θs）、田間持水率（θf）、田間持水率的80%（0.8θf）3 個(gè)水平，共6 個(gè)處理。T1、T3 和T5 處理設(shè)置秸稈隔層，T2、T4 和T6 處理無秸稈隔層，T1、T2 處理設(shè)置灌水上限為θs，T3、T4 處理設(shè)置灌水上限為θf，T5、T6 處理設(shè)置灌水上限為0.8θf。每個(gè)處理重復(fù)3 次。試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

將尿素加入去離子水中進(jìn)行一維入滲試驗(yàn)，各處理入滲水的尿素質(zhì)量濃度均為0.48 g/L。灌完水后在土柱上方覆塑料薄膜防止蒸發(fā)。灌水量和施肥量情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) Table1 Experimental design

1.3 土樣采集與測(cè)定方法

灌水后2、4、6 d 通過取樣孔輪流取樣，保證取樣位置不重復(fù)，取樣位置距土表5、15、25 cm。入滲結(jié)束后，分別取0～5、5～15、15～25 cm 土樣。用烘干法測(cè)得土樣含水率，用紫外分光光度計(jì)測(cè)得硝態(tài)氮量。

儲(chǔ)水效率S（%）計(jì)算式為：

式中：VT為各處理入滲結(jié)束后土表以下0～25 cm 土層的儲(chǔ)水總量（L）；V0為灌水前0～25 cm 土層的初始含水量（L）；VI為各處理的灌水總量（L）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 和SPSS 分析數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤含水率的影響

圖2 為不同處理土壤含水率隨時(shí)間的變化。從圖2 可以看出，入滲2 d 后，灌水上限為非飽和含水率時(shí)，各處理未入滲至25 cm，此時(shí)隔層對(duì)土壤入滲和含水率情況無顯著影響。當(dāng)灌水上限達(dá)到飽和含水率θs時(shí)，隔層會(huì)顯著增加上部0～25 cm 土層土壤含水率，提高了土壤的保水能力。入滲4 d 后，T1 與T2處理各層含水率的差異性加大，T3 處理各層含水率高于T4 處理，T5 與T6 處理仍表現(xiàn)無顯著差異；入滲6 d 后，T1 與T2 處理、T3 與T4 處理含水率差異更為顯著，T5 處理各層含水率高于T6 處理。在同一灌水上限條件下，0～25 cm 土層含水率有秸稈處理顯著高于無秸稈處理，說明設(shè)置秸稈隔層能增加隔層以上土壤水的蓄留時(shí)間，抑制上層土壤水分的入滲。且灌水上限越高，入滲速率越快，隨著入滲的進(jìn)行有無秸稈隔層處理含水率的差異越明顯。故秸稈隔層和灌水上限的差異均能對(duì)土壤水分的分布產(chǎn)生顯著的影響。

2.2 不同處理對(duì)入滲水量的影響

各處理0～25 cm入滲6 d結(jié)束后的儲(chǔ)水狀況如表2 所示。由表2 可知，有秸稈隔層的T1、T3 和T5 處理的儲(chǔ)水量分別比無秸稈隔層的T2、T4 和T6 處理高40.7%、24.5%、15.4%（P＜0.05），說明在相同灌水上限條件下，秸稈隔層能減小水分入滲，顯著提高秸稈上層儲(chǔ)水量。設(shè)置秸稈隔層處理中，T1 處理儲(chǔ)水效率比T3、T5 處理分別低16.9%、19.2%（P＜0.05），說明設(shè)置秸稈隔層的情況下，低灌水上限處理秸稈隔層以上的儲(chǔ)水效率得到顯著提高。T3 與T5 處理儲(chǔ)水效率均接近90%，但未達(dá)到顯著水平。其原因是低灌水上限的條件下，秸稈隔層上部土壤為黏土，在相同水勢(shì)條件下，秸稈隔層的含水率低于黏土。而秸稈隔層毛管孔隙不發(fā)達(dá)，在低含水率條件下導(dǎo)水率較低，使得通過土-隔層界面的水流通量降低，抑制了秸稈隔層以上土壤水分入滲，提高了儲(chǔ)水效率。上述結(jié)果還表明，即使按照正常灌溉將灌水上限控制在田間持水率水平，秸稈隔層也能大幅減少水分向深層的運(yùn)移，提高土壤的保水性能。

圖2 不同處理0～25 cm 土層含水率分布情況Fig.2 Water distribution in 0～25 cm soil layer for different treatment

表2 不同處理入滲6 d 后的儲(chǔ)水狀況 Table 2 Water storage status of different treatments after infiltration for 6 days

由表2可以看出，無隔層條件下，灌水6 d后，T3處理0～25 cm土層灌溉水滲漏率為28.8%。而在隔層處理下為11%，與T4處理差異顯著。這與前述土壤含水率變化相一致。說明秸稈隔層具有抑制深層滲漏的效果。

多因素方差分析（表3）表明，秸稈隔層和灌水上限的差異對(duì)儲(chǔ)水量和儲(chǔ)水效率的影響均達(dá)到顯著水平（P＜0.05），且結(jié)合F值表3 可看出，秸稈隔層對(duì)儲(chǔ)水量和儲(chǔ)水效率的影響大于灌水上限的影響。

表3 SPSS 回歸分析F 值 Table 3 F value for regression analysis by SPSS

圖3 不同處理0～25 cm 土層硝態(tài)氮分布情況Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in 0～25 cm soil layer for different treatment

2.3 不同處理對(duì)硝態(tài)氮分布的影響

圖3 為不同處理硝態(tài)氮量變化。從圖3 可以看出，灌后2 d，T1、T2 處理入滲峰到達(dá)隔層位置，隔層以上土層硝態(tài)氮量表現(xiàn)為T1 處理>T2 處理（圖3（a））；當(dāng)入滲時(shí)間延長(zhǎng)至4 d，各處理入滲前鋒到達(dá)秸稈隔層，飽和上限時(shí)，表土（5 cm 處）硝態(tài)氮量表現(xiàn)為T1 處理>T2 處理，而中下層（15 cm 和25 cm 處）表現(xiàn)為T1 處理T4 處理，T5、T6 處理無顯著差異（圖3（b））。入滲6 d 后，T5 和T6 處理剖面整體硝態(tài)氮量均較高，且T5 處理顯著高于其他處理；上限為田間持水率時(shí)，T3 處理上層硝態(tài)氮量高于T4 處理，而下層較低；飽和含水率時(shí)，秸稈隔層處理量均較低，且T1處理顯著低于T2處理，淋溶損失現(xiàn)象明顯。

圖4 為入滲6 d 后各處理0～25 cm（隔層以上）土壤硝態(tài)氮量情況。由圖4 可知，各處理硝態(tài)氮量表現(xiàn)為T5 處理>T6 處理>T3 處理>T4 處理>T2 處理>T1處理，即隨著灌水上限的降低，土壤硝態(tài)氮量提高。在田間持水率和80%田間持水率時(shí)，設(shè)置秸稈層處理均提高了土壤硝態(tài)氮量。當(dāng)灌水上限低于田間持水率（T5和T6處理）時(shí)，0～25 cm的土壤硝態(tài)氮量較高，盡管施肥量低于前者，但硝態(tài)氮量顯著高于飽和含水率處理（T1 和T2 處理），T6 處理與田間持水率處理（T3 和T4 處理）持平，而T5 處理則顯著高于T3和T4 處理。表明抑制滲漏是減少硝態(tài)氮淋失的有效手段。尤其在低灌水上限時(shí)，效果更為明顯。

圖4 不同處理入滲6 d 后0～25 cm 土壤硝態(tài)氮總量 Fig.4 Nitrate content in 0～25 cm soil layer after 6 days for different treatment

3 討 論

土壤水分入滲主要與土壤孔隙的結(jié)構(gòu)形態(tài)和幾何特征有關(guān)，而層狀非均質(zhì)土壤較均質(zhì)土壤存在孔隙差異界面，由此表現(xiàn)為分層界面處的毛管障礙[13]，從而對(duì)土壤水分分布產(chǎn)生影響。在地下一定深度處設(shè)置秸稈隔層，由于隔層的存在使均質(zhì)土壤出現(xiàn)分層，隔層孔隙中的空氣不能完全排出或來不及排出入滲表面就被積水禁錮在土體內(nèi)部，形成封閉氣泡[14]，從而使土壤水分儲(chǔ)存在隔層上方。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)置秸稈隔層，可使不同灌水上限處理隔層以上儲(chǔ)水效率均顯著提高，這與趙永敢等[15]的研究結(jié)果相似。由此可見，秸稈隔層可有效抑制水分入滲，減少深層滲漏，提高水分利用效率。

當(dāng)計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水率不超過田間持水率時(shí)，土壤水將以毛管水的形式保持而不產(chǎn)生深層滲漏。但實(shí)際由于計(jì)劃濕潤(rùn)層含水率分布不均，即使計(jì)劃濕潤(rùn)層平均達(dá)到田間持水率時(shí)，由于土壤重力勢(shì)的存在，下層土壤含水率已超過田間持水率，故必然產(chǎn)生深層滲漏（如T4 處理）。或即使不超過田間持水率，但由于灌水后上部土壤含水率和水勢(shì)較高，仍然會(huì)產(chǎn)生滲漏（如T6 處理）。本試驗(yàn)以飽和含水率、田間持水率和80%田間持水率為灌水上限，分別模擬淹灌、正常地面灌溉和節(jié)水灌溉，研究發(fā)現(xiàn)，在灌水上限不大于田間持水率時(shí)，同一灌水條件下，設(shè)置隔層處理的儲(chǔ)水效率在灌水6 d 后可達(dá)89%（T5 處理）～91%（T3處理），較飽和含水率灌水上限高。這是因?yàn)榻斩捙c一般土壤相比，具有發(fā)達(dá)的非毛管大孔隙，而毛管孔隙率較低。在秸稈上層土壤含水率較低，或者供水不足時(shí)，相同土壤水勢(shì)條件下，秸稈含水率更小，水分集中于細(xì)小毛管內(nèi)，其導(dǎo)水率低于土壤，土壤—秸稈界面的水流通量下降，使灌溉水更多儲(chǔ)存在上層的土體中。但在高含水率情況下，大孔隙充水使其導(dǎo)水率快速增加，從而造成較多滲漏，故飽和含水率灌水上限上層儲(chǔ)水效率較田間持水率和80%田間持水率處理低，這與盧闖等[16]的研究結(jié)果相似。由此可見，只有當(dāng)灌水上限低于田間持水率時(shí)，結(jié)合設(shè)置秸稈隔層處理才可有效提高隔層以上儲(chǔ)水效率。

導(dǎo)致硝態(tài)氮運(yùn)移的主要因素包括過量灌溉[17]和土壤質(zhì)地[18]，本研究發(fā)現(xiàn)，上層土壤硝態(tài)氮量隨灌水上限的升高而降低，這是由于硝態(tài)氮易隨水分滲漏而淋失，與郭大應(yīng)等[19]和黨建友等[20]有關(guān)灌水量對(duì)硝態(tài)氮量的影響研究結(jié)果相似。而設(shè)置秸稈隔層處理（T3和T5 處理）上層土壤硝態(tài)氮量高于無秸稈隔層處理（T4 和T6 處理），這是由于秸稈隔層改變了土層剖面的土壤質(zhì)地，抑制了灌溉水入滲的同時(shí)減少了硝態(tài)氮的滲漏，故可起到一定的保肥作用。本研究中，低于田間持水率灌水上限設(shè)置秸稈隔層處理硝態(tài)氮量較高，而飽和含水率灌水上限結(jié)合秸稈隔層處理較其他處理均偏低，這是因?yàn)榈陀谔镩g持水率處理土層含水率較低，設(shè)置秸稈隔層盡管提高了含水率，但由于水分滲漏較少，故硝態(tài)氮大多被蓄留在隔層以上。而飽和含水率灌水上限處理灌水量較多導(dǎo)致土壤濕度較大，且設(shè)置的秸稈隔層進(jìn)一步提高了上層土壤含水率，故即使施肥量最高，但過高的水分促進(jìn)了土壤中硝態(tài)氮鹽的淋洗，且水分滲漏較多，從而導(dǎo)致隔層以上土壤中大量的硝態(tài)氮向下層遷移。因此，設(shè)置秸稈隔層時(shí)，為提高隔層的保肥能力，應(yīng)將灌水上限設(shè)置為田間持水率以下。

4 結(jié) 論

1）設(shè)置秸稈隔層處理能顯著提高隔層以上土壤含水率與入滲結(jié)束后的儲(chǔ)水量。入滲6 d 后有秸稈隔層處理的T1、T3 和T5 處理的儲(chǔ)水量分別比無秸稈隔層處理的T2、T4 和T6 處理高40.7%、24.5%、15.4%。

2）灌水上限設(shè)置為低于田間持水率處理時(shí)能顯著提高隔層以上儲(chǔ)水效率。尤其設(shè)置秸稈隔層處理中，T3 和T5 處理儲(chǔ)水效率達(dá)89.0%和91.3%，顯著高于T1 處理。

3）設(shè)置80%田間持水率灌水上限結(jié)合秸稈隔層處理不僅儲(chǔ)水效率最高，而且可有效抑制土壤硝態(tài)氮深層滲漏，提高隔層以上硝態(tài)氮量，可作為最優(yōu)節(jié)水保肥措施。