沈秉濤，王 妍，2，劉云根，2，張水琳

（1.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224；2.云南省山地農(nóng)村生態(tài)環(huán)境演變與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650224）

0 引 言

石漠化被喻為“地球癌癥”[1]，是發(fā)生在我國(guó)西南巖溶地區(qū)最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[2-4]。由于巖溶環(huán)境的地帶二元結(jié)構(gòu)特性，石漠化地區(qū)常存在地表、地下的雙層空間發(fā)育結(jié)構(gòu)。加之石漠化地區(qū)土層淺薄，在水流機(jī)械作用下，地表水易沿巖溶裂隙等通道攜帶泥沙下滲[5,6]，這一過程中存在的養(yǎng)分流失不僅加劇了土地退化，更為地下水安全帶來了新的隱患。相關(guān)研究表明，巖溶石漠化地區(qū)地表水硝態(tài)氮含量逐年上升，地下水硝態(tài)氮含量大體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)且遠(yuǎn)超天然背景濃度值（2 mg/L）[7-9]，而水體中硝態(tài)氮主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的含氮化肥，因此在石漠化修復(fù)治理過程中應(yīng)注意施肥處理對(duì)土壤水、氮分布的影響[8,9]。為解決石漠化地區(qū)水氮漏失這一問題，學(xué)術(shù)界提出了大量的修復(fù)技術(shù)和成熟的治理模式，通過工程措施整改土地結(jié)合篩選適宜植被修復(fù)土地是主要手段，但工程量大，也有通過簡(jiǎn)單的外源添加物來改善土壤理化性質(zhì)的技術(shù)手段，如綠肥改良、食用菌糠改良、糖廠濾泥及酒精廠廢棄物改良技術(shù)等等[10-14]，上述技術(shù)通過添加易獲得的產(chǎn)業(yè)廢棄物，在提升土壤養(yǎng)分的同時(shí)改變了土壤的理化性質(zhì)，提高了土壤水分含量，為后續(xù)植被修復(fù)打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)?；谏鲜觯瑥默F(xiàn)有農(nóng)業(yè)廢棄物中篩選應(yīng)用于石漠化土壤修復(fù)治理的措施，是高效便利且低廉的治理手段。

秸稈作為農(nóng)田廢棄物的一種，國(guó)內(nèi)年產(chǎn)量高達(dá)7 億多t，經(jīng)歷了從直接焚燒到綜合利用的過程演變，還田后不僅可以作為廉價(jià)易獲得的農(nóng)家肥，更可用于土壤理化性質(zhì)改良[15,16]。秸稈覆蓋可以顯著減少?gòu)搅髑治g，對(duì)比空白最高可減少氮流失85.56%[17,18]，秸稈深埋可有效阻礙水氮下滲[19]，而秸稈混摻即秸稈碎混還田，常出于粉碎還田增加養(yǎng)分的目的出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，而相關(guān)研究表明，將秸稈粉碎后與土壤均勻混合的秸稈混摻處理，在五年內(nèi)還可以顯著提升土壤比水容量、含水量及導(dǎo)水率，且效果優(yōu)于同時(shí)期的秸稈覆蓋處理，工程研究中還表明，秸稈作為纖維與土壤混合后可以顯著提升土壤抗剪性[20-23]。上述增肥、保水、固土的能力，使得秸稈混摻具有在石漠化地區(qū)進(jìn)行土壤改良的潛力?；谏鲜?，本試驗(yàn)取云南典型石漠化地區(qū)石林縣的土壤為試驗(yàn)材料進(jìn)行室內(nèi)土柱一維水肥入滲試驗(yàn)，探討灌溉施肥下秸稈混摻對(duì)石漠化土壤水分及硝態(tài)氮分布特征的影響，以期探查水氮分布對(duì)秸稈長(zhǎng)度、施加量的響應(yīng)規(guī)律，為后續(xù)石漠化修復(fù)治理提供試驗(yàn)支持和數(shù)據(jù)積累。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自云南省石林縣西街口鎮(zhèn)，取土深度為0～30 cm，土壤為堿性黃褐色石灰土，硝態(tài)氮含量27.16 mg/kg，取得的土壤經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎、去除雜質(zhì)后，過2 mm 篩后備用。石林縣是云南省昆明市遠(yuǎn)郊縣，地處云南省東部、昆明市東南部，屬于滇中平原的中心，其地域范圍為：東103°10′～103°41′，北緯24°30′～25°03′，土地面積約1 719 km2，縣境內(nèi)約有三分之二的巖溶地貌，石漠化土地面積占比重,約為286.33 km2，是“云南省巖溶地區(qū)石漠化綜合治理試點(diǎn)縣”[24,25]。

供試秸稈采用風(fēng)干后粉碎的小麥秸稈，秸稈混摻設(shè)置施加量、秸稈長(zhǎng)度兩種因素共12 試驗(yàn)處理[26]，影響因素為設(shè)置秸稈長(zhǎng)度和施加量，秸稈長(zhǎng)度水平分別為過0.2 mm 篩的秸稈粉末、長(zhǎng)1 cm 的秸稈碎屑、長(zhǎng)2 cm 秸稈段、長(zhǎng)3 cm 秸稈段，分別用A、B、C、D 代替，記均質(zhì)土為對(duì)照組CK，施加量水平為0.7%、1.4%、2.1%，具體見表1試驗(yàn)處理。

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental treatment

試驗(yàn)期間供試入滲肥液的溶質(zhì)肥料采用元素水溶肥，N、P2O5和K2O 的元素組成均為20%，產(chǎn)自中國(guó)農(nóng)資集團(tuán)，產(chǎn)品狀態(tài)為粉劑，水肥入滲試驗(yàn)時(shí)，將其溶解入去二氧化碳蒸餾水中制成濃度為0.2 g/L的肥液備用，見表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由供水系統(tǒng)與試驗(yàn)土柱組成，試驗(yàn)土柱材質(zhì)為高透明亞克力管，其規(guī)格為內(nèi)部直徑6 cm，高30 cm，土柱側(cè)端設(shè)有進(jìn)水孔，底部為蜂窩狀的底板，以模擬喀斯特石漠化地區(qū)水肥漏失的地質(zhì)條件，土柱外側(cè)由下自上貼有刻度標(biāo)識(shí)，頂部刻度數(shù)為30 cm，以便觀測(cè)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。如圖1所示，供水系統(tǒng)由馬氏瓶、橡膠軟管、止水夾和鐵架臺(tái)4 部分組成，馬氏瓶為供水裝置，負(fù)責(zé)提供恒定壓力水頭，在入滲過程中控制肥液的水位，馬氏瓶的外側(cè)自下而上貼有刻度標(biāo)示，以便在水肥入滲過程中觀測(cè)馬氏瓶中的水位讀數(shù)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of the test setup

1.3 試驗(yàn)方法與測(cè)定內(nèi)容

裝土?xí)r，將不同秸稈還田處理的土樣處理好后，以裝土容重為1.2 g/cm3，每5 cm 為一層，分層均勻裝入土柱，層間用毛刷進(jìn)行打毛處理，以避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)分層，裝填高度為25 cm。

水肥入滲試驗(yàn)采用一維定水頭垂直積水入滲的方法進(jìn)行，積水高度為5 cm，根據(jù)由密到疏的原則，記錄入滲時(shí)間分別為0、1、2、5、10、20、30、60、90、120、150、180、210 min 時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離和馬氏瓶水位讀數(shù)，入滲時(shí)間達(dá)到210min 時(shí)為入滲結(jié)束，立即停止馬氏瓶供水，設(shè)0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～25 cm 五層，用藥勺對(duì)土柱內(nèi)土體進(jìn)行分層取樣，取樣點(diǎn)間隔距離為4～5 cm，將取出的土樣裝入鋁盒以便后期測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所得土樣風(fēng)干兩周后，研磨過0.1 mm 孔徑土壤篩，采用KCl 浸提，紫外分光光度計(jì)進(jìn)行硝態(tài)氮含量測(cè)定[27]。對(duì)記錄的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及累積入滲量進(jìn)行計(jì)算，探討累積入滲量、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨入滲時(shí)間的變化規(guī)律。

1.4 數(shù)據(jù)分析

基于3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，以SPSS 25 進(jìn)行方差分析（ANOVA），鄧肯法（Duncan）進(jìn)行差異性顯著分析，Microsoft Excel 365 進(jìn)行繪圖。基于MATLAB R2021b 進(jìn)行入滲模型擬合，采用Philip 模型擬合石漠化地區(qū)土壤灌溉施肥下的水分入滲過程，相關(guān)研究表明對(duì)于250 min 以內(nèi)的水分入滲模型擬合，Philip 模型具有較高精度，且對(duì)累積入滲量計(jì)算的精度要求較高，對(duì)參數(shù)的靈敏性更強(qiáng)，本試驗(yàn)總?cè)霛B時(shí)間為210 min，符合公式要求，且進(jìn)一步提高了對(duì)試驗(yàn)參數(shù)精度的要求，Philip模型[28]具體的入滲公式為：

對(duì)入滲歷時(shí)t求導(dǎo)得式（2）：

當(dāng)入滲時(shí)間較短，土壤毛管吸附占主導(dǎo)時(shí)，Philip 公式可簡(jiǎn)化為：

式中：I（t）為累積入滲量，cm；i(t)為入滲速率，cm/min；S為吸滲率，cm/min0.5；A為穩(wěn)定入滲率，cm/min。

Philip 入滲模型，對(duì)于250 min 以內(nèi)的水分入滲模型擬合，具有較高精度，且對(duì)累積入滲量計(jì)算的精度要求較高，其中的吸滲率（S）反映土壤依靠毛管力吸收水分的能力，其大小與土壤結(jié)構(gòu)與空隙狀況有關(guān)[29,30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈混摻對(duì)石漠化地區(qū)土壤水分入滲特征的影響

2.1.1 秸稈施加量對(duì)土壤水分入滲特征的影響

對(duì)不同處理下的土柱及空白對(duì)照（CK）進(jìn)行持續(xù)時(shí)間210 min 的恒定壓力水頭入滲，由圖2 可知，同類型秸稈長(zhǎng)度下不同秸稈施加量濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及累計(jì)入滲量變化曲線隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減緩上升趨勢(shì)。在秸稈長(zhǎng)度A 處理下，隨秸稈施加量的增長(zhǎng)其濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與累計(jì)入滲量逐漸降低，處理組濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離隨時(shí)間逐漸減緩增長(zhǎng)趨勢(shì)，在入滲結(jié)束時(shí)，僅A1 處理達(dá)到25 cm 處，A2、A3 分別為24.5、18.7 cm；累計(jì)入滲量呈現(xiàn)CK＞A1＞A2＞A3 的趨勢(shì)，對(duì)比CK 減少23.32%、29.38%、46.06%。在秸稈長(zhǎng)度B 處理下，入滲結(jié)束時(shí)，僅B3 處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離未達(dá)到25 cm 處，只有13.61 cm，B2 及B1 處理在150、180 min 時(shí)達(dá)到入滲底部25 cm 處；累計(jì)入滲量與秸稈施加量成反比，表現(xiàn)為CK＞B1＞B2＞B3 的趨勢(shì)，對(duì)比CK 減少22.31%、34.44%、50.51%。在秸稈長(zhǎng)度C處理下，入滲結(jié)束時(shí)C2、C3 處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均未達(dá)到25 cm 處，且表現(xiàn)為C2＞C3，分別為21.5、16.5 cm；累計(jì)入滲量與秸稈施加量成反比，表現(xiàn)為CK＞C1＞C2＞C3 的趨勢(shì)，對(duì)比CK 減少5.07%、41.15%、59.32%。在秸稈長(zhǎng)度D 處理下，入滲結(jié)束時(shí)，各處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均未達(dá)到25 cm 處，且表現(xiàn)為隨秸稈施加量增長(zhǎng)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離降低的趨勢(shì)，即D1＞D2＞D3；累計(jì)入滲量同樣與秸稈施加量成反比，表現(xiàn)為CK＞D1＞D2＞D3，對(duì)比CK 減少41.86%、51.11%、57.05%。綜上所述，在同一秸稈長(zhǎng)度水平下，秸稈施加量與累積入滲量及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離成反比。

圖2 不同秸稈長(zhǎng)度下秸稈施加量對(duì)石漠化土壤水分入滲特征的影響Fig.2 Effects of straw application on water infiltration characteristics of rocky desertification soil under different straw lengths

2.1.2 秸稈長(zhǎng)度對(duì)石漠化地區(qū)土壤水分入滲特征的影響

如圖3所示，濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間運(yùn)移距離可反映水流在垂直一維入滲過程中的運(yùn)動(dòng)特征，累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可反映土壤水分入滲能力的差異。在施加量1處理下，30 min 之前各秸稈長(zhǎng)度處理存在濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線重合的現(xiàn)象，而在入滲中后期，相同入滲時(shí)間下，各處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均低于CK，如在90 min 時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離表現(xiàn)為CK＞C1＞B1＞A1＞D1,在入滲結(jié)束時(shí)僅D1 處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離未達(dá)到25 cm，運(yùn)移距離為20.6 cm；各處理對(duì)比CK，累計(jì)入滲量均減少，呈現(xiàn)出C1＞B1＞A1＞D1 的趨勢(shì),C1、B1、A1、D1 對(duì)比空白對(duì)照累計(jì)入滲量分別降低了5.07%、22.31%、23.32%、41.86%,其中A1、B1 為同一水平。在施加量2 處理下，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移曲線及累計(jì)入滲量變化曲線差異明顯，入滲時(shí)間為100 min、150 min時(shí)，CK及B2處理的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離達(dá)到25 cm，入滲結(jié)束時(shí)，其余處理濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離為A2＞C2＞D2，分別為24.5 cm、21.5 cm、17.7 cm；對(duì)于累計(jì)入滲量，各處理對(duì)比對(duì)照組均減少，呈現(xiàn)出A2＞B2＞C2＞D2 的趨勢(shì)，A2、B2、C2、D2 對(duì)比空白對(duì)照累計(jì)入滲量分別降低了29.38%、34.44%、41.15%、51.11%。在施加量3 處理下，各處理在入滲結(jié)束時(shí)均為達(dá)到25 cm 處，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離為A3＞C3＞D3＞B3，分別為18.7 cm、16.5 cm、15.5 cm、13.61 cm；對(duì)于累計(jì)入滲量，各處理對(duì)比對(duì)照組均減少，呈現(xiàn)出A3＞B3＞D3＞C3，對(duì)比CK 分別降低46.05%、50.51%、57.05%、59.32%。由此可知，當(dāng)土壤中添加秸稈后，累積入滲量與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離較對(duì)照組降低，其中在施加量1、2 下，D 秸稈對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及累積入滲量較對(duì)照組降低最多，并隨施加量增加而降低，最多降低51.11%。

圖3 不同秸稈施加量下秸稈長(zhǎng)度對(duì)石漠化土壤水分入滲特征的影響Fig.3 Effect of straw length on water infiltration characteristics of stoned soils at different straw application rates

2.2 秸稈混摻對(duì)Philip入滲模型參數(shù)的影響

2.2.1 秸稈施加量對(duì)Philip水分入滲模型參數(shù)的影響

由表2 可知Philip 入滲模型決定系數(shù)R2均在0.99 以上擬合程度高，可以很好的描述土壤添加秸稈后的入滲過程。由表3可知秸稈長(zhǎng)度各水平之間具有極顯著差異（P＜0.001），秸稈施加量處理各水平之間具有極顯著差異（P＜0.001），秸稈長(zhǎng)度與秸稈施加量的交互效應(yīng)也有極顯著差異（P＜0.001）。

表2 Philip入滲模型擬合參數(shù)Tab.2 Philip infiltration model fitting parameters

表3 秸稈長(zhǎng)度與施加量處理下吸滲率方差分析表Tab.3 Analysis of variance of straw length and permeability under applied treatment

相同秸稈長(zhǎng)度水平下不同秸稈施加量處理的石漠化土壤水分吸滲率如表4所示，秸稈長(zhǎng)度A 水平下，隨秸稈施加量的增加，吸滲率呈先上升后降低的趨勢(shì)，各處理吸滲率大小表現(xiàn)為CK＞A2＞A1＞A3，對(duì)比CK 分別降低3.26%、20.54%、44.55%，其中A2與空白對(duì)照CK為同一水平；秸稈長(zhǎng)度B水平下，隨秸稈施加量的增加，各處理吸滲率大小表現(xiàn)為B1＞CK＞B2＞B3，各處理間差異顯著，對(duì)比CK 分別增加11.96%，降低34.43%、39.95%；秸稈長(zhǎng)度為C 水平下，各處理吸滲率大小表現(xiàn)為C1＞CK＞C2＞C3，對(duì)比CK 增加35.62%，降低24.04%、30.68%，其中C2、C3 為同一水平；秸稈長(zhǎng)度D 水平下，各處理吸滲率大小表現(xiàn)為D1＞CK＞D2＞D3，對(duì)比CK 提高1.93%，降低47.21%、40.04%，其中D1、CK 為同一水平。由此可得，秸稈施加量處理下吸滲率變化規(guī)律表現(xiàn)為在多數(shù)情況下都表現(xiàn)為隨施加量增長(zhǎng)，吸滲率同比降低的趨勢(shì)，此外A 秸稈長(zhǎng)度水平較為獨(dú)特，其在隨施加量增長(zhǎng)中呈先上升后降低的獨(dú)特規(guī)律，而D 秸稈長(zhǎng)度處理在施加量到達(dá)2 后增長(zhǎng)趨勢(shì)停滯，對(duì)比施加量2施加量3僅降低13.55%。

表4 同水平秸稈長(zhǎng)度不同秸稈施加量處理下的吸滲率STab.4 Absorption rate of straw with different straw application treatment with different straw length of the same level

2.2.2 秸稈長(zhǎng)度對(duì)Philip水分入滲模型參數(shù)的影響

相同施加量水平下不同秸稈長(zhǎng)度處理的石漠化土壤水分吸滲率S如表5 所示，在施加量1 處理下，各處理吸滲率大小表現(xiàn)為C1＞B1＞D1＞CK＞A1， 對(duì)比CK 分別提高35.62%、11.96%、1.93%，降低20.54%，其中D1 處理與CK 為同一水平；在施加量2 處理下，各處理吸滲率大小表現(xiàn)為CK＞A2＞C2＞B2＞D2， 對(duì)比CK 分別降低3.26%、 24.04%、 34.43%、47.21%，其中A2與CK為同一水平；在施加量3處理下，各處理吸滲率大小表現(xiàn)為CK＞C3＞B3＞D3＞A3,對(duì)比CK 分別降低30.68%、39.95%、40.04%、44.55%，其中A3、B3、D3 處理為同一水平。綜上所述，D長(zhǎng)度秸稈在多數(shù)情況下，吸滲率低于大多處理，而在施加量3 下，A3、B3、D3 三種處理吸滲率S為同一水平。

表5 同水平秸稈施加量不同秸稈長(zhǎng)度處理下的吸滲率STab.5 Seepage absorption rate under different straw length treatment with the same horizontal straw application

2.3 灌溉施肥下秸稈混摻對(duì)石漠化地區(qū)土壤硝態(tài)氮分布特征的影響

2.3.1 秸稈施加量處理對(duì)石漠化地區(qū)土壤硝態(tài)氮分布特征的影響

同種秸稈長(zhǎng)度水平下不同秸稈施加量在水肥入滲時(shí)不同土層深度土壤硝態(tài)氮分布特征如圖4 所示，其中CK 呈先降低后上升的趨勢(shì)，硝態(tài)氮含量自0～5 cm 處65.50 mg/kg 開始，在10～15 cm 處降至最低49.21 mg/kg，隨后在20～25 cm 處升至最高74.85 mg/kg。A長(zhǎng)度水平下各施加量處理在濕潤(rùn)鋒運(yùn)移范圍內(nèi)硝態(tài)氮含量隨土層深度增加均呈先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在各土層深度下硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為A1＞A2＞A3，同土層深度A長(zhǎng)度水平下極大極小值差值可達(dá)47.55 mg/kg，組內(nèi)對(duì)比CK 最高上升33.19%于15 cm 處，最高降低63.71%于25 cm 處，且在15 cm 處各處理硝態(tài)氮含量均高于CK，施加量的增長(zhǎng)還減緩了5～10 cm 區(qū)間硝態(tài)氮變動(dòng)的幅度，表現(xiàn)為線條更平緩。B長(zhǎng)度水平下，隨土層深度增加B1、B2 硝態(tài)氮含量呈先降低后升高的趨勢(shì)，B3 則持續(xù)增長(zhǎng)至15 cm 處后降低至土壤本底值，B 水平處理下僅B3 在15 cm 處硝態(tài)氮含量高于CK11.86%，且在10～15 cm 范圍內(nèi)B3 處理硝態(tài)氮高于B1、B2，施加量的增長(zhǎng)使得5～10cm 范圍內(nèi)硝態(tài)氮含量變動(dòng)幅度降低。C 長(zhǎng)度水平下，隨土層深度增加C2、C3 硝態(tài)氮含量呈先增長(zhǎng)后在濕潤(rùn)鋒附近降低的趨勢(shì)，僅C3與CK相同呈降低后升高的趨勢(shì)，各土層深度下C 長(zhǎng)度水平處理硝態(tài)氮含量大都低于CK，僅C3處理在10、15、20 cm 處均高于CK，且在15 cm 處對(duì)比C1C2 差距最大，對(duì)比CK 提高了44.7%，施加量的增長(zhǎng)亦使得5～10 cm范圍內(nèi)硝態(tài)氮變動(dòng)幅度降低。D 長(zhǎng)度水平下，隨土層深度增長(zhǎng)，D2、D3呈緩慢增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，D1則呈先降低后緩慢升高的趨勢(shì)，但各處理在各土層內(nèi)均有部分深度土層硝態(tài)氮高于CK，且在15 cm 處這一現(xiàn)象更加顯著，此外施加量的增長(zhǎng)亦使得5～10 cm 范圍內(nèi)硝態(tài)氮變動(dòng)幅度降低。綜上所述，各處理在濕潤(rùn)鋒到達(dá)的范圍內(nèi)其硝態(tài)氮含量，大都隨土層深度增加呈先降低后上升的趨勢(shì)，施加量的增長(zhǎng)減弱了降低這一趨勢(shì)，B、C、D 長(zhǎng)度秸稈各土層硝態(tài)氮含量隨施加量增長(zhǎng)而增加，且施加量的增長(zhǎng)提高了土層中部15 cm 的硝態(tài)氮含量，硝態(tài)氮集中在土壤表層5 cm 處及濕潤(rùn)鋒底端。值得一提的是A長(zhǎng)度秸稈水平下施加量與各土層硝態(tài)氮含量成反比，但對(duì)比CK 土層中部即15 cm 處硝態(tài)氮含量均有所提高，此外施加量的增長(zhǎng)使得5～10 cm范圍內(nèi)硝態(tài)氮變動(dòng)幅度降低。

圖4 不同秸稈長(zhǎng)度下秸稈施加量對(duì)石漠化土壤硝態(tài)氮分布特征的影響Fig.4 Effects of straw application amount on the distribution characteristics of nitrate nitrogen in rocky desertification soil under different straw lengths

2.3.2 秸稈長(zhǎng)度處理對(duì)石漠化地區(qū)土壤硝態(tài)氮分布特征的影響

同種秸稈施加量水平下不同秸稈長(zhǎng)度在水肥入滲時(shí)不同土層深度土壤硝態(tài)氮分布特征如圖5 所示，其中CK 變化規(guī)律同2.3.1 所述。施加量1 水平下，隨土層深度增加各處理硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，各土層深度下土壤硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為A1＞D1＞C1＞B1，施加量1 水平下僅A1、D1在個(gè)別土層深度下硝態(tài)氮含量高于CK，D1在15 cm 處對(duì)比CK提高3.74%，A1 在10～20 cm 范圍內(nèi)對(duì)比CK 最高提升33.19%。施加量2 水平下，各處理土壤硝態(tài)氮含量在5～15 cm 范圍內(nèi)變動(dòng)幅度較小且均表現(xiàn)為D2＞A2＞C2＞B2 的趨勢(shì)，而后在20 cm處發(fā)生轉(zhuǎn)折，A2B2持續(xù)增長(zhǎng)，C2、D2則降低至本底值，各處理硝態(tài)氮含量?jī)HA2 和D2 分別在15～20 cm、10～20 cm 范圍內(nèi)高于CK，對(duì)比CK，各處理中D2在15 cm處硝態(tài)氮含量提升最大，提高了21.66%。施加量3 水平下，隨土層深度增加各處理土壤硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為逐漸增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，且在5～15 cm 范圍內(nèi)各土層硝態(tài)氮含量大小表現(xiàn)為C3＞D3＞B3＞A3 的趨勢(shì)，各處理在15 cm 處硝態(tài)氮含量均高于CK，其中C3 表現(xiàn)最為突出，對(duì)比CK 提高了44.7%，同深度下A3 提升最低僅2.53%。綜上所述，其中秸稈長(zhǎng)度對(duì)硝態(tài)氮分布規(guī)律的影響各有差異，但A、D 長(zhǎng)度秸稈在不同施加量下對(duì)比CK 均提高了土層中部15 cm處的硝態(tài)氮含量。

圖5 不同秸稈施加量下秸稈長(zhǎng)度對(duì)石漠化土壤硝態(tài)氮分布特征的影響Fig.5 Effects of straw length on nitrate nitrogen distribution characteristics of rocky desertification soil under different straw application amounts

3 討 論

3.1 秸稈混摻對(duì)累積入滲量及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的影響

試驗(yàn)表明，秸稈混摻在水肥入滲中對(duì)土壤水分下滲起阻滯作用，對(duì)比空白對(duì)照，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與累計(jì)入滲量均降低。其中秸稈施加量與累計(jì)入滲量及濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均成反比，隨施加量增加，兩者均降低，這一趨勢(shì)與齊江濤等人的試驗(yàn)結(jié)果不謀而合[30]，究其原因，秸稈混摻下秸稈施加量的上升，降低了土壤孔隙，阻礙了水分入滲，使?jié)駶?rùn)鋒與入滲量都相應(yīng)降低。而秸稈長(zhǎng)度對(duì)累計(jì)入滲量與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離的影響各有差異，但其中D 長(zhǎng)度下的秸稈處理對(duì)水分下滲抑制最為明顯，各施加量下累積入滲量對(duì)比CK 最高降低41.86%、51.11%、57.05%，這一現(xiàn)象與王珍等[31]人研究結(jié)論一致，究其原因，長(zhǎng)秸稈對(duì)比其他秸稈長(zhǎng)度處理占據(jù)更大空間，阻斷了土壤水分流通的毛管孔隙，減少了水分下滲通道，使得累計(jì)入滲量與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離同步降低[30]。此外在施加量1 水平下A、B、C 秸稈長(zhǎng)度處理均在180 min 時(shí)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離達(dá)到了25 cm，且其中A1、B1 處理的累計(jì)入滲量為同一水平，表明秸稈粉末及秸稈碎屑的微量加入對(duì)累積入滲量影響不大。

3.2 秸稈還田對(duì)入滲模型擬合參數(shù)的影響

在對(duì)秸稈混摻的水肥入滲過程的模擬試驗(yàn)中，Philip 入滲模型決定系數(shù)R2均在0.99 以上，擬合程度高，可以很好的描述土壤添加秸稈后的入滲過程。在210 min 的入滲時(shí)間內(nèi)，入滲主要受毛管力和重力共同作用下的滲透階段，對(duì)于Philip 入滲模型，其中的吸滲率（S）反映土壤依靠毛管力吸收水分的能力，其大小與土壤結(jié)構(gòu)與空隙狀況有關(guān)，可在本試驗(yàn)中描述秸稈混摻對(duì)土壤孔隙的影響[28,29]。對(duì)于秸稈施加量處理，施加量1顯著提升了B、C、D的吸滲率，有助于水分入滲，對(duì)比CK 分別增長(zhǎng)11.99%、35.65%、1.89%，隨著施加量增加，各處理組吸滲率均降低，說明毛管力對(duì)土壤中水分的吸收能力減弱，究其原因，秸稈施加量的增加使得土壤結(jié)構(gòu)緊密，孔隙減少，從而導(dǎo)致毛管吸水對(duì)水的吸滲效果減弱[31-33]。對(duì)于秸稈長(zhǎng)度處理，吸滲率S的響應(yīng)各有差異，而其中D 秸稈長(zhǎng)度水平在多數(shù)情況下，都表現(xiàn)出降低吸滲率的趨勢(shì)，究其原因，D秸稈長(zhǎng)度為3 cm 長(zhǎng)秸稈段，對(duì)比其余長(zhǎng)度處理在同樣施加量下有更大體積，對(duì)土壤孔隙影響更顯著[30]。

3.3 秸稈混摻在灌溉施肥下對(duì)土壤硝態(tài)氮分布的影響

在灌溉施肥下，本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，各處理與CK 在不同土層的硝態(tài)氮濃度呈先降低再升高的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象與費(fèi)良軍等人的田間試驗(yàn)中，0～30 cm 土壤硝態(tài)氮分布規(guī)律相同，究其原因，硝態(tài)氮帶有負(fù)電荷，且與帶負(fù)電荷的土壤膠體團(tuán)粒互相排斥，故隨水分下滲逐漸向下轉(zhuǎn)移[34]。此外試驗(yàn)還表明，5～10 cm 范圍硝態(tài)氮變動(dòng)幅度，隨施加量增長(zhǎng)而減小，這表明施加量的改變影響了硝態(tài)氮的垂直分布規(guī)律，推測(cè)秸稈施加量的增加提高了土壤緊實(shí)度，表層土壤膨脹減弱，孔隙降低，使得表層土壤硝態(tài)氮濃度相對(duì)降低[32]，Bouhicha[35]等人試驗(yàn)表明，秸稈的施加量與長(zhǎng)度的增加可以顯著提升土壤抗剪強(qiáng)度，降低土體收縮率，結(jié)合上述推論及已有研究不難得出，秸稈施加量的增長(zhǎng)提升了土的粘聚力和內(nèi)摩阻力，降低土體形變，使得對(duì)比下層土體，表層吸水膨脹更劇烈，帶來的土壤孔隙更多，硝態(tài)氮含量越高。

此外，施加量在B、C、D 三長(zhǎng)度處理下，10 cm～濕潤(rùn)鋒運(yùn)移范圍內(nèi)硝態(tài)氮含量與施加量成正比，推測(cè)是因?yàn)榻斩捠┘恿康脑鲩L(zhǎng)使得肥液運(yùn)移速率降低的同時(shí)，原本隨肥液運(yùn)移的硝態(tài)氮，逐漸積累在濕潤(rùn)鋒附近，不同于B、C、D 長(zhǎng)度水平，對(duì)比CK，A 長(zhǎng)度水平在施加量1、2 下各土層硝態(tài)氮含量大都高于CK，且隨施加量增長(zhǎng)，土層內(nèi)硝態(tài)氮含量降低，推測(cè)是A 長(zhǎng)度水平為過0.1 mm 篩的秸稈粉末，具有體積小表面積大的特點(diǎn)，對(duì)硝態(tài)氮產(chǎn)生了吸附作用，在土壤硝態(tài)氮測(cè)量，風(fēng)干研磨過篩的過程中，吸附有硝態(tài)氮的粉末狀秸稈極易散失，故隨秸稈粉末施加量增長(zhǎng)，硝態(tài)氮含量降低，無(wú)獨(dú)有偶，李榮華等試驗(yàn)表明小于0.1 mm 粒徑的秸稈粉末出現(xiàn)了吸附現(xiàn)象，亦有研究表明農(nóng)業(yè)廢棄物不經(jīng)化學(xué)改性亦具有一定的吸附能力，其中就包含秸稈，此類農(nóng)業(yè)廢棄物還呈現(xiàn)粒徑越小，比表面積就越大，吸附就越容易進(jìn)行的現(xiàn)象[36-42]，但就長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，秸稈粉末吸附氮素的現(xiàn)象對(duì)生產(chǎn)有利，其吸附氮素后會(huì)逐漸分解緩慢向土壤釋放氮素，減少了氮素以硝態(tài)氮形式流失。其余秸稈長(zhǎng)度處理對(duì)硝態(tài)氮的分布影響主要體現(xiàn)在長(zhǎng)秸稈占據(jù)更大空間，變相提高了土體容重，降低土壤孔隙，降低水分下滲速率，給硝態(tài)氮滯留創(chuàng)造條件，而A 長(zhǎng)度秸稈由于其小體積、大表面積的構(gòu)造，其對(duì)肥液硝態(tài)氮的吸附為主要作用[31,36]。

3.4 秸稈粉碎還田對(duì)石漠化修復(fù)治理的潛力

試驗(yàn)表明，秸稈混摻在對(duì)石漠化地區(qū)土壤灌溉施肥的過程中，對(duì)水分、養(yǎng)分下滲具有阻滯作用，在相同入滲時(shí)間內(nèi)，秸稈還田處理組濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離均低于空白對(duì)照CK，在100 min 時(shí)對(duì)比CK 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離降低17.4%～63.88%，在結(jié)束入滲時(shí)，累積入滲量對(duì)比CK降低5.07%～59.31%，對(duì)入滲模型參數(shù)S吸滲率的表現(xiàn)為在低施加量時(shí)提升后隨施加量增長(zhǎng)少，對(duì)于硝態(tài)氮分布規(guī)律而言，秸稈加入使得氮素減少了向下運(yùn)移的效率，且提高了土壤穩(wěn)定性，結(jié)合其余學(xué)科內(nèi)秸稈對(duì)土體的影響，秸稈混摻表現(xiàn)出其抗侵蝕，穩(wěn)氮素的特性。秸稈的加入在前期維持了土體強(qiáng)度和土層氮素，減少了在石漠化淺薄土層條件下的氮素流失，隨時(shí)間推移秸稈逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)分，其腐解后為植物根系延伸提供了通道，提升了養(yǎng)分含量。綜合來看，秸稈混摻對(duì)石漠化治理具有應(yīng)用潛力，應(yīng)搭配合理的灌溉養(yǎng)護(hù)，以期在不同地勢(shì)條件下都能達(dá)到預(yù)期治理目標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于水分入滲過程，施加量與濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離及累積入滲量成反比，秸稈長(zhǎng)度處理中，D長(zhǎng)秸稈對(duì)入滲的阻礙最為明顯，各施加量下累積入滲量對(duì)比CK 最高降低41.86%、51.11%、57.05%。

（2）Philip 入滲模型決定系數(shù)R2均在0.99 以上擬合程度高，其中施加量對(duì)吸滲率的影響趨勢(shì)大都表現(xiàn)為降低，對(duì)比施加量1 水平，增長(zhǎng)至施加量3 水平時(shí)，各處理中吸滲率最小降低31.11%，最大降低48.92%，其余秸稈長(zhǎng)度的對(duì)吸滲率的影響表現(xiàn)為隨秸稈長(zhǎng)度增加，吸滲率降低的趨勢(shì)，其中施加量3 下A3、B3、D3 為同一水平，表明施加量3 下，秸稈長(zhǎng)度對(duì)其影響減弱。

（3）灌溉施肥下秸稈施加量的增長(zhǎng)降低了土體形變，使得對(duì)比下層土體，表層吸水膨脹更劇烈，硝態(tài)氮含量愈高，同時(shí)提升了B、C、D 長(zhǎng)度5 cm 以下土深的硝態(tài)氮含量。B、C、D 秸稈長(zhǎng)度對(duì)硝態(tài)氮分布影響歸因于降低土壤孔隙，阻滯硝態(tài)氮向下運(yùn)移，而A 秸稈粉末不同，其隨施加量增長(zhǎng)硝態(tài)氮含量降低，歸因于其本身的吸附能力。