華北平原大孔隙優(yōu)先流對(duì)農(nóng)田氮素淋溶的影響*

曾 輝，溫 娜，張建豐，張 杰，胡克林，劉 剛**

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100193； 2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 西安 710048)

氮素是作物生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素，土體中氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程十分復(fù)雜，主要包括4 種化學(xué)形態(tài)：有機(jī)氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮(硝酸鹽和亞硝酸鹽氮)和氣態(tài)氮[1]，其中硝態(tài)氮易隨水移動(dòng)，發(fā)生淋洗，通過(guò)蟲洞等大孔隙的水分和氮素能夠更快地運(yùn)移到土體深層，造成氮肥損失和地下水污染，因此研究大孔隙優(yōu)先流對(duì)于土體中的水氮運(yùn)移具有重要意義。

農(nóng)田中的大孔隙是由植物根系、動(dòng)物洞穴等土壤生物活動(dòng)和干濕交替、地下水流等土壤物理過(guò)程造成的孔隙[2]。優(yōu)先流是指流體、氣體或者溶質(zhì)繞過(guò)大部分多孔系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)先通道移動(dòng)的現(xiàn)象[3-5]。大孔隙對(duì)于土壤中水分運(yùn)動(dòng)的影響是土壤學(xué)中一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題[6]。眾多學(xué)者結(jié)合染色示蹤與土壤剖面染色圖像處理在不同研究區(qū)域?qū)Σ煌愋屯寥纼?yōu)先流與水分下滲及其影響因素進(jìn)行了大量研究。Kramers 等[7]通過(guò)在不同草地土壤進(jìn)行染色示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入滲前土壤含水量對(duì)于有大孔隙土壤的水分運(yùn)動(dòng)存在影響； 徐宗恒等[8]利用亞甲基藍(lán)染色劑示蹤和圖像處理法，研究了優(yōu)先流染色面積、路徑數(shù)量、入滲深度等因素的關(guān)系與變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)染色總面積與優(yōu)先流發(fā)育情況有密切關(guān)系。另一方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)田間試驗(yàn)和模型模擬研究了大孔隙優(yōu)先流對(duì)于土體硝態(tài)氮淋洗的影響，但定量化研究土壤大孔隙優(yōu)先流對(duì)于農(nóng)田作物生長(zhǎng)中土壤水氮運(yùn)移的研究仍較少。Fishkis 等[9]研究探討了在含硝酸鹽污染地下水的沙質(zhì)農(nóng)田中優(yōu)先流與非吸附溶質(zhì)運(yùn)移的相關(guān)性； Hussain 等[10]研究了土壤大孔隙連通性對(duì)氮變化的影響； Cheng 等[11]采用原狀土柱和填充土柱，研究了優(yōu)先流對(duì)硝態(tài)氮運(yùn)移的影響；呂文星[12]通過(guò)土柱的硝態(tài)氮穿透曲線，系統(tǒng)研究了三峽庫(kù)區(qū)3 種土地利用方式[荒地、玉米(Zea mays L.)地、柑橘(Citrus reticulata Blanco.)地]土壤優(yōu)先流及硝態(tài)氮運(yùn)移特征。上述研究結(jié)果表明，大孔隙優(yōu)先流加速了硝態(tài)氮在土壤中的運(yùn)移，但研究都未對(duì)大孔隙進(jìn)行定量化以及未考慮農(nóng)田作物和氣候條件的影響。Larsson 等[13]通過(guò)MACRO-SOILN 耦合模型，研究了大孔隙流對(duì)結(jié)構(gòu)性土壤中硝態(tài)氮淋洗的影響，但該研究對(duì)于大孔隙流的劃分是通過(guò)土壤水力傳導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)的，不能定量化大孔隙對(duì)硝態(tài)氮淋洗的影響。

田間管理直接影響了作物生長(zhǎng)以及氮素運(yùn)移。傳統(tǒng)施肥模式普遍存在氨揮發(fā)、氮素徑流損失和淋洗等問(wèn)題，造成環(huán)境污染且肥料利用率低[14]。合理施肥可以提高養(yǎng)分利用率，減少肥料損失，降低成本。土壤中的硝態(tài)氮隨水分運(yùn)移，合適的灌溉量對(duì)于作物生長(zhǎng)和水氮運(yùn)移至關(guān)重要，因此探究大孔隙存在下不同施肥、灌溉方式和強(qiáng)降雨對(duì)硝態(tài)氮淋洗的影響，通過(guò)模型定量研究大孔隙存在、不同施肥灌溉方式、強(qiáng)降雨條件下農(nóng)田土體中水氮運(yùn)移的情況，對(duì)于農(nóng)民農(nóng)事管理具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。土壤水熱碳氮過(guò)程耦合模型(WHCNS，soil water heat carbon nitrogen simulator)是梁浩等[15]借鑒國(guó)內(nèi)外土壤-作物模型研發(fā)的適用于模擬大孔隙存在下農(nóng)田水氮運(yùn)移、作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵過(guò)程，及模擬降雨、施肥和灌溉等因素對(duì)于土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移影響的模型。Zhang 等[16]利用河北省定州市大棚蔬菜地兩年的野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)，成功地校準(zhǔn)和驗(yàn)證了WHCNS 模型。本研究通過(guò)田間原位提取蟲洞(蚯蚓洞)形態(tài)，并將統(tǒng)計(jì)的蟲洞平均直徑、長(zhǎng)度等數(shù)量特征計(jì)算得到的土壤大孔隙度參數(shù)輸入至WHCNS 模型中，定量化模擬大孔隙優(yōu)先流對(duì)于農(nóng)田土壤硝態(tài)氮淋洗的影響。同時(shí)本研究將利用改進(jìn)的自動(dòng)雙環(huán)入滲儀進(jìn)行田間亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)，研究大孔隙優(yōu)先流對(duì)于土體中水分運(yùn)移的影響[17]，并借助WHCNS 模型模擬華北平原冬小麥(Triticum aestivum L.)-夏玉米輪作體系在存在大孔隙下，強(qiáng)降雨、施肥和灌溉情景下土壤水氮運(yùn)移的情況，旨在為該地區(qū)水肥管理措施優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市海淀區(qū)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)科學(xué)園(116°18′E，39°57′N)和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站(116°18′E，39°57′N)，兩個(gè)地點(diǎn)相距約 20 km。研究區(qū)地處華北北部山前沖積平原區(qū)，為暖濕帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候區(qū)。年均氣溫11.5 ℃，年平均降雨量640 mm，降雨主要集中于夏季(6—8月)，夏季降水占年總降水量的70%，夏季雨水多，春秋干旱，冬季寒冷，年蒸發(fā)量1800～2000 mm?？茖W(xué)園0～100 cm 土壤機(jī)械組成含砂粒42.4%，粉粒54.0%，黏粒3.6%； 有機(jī)質(zhì)含量為10.5 g·kg?1。上莊實(shí)驗(yàn)站0～100 cm 土壤機(jī)械組成含砂粒84.2%，粉粒14.0%，黏粒1.8%； 有機(jī)質(zhì)含量為6.4 g·kg?1。

1.2 研究方法

1.2.1 染色示蹤試驗(yàn)

耕作方式是影響土壤大孔隙優(yōu)先流的重要因素。本研究選取免耕處理的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園和旋耕處理的上莊實(shí)驗(yàn)站兩個(gè)地塊進(jìn)行亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)。科學(xué)園地塊前茬收獲玉米后移除秸稈，免耕播種白菜[Brassica pekinensis (Lour.) Rupr.]； 上莊地塊前茬小麥?zhǔn)斋@后移除秸稈，旋耕土壤10?15 cm 后種植玉米。試驗(yàn)選取地表較為平整干凈、雜草較少、能夠明顯觀察到蟲洞且地表具有一定蚯蚓分泌物的地塊進(jìn)行試驗(yàn)。其中，科學(xué)園有9 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，上莊8 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖1 所示。染色示蹤試驗(yàn)前需要平整樣地，除去雜草等干擾因素。本研究用馬氏瓶結(jié)合雙環(huán)入滲儀測(cè)定土壤水分入滲，將環(huán)嵌入土體10 cm 深處，以保證環(huán)內(nèi)水分的垂直入滲[17]。進(jìn)行亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)時(shí)，將配置好的4 g·L?1濃度的亮藍(lán)液加入內(nèi)環(huán)，作為水分入滲測(cè)定和剖面染色的溶液，外環(huán)加入清水，試驗(yàn)中記錄內(nèi)環(huán)容器中水量的變化[18]。入滲結(jié)束24 h 后，從內(nèi)環(huán)切線開始，徑向內(nèi)環(huán)四等分處挖掘垂直剖面，每個(gè)入滲點(diǎn)挖掘5 個(gè)剖面，修正剖面后放置標(biāo)尺并用數(shù)碼相機(jī)拍照。

1.2.2 圖像處理

1)圖片校正： 由于拍攝角度的原因，會(huì)引起圖片變形，因此使用Photoshop 軟件的透視裁剪工具，根據(jù)圖片中放置的折疊尺組成的矩形框，對(duì)扭曲的照片進(jìn)行校正，同時(shí)將多余的圖片區(qū)域裁剪掉。

2)染色面積統(tǒng)計(jì)： 染色面積由ImageJ 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。經(jīng)Photoshop 軟件校正后的圖片，通過(guò)Analyze的Set Scale 功能設(shè)置比例尺，根據(jù)標(biāo)注的比例尺確定照片的實(shí)際尺寸。然后調(diào)整圖片格式為RGB color，為了將圖片分為染色區(qū)與未染色區(qū)兩部分，打開Adjust 的 Threshold 窗 口，調(diào) 節(jié) Hue (色 度)、Saturation (飽和度)與Brightness (亮度)，使得染色區(qū)域被完全選中。進(jìn)一步利用Process 中Binary 功能對(duì)圖片進(jìn)行二值化處理，將圖片轉(zhuǎn)化為僅有黑白兩種顏色的二值化圖。最后通過(guò)Analyze 的Measure測(cè)量功能統(tǒng)計(jì)染色區(qū)域的面積。

1.2.3 WHCNS 模型模擬

本研究在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園和上莊實(shí)驗(yàn)站通過(guò)灌注法(灌注熔融高純度金屬錫)提取蟲洞形態(tài)，提取的實(shí)物分別如圖2a 和2b 所示，進(jìn)一步導(dǎo)入三維掃描儀(天遠(yuǎn)三維掃描儀OKIO-5M)，得到蟲洞的三維結(jié)構(gòu)，圖2c 展示的是圖2a 中提取的科學(xué)園蟲洞形態(tài)經(jīng)三維掃描儀處理的蟲洞三維結(jié)構(gòu)圖。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)1 m2蚯蚓洞個(gè)數(shù)平均為1.24 個(gè)，直徑平均為6.63 mm，長(zhǎng)度平均為118.66 mm，因此本研究在應(yīng)用WHCNS模型模擬蟲洞對(duì)土體中氮運(yùn)移的影響時(shí)，假定1 m2內(nèi)1 個(gè)蟲洞(直徑為7 mm，長(zhǎng)度為100 mm)。

WHCNS 模型主要包括土壤水分運(yùn)動(dòng)、氮素運(yùn)移與轉(zhuǎn)化、土壤熱傳導(dǎo)、有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)、作物生長(zhǎng)、氣象和田間管理等模塊[15]。大量研究工作驗(yàn)證了WHCNS 的適用性。目前該模型成功模擬了華北地區(qū)冬小麥和夏玉米輪作系統(tǒng)的水氮運(yùn)移過(guò)程[19]；Liang 等[20]模擬了荒漠綠洲中不同灌溉和氮管理方式下的排水和硝態(tài)氮淋溶； Liang 等[21]將WHCNS 和LIXIM(簡(jiǎn)化的凈礦化模型)相結(jié)合，研究了不同水稻(Oryza sativa L.)田系統(tǒng)在不同氮肥管理措施下水氮資源利用率和作物產(chǎn)量； Li 等[22]借助WHCNS 模擬不同綜合管理措施下硝態(tài)氮淋失量和水利用效率等指標(biāo)； Liang 等[23]評(píng)估了在集約化溫室蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中，不同氮管理實(shí)踐下的硝酸鹽和溶解有機(jī)氮淋洗。本研究利用WHCHS 模型模擬大孔隙存在下土壤氮素的運(yùn)移。模擬土壤的水力學(xué)參數(shù)如表1 所示，其中0～10 cm 存在蟲洞的飽和導(dǎo)水率通過(guò)Poiseuille公式得出[24]。在施肥、灌溉和強(qiáng)降雨參數(shù)設(shè)置上，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，設(shè)置傳統(tǒng)施肥模式中冬小麥和夏玉米各季施氮總量均為280 kg·hm?2，而優(yōu)化施肥模式中冬小麥和夏玉米各季施氮總量分別為 200 kg·hm?2和180 kg·hm?2。在模擬灌溉方式影響時(shí)，單次漫灌和噴灌灌水量分別為70 mm 和30 mm，兩種灌溉方式的灌水日期和次數(shù)相同，具體灌溉設(shè)置來(lái)自前人試驗(yàn)研究[25]。為研究強(qiáng)降雨對(duì)氮素運(yùn)移的影響，本研究模擬了2016年夏玉米整個(gè)生長(zhǎng)季中3 次特大暴雨(24 h 內(nèi)降水量達(dá)250 mm)的情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 亮藍(lán)染色示蹤剖面特征

土壤水分入滲完成后，分別對(duì)科學(xué)園(9 個(gè))和上莊實(shí)驗(yàn)站(8 個(gè))的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行挖掘。部分亮藍(lán)染色示蹤剖面如圖 3 所示，亮藍(lán)染料溶液在科學(xué)園土壤中運(yùn)移十分明顯，內(nèi)環(huán)染色效果顯示0～10 cm土層屬于垂直一維入滲。在10 cm 土層以下，染色斑塊分散，優(yōu)先流分布明顯。上莊土壤存在較少優(yōu)先流情況，染色剖面較為集中連塊。免耕處理的科學(xué)園土壤的染色深度較深，達(dá)80～100 cm； 而旋耕處理的上莊實(shí)驗(yàn)站土壤的染色深度較淺，僅達(dá)15～20 cm。

表1 WHCNS 模型土壤水力學(xué)參數(shù)Table 1 Soil hydraulic parameters of WHCNS model

2.2 土壤入滲相關(guān)性分析

本研究通過(guò)雙環(huán)入滲儀測(cè)量含有蟲洞等大孔隙土壤的穩(wěn)定入滲速率，同時(shí)借助土壤垂直剖面上的染色面積來(lái)描述大孔隙影響下土壤水分滲透性和水流特征，進(jìn)一步通過(guò)穩(wěn)定入滲速率和染色面積的相關(guān)性分析研究亮藍(lán)染色示蹤與雙環(huán)入滲儀測(cè)得的土壤水分入滲速率的關(guān)系。由于上莊實(shí)驗(yàn)站常年耕作，淺層出現(xiàn)犁底層，土壤空間異質(zhì)性強(qiáng)，因此本研究選用科學(xué)園進(jìn)行入滲染色面積和穩(wěn)定入滲速率的相關(guān)性分析?？茖W(xué)園試驗(yàn)地點(diǎn)的穩(wěn)定入滲速率、染色面積的正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由于本試驗(yàn)樣本數(shù)小于50，需要使用 Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)顯著性水平sig.>0.05 時(shí)，該變量服從正態(tài)分布。如表2 所示，穩(wěn)定入滲速率、染色面積兩個(gè)變量都服從正態(tài)分布，因此在計(jì)算兩個(gè)變量的相關(guān)系數(shù)時(shí)，將采用Pearson 相關(guān)系數(shù)。

表2 科學(xué)園觀測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定入滲速率和染色面積的正態(tài)性檢驗(yàn)Table 2 Normality test of stable infiltration rate and dyed area at observation points of Kexueyuan

從Pearson 相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果可知，染色面積和穩(wěn)定入滲速率兩個(gè)變量之間的關(guān)系未達(dá)顯著水平(P=0.68>0.05)，表明兩者之間無(wú)顯著相關(guān)性。

2.3 WHCNS 模擬大孔隙、施肥模式、灌溉方式和強(qiáng)降雨對(duì)土體中硝態(tài)氮含量的影響

土壤硝態(tài)氮含量與土壤結(jié)構(gòu)、降雨、灌溉方式、施肥量等有關(guān)[26]。本研究通過(guò)校驗(yàn)后的WHCNS 模型模擬了2014—2016年冬小麥-夏玉米輪作體系不同情景方式下土體中氮素的運(yùn)移特征，各處理下0～100 cm土體的硝態(tài)氮淋量情況如表3 所示，其中灌溉方式和強(qiáng)降雨影響都設(shè)定為農(nóng)田存在大孔隙的情景。

2.3.1 有無(wú)蟲洞及施肥方式對(duì)土體硝態(tài)氮含量變化的影響

圖 4 表明，傳統(tǒng)施肥處理土層中硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于優(yōu)化施肥處理； 土壤中存在蟲洞時(shí)，表層0～20 cm 土壤的硝態(tài)氮含量低于無(wú)蟲洞時(shí)，而20～100 cm 的土壤硝態(tài)氮含量則高于無(wú)蟲洞時(shí)。從表3 中0～100 cm 土壤硝態(tài)氮淋洗量可以看出，優(yōu)化施肥能夠顯著降低硝態(tài)氮的年淋洗量，存在蟲洞時(shí)，優(yōu)化施肥比傳統(tǒng)施肥的硝態(tài)氮年淋洗量低70.28 kg·hm?2，無(wú)蟲洞時(shí)，淋洗量減少61.28 kg·hm?2。蟲洞的存在增加了0～100 cm 的土壤硝態(tài)氮的年淋洗量，其中傳統(tǒng)施肥時(shí)存在蟲洞的年淋洗量較無(wú)蟲洞增加 20.65 kg·hm?2，優(yōu)化施肥則增加11.65 kg·hm?2。

2.3.2 不同灌溉方式對(duì)土體硝態(tài)氮含量變化的影響

圖5 表明噴灌模式下的各深度土層中的硝態(tài)氮含量高于漫灌模式，噴灌模式下土壤中累積了更多的硝態(tài)氮； 從不同層次土壤的硝態(tài)氮垂直分布來(lái)看，隨著土層加深，硝態(tài)氮含量總體呈增加趨勢(shì)。表3 表明噴灌模式下土壤0～100 cm 處硝態(tài)氮年平均淋洗量比漫灌模式降低15.6%。當(dāng)降水或灌溉發(fā)生時(shí)，兩種灌溉方式下0～40 cm 土層硝態(tài)氮含量下降，此時(shí)產(chǎn)生了硝態(tài)氮的地表徑流損失和向下運(yùn)移。

2.3.3 強(qiáng)降雨對(duì)土體硝態(tài)氮含量變化的影響

圖6 是模擬夏玉米整個(gè)生長(zhǎng)季期間設(shè)置3 次強(qiáng)降雨后，土體中硝態(tài)氮含量的變化情況。本研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨發(fā)生后，第1 次強(qiáng)降雨由于土體中的硝態(tài)氮含量低，影響較小； 此后兩次強(qiáng)降雨使土體中的硝態(tài)氮含量顯著減少，第3 次強(qiáng)降雨尤為明顯。結(jié)果表明強(qiáng)降雨會(huì)增加氮素淋洗的風(fēng)險(xiǎn)，3 次強(qiáng)降雨使得整個(gè)夏玉米生長(zhǎng)季硝態(tài)氮淋洗量增加119.4%。

表3 WHCNS 模型模擬的不同情景模式下0～100 cm 土壤硝態(tài)氮的淋洗量Table 3 Leaching amount of nitrate nitrogen of 0-100 cm soil under different scenarios simulated by WHCNS model

3 討論

3.1 亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)研究土壤水分入滲

土壤水分入滲主要受土壤質(zhì)地、土壤含水量、土壤密度、土壤有機(jī)質(zhì)、生物結(jié)皮、植被和凋落物等因素影響。不同的耕作方式導(dǎo)致不同的入滲特征。鄭欣等[27]研究表明北京地區(qū)潮土基質(zhì)流深度為8.56 cm，本研究與其結(jié)論類似，旋耕處理的土壤基質(zhì)入滲深度較淺。張靜舉[28]發(fā)現(xiàn)免耕處理下土壤大孔隙流發(fā)育程度較連年深耕處理高，由于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園常年免耕，土壤蟲洞豐富，在10 cm 以下土層形成了具有連通性好的大孔隙，亮藍(lán)溶液隨著大孔隙更快地向下移動(dòng)，因此形成更深、更為分散的染色區(qū)域。上莊機(jī)械深耕導(dǎo)致土壤形成犁底層，土壤犁底層的存在使得土壤容重增大，總孔隙度減小。因此土壤犁底層的存在一定程度上減少了大孔隙優(yōu)先流對(duì)于土壤水分入滲的影響。長(zhǎng)期觀測(cè)與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與旋耕相比，免耕雖短期內(nèi)不能顯著提高大孔隙數(shù)量，但耕作過(guò)程中土壤被機(jī)械壓實(shí)，經(jīng)歷多年耕作后，免耕反而可以增加土壤中大孔隙度，提高土壤滲透性[29]。就本研究?jī)煞N耕作方式而言，免耕處理的科學(xué)園土壤水分入滲深度和染色面積大于旋耕處理的上莊實(shí)驗(yàn)站。此外上莊犁底層導(dǎo)致的土壤分層異質(zhì)性使得土壤水分難以垂直入滲，進(jìn)而產(chǎn)生側(cè)滲，影響土壤水分運(yùn)移[30]。本研究通過(guò)改進(jìn)的自動(dòng)雙環(huán)入滲儀測(cè)定土壤穩(wěn)定入滲速率并進(jìn)行亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)試驗(yàn)地的染色面積和穩(wěn)定入滲速率，并進(jìn)行相關(guān)性分析，研究表明，亮藍(lán)染色示蹤只能定性地描述土壤大孔隙優(yōu)先流對(duì)土壤水分入滲的影響，今后計(jì)劃研究土壤染色剖面和濕潤(rùn)峰的分形維數(shù)與穩(wěn)定入滲速率的關(guān)系，并考慮建立分形維數(shù)和入滲速率的函數(shù)關(guān)系。

野外田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大孔隙優(yōu)先流發(fā)育較好的科學(xué)園試驗(yàn)點(diǎn)產(chǎn)生了更深的土壤水分入滲，但未能定量化優(yōu)先流對(duì)土壤水分入滲的影響，本研究將進(jìn)一步討論定量化模擬農(nóng)田尺度下大孔隙優(yōu)先流對(duì)硝態(tài)氮淋失的影響。

3.2 大孔隙、施肥模式、灌溉方式和強(qiáng)降雨對(duì)土體中硝態(tài)氮淋失的影響

施肥是影響硝態(tài)氮含量的最直接因素，土壤硝態(tài)氮含量隨著施肥量的增加而顯著增加[31]。肥料中的氮是氮淋失的基礎(chǔ)，從WHCNS 模擬結(jié)果可以看出，施肥量是影響硝態(tài)氮淋洗的重要條件，控制其他條件相同時(shí)，蟲洞、灌溉方式和強(qiáng)降雨引起的硝態(tài)氮淋洗量變化都低于施肥模式的改變。秦雪超等[32]研究化肥減量對(duì)華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作體系下的作物產(chǎn)量和氮淋洗量發(fā)現(xiàn)，減施氮肥不會(huì)降低小麥和玉米的產(chǎn)量，且年均氮淋失量降低30.6%。本研究模擬結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)施肥相比優(yōu)化施肥下氮素淋失量減少46.0%，與前人研究的差異可能是由于作物模型在模擬作物生長(zhǎng)時(shí)比實(shí)際生長(zhǎng)偏理想化造成。土壤存在蟲洞等大孔隙時(shí)，土體結(jié)構(gòu)類似于海綿狀，有較強(qiáng)的導(dǎo)水能力。王彬儼等[33]采集農(nóng)用地原狀土進(jìn)行土柱試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流的存在使得土壤中的硝態(tài)氮快速下滲。Patil 等[34]也發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物(如蚯蚓)活動(dòng)容易產(chǎn)生較大直徑的土壤孔洞，進(jìn)而造成農(nóng)田灌溉水的大量流失，硝態(tài)氮會(huì)隨著水分快速流失，水是其運(yùn)移的主要載體。本研究發(fā)現(xiàn)存在蟲洞條件下，表層土壤硝態(tài)氮含量低于無(wú)蟲洞土壤，無(wú)蟲洞土壤氨的揮發(fā)和硝化作用更高，這表明蟲洞存在使得表層土壤的無(wú)機(jī)氮更容易發(fā)生下移，提高了下層土壤的硝態(tài)氮含量。

灌溉是影響土體硝態(tài)氮淋失的重要因素，灌溉帶來(lái)的下滲水流使得土壤中硝態(tài)氮下移，引起淋失。灌溉方式和灌水量對(duì)硝態(tài)氮的淋失具有重要影響[35]。孫澤強(qiáng)等[36]研究發(fā)現(xiàn)，噴灌灌水時(shí)間長(zhǎng)，灌水量較多地儲(chǔ)存在土體0～40 cm，下滲量小。而漫灌灌水時(shí)間短，灌溉帶來(lái)較深的下滲水，增加淋失風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，新型節(jié)水灌溉措施所需灌水量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)灌溉，漫灌的單次灌水量比噴灌高40 mm，灌水量越高，發(fā)生淋失風(fēng)險(xiǎn)越高。此外，噴灌由于低灌水量和灌水均勻性，可以減少?gòu)搅鳟a(chǎn)生，降低表層硝態(tài)氮的損失。本研究考慮大孔隙的存在，相較于噴灌，漫灌下滲水產(chǎn)生的優(yōu)先流通道使得更多硝態(tài)氮向下運(yùn)移。研究模擬結(jié)果表明，在合適的灌溉量、灌溉次數(shù)條件下，噴灌比漫灌更為節(jié)水，且減少土體硝態(tài)氮的淋失。但噴灌在多風(fēng)的情況下，會(huì)出現(xiàn)噴灑不均勻、蒸發(fā)損失增大的問(wèn)題。因此農(nóng)民在選擇灌溉時(shí)，要綜合考慮所有因素，選擇適合的灌溉方式。

降雨是影響土壤水氮運(yùn)動(dòng)的重要?dú)夂驐l件，降水量越大淋溶到下層硝態(tài)氮越多，淺表層含量越少，這與黃紹敏等[26]的研究結(jié)果一致。帶負(fù)電荷的硝態(tài)氮不易被同樣帶負(fù)電荷的土壤膠體所吸附，強(qiáng)降雨帶來(lái)的過(guò)量水分易使土壤氮素發(fā)生徑流淋失和深層淋洗，使得整個(gè)玉米生長(zhǎng)季硝態(tài)氮淋洗量大大增加。另一方面，3 次強(qiáng)降雨帶來(lái)影響不同，第一次強(qiáng)降雨對(duì)硝態(tài)氮淋洗的影響遠(yuǎn)低于后兩次強(qiáng)降雨，說(shuō)明硝態(tài)氮的淋洗需要土體中足夠的硝態(tài)氮含量。今后農(nóng)事管理中，進(jìn)行灌溉時(shí)要充分考慮灌溉量和當(dāng)?shù)亟涤炅浚贫ê侠淼墓喔确绞健?/p>

4 結(jié)論

本研究結(jié)合田間亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)和WHCNS模型，模擬探討大孔隙優(yōu)先流對(duì)于硝態(tài)氮淋失的影響。通過(guò)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園和上莊實(shí)驗(yàn)站的亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先流發(fā)育程度高的科學(xué)園具有更深的入滲深度和更大的染色面積，同時(shí)上莊實(shí)驗(yàn)站發(fā)現(xiàn)了側(cè)向入滲的情況。但亮藍(lán)染色示蹤法只能定性地描述土壤水分入滲過(guò)程，對(duì)入滲剖面進(jìn)行形態(tài)學(xué)上的描述，無(wú)法定量化土壤穩(wěn)定入滲速率。本研究同時(shí)借助WHCNS 模型定量化模擬了土壤蟲洞存在對(duì)0～100 cm 土體中硝態(tài)氮淋失的影響，并討論了大孔隙存在下施肥方式的影響，及灌溉和強(qiáng)降雨的影響。結(jié)果表明，相較于無(wú)蟲洞存在的情景，蟲洞存在顯著增加了硝態(tài)氮的淋洗量。另一方面，有蟲洞結(jié)構(gòu)存在時(shí)，優(yōu)化施肥模式的硝態(tài)氮淋洗量比傳統(tǒng)施肥模式減少46.0%，噴灌比漫灌淋洗量減少15.6%，存在強(qiáng)降雨條件下硝態(tài)氮淋洗量增加119.4%。因此，蟲洞等大孔隙存在時(shí)，如果氮肥施用量、灌溉模式不合理，土壤中的硝態(tài)氮容易發(fā)生下移，甚至發(fā)生淋洗。建議可以采用有機(jī)肥替代部分化肥的方式，一方面有機(jī)肥中微生物可以固定土壤中的氮，減少淋洗量； 另一方面有機(jī)質(zhì)的存在可以改善土壤性質(zhì)，給作物提供更為合適的生長(zhǎng)空間。在灌溉方式上，相比于漫灌，在適合的氣候條件下，噴灌不僅能節(jié)水，還能減少農(nóng)田硝態(tài)氮淋失。下一步本研究將定量化研究多個(gè)蟲洞所導(dǎo)致的優(yōu)先流對(duì)土壤-作物系統(tǒng)氮素運(yùn)移的影響。