施肥時機對土壤水氮運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響

馬敬東，聶衛(wèi)波，馮正江，王 慧，馬孝義

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

灌溉施肥是將肥料充分溶解后與灌溉水混合引入田間的施肥技術(shù)，與傳統(tǒng)(化肥)撒施技術(shù)相比，其提高了肥料利用率，降低了養(yǎng)分流失引起的農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險。目前，該技術(shù)在壓力灌溉(如微灌、噴灌等)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，并在生產(chǎn)實踐中取得了較好的經(jīng)濟與環(huán)境效益。Li等分析了滴頭流量和施肥時機等因素對濕潤體中銨態(tài)氮(NH—N)和硝態(tài)氮(NO—N)分布規(guī)律的影響，結(jié)果表明，使用較大的滴頭流量可增加水平向濕潤鋒運移距離，并建議采用灌水施肥總時間的前1/4時段灌水(1/4W)，中間1/2時段施肥(1/2N)，后1/4時段灌水(1/4W)的模式，可將NH—N和NO—N最大程度保留在作物根系層，提高氮素利用效率；Gardenas等模擬研究了不同微灌系統(tǒng)中施肥時機對NO—N淋失的影響，結(jié)果表明，灌溉后期施肥可減少NO—N淋失量；栗巖峰等以溫室番茄滴灌試驗為基礎(chǔ)表明，灌溉過程后期施肥，NO—N主要分布在土層深度0—20 cm；陶垿等通過室內(nèi)鹽堿土的滴灌施肥試驗表明，采用1/4 N—1/2 W—1/4 N灌水施肥模式，可獲得更高的氮素分布均勻性；黃倩楠等研究表明，滴灌施肥時機對花椰菜產(chǎn)量、全氮和硝酸鹽含量有顯著影響，并推薦施肥時機盡量保持在灌水過程的中期。綜上所述，微灌系統(tǒng)中施肥時機對土壤氮素分布規(guī)律及其潛在利用效率有著顯著影響，且大多推薦灌水中期或后期施肥，可獲得較高的氮素分布均勻性和利用效率；此外，由于微灌系統(tǒng)灌水器的特殊性，需在灌溉施肥后采用清水對管道進行沖洗，可有效避免灌水器的堵塞。

地面灌溉面積占我國總灌溉面積的95%以上，其中畦(溝)灌是最常見的地面灌水技術(shù)。隨著地面灌溉理論體系的不斷發(fā)展與完善，灌溉施肥技術(shù)逐步與畦(溝)灌相結(jié)合，并在生產(chǎn)實際中逐步推廣應(yīng)用。畦(溝)灌施肥與微灌施肥系統(tǒng)相比較，具有成本低、推廣潛力大等優(yōu)點，且無灌水器堵塞等問題；但畦(溝)灌施肥影響因素眾多(灌水流量、停水時間、施肥時機、田間微地形、田塊規(guī)格等)，將影響田間灌溉和施肥質(zhì)量，這給畦(溝)灌合理的施肥時機選取和控制帶來了較大困難。為此，國內(nèi)外學(xué)者研究分析了不同因素對畦(溝)灌施肥質(zhì)量的影響，Abbasi等研究表明，砂壤土溝灌全過程或后半程施肥可獲得較高的溶質(zhì)分布均勻性，且溶質(zhì)濃度對其均勻性影響較小，但采用保守型溴化物，其與非保守型肥料的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律差異顯著，導(dǎo)致研究結(jié)果與生產(chǎn)實際存在一定差異；Playán等研究了入畦流量和施肥時機對畦灌施肥質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，變?nèi)肫枇髁肯滤魍七M至33%～50%畦長時施肥，可獲得較高施肥均勻度；梁艷萍等研究表明，基于入畦單寬流量4 L/(s·m)和灌溉全過程均勻施肥，可在冬小麥返青和揚花期灌水后2天作物有效根系層內(nèi)形成相對較高的土壤水氮分布均勻性；Moravejalahkami等分析計算了砂壤土質(zhì)地不同入溝流量下的施肥質(zhì)量，結(jié)果表明，采用變流量可較為顯著地提高施肥均勻度，并降低NO—N淋失量；陳新國等研究表明，基于入畦單寬流量4 L/(s·m)灌水至畦長33%處開始均勻施肥，玉米根系層中土壤水分與NO—N沿畦長分布均勻性最好；谷少委等研究表明，砂質(zhì)壤土條件下，畦長60 m、畦寬3.2 m時全過程施肥，可獲得較高的NO—N分布均勻性和冬小麥產(chǎn)量。綜上所述，以往大田畦(溝)灌施肥試驗研究，側(cè)重于分析不同因素對灌水施肥質(zhì)量的影響，并提出合理的施肥時機、灌水流量等技術(shù)要素組合，有助于提高畦(溝)灌施肥技術(shù)的實用性，但并未給出不同施肥時機條件下，土壤濕潤體中不同形態(tài)氮素運移轉(zhuǎn)化的具體信息，導(dǎo)致較難從機理上揭示施肥時機對畦(溝)灌條件下土壤水氮運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響?；诖?，本文以砂壤土和黏壤土一維垂直肥液(尿素)入滲試驗為基礎(chǔ)，重點分析不同施肥時機下土壤水氮的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并量化比較其對土壤氮素含量的影響，以期為農(nóng)田畦(溝)灌施肥系統(tǒng)的設(shè)計和管理提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

楊凌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部(107°59′—108°08′E，34°14′—34°20′N)，年平均降水量約635 mm，蒸發(fā)量約1 100 mm，屬于典型的半干旱半濕潤氣候區(qū)。區(qū)域地形由南部渭河河灘向北逐漸升高，大致分為三級階地，其中一級階地主要為砂壤土，二、三級階地地形變化較大，以黏壤土為主。根據(jù)研究區(qū)域地形地貌特征，本試驗分別采集了位于一級階地法西村和三級階地王上村典型農(nóng)田土壤(深度約0—40 cm)作為供試土壤。

1.2 測定項目與方法

對供試土壤特性參數(shù)進行測定，測定結(jié)果見表1。土壤含水率采用烘干法測定；土壤飽和含水率：將自然狀態(tài)下土樣按設(shè)計容重裝入環(huán)刀，底部墊濾紙放入盛有蒸餾水的容器中，逐漸向容器中加水至與環(huán)刀上表面平齊，每隔一段時間取出環(huán)刀擦干表面水分稱重，直到前后2次所稱重量一致，此時測定其含水率即為飽和含水率；土壤顆粒組成采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定供試土壤顆粒組成，按照國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)確定土壤質(zhì)地；NO—N和NH—N含量：采用精度為0.01 g的天平稱取5 g土樣，加入50 mL濃度為1 mol/L的KCl溶液，將浸提液在振蕩機上振蕩1 h后過濾，吸取5 mL過濾液，放入SMARTCHEM 450全自動間斷化學(xué)分析儀測定NO—N和NH—N含量；尿素態(tài)氮含量：采用精度為0.01 g天平稱取5 g土樣，加入50 mL濃度為2 mol/L的KCl—PMA溶液，將浸提液在振蕩機振蕩1 h后過濾，吸取10 mL過濾液加入30 mL顯色劑，85 ℃水浴30 min，然后用流動水冷卻15 min加水定容至50 mL，搖動使其充分混合，取出10 mL溶液用DR450型紫外分光光度計測定尿素態(tài)氮含量。

表1 試驗土壤特性參數(shù)

1.3 試驗設(shè)計

為使本文研究成果具有代表性，選取我國使用量最大的氮肥—尿素(浙江鑫建環(huán)保科技有限公司，總氮含量≥46.0%)作為供試肥料，采用一維垂直肥液入滲試驗分析施肥時機對土壤水氮運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響。試驗于2021年5—6月在西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉實驗站進行。根據(jù)研究區(qū)域典型田塊實際情況，并結(jié)合已有研究成果，砂壤土和黏壤土的初始含水率()分別設(shè)定為0.116，0.162 cm/cm，土壤容重分別為1.45，1.35 g/cm。入滲試驗開始前，將供試土樣碾壓并過2 mm篩，按照設(shè)定的和容重分層(5 cm)填入直徑為15 cm、高70 cm的土柱，層間打毛；為防止氣阻對入滲過程的影響，在土柱底部布設(shè)排氣孔，同時在柱身設(shè)置若干直徑2 cm的取土孔。試驗過程中，結(jié)合地面灌溉實際情況，入滲水頭控制在5 cm左右，基于先密后疏原則記錄不同時間入滲水量和濕潤鋒運移距離；入滲結(jié)束時停止供水，并立即吸出土柱上層積水。試驗結(jié)束后，沿土柱垂直方向每隔10 cm在第0，1，3，5，10天采集土樣，用于測定土壤含水率、NH—N、NO—N和尿素態(tài)氮。

參照關(guān)中平原中部地區(qū)小麥、玉米等作物畦(溝)灌條件下常采用的灌水定額，確定本試驗入滲水量為80 mm。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植習(xí)慣和已有文獻資料可知，研究區(qū)域小麥或玉米種植過程中，常采用的施氮量約320 kg/hm，其中約50%的施氮量作為基肥在作物播種時施入，剩余施氮量在小麥或玉米生長過程中分1～2次進行追肥。因此，本次試驗施氮量設(shè)置3個水平，分別為80，160，320 kg/hm，其中施氮量80，160 kg/hm為小麥或玉米進行2，1次追肥情景，320 kg/hm為不施基肥，且1次追肥情景。根據(jù)試驗設(shè)置的施氮量和入滲水量，計算可得肥液濃度分別為100，200，400 mg/L。由于本文重點分析施肥時機對土壤水氮運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響，故入滲過程中施肥時機設(shè)置3種情景(圖1)，分別為全過程、前1/2和后1/2入滲水量施肥，分別對應(yīng)大田畦(溝)灌的全過程、前半程和后半程施肥情景。由于試驗施氮量為定值，故前1/2和后1/2入滲水量施肥時對應(yīng)的肥液濃度分別為200，400，800 mg/L。根據(jù)試驗設(shè)計，砂壤土和黏壤土質(zhì)地各9組處理，每組處理設(shè)置3次重復(fù)。

圖1 入滲方案示意

2 結(jié)果與分析

本文重點分析施肥時機對土壤水氮運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響，且所設(shè)置的肥液濃度遠大于土壤中NH—N和NO—N含量(本底值)，雖然已有研究表明，不同肥液濃度會影響土壤水氮運移轉(zhuǎn)化規(guī)律，但其對于不同肥液濃度條件下的水氮運移和再分布規(guī)律基本一致；同時本文試驗結(jié)果也進一步驗證了該觀點。因此，本文重點以肥液濃度為100 mg/L為例(全過程施肥時肥液濃度，對應(yīng)前1/2和后1/2入滲水量施肥時的肥液濃度為200 mg/L；下文所述肥液濃度均為全過程施肥時濃度)，分析施肥時機對土壤水氮運移規(guī)律的影響。

2.1 施肥時機對累積入滲量的影響

從圖2可以看出，不同施肥時機條件下砂壤土達到設(shè)定的入滲水量所需時間(約92 min)明顯小于黏壤土(約147 min)，這是由于砂壤土中黏粒含量較低，砂粒含量較高(表1)，使得砂壤土中大孔隙較多，導(dǎo)致其入滲速率較大；黏壤土與之相反。同時發(fā)現(xiàn)，施肥時機對砂壤土和黏壤土分別達到設(shè)定入滲水量所需時間影響微小，雖然前1/2入滲水量施肥時達到設(shè)定入滲水量所需時間稍小于全過程和后1/2入滲水量施肥，但無顯著性差異(>0.05)，原因可能為前1/2入滲水量施肥時肥液濃度為200 mg/L，大于全過程和后1/2入滲水量施肥入滲前半段的肥液濃度，較大的肥液濃度中含有更多的NH—N，其與土壤膠體相結(jié)合可能改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)，在土壤上層(入滲水量40 mm時，砂壤土和黏壤土濕潤鋒運移深度分別約為17，11 cm)形成更多的大孔隙，且較大的肥液濃度增大濕潤鋒處的基質(zhì)勢，使得土壤入滲速率較快。但由于入滲時間較短且肥液濃度整體較小，使其影響不顯著，也可能是由于試驗誤差所引起，對于產(chǎn)生該現(xiàn)象具體原因還需進一步深入研究。

圖2 不同施肥時機條件下累積入滲量過程曲線

2.2 施肥時機對土壤水分分布的影響

從圖3可以看出，不同施肥時機條件下入滲結(jié)束時刻砂壤土濕潤鋒運移距離(42.5 cm)大于黏壤土(33.2 cm)，原因為本試驗入滲水量采用定值(80 mm)，但黏壤土孔隙率通常大于砂壤土，使得黏壤土濕潤鋒運移距離較小。同時發(fā)現(xiàn)，施肥時機對土壤水分分布影響微小，且土壤含水率均隨土層深度增加而逐漸減小，最終趨于初始含水率。原因為肥液入滲結(jié)束時刻含水率分布與土壤水分運移密切相關(guān)，其主要受初始含水率、入滲水頭、容重、質(zhì)地等因素影響；同時，肥液濃度差異在一定程度上也影響土壤水分分布；雖然本試驗中不同施肥時機條件下的肥液濃度不同，但施氮量和入滲水量一致且入滲時間較短，使得不同施肥時機對土壤水分分布影響微小。

圖3 入滲結(jié)束時刻土壤水分分布規(guī)律

由于砂壤土與黏壤土不同施肥時機條件下土壤水分再分布規(guī)律一致，故以砂壤土為例進行分析。從圖4可以看出，施肥時機對土壤水分再分布影響微小。再分布10天內(nèi)土壤濕潤體上層(約30 cm以上)中含水率持續(xù)下降；以入滲結(jié)束時刻濕潤體0—30 cm含水率均值0.320 cm/cm為參照，再分布第1，3，5，10天土壤濕潤體0—30 cm含水率均值分別減小18.51%，30.35%，32.64%，36.83%，原因為土壤水勢梯度的差異，使得濕潤體中水分繼續(xù)下移，同時由于土面蒸發(fā)損失，使得土壤濕潤體中0—30 cm含水率持續(xù)下降。土壤濕潤體30 cm以下含水率則呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，原因為再分布前3天濕潤體上層(約30 cm以上)水分在重力作用下向下移動；但再分布5天后，由于土面蒸發(fā)損失，土層上部含水率急劇減小，下部水分在毛管力作用下向上運動，導(dǎo)致土層30 cm以下含水率出現(xiàn)下降趨勢。

圖4 砂壤土質(zhì)地土壤水分再分布規(guī)律

2.3 施肥時機對土壤氮素運移規(guī)律的影響

從圖5可以看出，施肥時機對土壤濕潤體內(nèi)尿素態(tài)氮含量分布有明顯影響。全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，尿素態(tài)氮含量總體呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的趨勢，原因為尿素態(tài)氮不易被土壤膠體吸附，容易隨水分運移，故表現(xiàn)出與土壤水分相似的分布規(guī)律；同時發(fā)現(xiàn)，后1/2入滲水量施肥條件下尿素態(tài)氮含量在土層上部(砂壤土和黏壤土分別約為15，12 cm)大于全過程施肥，而下部分布規(guī)律相反。原因為后1/2入滲水量施肥時，肥液濃度為全過程施肥時的2倍，導(dǎo)致大量的尿素態(tài)氮聚集在土層上部，而下部為尿素態(tài)氮隨水分子在對流、彌散等作用下的運移結(jié)果。前1/2入滲水量施肥條件下，尿素態(tài)氮含量隨著土層深度增加逐漸增大，并在土壤濕潤體邊緣累積，其與全過程和后1/2入滲水量施肥時表現(xiàn)出明顯的差異。原因為前1/2入滲水量施肥條件下，開始階段濕潤體中尿素態(tài)氮分布與全過程施肥相似，但在后1/2水量入滲時改為清水，使得濕潤體上部尿素態(tài)氮隨著土壤水分向下運移，并在濕潤體邊緣累積，即該情景下對尿素態(tài)氮產(chǎn)生淋洗作用。

圖5 不同施肥時機入滲結(jié)束時刻土壤尿素態(tài)氮分布

由圖6可知，施肥時機對土壤濕潤體內(nèi)NH—N含量分布影響較大。全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，NH—N含量總體呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的趨勢，且主要分布在深度20 cm以上土層中，原因為NH—N帶正電容易被帶負(fù)電的土壤膠體所吸附，當(dāng)吸附達到一定程度后才隨著入滲水分向下運移；后1/2入滲水量施肥條件下NH—N含量在土層上部(砂壤土和黏壤土分別約為13，7 cm)大于全過程施肥。原因為后1/2入滲水量施肥時，肥液濃度為全過程施肥2倍，且土壤膠體對NH—N具有強的吸附作用，使得NH—N在土層上部聚集。前1/2入滲水量施肥條件下，NH—N含量隨著土層深度增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，主要分布在5—25 cm土層中，其分布規(guī)律與全過程和后1/2入滲水量施肥時明顯不同。原因為前1/2入滲水量施肥條件下，上層土壤所吸附的NH—N在后半段入滲過程中被清水淋洗，導(dǎo)致其向下運移，但土壤膠體對NH—N吸附作用較強，使其向下運移程度沒有尿素態(tài)氮明顯。

圖6 不同施肥時機入滲結(jié)束時刻土壤NH4+-N分布

從圖7可以看出，施肥時機對土壤濕潤體內(nèi)NO—N含量分布影響顯著。全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，NO—N含量總體呈現(xiàn)隨土層深度增加而減小的趨勢，與入滲結(jié)束時刻濕潤體中尿素態(tài)氮含量分布規(guī)律類似。同時發(fā)現(xiàn)，后1/2入滲水量施肥條件下NO—N含量在土層上部(砂壤土和黏壤土分別約為9，7 cm)略大于全過程施肥，但其差異性小于尿素態(tài)氮含量分布在該土層深度內(nèi)的差異，進一步表明NO—N易隨水動的特性。前1/2入滲水量施肥條件下，NO—N含量隨著土層深度增加逐漸增大，并在土壤濕潤體邊緣累積，其與全過程和后1/2入滲水量施肥時NO—N分布規(guī)律相反。原因為前1/2入滲水量施肥條件下，后1/2水量入滲時改為清水，使得濕潤體中NO—N被水淋洗到土層下部。

圖7 不同施肥時機入滲結(jié)束時刻土壤NO3--N分布

2.4 施肥時機對土壤氮素運移再分布規(guī)律的影響

由于砂壤土與黏壤土不同施肥時機條件下，土壤中不同形態(tài)氮素再分布過程中的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律相似，因此以砂壤土為例進行分析。從圖8可以看出，施肥時機對土壤濕潤體再分布過程中的尿素態(tài)氮運移轉(zhuǎn)化有明顯影響。全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，尿素態(tài)氮含量隨著再分布時間的增加整體呈現(xiàn)下降趨勢，砂壤土質(zhì)地再分布3天時已經(jīng)基本水解完成(黏壤土質(zhì)地再分布5天時基本水解完成)，這與馬敬東等的研究結(jié)論一致。原因為入滲結(jié)束時刻，上述2種情景下的尿素態(tài)氮主要分布在土層上部(圖5)，而土壤濕潤體中水分、溫度等條件基本相同，土層上部透氣性更好，有利于尿素態(tài)氮水解，使其含量隨再分布時間的增加明顯降低。以全過程和后1/2入滲水量施肥入滲結(jié)束時刻土層0—50 cm中尿素態(tài)氮含量均值為參照，再分布1，3，5，10天的尿素態(tài)氮含量分別減少52.53%，89.33%，90.7%，97.45%和58.38%，90.88%，91.99%，97.23%(圖8)，表明濕潤體中尿素態(tài)氮已基本水解完成。但前1/2入滲水量施肥條件下，再分布過程中的尿素態(tài)氮含量運移轉(zhuǎn)化規(guī)律與全過程和后1/2入滲水量施肥時有明顯差異，其中深度約40 cm以上土層中尿素態(tài)氮含量持續(xù)減小，但40 cm以下土層中尿素態(tài)氮含量再分布前3天呈增加趨勢，原因為在前1/2入滲水量施肥時尿素態(tài)氮主要聚集在濕潤鋒處(圖5)，再分布過程中其隨水分向下運移；同時發(fā)現(xiàn)前1/2入滲水量施肥條件下，土壤中尿素態(tài)氮再分布10天時才基本水解完成(黏壤土質(zhì)地再分布10天時也基本水解完成)。以前1/2入滲量施肥入滲結(jié)束時刻土層0—50 cm中尿素態(tài)氮含量均值為參照，再分布1，3，5，10天尿素態(tài)氮含量分別減少30.16%，58.63%，78.39%，86.39%，原因為前1/2入滲水量施肥時大量的尿素態(tài)氮聚集在土層下部，而土層下部的通氣性較差導(dǎo)致脲酶的活性較低，使其水解速率較慢。

圖8 砂壤土質(zhì)地土壤濕潤體中尿素態(tài)氮再分布規(guī)律

由圖9可知，施肥時機對土壤濕潤體再分布過程中的NH—N運移轉(zhuǎn)化影響較大。全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，砂壤土質(zhì)地30 cm以上土層中NH—N含量隨著再分布時間的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其中再分布3天內(nèi)NH—N含量增加較為明顯，再分布5天后NH—N含量逐漸減少，而30 cm以下土層NH—N含量變化較??；原因為再分布前3天，土層上部尿素態(tài)氮含量較大(圖8a、圖8b)，其水解速率大于NH—N硝化速率，使得NH—N含量增加(圖9a、圖9b)；再分布3天后，30 cm以上土層尿素態(tài)氮含量逐漸趨于本底值，此階段尿素態(tài)氮水解量小于NH—N硝化量，使得再分布3天后30 cm以上土層NH—N含量小于再分布3天時(圖8b、圖8c)，而30 cm以下土層由于尿素態(tài)氮和NH—N含量相對較低，且土壤透氣性較差，尿素態(tài)氮的水解和NH—N的硝化作用相對較弱，因此NH—N含量變化不明顯。前1/2入滲水量施肥條件下，30 cm以上土層中NH—N含量隨再分布時間的增加而逐漸降低，但在30 cm以下土層呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，原因為再分布過程中尿素態(tài)氮主要分布在30 cm以下土層(圖8)。以全過程、前1/2和后1/2入滲水量施肥條件下，入滲結(jié)束時刻土層0—50 cm中NH—N含量均值為參照，再分布1，3，5，10天NH—N含量分別增加59.89%，135.99%，97.91%，-32.80%，50.87%，109.03%，109.88%，-0.71%和82.18%，141.41%，97.31%，-35.10%。由此可知，砂壤土質(zhì)地全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，NH—N含量峰值出現(xiàn)在再分布3天左右(黏壤土質(zhì)地的峰值約出現(xiàn)在再分布5天)，而前1/2入滲水量施肥條件下，NH—N含量峰值出現(xiàn)在再分布5～10天(黏壤土質(zhì)地的峰值也在再分布5～10天)，這與再分布過程中尿素態(tài)氮水解完成時間基本一致。

由圖10可知，施肥時機對土壤濕潤體再分布過程中的NO—N運移轉(zhuǎn)化影響顯著。全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，再分布10天內(nèi)NO—N含量呈增加趨勢，其中約30 cm以上土層中NO—N含量增幅明顯，但30 cm以下增幅不明顯，原因為上部土層再分布過程中，土壤含水率降低(圖4)，形成較為理想的好氧環(huán)境，有利于NH—N硝化形成NO—N；且上述情景下NH—N主要集中在土層上部(圖9)，故NO—N含量增幅明顯。以全過程和前1/2入滲水量施肥入滲結(jié)束時刻土層0—50 cm中NO—N含量均值為參照，再分布1，3，5，10天，NO—N含量分別增加14.19%，48.98%，73.70%，170.95%和17.83%，59.36%，89.90%，214.46%。前1/2入滲水量施肥條件下，NO—N含量呈先增大后減小的趨勢，原因為入滲結(jié)束時尿素態(tài)氮和NO—N聚集在濕潤鋒處，再分布過程中尿素態(tài)氮水解轉(zhuǎn)化為NH—N，NH—N再通過硝化作用轉(zhuǎn)化為NO—N，導(dǎo)致再分布前3天NO—N含量呈現(xiàn)增加趨勢；但由于試驗土樣采集深度距土柱底部10 cm(即土層深度50 cm處)，再分布過程中部分NO—N隨土壤水分再分布運移到土層深度50 cm以下，導(dǎo)致再分布5天后土壤濕潤體內(nèi)相同深度處NO—N含量出現(xiàn)減小，以前1/2入滲量施肥入滲結(jié)束時刻土層0—50 cm中NO—N含量均值為參照，再分布1，3，5，10天NO—N含量分別增加7.64%，39.34%，51.27%，41.49%。

圖9 砂壤土質(zhì)地土壤濕潤體中NH4+-N再分布規(guī)律

圖10 砂壤土質(zhì)地土壤濕潤體中NO3--N再分布規(guī)律

2.5 施肥時機對土壤中氮素含量的影響

入滲結(jié)束后，土壤濕潤體中不同形態(tài)氮素再分布過程中經(jīng)過一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，其中尿素態(tài)氮再分布10天時基本全部水解(圖7)，并轉(zhuǎn)化成易被作物吸收利用的NH—N和NO—N。大量研究表明，小麥、玉米等作物根系一般分布在100 cm以內(nèi)的土層中，但其約90%的根量集中于0—40 cm土層，因此本試驗量化分析施肥時機對再分布10天時0—40 cm土層中NH—N和NO—N含量的影響，計算結(jié)果見表2。結(jié)果表明，施肥時機對0—40 cm土層中NH—N和NO—N含量有明顯影響。以砂壤土和黏壤土肥液濃度100 mg/L為例，后1/2入滲水量和全過程施肥條件下，再分布10天時0—40 cm土層中NH—N和NO—N含量分別為189.30，231.60 mg/kg和177.50，192.60 mg/kg，均大于前1/2入滲水量施肥條件下的含量(103.50，126.70 mg/kg)。分別以砂壤土和黏壤土前1/2入滲水量施肥條件下NH—N和NO—N含量為基礎(chǔ)，各肥液濃度100，200，400 mg/L后1/2入滲水量和全過程施肥條件下，再分布10天時0—40 cm土層中NH—N和NO—N含量高出其比例的均值分別為93.50%，74.80%和78.10%，44.50%。由于本試驗各施肥時機下的施氮量和灌水定額相同，故0—40 cm土層中NH—N和NO—N含量越高，則意味著可被作物吸收利用的氮素越多，即氮素的潛在利用效率越高。因此，從作物根系層中氮素潛在利用效率的角度而言，本研究推薦砂壤土和黏壤土質(zhì)地，畦(溝)灌的合理施肥時機為后1/2入滲水量或全過程施肥。

表2 再分布10天土層深度0-40 cm中NO3--N和NH4+-N含量 單位：mg/kg

3 討 論

本研究表明，肥液濃度100，200，400 mg/L條件下施肥時機對土壤濕潤體中水分分布影響微小，這與Li等的研究結(jié)論一致。由于本研究中施肥時機的不同，僅體現(xiàn)在入滲不同階段的肥液濃度與開始和結(jié)束的時間上，而其入滲試驗中施氮量和灌水量一致，使得施肥時機對入滲過程影響微小。何振嘉等和馬敬東等研究表明，土壤累積入滲量隨肥液濃度增加而增加，但本研究表明，施肥時機對砂壤土和黏壤土達到設(shè)定入滲水量所需時間影響微小。原因可能為，本研究前1/2和后1/2入滲水量施肥條件下，肥液濃度為全過程施肥的2倍，但由于入滲時間較短且肥液濃度整體較小，導(dǎo)致其對土壤累積入滲量的影響不顯著。

本研究表明，肥液濃度100，200，400 mg/L的全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，入滲結(jié)束時刻砂壤土和黏壤土濕潤體中尿素態(tài)氮、NO—N和NH—N含量的分布規(guī)律一致，即均隨濕潤體深度的增加而逐漸減小，且NH—N主要分布在深度約20 cm以上土層中，這與膜孔灌和涌泉根灌條件下濕潤體中NO—N和NH—N分布規(guī)律一致。前1/2入滲水量施肥條件下，砂壤土和黏壤土質(zhì)地濕潤體中NO—N和尿素態(tài)氮在濕潤體邊緣聚集，這與Li等研究滴灌施肥條件下的NO—N分布規(guī)律一致，但黃倩楠等和吳玉恒等在日光溫室滴灌試驗過程中并未出現(xiàn)NO—N在濕潤體邊緣累積的現(xiàn)象，其原因主要為該試驗田塊存在犁底層，阻礙NO—N隨水分的運移；NH—N在后半段清水入滲淋洗下主要分布范圍下移約5 cm，這與莫曉鈺等的研究結(jié)論基本一致，即土壤膠體對NH—N吸附作用較強，清水入滲淋洗其向土層深處運移程度較小。

本研究表明，肥液濃度100，200，400 mg/L的全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，砂壤土和黏壤土質(zhì)地濕潤體再分布過程中尿素態(tài)氮的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律基本一致，其分別在再分布3天和5天時基本水解完成，這與馬敬東等的研究結(jié)論一致，但與程東娟等的粉土質(zhì)地膜孔灌和郭大應(yīng)等的粉砂壤土噴灌條件下所得尿素態(tài)氮水解完成時間(分別為15天和2天)有所差異；前1/2入滲量施肥條件下，砂壤土和黏壤土中尿素態(tài)氮再分布10天時才基本水解完成，說明施肥時機對濕潤體再分布過程中的尿素態(tài)氮運移轉(zhuǎn)化有明顯影響。全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，砂壤土和黏壤土濕潤體中NH—N含量峰值約出現(xiàn)在再分布3天和5天，NO—N含量再分布10天內(nèi)呈增加趨勢，這與費良軍等和侯紅雨的研究結(jié)論有所差異；但前1/2入滲量施肥條件下，NH—N含量峰值均出現(xiàn)在再分布5～10天，NO—N含量則呈先增大后減小的趨勢，說明施肥時機對濕潤體再分布過程中的NH—N和NO—N運移轉(zhuǎn)化影響顯著。由于不同形態(tài)氮素的運移轉(zhuǎn)化受土壤質(zhì)地、含水率、溫度、通氣性等眾多因素影響，且包含復(fù)雜的生化反應(yīng)，其不同施肥時機條件下的運移轉(zhuǎn)化特性還需進一步研究，以便得出具有較強普適性的規(guī)律。

本研究表明，施肥時機對0—40 cm土層中NH—N和NO—N含量有較大影響，肥液濃度100，200，400 mg/L的后1/2入滲水量和全過程施肥條件下，其含量均大于前1/2入滲水量施肥(表2)，說明灌溉后期或整個灌溉過程施肥可提高作物根系主要分布范圍內(nèi)的氮素含量，尤其是能有效降低NO—N的淋失(圖10)，這與Gardenas等對微灌施肥的研究結(jié)果類似，即灌溉過程后期施肥可減少NO—N的淋失。陳新國等的研究認(rèn)為，灌水至畦長的1/3處開始施肥，玉米根系層中氮素含量較高，且NO—N分布均勻性較好；谷少委等以大田畦灌施肥試驗為基礎(chǔ)進行研究表明，全過程施肥條件下土壤中NO—N的分布更加均勻。雖然大田畦(溝)灌過程中影響土壤中NH—N和NO—N運移轉(zhuǎn)化和分布規(guī)律的因素較多，但其推薦的施肥時機與本研究結(jié)果基本一致。由于本試驗為均質(zhì)土壤肥液入滲，且在濕潤體不同形態(tài)氮素運移轉(zhuǎn)化過程中未考慮作物的影響，其與大田畦(溝)灌施肥試驗存在一定差異，故本研究所推薦的施肥時機還需在大田試驗中進一步驗證，以增強結(jié)論的可靠性。

4 結(jié) 論

(1)施肥時機對土壤累積入滲量和濕潤體中水分分布規(guī)律影響微小，但對土壤中不同形態(tài)氮素的運移規(guī)律影響顯著。砂壤土和黏壤土質(zhì)地入滲結(jié)束時刻，肥液濃度100，200，400 mg/L的全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，尿素態(tài)氮、NH—N和NO—N含量均隨土層深度的增大而逐漸減小，且NH—N主要分布在深度約20 cm以上土層；前1/2入滲水量施肥條件下，尿素態(tài)氮和NO—N均隨入滲深度的增大而逐漸增大，在濕潤體邊緣累積，NH—N呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，主要分布在5—25 cm土層中。

(2)施肥時機對土壤濕潤體再分布過程中不同形態(tài)氮素的運移轉(zhuǎn)化規(guī)律影響明顯。肥液濃度100，200，400 mg/L的全過程和后1/2入滲水量施肥條件下，砂壤土和黏壤土質(zhì)地分別在再分布3天和5天時，尿素態(tài)氮水解基本完成，同時NH—N含量達到峰值，但NO—N含量再分布10天內(nèi)未出現(xiàn)明顯下降趨勢；前1/2入滲水量施肥條件下，再分布10天時，尿素態(tài)氮基本水解完成，NH—N含量再分布5～10天達到峰值，但NO—N含量呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，其峰值約在5～10天。

(3)施肥時機對土壤中氮素含量有較大影響。砂壤土和黏壤土后1/2入滲水量和全過程施肥條件下，肥液濃度100，200，400 mg/L再分布10天時0—40 cm土層中NH—N和NO—N含量均大于前1/2入滲水量施肥，其高出比例的均值分別為93.50%，74.80%和78.10%，44.50%，說明氮素的潛在利用效率高。因此，本研究推薦砂壤土和黏壤土質(zhì)地，畦(溝)灌的合理施肥時機為后1/2入滲水量或全過程施肥。