姚榮江 李紅強(qiáng),2 楊勁松 陳 強(qiáng) 鄭復(fù)樂,2 尚 輝

(1.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210008； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3.內(nèi)蒙古杭錦后旗農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心， 巴彥淖爾 015400； 4.江蘇省沿海開發(fā)(東臺(tái))有限公司， 東臺(tái) 224237)

0 引言

在鹽漬農(nóng)田改良利用過程中，傳統(tǒng)改良方法主要依靠大水壓鹽的方式達(dá)到洗鹽控鹽的目的，但這種方式存在土壤養(yǎng)分淋失和水資源浪費(fèi)造成的水肥低效問題。在我國(guó)北方鹽漬農(nóng)田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大量采用水肥一體化滴灌和化學(xué)改良方法，以此應(yīng)對(duì)鹽漬農(nóng)田水肥低效和鹽堿障礙等問題[1-3]。水肥一體化滴灌一方面可以根據(jù)作物水肥需求規(guī)律進(jìn)行適時(shí)供給，避免大水漫灌造成的養(yǎng)分淋失，節(jié)約水資源，從而提高了水肥利用效率[4-5]；另一方面通過滴灌水流的淋洗作用在作物根層營(yíng)造一個(gè)淡化脫鹽區(qū)[6]，為鹽漬農(nóng)田的作物生長(zhǎng)提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。以向鹽漬土壤中添加各種改良材料為特征的化學(xué)改良方法是鹽漬農(nóng)田改良的另一種手段。生物炭和腐殖酸是兩種最具代表性的生物質(zhì)改良材料，它們主要通過降低土壤容重[7]、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成[8-9]來(lái)改良土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)鹽分淋洗[10-11]，從而改善土壤生物環(huán)境，實(shí)現(xiàn)鹽漬農(nóng)田障礙消減。

關(guān)于水肥一體化滴灌在鹽漬農(nóng)田上的應(yīng)用研究，主要集中在不同因素(滴灌流量、溶液濃度、灌水時(shí)間、灌水量、土壤質(zhì)地等)對(duì)土壤水鹽運(yùn)移過程[12-13]、作物產(chǎn)量和水肥利用效率[14-15]的影響方面。關(guān)于改良材料對(duì)鹽漬農(nóng)田障礙消減作用的研究，主要集中在不同改良材料對(duì)土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量影響的對(duì)比研究上[16-18]。目前，對(duì)水肥一體化滴灌過程中水、鹽、氮時(shí)空分布的綜合研究較少，一些研究主要以水鹽空間分布為對(duì)象，缺乏時(shí)間-空間的同步研究；還有一些研究從水、鹽、氮各自角度展開，缺乏三者綜合的研究，改良材料對(duì)土壤水-鹽-氮時(shí)空分布的影響效應(yīng)鮮有報(bào)道。

本研究采用土箱模擬方法，研究水肥一體化滴灌條件下土壤水-鹽-氮時(shí)空分布特征及生物炭和腐殖酸兩種改良材料的影響效應(yīng)，以深入了解滴灌土壤水肥運(yùn)移的變化規(guī)律及其時(shí)空分布特點(diǎn)，探究改良材料對(duì)水、鹽、氮運(yùn)移過程及時(shí)空分布的影響效應(yīng)，為鹽漬農(nóng)田障礙消減和水肥增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用生物炭材料為玉米秸稈生物炭，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供，該生物質(zhì)炭在限氧和450～550℃溫度下熱裂解得到。所用腐殖酸由寧夏天鑫源生物化工有限公司提供，生物炭和腐殖酸具體理化性質(zhì)如表1所示。

表1 生物質(zhì)改良材料基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of biomass improved materials

1.3 試驗(yàn)方法及設(shè)計(jì)

采用室內(nèi)土箱單點(diǎn)源滴灌模擬試驗(yàn)，研究水肥一體化微咸水滴灌條件下土壤水鹽氮的時(shí)空分布特征及改良材料的影響效應(yīng)。試驗(yàn)用土箱由有機(jī)玻璃制成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。將備好的土壤按容重1.45 g/cm3分層填入土箱，每層5 cm填土4.89 kg，共裝填50 cm深。并且土樣按田間采樣時(shí)0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層原樣裝填，保持與田間小區(qū)試驗(yàn)土壤一致的土層結(jié)構(gòu)。具體裝填時(shí)，自下而上，0～20 cm土層裝填田間所采集的純土，20～50 cm土層按3.5 g/kg(15 t/hm2)的比例向土壤中均勻拌入生物炭后再進(jìn)行裝填，標(biāo)記為生物炭處理(SWT)。與生物炭處理相同，20～50 cm土層按0.14 g/kg(0.6 t/hm2)的比例均勻拌入腐殖酸的土箱標(biāo)記為腐殖酸處理(FZS)。不添加改良材料的土箱記為空白處理(CK)。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)裝填9個(gè)土箱。裝填時(shí)將每層之間的土面拉毛，避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖1 土箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of soil container structure

以馬氏瓶為流量控制裝置，以9號(hào)醫(yī)用針頭為滴頭，用人工配制的與田間小區(qū)試驗(yàn)所用的滴灌地下水鹽分組分相同的水進(jìn)行模擬滴灌，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶水頭將滴灌流量控制為0.8 L/h，滴水總量2 L，滴灌時(shí)間2.5 h。滴灌同時(shí)隨水按質(zhì)量濃度1.0 g/L滴入尿素2.0 g(相當(dāng)于施氮量0.067 5 t/hm2)。滴灌結(jié)束后，土面表面自滴頭一側(cè)起覆蓋25 cm塑料薄膜。

1.4 樣品采集及測(cè)定

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，SPSS 25.0的LSD(Least significant difference)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和多重比較，同時(shí)用Surfer 12繪制等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤水分的時(shí)空分布特征

以滴頭正下方入滲點(diǎn)為原點(diǎn)，豎直向下和水平向右為縱橫坐標(biāo)軸，(X,Y)表示與滴頭水平距離為X、豎直距離為Y的空間點(diǎn)坐標(biāo)，構(gòu)建描述滴灌土壤水-鹽-氮運(yùn)移與再分布過程的二維坐標(biāo)系。滴灌結(jié)束后，將不同時(shí)間、不同位置的土壤含水率繪制成等值線圖，不同處理土壤水分的時(shí)空分布如圖2所示。整體而言，不同處理的水分分布都表現(xiàn)為：以滴頭為中心，水分向四周擴(kuò)散形成近圓形分布，且垂直方向擴(kuò)散距離大于水平方向距離。隨時(shí)間增加，濕潤(rùn)體內(nèi)各處土壤含水率逐漸減小，且水平方向比垂直方向減小更快。不同處理之間的差異主要表現(xiàn)在水分?jǐn)U散速率和濕潤(rùn)體上。

圖2 不同處理下土壤水分的時(shí)空分布Fig.2 Temporal and spatial distributions of soil moisture under different treatments

圖3 不同時(shí)間時(shí)土壤含水率在對(duì)角線和水平方向的空間變化曲線Fig.3 Spatial changes of soil moisture content at different times in diagonal and horizontal directions

為對(duì)比不同處理間水分的空間分布差異，考慮到水分分布的對(duì)稱性，選取沿濕潤(rùn)體對(duì)角線上(5 cm, 5 cm)、(15 cm, 15 cm)、(25 cm, 25 cm)、(35 cm, 35 cm)4個(gè)點(diǎn)和水平方向上(5 cm, 5 cm)、(15 cm, 5 cm)、(25 cm, 5 cm)、(35 cm, 5 cm)4個(gè)點(diǎn)作為考察點(diǎn)，不同處理土壤含水率在滴灌結(jié)束后第1天和第49天的分布如圖3(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)所示。滴灌結(jié)束后第1天，(5 cm, 5 cm)和(15 cm, 15 cm)處3個(gè)處理的含水率沒有顯著差異(P>0.05)，(25 cm, 25 cm)處腐殖酸和空白處理下的含水率接近于干土區(qū)背景值,而生物炭處理的含水率為10%，顯著高于其他兩個(gè)處理(P<0.05)。(35 cm, 35 cm)處，3個(gè)處理的含水率都接近于背景值。這說(shuō)明腐殖酸和空白處理下濕潤(rùn)體的邊界在25 cm以內(nèi)，而生物炭處理可以提高水分在土壤中的運(yùn)移范圍，濕潤(rùn)體邊界為25～35 cm之間。在水平方向上，生物質(zhì)改良材料的施加增加了水分水平方向的移動(dòng)，使生物炭和腐殖酸處理在(15 cm, 5 cm)、(25 cm, 5 cm)處含水率顯著大于空白處理(P<0.05)。相對(duì)于第1天，經(jīng)過水分繼續(xù)入滲與再分布過程，第49天3個(gè)處理的含水率整體都有所降低，但是腐殖酸處理的濕潤(rùn)體土壤含水率顯著高于生物炭和空白處理(P<0.05)，并且腐殖酸處理在第49天的空間分布趨勢(shì)與第1天的分布趨勢(shì)比較接近，這說(shuō)明腐殖酸的施加提高了土壤的水分保持能力。

進(jìn)一步對(duì)比不同處理水分分布的時(shí)間動(dòng)態(tài)，選取(15 cm, 15 cm)和(25 cm, 25 cm)兩個(gè)點(diǎn)作為考察點(diǎn)，前者可以代表濕潤(rùn)體內(nèi)部的水分狀況，后者可以代表濕潤(rùn)體邊緣的水分狀況，兩處水分動(dòng)態(tài)如圖4所示。(15 cm, 15 cm)處的濕潤(rùn)體內(nèi)部水分隨時(shí)間呈降低趨勢(shì)，滴灌結(jié)束14 d以內(nèi)，生物炭處理的含水率顯著低于其他兩個(gè)處理(P<0.05)，14 d以后生物炭處理的含水率降低速率低于其他兩個(gè)處理。這是由于在入滲總水量相同的情況下，生物炭處理的濕潤(rùn)體范圍顯著大于其他兩個(gè)處理從而使分布在濕潤(rùn)體內(nèi)的含水率變小(P<0.05)，14 d以后隨著土體水分蒸發(fā)及二次分布，3個(gè)處理的含水率趨于一致。其次，(25 cm, 25 cm)處的濕潤(rùn)體邊緣土壤水分隨時(shí)間增加，滴灌結(jié)束后1～5 d內(nèi)逐漸增加，且3個(gè)處理的土壤含水率由大到小依次為生物炭處理、腐殖酸處理、空白對(duì)照。5 d以后含水率逐漸減小，且3個(gè)處理中，對(duì)照處理含水率前期依然低于其他2個(gè)處理，后期三者逐漸趨于一致。

滴灌結(jié)束5 d以內(nèi)，濕潤(rùn)體邊緣水分持續(xù)增加，說(shuō)明水分依然在水勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下以擴(kuò)散的形式由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，5 d以后逐漸減小則說(shuō)明這種由濕潤(rùn)體向干土區(qū)擴(kuò)散的行為停止，水分運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的向上擴(kuò)散。不同處理間的差異則說(shuō)明改良材料能夠提高土壤水分?jǐn)U散的速率。具體地，在滴灌開始階段，此時(shí)土壤水分的運(yùn)動(dòng)主要是以大孔隙飽和水的運(yùn)動(dòng)為主，而生物炭能夠增加土壤的大孔隙，因此生物炭會(huì)提高土壤水分在第一次運(yùn)移過程中的分布范圍和速率，從而導(dǎo)致滴灌結(jié)束1 d時(shí)，生物炭處理濕潤(rùn)體邊緣的土壤含水率顯著高于其他處理(P<0.05)。而在以擴(kuò)散為主的水分再分布過程中，影響水分運(yùn)動(dòng)的主要是土壤的毛管孔隙，結(jié)合圖2，可以看出，腐殖酸處理縮短了二次重分布的時(shí)間，增強(qiáng)了二次重分布強(qiáng)度，這說(shuō)明腐殖酸處理影響了土壤的毛管孔隙。

圖4 濕潤(rùn)體內(nèi)部和邊緣位置土壤含水率隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Diagrams of moisture content inside and in edge of soil wetted volume with time

圖5 不同處理下土壤鹽分的時(shí)空分布Fig.5 Temporal and spatial distributions of soil salinity under different treatments

2.2 不同處理下土壤鹽分的時(shí)空分布特征

如圖5所示，電導(dǎo)率時(shí)空分布等值線圖與水分時(shí)空分布等值線圖類似，但是規(guī)律性不如水分分布。滴灌條件下，土壤鹽分隨水分運(yùn)移發(fā)生重分布，在水平和垂直方向，距滴頭15 cm內(nèi)形成淡化脫鹽區(qū)，在濕潤(rùn)體邊緣(25 cm處)鹽分快速積聚，且垂向積累速率大于水平向積鹽速率。滴灌結(jié)束后，鹽分隨水分?jǐn)U散發(fā)生二次重分布，淡化脫鹽區(qū)面積隨著時(shí)間增加先增大后減小，濕潤(rùn)體邊緣積鹽區(qū)鹽分隨時(shí)間增加逐漸降低，鹽分重新返回到其他區(qū)域。經(jīng)過49 d的水鹽重分布后，滴頭垂向5～10 cm以內(nèi)依然保持脫鹽狀態(tài)，而30 cm深處和表層距滴頭25 cm處形成一個(gè)相對(duì)積鹽區(qū)，其他區(qū)域恢復(fù)初始狀態(tài)。

鑒于鹽分運(yùn)移分布在各個(gè)方向上的差異性，分別選取水平和豎直兩個(gè)方向來(lái)考察土壤鹽分的時(shí)空動(dòng)態(tài)。以點(diǎn)(5 cm, 5 cm)、(5 cm, 15 cm)、(5 cm, 25 cm)、(5 cm, 35 cm)4個(gè)點(diǎn)位代表垂直方向土壤的鹽分情況，以(5 cm, 5 cm)、(15 cm, 5 cm)、(25 cm, 5 cm)和(35 cm, 5 cm)4個(gè)點(diǎn)位代表水平方向土壤的鹽分情況。如圖6所示，滴灌結(jié)束1 d后，生物炭處理垂直方向淡化深度在25～35 cm間，大于腐殖酸處理和空白處理，腐殖酸處理和空白處理垂直方向淡化深度均在15～25 cm之間；在水平方向上，空白處理水平方向淡化距離小于15 cm，腐殖酸處理淡化距離在15～25 cm之間，而生物炭處理淡化距離則在25～35 cm之間。生物質(zhì)改良材料的添加改變了鹽分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，擴(kuò)大了淡化脫鹽區(qū)范圍，一方面，生物質(zhì)改良材料的添加使水分移動(dòng)速度增加，進(jìn)而使鹽分移動(dòng)速度相應(yīng)增加；另一方面，生物質(zhì)改良材料的添加增加了鹽分的可移動(dòng)性，進(jìn)而促進(jìn)了鹽分的運(yùn)動(dòng)。并且各處理均表現(xiàn)出垂直方向淡化深度大于水平方向淡化距離，鹽分的垂直方向積累程度也大于水平方向積累程度。

圖6 滴灌后1 d垂直方向和水平方向土壤電導(dǎo)率的變化曲線Fig.6 Changes in soil EC in vertical and horizontal directions on the first day after drip irrigation

圖7 不同處理下濕潤(rùn)體內(nèi)土壤電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Changing curves of EC in soil wetted volume with time under different treatments

考慮到鹽分運(yùn)移主要受水分運(yùn)動(dòng)的影響，因此選取濕潤(rùn)體邊緣處鹽分變化強(qiáng)烈的(15 cm, 5 cm)點(diǎn)作為觀察點(diǎn)，如圖7所示，根據(jù)(15 cm, 5 cm)處土壤電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化情況，可以直接反映土壤鹽分的運(yùn)移方向和速率變化。首先，在滴灌結(jié)束1 d時(shí)，空白處理的土壤鹽分顯著高于其他兩個(gè)處理(P<0.05)，結(jié)合前述淡化區(qū)的大小差異，進(jìn)一步說(shuō)明在第一次水鹽重分布的過程中，腐殖酸處理和生物炭處理的淡化區(qū)范圍更大，鹽分向外運(yùn)移的距離和速率更高。在1～5 d過程中，空白處理的電導(dǎo)率則降低到和其他兩種處理相近水平，而腐殖酸處理和生物炭處理的鹽分則開始緩慢增加，這是由于腐殖酸和生物炭的影響，造成土壤水分運(yùn)移范圍和速率比空白處理大，因此施加改良材料的處理水鹽第一次重分布伴隨滴灌過程快速進(jìn)行，在結(jié)束滴灌過程1 d內(nèi)就完成，而空白處理土壤鹽分在水分運(yùn)移驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)向濕潤(rùn)體外運(yùn)移的結(jié)果，直到第5天才完成第1次土壤水鹽重分布。5 d以后，3種處理的電導(dǎo)率又開始逐漸增加，直到與土壤背景值(2 400 μS/cm)相近水平保持不變，這一過程主要是在土壤蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)下，土壤水鹽發(fā)生二次重分布，鹽分由濕潤(rùn)體邊緣積聚區(qū)向濕潤(rùn)體淡化區(qū)反向擴(kuò)散的結(jié)果。

2.3 不同處理下土壤氮素的時(shí)空分布特征

如圖8所示，滴灌條件下，銨態(tài)氮沒有表現(xiàn)出明顯的運(yùn)移再分布特征。從空間分布上，銨態(tài)氮只在滴頭下方15 cm處形成一個(gè)高值中心區(qū)，以此為中心向四周呈近圓形遞減分布。從時(shí)間變化上，滴灌結(jié)束后，隨著時(shí)間增加，銨態(tài)氮含量先增加，到21 d時(shí)達(dá)到最大，隨后逐漸減小，濕潤(rùn)體內(nèi)部銨態(tài)氮分布趨于均勻。各處理銨態(tài)氮的分布規(guī)律近似，差異主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)變化上。

通過對(duì)比滴灌結(jié)束后第1天的銨態(tài)氮分布，可以發(fā)現(xiàn)空白處理在結(jié)束滴灌后第1天內(nèi)銨態(tài)氮含量增加程度明顯高于腐殖酸處理和生物炭處理。腐殖酸處理銨態(tài)氮含量在滴灌結(jié)束1 d后才開始明顯增加，而生物炭處理則在滴灌結(jié)束5 d后才開始快速增加。從整體上看，腐殖酸處理和生物炭處理抑制了尿素轉(zhuǎn)化開始的時(shí)間，但是腐殖酸處理并沒有減少銨態(tài)氮達(dá)到最高含量的總時(shí)間。21 d以后各處理銨態(tài)氮含量都開始減小，但是腐殖酸處理和生物炭處理的減小速率均低于空白處理，而銨態(tài)氮含量的減少主要受硝化作用影響，這說(shuō)明生物質(zhì)改良材料的施加抑制了土壤的硝化作用。除影響銨態(tài)氮含量變化的速率外，腐殖酸處理和生物炭處理增大銨態(tài)氮最終(第49天)的分布范圍，其中生物炭處理下銨態(tài)氮分布擴(kuò)散方向主要向下，而腐殖酸處理下其擴(kuò)散方向呈輻射狀。

進(jìn)一步分析圖9所示的不同處理硝態(tài)氮時(shí)空分布情況可以發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下，硝態(tài)氮表現(xiàn)出比銨態(tài)氮更強(qiáng)烈的運(yùn)移特征，隨水分運(yùn)移，硝態(tài)氮分布特征與水鹽分布類似，濕潤(rùn)體內(nèi)部形成一個(gè)相對(duì)低值區(qū)，濕潤(rùn)體邊緣處大量積聚，原土體中的硝態(tài)氮隨水鹽運(yùn)移發(fā)生重分布。滴灌結(jié)束后，隨時(shí)間增加，硝態(tài)氮隨水鹽一起繼續(xù)向濕潤(rùn)體外運(yùn)移積聚。21 d前，除集聚區(qū)外，其他區(qū)域硝態(tài)氮含量均呈降低趨勢(shì)，整體分布趨于均勻，21 d后，濕潤(rùn)體內(nèi)部受硝化作用影響，硝態(tài)氮含量增加，到49 d時(shí)，形成一個(gè)與銨態(tài)氮分布近似重合的高值區(qū)。

對(duì)比不同處理間硝態(tài)氮的時(shí)空動(dòng)態(tài)差異：首先，腐殖酸處理和生物炭處理下硝態(tài)氮表現(xiàn)出比空白處理更強(qiáng)烈的運(yùn)移特征，在前21 d內(nèi)，隨水鹽擴(kuò)散，更多更遠(yuǎn)地向濕潤(rùn)體外圍運(yùn)移積聚；其次，滴灌結(jié)束(49 d)時(shí)，雖然3個(gè)處理濕潤(rùn)體內(nèi)部硝態(tài)氮含量均增加，但是腐殖酸處理低于其他兩個(gè)處理，結(jié)合前文所述銨態(tài)氮的變化差異，說(shuō)明腐殖酸對(duì)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的硝化過程有抑制作用。

3 討論

3.1 生物質(zhì)改良材料對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的調(diào)控效應(yīng)

滴灌條件下，土壤水鹽運(yùn)移的過程具有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，既有空間上的運(yùn)移過程，又有時(shí)間上的變化過程。均勻分布在土體中的鹽分隨水分在土體中運(yùn)移包括兩個(gè)階段：第1階段，隨滴灌水分的入滲過程，土壤中的可溶性鹽分溶解于滴灌進(jìn)入的水分中，在土壤孔隙中隨水由濕潤(rùn)體內(nèi)部向外部運(yùn)移，鹽分發(fā)生第一次重分布，重分布的結(jié)果是鹽分在濕潤(rùn)體邊緣聚集，而濕潤(rùn)體內(nèi)部形成一個(gè)淡化脫鹽區(qū)。第2階段，在蒸發(fā)和水分?jǐn)U散作用下，鹽分隨水分由濕潤(rùn)體邊緣向內(nèi)部反向運(yùn)移，發(fā)生二次重分布，重分布的結(jié)果是原濕潤(rùn)體內(nèi)部土壤鹽分增加，濕潤(rùn)體邊緣鹽分積聚程度降低。滴灌條件下水鹽運(yùn)移的這種特征與呂殿青等[20]、陳帥等[13]研究結(jié)果一致。

影響第1階段的主要因素有滴頭流量、滴水量、土壤孔隙特性等，影響第2階段的主要因素有表土蒸發(fā)條件、土壤水分分布和土壤孔隙特性。改良材料對(duì)于水鹽分布的影響主要與它對(duì)土壤孔隙特性的影響有關(guān)。EASTMAN[21]發(fā)現(xiàn)施用生物炭25 t/hm2后，粉砂壤土總孔隙度增加了6.4%，大孔隙(1 500.0 μm) 和微孔隙(0.5 μm)均顯著增加。而JONES等[22]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著增加土壤中等孔隙和微孔隙，但降低了土壤大孔隙。田丹等[23]研究結(jié)果表明生物炭對(duì)于不同質(zhì)地土壤的水分?jǐn)U散影響規(guī)律并不一致。綜合已有報(bào)道，生物炭和腐殖酸等改良材料對(duì)于土壤孔隙特性有顯著影響，但是影響規(guī)律受生物炭的原料類型、熱解溫度、施用量和土壤質(zhì)地等因素的綜合影響而表現(xiàn)出不確定性。

本研究中，如圖10a所示，生物炭處理下土壤的飽和導(dǎo)水率顯著高于其他處理(P<0.05)，而飽和導(dǎo)水率則直接與土壤大孔隙有關(guān)[24]，故而生物炭可能增加了土壤大孔隙的數(shù)量，從而增加土壤水分和鹽分在第1階段的擴(kuò)散范圍。而腐殖酸處理土壤的田間持水率為16.68%，顯著高于其他處理(P<0.05)，這可能是因?yàn)楦乘崮軌虼龠M(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[25]，從而通過增加土壤毛管孔隙的數(shù)量增加土壤持水能力，這種影響會(huì)增加土壤孔隙水的保持量和聯(lián)通性，從而增強(qiáng)土壤水分的擴(kuò)散能力[26]，進(jìn)而增強(qiáng)土壤水鹽的二次重分布范圍和強(qiáng)度。

圖10 不同處理下土壤飽和導(dǎo)水率和田間持水率Fig.10 Soil saturated hydraulic conductivity and field water holding capacity under different treatments

生物炭對(duì)水鹽運(yùn)移第1階段水鹽運(yùn)移范圍的影響有利于擴(kuò)大滴灌土壤濕潤(rùn)體和鹽分淡化區(qū)的范圍，結(jié)合滴灌水量的優(yōu)化，為滴灌節(jié)水控鹽提供科學(xué)依據(jù)。而腐殖酸對(duì)于水鹽運(yùn)移第2階段土壤鹽分二次分布強(qiáng)度的影響，直接影響作物根區(qū)水鹽環(huán)境能否持續(xù)保持適宜的生長(zhǎng)狀態(tài)，進(jìn)而影響對(duì)滴灌頻次的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。也就是不同改良材料盡管都可以影響土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤水鹽運(yùn)移，但是影響尺度和方式不一樣。對(duì)這種差異的進(jìn)一步研究有助于在應(yīng)用改良材料進(jìn)行鹽漬農(nóng)田改良時(shí)，對(duì)于鹽漬農(nóng)田節(jié)水控鹽技術(shù)方案的制定更加科學(xué)和精細(xì)，與滴灌技術(shù)的配合方式更加協(xié)調(diào)。

3.2 生物質(zhì)改良材料對(duì)土壤氮素時(shí)空分布的調(diào)控效應(yīng)

3.2.1對(duì)土壤銨態(tài)氮時(shí)空分布的調(diào)控效應(yīng)

滴灌條件下，銨態(tài)氮沒有表現(xiàn)出明顯的運(yùn)移再分布特征，即只有時(shí)間上的變化過程，沒有空間上的變化過程，這主要是因?yàn)榈剌斎胧且阅蛩貞B(tài)進(jìn)入土壤，且只分布在濕潤(rùn)體內(nèi)部，尿素水解成銨態(tài)氮后，由于銨態(tài)氮的運(yùn)移性較低，故而只分布在濕潤(rùn)體內(nèi)部，因此銨態(tài)氮以原位轉(zhuǎn)化為主，其含量隨時(shí)間先增大后減小，穩(wěn)定分布在濕潤(rùn)體內(nèi)部。這種一般規(guī)律與侯紅雨等[27]的研究結(jié)果相印證，所不同的是本試驗(yàn)中銨態(tài)氮的峰值來(lái)臨時(shí)間為滴灌結(jié)束14 d前后，這比王旭洋等[28]研究所得的3 d前后要晚，可能是本研究所用土壤的鹽堿特性造成的。

添加生物炭和腐殖酸對(duì)于土壤銨態(tài)氮的影響主要表現(xiàn)在銨態(tài)氮的分布范圍和時(shí)間變化兩方面。銨態(tài)氮的分布范圍方面：腐殖酸處理和生物炭處理都會(huì)增大銨態(tài)氮的分布范圍，其中生物炭處理下銨態(tài)氮分布擴(kuò)散方向主要向下，而腐殖酸處理下其擴(kuò)散方向呈輻射狀。對(duì)于分布范圍的影響機(jī)制與對(duì)水鹽運(yùn)移的影響一致，都是通過影響土壤孔隙特性，增大了水分和尿素的運(yùn)移范圍從而增大了銨態(tài)氮的分布范圍。時(shí)間動(dòng)態(tài)方面：本試驗(yàn)各項(xiàng)條件下，土壤銨態(tài)氮的總體變化趨勢(shì)是隨時(shí)間推移先增大后減小。生物炭和腐殖酸的添加會(huì)推遲銨態(tài)氮開始增加的時(shí)間，抑制尿素的水解過程。根據(jù)LIU等[29]的研究，腐殖酸對(duì)于尿素水解的抑制與其對(duì)脲酶的抑制作用有關(guān)。但是生物炭對(duì)尿素水解的抑制作用與劉遵奇等[30]的研究結(jié)果相反，這可能與生物炭對(duì)土壤環(huán)境及氮素轉(zhuǎn)化作用機(jī)理的復(fù)雜性有關(guān)，需要進(jìn)一步探究，而這種影響將進(jìn)一步影響到硝態(tài)氮的時(shí)空分布過程。

3.2.2對(duì)土壤硝態(tài)氮時(shí)空分布的調(diào)控效應(yīng)

滴灌條件下，硝態(tài)氮表現(xiàn)出比銨態(tài)氮更強(qiáng)烈的運(yùn)移特征，隨水分運(yùn)移，硝態(tài)氮分布特征與水鹽分布類似，濕潤(rùn)體內(nèi)部形成一個(gè)相對(duì)低值區(qū)，濕潤(rùn)體邊緣處大量積聚，原土體中的硝態(tài)氮隨水鹽運(yùn)移發(fā)生重分布。因此在由尿素轉(zhuǎn)化的銨態(tài)氮開始硝化之前，土壤硝態(tài)氮的運(yùn)移分布規(guī)律受水鹽運(yùn)移影響，在尿素水解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮后，硝化作用進(jìn)一步開始，土壤硝態(tài)氮的含量和分布主要受銨態(tài)氮的分布及硝化過程影響。這種特點(diǎn)與鄭彩霞等[31]的研究結(jié)論一致。所不同的是本研究中濕潤(rùn)體內(nèi)硝態(tài)氮達(dá)到峰值的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)49 d以上，遠(yuǎn)大于同類研究中的7 d左右[28]，這可能與本研究所用土壤的高鹽堿環(huán)境對(duì)硝化作用的抑制有關(guān)，同時(shí)根據(jù)周才平等[32]的研究，含水率低于20%時(shí)，土壤含水率與凈硝化速率呈正相關(guān)，本試驗(yàn)各處理在21 d后土壤含水率低于10%的環(huán)境也抑制了土壤硝化過程。

生物炭和腐殖酸對(duì)于硝態(tài)氮時(shí)空分布的影響可以分為兩方面：①硝態(tài)氮作為運(yùn)移性較高的鹽分離子，生物炭和腐殖酸對(duì)其的影響規(guī)律與前述水鹽運(yùn)移規(guī)律一致。②硝態(tài)氮作為銨態(tài)氮硝化作用的產(chǎn)物，各個(gè)處理主要在時(shí)間變化過程中具有差異，腐殖酸處理的硝態(tài)氮含量低于其他處理，硝化作用被抑制。根據(jù)閆雙堆等[33]的研究腐殖酸在土壤中與尿素的絡(luò)合產(chǎn)物對(duì)于尿素轉(zhuǎn)化的各個(gè)環(huán)節(jié)有較強(qiáng)的抑制作用，這也可能是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因。

4 結(jié)論

(1)在滴灌條件下，鹽漬土壤水鹽的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過程包括水分入滲驅(qū)動(dòng)的第一次鹽分重分布過程和蒸發(fā)擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的水鹽二次重分布過程。生物炭能夠提高土壤飽和導(dǎo)水率，增大水鹽在第1階段的運(yùn)移范圍；腐殖酸能夠提高土壤的田間持水率，增加土壤孔隙水的保持量和聯(lián)通性，從而增大土壤水鹽的二次重分布范圍和強(qiáng)度。

(2)在滴灌條件下，銨態(tài)氮沒有表現(xiàn)出明顯的運(yùn)移再分布特征，在時(shí)間上則表現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢(shì)；硝態(tài)氮的時(shí)空分布一方面表現(xiàn)出與水鹽相近的運(yùn)移特征，另一方面又受銨態(tài)氮的硝化作用影響。

(3)滴灌尿素后，生物炭和腐殖酸兩種改良材料對(duì)土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮的時(shí)空分布產(chǎn)生影響，既有水鹽運(yùn)移調(diào)控的影響，也有氮素轉(zhuǎn)化過程調(diào)控的影響。生物炭的調(diào)控影響以前者為主，可以擴(kuò)大氮素的分布范圍；而腐殖酸的調(diào)控影響以后者為主，對(duì)尿素的水解和硝化過程表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑制效果。