曾 輝，溫 娜，張建豐，張 杰，胡克林，劉 剛**

(1.中國農(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)

氮素是作物生長必不可少的營養(yǎng)元素，土體中氮素轉(zhuǎn)化過程十分復(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，發(fā)生淋洗，通過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、動物洞穴等土壤生物活動和干濕交替、地下水流等土壤物理過程造成的孔隙[2]。優(yōu)先流是指流體、氣體或者溶質(zhì)繞過大部分多孔系統(tǒng)，通過優(yōu)先通道移動的現(xiàn)象[3-5]。大孔隙對于土壤中水分運(yùn)動的影響是土壤學(xué)中一個重要科學(xué)問題[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于有大孔隙土壤的水分運(yùn)動存在影響； 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，國內(nèi)外學(xué)者通過田間試驗(yàn)和模型模擬研究了大孔隙優(yōu)先流對于土體硝態(tài)氮淋洗的影響，但定量化研究土壤大孔隙優(yōu)先流對于農(nóng)田作物生長中土壤水氮運(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)先流對硝態(tài)氮運(yùn)移的影響；呂文星[12]通過土柱的硝態(tài)氮穿透曲線，系統(tǒng)研究了三峽庫區(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MACRO-SOILN 耦合模型，研究了大孔隙流對結(jié)構(gòu)性土壤中硝態(tài)氮淋洗的影響，但該研究對于大孔隙流的劃分是通過土壤水力傳導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)的，不能定量化大孔隙對硝態(tài)氮淋洗的影響。

田間管理直接影響了作物生長以及氮素運(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，合適的灌溉量對于作物生長和水氮運(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)降雨對硝態(tài)氮淋洗的影響，通過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。土壤水熱碳氮過程耦合模型(WHCNS，soil water heat carbon nitrogen simulator)是梁浩等[15]借鑒國內(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、作物生長的關(guān)鍵過程，及模擬降雨、施肥和灌溉等因素對于土壤水分和溶質(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)先流對于農(nóng)田土壤硝態(tài)氮淋洗的影響。同時本研究將利用改進(jìn)的自動雙環(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)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)科學(xué)園(116°18′E，39°57′N)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站(116°18′E，39°57′N)，兩個地點(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)站兩個地塊進(jìn)行亮藍(lán)染色示蹤試驗(yàn)?？茖W(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 個試驗(yàn)點(diǎn)，上莊8 個試驗(yàn)點(diǎn)，現(xiàn)場試驗(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，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，每個入滲點(diǎn)挖掘5 個剖面，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，對扭曲的照片進(jìn)行校正，同時將多余的圖片區(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Analyze 的Measure測量功能統(tǒng)計(jì)染色區(qū)域的面積。

1.2.3 WHCNS 模型模擬

本研究在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)園和上莊實(shí)驗(yàn)站通過灌注法(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蚯蚓洞個數(shù)平均為1.24 個，直徑平均為6.63 mm，長度平均為118.66 mm，因此本研究在應(yīng)用WHCNS模型模擬蟲洞對土體中氮運(yùn)移的影響時，假定1 m2內(nèi)1 個蟲洞(直徑為7 mm，長度為100 mm)。

WHCNS 模型主要包括土壤水分運(yùn)動、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、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，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)置來自前人試驗(yàn)研究[25]。為研究強(qiáng)降雨對氮素運(yùn)移的影響，本研究模擬了2016年夏玉米整個生長季中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，分別對科學(xué)園(9 個)和上莊實(shí)驗(yàn)站(8 個)的觀測點(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

本研究通過雙環(huán)入滲儀測量含有蟲洞等大孔隙土壤的穩(wěn)定入滲速率，同時借助土壤垂直剖面上的染色面積來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，該變量服從正態(tài)分布。如表2 所示，穩(wěn)定入滲速率、染色面積兩個變量都服從正態(tài)分布，因此在計(jì)算兩個變量的相關(guān)系數(shù)時，將采用Pearson 相關(guān)系數(shù)。

表2 科學(xué)園觀測點(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 有無蟲洞及施肥方式對土體硝態(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，表層0～20 cm 土壤的硝態(tài)氮含量低于無蟲洞時，而20～100 cm 的土壤硝態(tài)氮含量則高于無蟲洞時。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，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，無蟲洞時，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)施肥時存在蟲洞的年淋洗量較無蟲洞增加 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)氮垂直分布來看，隨著土層加深，硝態(tài)氮含量總體呈增加趨勢。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，兩種灌溉方式下0～40 cm 土層硝態(tài)氮含量下降，此時產(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)降雨對土體硝態(tài)氮含量變化的影響

圖6 是模擬夏玉米整個生長季期間設(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?。?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)降雨會增加氮素淋洗的風(fēng)險，3 次強(qiáng)降雨使得整個夏玉米生長季硝態(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，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)先流對于土壤水分入滲的影響。長期觀測與試驗(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]。就本研究兩種耕作方式而言，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]。本研究通過改進(jìn)的自動雙環(huán)入滲儀測定土壤穩(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，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時比實(shí)際生長偏理想化造成。土壤存在蟲洞等大孔隙時，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)，動物(如蚯蚓)活動容易產(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)氮含量低于無蟲洞土壤，無蟲洞土壤氨的揮發(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)，噴灌灌水時間長，灌水量較多地儲存在土體0～40 cm，下滲量小。而漫灌灌水時間短，灌溉帶來較深的下滲水，增加淋失風(fēng)險。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)險越高。此外，噴灌由于低灌水量和灌水均勻性，可以減少徑流產(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，會出現(xiàn)噴灑不均勻、蒸發(fā)損失增大的問題。因此農(nóng)民在選擇灌溉時，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)降雨帶來的過量水分易使土壤氮素發(fā)生徑流淋失和深層淋洗，使得整個玉米生長季硝態(tài)氮淋洗量大大增加。另一方面，3 次強(qiáng)降雨帶來影響不同，第一次強(qiáng)降雨對硝態(tài)氮淋洗的影響遠(yuǎn)低于后兩次強(qiáng)降雨，說明硝態(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)先流對于硝態(tài)氮淋失的影響。通過中國農(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程，對入滲剖面進(jìn)行形態(tài)學(xué)上的描述，無法定量化土壤穩(wěn)定入滲速率。本研究同時借助WHCNS 模型定量化模擬了土壤蟲洞存在對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，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，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蟲洞所導(dǎo)致的優(yōu)先流對土壤-作物系統(tǒng)氮素運(yùn)移的影響。