鄭愛泉

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物工程分院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

【研究意義】水土資源的日益短缺對(duì)糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常通過提高水分、養(yǎng)分、太陽輻射等資源的利用效率來促進(jìn)糧食作物增產(chǎn)[1]。間(套)作是指在時(shí)間和空間上集約化的種植方式，能夠充分利用太陽輻射、水分、養(yǎng)分、耕地等資源，提高單位面積的產(chǎn)出率[2-3]。水分和養(yǎng)分條件可影響作物種間的相互作用，從而影響間作群體的總產(chǎn)量與資源利用效率[4-5]。因此，減少農(nóng)業(yè)用水、提高農(nóng)田灌溉水肥利用率對(duì)緩解黑河流域水資源緊缺狀況及其生態(tài)建設(shè)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】過去，由于采用落后的大水漫灌，出現(xiàn)了以消耗大量資源為特征的典型高度集約化農(nóng)業(yè)，成為生態(tài)環(huán)境惡化的主導(dǎo)因素，也是我國(guó)主要糧食作物難以高產(chǎn)的重要原因[6]。在國(guó)家實(shí)施壓縮高耗水作物種植面積政策后，間(套)作模式逐漸被單一作物種植模式代替[7]。當(dāng)前，以單作為主體的種植模式雖在很大程度上減少了單季作物的農(nóng)業(yè)用水量，但其存在的問題仍不容忽視。養(yǎng)分利用率不高是制約糧食作物增產(chǎn)的主要因素之一，糧食增產(chǎn)必須提高養(yǎng)分利用率，從而減少過度施肥對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來的環(huán)境污染問題[8]。壟溝間(套)作是針對(duì)土地利用率低、水資源緊缺和生態(tài)環(huán)境不斷惡化等問題，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀缓蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件提出的一種耕作方式[9-11]。壟溝灌溉是通過改變地面微地形形成寬壟溝結(jié)構(gòu)，利用灌水溝輸水并借助土壤毛管力作用，將水分側(cè)滲到寬壟種植帶的一種地面灌水方式。其僅對(duì)溝內(nèi)作物進(jìn)行灌溉，并依靠土壤水分側(cè)滲來實(shí)現(xiàn)水分在壟溝間的分配，滿足壟溝種植帶作物的需水量[12]。傳統(tǒng)栽培認(rèn)為，灌水量越大、施氮量越高，產(chǎn)量就越高，這不僅造成水氮利用率降低，還引起地下水水質(zhì)惡化，水資源日益短缺等問題[13-14]。同時(shí)，由于效益驅(qū)動(dòng)，高灌溉量和過量施肥的問題仍普遍存在[15-16]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，施入土壤中的氮肥僅有30%～40%被作物利用，20%～50%主要以硝態(tài)氮(NO3-N)的形式淋溶進(jìn)入地下水?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】如何提高作物水肥利用率，實(shí)現(xiàn)半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)降水資源管理和減弱施肥對(duì)環(huán)境的影響是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵問題。目前，有研究表明，間(套)作結(jié)合壟溝種植可有效提高資源利用率[2-3]，但有關(guān)壟溝間(套)作能否提高作物的水分、養(yǎng)分利用率，同步實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用土箱進(jìn)行室內(nèi)壟溝灌溉模擬試驗(yàn)，研究不同土壤質(zhì)地?zé)o作物壟溝灌溉的土壤水分和硝態(tài)氮分布特征，以期為壟溝間(套)作種植田間灌水技術(shù)和合理設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

土壤樣品參考周怡等[17]的方法采集。2021年4月采集渭河二級(jí)階地的黏土、一級(jí)階地的砂土和陜北壤土。土壤初始含水量(質(zhì)量含水量)分別為8.12%、4.13%和3.05%，硝態(tài)氮分別為7.46 mg/kg、6.73 mg/kg、5.12 mg/kg，氨態(tài)氮分別為7.58 mg/kg、7.73 mg/kg、8.47 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)3個(gè)處理，設(shè)計(jì)黏土、砂土和壤土的土壤容重分別為1.35 g/cm3、1.40 g/cm3和1.30 g/cm3，土壤初始含水率為8%，灌水量為75 mm，施肥量為90 g。將采回的土壤風(fēng)干過2 mm篩，配置初始含水量，放置48 h，使土壤含水量大致均勻，按設(shè)計(jì)容重分層(5 cm)裝入不銹鋼自制土箱。土箱長(zhǎng)2 m、寬0.4 m、高0.8 m，底側(cè)開孔，以防灌水時(shí)氣阻。在土壤表面修出梯形壟溝，壟寬60 cm、溝底寬30 cm、壟高15 cm，邊坡系數(shù)取1.0，半壟溝斷面尺寸如圖1。

圖1 半壟溝斷面圖

1.2.2 試驗(yàn)過程 以尿素為氮源(含氮量46%，陜西華山化工集團(tuán)有限公司)，在溝中施肥并覆蓋，靜置3 d使尿素充分熟化。按設(shè)計(jì)灌水量灌水后，記錄水分入滲時(shí)間。分別于入滲結(jié)束時(shí)、再分布24 h和再分布48 h，在壟溝不同測(cè)點(diǎn)處取土樣(圖1)。溝中取土深度為60 cm，每隔10 cm取1個(gè)樣；壟上取土深度為75 cm，壟表5 cm、10 cm各取1個(gè)，以下為每隔10 cm取1個(gè)樣。土壤樣品經(jīng)人工研磨，過5 mm篩，裝入密封袋保存待測(cè)。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)

1) 土壤含水量測(cè)定。采用烘干稱重法[16]測(cè)定，測(cè)定土層深度為0～70 cm。0～10 cm土層每5 cm取1個(gè)樣，10 cm以下每10 cm取1個(gè)樣，取樣位置分別為溝中(測(cè)點(diǎn)1)、溝邊(測(cè)點(diǎn)2)、壟邊(測(cè)點(diǎn)3)、距壟邊15 cm(測(cè)點(diǎn)4)、壟中(測(cè)點(diǎn)5)。測(cè)定時(shí)間分別為灌水后0 h、24 h和48 h。由于3個(gè)土壤類型測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2土壤剖面含水量變化基本相同，只對(duì)測(cè)點(diǎn)1進(jìn)行分析。

2) 硝態(tài)氮含量測(cè)定。取5 g新鮮土樣，1 mol/L KCL溶液為浸提液，以10︰1液土比浸提，充分振蕩30 min，經(jīng)過濾制成待測(cè)液，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(Vapodest 450，德國(guó))測(cè)定[17]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用 Excel 2010和Matlab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)地土壤的水分再分布特征

2.1.1 黏土 從圖2看出，測(cè)點(diǎn)1灌水后0 h，溝中土壤整個(gè)剖面含水量迅速增加，在28%以上，滲透至土壤50 cm處；灌水后48 h，土壤含水量呈降低趨勢(shì)，土層50～60 cm，含水量明顯下降。測(cè)點(diǎn)3灌水后0 h，含水量迅速增加，在20%以上，滲透至土壤30 cm處；灌水后48 h，土層40 ～60 cm，土壤含水量稍有下降。測(cè)點(diǎn)4是壟中和壟邊的中點(diǎn)，灌水后0 h，整個(gè)土壤剖面含水量大致維持在初始水平，即灌水后0 h溝中水分并未達(dá)到測(cè)點(diǎn)4；灌水24 h后，上層土壤含水量明顯增加，土層15 cm處土壤含水量最高，達(dá)20%；灌水48 h后，表層土壤含水量明顯下降。測(cè)點(diǎn)5位于壟中，灌水48 h后，其土壤剖面含水量保持在初始水平，壟中土壤無法通過側(cè)滲增加含水量。表明，灌水后0 h，在重力勢(shì)梯度、壓力勢(shì)梯度和土壤吸力梯度作用下，溝中土壤含水量迅速增加。水平方向在吸力梯度作用下的側(cè)滲使溝邊土壤含水量明顯增加，但水分未能滲透至1/4壟，之后溝中水分繼續(xù)下滲和側(cè)滲，使得溝中土壤含水量趨于平均，為20%，壟背土壤含水量因水平方向僅依靠土壤毛管作用力和土壤吸持力，側(cè)滲沒有下滲作用明顯，故48 h內(nèi)無法滲透壟中。

圖2 黏土的水分再分布特征

2.1.2 砂土 由圖3看出，測(cè)點(diǎn)1在灌水后0 h，溝中土壤整個(gè)剖面含水量呈梯度增加，在22%以上，隨著土層增加，含水量逐漸降低，滲透至土壤50 cm處；灌水后48 h，上層土含水量明顯下降，下層土含水量稍有升高。壟邊測(cè)點(diǎn)3灌水后0 h，含水量迅速增加，在15%以上，滲透至土壤10 cm處，下土層含水量稍有升高。測(cè)點(diǎn)4在灌水結(jié)束，含水量增加較緩，達(dá)1/4壟。測(cè)點(diǎn)5位于壟中，灌水結(jié)束時(shí)，整個(gè)土壤剖面含水量為初始含水量水平(4.13%)；灌水后48 h，上層土含水量明顯增加，即在48 h內(nèi)水分已滲透至壟中，且滲透水量大，滲透作用顯著。由于砂土中大顆粒土較多，毛管作用顯著，同時(shí)砂土持水能力弱，土壤中水分易達(dá)飽和，因此，水分在毛管作用力下推進(jìn)速度明顯，水平方向24 h內(nèi)滲透至壟中。

圖3 砂土的水分再分布特征

2.1.3 壤土 由圖4可知，測(cè)點(diǎn)1灌水后0 h，溝中土壤含水量迅速增加，在25%以上，滲透至土壤30 cm處，土層20 ～30 cm時(shí)，土壤含水量稍有降低，土層>40 cm時(shí)，土壤含水量維持在初始水平(3.05%)；灌水后48 h，上層土含水量明顯降低，下層土含水量明顯升高，整個(gè)土壤剖面含水量趨于平均，為20%。壟邊測(cè)點(diǎn)3灌水結(jié)束時(shí)，側(cè)滲作用顯著，上層土壤含水量明顯增加，下土層含水量稍有升高；灌水后48 h，土壤中水分逐漸下滲，整個(gè)土壤剖面含水量變化不明顯。測(cè)點(diǎn)4在灌水后0 h，整個(gè)土壤剖面含水量維持在初始水平；灌水后24 h，上層土壤含水量明顯增加；灌水后48 h，水分繼續(xù)側(cè)滲，滲透至土壤50 cm處。測(cè)點(diǎn)5在灌水后48 h，其土壤剖面含水量一直保持在初始水平，無法通過側(cè)滲增加含水量。表明，灌水后0 h水分下滲不如黏土和砂土明顯，水平方向在吸力梯度作用下的側(cè)滲比較明顯，使溝邊土壤含水量有明顯增加，但水分未能滲透至1/4壟；之后溝中水分繼續(xù)下滲和側(cè)滲，使得溝中土壤含水量趨于平均，為20%，1/4壟處土壤含水量有所上升，但48 h內(nèi)無法滲透壟中。

圖4 壤土的水分再分布特征

2.2 不同土壤質(zhì)地的土壤含水量

從圖5看出，壟溝灌水48 h后黏土的水分下滲作用最明顯，土層50 cm處含水量達(dá)20.96%，其側(cè)滲作用不明顯，上層土只滲透至距溝中45 cm處，在灌水48 h后未能滲透至壟中；壤土與黏土的水分再分布特征類似，但其下滲和側(cè)滲作用弱于黏土，土層50 cm處含水量為16.84%，水平方向上距溝中45 cm處含水量為12.04%，未能滲透至壟中。砂土的水分分布特征與黏土、壤土存在明顯差異，土層在垂直方向50 cm處和水平方向距溝中50 cm處的土壤含水量均為11.55%。由于砂土中大顆粒土較多，空隙豐富，在水分的運(yùn)移過程中，毛管作用十分顯著，從而促使水分下滲的重力勢(shì)與之相比作用并不明顯，因此水分主要在毛管作用力下向兩個(gè)方向同時(shí)推進(jìn)，在48 h內(nèi)滲透至壟中。

圖5 壟溝灌水48 h后不同土壤質(zhì)地的土壤含水量等線圖

2.3 不同土壤質(zhì)地的土壤硝態(tài)氮分布

從圖6看出，壟溝灌水48 h后黏土溝中上層土硝態(tài)氮含量較低，接近本底值7.46 mg/kg，在溝中50 cm處硝態(tài)氮含量最高，達(dá)14.25 mg/kg。表明在灌水后48 h內(nèi)，土壤中的硝態(tài)氮不易被土壤顆粒吸附，主要以對(duì)流形式隨水分向下運(yùn)移；砂土中水分在兩個(gè)方向上的滲透作用都較為顯著，從而使砂土的硝態(tài)氮分布也較均勻，含量峰值(16.95 mg/kg)在整個(gè)土壤剖面形成以測(cè)點(diǎn)1為圓心，50 cm為半徑的圓；壤土在溝中60 cm處硝態(tài)氮含量最高，為4.75 mg/kg，表明壤土中硝態(tài)氮也隨水分的滲透而運(yùn)移，但壤土中細(xì)菌、微生物等含量非常少，硝化作用不明顯，故硝態(tài)氮含量偏低。

圖6 壟溝灌水48 h 后不同土壤質(zhì)地的土壤硝態(tài)氮含量等線圖

3 討論

土壤質(zhì)地即土壤機(jī)械組成，指土壤中各級(jí)土粒含量的相對(duì)比例及其所表現(xiàn)的土壤砂黏性質(zhì)，對(duì)土壤水分滲入能力的影響是通過其對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和水力傳導(dǎo)度產(chǎn)生的影響來實(shí)現(xiàn)[18]。土壤質(zhì)地對(duì)土壤入滲能力的影響明顯，土壤質(zhì)地越輕，土壤入滲能力越大。在相同入滲水量下，入滲能力依次為壤土<黏土<砂土。黏土各測(cè)點(diǎn)土壤含水量隨時(shí)間變化的特征與張潤(rùn)霞等[19]的研究結(jié)果一致。張振華等[20-22]研究表明，土壤質(zhì)地對(duì)土壤水分入滲有顯著影響，質(zhì)地越重，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，土壤透水性越差，其入滲能力越差。由于土壤質(zhì)地差異直接影響土壤的孔隙度，土壤質(zhì)地較輕時(shí)，內(nèi)部大孔隙結(jié)構(gòu)較多，土壤導(dǎo)水率高且內(nèi)部連通性好，使得土壤水分入滲能力越強(qiáng)，入滲速率越快。隨著土壤質(zhì)地增大，土壤內(nèi)部連通性因大孔隙數(shù)量急劇減小而變差，且封閉氣體產(chǎn)生的氣阻現(xiàn)象進(jìn)一步阻礙土壤水分的移動(dòng)。因此，重質(zhì)土壤的水分入滲能力小于輕質(zhì)土壤。

研究表明，土壤質(zhì)地對(duì)土壤水分再分布特征的影響顯著，當(dāng)入滲水量相同時(shí)，入滲距離隨土壤黏粒含量的增加而減小，隨孔隙率的增大而增加，與張勇勇等[23]的研究結(jié)果一致。主要原因是砂土的砂粒較多，大孔隙多，土壤質(zhì)地表面積小，對(duì)水分運(yùn)動(dòng)過程中的吸附能力小，有利于水分的入滲；重壤土的貯存孔隙較砂土多，貯存孔隙不發(fā)生水流運(yùn)動(dòng)，不利于水分的入滲。水分的水平運(yùn)移主要取決于基質(zhì)勢(shì)，砂質(zhì)土的毛管力作用相對(duì)較小[24]，導(dǎo)致其水平側(cè)滲距離小于垂直距離。

試驗(yàn)結(jié)果表明，硝態(tài)氮的分布特征與水分分布特征類似，與張勇勇[25]的研究結(jié)果一致。栗博[26]采用室內(nèi)試驗(yàn)研究寬壟溝灌結(jié)果表明，硝態(tài)氮的運(yùn)移及分布與水分入滲規(guī)律類似，說明硝態(tài)氮在濕潤(rùn)體中隨著水分入滲而向濕潤(rùn)體邊緣運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)肥隨水走的特性。由于硝態(tài)氮帶負(fù)電，易溶于水，不易被土壤膠體吸附，可隨土壤水分發(fā)生對(duì)流遷移，從而導(dǎo)致硝態(tài)氮在濕潤(rùn)體邊緣累積。由于試驗(yàn)是在土壤質(zhì)地均勻、初始含水率一定等理想條件下進(jìn)行，并沒有考慮作物對(duì)水分入滲和養(yǎng)分吸收的影響作用，試驗(yàn)結(jié)果與大田實(shí)際存在一定的差別，因此，應(yīng)進(jìn)一步通過大田試驗(yàn)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與完善。

4 結(jié)論

不同土壤質(zhì)地壟溝灌溉對(duì)土壤水分和硝態(tài)氮再分布特征的影響類似。黏土的下滲作用最明顯，在垂直方向50 cm處含水量可達(dá)20.96%，其側(cè)滲作用不明顯；壤土在垂直方向50 cm處含水量為16.84%，水平方向距溝中45 cm處含水量為12.04%；砂土在垂直方向50 cm處和水平方向在距溝中50 cm處的土壤含水量均為11.55%。其中，在灌水48 h內(nèi)，黏土和壤土水分未能滲透至壟中，而砂土已滲透至壟中。硝態(tài)氮隨土壤水分入滲，黏土和壤土硝態(tài)氮在深層土壤中大量累積，而砂土硝態(tài)氮淋溶不明顯，呈同心圓分布，且更均勻。