秸稈隔層及不同灌水上限對土壤水氮分布的影響

吳 烽，張秫瑄，郭相平，曹克文，朱建彬，王易天

（河海大學 農業科學與工程學院，南京 210098）

0 引 言

【研究意義】水分和氮素是影響作物生長的2 個重要因素，當前我國南方不少設施栽培區為提高產量而過量施加水肥，帶來水肥利用效率低下、作物品質降低等問題[1]。同時，過量的水分會使肥料淋失進入地下水，產生面源污染[2-3]。因此，制定合理的灌溉制度是我國設施栽培區節約用水和防治農業面源污染的當務之急。【研究進展】在地下一定深度處埋設植物秸稈形成隔離層，能夠抑制水分入滲，增強表層土壤蓄水能力[4]，在地下25 cm 深度處鋪設秸稈隔層能夠優化水鹽分布[5]，蔬菜種植結合秸稈施入可有效提高水分利用效率[6-8]，同時能減少硝態氮的淋溶損失[9-11]，從而達到節水保肥的效果。因此，秸稈施入或深埋措施可有效涵養土壤中的水分和肥力。但也有研究發現，秸稈層以上土壤含水率超過一定閾值會加大滲漏量，降低田間水分利用效率[12]，同時增加面源污染風險。【切入點】故尋找秸稈隔層以上適宜的灌水上限以及設置秸稈隔層條件下的土壤水氮分布特征，對提高土壤水肥保持能力，控制面源污染具有重要意義。就目前研究來看，前人主要通過秸稈隔層來抑制土表返鹽，而針對秸稈隔層以上適宜的含水率閾值問題研究較少。【擬解決的關鍵問題】通過室內土柱模擬試驗，設置秸稈埋深為25 cm，研究不同灌水上限對0～25 cm 土層水氮分布的影響，以期為秸稈隔離層深埋條件下的水肥控制提供一定理論支持和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019 年5—9 月在河海大學節水園區內進行，試驗用土取自園區內，土壤質地為壤質黏土。試驗前期將所取土壤風干、磨碎并除去碎石雜物，通過2 mm 篩后混合均勻以備用。備用土樣干體積質量為1.34 g/cm3，用環刀法測得土樣飽和土壤質量含水率為43.7%，用威爾克斯法測得田間持水率為30.6%（質量含水率），用烘干法測定備用土樣的初始含水率為1.2%（質量含水率），用酚二磺酸比色法測定土樣的初始硝態氮量為1.4 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗所用圓柱形土柱為PVC 管道。高80 cm，直徑30 cm。在距離土柱上端20、30、40 cm 處設置1 層環繞的4 個取樣孔，取樣孔直徑為2 cm。在接近土柱底部處設置排水閥。裝土前在底部鋪設10 cm 砂石反濾層。將備用土樣按1.34 g/cm3的體積質量從反濾層以上分層填裝。裝土時選擇每次控制深度為10 cm，壓實完畢梳毛整理表層之后再裝填下一層，以保證土層均勻接觸。土柱上部留15 cm 蓄水高度。

試驗中隔離層處理使用干枯水稻秸稈，將其剪成3～5 cm 段狀。有秸稈層處理，從反濾層裝土至距土柱底部30 cm 處，均勻鋪設400 g，壓實之后秸稈層厚度為10 cm，即所鋪設秸稈密度為0.057 g/cm3，之后再填裝土25 cm。即秸稈埋深為25 cm。上方預留與無秸稈處理相同。

試驗設2 個因素，即秸稈隔層和隔層以上土壤灌水上限。秸稈隔層分有、無秸稈2 個水平；灌水上限設飽和含水率（θs）、田間持水率（θf）、田間持水率的80%（0.8θf）3 個水平，共6 個處理。T1、T3 和T5 處理設置秸稈隔層，T2、T4 和T6 處理無秸稈隔層，T1、T2 處理設置灌水上限為θs，T3、T4 處理設置灌水上限為θf，T5、T6 處理設置灌水上限為0.8θf。每個處理重復3 次。試驗裝置如圖1 所示。

將尿素加入去離子水中進行一維入滲試驗，各處理入滲水的尿素質量濃度均為0.48 g/L。灌完水后在土柱上方覆塑料薄膜防止蒸發。灌水量和施肥量情況如表1所示。

表1 試驗設計 Table1 Experimental design

1.3 土樣采集與測定方法

灌水后2、4、6 d 通過取樣孔輪流取樣，保證取樣位置不重復，取樣位置距土表5、15、25 cm。入滲結束后，分別取0～5、5～15、15～25 cm 土樣。用烘干法測得土樣含水率，用紫外分光光度計測得硝態氮量。

儲水效率S（%）計算式為：

式中：VT為各處理入滲結束后土表以下0～25 cm 土層的儲水總量（L）；V0為灌水前0～25 cm 土層的初始含水量（L）；VI為各處理的灌水總量（L）。

1.4 數據分析

用Excel 和SPSS 分析數據并繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤含水率的影響

圖2 為不同處理土壤含水率隨時間的變化。從圖2 可以看出，入滲2 d 后，灌水上限為非飽和含水率時，各處理未入滲至25 cm，此時隔層對土壤入滲和含水率情況無顯著影響。當灌水上限達到飽和含水率θs時，隔層會顯著增加上部0～25 cm 土層土壤含水率，提高了土壤的保水能力。入滲4 d 后，T1 與T2處理各層含水率的差異性加大，T3 處理各層含水率高于T4 處理，T5 與T6 處理仍表現無顯著差異；入滲6 d 后，T1 與T2 處理、T3 與T4 處理含水率差異更為顯著，T5 處理各層含水率高于T6 處理。在同一灌水上限條件下，0～25 cm 土層含水率有秸稈處理顯著高于無秸稈處理，說明設置秸稈隔層能增加隔層以上土壤水的蓄留時間，抑制上層土壤水分的入滲。且灌水上限越高，入滲速率越快，隨著入滲的進行有無秸稈隔層處理含水率的差異越明顯。故秸稈隔層和灌水上限的差異均能對土壤水分的分布產生顯著的影響。

2.2 不同處理對入滲水量的影響

各處理0～25 cm入滲6 d結束后的儲水狀況如表2 所示。由表2 可知，有秸稈隔層的T1、T3 和T5 處理的儲水量分別比無秸稈隔層的T2、T4 和T6 處理高40.7%、24.5%、15.4%（P＜0.05），說明在相同灌水上限條件下，秸稈隔層能減小水分入滲，顯著提高秸稈上層儲水量。設置秸稈隔層處理中，T1 處理儲水效率比T3、T5 處理分別低16.9%、19.2%（P＜0.05），說明設置秸稈隔層的情況下，低灌水上限處理秸稈隔層以上的儲水效率得到顯著提高。T3 與T5 處理儲水效率均接近90%，但未達到顯著水平。其原因是低灌水上限的條件下，秸稈隔層上部土壤為黏土，在相同水勢條件下，秸稈隔層的含水率低于黏土。而秸稈隔層毛管孔隙不發達，在低含水率條件下導水率較低，使得通過土-隔層界面的水流通量降低，抑制了秸稈隔層以上土壤水分入滲，提高了儲水效率。上述結果還表明，即使按照正常灌溉將灌水上限控制在田間持水率水平，秸稈隔層也能大幅減少水分向深層的運移，提高土壤的保水性能。

圖2 不同處理0～25 cm 土層含水率分布情況Fig.2 Water distribution in 0～25 cm soil layer for different treatment

表2 不同處理入滲6 d 后的儲水狀況 Table 2 Water storage status of different treatments after infiltration for 6 days

由表2可以看出，無隔層條件下，灌水6 d后，T3處理0～25 cm土層灌溉水滲漏率為28.8%。而在隔層處理下為11%，與T4處理差異顯著。這與前述土壤含水率變化相一致。說明秸稈隔層具有抑制深層滲漏的效果。

多因素方差分析（表3）表明，秸稈隔層和灌水上限的差異對儲水量和儲水效率的影響均達到顯著水平（P＜0.05），且結合F值表3 可看出，秸稈隔層對儲水量和儲水效率的影響大于灌水上限的影響。

表3 SPSS 回歸分析F 值 Table 3 F value for regression analysis by SPSS

圖3 不同處理0～25 cm 土層硝態氮分布情況Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in 0～25 cm soil layer for different treatment

2.3 不同處理對硝態氮分布的影響

圖3 為不同處理硝態氮量變化。從圖3 可以看出，灌后2 d，T1、T2 處理入滲峰到達隔層位置，隔層以上土層硝態氮量表現為T1 處理>T2 處理（圖3（a））；當入滲時間延長至4 d，各處理入滲前鋒到達秸稈隔層，飽和上限時，表土（5 cm 處）硝態氮量表現為T1 處理>T2 處理，而中下層（15 cm 和25 cm 處）表現為T1 處理T4 處理，T5、T6 處理無顯著差異（圖3（b））。入滲6 d 后，T5 和T6 處理剖面整體硝態氮量均較高，且T5 處理顯著高于其他處理；上限為田間持水率時，T3 處理上層硝態氮量高于T4 處理，而下層較低；飽和含水率時，秸稈隔層處理量均較低，且T1處理顯著低于T2處理，淋溶損失現象明顯。

圖4 為入滲6 d 后各處理0～25 cm（隔層以上）土壤硝態氮量情況。由圖4 可知，各處理硝態氮量表現為T5 處理>T6 處理>T3 處理>T4 處理>T2 處理>T1處理，即隨著灌水上限的降低，土壤硝態氮量提高。在田間持水率和80%田間持水率時，設置秸稈層處理均提高了土壤硝態氮量。當灌水上限低于田間持水率（T5和T6處理）時，0～25 cm的土壤硝態氮量較高，盡管施肥量低于前者，但硝態氮量顯著高于飽和含水率處理（T1 和T2 處理），T6 處理與田間持水率處理（T3 和T4 處理）持平，而T5 處理則顯著高于T3和T4 處理。表明抑制滲漏是減少硝態氮淋失的有效手段。尤其在低灌水上限時，效果更為明顯。

圖4 不同處理入滲6 d 后0～25 cm 土壤硝態氮總量 Fig.4 Nitrate content in 0～25 cm soil layer after 6 days for different treatment

3 討 論

土壤水分入滲主要與土壤孔隙的結構形態和幾何特征有關，而層狀非均質土壤較均質土壤存在孔隙差異界面，由此表現為分層界面處的毛管障礙[13]，從而對土壤水分分布產生影響。在地下一定深度處設置秸稈隔層，由于隔層的存在使均質土壤出現分層，隔層孔隙中的空氣不能完全排出或來不及排出入滲表面就被積水禁錮在土體內部，形成封閉氣泡[14]，從而使土壤水分儲存在隔層上方。本試驗研究發現，通過設置秸稈隔層，可使不同灌水上限處理隔層以上儲水效率均顯著提高，這與趙永敢等[15]的研究結果相似。由此可見，秸稈隔層可有效抑制水分入滲，減少深層滲漏，提高水分利用效率。

當計劃濕潤層土壤含水率不超過田間持水率時，土壤水將以毛管水的形式保持而不產生深層滲漏。但實際由于計劃濕潤層含水率分布不均，即使計劃濕潤層平均達到田間持水率時，由于土壤重力勢的存在，下層土壤含水率已超過田間持水率，故必然產生深層滲漏（如T4 處理）。或即使不超過田間持水率，但由于灌水后上部土壤含水率和水勢較高，仍然會產生滲漏（如T6 處理）。本試驗以飽和含水率、田間持水率和80%田間持水率為灌水上限，分別模擬淹灌、正常地面灌溉和節水灌溉，研究發現，在灌水上限不大于田間持水率時，同一灌水條件下，設置隔層處理的儲水效率在灌水6 d 后可達89%（T5 處理）～91%（T3處理），較飽和含水率灌水上限高。這是因為秸稈與一般土壤相比，具有發達的非毛管大孔隙，而毛管孔隙率較低。在秸稈上層土壤含水率較低，或者供水不足時，相同土壤水勢條件下，秸稈含水率更小，水分集中于細小毛管內，其導水率低于土壤，土壤—秸稈界面的水流通量下降，使灌溉水更多儲存在上層的土體中。但在高含水率情況下，大孔隙充水使其導水率快速增加，從而造成較多滲漏，故飽和含水率灌水上限上層儲水效率較田間持水率和80%田間持水率處理低，這與盧闖等[16]的研究結果相似。由此可見，只有當灌水上限低于田間持水率時，結合設置秸稈隔層處理才可有效提高隔層以上儲水效率。

導致硝態氮運移的主要因素包括過量灌溉[17]和土壤質地[18]，本研究發現，上層土壤硝態氮量隨灌水上限的升高而降低，這是由于硝態氮易隨水分滲漏而淋失，與郭大應等[19]和黨建友等[20]有關灌水量對硝態氮量的影響研究結果相似。而設置秸稈隔層處理（T3和T5 處理）上層土壤硝態氮量高于無秸稈隔層處理（T4 和T6 處理），這是由于秸稈隔層改變了土層剖面的土壤質地，抑制了灌溉水入滲的同時減少了硝態氮的滲漏，故可起到一定的保肥作用。本研究中，低于田間持水率灌水上限設置秸稈隔層處理硝態氮量較高，而飽和含水率灌水上限結合秸稈隔層處理較其他處理均偏低，這是因為低于田間持水率處理土層含水率較低，設置秸稈隔層盡管提高了含水率，但由于水分滲漏較少，故硝態氮大多被蓄留在隔層以上。而飽和含水率灌水上限處理灌水量較多導致土壤濕度較大，且設置的秸稈隔層進一步提高了上層土壤含水率，故即使施肥量最高，但過高的水分促進了土壤中硝態氮鹽的淋洗，且水分滲漏較多，從而導致隔層以上土壤中大量的硝態氮向下層遷移。因此，設置秸稈隔層時，為提高隔層的保肥能力，應將灌水上限設置為田間持水率以下。

4 結 論

1）設置秸稈隔層處理能顯著提高隔層以上土壤含水率與入滲結束后的儲水量。入滲6 d 后有秸稈隔層處理的T1、T3 和T5 處理的儲水量分別比無秸稈隔層處理的T2、T4 和T6 處理高40.7%、24.5%、15.4%。

2）灌水上限設置為低于田間持水率處理時能顯著提高隔層以上儲水效率。尤其設置秸稈隔層處理中，T3 和T5 處理儲水效率達89.0%和91.3%，顯著高于T1 處理。

3）設置80%田間持水率灌水上限結合秸稈隔層處理不僅儲水效率最高，而且可有效抑制土壤硝態氮深層滲漏，提高隔層以上硝態氮量，可作為最優節水保肥措施。