蓄水坑灌体系温度对土壤氮素运移转化影响

史晓凯，马娟娟，冯晓波，郑利剑，孙西欢,3

(1.太原理工大学水利科学与工程学院,太原 030024；2.山西省环境科学研究院，太原 030027；3.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

土壤氮素作为农业生态系统中最重要的化学元素之一，在农业生态系统的动态平衡中扮演着重要的角色，氮循环的好坏直接影响着农作物的多样性与产量[1]。有机态的氮进入土壤后不能直接被农作物吸收，而是经过一系列转化以铵态氮和硝态氮的形式被植物吸收[2]。土壤氮素运移规律一直是学者们研究的重点，目前针对不同节水灌溉方式、灌溉制度以及水肥耦合条件下的氮素运移研究较多，这些研究为更好地提高氮肥利用率、减少氮损失提供了理论参考，对农业资源的可持续利用起到了指导作用[3]。

蓄水坑灌法作为一种在北方干旱、半干旱地区进行推广的新型节水灌溉方法[3]，针对不同影响因素下的土壤氮素分布规律，进行了大量的室内和田间试验，如不同灌水量、不同施肥浓度、不同土壤体积质量、不同复水、不同复水时间等[4-6]。但对于蓄水坑灌条件下温度对氮素运移分布规律的影响还鲜见报道。温度的变化不仅影响着不同土层氮素的运移分布，还对氮素矿化过程中硝化反硝化作用有重要的影响。因此，研究不同体系温度对土壤氮素运移规律的影响刻不容缓。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验所用土壤取自山西省果树研究所，土壤类型为褐土，经风干、碾碎，过筛(2 mm)后备用。土壤初始含水率为0.034 cm3/cm3， 硝态氮含量为0.912 mg/kg，铵态氮含量为0.497 mg/kg。

1.2 试验装置

依据蓄水坑水分入渗的轴对称特点，取蓄水坑周围土体的一个30°扇形柱体进行研究。试验模型(见图 1)为自制的试验土箱，半径为60 cm，高为100 cm的30°三棱柱，三棱柱材质为有机玻璃，并在三棱柱两侧面对称布设小孔，一侧用于取样，一侧用于预埋温度、水分传感器自动监测。取样孔径向与横向间隔均为10 cm。在三棱柱锐角部分安装模拟蓄水坑的水室，水室半径为20 cm，高为60 cm，弧面上均匀地布满渗水眼，底部采用不透水的有机玻璃板，水室两壁与土箱相接处均匀涂抹凡士林以防止水分沿土箱两壁渗漏。

1-温控箱；2-箱体端门；3-土壤物理模型；4-水室；5-自动水位传感器；6-土壤温度、水分传感器；7-取样孔；8-室内温度传感器；9-箱内电源插座；10-输入率口插槽；11-输出率口插槽；12-传感器数据传输线；13-数字显示器；14-试验初始注水孔；15-马氏简；16-马氏简温水管路；17-接口；18-马氏简支架；19-保温套图1 试验模型Fig.1 Test model

三棱柱装土之前，利用其一侧小孔预装温度、水分感应探针，实现土体温度水分的实时监测。装土完毕后，将三棱柱安装于大型温控箱之中，确保土体温度控制在实验设置温度。并采用自动升温控温式马氏瓶，确保水、土温度一致。

1.3 试验方法

设置土体土壤密度为1.47 g/cm3，蓄水坑(水室)半径为20 cm，坑深为60 cm。根据田间灌溉经验，拟定灌水定额为300 m3/hm2，施氮量为210 kg/hm2，经换算得到本试验所用灌水量为7 L，肥液浓度为700 mg/L，供试肥料为尿素，试验采用马氏瓶定水头供水，初始灌溉水头为50 cm。

本试验以体系温度(水温与土温一致)作为控制变量来对水氮运移规律进行模拟研究。温度选取以田间实际灌溉温度作为参考依据，共设置5个温度水平：5、10、20、25、35 ℃。每个温度水平下试验周期为15 d、灌后第1 d、第5 d、第10 d、第15 d在预留孔中取样并进行相关数据采集。

1.4 试验指标的测定

入渗过程中实时记录湿润峰迁移位置，土壤含水率则利用预埋水分感应器实时自动测定．土壤中硝态氮(NO3-N)和铵态氮(NH4-N)含量用连续流动分析仪(型号：AAR3)测定。

2 结果与讨论

2.1 不同土壤温度下土壤水分时空再分布规律

本试验条件下，各体系温度肥液入渗过程均在7 h左右完成，之后肥液开始在土体中进行水分和养分的再分布过程。根据实测结果，温度相近时土壤水分运移规律基本相似，故选取5、20、35 ℃代表低、中、高3个温度水平进行说明(见图2～图4)，不同时间下土壤二维含水率等值线形状呈近似“鸭梨状”[7]。随着时间的推移各温度条件下垂向和径向迁移距离均逐渐增大，并表现出蓄水坑壁附近土壤水分向远离蓄水坑壁区域再分布、湿润土体内含水率分布逐渐均一的现象。其中径向距水室中心20～50 cm、垂向距土体表面30～70 cm区域土壤中的含水率较高，该区域为大田果树生长根系活动较为集中区，表明蓄水坑灌法能很好地为果树生长提供所需水分。

图2 低温下土壤水分时空间分布等值线图(单位：cm3/cm3)Fig.2 The spatial distribution of volumetric soil water content in different time under the low temperature

图3 中温下土壤水分时空分布等值线图(单位：cm3/cm3)Fig.3 The spatial distribution of volumetric soil water content in different time under the middle temperature

图4 高温下土壤水分时空分布等值线图(单位：cm3/cm3)Fig.4 The spatial distribution of volumetric soil water content in different time under the high temperature

不同体系温度同一水分运动时刻下，随温度升高，其横向与径向迁移距离均增大，且温度越高靠近蓄水坑壁区域的土壤含水率相对越低，表明温度的升高加快了土壤水分的再分布速率，促使靠近蓄水坑壁区域的土壤水分向湿润体边缘迁移、扩散，这主要由于试验所用土壤黏粒含量较高，低温时温度变化对土壤黏粒影响较小，中高温度时，温度升高，粘粒膨胀变大、使得原来由黏粒结构构成的小空隙也随之变大，土壤大空隙增多，饱和导水率增加[8]，土壤水分运动加快，另一方面温度升高有效降低了水动力黏滞系数。在两者的共同作用下，温度升高显著加快了土壤中水分的再分布速率。

2.2 不同土壤温度下土壤铵态氮时空分布规律

根据实测结果，温度相近时土壤铵态氮运移规律基本相似，故选取5、20、35 ℃代表低、中、高3个温度水平描述土壤铵态氮时空分布特征(见图5～图7)，蓄水坑灌尿素肥液入渗至土壤后，各温度下土壤中铵态氮含量随时间推移均呈现先增后减的现象，这主要是由于尿素肥液施入土壤后先在脲酶的作用下催化水解为铵态氮，后在硝化细菌的作用下氧化成硝态氮，而铵态氮的积累是尿素水解与硝化反应共同作用的结果。低温下第10 d时土壤养分再分布核心区(径向距水室中心20～50 cm、垂向距土体表面30～70 cm区域)中的铵态氮含量呈增加态势，第15 d开始出现下降趋势；而中、高温时，土壤中的铵态氮含量在第10 d时已出现下降趋势，且35 ℃温度条件下第15 d时土壤中的铵态氮含量已趋近于本底值。表明当温度高于25 ℃时，蓄水坑灌条件下15 d左右基本可以完成尿素的水解过程。此外，不同体系温度土壤中养分再分布时间相同时，同一位置(距离蓄水坑中心与地表距离均相同)土壤铵态氮浓度随温度升高呈降低趋势，可见温度的升高不仅加快了尿素水解反应的完成，同时促进了硝化反应进程并抑制了铵态氮在土壤中的积累。

不同体系温度下土壤中铵态氮径向最大迁移距离均位于距水室中心50 cm左右(见图5～图7)，远低于水分的径向迁移距离，这主要是由于NH+4带正电荷，而土壤胶体带负电荷，从而阻碍了铵态氮再分布[9]，可见温度对铵态氮的迁移距离无显著影响。费良军[10]研究认为膜孔肥液自由入渗铵态氮再分布过程远远滞后于水分的运动，与本研究结果一致。同时随温度升高土体表层的铵态氮含量显著下降，这主要是由于温度升高促进了上层土壤中氨挥发的速率。

图5 低温下土壤铵态氮含量时空分布等值线图(单位：mg/kg)Fig.5 The spatial distribution of soil ammonium nitrogen content in different time under the low temperature

图6 中温下土壤铵态氮含量时空分布等值线图(单位：mg/kg)Fig.6 The spatial distribution of soil ammonium nitrogen content in different time under the middle temperature

图7 高温下土壤铵态氮含量时空分布等值线图(单位：mg/kg)Fig.7 The spatial distribution of soil ammonium nitrogen content in different time under the high temperature

2.3 不同土壤温度下土壤中硝态氮时空分布规律

蓄水坑灌不同体系温度下土壤中硝态氮含量随时间迁移湿润体区域内的硝态氮浓度逐渐累积升高，且温度不同硝态氮的累积速率不同，5 ℃下第15 d出现硝态氮含量高于本底值的根际土壤区域；10 ℃下第10 d出现硝态氮含量高于本底值的根际土壤区域(见图8)；而20、25、35 ℃下第5 d已出现硝态氮含量高于本底值的根际土壤区域(见图9～图11)，表明低温下土壤的硝化作用较弱，温度的升高能显著提高土壤硝化作用进程。Brady[11]等认为硝化作用的最适温度范围是25～35 ℃，低于5 ℃或高于50 ℃硝化作用基本停止，这与本研究结果具有相似性。

图8 10 ℃不同时间土壤硝态氮空间分布等值线图(单位：mg/kg)Fig.8 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 10 ℃

图9 20 ℃不同时间土壤硝态氮空间分布等值线图(单位：mg/kg)Fig.9 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 20 ℃

图10 25 ℃不同时间土壤硝态氮空间分布等值线图(单位：mg/kg)Fig.10 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 25 ℃

图11 35 ℃不同时间土壤硝态氮空间分布等值线图(单位：mg/kg)Fig.11 The spatial distribution of soil Nitrate nitrogen content in different time under 35 ℃

土壤水分含量、铵态氮含量在蓄水坑灌水氮再分布阶段由蓄水坑周边至湿润体边缘呈现“高-中-低”的分布态势[12]，而土壤硝态氮的再分布规律与水分、铵态氮不同，由蓄水坑周边至湿润体边缘呈现“低-高-低”的分布态势。这可能与蓄水坑周边区域的水分含量较高，土壤通气性较差有关系。王改玲[13]等研究认为水分含量由20%充水孔隙度(WFPS)增加到40%WFPS时，反应速度增加，水分含量增加到60%WFPS时反应速度略有降低；张树兰[14]等研究认为，陕西省3种主要耕作土壤在田间持水量(FHC)的60%时，硝化作用的最大速率最高，本试验研究结果与已有结果相似。产生此现象的可能原因为硝化菌属好气性微生物，其活性受土壤中氮分压的强烈影响，当土壤含水量过高时土壤中氮分压显著下降，从而降低了土壤硝化速率。

3 结 语

(1)蓄水坑灌各体系温度下不同时间点的二维含水率等值线形状呈近“鸭梨状”。随着时间的推移各温度条件下垂向和径向迁移距离均逐渐增大，并表现出蓄水坑壁附近土壤水分向远离蓄水坑壁区域再分布、湿润土体内含水率分布逐渐均一的现象。且温度的升高能加快土壤水分的再分布速率，表现为高于本底土壤水分含量的区域范围更广、靠近蓄水坑壁区域同一位置(距离蓄水坑中心与地表距离均相同)的土壤含水率相对更低。

(2)蓄水坑灌体系温度升高不仅能加快尿素水解反应的速率，同时可促进硝化反应进程、抑制铵态氮的积累；当温度为25～35 ℃时， 15 d左右基本可完成尿素的水解过程；但体系温度的升高对铵态氮的径向迁移速率无显著影响。

(3)低温条件下土壤的硝化作用较弱，随温度的升高土壤硝化作用逐渐增强，硝化反应最适温度为25～35 ℃；且当土壤中含水率过高时，将抑制其硝化反应进程。

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