河北省地下水浅埋区冬小麦田土壤水分及氮磷 分布研究——以安新县为例

王 哲，夏 辉，袁 浩，陈竞尧，柴景伟

（1.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071000；2.河北省保定市顺平县水利局，河北 保定 072250）

河北省是我国重要的冬小麦主产区，年播种面积超过240 万hm2，占全国总播种面积的9.7%［1］。在农业生产中，农民为了片面追求高产过量施肥现象普遍存在，但是过量的施用化肥不仅会导致河流湖泊出现水体富营养化，加剧大气污染，甚至会引发耕地土壤酸化，直接威胁国家的粮食安全［2-3］。关于土壤水分及氮磷分布的研究一直都是研究的热点， 张淑芳等［4］的研究表明在冬小麦的各个生育期0 ～150 cm 的土壤平均含水率随土层深度的增加而增加。朱忠锐等［5］的研究说明了土壤硝态氮含量随施肥量的增加而增加，0 ～40 cm 土层硝态氮含量增加明显。曹颖等［6］的研究表明表层土壤硝态氮含量明显高于深层土壤，土壤硝态氮含量随土层深度的增加而减少。杨晓卡等［7］的研究说明了农民传统种植模式下土壤硝态氮有明显向下淋移现象，120 ～150 cm 土层处出现累积峰。张国印等［8］的研究表明施用磷肥土壤有效磷含量是不施磷肥的4倍左右，多年连续不施用磷肥导致土壤磷耗竭严重。

地下水浅埋区内地下水与土壤水之间联系密切，存在着物质交换，其周边耕地土壤氮磷的含量将直接影响该区域的农业生态环境，大量降雨及灌溉将会导致土壤中的硝态氮向土壤深处淋洗造成地下水污染［9］，地下水埋深浅的区域地下水污染风险较地下水埋深深的区域大。因此本研究以安新县白洋淀周边地下水浅埋区冬小麦种植农田为研究对象，采用2 年定位试验探索了当地农民传统田间管理下冬小麦种植期间土壤水分和氮磷含量的变化及分布，对保护白洋淀水质以及白洋淀生态建设具有重要意义，助力“绿色雄安”建设，同时对提高地下水浅埋区冬小麦种植农田土壤水分利用、保护地下水资源和改善生态环境提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河北省保定市安新县安州镇白庄村（雄安新区境内）（38°85′N，115°47′E），属暖温带半湿润大陆季风气候，年平均气温12.1℃，年平均蒸发量1 773.4 mm，平均风速2.5 m/s，年平均降水529.5 mm，年内分布不均，主要集中在7—9 月。试验地土壤类型为潮褐土，0 ～140 cm 土壤质地为粉质黏土，140 ～200 cm 为粉土。0 ～2 m 土壤基本理化性质见表1。

表1 试验区土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in test area

1.2 试验区布置

试验时间为2015 年10 月—2016 年6 月及2016年10 月—2017 年6 月，试验区农田南北长250 m，东西宽32 m，面积约为0.8 hm2，农田从南向北倾斜，坡度为1/925。采用管道式喷灌系统，每条支管上安装10 个摇臂式喷头，喷嘴流量为3 m3/h，喷头射程、支管和喷头间距均为13 m。试验区播种、施肥、灌溉等田间管理均按当地农民传统习惯进行，冬小麦播种和收获时间分别为2015 年10 月5 日和来年6月11 日及2016 年10 月9 日和来年6 月15 日，冬小麦播种前底施复合肥，返青追施尿素，折纯后季施用氮肥278.7 kg/hm2，磷肥201.9 kg/hm2，冬小麦生育期灌5 次水，播种前灌底墒水80 mm，越冬前灌冬水35 mm，返青期灌3 次水，共70 mm。

1.3 试验方法

取样地点为冬小麦长势良好的地段，取样时间为冬小麦的分蘖期（2015 年11 月4 日、2016 年11 月12 日）、返青期（2016 年3 月18 日、2017 年3 月20 日及4 月3 日）、拔节期（2016 年4 月9 日、2017年4 月16 日）、抽穗期（2016 年5 月14 日、2017年5 月7 日）、灌浆期（2017 年5 月28 日）和成熟期（2016 年6 月7 日、2017 年6 月11 日），距 地表1 m 范围内每隔10 cm 取样一次，距地表1 ～2 m 范围内每隔20 cm 取样1 次，共取14 次，取样后立即密封冷冻保存。对试验期间冬小麦种植、灌溉、施肥等农事活动进行记录；试验田内设置小型气象站记录降雨数据；土壤含水率采用烘干法测定；土壤硝态氮采用紫外分光光度法测定；土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0 软件对土壤水分、硝态氮、铵态氮及有效磷含量进行统计分析，利用Excel 软件作图。由于取样在垂直方向上间隔距离不一样，在分析均值、表土层、心土层及底土层等数据时均采用加权平均值。

2 结果与分析

2.1 土壤水分分布

农田土壤硝态氮发生淋洗的直接动力来源是土壤内部水分的运动，过量的灌水将会引起作物根层土壤硝态氮向根外运移［10］。图1 为两季冬小麦种植期土壤含水率分布情况。

图1 2015—2016 年（左）与2016—2017 年（右）冬小麦种植期土壤含水率分布情况Fig.1 Distribution of moisture content in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由图可看出两季冬小麦种植期土壤含水率随土壤深度的增加均呈现先减小再增加最后基本保持稳定的趋势。20 ～40 cm 土层土壤含水率减小，40 ～80 cm土层土壤含水率增大，此阶段40 cm 土层土壤含水率最小，主要是由于小麦根系的吸收，80 cm 土层土壤含水率最大，主要是由于该层土壤黏性增加，吸附性强，具有较好的保水性。80 cm 土层后随土壤深度的增加土壤含水率变化幅度较小。

表2 为两季冬小麦种植期土壤含水率含量状况。

表2 2015—2016 年与2016—2017 年冬小麦种植期土壤含水率含量状况Table 2 Soil moisture content during winter wheat planting period 2015 — 2016 and 2016 — 2017

由表可看出2016—2017 年冬小麦种植期土壤含水率均值比2015—2016 年大1.63%，同时2015—2016 年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层土壤含水率分别为18.36%、24.60%、25.19%，2016—2017 年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层土壤含水率分别为18.47%、26.33%、26.92%，2016—2017 年冬小麦种植期心土层、底土层土壤含水率略大于2015—2016 年，但总体上变化幅度不大。同时由图1，表2 可直观看出，冬小麦返青期、拔节期、抽穗期以及灌浆期各土层土壤含水率要略高于分蘖期与成熟期，2016 年5 月14 日与2017 年5 月28日各土层土壤含水率比其他时期同土层土壤含水率略高，主要是由于前一天降雨造成的，而2017 年4月3 日80 cm 土层之后土壤含水率的升高则是由于4 月1 日喷灌造成的，降雨与灌溉都将会导致土壤水分向土壤深处移动，也在很大程度上增加了土壤硝态氮的淋溶损失，增加了地下水硝酸盐潜在的污染风险。除降雨与灌溉之外，土壤中水分分布还受土壤蒸发、根系耗水等的影响［11］。

2.2 土壤硝态氮分布

图2为两季冬小麦种植期土壤硝态氮分布情况。

图2 2015—2016 年（左）与2016—2017 年（右）冬小麦种植期土壤硝态氮分布情况Fig.2 Distribution of nitrate nitrogen in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由图可明显看出2016—2017 年冬小麦种植期土壤硝态氮含量变化幅度较2015—2016 年大，两季冬小麦种植期140 cm土层深度以上土壤硝态氮含量大，硝态氮在此土层范围内累积多，具有明显的累积现象，140 cm 土层深度以下硝态氮含量较小，变化幅度也较小，趋于稳定，2015—2016 年大致分布在5 mg/kg 左右，2016—2017 年大致分布在8 mg/kg 左右，2016—2017 年冬小麦种植期存在土壤硝态氮向土壤深层淋洗风险。两季冬小麦种植期表土层变化均剧烈，随土壤深度的增加土壤硝态氮含量基本都呈现减小的趋势，40 ～140 cm 土层范围内土壤硝态氮含量变化呈波浪状。播种前底肥的施入导致两季冬小麦分蘖期土壤硝态氮含量一直处于较高水平，冬小麦返青追施尿素导致2016 年4 月9 日、2017 年4 月3 日及16 日冬小麦表土层土壤硝态氮含量骤增，从2016—2017年冬小麦种植期土壤硝态氮变化我们能够看出，4 月1 日返青追肥后，4 月3 日各土层硝态氮含量基本大于其他时期同等土层深度的硝态氮含量，随着冬小麦的吸收，4月16日各土层硝态氮含量略有减小，但仍处于较高水平。两季冬小麦收获时土壤硝态氮含量要低于播种时的含量，说明土壤硝态氮处于消耗的过程，同时两季冬小麦灌浆期土壤硝态氮含量略小于其他时期，成熟期冬小麦生长缓慢消耗土壤硝态氮较少，而由于温度的升高，土壤中的硝化细菌活跃，加快了土壤硝化作用，铵态氮转化为硝态氮，导致成熟期冬小麦土壤硝态氮含量略有升高。表3为两季冬小麦种植期土壤硝态氮含量状况，由表可看出两季冬小麦土壤硝态氮含量除因施肥引起的极大值差别较大以外其他变化范围基本处于同一水平，而2016—2017 年冬小麦种植期土壤硝态氮含量均值较2015—2016 年大3.51 mg/kg，2015—2016 年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层硝态氮含量分别为19.24、14.92、7.19 mg/kg，2016—2017 年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层硝态氮含量分别为21.87、21.03、9.32 mg/kg，两季冬小麦种植期心土层硝态氮含量增幅最大，达到40.95%。

表3 2015—2016 年与2016—2017 年冬小麦种植期土壤硝态氮含量状况Table 3 Soil nitrate nitrogen content during winter wheat planting period of 2015—2016 and 2016—2017

2.3 土壤铵态氮分布

与土壤硝态氮的变化情况不同，铵态氮易被土壤胶体吸附，不易随水分运动并能够被作物直接吸收利用。图3 为两季冬小麦种植期土壤铵态氮分布情况。

图3 2015—2016 年（左）与2016—2017 年（右）冬小麦种植期土壤铵态氮分布情况Fig.3 Distribution of ammonium nitrogen in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由图可看出两季冬小麦种植期除表土层以外各土层土壤铵态氮含量变化不明显，虽有变化但变化幅度不大，两季冬小麦铵态氮含量最大值均出现在20 cm 土层，冬小麦返青追肥导致2016 年4 月9 日与2017 年4 月3 日20 cm 土层土壤铵态氮含量骤增，分别是各自30 cm 土层土壤铵态氮含量的4.92倍、7.24 倍，而2017 年4 月16 日20 cm 土层铵态氮含量小于30 cm 土层铵态氮含量，40 cm 土层就回归了正常值，主要是由于施肥过后20 cm 土层处通气状况好，温度适宜，铵态氮转化为硝态氮，铵态氮含量减少，容易造成氮的淋失和流失。表4 为两季冬小麦种植期土壤铵态氮含量状况，由表可看出两季冬小麦土壤铵态氮含量的变化范围基本一致，2015—2016 年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层土壤铵态氮含量分别为1.01、0.69、0.62 mg/kg；2016—2017 年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层土壤铵态氮含量分别为1.09、0.85、0.71 mg/kg，综上可知，除施肥外两季冬小麦各土层铵态氮含量变化幅度小，铵态氮含量基本保持不变。

表4 2015—2016 年与2016—2017 年冬小麦种植期土壤铵态氮含量状况Table 4 Soil ammonium nitrogen content during winter wheat planting period 2015 — 2016 and 2016 — 2017

2.4 土壤有效磷分布

了解土壤中的有效磷含量，对于施磷肥有着直接的意义，有效磷在土壤中移动性较弱，残留在土壤的较多，盈余现象就会较为严重，极有可能对环境构成较大风险。图4 为两季冬小麦种植期土壤有效磷分布情况。

图4 2015—2016 年（左）与2016—2017 年（右）冬小麦种植期土壤有效磷分布情况Fig.4 Distribution of available phosphorus in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由图可看出两季冬小麦种植期土壤有效磷含量随土壤深度的增加均呈减小的趋势，表土层有效磷含量降幅最大，40 cm 土层之后土壤有效磷含量保持稳定，大致分布在4 mg/kg 左右。两季冬小麦有效磷含量最大值均出现在20 cm 土层处，2015—2016 年与2016—2017 年冬小麦种植期20 cm 土层有效磷含量均值分别是40 cm 土层有效磷含量均值的2.68 倍、3.15 倍，这在一定程度上说明有效磷含量在表土层出现急剧下降，同时也证实了过量的有效磷不会向土壤深处移动，存在于表层土壤。2017年4 月3 日及16 日表层土壤有效磷含量较高，则是由于4 月1 日施肥造成的，施磷肥有利于土壤表层有效磷量增加［12］，但是表层土壤有效磷的大量富集将会增大农业面源污染的风险。表5 为两季冬小麦种植期土壤有效磷含量状况，由表可知除因施肥导致的极大值差别较大以外，两季冬小麦土壤有效磷含量变化范围基本一致，两季冬小麦种植期土壤有效磷含量均值相差0.50 mg/kg，2015—2016 年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层土壤有效磷含量分别为13.33、4.40、3.55 mg/kg；2016—2017年冬小麦种植期表土层、心土层、底土层土壤有效磷 含 量 分 别 为13.72、4.99、3.93 mg/kg，2016—2017 年冬小麦种植期各土层土壤有效磷含量略大于2015—2016 年，根据全国第二次土壤普查养分分级标准，2015—2016 年冬小麦种植期表土层有效磷为3 级，心土层有效磷为5 级，底土层有效磷为5 级；2016—2017 年冬小麦种植期表土层有效磷为3 级，心土层有效磷为5 级，底土层有效磷为5 级。从等级划分的结果看，两季冬小麦各土层有效磷含量均处于同一范围内。

表5 2015—2016 年与2016—2017 年冬小麦种植期土壤有效磷含量状况Table 5 Soil available phosphorus content during winter wheat planting period of 2015 — 2016 and 2016 — 2017

3 讨论与结论

（1）两季冬小麦种植期土壤水分随土壤深度的增加呈现先减小再增加最后基本保持稳定的趋势。40 cm 土层壤含水率最小，80 cm 土层壤含水率最大，80 cm 土层深度以后，土壤含水率基本维持在26%左右。郑文波等［13］的研究表明土壤剖面表层土壤含水率受降水或灌溉影响明显，下层土壤含水率波动过程明显不如表层强烈，底层土壤含水率较为稳定，与本研究结果是一致的，但是由于本区域地下水埋深较浅，故底层土壤含水率数值上略高于其研究结果。

（2）两季冬小麦种植期140 cm 土层深度以上土壤硝态氮累积量大，具有明显的累积现象，140 cm土层深度以下硝态氮含量较小，趋于稳定。王晓风［14］的研究表明冬小麦季喷灌条件下硝态氮主要集中在100 cm 土层以上，与本文研究略有差别，2016—2017 年冬小麦种植期表土层、心土层与底土层土壤硝态氮含量均较2015—2016 年大，两季心土层含量差别最大。郭丽［15］、茹淑华等［16］的研究说明了随着种植年限的增加，冬小麦土壤硝态氮含量增加，也证实了这一观点。施肥过后，0 ～2 m 土层范围内土壤硝态氮含量增加，累积量随即增大，这与前人的研究成果是一致的，刘瑞等［17］的研究表明随着施氮量的增加0 ～2 m 土层硝态氮的累积越明显。戴健［18］的10 年长期定位试验说明前季施肥造成的土壤残留硝态氮会被下季作物吸收利用，随着时间的进行，土壤残留的硝态氮会不断累积。吉艳芝［19］的研究也表明，经过4 个小麦—玉米轮作季，土壤硝态氮发生了显著的淋溶，王春阳等［20］种植五季小麦—玉米轮作也发现从第三季作物收获到第五季作物收获，残留硝态氮的增加量占这一时期氮肥施用量的比例高达51.6 %。土壤硝态氮在土壤中残留存储较多，随水分向深层土壤甚至地下水迁移，本区域地下水埋深较浅地下水污染风险较地下水埋深较深的区域大。

（3）两季冬小麦种植期土壤铵态氮分布均匀，变化幅度小，基本都维持在0.7 mg/kg，表层土壤主要受施肥的影响，下层土壤含量变化较小，土壤中铵态氮含量基本都保持在1 个相对较低的水平。张燕［21］和李虎［22］的研究也说明了这一点，施肥使土壤铵态氮残留量明显增加，而且铵态氮容易向硝态氮转化，土壤中不会出现大量的铵态氮累积。任何土壤都存在着铵态氮与硝态氮的转化平衡，这些生化反应都是酶促反应，受到气温、土壤pH、微生物种群、施肥等的影响［23］。

（4）两季冬小麦种植期土壤有效磷含量随土壤深度的增加呈减小的趋势，乔江飞等［24］的研究也说明了这一点。表土层土壤有效磷含量变化幅度最大，主要受施肥的影响［25］，40 cm 土层后土壤有效磷含量保持稳定，大致分布在4 mg/kg 左右。