滴灌下生物质改良材料对盐渍土水盐氮运移的调控效应

2020-11-24姚荣江李红强杨劲松郑复乐

农业机械学报 2020年11期

姚荣江李红强,2 杨劲松陈强郑复乐,2 尚辉

(1.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008； 2.中国科学院大学，北京 100049；3.内蒙古杭锦后旗农牧业技术推广中心，巴彦淖尔 015400； 4.江苏省沿海开发(东台)有限公司，东台 224237)

0 引言

在盐渍农田改良利用过程中，传统改良方法主要依靠大水压盐的方式达到洗盐控盐的目的，但这种方式存在土壤养分淋失和水资源浪费造成的水肥低效问题。在我国北方盐渍农田农业生产中，大量采用水肥一体化滴灌和化学改良方法，以此应对盐渍农田水肥低效和盐碱障碍等问题[1-3]。水肥一体化滴灌一方面可以根据作物水肥需求规律进行适时供给，避免大水漫灌造成的养分淋失，节约水资源，从而提高了水肥利用效率[4-5]；另一方面通过滴灌水流的淋洗作用在作物根层营造一个淡化脱盐区[6]，为盐渍农田的作物生长提供适宜的生长环境。以向盐渍土壤中添加各种改良材料为特征的化学改良方法是盐渍农田改良的另一种手段。生物炭和腐殖酸是两种最具代表性的生物质改良材料，它们主要通过降低土壤容重[7]、促进土壤团聚体形成[8-9]来改良土壤结构、促进盐分淋洗[10-11]，从而改善土壤生物环境，实现盐渍农田障碍消减。

关于水肥一体化滴灌在盐渍农田上的应用研究，主要集中在不同因素(滴灌流量、溶液浓度、灌水时间、灌水量、土壤质地等)对土壤水盐运移过程[12-13]、作物产量和水肥利用效率[14-15]的影响方面。关于改良材料对盐渍农田障碍消减作用的研究，主要集中在不同改良材料对土壤理化性质、作物产量影响的对比研究上[16-18]。目前，对水肥一体化滴灌过程中水、盐、氮时空分布的综合研究较少，一些研究主要以水盐空间分布为对象，缺乏时间-空间的同步研究；还有一些研究从水、盐、氮各自角度展开，缺乏三者综合的研究，改良材料对土壤水-盐-氮时空分布的影响效应鲜有报道。

本研究采用土箱模拟方法，研究水肥一体化滴灌条件下土壤水-盐-氮时空分布特征及生物炭和腐殖酸两种改良材料的影响效应，以深入了解滴灌土壤水肥运移的变化规律及其时空分布特点，探究改良材料对水、盐、氮运移过程及时空分布的影响效应，为盐渍农田障碍消减和水肥增效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

1.2 试验材料

试验所用生物炭材料为玉米秸秆生物炭，由辽宁金和福农业开发有限公司提供，该生物质炭在限氧和450～550℃温度下热裂解得到。所用腐殖酸由宁夏天鑫源生物化工有限公司提供，生物炭和腐殖酸具体理化性质如表1所示。

表1 生物质改良材料基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of biomass improved materials

1.3 试验方法及设计

采用室内土箱单点源滴灌模拟试验，研究水肥一体化微咸水滴灌条件下土壤水盐氮的时空分布特征及改良材料的影响效应。试验用土箱由有机玻璃制成，结构如图1所示。将备好的土壤按容重1.45 g/cm3分层填入土箱，每层5 cm填土4.89 kg，共装填50 cm深。并且土样按田间采样时0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层原样装填，保持与田间小区试验土壤一致的土层结构。具体装填时，自下而上，0～20 cm土层装填田间所采集的纯土，20～50 cm土层按3.5 g/kg(15 t/hm2)的比例向土壤中均匀拌入生物炭后再进行装填，标记为生物炭处理(SWT)。与生物炭处理相同，20～50 cm土层按0.14 g/kg(0.6 t/hm2)的比例均匀拌入腐殖酸的土箱标记为腐殖酸处理(FZS)。不添加改良材料的土箱记为空白处理(CK)。每个处理设置3个重复，共计装填9个土箱。装填时将每层之间的土面拉毛，避免出现分层现象。

图1 土箱结构示意图Fig.1 Schematic of soil container structure

以马氏瓶为流量控制装置，以9号医用针头为滴头，用人工配制的与田间小区试验所用的滴灌地下水盐分组分相同的水进行模拟滴灌，通过调节马氏瓶水头将滴灌流量控制为0.8 L/h，滴水总量2 L，滴灌时间2.5 h。滴灌同时随水按质量浓度1.0 g/L滴入尿素2.0 g(相当于施氮量0.067 5 t/hm2)。滴灌结束后，土面表面自滴头一侧起覆盖25 cm塑料薄膜。

1.4 样品采集及测定

1.5 数据分析

采用Excel进行数据处理和分析，SPSS 25.0的LSD(Least significant difference)法进行差异显著性检验和多重比较，同时用Surfer 12绘制等值线图。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤水分的时空分布特征

以滴头正下方入渗点为原点，竖直向下和水平向右为纵横坐标轴，(X,Y)表示与滴头水平距离为X、竖直距离为Y的空间点坐标，构建描述滴灌土壤水-盐-氮运移与再分布过程的二维坐标系。滴灌结束后，将不同时间、不同位置的土壤含水率绘制成等值线图，不同处理土壤水分的时空分布如图2所示。整体而言，不同处理的水分分布都表现为：以滴头为中心，水分向四周扩散形成近圆形分布，且垂直方向扩散距离大于水平方向距离。随时间增加，湿润体内各处土壤含水率逐渐减小，且水平方向比垂直方向减小更快。不同处理之间的差异主要表现在水分扩散速率和湿润体上。

图2 不同处理下土壤水分的时空分布Fig.2 Temporal and spatial distributions of soil moisture under different treatments

图3 不同时间时土壤含水率在对角线和水平方向的空间变化曲线Fig.3 Spatial changes of soil moisture content at different times in diagonal and horizontal directions

为对比不同处理间水分的空间分布差异，考虑到水分分布的对称性，选取沿湿润体对角线上(5 cm, 5 cm)、(15 cm, 15 cm)、(25 cm, 25 cm)、(35 cm, 35 cm)4个点和水平方向上(5 cm, 5 cm)、(15 cm, 5 cm)、(25 cm, 5 cm)、(35 cm, 5 cm)4个点作为考察点，不同处理土壤含水率在滴灌结束后第1天和第49天的分布如图3(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同)所示。滴灌结束后第1天，(5 cm, 5 cm)和(15 cm, 15 cm)处3个处理的含水率没有显著差异(P>0.05)，(25 cm, 25 cm)处腐殖酸和空白处理下的含水率接近于干土区背景值,而生物炭处理的含水率为10%，显著高于其他两个处理(P<0.05)。(35 cm, 35 cm)处，3个处理的含水率都接近于背景值。这说明腐殖酸和空白处理下湿润体的边界在25 cm以内，而生物炭处理可以提高水分在土壤中的运移范围，湿润体边界为25～35 cm之间。在水平方向上，生物质改良材料的施加增加了水分水平方向的移动，使生物炭和腐殖酸处理在(15 cm, 5 cm)、(25 cm, 5 cm)处含水率显著大于空白处理(P<0.05)。相对于第1天，经过水分继续入渗与再分布过程，第49天3个处理的含水率整体都有所降低，但是腐殖酸处理的湿润体土壤含水率显著高于生物炭和空白处理(P<0.05)，并且腐殖酸处理在第49天的空间分布趋势与第1天的分布趋势比较接近，这说明腐殖酸的施加提高了土壤的水分保持能力。

进一步对比不同处理水分分布的时间动态，选取(15 cm, 15 cm)和(25 cm, 25 cm)两个点作为考察点，前者可以代表湿润体内部的水分状况，后者可以代表湿润体边缘的水分状况，两处水分动态如图4所示。(15 cm, 15 cm)处的湿润体内部水分随时间呈降低趋势，滴灌结束14 d以内，生物炭处理的含水率显著低于其他两个处理(P<0.05)，14 d以后生物炭处理的含水率降低速率低于其他两个处理。这是由于在入渗总水量相同的情况下，生物炭处理的湿润体范围显著大于其他两个处理从而使分布在湿润体内的含水率变小(P<0.05)，14 d以后随着土体水分蒸发及二次分布，3个处理的含水率趋于一致。其次，(25 cm, 25 cm)处的湿润体边缘土壤水分随时间增加，滴灌结束后1～5 d内逐渐增加，且3个处理的土壤含水率由大到小依次为生物炭处理、腐殖酸处理、空白对照。5 d以后含水率逐渐减小，且3个处理中，对照处理含水率前期依然低于其他2个处理，后期三者逐渐趋于一致。

滴灌结束5 d以内，湿润体边缘水分持续增加，说明水分依然在水势差的驱动下以扩散的形式由内向外运动，5 d以后逐渐减小则说明这种由湿润体向干土区扩散的行为停止，水分运动转为蒸发驱动的向上扩散。不同处理间的差异则说明改良材料能够提高土壤水分扩散的速率。具体地，在滴灌开始阶段，此时土壤水分的运动主要是以大孔隙饱和水的运动为主，而生物炭能够增加土壤的大孔隙，因此生物炭会提高土壤水分在第一次运移过程中的分布范围和速率，从而导致滴灌结束1 d时，生物炭处理湿润体边缘的土壤含水率显著高于其他处理(P<0.05)。而在以扩散为主的水分再分布过程中，影响水分运动的主要是土壤的毛管孔隙，结合图2，可以看出，腐殖酸处理缩短了二次重分布的时间，增强了二次重分布强度，这说明腐殖酸处理影响了土壤的毛管孔隙。

图4 湿润体内部和边缘位置土壤含水率随时间变化曲线Fig.4 Diagrams of moisture content inside and in edge of soil wetted volume with time

图5 不同处理下土壤盐分的时空分布Fig.5 Temporal and spatial distributions of soil salinity under different treatments

2.2 不同处理下土壤盐分的时空分布特征

如图5所示，电导率时空分布等值线图与水分时空分布等值线图类似，但是规律性不如水分分布。滴灌条件下，土壤盐分随水分运移发生重分布，在水平和垂直方向，距滴头15 cm内形成淡化脱盐区，在湿润体边缘(25 cm处)盐分快速积聚，且垂向积累速率大于水平向积盐速率。滴灌结束后，盐分随水分扩散发生二次重分布，淡化脱盐区面积随着时间增加先增大后减小，湿润体边缘积盐区盐分随时间增加逐渐降低，盐分重新返回到其他区域。经过49 d的水盐重分布后，滴头垂向5～10 cm以内依然保持脱盐状态，而30 cm深处和表层距滴头25 cm处形成一个相对积盐区，其他区域恢复初始状态。

鉴于盐分运移分布在各个方向上的差异性，分别选取水平和竖直两个方向来考察土壤盐分的时空动态。以点(5 cm, 5 cm)、(5 cm, 15 cm)、(5 cm, 25 cm)、(5 cm, 35 cm)4个点位代表垂直方向土壤的盐分情况，以(5 cm, 5 cm)、(15 cm, 5 cm)、(25 cm, 5 cm)和(35 cm, 5 cm)4个点位代表水平方向土壤的盐分情况。如图6所示，滴灌结束1 d后，生物炭处理垂直方向淡化深度在25～35 cm间，大于腐殖酸处理和空白处理，腐殖酸处理和空白处理垂直方向淡化深度均在15～25 cm之间；在水平方向上，空白处理水平方向淡化距离小于15 cm，腐殖酸处理淡化距离在15～25 cm之间，而生物炭处理淡化距离则在25～35 cm之间。生物质改良材料的添加改变了盐分运动的规律，扩大了淡化脱盐区范围，一方面，生物质改良材料的添加使水分移动速度增加，进而使盐分移动速度相应增加；另一方面，生物质改良材料的添加增加了盐分的可移动性，进而促进了盐分的运动。并且各处理均表现出垂直方向淡化深度大于水平方向淡化距离，盐分的垂直方向积累程度也大于水平方向积累程度。

图6 滴灌后1 d垂直方向和水平方向土壤电导率的变化曲线Fig.6 Changes in soil EC in vertical and horizontal directions on the first day after drip irrigation

图7 不同处理下湿润体内土壤电导率随时间的变化曲线Fig.7 Changing curves of EC in soil wetted volume with time under different treatments

考虑到盐分运移主要受水分运动的影响，因此选取湿润体边缘处盐分变化强烈的(15 cm, 5 cm)点作为观察点，如图7所示，根据(15 cm, 5 cm)处土壤电导率随时间的变化情况，可以直接反映土壤盐分的运移方向和速率变化。首先，在滴灌结束1 d时，空白处理的土壤盐分显著高于其他两个处理(P<0.05)，结合前述淡化区的大小差异，进一步说明在第一次水盐重分布的过程中，腐殖酸处理和生物炭处理的淡化区范围更大，盐分向外运移的距离和速率更高。在1～5 d过程中，空白处理的电导率则降低到和其他两种处理相近水平，而腐殖酸处理和生物炭处理的盐分则开始缓慢增加，这是由于腐殖酸和生物炭的影响，造成土壤水分运移范围和速率比空白处理大，因此施加改良材料的处理水盐第一次重分布伴随滴灌过程快速进行，在结束滴灌过程1 d内就完成，而空白处理土壤盐分在水分运移驱动下继续向湿润体外运移的结果，直到第5天才完成第1次土壤水盐重分布。5 d以后，3种处理的电导率又开始逐渐增加，直到与土壤背景值(2 400 μS/cm)相近水平保持不变，这一过程主要是在土壤蒸发驱动下，土壤水盐发生二次重分布，盐分由湿润体边缘积聚区向湿润体淡化区反向扩散的结果。

2.3 不同处理下土壤氮素的时空分布特征

如图8所示，滴灌条件下，铵态氮没有表现出明显的运移再分布特征。从空间分布上，铵态氮只在滴头下方15 cm处形成一个高值中心区，以此为中心向四周呈近圆形递减分布。从时间变化上，滴灌结束后，随着时间增加，铵态氮含量先增加，到21 d时达到最大，随后逐渐减小，湿润体内部铵态氮分布趋于均匀。各处理铵态氮的分布规律近似，差异主要体现在动态变化上。

通过对比滴灌结束后第1天的铵态氮分布，可以发现空白处理在结束滴灌后第1天内铵态氮含量增加程度明显高于腐殖酸处理和生物炭处理。腐殖酸处理铵态氮含量在滴灌结束1 d后才开始明显增加，而生物炭处理则在滴灌结束5 d后才开始快速增加。从整体上看，腐殖酸处理和生物炭处理抑制了尿素转化开始的时间，但是腐殖酸处理并没有减少铵态氮达到最高含量的总时间。21 d以后各处理铵态氮含量都开始减小，但是腐殖酸处理和生物炭处理的减小速率均低于空白处理，而铵态氮含量的减少主要受硝化作用影响，这说明生物质改良材料的施加抑制了土壤的硝化作用。除影响铵态氮含量变化的速率外，腐殖酸处理和生物炭处理增大铵态氮最终(第49天)的分布范围，其中生物炭处理下铵态氮分布扩散方向主要向下，而腐殖酸处理下其扩散方向呈辐射状。

进一步分析图9所示的不同处理硝态氮时空分布情况可以发现，滴灌条件下，硝态氮表现出比铵态氮更强烈的运移特征，随水分运移，硝态氮分布特征与水盐分布类似，湿润体内部形成一个相对低值区，湿润体边缘处大量积聚，原土体中的硝态氮随水盐运移发生重分布。滴灌结束后，随时间增加，硝态氮随水盐一起继续向湿润体外运移积聚。21 d前，除集聚区外，其他区域硝态氮含量均呈降低趋势，整体分布趋于均匀，21 d后，湿润体内部受硝化作用影响，硝态氮含量增加，到49 d时，形成一个与铵态氮分布近似重合的高值区。

对比不同处理间硝态氮的时空动态差异：首先，腐殖酸处理和生物炭处理下硝态氮表现出比空白处理更强烈的运移特征，在前21 d内，随水盐扩散，更多更远地向湿润体外围运移积聚；其次，滴灌结束(49 d)时，虽然3个处理湿润体内部硝态氮含量均增加，但是腐殖酸处理低于其他两个处理，结合前文所述铵态氮的变化差异，说明腐殖酸对铵态氮向硝态氮转化的硝化过程有抑制作用。

3 讨论

3.1 生物质改良材料对土壤水盐运移的调控效应

滴灌条件下，土壤水盐运移的过程具有内在的关联性，既有空间上的运移过程，又有时间上的变化过程。均匀分布在土体中的盐分随水分在土体中运移包括两个阶段：第1阶段，随滴灌水分的入渗过程，土壤中的可溶性盐分溶解于滴灌进入的水分中，在土壤孔隙中随水由湿润体内部向外部运移，盐分发生第一次重分布，重分布的结果是盐分在湿润体边缘聚集，而湿润体内部形成一个淡化脱盐区。第2阶段，在蒸发和水分扩散作用下，盐分随水分由湿润体边缘向内部反向运移，发生二次重分布，重分布的结果是原湿润体内部土壤盐分增加，湿润体边缘盐分积聚程度降低。滴灌条件下水盐运移的这种特征与吕殿青等[20]、陈帅等[13]研究结果一致。

影响第1阶段的主要因素有滴头流量、滴水量、土壤孔隙特性等，影响第2阶段的主要因素有表土蒸发条件、土壤水分分布和土壤孔隙特性。改良材料对于水盐分布的影响主要与它对土壤孔隙特性的影响有关。EASTMAN[21]发现施用生物炭25 t/hm2后，粉砂壤土总孔隙度增加了6.4%，大孔隙(1 500.0 μm) 和微孔隙(0.5 μm)均显著增加。而JONES等[22]研究发现，施用生物炭显著增加土壤中等孔隙和微孔隙，但降低了土壤大孔隙。田丹等[23]研究结果表明生物炭对于不同质地土壤的水分扩散影响规律并不一致。综合已有报道，生物炭和腐殖酸等改良材料对于土壤孔隙特性有显著影响，但是影响规律受生物炭的原料类型、热解温度、施用量和土壤质地等因素的综合影响而表现出不确定性。

本研究中，如图10a所示，生物炭处理下土壤的饱和导水率显著高于其他处理(P<0.05)，而饱和导水率则直接与土壤大孔隙有关[24]，故而生物炭可能增加了土壤大孔隙的数量，从而增加土壤水分和盐分在第1阶段的扩散范围。而腐殖酸处理土壤的田间持水率为16.68%，显著高于其他处理(P<0.05)，这可能是因为腐殖酸能够促进土壤团粒结构的形成[25]，从而通过增加土壤毛管孔隙的数量增加土壤持水能力，这种影响会增加土壤孔隙水的保持量和联通性，从而增强土壤水分的扩散能力[26]，进而增强土壤水盐的二次重分布范围和强度。

图10 不同处理下土壤饱和导水率和田间持水率Fig.10 Soil saturated hydraulic conductivity and field water holding capacity under different treatments

生物炭对水盐运移第1阶段水盐运移范围的影响有利于扩大滴灌土壤湿润体和盐分淡化区的范围，结合滴灌水量的优化，为滴灌节水控盐提供科学依据。而腐殖酸对于水盐运移第2阶段土壤盐分二次分布强度的影响，直接影响作物根区水盐环境能否持续保持适宜的生长状态，进而影响对滴灌频次的设计和优化。也就是不同改良材料尽管都可以影响土壤孔隙结构，进而影响土壤水盐运移，但是影响尺度和方式不一样。对这种差异的进一步研究有助于在应用改良材料进行盐渍农田改良时，对于盐渍农田节水控盐技术方案的制定更加科学和精细，与滴灌技术的配合方式更加协调。

3.2 生物质改良材料对土壤氮素时空分布的调控效应

3.2.1对土壤铵态氮时空分布的调控效应

滴灌条件下，铵态氮没有表现出明显的运移再分布特征，即只有时间上的变化过程，没有空间上的变化过程，这主要是因为氮素输入是以尿素态进入土壤，且只分布在湿润体内部，尿素水解成铵态氮后，由于铵态氮的运移性较低，故而只分布在湿润体内部，因此铵态氮以原位转化为主，其含量随时间先增大后减小，稳定分布在湿润体内部。这种一般规律与侯红雨等[27]的研究结果相印证，所不同的是本试验中铵态氮的峰值来临时间为滴灌结束14 d前后，这比王旭洋等[28]研究所得的3 d前后要晚，可能是本研究所用土壤的盐碱特性造成的。

添加生物炭和腐殖酸对于土壤铵态氮的影响主要表现在铵态氮的分布范围和时间变化两方面。铵态氮的分布范围方面：腐殖酸处理和生物炭处理都会增大铵态氮的分布范围，其中生物炭处理下铵态氮分布扩散方向主要向下，而腐殖酸处理下其扩散方向呈辐射状。对于分布范围的影响机制与对水盐运移的影响一致，都是通过影响土壤孔隙特性，增大了水分和尿素的运移范围从而增大了铵态氮的分布范围。时间动态方面：本试验各项条件下，土壤铵态氮的总体变化趋势是随时间推移先增大后减小。生物炭和腐殖酸的添加会推迟铵态氮开始增加的时间，抑制尿素的水解过程。根据LIU等[29]的研究，腐殖酸对于尿素水解的抑制与其对脲酶的抑制作用有关。但是生物炭对尿素水解的抑制作用与刘遵奇等[30]的研究结果相反，这可能与生物炭对土壤环境及氮素转化作用机理的复杂性有关，需要进一步探究，而这种影响将进一步影响到硝态氮的时空分布过程。

3.2.2对土壤硝态氮时空分布的调控效应

滴灌条件下，硝态氮表现出比铵态氮更强烈的运移特征，随水分运移，硝态氮分布特征与水盐分布类似，湿润体内部形成一个相对低值区，湿润体边缘处大量积聚，原土体中的硝态氮随水盐运移发生重分布。因此在由尿素转化的铵态氮开始硝化之前，土壤硝态氮的运移分布规律受水盐运移影响，在尿素水解转化为铵态氮后，硝化作用进一步开始，土壤硝态氮的含量和分布主要受铵态氮的分布及硝化过程影响。这种特点与郑彩霞等[31]的研究结论一致。所不同的是本研究中湿润体内硝态氮达到峰值的时间长达49 d以上，远大于同类研究中的7 d左右[28]，这可能与本研究所用土壤的高盐碱环境对硝化作用的抑制有关，同时根据周才平等[32]的研究，含水率低于20%时，土壤含水率与净硝化速率呈正相关，本试验各处理在21 d后土壤含水率低于10%的环境也抑制了土壤硝化过程。

生物炭和腐殖酸对于硝态氮时空分布的影响可以分为两方面：①硝态氮作为运移性较高的盐分离子，生物炭和腐殖酸对其的影响规律与前述水盐运移规律一致。②硝态氮作为铵态氮硝化作用的产物，各个处理主要在时间变化过程中具有差异，腐殖酸处理的硝态氮含量低于其他处理，硝化作用被抑制。根据闫双堆等[33]的研究腐殖酸在土壤中与尿素的络合产物对于尿素转化的各个环节有较强的抑制作用，这也可能是产生上述现象的原因。