华北平原大孔隙优先流对农田氮素淋溶的影响*

曾 辉，温 娜，张建丰，张 杰，胡克林，刘 刚**

(1.中国农业大学土地科学与技术学院 北京 100193； 2.西安理工大学水利水电学院 西安 710048)

氮素是作物生长必不可少的营养元素，土体中氮素转化过程十分复杂，主要包括4 种化学形态：有机氮、氨态氮、硝态氮(硝酸盐和亚硝酸盐氮)和气态氮[1]，其中硝态氮易随水移动，发生淋洗，通过虫洞等大孔隙的水分和氮素能够更快地运移到土体深层，造成氮肥损失和地下水污染，因此研究大孔隙优先流对于土体中的水氮运移具有重要意义。

农田中的大孔隙是由植物根系、动物洞穴等土壤生物活动和干湿交替、地下水流等土壤物理过程造成的孔隙[2]。优先流是指流体、气体或者溶质绕过大部分多孔系统，通过优先通道移动的现象[3-5]。大孔隙对于土壤中水分运动的影响是土壤学中一个重要科学问题[6]。众多学者结合染色示踪与土壤剖面染色图像处理在不同研究区域对不同类型土壤优先流与水分下渗及其影响因素进行了大量研究。Kramers 等[7]通过在不同草地土壤进行染色示踪试验发现，入渗前土壤含水量对于有大孔隙土壤的水分运动存在影响； 徐宗恒等[8]利用亚甲基蓝染色剂示踪和图像处理法，研究了优先流染色面积、路径数量、入渗深度等因素的关系与变化规律，研究发现染色总面积与优先流发育情况有密切关系。另一方面，国内外学者通过田间试验和模型模拟研究了大孔隙优先流对于土体硝态氮淋洗的影响，但定量化研究土壤大孔隙优先流对于农田作物生长中土壤水氮运移的研究仍较少。Fishkis 等[9]研究探讨了在含硝酸盐污染地下水的沙质农田中优先流与非吸附溶质运移的相关性； Hussain 等[10]研究了土壤大孔隙连通性对氮变化的影响； Cheng 等[11]采用原状土柱和填充土柱，研究了优先流对硝态氮运移的影响；吕文星[12]通过土柱的硝态氮穿透曲线，系统研究了三峡库区3 种土地利用方式[荒地、玉米(Zea mays L.)地、柑橘(Citrus reticulata Blanco.)地]土壤优先流及硝态氮运移特征。上述研究结果表明，大孔隙优先流加速了硝态氮在土壤中的运移，但研究都未对大孔隙进行定量化以及未考虑农田作物和气候条件的影响。Larsson 等[13]通过MACRO-SOILN 耦合模型，研究了大孔隙流对结构性土壤中硝态氮淋洗的影响，但该研究对于大孔隙流的划分是通过土壤水力传导率实现的，不能定量化大孔隙对硝态氮淋洗的影响。

田间管理直接影响了作物生长以及氮素运移。传统施肥模式普遍存在氨挥发、氮素径流损失和淋洗等问题，造成环境污染且肥料利用率低[14]。合理施肥可以提高养分利用率，减少肥料损失，降低成本。土壤中的硝态氮随水分运移，合适的灌溉量对于作物生长和水氮运移至关重要，因此探究大孔隙存在下不同施肥、灌溉方式和强降雨对硝态氮淋洗的影响，通过模型定量研究大孔隙存在、不同施肥灌溉方式、强降雨条件下农田土体中水氮运移的情况，对于农民农事管理具有现实指导意义。土壤水热碳氮过程耦合模型(WHCNS，soil water heat carbon nitrogen simulator)是梁浩等[15]借鉴国内外土壤-作物模型研发的适用于模拟大孔隙存在下农田水氮运移、作物生长的关键过程，及模拟降雨、施肥和灌溉等因素对于土壤水分和溶质运移影响的模型。Zhang 等[16]利用河北省定州市大棚蔬菜地两年的野外试验数据，成功地校准和验证了WHCNS 模型。本研究通过田间原位提取虫洞(蚯蚓洞)形态，并将统计的虫洞平均直径、长度等数量特征计算得到的土壤大孔隙度参数输入至WHCNS 模型中，定量化模拟大孔隙优先流对于农田土壤硝态氮淋洗的影响。同时本研究将利用改进的自动双环入渗仪进行田间亮蓝染色示踪试验，研究大孔隙优先流对于土体中水分运移的影响[17]，并借助WHCNS 模型模拟华北平原冬小麦(Triticum aestivum L.)-夏玉米轮作体系在存在大孔隙下，强降雨、施肥和灌溉情景下土壤水氮运移的情况，旨在为该地区水肥管理措施优化提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于北京市海淀区中国农业大学西校区科学园(116°18′E，39°57′N)和中国农业大学上庄实验站(116°18′E，39°57′N)，两个地点相距约 20 km。研究区地处华北北部山前冲积平原区，为暖湿带半湿润大陆季风气候区。年均气温11.5 ℃，年平均降雨量640 mm，降雨主要集中于夏季(6—8月)，夏季降水占年总降水量的70%，夏季雨水多，春秋干旱，冬季寒冷，年蒸发量1800～2000 mm。科学园0～100 cm 土壤机械组成含砂粒42.4%，粉粒54.0%，黏粒3.6%； 有机质含量为10.5 g·kg−1。上庄实验站0～100 cm 土壤机械组成含砂粒84.2%，粉粒14.0%，黏粒1.8%； 有机质含量为6.4 g·kg−1。

1.2 研究方法

1.2.1 染色示踪试验

耕作方式是影响土壤大孔隙优先流的重要因素。本研究选取免耕处理的中国农业大学科学园和旋耕处理的上庄实验站两个地块进行亮蓝染色示踪试验。科学园地块前茬收获玉米后移除秸秆，免耕播种白菜[Brassica pekinensis (Lour.) Rupr.]； 上庄地块前茬小麦收获后移除秸秆，旋耕土壤10−15 cm 后种植玉米。试验选取地表较为平整干净、杂草较少、能够明显观察到虫洞且地表具有一定蚯蚓分泌物的地块进行试验。其中，科学园有9 个试验点，上庄8 个试验点，现场试验如图1 所示。染色示踪试验前需要平整样地，除去杂草等干扰因素。本研究用马氏瓶结合双环入渗仪测定土壤水分入渗，将环嵌入土体10 cm 深处，以保证环内水分的垂直入渗[17]。进行亮蓝染色示踪试验时，将配置好的4 g·L−1浓度的亮蓝液加入内环，作为水分入渗测定和剖面染色的溶液，外环加入清水，试验中记录内环容器中水量的变化[18]。入渗结束24 h 后，从内环切线开始，径向内环四等分处挖掘垂直剖面，每个入渗点挖掘5 个剖面，修正剖面后放置标尺并用数码相机拍照。

1.2.2 图像处理

1)图片校正： 由于拍摄角度的原因，会引起图片变形，因此使用Photoshop 软件的透视裁剪工具，根据图片中放置的折叠尺组成的矩形框，对扭曲的照片进行校正，同时将多余的图片区域裁剪掉。

2)染色面积统计： 染色面积由ImageJ 软件进行统计。经Photoshop 软件校正后的图片，通过Analyze的Set Scale 功能设置比例尺，根据标注的比例尺确定照片的实际尺寸。然后调整图片格式为RGB color，为了将图片分为染色区与未染色区两部分，打开Adjust 的 Threshold 窗 口，调 节 Hue (色 度)、Saturation (饱和度)与Brightness (亮度)，使得染色区域被完全选中。进一步利用Process 中Binary 功能对图片进行二值化处理，将图片转化为仅有黑白两种颜色的二值化图。最后通过Analyze 的Measure测量功能统计染色区域的面积。

1.2.3 WHCNS 模型模拟

本研究在中国农业大学科学园和上庄实验站通过灌注法(灌注熔融高纯度金属锡)提取虫洞形态，提取的实物分别如图2a 和2b 所示，进一步导入三维扫描仪(天远三维扫描仪OKIO-5M)，得到虫洞的三维结构，图2c 展示的是图2a 中提取的科学园虫洞形态经三维扫描仪处理的虫洞三维结构图。统计发现1 m2蚯蚓洞个数平均为1.24 个，直径平均为6.63 mm，长度平均为118.66 mm，因此本研究在应用WHCNS模型模拟虫洞对土体中氮运移的影响时，假定1 m2内1 个虫洞(直径为7 mm，长度为100 mm)。

WHCNS 模型主要包括土壤水分运动、氮素运移与转化、土壤热传导、有机质周转、作物生长、气象和田间管理等模块[15]。大量研究工作验证了WHCNS 的适用性。目前该模型成功模拟了华北地区冬小麦和夏玉米轮作系统的水氮运移过程[19]；Liang 等[20]模拟了荒漠绿洲中不同灌溉和氮管理方式下的排水和硝态氮淋溶； Liang 等[21]将WHCNS 和LIXIM(简化的净矿化模型)相结合，研究了不同水稻(Oryza sativa L.)田系统在不同氮肥管理措施下水氮资源利用率和作物产量； Li 等[22]借助WHCNS 模拟不同综合管理措施下硝态氮淋失量和水利用效率等指标； Liang 等[23]评估了在集约化温室蔬菜生产系统中，不同氮管理实践下的硝酸盐和溶解有机氮淋洗。本研究利用WHCHS 模型模拟大孔隙存在下土壤氮素的运移。模拟土壤的水力学参数如表1 所示，其中0～10 cm 存在虫洞的饱和导水率通过Poiseuille公式得出[24]。在施肥、灌溉和强降雨参数设置上，根据当地农民习惯，设置传统施肥模式中冬小麦和夏玉米各季施氮总量均为280 kg·hm−2，而优化施肥模式中冬小麦和夏玉米各季施氮总量分别为 200 kg·hm−2和180 kg·hm−2。在模拟灌溉方式影响时，单次漫灌和喷灌灌水量分别为70 mm 和30 mm，两种灌溉方式的灌水日期和次数相同，具体灌溉设置来自前人试验研究[25]。为研究强降雨对氮素运移的影响，本研究模拟了2016年夏玉米整个生长季中3 次特大暴雨(24 h 内降水量达250 mm)的情况。

2 结果与分析

2.1 亮蓝染色示踪剖面特征

土壤水分入渗完成后，分别对科学园(9 个)和上庄实验站(8 个)的观测点进行挖掘。部分亮蓝染色示踪剖面如图 3 所示，亮蓝染料溶液在科学园土壤中运移十分明显，内环染色效果显示0～10 cm土层属于垂直一维入渗。在10 cm 土层以下，染色斑块分散，优先流分布明显。上庄土壤存在较少优先流情况，染色剖面较为集中连块。免耕处理的科学园土壤的染色深度较深，达80～100 cm； 而旋耕处理的上庄实验站土壤的染色深度较浅，仅达15～20 cm。

表1 WHCNS 模型土壤水力学参数Table 1 Soil hydraulic parameters of WHCNS model

2.2 土壤入渗相关性分析

本研究通过双环入渗仪测量含有虫洞等大孔隙土壤的稳定入渗速率，同时借助土壤垂直剖面上的染色面积来描述大孔隙影响下土壤水分渗透性和水流特征，进一步通过稳定入渗速率和染色面积的相关性分析研究亮蓝染色示踪与双环入渗仪测得的土壤水分入渗速率的关系。由于上庄实验站常年耕作，浅层出现犁底层，土壤空间异质性强，因此本研究选用科学园进行入渗染色面积和稳定入渗速率的相关性分析。科学园试验地点的稳定入渗速率、染色面积的正态性检验结果如表2 所示。由于本试验样本数小于50，需要使用 Shapiro-Wilk 检验结果。当显著性水平sig.>0.05 时，该变量服从正态分布。如表2 所示，稳定入渗速率、染色面积两个变量都服从正态分布，因此在计算两个变量的相关系数时，将采用Pearson 相关系数。

表2 科学园观测点稳定入渗速率和染色面积的正态性检验Table 2 Normality test of stable infiltration rate and dyed area at observation points of Kexueyuan

从Pearson 相关性检验结果可知，染色面积和稳定入渗速率两个变量之间的关系未达显著水平(P=0.68>0.05)，表明两者之间无显著相关性。

2.3 WHCNS 模拟大孔隙、施肥模式、灌溉方式和强降雨对土体中硝态氮含量的影响

土壤硝态氮含量与土壤结构、降雨、灌溉方式、施肥量等有关[26]。本研究通过校验后的WHCNS 模型模拟了2014—2016年冬小麦-夏玉米轮作体系不同情景方式下土体中氮素的运移特征，各处理下0～100 cm土体的硝态氮淋量情况如表3 所示，其中灌溉方式和强降雨影响都设定为农田存在大孔隙的情景。

2.3.1 有无虫洞及施肥方式对土体硝态氮含量变化的影响

图 4 表明，传统施肥处理土层中硝态氮含量远高于优化施肥处理； 土壤中存在虫洞时，表层0～20 cm 土壤的硝态氮含量低于无虫洞时，而20～100 cm 的土壤硝态氮含量则高于无虫洞时。从表3 中0～100 cm 土壤硝态氮淋洗量可以看出，优化施肥能够显著降低硝态氮的年淋洗量，存在虫洞时，优化施肥比传统施肥的硝态氮年淋洗量低70.28 kg·hm−2，无虫洞时，淋洗量减少61.28 kg·hm−2。虫洞的存在增加了0～100 cm 的土壤硝态氮的年淋洗量，其中传统施肥时存在虫洞的年淋洗量较无虫洞增加 20.65 kg·hm−2，优化施肥则增加11.65 kg·hm−2。

2.3.2 不同灌溉方式对土体硝态氮含量变化的影响

图5 表明喷灌模式下的各深度土层中的硝态氮含量高于漫灌模式，喷灌模式下土壤中累积了更多的硝态氮； 从不同层次土壤的硝态氮垂直分布来看，随着土层加深，硝态氮含量总体呈增加趋势。表3 表明喷灌模式下土壤0～100 cm 处硝态氮年平均淋洗量比漫灌模式降低15.6%。当降水或灌溉发生时，两种灌溉方式下0～40 cm 土层硝态氮含量下降，此时产生了硝态氮的地表径流损失和向下运移。

2.3.3 强降雨对土体硝态氮含量变化的影响

图6 是模拟夏玉米整个生长季期间设置3 次强降雨后，土体中硝态氮含量的变化情况。本研究发现强降雨发生后，第1 次强降雨由于土体中的硝态氮含量低，影响较小； 此后两次强降雨使土体中的硝态氮含量显著减少，第3 次强降雨尤为明显。结果表明强降雨会增加氮素淋洗的风险，3 次强降雨使得整个夏玉米生长季硝态氮淋洗量增加119.4%。

表3 WHCNS 模型模拟的不同情景模式下0～100 cm 土壤硝态氮的淋洗量Table 3 Leaching amount of nitrate nitrogen of 0-100 cm soil under different scenarios simulated by WHCNS model

3 讨论

3.1 亮蓝染色示踪试验研究土壤水分入渗

土壤水分入渗主要受土壤质地、土壤含水量、土壤密度、土壤有机质、生物结皮、植被和凋落物等因素影响。不同的耕作方式导致不同的入渗特征。郑欣等[27]研究表明北京地区潮土基质流深度为8.56 cm，本研究与其结论类似，旋耕处理的土壤基质入渗深度较浅。张静举[28]发现免耕处理下土壤大孔隙流发育程度较连年深耕处理高，由于中国农业大学科学园常年免耕，土壤虫洞丰富，在10 cm 以下土层形成了具有连通性好的大孔隙，亮蓝溶液随着大孔隙更快地向下移动，因此形成更深、更为分散的染色区域。上庄机械深耕导致土壤形成犁底层，土壤犁底层的存在使得土壤容重增大，总孔隙度减小。因此土壤犁底层的存在一定程度上减少了大孔隙优先流对于土壤水分入渗的影响。长期观测与试验发现，与旋耕相比，免耕虽短期内不能显著提高大孔隙数量，但耕作过程中土壤被机械压实，经历多年耕作后，免耕反而可以增加土壤中大孔隙度，提高土壤渗透性[29]。就本研究两种耕作方式而言，免耕处理的科学园土壤水分入渗深度和染色面积大于旋耕处理的上庄实验站。此外上庄犁底层导致的土壤分层异质性使得土壤水分难以垂直入渗，进而产生侧渗，影响土壤水分运移[30]。本研究通过改进的自动双环入渗仪测定土壤稳定入渗速率并进行亮蓝染色示踪试验，统计了两个试验地的染色面积和稳定入渗速率，并进行相关性分析，研究表明，亮蓝染色示踪只能定性地描述土壤大孔隙优先流对土壤水分入渗的影响，今后计划研究土壤染色剖面和湿润峰的分形维数与稳定入渗速率的关系，并考虑建立分形维数和入渗速率的函数关系。

野外田间试验发现，大孔隙优先流发育较好的科学园试验点产生了更深的土壤水分入渗，但未能定量化优先流对土壤水分入渗的影响，本研究将进一步讨论定量化模拟农田尺度下大孔隙优先流对硝态氮淋失的影响。

3.2 大孔隙、施肥模式、灌溉方式和强降雨对土体中硝态氮淋失的影响

施肥是影响硝态氮含量的最直接因素，土壤硝态氮含量随着施肥量的增加而显著增加[31]。肥料中的氮是氮淋失的基础，从WHCNS 模拟结果可以看出，施肥量是影响硝态氮淋洗的重要条件，控制其他条件相同时，虫洞、灌溉方式和强降雨引起的硝态氮淋洗量变化都低于施肥模式的改变。秦雪超等[32]研究化肥减量对华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系下的作物产量和氮淋洗量发现，减施氮肥不会降低小麦和玉米的产量，且年均氮淋失量降低30.6%。本研究模拟结果显示，与传统施肥相比优化施肥下氮素淋失量减少46.0%，与前人研究的差异可能是由于作物模型在模拟作物生长时比实际生长偏理想化造成。土壤存在虫洞等大孔隙时，土体结构类似于海绵状，有较强的导水能力。王彬俨等[33]采集农用地原状土进行土柱试验发现，优先流的存在使得土壤中的硝态氮快速下渗。Patil 等[34]也发现，动物(如蚯蚓)活动容易产生较大直径的土壤孔洞，进而造成农田灌溉水的大量流失，硝态氮会随着水分快速流失，水是其运移的主要载体。本研究发现存在虫洞条件下，表层土壤硝态氮含量低于无虫洞土壤，无虫洞土壤氨的挥发和硝化作用更高，这表明虫洞存在使得表层土壤的无机氮更容易发生下移，提高了下层土壤的硝态氮含量。

灌溉是影响土体硝态氮淋失的重要因素，灌溉带来的下渗水流使得土壤中硝态氮下移，引起淋失。灌溉方式和灌水量对硝态氮的淋失具有重要影响[35]。孙泽强等[36]研究发现，喷灌灌水时间长，灌水量较多地储存在土体0～40 cm，下渗量小。而漫灌灌水时间短，灌溉带来较深的下渗水，增加淋失风险。另一方面，新型节水灌溉措施所需灌水量远低于传统灌溉，漫灌的单次灌水量比喷灌高40 mm，灌水量越高，发生淋失风险越高。此外，喷灌由于低灌水量和灌水均匀性，可以减少径流产生，降低表层硝态氮的损失。本研究考虑大孔隙的存在，相较于喷灌，漫灌下渗水产生的优先流通道使得更多硝态氮向下运移。研究模拟结果表明，在合适的灌溉量、灌溉次数条件下，喷灌比漫灌更为节水，且减少土体硝态氮的淋失。但喷灌在多风的情况下，会出现喷洒不均匀、蒸发损失增大的问题。因此农民在选择灌溉时，要综合考虑所有因素，选择适合的灌溉方式。

降雨是影响土壤水氮运动的重要气候条件，降水量越大淋溶到下层硝态氮越多，浅表层含量越少，这与黄绍敏等[26]的研究结果一致。带负电荷的硝态氮不易被同样带负电荷的土壤胶体所吸附，强降雨带来的过量水分易使土壤氮素发生径流淋失和深层淋洗，使得整个玉米生长季硝态氮淋洗量大大增加。另一方面，3 次强降雨带来影响不同，第一次强降雨对硝态氮淋洗的影响远低于后两次强降雨，说明硝态氮的淋洗需要土体中足够的硝态氮含量。今后农事管理中，进行灌溉时要充分考虑灌溉量和当地降雨量，制定合理的灌溉方式。

4 结论

本研究结合田间亮蓝染色示踪试验和WHCNS模型，模拟探讨大孔隙优先流对于硝态氮淋失的影响。通过中国农业大学科学园和上庄实验站的亮蓝染色示踪试验发现，优先流发育程度高的科学园具有更深的入渗深度和更大的染色面积，同时上庄实验站发现了侧向入渗的情况。但亮蓝染色示踪法只能定性地描述土壤水分入渗过程，对入渗剖面进行形态学上的描述，无法定量化土壤稳定入渗速率。本研究同时借助WHCNS 模型定量化模拟了土壤虫洞存在对0～100 cm 土体中硝态氮淋失的影响，并讨论了大孔隙存在下施肥方式的影响，及灌溉和强降雨的影响。结果表明，相较于无虫洞存在的情景，虫洞存在显著增加了硝态氮的淋洗量。另一方面，有虫洞结构存在时，优化施肥模式的硝态氮淋洗量比传统施肥模式减少46.0%，喷灌比漫灌淋洗量减少15.6%，存在强降雨条件下硝态氮淋洗量增加119.4%。因此，虫洞等大孔隙存在时，如果氮肥施用量、灌溉模式不合理，土壤中的硝态氮容易发生下移，甚至发生淋洗。建议可以采用有机肥替代部分化肥的方式，一方面有机肥中微生物可以固定土壤中的氮，减少淋洗量； 另一方面有机质的存在可以改善土壤性质，给作物提供更为合适的生长空间。在灌溉方式上，相比于漫灌，在适合的气候条件下，喷灌不仅能节水，还能减少农田硝态氮淋失。下一步本研究将定量化研究多个虫洞所导致的优先流对土壤-作物系统氮素运移的影响。