王 哲，夏 輝，袁 浩，陳競(jìng)堯，柴景偉

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北省保定市順平縣水利局，河北 保定 072250）

河北省是我國(guó)重要的冬小麥主產(chǎn)區(qū)，年播種面積超過240 萬(wàn)hm2，占全國(guó)總播種面積的9.7%［1］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)民為了片面追求高產(chǎn)過量施肥現(xiàn)象普遍存在，但是過量的施用化肥不僅會(huì)導(dǎo)致河流湖泊出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化，加劇大氣污染，甚至?xí)l(fā)耕地土壤酸化，直接威脅國(guó)家的糧食安全［2-3］。關(guān)于土壤水分及氮磷分布的研究一直都是研究的熱點(diǎn)， 張淑芳等［4］的研究表明在冬小麥的各個(gè)生育期0 ～150 cm 的土壤平均含水率隨土層深度的增加而增加。朱忠銳等［5］的研究說明了土壤硝態(tài)氮含量隨施肥量的增加而增加，0 ～40 cm 土層硝態(tài)氮含量增加明顯。曹穎等［6］的研究表明表層土壤硝態(tài)氮含量明顯高于深層土壤，土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的增加而減少。楊曉卡等［7］的研究說明了農(nóng)民傳統(tǒng)種植模式下土壤硝態(tài)氮有明顯向下淋移現(xiàn)象，120 ～150 cm 土層處出現(xiàn)累積峰。張國(guó)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，多年連續(xù)不施用磷肥導(dǎo)致土壤磷耗竭嚴(yán)重。

地下水淺埋區(qū)內(nèi)地下水與土壤水之間聯(lián)系密切，存在著物質(zhì)交換，其周邊耕地土壤氮磷的含量將直接影響該區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，大量降雨及灌溉將會(huì)導(dǎo)致土壤中的硝態(tài)氮向土壤深處淋洗造成地下水污染［9］，地下水埋深淺的區(qū)域地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較地下水埋深深的區(qū)域大。因此本研究以安新縣白洋淀周邊地下水淺埋區(qū)冬小麥種植農(nóng)田為研究對(duì)象，采用2 年定位試驗(yàn)探索了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)田間管理下冬小麥種植期間土壤水分和氮磷含量的變化及分布，對(duì)保護(hù)白洋淀水質(zhì)以及白洋淀生態(tài)建設(shè)具有重要意義，助力“綠色雄安”建設(shè)，同時(shí)對(duì)提高地下水淺埋區(qū)冬小麥種植農(nóng)田土壤水分利用、保護(hù)地下水資源和改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北省保定市安新縣安州鎮(zhèn)白莊村（雄安新區(qū)境內(nèi)）（38°85′N，115°47′E），屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.1℃，年平均蒸發(fā)量1 773.4 mm，平均風(fēng)速2.5 m/s，年平均降水529.5 mm，年內(nèi)分布不均，主要集中在7—9 月。試驗(yàn)地土壤類型為潮褐土，0 ～140 cm 土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏土，140 ～200 cm 為粉土。0 ～2 m 土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in test area

1.2 試驗(yàn)區(qū)布置

試驗(yàn)時(shí)間為2015 年10 月—2016 年6 月及2016年10 月—2017 年6 月，試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田南北長(zhǎng)250 m，東西寬32 m，面積約為0.8 hm2，農(nóng)田從南向北傾斜，坡度為1/925。采用管道式噴灌系統(tǒng)，每條支管上安裝10 個(gè)搖臂式噴頭，噴嘴流量為3 m3/h，噴頭射程、支管和噴頭間距均為13 m。試驗(yàn)區(qū)播種、施肥、灌溉等田間管理均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)習(xí)慣進(jìn)行，冬小麥播種和收獲時(shí)間分別為2015 年10 月5 日和來(lái)年6月11 日及2016 年10 月9 日和來(lái)年6 月15 日，冬小麥播種前底施復(fù)合肥，返青追施尿素，折純后季施用氮肥278.7 kg/hm2，磷肥201.9 kg/hm2，冬小麥生育期灌5 次水，播種前灌底墑水80 mm，越冬前灌冬水35 mm，返青期灌3 次水，共70 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

取樣地點(diǎn)為冬小麥長(zhǎng)勢(shì)良好的地段，取樣時(shí)間為冬小麥的分蘗期（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）、拔節(jié)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）、灌漿期（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 范圍內(nèi)每隔10 cm 取樣一次，距地表1 ～2 m 范圍內(nèi)每隔20 cm 取樣1 次，共取14 次，取樣后立即密封冷凍保存。對(duì)試驗(yàn)期間冬小麥種植、灌溉、施肥等農(nóng)事活動(dòng)進(jìn)行記錄；試驗(yàn)田內(nèi)設(shè)置小型氣象站記錄降雨數(shù)據(jù)；土壤含水率采用烘干法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定；土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0 軟件對(duì)土壤水分、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及有效磷含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Excel 軟件作圖。由于取樣在垂直方向上間隔距離不一樣，在分析均值、表土層、心土層及底土層等數(shù)據(jù)時(shí)均采用加權(quán)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分分布

農(nóng)田土壤硝態(tài)氮發(fā)生淋洗的直接動(dòng)力來(lái)源是土壤內(nèi)部水分的運(yùn)動(dòng)，過量的灌水將會(huì)引起作物根層土壤硝態(tài)氮向根外運(yùn)移［10］。圖1 為兩季冬小麥種植期土壤含水率分布情況。

圖1 2015—2016 年（左）與2016—2017 年（右）冬小麥種植期土壤含水率分布情況Fig.1 Distribution of moisture content in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由圖可看出兩季冬小麥種植期土壤含水率隨土壤深度的增加均呈現(xiàn)先減小再增加最后基本保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。20 ～40 cm 土層土壤含水率減小，40 ～80 cm土層土壤含水率增大，此階段40 cm 土層土壤含水率最小，主要是由于小麥根系的吸收，80 cm 土層土壤含水率最大，主要是由于該層土壤黏性增加，吸附性強(qiáng)，具有較好的保水性。80 cm 土層后隨土壤深度的增加土壤含水率變化幅度較小。

表2 為兩季冬小麥種植期土壤含水率含量狀況。

表2 2015—2016 年與2016—2017 年冬小麥種植期土壤含水率含量狀況Table 2 Soil moisture content during winter wheat planting period 2015 — 2016 and 2016 — 2017

由表可看出2016—2017 年冬小麥種植期土壤含水率均值比2015—2016 年大1.63%，同時(shí)2015—2016 年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層土壤含水率分別為18.36%、24.60%、25.19%，2016—2017 年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層土壤含水率分別為18.47%、26.33%、26.92%，2016—2017 年冬小麥種植期心土層、底土層土壤含水率略大于2015—2016 年，但總體上變化幅度不大。同時(shí)由圖1，表2 可直觀看出，冬小麥返青期、拔節(jié)期、抽穗期以及灌漿期各土層土壤含水率要略高于分蘗期與成熟期，2016 年5 月14 日與2017 年5 月28日各土層土壤含水率比其他時(shí)期同土層土壤含水率略高，主要是由于前一天降雨造成的，而2017 年4月3 日80 cm 土層之后土壤含水率的升高則是由于4 月1 日噴灌造成的，降雨與灌溉都將會(huì)導(dǎo)致土壤水分向土壤深處移動(dòng)，也在很大程度上增加了土壤硝態(tài)氮的淋溶損失，增加了地下水硝酸鹽潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)。除降雨與灌溉之外，土壤中水分分布還受土壤蒸發(fā)、根系耗水等的影響［11］。

2.2 土壤硝態(tài)氮分布

圖2為兩季冬小麥種植期土壤硝態(tài)氮分布情況。

圖2 2015—2016 年（左）與2016—2017 年（右）冬小麥種植期土壤硝態(tài)氮分布情況Fig.2 Distribution of nitrate nitrogen in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由圖可明顯看出2016—2017 年冬小麥種植期土壤硝態(tài)氮含量變化幅度較2015—2016 年大，兩季冬小麥種植期140 cm土層深度以上土壤硝態(tài)氮含量大，硝態(tài)氮在此土層范圍內(nèi)累積多，具有明顯的累積現(xiàn)象，140 cm 土層深度以下硝態(tài)氮含量較小，變化幅度也較小，趨于穩(wěn)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 年冬小麥種植期存在土壤硝態(tài)氮向土壤深層淋洗風(fēng)險(xiǎn)。兩季冬小麥種植期表土層變化均劇烈，隨土壤深度的增加土壤硝態(tài)氮含量基本都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，40 ～140 cm 土層范圍內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量變化呈波浪狀。播種前底肥的施入導(dǎo)致兩季冬小麥分蘗期土壤硝態(tài)氮含量一直處于較高水平，冬小麥返青追施尿素導(dǎo)致2016 年4 月9 日、2017 年4 月3 日及16 日冬小麥表土層土壤硝態(tài)氮含量驟增，從2016—2017年冬小麥種植期土壤硝態(tài)氮變化我們能夠看出，4 月1 日返青追肥后，4 月3 日各土層硝態(tài)氮含量基本大于其他時(shí)期同等土層深度的硝態(tài)氮含量，隨著冬小麥的吸收，4月16日各土層硝態(tài)氮含量略有減小，但仍處于較高水平。兩季冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)土壤硝態(tài)氮含量要低于播種時(shí)的含量，說明土壤硝態(tài)氮處于消耗的過程，同時(shí)兩季冬小麥灌漿期土壤硝態(tài)氮含量略小于其他時(shí)期，成熟期冬小麥生長(zhǎng)緩慢消耗土壤硝態(tài)氮較少，而由于溫度的升高，土壤中的硝化細(xì)菌活躍，加快了土壤硝化作用，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，導(dǎo)致成熟期冬小麥土壤硝態(tài)氮含量略有升高。表3為兩季冬小麥種植期土壤硝態(tài)氮含量狀況，由表可看出兩季冬小麥土壤硝態(tài)氮含量除因施肥引起的極大值差別較大以外其他變化范圍基本處于同一水平，而2016—2017 年冬小麥種植期土壤硝態(tài)氮含量均值較2015—2016 年大3.51 mg/kg，2015—2016 年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層硝態(tài)氮含量分別為19.24、14.92、7.19 mg/kg，2016—2017 年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層硝態(tài)氮含量分別為21.87、21.03、9.32 mg/kg，兩季冬小麥種植期心土層硝態(tài)氮含量增幅最大，達(dá)到40.95%。

表3 2015—2016 年與2016—2017 年冬小麥種植期土壤硝態(tài)氮含量狀況Table 3 Soil nitrate nitrogen content during winter wheat planting period of 2015—2016 and 2016—2017

2.3 土壤銨態(tài)氮分布

與土壤硝態(tài)氮的變化情況不同，銨態(tài)氮易被土壤膠體吸附，不易隨水分運(yùn)動(dòng)并能夠被作物直接吸收利用。圖3 為兩季冬小麥種植期土壤銨態(tài)氮分布情況。

圖3 2015—2016 年（左）與2016—2017 年（右）冬小麥種植期土壤銨態(tài)氮分布情況Fig.3 Distribution of ammonium nitrogen in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由圖可看出兩季冬小麥種植期除表土層以外各土層土壤銨態(tài)氮含量變化不明顯，雖有變化但變化幅度不大，兩季冬小麥銨態(tài)氮含量最大值均出現(xiàn)在20 cm 土層，冬小麥返青追肥導(dǎo)致2016 年4 月9 日與2017 年4 月3 日20 cm 土層土壤銨態(tài)氮含量驟增，分別是各自30 cm 土層土壤銨態(tài)氮含量的4.92倍、7.24 倍，而2017 年4 月16 日20 cm 土層銨態(tài)氮含量小于30 cm 土層銨態(tài)氮含量，40 cm 土層就回歸了正常值，主要是由于施肥過后20 cm 土層處通氣狀況好，溫度適宜，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，銨態(tài)氮含量減少，容易造成氮的淋失和流失。表4 為兩季冬小麥種植期土壤銨態(tài)氮含量狀況，由表可看出兩季冬小麥土壤銨態(tài)氮含量的變化范圍基本一致，2015—2016 年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層土壤銨態(tài)氮含量分別為1.01、0.69、0.62 mg/kg；2016—2017 年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層土壤銨態(tài)氮含量分別為1.09、0.85、0.71 mg/kg，綜上可知，除施肥外兩季冬小麥各土層銨態(tài)氮含量變化幅度小，銨態(tài)氮含量基本保持不變。

表4 2015—2016 年與2016—2017 年冬小麥種植期土壤銨態(tài)氮含量狀況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，對(duì)于施磷肥有著直接的意義，有效磷在土壤中移動(dòng)性較弱，殘留在土壤的較多，盈余現(xiàn)象就會(huì)較為嚴(yán)重，極有可能對(duì)環(huán)境構(gòu)成較大風(fēng)險(xiǎn)。圖4 為兩季冬小麥種植期土壤有效磷分布情況。

圖4 2015—2016 年（左）與2016—2017 年（右）冬小麥種植期土壤有效磷分布情況Fig.4 Distribution of available phosphorus in soil during winter wheat planting period from 2015 — 2016 (left) and 2016 — 2017 (right)

由圖可看出兩季冬小麥種植期土壤有效磷含量隨土壤深度的增加均呈減小的趨勢(shì)，表土層有效磷含量降幅最大，40 cm 土層之后土壤有效磷含量保持穩(wěn)定，大致分布在4 mg/kg 左右。兩季冬小麥有效磷含量最大值均出現(xiàn)在20 cm 土層處，2015—2016 年與2016—2017 年冬小麥種植期20 cm 土層有效磷含量均值分別是40 cm 土層有效磷含量均值的2.68 倍、3.15 倍，這在一定程度上說明有效磷含量在表土層出現(xiàn)急劇下降，同時(shí)也證實(shí)了過量的有效磷不會(huì)向土壤深處移動(dòng)，存在于表層土壤。2017年4 月3 日及16 日表層土壤有效磷含量較高，則是由于4 月1 日施肥造成的，施磷肥有利于土壤表層有效磷量增加［12］，但是表層土壤有效磷的大量富集將會(huì)增大農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。表5 為兩季冬小麥種植期土壤有效磷含量狀況，由表可知除因施肥導(dǎo)致的極大值差別較大以外，兩季冬小麥土壤有效磷含量變化范圍基本一致，兩季冬小麥種植期土壤有效磷含量均值相差0.50 mg/kg，2015—2016 年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層土壤有效磷含量分別為13.33、4.40、3.55 mg/kg；2016—2017年冬小麥種植期表土層、心土層、底土層土壤有效磷 含 量 分 別 為13.72、4.99、3.93 mg/kg，2016—2017 年冬小麥種植期各土層土壤有效磷含量略大于2015—2016 年，根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2015—2016 年冬小麥種植期表土層有效磷為3 級(jí)，心土層有效磷為5 級(jí)，底土層有效磷為5 級(jí)；2016—2017 年冬小麥種植期表土層有效磷為3 級(jí)，心土層有效磷為5 級(jí)，底土層有效磷為5 級(jí)。從等級(jí)劃分的結(jié)果看，兩季冬小麥各土層有效磷含量均處于同一范圍內(nèi)。

表5 2015—2016 年與2016—2017 年冬小麥種植期土壤有效磷含量狀況Table 5 Soil available phosphorus content during winter wheat planting period of 2015 — 2016 and 2016 — 2017

3 討論與結(jié)論

（1）兩季冬小麥種植期土壤水分隨土壤深度的增加呈現(xiàn)先減小再增加最后基本保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。40 cm 土層壤含水率最小，80 cm 土層壤含水率最大，80 cm 土層深度以后，土壤含水率基本維持在26%左右。鄭文波等［13］的研究表明土壤剖面表層土壤含水率受降水或灌溉影響明顯，下層土壤含水率波動(dòng)過程明顯不如表層強(qiáng)烈，底層土壤含水率較為穩(wěn)定，與本研究結(jié)果是一致的，但是由于本區(qū)域地下水埋深較淺，故底層土壤含水率數(shù)值上略高于其研究結(jié)果。

（2）兩季冬小麥種植期140 cm 土層深度以上土壤硝態(tài)氮累積量大，具有明顯的累積現(xiàn)象，140 cm土層深度以下硝態(tài)氮含量較小，趨于穩(wěn)定。王曉風(fēng)［14］的研究表明冬小麥季噴灌條件下硝態(tài)氮主要集中在100 cm 土層以上，與本文研究略有差別，2016—2017 年冬小麥種植期表土層、心土層與底土層土壤硝態(tài)氮含量均較2015—2016 年大，兩季心土層含量差別最大。郭麗［15］、茹淑華等［16］的研究說明了隨著種植年限的增加，冬小麥土壤硝態(tài)氮含量增加，也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。施肥過后，0 ～2 m 土層范圍內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量增加，累積量隨即增大，這與前人的研究成果是一致的，劉瑞等［17］的研究表明隨著施氮量的增加0 ～2 m 土層硝態(tài)氮的累積越明顯。戴?。?8］的10 年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)說明前季施肥造成的土壤殘留硝態(tài)氮會(huì)被下季作物吸收利用，隨著時(shí)間的進(jìn)行，土壤殘留的硝態(tài)氮會(huì)不斷累積。吉艷芝［19］的研究也表明，經(jīng)過4 個(gè)小麥—玉米輪作季，土壤硝態(tài)氮發(fā)生了顯著的淋溶，王春陽(yáng)等［20］種植五季小麥—玉米輪作也發(fā)現(xiàn)從第三季作物收獲到第五季作物收獲，殘留硝態(tài)氮的增加量占這一時(shí)期氮肥施用量的比例高達(dá)51.6 %。土壤硝態(tài)氮在土壤中殘留存儲(chǔ)較多，隨水分向深層土壤甚至地下水遷移，本區(qū)域地下水埋深較淺地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較地下水埋深較深的區(qū)域大。

（3）兩季冬小麥種植期土壤銨態(tài)氮分布均勻，變化幅度小，基本都維持在0.7 mg/kg，表層土壤主要受施肥的影響，下層土壤含量變化較小，土壤中銨態(tài)氮含量基本都保持在1 個(gè)相對(duì)較低的水平。張燕［21］和李虎［22］的研究也說明了這一點(diǎn)，施肥使土壤銨態(tài)氮?dú)埩袅棵黠@增加，而且銨態(tài)氮容易向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，土壤中不會(huì)出現(xiàn)大量的銨態(tài)氮累積。任何土壤都存在著銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化平衡，這些生化反應(yīng)都是酶促反應(yīng)，受到氣溫、土壤pH、微生物種群、施肥等的影響［23］。

（4）兩季冬小麥種植期土壤有效磷含量隨土壤深度的增加呈減小的趨勢(shì)，喬江飛等［24］的研究也說明了這一點(diǎn)。表土層土壤有效磷含量變化幅度最大，主要受施肥的影響［25］，40 cm 土層后土壤有效磷含量保持穩(wěn)定，大致分布在4 mg/kg 左右。