灌溉對(duì)黃土層中全氮含量淋失的試驗(yàn)研究*

黨麗娟,劉仁義,馬耀光,李克青

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊陵712100;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)第四水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,內(nèi)蒙古 通遼 028007)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,灌水和施氮是緊密相關(guān)的農(nóng)業(yè)措施。氮肥的施用可提高水分利用效果,合理的灌水能提高氮肥利用率,增加作物產(chǎn)量。但是,灌水和施氮不當(dāng),不僅會(huì)降低水分和氮肥的利用率,還會(huì)造成氮素的損失[1]。土壤中大量氮素的淋失已成為世界關(guān)注的農(nóng)業(yè)環(huán)境問(wèn)題,特別是在我國(guó)干旱半干旱的黃土塬區(qū),其危險(xiǎn)性顯得更加突出[2]。氮素淋失是造成環(huán)境污染和氮肥利用率低的主要原因。氮素淋失受氣候、土壤、植物、施肥、灌溉等多種因素的制約[3],但概括而言,總是與水分下滲同步[4]。水分和養(yǎng)分既是影響旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要脅迫因子,也是一對(duì)聯(lián)因互補(bǔ)、互相作用的因子。因此,研究土壤深層氮素淋失情況,對(duì)于提高氮肥的利用率和降低生產(chǎn)成本,分析和預(yù)測(cè)土壤和地下水的污染狀況具有重要意義。本試驗(yàn)是在相同施肥量、不同灌溉量條件下,利用室內(nèi)土柱試驗(yàn)?zāi)M黃土層中氮素運(yùn)移過(guò)程,研究土壤氮素淋失強(qiáng)度,分析深層土壤和地下水的污染狀況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土樣采集于西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室灌溉試驗(yàn)田。根據(jù)土樣的理化性狀,選取代表性黃土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)均質(zhì)土柱模擬研究。

試驗(yàn)裝置采用內(nèi)徑為10 cm,高為75 cm的圓柱體PVC管,管底裝有3 cm的排水倉(cāng)(裝有過(guò)濾網(wǎng)、止水閥及排水小孔)用以排出柱內(nèi)滲出水。

選用的試驗(yàn)土樣經(jīng)風(fēng)干后過(guò)2 mm篩,按容重為1.36 g/cm3控制,每6 cm分層填充于土柱內(nèi),滲流土柱填土高度為54 cm。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)在相同施氮量、不同灌水定額的情況下進(jìn)行。采用純NaNO3(含氮量為16.47%)作為示蹤劑進(jìn)行示蹤試驗(yàn),施肥方式采用灌施。計(jì)劃施氮水平為 6 mg/cm2;灌水定額 W分別為191.1 mm 、229.3 mm 、254.8 mm 、280.3 mm 、305.7 mm,灌水后分 6 個(gè)時(shí)刻 ,即 51 h 、57 h、63 h 、69 h、75 h 、81 h,按單層6 cm分層采取土樣,測(cè)定土樣的重量含水量和全氮含量。

1.2 測(cè)定方法

土樣含水量的測(cè)定采用烘干法;土樣中全氮的測(cè)定采用半微量開(kāi)氏法[5]。土壤樣品先用高錳酸鉀將樣品中的亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮后,再用還原鐵粉使全部硝態(tài)氮還原,轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮。然后在加速劑的參與下,用濃硫酸消煮,各種含氮有機(jī)物,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的高溫分解反應(yīng),轉(zhuǎn)化為氨與硫酸結(jié)合成硫酸銨。堿化后蒸餾出來(lái)的氨用硼酸吸收,以標(biāo)準(zhǔn)酸溶液滴定,求出土壤全氮量。水樣中全氮測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤含水量與灌水量的關(guān)系

同一施氮標(biāo)準(zhǔn)、不同灌水定額條件下土壤含水量分布見(jiàn)圖1。由圖可以看出,不同灌水定額條件下,土壤含水量隨著灌水量的增大而增大;同一灌水定額條件下,土壤含水量隨著土層深度的加深而減小。小灌水量情況下,土壤含水量變化較明顯,隨著灌水量的增大,土壤含水量達(dá)到飽和,因此,土壤含水量從上到下變化不大,且趨于穩(wěn)定。

2.2 土壤含氮量與灌水量的關(guān)系

同一施氮標(biāo)準(zhǔn)、不同灌水定額條件下土壤含氮量分布見(jiàn)圖2。由圖可以看出,不同灌水定額條件下,土層含氮量隨著灌水量的增大而減小;小灌水量情況下,由于灌水量較小,土層各處氮含量均較大,含氮量在土層中的變化較小;當(dāng)灌水量大于229.3 mm時(shí),由于灌水量超過(guò)土壤飽和持水量,土層各處氮含量明顯減小,含氮量隨土層的加深逐漸減小,出現(xiàn)含氮量小于土壤背景值現(xiàn)象,表明施肥灌溉不僅未使土層含氮量顯著增加,還使土層背景氮素發(fā)生嚴(yán)重淋失。由此可以推斷,施氮水平為6 mg/cm2的條件下,灌水量不能超過(guò)229.3 mm。

圖1 土壤含水量與灌水量的關(guān)系

圖2 土壤含氮量與灌水量的關(guān)系

2.3 土壤剖面氮淋失率與灌水量的關(guān)系

依據(jù)灌溉前后土壤含氮量的變化計(jì)算不同灌水定額條件下土層氮淋失率的模式如下:

式中:NW ——灌溉施氮總量(mg);N 0,i——第 i層土壤背景含氮量 (mg);Ni——第 i層試驗(yàn)所測(cè)土壤含氮量(mg)。

不同灌水定額條件下土層氮淋失率的分布見(jiàn)圖3。由圖可以看出,不同灌水定額條件下,土壤剖面氮淋失率隨著灌水量的增大而增大。灌水量為191.1 mm時(shí),氮淋失率隨土層的加深逐漸減小,土柱底層無(wú)多余的水量滲出,土層氮素未發(fā)生淋失現(xiàn)象;當(dāng)灌水量大于229.3 mm時(shí),土壤剖面氮淋失率均大于36.32%,且土柱底層有大量過(guò)飽和水量滲出,發(fā)生嚴(yán)重淋失現(xiàn)象。由此推斷,施氮水平為6 mg/cm2的條件下,灌水量不能超過(guò)229.3 mm。

圖3 不同灌水量的淋失率分布曲線

2.4 深層土壤氮淋失率與灌水量、氮素濃度的關(guān)系

不同灌水量情況下,土柱51 cm深處土壤氮淋失率與灌水量呈線性正相關(guān)關(guān)系,灌水量增大,土壤氮淋失率增大,其關(guān)系式為

當(dāng)施氮水平為6 mg/cm2,灌水量大于229.3 mm時(shí),51 cm深處土壤氮淋失率大于37.18%,此情況下,上層土壤氮素受到嚴(yán)重淋洗和流失,因此,在黃土區(qū)灌溉時(shí),應(yīng)將灌水量控制在229.3 mm以內(nèi)。

當(dāng)施氮水平為6 mg/cm2,不同灌水量情況下,土柱51 cm深處土壤氮淋失率與氮素濃度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,灌水量增大,土壤氮素濃度降低,氮淋失率增大,其關(guān)系式為:

隨灌水量增加,灌水量大于229.3 mm時(shí),灌溉水氮素濃度小于 0.35 mg/ml時(shí),氮淋失率大于37.18%,土壤氮素淋洗嚴(yán)重。

2.5 氮平衡分析

根據(jù)質(zhì)量守恒原理,施氮總量與土壤背景總氮量之和應(yīng)等于任一灌水水平、任一監(jiān)測(cè)時(shí)刻土層的監(jiān)測(cè)積累總氮量,其平衡關(guān)系如下:

以灌水量為254.8 mm,監(jiān)測(cè)時(shí)間為81 h的土壤全氮含量測(cè)定成果為例,進(jìn)行氮平衡分析。此處理的數(shù)據(jù)樣本為:

氮平衡分析結(jié)果表明,試驗(yàn)土層測(cè)定總氮數(shù)據(jù)與總施氮量理論數(shù)據(jù)相差-496 mg,試驗(yàn)誤差為8%,基本滿足質(zhì)量守恒原理,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可靠性和可信性。

3 結(jié)論

(1)不同灌水定額條件下,土壤含水量隨著灌水量的增大而增大;同一灌水定額條件下,土壤含水量隨著土層深度的加深而減小。(2)不同灌水定額條件下,土層含氮量隨著灌水量的增大而減小;當(dāng)灌水量大于229.3 mm時(shí),深層土壤氮素發(fā)生嚴(yán)重淋失。(3)不同灌水定額條件下,土壤剖面氮淋失率隨著灌水量的增大而增大;當(dāng)施氮水平為6 mg/cm2,灌水量大于229.3 mm時(shí),氮素濃度小于0.35 mg/ml,土層氮淋失率大于37.18%,上層土壤發(fā)生嚴(yán)重淋失現(xiàn)象;(4)在黃土地區(qū)灌溉時(shí),為防止氮素流失和地下水污染,應(yīng)將灌水量控制在229.3 mm以下。

[1] 陳曉歌,馬耀光.不同灌水和施氮對(duì)黃土性土壤中-N遷移和淋失的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2008,15(5):109-111.

[2] 馬耀光,郭大勇,徐永功,等.黃土層中灌溉對(duì)尿素淋失特征的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(4):113-116.

[3] 張國(guó)梁,章申.農(nóng)田氮素淋失研究進(jìn)展[J].土壤,1998(6):291-297.

[4] 張思聰,呂賢弼,黃永剛.灌溉施肥條件下氮素在土攘中遷移轉(zhuǎn)化的研究[J].水利水電技術(shù),1999,30(5):6-8.

[5] 周錦.土壤中氮含量的測(cè)定分析[J].農(nóng)業(yè)科技與信息,2008(15):40-41.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),GB11894-89,1989-12-25批準(zhǔn),1990-07-01實(shí)施.