干旱綠洲區(qū)硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的分布特征及運移特點研究

李勛章，董新光，楊鵬年，張 瀚，汪昌樹(新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要投入要素，提供農(nóng)作物生長所必須的營養(yǎng)元素。施用化肥是提高農(nóng)作物單產(chǎn)的重要手段之一。近30 a來，我國農(nóng)業(yè)氮肥利用率呈直線下降趨勢，氮肥損失量巨大[1]。施入土壤中的過量氮素，會使土壤膠體分散，破壞土壤結構，引起土壤酸化，加速某些礦物鹽的溶解、淋失，造成土壤貧化。過量氮素淋失進入地下水后，使水體富營養(yǎng)化，降低水體質量，威脅人和動物健康[2,3]。朱兆良[4]在已有研究成果的基礎上，對我國農(nóng)田中化肥氮的去向進行了初步估計：作物吸收35%、氨揮發(fā)11%、表觀硝化-反硝化34%(其中N2O排放率為1.0%)、淋洗損失2%、徑流損失5%，以及未知部分13%。自2007年開始推行高效節(jié)水以來，灌區(qū)灌水方式由過去的地面灌逐漸轉變?yōu)榈喂?，施肥方式由撒施、一次性施肥逐漸轉變?yōu)榈喂嗍┓?、多次施肥，到目前?jié)水灌溉覆蓋面積已達到80%以上。近年來開都河下游平原區(qū)農(nóng)田氮肥施用量以年均7%左右的速度在增加，超過了糧食及棉花的年均增長率，化肥的增產(chǎn)效益在不斷下降[5,6]。過去很多學者通過田間和室內試驗，在研究氮素在土壤中的運移與累積特點及其影響因素方面做了大量工作，但在干旱地區(qū)研究較少。當前農(nóng)業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展面臨著提高產(chǎn)量和保護水土環(huán)境的雙重任務。因此，掌握氮素含量水平及分布特征，對進一步定量研究土壤-作物系統(tǒng)中水分和氮素的運移規(guī)律，預防和保護綠洲水土環(huán)境具有重要意義。

本文以新疆焉耆盆地開都河下游綠洲灌區(qū)為研究對象，旨在摸清現(xiàn)階段土壤及地下水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量水平，在區(qū)域空間上的分布變異特征及在土壤剖面中的垂直分布狀況，了解氮素的轉化特點，以期為制定合理灌水施肥條件，預防地下水體污染，調控土壤及地下水氮素含量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆天山南麓巴音郭楞蒙古自治州開都河下游焉耆盆地綠洲區(qū)，行政單位包括焉耆縣、博湖縣以及27團，地面海拔高度一般為1 050～1 200 m，地勢總體呈現(xiàn)四周向盆地傾斜，最低處位于盆地中心的博斯騰湖；常年性河流主要有開都河，最終匯入博斯騰湖；研究區(qū)年平均氣溫 8.0～8.9 ℃，晝夜溫差大，年平均降雨量為50.7～79.9 mm，年蒸發(fā)量為2 002.5～2 449.7 mm，是年降水量的30～40倍，屬于南北疆過渡的大陸荒漠性氣候[7]。盆地主要土壤類型為棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕土、潮土、鹽土、風化土[8]。研究區(qū)內水量比較豐富，水質相對較好，但目前也有惡化的趨勢。開都河從上游到下游水質逐漸變差，隨著地下水的大量開采，化肥農(nóng)藥的不合理施用，導致地下水水質也呈惡化趨勢[9,10]。

根據(jù)巴音郭楞蒙古自治州2014年統(tǒng)計年鑒，焉耆縣和博湖縣有效灌溉面積分別為2.84、1.545 萬hm2，目前灌區(qū)已基本推行高效節(jié)水技術，主要采用地下水灌溉，冬春灌采用地表水。研究區(qū)主要的農(nóng)作物有小麥、玉米、西紅柿、辣椒等。

1.2 采樣與處理

在2015年5月初，沿焉耆縣、博湖縣周圍各灌區(qū)進行野外調查采點，以GPS精確定位，獲取點位經(jīng)緯度。共布設土樣采點11個，使采樣點盡可能的覆蓋整個灌區(qū)范圍(見圖1)。利用圓鑿鉆采集土樣，0～1 m土層深度每10 cm采集一個樣本；最大采樣深度為2.6 m，1～2.6 m土層范圍每20 cm采集一個樣本，每一個樣點共采集18個樣本，一共采集土樣樣本198個。每個樣本采用密封袋擠出空氣密封，放在保溫箱中。由于地下水埋深較淺，在取土樣后，鉆孔內滲入地下水，用取水器取樣，一共取了6個采樣點的水樣。

圖1 焉耆縣、博湖縣地理位置及采樣點分布Fig.1 Yanqi County, Bohu County geographical location and the distribution of sampling sites

對土樣和水樣的檢測項目為硝態(tài)氮、銨態(tài)氮，根據(jù)《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999和《生活飲用水標準檢驗法》GB/T 5750-2006，運用T6新世紀紫外可見分光光度計測定土壤和地下水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量。

運用Microsoft excel 2010對采樣點無機氮素含量進行描述性統(tǒng)計分析，通過SPSS22對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，分析氮素的空間變異特征。

2 結果與分析

2.1 無機氮素含量水平統(tǒng)計特征

根據(jù)土樣檢測結果，研究區(qū)各個樣點的銨態(tài)氮含量均大于硝態(tài)氮含量。不同采樣點間土壤硝態(tài)氮含量差異較小，平均含量達到36.1 mg/L；由圖2(a)可以看出，各采樣點銨態(tài)氮含量差異較為明顯，含量均在200 mg/L以上，其中在焉耆縣城和北大渠鄉(xiāng)達到了340 mg/L，平均含量為280.5 mg/L。根據(jù)全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準[速效氮包括無機態(tài)氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)及易水解的有機態(tài)氮(氮基酸、酰胺和易水解蛋白質)，見表1]，各地區(qū)土壤肥力均達到了1級水平，土壤肥力很高。近10 a來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，為促使農(nóng)作物產(chǎn)量增長，化肥用量不斷增加，而能夠被作物有效利用的量很少。近年來，焉耆縣與博湖縣氮肥施用量以年均7%左右的速度增長，增加了氮污染的風險。灌水后土壤中化肥水解生成銨態(tài)氮，除揮發(fā)損失，作物吸收外，主要經(jīng)硝化作用生成硝態(tài)氮，因而此時土壤中銨態(tài)氮含量比硝態(tài)氮高。銨態(tài)氮的硝化作用是一個持續(xù)的過程，大部分銨態(tài)氮最終轉化為較穩(wěn)定的硝態(tài)氮。

表1 全國第2次土壤普查氮素分級標準Tab.1 Nitrogen grading criteria of soil survey in the second national soil survey

從圖2(b)中可以看出，淺層地下水中硝態(tài)氮含量遠大于銨態(tài)氮含量，平均相差約2個數(shù)量級。北大渠鄉(xiāng)硝態(tài)氮含量最高，為51.3 mg/L，塔溫覺肯鄉(xiāng)硝態(tài)氮含量最小為8.7 mg/L。根據(jù)我國地下水質量標準(GB/T14848-93)[11]，北大渠鄉(xiāng)淺層地下水水質嚴重超標，屬于Ⅴ類，僅有塔溫覺肯鄉(xiāng)淺層地下水屬于Ⅲ類，基本達標。另外根據(jù)我國飲用水衛(wèi)生標準要求，地下水中硝態(tài)氮含量不能超過20 mg/L，氨氮含量不超過0.5 mg/L[12]，由圖2(b)可知，北大渠鄉(xiāng)和才坎諾爾鄉(xiāng)淺層地下水中硝態(tài)氮含量分別為51.3、30.9 mg/L，超過20 mg/L標準要求，不滿足生活飲用水質量要求，其他地區(qū)硝態(tài)氮含量都在飲用水標準范圍內；四十里城子銨態(tài)氮含量最大為1.6 mg/L，其他地區(qū)含量均在0.5 mg/L以上，都不滿足飲用水衛(wèi)生標準，屬于超標范圍。長期過量施肥，導致淺層地下水中氮素含量不斷累積，淺層地下水水質條件不容樂觀。

2.2 無機氮素空間變異分析

焉耆縣與博湖縣的土壤、地下水中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量分析結果見表2。對樣本數(shù)據(jù)在顯著性水平p<0.5(雙尾檢驗)下進行單樣本K-S檢驗，結果表明，土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量均服從正態(tài)分布，地下水中的硝態(tài)氮服從正態(tài)分布，銨態(tài)氮不符合正態(tài)分布，轉化后的數(shù)據(jù)也不符合正態(tài)分布。取硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的算術平均值作為描述總體特征的統(tǒng)計量。

變異系數(shù)又稱離散系數(shù)，表示土壤空間變異性的大小，反應單位均值上的離散程度[13]。

按一般對變異系數(shù)Cv值的評估，當Cv<0.1時，為弱變異性；0.1≤Cv≤1.0時，為中等變異性；Cv≥1時，為強變異性[14]。表2中，淺層地下水中的銨態(tài)氮變異系數(shù)最大，為76.7%，硝態(tài)氮變異系數(shù)為14.8%，土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮變異系數(shù)分別為20.0%、20.3%，均為中等變異水平。銨態(tài)氮穩(wěn)定性差，受含水量及通氣性的影響，在硝化細菌作用下發(fā)生硝化作用產(chǎn)生硝態(tài)氮。施肥過后不同時間內銨態(tài)氮轉化成硝態(tài)氮的程度不同，因此氮素變異性比較大。氮素的轉化和運移都需要一定時間，進入地下水中的氮素含量基本趨于穩(wěn)定，但受到施肥量影響會差生差異。

表2 研究區(qū)土壤及地下水氮素空間變異統(tǒng)計特征Tab.2 Statistical characteristics of spatial variability of soil and groundwater in the study area

2.3 土壤剖面氮素垂直分布特征分析

樣點區(qū)種植的農(nóng)作物為小麥，灌溉方式為滴灌，施肥方式為滴灌施肥。本文基于11個土壤取樣點，每個采樣點以土壤剖面氮素含量均值作為統(tǒng)計量。根據(jù)氮素在土壤剖面上的分布特點，以各土層氮素含量均值占土壤剖面氮素均值的比重為積聚系數(shù)[15]。由于在0～40 cm深度范圍集中作物70%～80%以上的根系，100 cm以下根系含量很少[16-20]，結合作物根系在土壤剖面的分布，設定以0～20 cm深度土層為表層，0～40 cm為根系層，40～100 cm為中層，100 cm以下為底層。受土壤含水量、黏性土夾層的影響，依據(jù)土壤剖面氮素分布特征及積聚系數(shù)，可將土壤剖面類型分為表聚型、均布型、底聚型、振蕩型。

如圖3(a)所示，硝態(tài)氮土壤剖面分布類型主要為表聚型和振蕩型，其中有4個采樣點表層積聚顯著，占采樣點總數(shù)的36.4%。從表3可知，0～20 cm土層中，樣點S1、S7、S8、S9的積聚系數(shù)均達到150%以上；在0～40 cm土層中，硝態(tài)氮的積聚系數(shù)達到150%的樣點有S1、S7、S8、S9，與0～20 cm土層硝態(tài)氮積聚樣點基本相符。圖3(b)中，樣點S2、S3、S11的積聚系數(shù)小于150%，表層積聚效果相對較弱。在這些采樣點區(qū)作物根系層硝態(tài)氮含量相對較高，有利于作物的吸收利用。近年來焉耆盆地各地區(qū)加快推廣高效節(jié)水灌溉技術，焉耆縣、博湖縣地區(qū)高效節(jié)水面積均達到80%以上。滴灌水量較漫灌少很多，減少了灌溉水對地下水的補給量，因而硝態(tài)氮淋失量較少，主要被土壤顆粒固定在根系層中。與澆灌施肥相比，采用滴灌施肥顯著降低氮素的淋溶損失，提高了土壤中有效氮的含量[21]，有效地緩解氮素的大量淋失。由于樣點間存在灌水時間上的差異，在灌水后受蒸發(fā)作用影響，土壤表層含水量降低，以硝態(tài)氮為溶質的毛細水向上運移補充。圖3(c)中，樣點S4、S5、S6、S10土壤剖面硝態(tài)氮分布呈振蕩型，在土壤剖面硝態(tài)氮均值附近波動，沒有明顯的規(guī)律性。

表3 采樣點土壤剖面氮素含量的統(tǒng)計特征值Tab.3 Statistical characteristics of nitrogen content in soil profile at the sampling point

圖3 采樣點土壤剖面硝態(tài)氮分布Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in soil profile at the sampling point

從圖4(a)～(c)可以看出，銨態(tài)氮在土壤剖面的分布為均布型、底聚型、振蕩型。圖4(a)中可以看出在土壤底層銨態(tài)氮出現(xiàn)了一個積累峰，樣點S2、S11在100 cm以下的積聚系數(shù)分別為131%、118%，底部積聚較顯著。在圖4(b)中，所有樣點銨態(tài)氮在各土層的積聚系數(shù)在100%左右，各土層銨態(tài)氮含量分布較均勻。銨態(tài)氮在土壤剖面各層含量較高，淋洗很明顯，加大了銨態(tài)氮進入淺層地下水的風險。圖4(c)中，土壤剖面樣點銨態(tài)氮含量分布比較混亂，呈現(xiàn)出震蕩的特點，各土層銨態(tài)氮含量差異明顯?？傮w可以看出銨態(tài)氮沿土壤剖面淋失比較顯著。主要由于施肥過后，化肥水解生成大量的銨態(tài)氮，在灌溉水作用下，土壤含水量增加，在表層接近飽和狀態(tài)，促進了銨態(tài)氮的垂向運移[22]。由于土層中存在黏土夾層，對氮素在垂向的運移產(chǎn)生阻礙作用，導致氮素在土壤剖面表現(xiàn)出震蕩分布的特點。

圖4 采樣點土壤剖面氮態(tài)氮分布Fig.3 Distribution characteristics of ammonia nitrogen in soil profile at the sampling point

3 結論與討論

(1)各采樣點土壤銨態(tài)氮含量平均為280.5 mg/L，遠大于硝態(tài)氮，兩者相差近一個數(shù)量級。在淺層地下水中硝態(tài)氮含量較銨態(tài)氮含量很高，平均含量為15.68 mg/L，而銨態(tài)氮平均含量為0.94 mg/L。

(2)研究區(qū)范圍內土壤肥力等級均達到一級水平，屬于高肥力區(qū)。根據(jù)地下水質量標準，研究區(qū)淺層地下水水質較差，僅塔溫覺肯鄉(xiāng)屬于Ⅲ類水質，基本達標，而北大渠鄉(xiāng)水質嚴重超標。淺層地下水水質均不滿足飲用水質量要求，屬于超標范圍。過去大量施用氮肥對土壤及淺層地下水已顯現(xiàn)出明顯影響，將給維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡工作提出嚴峻挑戰(zhàn)。

(3)由于灌水施肥和采樣工作間存在時間差，而且施肥量也存在差異，使土壤及地下水中的氮素含量在空間上變異明顯，屬于中等變異水平。土壤剖面上硝態(tài)氮表層積聚比較明顯，隨著土壤深度增加硝態(tài)氮含量減少；銨態(tài)氮在土壤剖面上分布較均勻，并呈現(xiàn)出底層積聚的特點，受灌溉水淋洗效果明顯。

(4)土壤中氮素轉化運移過程比較復雜，在干旱區(qū)的運移機理還需進一步研究。在淺水水位埋深較小的地區(qū)，如何在保證作物產(chǎn)量，減少氮素淋失，防止產(chǎn)生次生土壤鹽漬化的條件下進行合理灌施，將成為今后研究的重點。

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