噴灌小麥土壤氮素分布規(guī)律及對(duì)地下水影響試驗(yàn)研究

曹 穎，楊路華，高惠嫣，馬文超

(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.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；3.河北省水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001)

農(nóng)業(yè)面源污染近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)環(huán)境領(lǐng)域普遍關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題，農(nóng)業(yè)面源污染物不僅隨降雨、融雪或灌溉所產(chǎn)生的地表徑流直接進(jìn)入河流、湖泊或近海，污染地表水體，而且滲入土壤或巖石，污染地下水[1]。許多研究表明，過(guò)量的化肥使用是造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因。張?jiān)频萚2]研究了超量施肥灌溉條件下氮素的累積規(guī)律，施肥初期氮素主要累積在淺土層部位，而后隨土層深度和入滲水量的變化而波動(dòng)。董嫻嫻等[3]在華北平原潮褐土的研究表明，高施氮量條件后，土壤剖面中氮素殘留率較高，且隨著種植茬數(shù)增多垂向下移。潘家榮[4]、李世清[5-7]等研究發(fā)現(xiàn)殘留在土層中的氮素主要以硝態(tài)氮的形式存在，并伴隨灌溉與降雨下滲，易造成地下水污染。但有關(guān)大田土壤剖面無(wú)機(jī)氮的分布以及地下水環(huán)境影響試驗(yàn)還缺乏具體研究。本試驗(yàn)根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥灌水條件下，研究土壤剖面含水率、氨氮、硝態(tài)氮含量以及對(duì)地下水影響，對(duì)合理施用氮肥，較少過(guò)量施肥對(duì)地下水污染有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

為研究灌溉施肥條件下，冬小麥農(nóng)田土壤水分和氮素的分布特征以及對(duì)地下水的影響，2016年在河北省保定市安新縣安州鎮(zhèn)白莊村開展田間試驗(yàn)。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)大陸季風(fēng)氣候，四季變化明顯。年平均氣溫12.2℃，無(wú)霜期203 d，年平均降水529.7 mm，降水量年際變化較大，平均風(fēng)速2.5 m/s。試驗(yàn)田東西寬41 m，南北長(zhǎng)252 m，試驗(yàn)區(qū)面積約1.03 hm2。農(nóng)田從南向北傾斜，坡度為1/925。試驗(yàn)區(qū)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,噴頭射程為13 m，支管和噴頭間距均為13 m，考慮地形和土壤空間變異性，在試驗(yàn)田內(nèi)由南向北平均設(shè)置3個(gè)取樣區(qū)，劃為一至三區(qū)。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)為 41 m ×84 m，每個(gè)小區(qū)內(nèi)各打一眼觀測(cè)井，觀測(cè)井深均為20 m，監(jiān)測(cè)地下水水位和水質(zhì)的變化。觀測(cè)井間距84 m，編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。

1.2 取樣與分析

在冬小麥生育期的返青期(2016年3月16日、4月2日)、拔節(jié)期(4月7日、4月9日、4月17日、4月27日)分別采樣，在一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)內(nèi)分別選取位于觀測(cè)井周圍，小麥長(zhǎng)勢(shì)良好的位置取樣，同時(shí)對(duì)觀測(cè)井進(jìn)行地下水水位和水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)采用土鉆打孔取土，取土深度為2.0 m，1 m以內(nèi)取土間隔為10 cm，2 m以內(nèi)取土間隔為20 cm。取出的立即用塑封袋密封編號(hào)，帶回室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)區(qū)土壤密度用環(huán)刀法測(cè)定，土壤密度為1.28 g/cm3。

土壤含水率的測(cè)定采用烘干法，土壤氨氮和硝態(tài)氮含量的測(cè)定用連續(xù)流動(dòng)分析儀法(TRAACS-2000)。2016年4月1日冬小麥返青追肥，施尿素600 kg/hm2，試驗(yàn)區(qū)灌溉方式為噴灌，4月3日、4月4日、4月26日共灌水約70 mm。在試驗(yàn)田內(nèi)設(shè)置的小型氣象站記錄降雨氣象數(shù)據(jù)。2016年3月15日降雨1 mm，3月23日降雨3 mm，4月16日降雨10 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴灌前后土壤剖面水分分布規(guī)律

試驗(yàn)期間對(duì)一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)的土壤進(jìn)行取樣，測(cè)定土壤含水率，農(nóng)田土壤含水率分布見圖1。分析圖1可知試驗(yàn)期間0～100 cm土層內(nèi)的土壤含水率變化較大，呈S型波動(dòng)，一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)分別在18.79%～30.99%[圖1(a)]、16.30%～30.86%[圖1(b)]、16.03%～29.38%[圖1(c)](占土壤干重百分比，下同)之間；100 cm以下土層范圍內(nèi)土壤含水率變化相對(duì)穩(wěn)定分別在23.16%～30.03%、22.16%～29.16%、21.66%～29.45%之間。100 cm以下土層的土壤含水率均值大于100 cm以內(nèi)土壤。從時(shí)間上看，0～100 cm土層范圍內(nèi)4月2日土壤含水率最小，4月7日達(dá)到最大值，結(jié)合降雨和灌水資料可分析出土壤上部含水率變化較大是由于受降水、灌溉和蒸發(fā)作用；下部土層中土壤含水率較高且變化穩(wěn)定是由于該地區(qū)地下水埋深較淺，由于土壤的毛細(xì)作用使得該土層內(nèi)土壤含水率數(shù)值較大。從垂直方向上看一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)土壤的含水率分別在90、70、60 cm處達(dá)到峰值，土壤含水率峰值由南向北逐漸上移。

圖1 土壤剖面含水率分布圖Fig.1 Soil moisture content distribution in field

2.2 噴灌前后土壤剖面氮素變化規(guī)律

2.2.1 小麥生育期土壤中氨氮含量分布規(guī)律分析

通過(guò)圖2可以看出，土壤剖面氨氮在空間上分布較均勻，在各土層內(nèi)變化穩(wěn)定；從時(shí)間上看，施肥后即4月2日0～200 cm土層內(nèi)的氨氮含量(均值)陡增，一區(qū)[圖2(a)]、二區(qū)[圖2(b)]最為明顯，分別為139.89、79.86 mg/kg，是3月16日的9.9倍、5.4倍，灌溉后即4月7日土壤剖面氨氮含量恢復(fù)至施肥前水平。4月17日各土層中氨氮含量與4月9日相近，變化不大。由此可以看出氨氮在土壤剖面中變化主要受施肥影響，施肥前后變化較大，其余時(shí)期在土壤剖面分布較均勻。分析原因，氨氮主要以氣體形式損失，易受到土壤交替作用和土顆粒吸附、滯留的影響。

2.2.2 小麥生育期土壤中硝態(tài)氮濃度分布規(guī)律分析

由圖3可分析出表層土壤中硝態(tài)氮含量明顯高于深層土壤，隨土層深度增加，土壤硝態(tài)氮含量逐漸減少，一區(qū)[圖3(a)]、二區(qū)[圖3(b)]、三區(qū)[圖3(c)]0～100 cm土壤中硝態(tài)氮含量(均值)是 120～200 cm 土壤的2.22、2.34、1.58倍。土壤中硝態(tài)氮含量受施肥和溫度的變化影響顯著，硝態(tài)氮含量不同時(shí)期的變化量很大，總體上呈升高-降低-升高波浪線的變化趨勢(shì)。施肥后即4月2日一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)0～100 cm內(nèi)土壤硝態(tài)氮(總和，下同)是施肥前的1.98、2.61、1.14倍，120～200 cm土壤硝態(tài)氮是施肥前的1.45、2.43、1.56倍，由此可以看出土壤中硝態(tài)氮受施肥影響較大。灌水后第5 d即4月9日一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)0～100 cm土壤中硝態(tài)氮的含量為4月2日的75.1%、38.1%、116.3%，120～200 cm土壤硝態(tài)氮是施肥前的90.7%、93.7%、120.3%。三區(qū)灌水后土壤硝態(tài)氮含量升高可看作是土壤空間變異性，灌溉致使硝態(tài)氮伴隨水下滲遷移至深層土壤。4月17日和4月27日土壤剖面硝態(tài)氮含量均大于施肥后，分析原因，此期間由于4月16日降雨和4月26日灌溉，土壤含水率較高，土壤溫度也比較適宜，土壤中硝化細(xì)菌活動(dòng)增加，使土壤的硝化作用增強(qiáng)，產(chǎn)生大量硝態(tài)氮，增加了土壤中硝態(tài)氮的含量。

圖2 不同時(shí)期內(nèi)土壤剖面氨氮分布Fig.2 Ammonia nitrogen distribution in soil profile at different times

圖3 不同時(shí)期內(nèi)土壤剖面硝態(tài)氮分布Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in soil profile at different times

2.2.3 噴灌前后土壤硝態(tài)氮的累積量與淋失量

由于氨氮在土壤剖面中的分布主要受施肥影響，在土壤中變化較穩(wěn)定，因此在研究氮素的積累與淋失時(shí)只對(duì)硝態(tài)氮進(jìn)行研究計(jì)算。冬小麥的根系在0～200 cm土層內(nèi)均有分布但主要分布在0～50 cm土層內(nèi)。土壤中硝態(tài)氮的累積可通過(guò)下式計(jì)算：

Nacc=0.1∑zρdc

(1)

式中：Nacc為硝態(tài)氮累積量，kg/hm2；z為土層厚度，cm；ρd為各層土壤密度，g/cm3；c為各層土壤中硝態(tài)氮含量，mg/kg。

所以計(jì)算0～40、0～120、0～200 cm硝態(tài)氮的累積量與所占總土層硝態(tài)氮含量比例如表1。

表1 試驗(yàn)期間土壤硝態(tài)氮累積量計(jì)算表Tab.1 The accumulation of nitrate-N in soil during experiment periods

0～40 cm土層硝態(tài)氮的累積量施肥后增加了380.95 kg/hm2,噴灌后土壤中硝態(tài)氮累積量迅速較小，淋洗量分別為201.67、38.89、690.99、121.55、373.43、133.18 kg/hm2；0～120 cm土壤硝態(tài)氮累積量和占0～200 cm比例遠(yuǎn)大于0～40 cm土層，呈先升高后降低變化規(guī)律，占0～200 cm比例逐漸降低，淋失量分別為38.54、471.32、373.53、950.10、480.92 kg/hm2。由此可分析出噴灌條件下，土壤硝態(tài)氮的累積主要發(fā)生在根系分布層以下的土層中，這為土壤硝態(tài)氮的淋失提供了條件。通過(guò)分析含水率與不同土層硝態(tài)氮濃度分布可以看出，土層中硝態(tài)氮濃度的運(yùn)動(dòng)依附于水分運(yùn)動(dòng)，所以分布與含水率的分布具有一致性，土層中硝態(tài)氮的分布與變化的影響因素除了水分運(yùn)動(dòng)外，還受其他因素的影響比如土壤的物理性質(zhì)、土層內(nèi)的微生物、硝化與反硝化作用等，過(guò)程也更為復(fù)雜。這一方面問(wèn)題還有待于研究。

2.3 噴灌前后地下水水位變化規(guī)律

試驗(yàn)期間對(duì)試驗(yàn)田內(nèi)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)地下水水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖4。由圖4可以看出，距離越遠(yuǎn)的觀測(cè)井地下水埋深越大，觀測(cè)井地下水水位呈波浪線變化，4月2日和17日為波峰。按照農(nóng)民種植習(xí)慣，小麥返青期要進(jìn)行灌水，地下水位灌水后明顯下降，然后水位緩慢回升，4月26日灌水后水位又一次下降。以2號(hào)為例，3月16日地下水水位1.86 m，灌水后地下水水位降落至4月7日的1.97 m，水位下降0.11m，至4月17日地下水水位上升到1.93 m，此期間由降雨因此水位呈上漲趨勢(shì)，此時(shí)地下水水位與3月16日相比仍下降了0.07 m，原因在于農(nóng)業(yè)灌水，加上地下水入滲，作物吸收利用所以地下水呈下降趨勢(shì)，因此降水為該地地下水補(bǔ)給的主要影響因素。

圖4 試驗(yàn)區(qū)地下水水位變化曲線Fig.4 The change curve of underground depth in field

2.4 噴灌前后地下水水質(zhì)變化規(guī)律

由圖5(a)可以看出地下水中氨氮濃度在試驗(yàn)期間呈降低-升高-降低的變化趨勢(shì)。自3月16日至施肥期間氨氮含量逐漸降低，變化較穩(wěn)定，灌水后地下水中氨氮濃度陡然升高，各井氨氮濃度均值是灌水前的21.94倍，4月27日各觀測(cè)井氨氮濃度恢復(fù)到灌水前水平。分析可知地下水中氨氮含量的變化主要與農(nóng)業(yè)施肥和灌溉有關(guān)。

根據(jù)圖5(b)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)田地下水中硝態(tài)氮濃度呈雙峰變化波動(dòng)，4月7日和4月27日地下水中硝態(tài)氮濃度呈現(xiàn)出峰值，施肥后灌溉使得硝態(tài)氮迅速下滲至地下水，以2號(hào)為例3月16日地下水中硝態(tài)氮的濃度較低僅1.66 mg/L，由于小麥追肥的施入4月2日硝態(tài)氮含量略有升高，為1.98 mg/L ，灌水后第3天地下水硝態(tài)氮濃度升至5.41 mg/L，是施肥后的2.73倍，至4月17日逐漸下降到3.57 mg/L，4月27日升高至3.93 mg/L。結(jié)合灌溉資料4月26日灌溉對(duì)土壤中的硝態(tài)氮沖刷、淋洗使硝態(tài)氮向深層運(yùn)移進(jìn)入地下水，從而導(dǎo)致地下水中硝態(tài)氮含量不斷升高，在冬季雖然也有肥料的施入但隨著降水的減少，使土壤中的硝態(tài)氮向地下水的淋溶沒(méi)有雨季那么明顯。由此可見施肥、灌溉和降雨是影響地下水中硝態(tài)氮含量主要因素。

圖5 試驗(yàn)區(qū)地下水水質(zhì)變化曲線Fig.5 The change curve of groundwater quality

3 結(jié) 論

(1)噴灌條件下，土壤中硝態(tài)氮的累積主要發(fā)生在根系層以下土層中，噴灌為硝態(tài)氮的淋洗提供了條件。

(2)地下水中氨氮濃度主要受施肥和灌溉的影響；伴隨著時(shí)間的推移，地下水中的硝態(tài)氮濃度逐漸升高。

(3)土壤中硝態(tài)氮不易吸附在土壤顆粒表面，易隨水下移，按照農(nóng)民種植習(xí)慣施肥后灌水，硝態(tài)氮淋洗嚴(yán)重，下滲到小麥根系以下土壤中的硝氮很難被吸收利用，而且對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染，所以施肥時(shí)應(yīng)控制施肥量，減少氮肥施用，以降低對(duì)地下水的污染。

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