楊 琳,黃介生,吳爭光
(1.中工武大設(shè)計研究有限公司,武漢 430070;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,武漢 430072)
土壤氮素的運移和轉(zhuǎn)化是個復(fù)雜的物理-生物-化學(xué)過程,時刻都在發(fā)生,且有諸多影響因素,如土壤溫度、濕度、酸度和含氧量等。土壤中氮素的轉(zhuǎn)化途徑主要有礦化-固持、硝化-反硝化、吸附和解吸過程,各種途徑之間又相互聯(lián)系,相互影響。土壤氮素的分布情況是多種綜合作用所致[1-4]。土壤氮素中只有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物直接能吸收利用的養(yǎng)分,被稱做有效氮,是衡量土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)。由于本身化學(xué)特性銨態(tài)氮在土壤中移動性小,而硝態(tài)氮不易被土壤吸附,移動性大,是氮素流失和水環(huán)境污染的主要原因[5-8]。
試驗選在湖北省荊州市四湖工程管理局丫角排灌試驗站進行,試驗站位于四湖水系中區(qū),東經(jīng)112°31′,北緯30°21′,海拔高程29.4 m。場區(qū)地勢平坦、土壤肥沃,土質(zhì)為中壤黏土,田間持水量0~15 cm內(nèi)為47.3%,16~40 cm內(nèi)為30.7%,耕作層氮、磷、鉀含量分別為2.5、1.5、15 ppm。多年平均氣溫16.5 ℃,多年平均降雨量1 122.0 mm,多年平均水面蒸發(fā)量為977.4 mm,多年平均日照時數(shù)為1 552.0 h,無霜期280 d左右,站址在平原湖區(qū)具有一定的代表性,試驗站具有典型的平原湖區(qū)特性,適宜種植水稻、小麥、棉花、油菜、大豆等多種作物。
1.2.1測坑控制排水試驗布置
測坑試驗選取位于試驗站西邊A組中的8個測坑,分別是11號、12號、13號、14號、15號、16號、17號和20號(測坑平面布置如圖1所示),其中12號為地下正常排水處理,作為參照,其余7個測坑均為控制排水處理。每個測坑四周及底部完全封閉,面積為2 m×2 m,測坑深1.8 m,測坑上邊壁距地面30 cm,地表排水孔距地面2~5 cm,土層深約1.5 m,底部為碎石和卵石墊層厚約20 cm。在測坑底部安放一鐵管與外部馬氏箱相連,通過調(diào)整馬氏箱平水箱的高度來實現(xiàn)對測坑水位的控制。
圖1 測坑平面布置圖Fig.1 Layout of test pit
1.2.2 控制水位方案
在棉花不同生育期設(shè)置不同水位組合,2009年棉花生育期劃分及控制水位見表1所示。每個測坑內(nèi)均有1個地下水位觀測井。平水箱的排水出口安裝計量水表。
表1 測坑試驗處理地下排水出口控制深度(距離地表) cm
1.2.3 試驗作物
(1)棉花耕種情況。2009年測坑棉花控制排水試驗期間棉花種植情況和生育期劃分見表2。
表2 2009年棉花生育期和耕種情況Tab.2 Period of growth and cultivation of cotton in 2009
(2)施肥情況。根據(jù)棉花的生長需求和當(dāng)?shù)氐脑耘嗔?xí)慣,生育期施肥情況見表3。
表3 棉花施肥情況Tab.3 Fertilization conditions of cotton
注:復(fù)和肥料氮磷鉀總養(yǎng)分≥45%,有效成分N-P2O5-K2O氮磷鉀各15%。
2009年6月9日棉花測坑控制排水試驗開始,各測坑土壤地下水位調(diào)整至設(shè)計控制水位,6月10日-7月2日期間各測坑地下水位變化情況如圖2所示。
圖2 測坑地下水位變化Fig.2 Change of groundwater level in test pit
6月10日-7月2日期間,11號、13號、14號、15號、16號、17號和20號測坑地下水位變化趨勢基本一致,而12號測坑地下水位一直保持最低位置,說明控制排水措施對測坑地下水位起到積極的作用。6月27日降雨后,所有測坑地下水位均有所上升,隨后又有所下降。
對控制措施發(fā)揮作用的6月10日-7月2日間的土壤氮素分布進行分析,以降雨為分界,將氮素運移轉(zhuǎn)化的研究時段劃分為降雨發(fā)生前至排水結(jié)束(PD)和排水結(jié)束后至下次降雨前(DP)兩個時間段,即2009年6月10日-6月27日(DP)和6月27日-7月2日(PD),對應(yīng)分析各時段始末土壤氮素含量變化與控制排水水位的關(guān)系。
(1)DP時段土壤硝態(tài)氮含量變化。DP時段始末各測坑土壤剖面硝態(tài)氮濃度及含氮量見表4。
表4 6月10日-6月27日轉(zhuǎn)化前后土壤硝態(tài)氮含量變化計算值 Tab.4 Calculated value of changes of soil nitrate nitrogen content from June 10 to June 27 before and after transformation
(2)PD時段土壤硝態(tài)氮含量變化。PD時段始末各測坑土壤剖面硝態(tài)氮濃度及含氮量見表5。
表5 6月27日至7月2日降雨前后土壤硝態(tài)氮含量變化計算值Tab.5 Calculated value of changes of soil nitrate nitrogen content from June 27 to July 2 before and after rainfall
PD時段是6月27日降雨前至排水結(jié)束后,降雨量為136.8 mm,在PD時段始末各測坑剖面硝態(tài)氮含量的變化規(guī)律是:表層硝態(tài)氮含量均減小,深層(60~80 cm)土壤硝態(tài)氮含量均增大,表層硝態(tài)氮隨雨水滲入累積到土壤深層。多數(shù)控制排水測坑硝態(tài)氮含量的流失量均小于非控制排水,且硝態(tài)氮的流失量與控制水位基本上成負(fù)相關(guān)。如 13、15、17和20號測坑硝態(tài)氮流失量分別為2.8、10.03、4.69和26.47 g??梢娤鯌B(tài)氮易被淋失,通過控制排水能有效減少硝態(tài)氮的流失量。
通過開展旱地控制排水試驗,研究了控制排水對土壤硝態(tài)氮運移和轉(zhuǎn)化的影響,試驗主要結(jié)論如下。
(1)控制排水措施能有效抬升地下水位、增大土壤墑情和儲水量,提高雨水資源利用率。
(2)控制與非控制排水田塊土壤剖面硝態(tài)氮分布規(guī)律相似,硝態(tài)氮含量集中在0~40 cm土層,深層土壤中硝態(tài)氮濃度很小在1 mg/kg左右,不會污染地下水。施肥對0~20 cm土層硝態(tài)氮濃度的影響最大,20 cm以下影響較小。
(3)排水結(jié)束后至降雨前,表層至40 cm土壤剖面硝態(tài)氮濃度變化率與控制排水出口的高度成負(fù)相關(guān),降雨至排水結(jié)束后,表層硝態(tài)氮的濃度均減小,表層以下硝態(tài)氮濃度變化與地下水埋深有關(guān),地下水位以上硝態(tài)氮濃度一般增大,地下水位以下硝態(tài)氮濃度一般減小??刂婆潘胧p小了深層土壤硝態(tài)氮含量,且大大減少了土壤中硝態(tài)氮的含量,降低了硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險。
(4)控制排水能減少硝態(tài)氮的淋濕量??刂婆潘疁y坑硝態(tài)氮含量的流失量均小于非控制排水,且硝態(tài)氮的流失量與控制水位基本上成負(fù)相關(guān)。