層施保水劑不同高度對土壤硝態(tài)氮運移的影響

王愛濱

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450046）

0 引言

充足的水氮供給是保障糧食作物高產的必要條件[1～3]。但在水資源短缺、農業(yè)面源污染等問題日益嚴重的今天，如何在保證糧食安全的情況下實現(xiàn)高效用水用肥顯得尤為重要。保水劑是一種新型功能性高分子化學節(jié)水材料[4～5]，利用其特有的強吸水性可迅速吸收比自身重百倍甚至千倍的去離子水以及數(shù)十倍近百倍的含鹽水分[6～7]。由于其優(yōu)異的保水性能且無毒不污染環(huán)境[8～10]，在現(xiàn)代農業(yè)生產中保水劑已被廣泛應用，提高了水肥利用率，達到了節(jié)水增產減肥的目的。闞常慶[11]對保水劑對沙質土毛管水上升特性進行研究，得出保水劑對毛管水的上升有抑制作用，同時又有阻滲作用；郭韋[12]通過對保水劑的用量、層施厚度以及層施深度三個方面的研究，分析保水劑對土壤水分垂直入滲過程中累積入滲量、濕潤鋒和含水率的影響；程東娟等[13]通過室內模擬試驗，分析了層施保水劑厚度對毛管水上升特性的影響，得到了層施保水劑厚度越大，地下水補給量越大，毛管水上升高度越小的結論；楊惠珍等[14]通過室內試驗模擬大田層施保水劑用量對毛管水上升的影響，得出隨著保水劑層施量的增加，相同入滲時間下毛管水上升高度和地下水補給量下降，兩者存在線性相關關系。綜上所述，前人針對保水劑對毛管水上升影響和入滲情況做了相對較多的研究，但關于保水劑對硝態(tài)氮運移的影響研究的較少。本文通過室內模擬試驗，探究保水劑的層施高度對土壤硝態(tài)氮素運移的影響，對于保水劑科學使用具有指導和實際意義。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年1月～5月在華北水利水電大學農業(yè)高效用水實驗室進行（34°50'N、113°48'E，海拔 110.4 m），屬于河南省中部地區(qū)，試驗主要在室內進行。試驗區(qū)土壤特性參數(shù)見表1。

表1 供試土壤顆粒級配組成

1.2 試驗裝置及方案

試驗裝置分為供水裝置和試驗土柱兩部分，兩者之間通過橡膠管連接。供水裝置為改進后的馬氏瓶，裝入濃度為600 mg/L的硝酸氮溶液。試驗土柱裝填在有機玻璃圓柱內。有機玻璃圓柱規(guī)格為直徑23 cm、高100 cm，并沿垂向平均布設取土孔4列，孔徑為2 cm，孔中心間距為5 cm，相鄰兩排取土孔以垂直孔距2.5 cm交叉布置。試驗用土取自0～30 cm閑置耕地的耕層土壤。對所取土樣進行風干、碾壓處理，用2.0 mm篩進行篩分。定量稱取土樣和去離子水，將土樣分層均勻噴灑去離子水，并用保鮮膜覆蓋靜置24 h后測量其含水率是否滿足試驗需要，若不符合試驗要求則重新配置。文中所指含水率均為體積含水率。土壤含水率由烘干法測得，硝態(tài)氮含量測定由紫外一可見分光光度計測得。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖

有機玻璃圓柱底部裝填20 cm高，粒徑為5 mm的石礫用以模仿自然土壤下層飽和土層，然后鋪設一塊圓形無彈性的薄海綿后裝填土層。土柱裝填時應分層裝填并壓實，每層厚度5 cm，土柱初始含水率8%，容重1.35 g/cm3。將土柱和馬氏瓶置于同一水平面上用橡膠管連接，打開水閥將水注滿石礫層后開始計時并記錄馬氏瓶的刻度。試驗設計一個對照組和三個水平，對照組不裝填保水劑，水平組層施保水劑高度分別為0～5 cm，5 cm～10 cm，10 cm～15 cm，選用聚丙烯酰胺做為保水劑對層施層土樣進行充分拌和，拌和保水劑重量占該層土樣重量的0.5%。試驗設計見表2。

表2 層施保水劑不同高度對硝態(tài)氮運移影響試驗設計表

2 試驗結果與分析

2.1 層施保水劑不同高度對土壤含水率的影響

圖2為層施不同高度保水劑對土壤含水率的變化曲線。由圖2可知，隨著距地下水位高度增加，所有試驗組土壤含水率都呈下降趨勢，且在25 cm處水平組土壤含水率高于加入保水劑的所有水平組的含水率，說明保水劑能對土壤起到很好的持水保水效果。但在0～2.5 cm處，水平組含水率卻小于對照組，是由于保水劑改變了土壤原有的結構屬性，對毛管水的上升起到一定的阻礙作用。在保水劑施加的位置曲線有明顯的上升趨勢，這是由于保水劑本身具有較高的吸水性和含水性，從而增加了土壤的含水率。隨著保水劑施加位置的增高，土壤含水率也呈增大趨勢，分析其原因為保水劑對其施加位置周圍土壤的影響最為明顯，同時保水劑也增大了土壤對吸水勢，隨著實施位置的增高水分運動的路程增加，水分持有量也隨之增加。

圖2 層施不同高度保水劑對土壤含水率的影響

2.2 層施保水劑不同高度對土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖3為層施不同高度保水劑時對硝態(tài)氮運移的變化曲線圖。由圖3可以看出，所有試驗組硝態(tài)氮含量在距地下水高度20 cm之前都趨于平穩(wěn)，在22.5 cm時硝態(tài)氮含量陡然增高，結合圖2分析可知，25 cm位置處為毛管水上升的最高位置，此處水分的蒸發(fā)量增大，水隨著蒸發(fā)作用分散到大氣中，與此同時地下高濃度的硝酸銨溶液仍由毛管力和蒸發(fā)作用的牽引作用不斷地向此處運輸，且由于保水劑的層施土層有較好的保水性，使得硝酸銨溶液下滲量減小，綜上共同作用使得此處硝酸銨濃度增大。與對照組相比，在距地下水位25 cm處施加保水劑的試驗組硝態(tài)氮含量要高，且隨著施加位置的升高硝態(tài)氮含量增大，這與含水率變化趨勢相吻合，較高的含水率帶來了更多的硝態(tài)氮，當水分蒸發(fā)后使得此處硝態(tài)氮含量升高。

圖3 層施不同高度保水劑對硝態(tài)氮運移的影響

3 結語

（1）在土壤容重、初始含水率和硝酸銨濃度相同的條件下，0.5%重量比的保水劑可有效增加土壤的吸水保水性，且隨著保水劑施加高度的增加，保水效果越好。同時，保水劑對硝態(tài)氮的運移起到一定的促進作用，施加高度越高，在蒸發(fā)面處的硝態(tài)氮含量越高。這是由于硝態(tài)氮自身在土壤中是不會運動的，其運移是伴隨著水分在土壤中的運動同時進行，從圖2和圖3中也可反映出。

（2）本文試驗中保水劑施加最大高度在距地下水位15 cm處，若繼續(xù)增大施加高度保水劑對土壤吸水性的增加是否顯著，對硝態(tài)氮的運移影響是否還如圖3所反映的情況相似，還需進一步試驗找到臨界位置，用以確定保水劑最佳施加高度。