硝態(tài)氮在土壤/地下水中動態(tài)變化特征

王志敏

（河北省煤田地質(zhì)局新能源地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田土壤中硝態(tài)氮的淋失日益嚴(yán)重，土壤中的肥料約有30%～50%淋失而進(jìn)入地下水。目前對硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律的研究主要采用擾動土樣，把土壤和地下水作為兩個相對獨立的系統(tǒng)分別進(jìn)行研究，初步揭示了氮素的淋失規(guī)律。

本文對冬小麥-夏玉米整個生育期不同深度土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和含水量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，結(jié)果表明：施肥明顯增加土壤硝態(tài)氮含量；降雨和灌溉量增加硝態(tài)氮淋失量；硝態(tài)氮垂直變化明顯，20 ～40 cm 處硝態(tài)氮儲量最大；土壤銨態(tài)氮含量下層垂直變化不明顯，含量比較低。應(yīng)用Hydrus-1d 軟件建立田間土壤水硝態(tài)氮溶質(zhì)運(yùn)移模型，應(yīng)用該模型對土壤水和硝態(tài)氮模擬分析，模型模擬值和實測值吻合度比較高，模擬結(jié)果較理想。

1 材料與方法

試驗地主要由第四系全新統(tǒng)松散堆積物、洪沖積物組成，其地層結(jié)構(gòu)簡單、層序清晰。屬暖溫帶、沿海濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，空氣濕潤，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，地下水埋深5 m 左右，土壤主要為棕壤。

試驗用農(nóng)作物為小麥-玉米一年兩作，冬小麥每年10 月中旬播種，次年6 月上旬收獲。夏玉米6 月中旬播種，9 月下旬收獲，播種方式均為機(jī)播。

為了探討不同施肥量及灌溉量對土壤及地下水硝態(tài)氮污染的研究，確定了以下實驗因素處理。氮因素分為3 個水平，灌溉量分為2 個水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 硝態(tài)氮動態(tài)變化

不同深度土壤硝態(tài)氮及土壤水分含量見表1。

表1 不同深度土壤硝態(tài)氮及土壤水分含量Table 1 Nitrate nitrogen and soil moisture content in different depths

氮肥進(jìn)入土壤后，其基本歸宿主要有被作物吸收、以無機(jī)態(tài)殘留和淋失或固持3 個方面。土壤中硝態(tài)氮含量全年會分別出現(xiàn)越冬期、四月份和八月份3 個明顯的峰。越冬期土壤硝態(tài)氮含量比較高，原因是秋收后玉米秸稈還田，播種冬小麥時基肥翻埋，為土壤中儲存了大量氮素，冬季又氣溫低，微生物活動能力下降，土壤中含氧量下降，植物幾乎停止生產(chǎn)，故土壤保持肥沃狀態(tài)。

春天氣溫升高，作物開始生長，土壤表層中空隙多，通透性較好，氧化還原電位高，復(fù)合肥經(jīng)水解作用生成銨態(tài)氮經(jīng)由硝化作用易生成硝態(tài)氮，隨降雨逐漸向土壤深層淋失，土壤中硝態(tài)氮含量呈逐漸遞減的趨勢，表層土壤遞減最明顯。8 月中旬對夏玉米進(jìn)行追肥，此時正是雨季且玉米處于大喇叭口期對氮素吸收量大，在短暫出現(xiàn)土壤硝態(tài)氮含量升高后，硝態(tài)氮含量開始降低，直至10 月份秸稈還田種植冬小麥。

土壤上層硝態(tài)氮含量波動性比較大，尤其是表層處，受施肥、灌溉影響大。20 ～40 cm 土層硝態(tài)氮儲量豐富，全年大部分時期都＞10 mg/kg，氮源充足。不同深度土壤硝態(tài)氮平均含量及變異系數(shù)均不同，表層及100 cm 土層波動性最強(qiáng)，原因是表層土壤持水性差，蒸發(fā)強(qiáng)烈，受外界影響因素大。100 cm 土層含砂土較多，持水性差，土壤含水量在該層變異系數(shù)較大，又硝態(tài)氮含量受水分影響大，故兩者對應(yīng)關(guān)系強(qiáng)。70 cm 土層存在黏土層，持水性較強(qiáng)，故該層變異系數(shù)較小。

2.2 Hydrus-1d 水氮聯(lián)合模型

通過數(shù)學(xué)模型模擬，可以定量地了解或預(yù)測溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移行為，對了解其中各過程的相互作用具有很大意義。美國鹽土實驗室開發(fā)的Hydrus-1D 軟件是用于模擬飽和-非飽和帶的水分運(yùn)動、溶質(zhì)、熱量運(yùn)移的軟件。本文正是利用經(jīng)典的Richards 方程和傳統(tǒng)的對流彌散方程來描述土壤中水分和硝態(tài)氮的運(yùn)動。

利用Hydrus-1D 軟件建立模型，上邊界選擇濃度通量邊界條件，在作物生育期內(nèi)逐日輸入上邊界的變量值：灌溉量、降雨量、溫度以及溶質(zhì)通量,下邊界選擇自由排水邊界。土壤中氮素轉(zhuǎn)化過程非常復(fù)雜，該模型中做如下假設(shè)：肥料施入土壤認(rèn)為立即全部轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，施肥灌溉后氮的損失率為20%～25%。

土壤剖面各層水力學(xué)參數(shù)利用RETC 軟件獲取。將試驗得到的土壤砂粒、粉粒、粘粒的百分含量和土壤容重輸入軟件，利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)法推求出模擬所需的van Genuchten 模型參數(shù)。

地下水硝態(tài)氮含量如圖1 所示。

圖1 地下水硝態(tài)氮含量Fig.1 Nitrate content in groundwater

土壤中無機(jī)氮的淋失以硝態(tài)氮為主，研究硝態(tài)氮在含水層土壤中的積累量，對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和氮素化學(xué)循環(huán)具有重要意義。以往文獻(xiàn)對農(nóng)田土壤、濕地及湖泊中硝態(tài)氮積累量都有相關(guān)研究，普遍以野外采樣測試和同位素計算為主。含水層土壤硝態(tài)氮累積量=土壤硝態(tài)氮含量×土壤容重×土壤厚度。目前，雖然對土壤和地下水中硝態(tài)氮的污染研究比較多，但是關(guān)于含水層硝態(tài)氮月累積量模型研究還比較少，因此，建立地下水中硝態(tài)氮月累積量模型，對深層土壤硝態(tài)氮的累積量研究和地下水安全具有很大意義。

氮素在含水層變化復(fù)雜，因此在建立模型之前，做如下假設(shè)：①以地下水埋深5.0 m 處為起點，研究淺層地下水5.0 m 處及以下硝態(tài)氮累積量。②由于含水層環(huán)境為弱氧化環(huán)境，亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量比較低，忽略亞硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的硝態(tài)氮氧化量，只考慮硝態(tài)氮的垂直輸入量。③含水層硝態(tài)氮存在自然衰減，自然衰減率為R。

根據(jù)假設(shè)條件，（t+1） 月含水層硝態(tài)氮量為t月含水層硝態(tài)氮剩余量和輸入量之和。數(shù)學(xué)模型表示為：

式中：It+1為t+1 月硝態(tài)氮的輸入濃度，反映著含水層硝態(tài)氮月增加量；Ct為t 月含水層原有硝態(tài)氮濃度；Ct+1為t+1 月硝態(tài)氮濃度；R 為硝態(tài)氮在含水層中自然衰減率。

砂質(zhì)壤土含水層中硝態(tài)氮的自然衰減率為37%～38%。把公式（1） 展開，可以計算得出硝態(tài)氮對含水層的月輸入量，轉(zhuǎn)化為下式：

地下水中硝態(tài)氮月輸入量見表2。

表2 地下水中硝態(tài)氮月輸入量Table 2 Monthly nitrate input in groundwater

地下水中硝態(tài)氮的月輸入量與降雨量如圖2 所示。

圖2 地下水中硝態(tài)氮月輸入量與降雨量Fig.2 Monthly nitrate nitrogen input and rainfall in groundwater

由圖2 可得，硝態(tài)氮在6 月和8 月向含水層中的淋失量最大，淋失進(jìn)入含水層較灌溉和降雨具有滯后性。其中冬小麥在4、5、6 3 個月份中由包氣帶淋失進(jìn)入含水層的硝態(tài)氮含量總和為17.26 mg/L，夏玉米在7、8、9 3 個月份中由包氣帶淋失進(jìn)入含水層的硝態(tài)氮含量總和為14.782 mg/L。冬小麥生長周期為從前1 年的10 月到來年的6 月，共8 個月，夏玉米生長周期為從7 月到10 月，共計3 個月，所以以單季來算，小麥季淋失到地下水中的硝態(tài)氮要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玉米季。因此，小麥季是硝態(tài)氮淋失的主要時期，這與畢經(jīng)偉等的研究結(jié)果相一致。研究表明：玉米生長季的硝態(tài)氮淋失量小于小麥生長季，而改良施肥和灌溉措施可以大量減少硝態(tài)氮的淋失量，與傳統(tǒng)法相比，減少74.7%，節(jié)約施氮肥420 kg/hm2，節(jié)約灌溉水210 mm。

3 結(jié) 語

土壤硝態(tài)氮含量受灌溉降雨影響大，硝態(tài)氮垂直變化明顯，20 ～40 cm 處硝態(tài)氮儲量最大；70 cm 以下土壤銨態(tài)氮含量垂直變化不明顯，含量比較低。土壤硝態(tài)氮含量和水分含量變異系數(shù)存在對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)硝態(tài)氮月累計估算模型分析表明，8 月份含水層硝態(tài)氮月累積量最高，淋失到含水層硝態(tài)氮量小麥季大于玉米季。