南疆綠洲棉田冬灌期灌排水氮含量特征研究

本秋平，徐俊杰，呂雙慶

（塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

新疆南疆屬于典型的干旱綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源短缺與耕地鹽漬化問題嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。為保證作物正常的生長發(fā)育，南疆地區(qū)普遍實施冬春季灌溉洗鹽，大定額灌水以降低土壤鹽分含量[1-2]，冬灌水量普遍在3 500～4 000 m3·hm-2之間，春灌水量大多為 3 750 m3·hm-2[3]。高定額灌水降低土壤耕作層鹽分含量，同時產(chǎn)生大量農(nóng)田排水，也造成土壤養(yǎng)分流失[4]。

棉花生育期滴灌措施產(chǎn)生少量農(nóng)田排水，而棉田冬春灌措施是產(chǎn)生大量農(nóng)田排水的主要原因，棉花作為南疆主要的經(jīng)濟(jì)作物，根據(jù)統(tǒng)計資料顯示，2020年南疆地區(qū)棉花種植面積達(dá)1.078×106hm2，占全疆地區(qū)棉花種植面積的66.8%，生長發(fā)育過程中均需大量的水和養(yǎng)分，塔里木灌區(qū)棉花生育期適宜灌溉定額為 3 091～3 464 m3·hm-2[5]，產(chǎn)生的排水經(jīng)由農(nóng)排、支排和干排后排入河流或沙漠。

農(nóng)田排水是養(yǎng)分和農(nóng)藥等物質(zhì)進(jìn)入水體的主要途徑[6]。有研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田中養(yǎng)分元素隨排水進(jìn)入周邊水體[7-8]，北方地區(qū)農(nóng)田大量灌水后造成排水中攜帶大量氮、磷元素[9]，寧夏排渠水總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度均表現(xiàn)為超標(biāo)，造成水體污染[10]，焉耆地區(qū)冬灌后排水中硝態(tài)氮濃度增加，對比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》其超出率為57%[11]，因此農(nóng)田排水中攜帶大量未被有效利用的氮元素。南疆地區(qū)農(nóng)田灌排系統(tǒng)完善，但關(guān)于其農(nóng)田灌排水中氮含量特征研究較少。故本試驗以南疆阿拉爾墾區(qū)為研究區(qū)域，研究南疆綠洲冬灌前及冬灌后棉田灌排水氮含量特征，為農(nóng)田排水資源化利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水肥管理及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿拉爾墾區(qū)位于塔里木河上游，屬于沖積平原，地勢由西北向東南傾斜，年平均氣溫在10.6～11.5℃之間，無霜期為187～233 d，晝夜溫差大，常年干旱少雨，年平均降水量在46.7～61.2 mm，年蒸發(fā)量達(dá)1 877.5～2 337.4 mm[12]。自西向東貫穿墾區(qū)的塔里木河（以下簡稱為塔河）為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的主要來源，多年平均天然徑流量為398×108m3，枯水期干流的水量僅為14.08×108m3。墾區(qū)內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)作物為棉花[13-14]，沿塔河上游兩側(cè)起始分布團(tuán)場為7團(tuán)和16團(tuán)，中游兩側(cè)分布10團(tuán)和12團(tuán)，下游墾區(qū)末端為14團(tuán)。為保證墾區(qū)內(nèi)作物用水需求，以多浪水庫為源頭，沿塔河流向修建貫穿阿拉爾墾區(qū)的獨(dú)立灌渠。灌渠水經(jīng)過棉田灌溉以及冬春灌淋洗耕地后形成棉田排水，冬灌前棉田排水較少，排渠中除生育期積累的排水外還積累雨水，冬灌期對棉田進(jìn)行了大量灌水，從而排渠水量較為充盈。棉田排水經(jīng)由農(nóng)排、支排和干排，最終匯入塔河。

1.2 試驗設(shè)計

在阿拉爾墾區(qū)內(nèi)塔河兩側(cè)河岸分別選定種植成片棉田的7團(tuán)、16團(tuán)、10團(tuán)、12團(tuán)、14團(tuán)采集棉田灌排水樣，每個團(tuán)場均具有獨(dú)立灌排系統(tǒng)，且灌溉水來源一致，排渠系統(tǒng)各自獨(dú)立。冬灌前、冬灌后采樣時間分別為2019年11月2日—11月3日、11月16日—11月17日。棉田灌排水體流向為塔河、灌渠、農(nóng)排、支排和干排如圖1所示。灌溉水分為塔河與灌渠，棉田排水分為農(nóng)排、支排、干排。采樣點(diǎn)設(shè)定以7團(tuán)為例，塔河、灌渠各設(shè)定采樣點(diǎn)1個，于相鄰棉田間選定3條農(nóng)排，設(shè)定3個采樣點(diǎn)；支排設(shè)定3點(diǎn)對應(yīng)為3點(diǎn)農(nóng)排水排出后同側(cè)點(diǎn)位；干排距農(nóng)、支排位置較遠(yuǎn)，于農(nóng)、支排對應(yīng)匯入的干排等距設(shè)置3個采樣點(diǎn)。其余團(tuán)場采樣點(diǎn)設(shè)定方式均與7團(tuán)一致，每點(diǎn)3次重復(fù)，采集0～30 cm深的水樣，使用直立取水器取樣，采集后樣品存入高密度聚乙烯瓶，立即帶回實驗室，過濾處理后保存于4°C的冰箱中待測。

圖1 棉田灌排水流向示意圖

1.3 測定方法

銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法[15]，使用可見分光光度計進(jìn)行測定；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法[16]，總氮用硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[17]，兩者均使用儀器TU-1900雙光束紫外分光光度計測定。利用Excel 2016和SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉田灌排水銨態(tài)氮濃度特征

由圖2可知，冬灌前、冬灌后棉田排水中銨態(tài)氮濃度顯著高于灌溉水，冬灌前棉田排水和灌溉水銨態(tài)氮分別為 0.337 mg·L-1、0.198 mg·L-1，棉田排水銨態(tài)氮較灌溉水升高0.139 mg·L-1，升高70%；冬灌后棉田排水和灌溉水銨態(tài)氮濃度分別為0.756 mg·L-1、0.280 mg·L-1，棉田排水濃度是灌溉水的2.702倍，高出0.476 mg·L-1，升高170%。

冬灌前與冬灌后銨態(tài)氮濃度對比，灌溉水中冬灌后是冬灌前的1.409倍，高出0.081 mg·L-1，升高41%；棉田排水中冬灌后是冬灌前的2.244倍，高出0.419 mg·L-1，升高124%。由此得出，冬灌前與冬灌后棉田排水中銨態(tài)氮濃度均高于灌溉水，灌水經(jīng)農(nóng)田排出后銨態(tài)氮濃度上升，冬灌后棉田排水中銨態(tài)氮濃度最高，冬灌是造成棉田排水中銨態(tài)氮濃度增加的主要原因。

圖2 冬灌前及冬灌后棉田灌排水銨態(tài)氮濃度

由圖3可知，冬灌前灌溉水中塔河水與灌渠水中銨態(tài)氮濃度分別為 0.203 mg·L-1、0.196 mg·L-1，二者無顯著差異，棉田排水中的農(nóng)排、支排、干排水的銨態(tài)氮濃度無顯著性差異，其中干排水濃度最小，為0.305 mg·L-1，支排水濃度最大，為0.374 mg·L-1，二者相差0.069 mg·L-1，灌溉后產(chǎn)生的棉田排水經(jīng)由農(nóng)排、支排最終匯入干排。農(nóng)排、支排水比干排水中銨態(tài)氮濃度分別降低0.024 mg·L-1、0.069 mg·L-1，下降7%和18%。冬灌后灌溉水中塔河水與灌渠水的銨態(tài)氮濃度無顯著性差異，分別為 0.273 mg·L-1、0.283 mg·L-1；冬灌后棉田排水中農(nóng)排水銨態(tài)氮濃度顯著高于支排、干排水，分別為 1.071 mg·L-1、0.608 mg·L-1、0.714 mg·L-1，棉田排水中支排水濃度最小，農(nóng)排水濃度最高，之間相差0.463 mg·L-1。農(nóng)排水比干排水中銨態(tài)氮濃度降低33%，支排水比干排水中銨態(tài)氮濃度上升17%。

圖3 冬灌前及冬灌后灌排渠水體銨態(tài)氮濃度

冬灌前與冬灌后的銨態(tài)氮濃度對比，塔河、灌渠水中濃度分別高 0.070 mg·L-1、0.088 mg·L-1，升高34%、45%，灌溉水中濃度高的水體由冬灌前的塔河變?yōu)槎嗪蟮墓嗲?；農(nóng)排、支排和干排水中銨態(tài)氮濃度均為增加趨勢，高出 0.742 mg·L-1、0.234 mg·L-1、0.409 mg·L-1，分別升高226%、63%、34%。棉田排水中銨態(tài)氮濃度高的水體由冬灌前的支排水轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗪蟮霓r(nóng)排水。

2.2 棉田灌排水硝態(tài)氮濃度特征

由圖4可知，冬灌前棉田排水中硝態(tài)氮濃度顯著高于灌溉水，分別為0.753 mg·L-1、0.417 mg·L-1，棉田排水較灌溉水高出0.336 mg·L-1，是灌溉水的1.806倍，升高81%；冬灌后棉田排水中硝態(tài)氮濃度同樣顯著高于灌溉水，分別為1.602 mg·L-1、0.670 mg·L-1，棉田排水是灌溉水的2.390倍，增加139%，增加量為0.932 mg·L-1。冬灌前與冬灌后硝態(tài)氮濃度對比，灌溉水中冬灌后是冬灌前的1.608倍，升高61%，高出0.253 mg·L-1；棉田排水中冬灌后是冬灌前的2.128倍，升高113%，高出0.849 mg·L-1，冬灌對棉田排水中硝態(tài)氮濃度影響較大。由此得出，冬灌前與冬灌后棉田排水中硝態(tài)氮濃度均高于灌溉水，灌水經(jīng)農(nóng)田排出后硝態(tài)氮濃度上升，冬灌后棉田排水中硝態(tài)氮濃度最高，冬灌是棉田排水中硝態(tài)氮濃度增加的主要原因。

圖4 冬灌前及冬灌后棉田灌排水硝態(tài)氮濃度

由圖5可知，冬灌前灌溉水中塔河水與灌渠水的硝態(tài)氮濃度無顯著差異，分別為0.398 mg·L-1、0.428 mg·L-1；棉田排水中農(nóng)排、支排、干排水的硝態(tài)氮濃度分別為 0.791 mg·L-1、0.823 mg·L-1、0.660 mg·L-1，其中干排水硝態(tài)氮濃度與農(nóng)排、支排水無顯著性差異，干排水濃度最小，支排水濃度最大，之間相差0.163 mg·L-1。農(nóng)排、支排水比干排水中硝態(tài)氮濃度分別下降 17%和 20%，減少量分別為 0.131 mg·L-1、0.162 mg·L-1，冬灌前棉田排水量小，排水在支排中停留時間久累積量多。

圖5 冬灌前及冬灌后灌排渠水體硝態(tài)氮濃度

冬灌后灌溉水中塔河與灌渠的硝態(tài)氮濃度無顯著性差異，分別為0.728 mg·L-1、0.636 mg·L-1，塔河水比灌渠水高0.092 mg·L-1；冬灌后棉田排水中農(nóng)排水硝態(tài)氮濃度顯著高于支排、干排水，分別為2.760 mg·L-1、1.296 mg·L-1、1.213 mg·L-1，其中干排水濃度最小，農(nóng)排水濃度最大，之間相差1.547 mg·L-1。農(nóng)排、支排水對比干排水硝態(tài)氮濃度分別下降56%和6%，棉田排水渠中硝態(tài)氮濃度排序為農(nóng)排＞支排＞干排，硝態(tài)氮匯入塔河前在各級排渠水中濃度呈遞減趨勢。

冬灌前與冬灌后硝態(tài)氮濃度對比，塔河、灌渠水中濃度分別高出 0.330 mg·L-1、0.207 mg·L-1，分別升高83%、48%，濃度高的水體從冬灌前的灌渠水轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗪蟮乃铀?，與銨態(tài)氮變化相反；農(nóng)排、支排和干排水中濃度均為上升趨勢，分別高出1.969 mg·L-1、0.473 mg·L-1、0.553 mg·L-1，分別上升 249%、58%、84%，其中農(nóng)排水增加量最大，棉田排水中濃度高的水體由冬灌前的支排水轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗪蟮霓r(nóng)排水，與銨態(tài)氮變化趨勢一致。

2.3 棉田灌排水總氮濃度特征

由圖6可知，冬灌前棉田排水中總氮濃度顯著高于灌溉水，分別為1.710 mg·L-1、0.948 mg·L-1，棉田排水是灌溉水1.805倍，升高80%，高出0.763 mg·L-1；冬灌后棉田排水總氮濃度顯著高于灌溉水，濃度分別為3.344 mg·L-1、1.308 mg·L-1，棉田排水較灌溉水高出2.037 mg·L-1，是灌溉水的2.557倍，上升156%。冬灌前與冬灌后的總氮對比，灌溉水冬灌后較冬灌前高出0.360 mg·L-1，是冬灌前的1.380倍，上升38%；棉田排水冬灌后較冬灌前高出1.634 mg·L-1，是冬灌前1.955倍，升高96%，棉田排水總氮濃度受冬灌影響程度高。

圖6 冬灌前及冬灌后棉田灌排水總氮濃度

由圖7可知，冬灌前灌溉水中塔河水與灌渠水的總氮濃度無顯著性差異，濃度分別為0.879 mg·L-1、0.989 mg·L-1；棉田排水中總氮濃度排序為農(nóng)排＞支排＞干排，其中農(nóng)排水顯著高于干排水，干排水濃度最小，為1.389 mg·L-1，農(nóng)排水濃度最大為2.080 mg·L-1，之間相差0.691 mg·L-1。農(nóng)排、支排水對比干排水中總氮濃度分別下降33%和23%，減少量分別為0.691 mg·L-1、0.421 mg·L-1，排水在匯入塔河前各級排渠中總氮濃度依次降低，這一變化趨勢與冬灌前銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均不相同。

圖7 冬灌前及冬灌后灌排渠水體總氮濃度

冬灌后灌溉水中塔河水與灌渠水總氮濃度無顯著性差異，濃度分別為 1.394 mg·L-1、1.256 mg·L-1；棉田排水中農(nóng)排、支排、干排水的總氮濃度分別為5.552 mg·L-1、2.910 mg·L-1、2.455 mg·L-1，與冬灌前變化趨勢一致。農(nóng)排、支排水比干排水總氮濃度分別減少 3.098 mg·L-1、0.455 mg·L-1，下降 56% 和16%，排水中總氮濃度在各級排渠中依次降低趨勢，這一變化趨勢與冬灌前總氮、冬灌后硝態(tài)氮變化一致。

冬灌前與冬灌后的總氮濃度對比，塔河、灌渠水中濃度為上升趨勢，增加量分別為0.515 mg·L-1、0.267 mg·L-1，分別升高59%、27%，灌溉水中濃度高的水體從冬灌前的灌渠水變?yōu)槎嗪蟮乃铀c硝態(tài)氮變化一致；農(nóng)排、支排和干排水中增加量較大，分別升高167%、61%、77%，其中農(nóng)排水上升量最大。冬灌前與冬灌后棉田排水中濃度最高的均為農(nóng)排水，與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮變化均不同。

3 討論

本研究顯示冬灌前與冬灌后均存在棉田排水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮濃度顯著高于灌溉水，美國中西部農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中瓷磚排水中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度同樣高于灌溉水[18]，灌溉退水后棉田排水銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮濃度增加。常規(guī)暗管排水與改進(jìn)暗管排水試驗均存在排水后銨態(tài)氮與硝態(tài)氮排放量增加，排水口二者濃度增加[19-20]，本試驗與其研究結(jié)果相同。前人研究灌水時期對棉田灌排水體中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮濃度有一定影響，冬灌前距棉花生育期最后一次灌溉時間較長，因此灌排渠中水量較少，棉田排水在排渠中停留時間較長，濃度較低。冬灌后為灌溉水與棉田排水的豐水期，排渠中排水流速快、停留時間短，故此冬灌后排渠水體氮素濃度高于冬灌前。冬灌前后銨態(tài)氮濃度在各級排渠中變化與內(nèi)蒙古河套區(qū)域灌水前后變化趨勢相同，灌溉退水后其濃度增加[21]。硝態(tài)氮濃度占總氮比例高于銨態(tài)氮，與寧夏靈武灌區(qū)農(nóng)田排水中主要氮素成分結(jié)果一致[22]，冬灌后水體在有氧環(huán)境中有利于硝化作用發(fā)生，將銨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，故此硝態(tài)氮濃度上升[23]。

棉田排水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮濃度受冬灌影響程度高，其中農(nóng)排水中三者濃度受影響最大，農(nóng)排水體中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度均顯著高于支排、干排水。由前人研究中可知農(nóng)田排渠對氮素去除率在9.3%～92%之間不等，氮素在排渠中受底泥吸附作用、水生植物的吸收利用和微生物的分解與轉(zhuǎn)化影響，濃度逐級降低，本試驗農(nóng)田排水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與總氮經(jīng)由各級排渠匯聚于干排水中，干排水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮濃度均低于農(nóng)排水，呈現(xiàn)下降趨勢，與前人研究變化趨勢相同[24]。冬灌時期氣溫低于0℃，水體結(jié)冰后含氧量下降，排渠中微生物和植物數(shù)量也隨之下降，故此農(nóng)排水中氮素的濃度較高。

水體中總氮包含銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮以及大部分有機(jī)氮化合物中的氮素，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），總氮濃度為水體質(zhì)量判斷的因素之一，本研究中冬灌前與冬灌后灌排水體總氮濃度范圍是0.948～3.344 mg·L-1，冬灌后棉田排水中總氮濃度超出Ⅴ類農(nóng)業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。無機(jī)氮與有機(jī)氮長時間存在水體中導(dǎo)致二者之間相互轉(zhuǎn)換[25]，冬灌后棉田排水以無機(jī)氮為主，若排水可回灌棉田既可提高水資源高效利用率，也能充分利用棉田排水中氮含量。為此尚需進(jìn)一步明確既可淋洗耕地鹽分保證作物正常生長的最適冬灌定額，又使耕地氮素?fù)p失量降到最低，對改善生態(tài)環(huán)境、維護(hù)塔河水質(zhì)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都具有積極的效應(yīng)。

4 結(jié)論

冬灌前和冬灌后阿拉爾墾區(qū)棉田排水與灌溉水相比，其銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度均顯著性增高，冬灌前，分別升高70%、81%、80%，冬灌后，分別升高170%、139%、156%，灌水經(jīng)農(nóng)田排出后銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度均上升。

冬灌后棉田灌排水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度均比冬灌前高，棉田排水分別升高124%、113%、96%，灌溉水分別為41%、61%、38%，棉田排水升高量均大于灌溉水，棉田排水受冬灌影響高于灌溉水。

冬灌前和冬灌后塔河水與灌渠水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度均無顯著差異，冬灌前農(nóng)排水總氮濃度顯著高于干排水，濃度分別為0.879 mg·L-1、0.989 mg·L-1，冬灌后農(nóng)排水銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度均顯著高于支排、干排水。