灌溉對黃土層中全氮含量淋失的試驗研究*

黨麗娟,劉仁義,馬耀光,李克青

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西楊陵712100;2.內蒙古自治區第四水文地質工程地質勘察院,內蒙古 通遼 028007)

在農業生產中,灌水和施氮是緊密相關的農業措施。氮肥的施用可提高水分利用效果,合理的灌水能提高氮肥利用率,增加作物產量。但是,灌水和施氮不當,不僅會降低水分和氮肥的利用率,還會造成氮素的損失[1]。土壤中大量氮素的淋失已成為世界關注的農業環境問題,特別是在我國干旱半干旱的黃土塬區,其危險性顯得更加突出[2]。氮素淋失是造成環境污染和氮肥利用率低的主要原因。氮素淋失受氣候、土壤、植物、施肥、灌溉等多種因素的制約[3],但概括而言,總是與水分下滲同步[4]。水分和養分既是影響旱地農業生產的主要脅迫因子,也是一對聯因互補、互相作用的因子。因此,研究土壤深層氮素淋失情況,對于提高氮肥的利用率和降低生產成本,分析和預測土壤和地下水的污染狀況具有重要意義。本試驗是在相同施肥量、不同灌溉量條件下,利用室內土柱試驗模擬黃土層中氮素運移過程,研究土壤氮素淋失強度,分析深層土壤和地下水的污染狀況。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗土樣采集于西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室灌溉試驗田。根據土樣的理化性狀,選取代表性黃土進行實驗室內均質土柱模擬研究。

試驗裝置采用內徑為10 cm,高為75 cm的圓柱體PVC管,管底裝有3 cm的排水倉(裝有過濾網、止水閥及排水小孔)用以排出柱內滲出水。

選用的試驗土樣經風干后過2 mm篩,按容重為1.36 g/cm3控制,每6 cm分層填充于土柱內,滲流土柱填土高度為54 cm。

試驗設計在相同施氮量、不同灌水定額的情況下進行。采用純NaNO3(含氮量為16.47%)作為示蹤劑進行示蹤試驗,施肥方式采用灌施。計劃施氮水平為 6 mg/cm2;灌水定額 W分別為191.1 mm 、229.3 mm 、254.8 mm 、280.3 mm 、305.7 mm,灌水后分 6 個時刻 ,即 51 h 、57 h、63 h 、69 h、75 h 、81 h,按單層6 cm分層采取土樣,測定土樣的重量含水量和全氮含量。

1.2 測定方法

土樣含水量的測定采用烘干法;土樣中全氮的測定采用半微量開氏法[5]。土壤樣品先用高錳酸鉀將樣品中的亞硝態氮氧化為硝態氮后,再用還原鐵粉使全部硝態氮還原,轉化成銨態氮。然后在加速劑的參與下,用濃硫酸消煮,各種含氮有機物,經過復雜的高溫分解反應,轉化為氨與硫酸結合成硫酸銨。堿化后蒸餾出來的氨用硼酸吸收,以標準酸溶液滴定,求出土壤全氮量。水樣中全氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[6]。

2 結果與討論

2.1 土壤含水量與灌水量的關系

同一施氮標準、不同灌水定額條件下土壤含水量分布見圖1。由圖可以看出,不同灌水定額條件下,土壤含水量隨著灌水量的增大而增大;同一灌水定額條件下,土壤含水量隨著土層深度的加深而減小。小灌水量情況下,土壤含水量變化較明顯,隨著灌水量的增大,土壤含水量達到飽和,因此,土壤含水量從上到下變化不大,且趨于穩定。

2.2 土壤含氮量與灌水量的關系

同一施氮標準、不同灌水定額條件下土壤含氮量分布見圖2。由圖可以看出,不同灌水定額條件下,土層含氮量隨著灌水量的增大而減小;小灌水量情況下,由于灌水量較小,土層各處氮含量均較大,含氮量在土層中的變化較小;當灌水量大于229.3 mm時,由于灌水量超過土壤飽和持水量,土層各處氮含量明顯減小,含氮量隨土層的加深逐漸減小,出現含氮量小于土壤背景值現象,表明施肥灌溉不僅未使土層含氮量顯著增加,還使土層背景氮素發生嚴重淋失。由此可以推斷,施氮水平為6 mg/cm2的條件下,灌水量不能超過229.3 mm。

圖1 土壤含水量與灌水量的關系

圖2 土壤含氮量與灌水量的關系

2.3 土壤剖面氮淋失率與灌水量的關系

依據灌溉前后土壤含氮量的變化計算不同灌水定額條件下土層氮淋失率的模式如下:

式中:NW ——灌溉施氮總量(mg);N 0,i——第 i層土壤背景含氮量 (mg);Ni——第 i層試驗所測土壤含氮量(mg)。

不同灌水定額條件下土層氮淋失率的分布見圖3。由圖可以看出,不同灌水定額條件下,土壤剖面氮淋失率隨著灌水量的增大而增大。灌水量為191.1 mm時,氮淋失率隨土層的加深逐漸減小,土柱底層無多余的水量滲出,土層氮素未發生淋失現象;當灌水量大于229.3 mm時,土壤剖面氮淋失率均大于36.32%,且土柱底層有大量過飽和水量滲出,發生嚴重淋失現象。由此推斷,施氮水平為6 mg/cm2的條件下,灌水量不能超過229.3 mm。

圖3 不同灌水量的淋失率分布曲線

2.4 深層土壤氮淋失率與灌水量、氮素濃度的關系

不同灌水量情況下,土柱51 cm深處土壤氮淋失率與灌水量呈線性正相關關系,灌水量增大,土壤氮淋失率增大,其關系式為

當施氮水平為6 mg/cm2,灌水量大于229.3 mm時,51 cm深處土壤氮淋失率大于37.18%,此情況下,上層土壤氮素受到嚴重淋洗和流失,因此,在黃土區灌溉時,應將灌水量控制在229.3 mm以內。

當施氮水平為6 mg/cm2,不同灌水量情況下,土柱51 cm深處土壤氮淋失率與氮素濃度呈線性負相關關系,灌水量增大,土壤氮素濃度降低,氮淋失率增大,其關系式為:

隨灌水量增加,灌水量大于229.3 mm時,灌溉水氮素濃度小于 0.35 mg/ml時,氮淋失率大于37.18%,土壤氮素淋洗嚴重。

2.5 氮平衡分析

根據質量守恒原理,施氮總量與土壤背景總氮量之和應等于任一灌水水平、任一監測時刻土層的監測積累總氮量,其平衡關系如下:

以灌水量為254.8 mm,監測時間為81 h的土壤全氮含量測定成果為例,進行氮平衡分析。此處理的數據樣本為:

氮平衡分析結果表明,試驗土層測定總氮數據與總施氮量理論數據相差-496 mg,試驗誤差為8%,基本滿足質量守恒原理,實驗數據具有可靠性和可信性。

3 結論

(1)不同灌水定額條件下,土壤含水量隨著灌水量的增大而增大;同一灌水定額條件下,土壤含水量隨著土層深度的加深而減小。(2)不同灌水定額條件下,土層含氮量隨著灌水量的增大而減小;當灌水量大于229.3 mm時,深層土壤氮素發生嚴重淋失。(3)不同灌水定額條件下,土壤剖面氮淋失率隨著灌水量的增大而增大;當施氮水平為6 mg/cm2,灌水量大于229.3 mm時,氮素濃度小于0.35 mg/ml,土層氮淋失率大于37.18%,上層土壤發生嚴重淋失現象;(4)在黃土地區灌溉時,為防止氮素流失和地下水污染,應將灌水量控制在229.3 mm以下。

[1] 陳曉歌,馬耀光.不同灌水和施氮對黃土性土壤中-N遷移和淋失的影響[J].水土保持學報,2008,15(5):109-111.

[2] 馬耀光,郭大勇,徐永功,等.黃土層中灌溉對尿素淋失特征的影響[J].水土保持學報,2003,17(4):113-116.

[3] 張國梁,章申.農田氮素淋失研究進展[J].土壤,1998(6):291-297.

[4] 張思聰,呂賢弼,黃永剛.灌溉施肥條件下氮素在土攘中遷移轉化的研究[J].水利水電技術,1999,30(5):6-8.

[5] 周錦.土壤中氮含量的測定分析[J].農業科技與信息,2008(15):40-41.

[6] 中華人民共和國國家標準,GB11894-89,1989-12-25批準,1990-07-01實施.