噴灌小麥土壤氮素分布規律及對地下水影響試驗研究

曹 穎，楊路華，高惠嫣，馬文超

(1.河北農業大學城鄉建設學院，河北 保定 071000；2.天津農學院水利工程學院，天津 300384；3.河北省水利電力學院，河北 滄州 061001)

農業面源污染近年來成為國內環境領域普遍關注的一個重要問題，農業面源污染物不僅隨降雨、融雪或灌溉所產生的地表徑流直接進入河流、湖泊或近海，污染地表水體，而且滲入土壤或巖石，污染地下水[1]。許多研究表明，過量的化肥使用是造成農業面源污染的主要原因。張云等[2]研究了超量施肥灌溉條件下氮素的累積規律，施肥初期氮素主要累積在淺土層部位，而后隨土層深度和入滲水量的變化而波動。董嫻嫻等[3]在華北平原潮褐土的研究表明，高施氮量條件后，土壤剖面中氮素殘留率較高，且隨著種植茬數增多垂向下移。潘家榮[4]、李世清[5-7]等研究發現殘留在土層中的氮素主要以硝態氮的形式存在，并伴隨灌溉與降雨下滲，易造成地下水污染。但有關大田土壤剖面無機氮的分布以及地下水環境影響試驗還缺乏具體研究。本試驗根據當地農民施肥灌水條件下，研究土壤剖面含水率、氨氮、硝態氮含量以及對地下水影響，對合理施用氮肥，較少過量施肥對地下水污染有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

為研究灌溉施肥條件下，冬小麥農田土壤水分和氮素的分布特征以及對地下水的影響，2016年在河北省保定市安新縣安州鎮白莊村開展田間試驗。該區域屬于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，四季變化明顯。年平均氣溫12.2℃，無霜期203 d，年平均降水529.7 mm，降水量年際變化較大，平均風速2.5 m/s。試驗田東西寬41 m，南北長252 m，試驗區面積約1.03 hm2。農田從南向北傾斜，坡度為1/925。試驗區采用管道式噴灌系統，每條支管上安裝10個搖臂式噴頭，噴嘴流量為3 m3/h,噴頭射程為13 m，支管和噴頭間距均為13 m，考慮地形和土壤空間變異性，在試驗田內由南向北平均設置3個取樣區，劃為一至三區。每個試驗區為 41 m ×84 m，每個小區內各打一眼觀測井，觀測井深均為20 m，監測地下水水位和水質的變化。觀測井間距84 m，編號分別為1號、2號、3號。

1.2 取樣與分析

在冬小麥生育期的返青期(2016年3月16日、4月2日)、拔節期(4月7日、4月9日、4月17日、4月27日)分別采樣，在一區、二區、三區內分別選取位于觀測井周圍，小麥長勢良好的位置取樣，同時對觀測井進行地下水水位和水質的監測。試驗采用土鉆打孔取土，取土深度為2.0 m，1 m以內取土間隔為10 cm，2 m以內取土間隔為20 cm。取出的立即用塑封袋密封編號，帶回室內進行測定。試驗區土壤密度用環刀法測定，土壤密度為1.28 g/cm3。

土壤含水率的測定采用烘干法，土壤氨氮和硝態氮含量的測定用連續流動分析儀法(TRAACS-2000)。2016年4月1日冬小麥返青追肥，施尿素600 kg/hm2，試驗區灌溉方式為噴灌，4月3日、4月4日、4月26日共灌水約70 mm。在試驗田內設置的小型氣象站記錄降雨氣象數據。2016年3月15日降雨1 mm，3月23日降雨3 mm，4月16日降雨10 mm。

2 試驗結果分析

2.1 噴灌前后土壤剖面水分分布規律

試驗期間對一區、二區、三區的土壤進行取樣，測定土壤含水率，農田土壤含水率分布見圖1。分析圖1可知試驗期間0～100 cm土層內的土壤含水率變化較大，呈S型波動，一區、二區、三區分別在18.79%～30.99%[圖1(a)]、16.30%～30.86%[圖1(b)]、16.03%～29.38%[圖1(c)](占土壤干重百分比，下同)之間；100 cm以下土層范圍內土壤含水率變化相對穩定分別在23.16%～30.03%、22.16%～29.16%、21.66%～29.45%之間。100 cm以下土層的土壤含水率均值大于100 cm以內土壤。從時間上看，0～100 cm土層范圍內4月2日土壤含水率最小，4月7日達到最大值，結合降雨和灌水資料可分析出土壤上部含水率變化較大是由于受降水、灌溉和蒸發作用；下部土層中土壤含水率較高且變化穩定是由于該地區地下水埋深較淺，由于土壤的毛細作用使得該土層內土壤含水率數值較大。從垂直方向上看一區、二區、三區土壤的含水率分別在90、70、60 cm處達到峰值，土壤含水率峰值由南向北逐漸上移。

圖1 土壤剖面含水率分布圖Fig.1 Soil moisture content distribution in field

2.2 噴灌前后土壤剖面氮素變化規律

2.2.1 小麥生育期土壤中氨氮含量分布規律分析

通過圖2可以看出，土壤剖面氨氮在空間上分布較均勻，在各土層內變化穩定；從時間上看，施肥后即4月2日0～200 cm土層內的氨氮含量(均值)陡增，一區[圖2(a)]、二區[圖2(b)]最為明顯，分別為139.89、79.86 mg/kg，是3月16日的9.9倍、5.4倍，灌溉后即4月7日土壤剖面氨氮含量恢復至施肥前水平。4月17日各土層中氨氮含量與4月9日相近，變化不大。由此可以看出氨氮在土壤剖面中變化主要受施肥影響，施肥前后變化較大，其余時期在土壤剖面分布較均勻。分析原因，氨氮主要以氣體形式損失，易受到土壤交替作用和土顆粒吸附、滯留的影響。

2.2.2 小麥生育期土壤中硝態氮濃度分布規律分析

由圖3可分析出表層土壤中硝態氮含量明顯高于深層土壤，隨土層深度增加，土壤硝態氮含量逐漸減少，一區[圖3(a)]、二區[圖3(b)]、三區[圖3(c)]0～100 cm土壤中硝態氮含量(均值)是 120～200 cm 土壤的2.22、2.34、1.58倍。土壤中硝態氮含量受施肥和溫度的變化影響顯著，硝態氮含量不同時期的變化量很大，總體上呈升高-降低-升高波浪線的變化趨勢。施肥后即4月2日一區、二區、三區0～100 cm內土壤硝態氮(總和，下同)是施肥前的1.98、2.61、1.14倍，120～200 cm土壤硝態氮是施肥前的1.45、2.43、1.56倍，由此可以看出土壤中硝態氮受施肥影響較大。灌水后第5 d即4月9日一區、二區、三區0～100 cm土壤中硝態氮的含量為4月2日的75.1%、38.1%、116.3%，120～200 cm土壤硝態氮是施肥前的90.7%、93.7%、120.3%。三區灌水后土壤硝態氮含量升高可看作是土壤空間變異性，灌溉致使硝態氮伴隨水下滲遷移至深層土壤。4月17日和4月27日土壤剖面硝態氮含量均大于施肥后，分析原因，此期間由于4月16日降雨和4月26日灌溉，土壤含水率較高，土壤溫度也比較適宜，土壤中硝化細菌活動增加，使土壤的硝化作用增強，產生大量硝態氮，增加了土壤中硝態氮的含量。

圖2 不同時期內土壤剖面氨氮分布Fig.2 Ammonia nitrogen distribution in soil profile at different times

圖3 不同時期內土壤剖面硝態氮分布Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in soil profile at different times

2.2.3 噴灌前后土壤硝態氮的累積量與淋失量

由于氨氮在土壤剖面中的分布主要受施肥影響，在土壤中變化較穩定，因此在研究氮素的積累與淋失時只對硝態氮進行研究計算。冬小麥的根系在0～200 cm土層內均有分布但主要分布在0～50 cm土層內。土壤中硝態氮的累積可通過下式計算：

Nacc=0.1∑zρdc

(1)

式中：Nacc為硝態氮累積量，kg/hm2；z為土層厚度，cm；ρd為各層土壤密度，g/cm3；c為各層土壤中硝態氮含量，mg/kg。

所以計算0～40、0～120、0～200 cm硝態氮的累積量與所占總土層硝態氮含量比例如表1。

表1 試驗期間土壤硝態氮累積量計算表Tab.1 The accumulation of nitrate-N in soil during experiment periods

0～40 cm土層硝態氮的累積量施肥后增加了380.95 kg/hm2,噴灌后土壤中硝態氮累積量迅速較小，淋洗量分別為201.67、38.89、690.99、121.55、373.43、133.18 kg/hm2；0～120 cm土壤硝態氮累積量和占0～200 cm比例遠大于0～40 cm土層，呈先升高后降低變化規律，占0～200 cm比例逐漸降低，淋失量分別為38.54、471.32、373.53、950.10、480.92 kg/hm2。由此可分析出噴灌條件下，土壤硝態氮的累積主要發生在根系分布層以下的土層中，這為土壤硝態氮的淋失提供了條件。通過分析含水率與不同土層硝態氮濃度分布可以看出，土層中硝態氮濃度的運動依附于水分運動，所以分布與含水率的分布具有一致性，土層中硝態氮的分布與變化的影響因素除了水分運動外，還受其他因素的影響比如土壤的物理性質、土層內的微生物、硝化與反硝化作用等，過程也更為復雜。這一方面問題還有待于研究。

2.3 噴灌前后地下水水位變化規律

試驗期間對試驗田內1號、2號、3號地下水水位進行動態觀測，觀測結果如圖4。由圖4可以看出，距離越遠的觀測井地下水埋深越大，觀測井地下水水位呈波浪線變化，4月2日和17日為波峰。按照農民種植習慣，小麥返青期要進行灌水，地下水位灌水后明顯下降，然后水位緩慢回升，4月26日灌水后水位又一次下降。以2號為例，3月16日地下水水位1.86 m，灌水后地下水水位降落至4月7日的1.97 m，水位下降0.11m，至4月17日地下水水位上升到1.93 m，此期間由降雨因此水位呈上漲趨勢，此時地下水水位與3月16日相比仍下降了0.07 m，原因在于農業灌水，加上地下水入滲，作物吸收利用所以地下水呈下降趨勢，因此降水為該地地下水補給的主要影響因素。

圖4 試驗區地下水水位變化曲線Fig.4 The change curve of underground depth in field

2.4 噴灌前后地下水水質變化規律

由圖5(a)可以看出地下水中氨氮濃度在試驗期間呈降低-升高-降低的變化趨勢。自3月16日至施肥期間氨氮含量逐漸降低，變化較穩定，灌水后地下水中氨氮濃度陡然升高，各井氨氮濃度均值是灌水前的21.94倍，4月27日各觀測井氨氮濃度恢復到灌水前水平。分析可知地下水中氨氮含量的變化主要與農業施肥和灌溉有關。

根據圖5(b)觀測數據可以看出，試驗田地下水中硝態氮濃度呈雙峰變化波動，4月7日和4月27日地下水中硝態氮濃度呈現出峰值，施肥后灌溉使得硝態氮迅速下滲至地下水，以2號為例3月16日地下水中硝態氮的濃度較低僅1.66 mg/L，由于小麥追肥的施入4月2日硝態氮含量略有升高，為1.98 mg/L ，灌水后第3天地下水硝態氮濃度升至5.41 mg/L，是施肥后的2.73倍，至4月17日逐漸下降到3.57 mg/L，4月27日升高至3.93 mg/L。結合灌溉資料4月26日灌溉對土壤中的硝態氮沖刷、淋洗使硝態氮向深層運移進入地下水，從而導致地下水中硝態氮含量不斷升高，在冬季雖然也有肥料的施入但隨著降水的減少，使土壤中的硝態氮向地下水的淋溶沒有雨季那么明顯。由此可見施肥、灌溉和降雨是影響地下水中硝態氮含量主要因素。

圖5 試驗區地下水水質變化曲線Fig.5 The change curve of groundwater quality

3 結 論

(1)噴灌條件下，土壤中硝態氮的累積主要發生在根系層以下土層中，噴灌為硝態氮的淋洗提供了條件。

(2)地下水中氨氮濃度主要受施肥和灌溉的影響；伴隨著時間的推移，地下水中的硝態氮濃度逐漸升高。

(3)土壤中硝態氮不易吸附在土壤顆粒表面，易隨水下移，按照農民種植習慣施肥后灌水，硝態氮淋洗嚴重，下滲到小麥根系以下土壤中的硝氮很難被吸收利用，而且對地下水造成嚴重污染，所以施肥時應控制施肥量，減少氮肥施用，以降低對地下水的污染。

[1] 薛禹群, 張幼寬. 地下水污染防治在我國水體污染控制與治理中的雙重意義[J]. 環境科學學報, 2009,29(3):474-481.

[2] 張 云, 張 勝, 劉長禮, 等. 田間施肥引起淺層土壤中氮的蓄積試驗分析[J]. 土壤, 2006,38(1):86-98.

[3] 董嫻嫻, 劉新宇, 任翠蓮, 等. 潮褐土冬小麥-夏玉米輪作體系氮肥后效及去向研究[J]. 中國農業科學, 2012,45(11):2 209-2 216.

[4] 潘家榮, 巨曉棠, 劉學軍, 等. 水氮優化條件下在華北平原冬小麥/夏玉米輪作中化肥氮的去向[J]. 核農學報, 2009,23(2):334-340.

[5] 李世清, 李生秀. 半干旱地區農田生態系統中硝態氮的淋失[J]. 應用生態學報, 2000,11(2):240-242.

[6] 張玉銘,張佳寶,胡春勝,等.華北太行山前平原農田土壤水分動態與氮素的淋溶損失[J].土壤學報, 2006,43(1):17-25.

[7] Ju X T, Lin X J, Zhang F S, et al. Nitrogen fertilization Soil nitrate accumulation and policy recommendations in several agricultural regions of China[J]. Ambio, 2004,33(6):330-305.