絮凝泥沙對中度鹽漬化土壤氮素淋失及水分利用效率的影響研究

孫宇樂，屈忠義，王麗萍，楊少東，王 凡

（1.內蒙古農業大學，呼和浩特010018；2.巴彥淖爾市水利科學研究所，內蒙古巴彥淖爾015000）

0 引 言

我國是一個農業和人口大國，保證糧食產量對國家糧食安全尤為重要，其中化肥氮磷養分的投入對土壤養分含量的提高和作物產量的增加有重大的影響[1]。氮素是植物尤其是農作物生長所需的必要元素，也是造成環境污染的重要原因，特別是地下水污染[2]。農業工作中施加的大量氮肥除小部分存留在土壤中和被植物體吸收利用以外，其余大部分通過徑流、硝化和反硝化作用、淋溶、氨揮發等多種途徑損失，進入水體和大氣中[3]。據統計，我國農業生產活動中氮肥的總體利用效率僅為35%[4]，氮損失率卻高達45%，由此帶來的經濟損失極為嚴重[5]。在灌溉和降雨條件下，土體中的氮元素極易以硝態氮的形式隨水垂直向下運動，遷移至植物根系層以下無法再被植物吸收利用，從而造成氮淋失[6]。被淋洗出植物根系活動層的養分很難再被植物吸收利用，大大降低了土壤的養分利用效率[7]。被淋洗出土體的氮元素若隨徑流流入地下水中，可能造成地下水中硝酸鹽含量超標，嚴重危害人體健康[8]。大量研究成果表明通過高效節水技術能有效提高水肥的利用效率[9]，但在實際推廣過程中，也面臨諸多問題。

3.方法與用藥方案：采用羅馬Ⅲ標準流行病學調查問卷(Rome Ⅲ-MQ)[1]，每個入組成員調查2個時間點，分別為長遠航前及長遠航后3個月。因各種原因未完成調查或中途退出共18人，符合FC診斷標準共61人，其中長遠航前診斷FC患者23人，長遠航中新增FC患者38人。

沿黃地區灌溉模式多為傳統漫灌，造成水資源大量浪費[10]。但黃河高泥沙量是阻礙沿黃灌區滴灌技術推廣的主要影響因素，直接引用黃河水進行節水灌溉會造成灌溉系統的堵塞[11]。同時，黃河泥沙中富含多種有益的營養物質，若直接過濾后棄置，會造成大量的資源浪費[12]。因此，如何在降低泥沙含量、提高水肥利用效率的同時，提高泥沙資源的利用率也是我們亟待解決的問題。

對不同像控點布設方案下生產的數字正射影像成果進行平面精度檢查，其中方案二為像控點最密集的布設方案，其他布設方案均在方案二的基礎上進行調整，像控點的數量均在減少。方案二像控點的布設情況，如圖1所示。

目前，許多專家學者針對提高土壤水肥利用效率做了大量研究，并取得一定的研究成果。在砂壤土中施用生物炭，能降低氮素的淋失程度，提高氮肥的利用率，降低面源污染的風險[13]。吳蘊玉等[14]研究發現控制灌溉在節水減排的同時可增加產量，有較好的經濟、環境效益。馬鑫等[15]研究發現施用保水劑后第3年土壤的控水能力最強，一定程度上證實施用保水劑可增大表層土壤pH，增大土壤持水率，可有效改善土壤微團粒結構。NO3??N 是氮素淋洗損失的主要形態，而NH4+?N的淋失損失主要出現在淋洗前期，增加施氮量可以推遲各形態氮素峰值出現時間，增加淋失風險[16]。

本文根據前人試驗，得到黃河水施加水夢吸附劑后過濾出的絮凝泥沙，研究不同含量的絮凝泥沙施入土壤后對土壤理化性質的影響規律，以期使過濾后的黃河泥沙資源得到有效利用。不僅可以減少泥沙淤積，還可以將泥沙改造成土壤改良劑，減少土壤氮素淋失，提高水肥利用效率，達到增產節水保肥的目的，為河套灌區推廣高效節水保肥技術和土壤改良提供理論支撐和技術依據。

屈伸等[17]研究發現水夢吸附劑是一種高效無機吸附劑，對于黃河水泥沙具有吸附率高、沉降速度快的特點。楊少東等[18]發現水夢無機吸附劑對不同含沙量下水體中濁度及各類污染物指標有明顯的去除凈化作用，濁度平均降低97.8%。但前人研究多集中于黃河泥沙的過濾效果，對過濾后的泥沙處置問題尚待進行進一步的研究。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗材料

試驗絮凝泥沙為“水夢”綜合處理裝置過濾黃河水后產生的黃河泥沙絮凝物，其中含有“水夢”吸附劑CS?005。供試土壤取于內蒙古巴彥淖爾市杭錦后旗改鹽增糧科技示范區（106°54' E，40°49' N），該區年均降水量為130～180 mm，蒸發量較大，土壤取至表層20 cm，為中度鹽堿土，屬硫酸鹽?氯化物型鹽土，土壤質地為粉砂質壤土。表層土壤理化性質見表1。

表1 試驗土壤的理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of test soil

1.2 試驗設計

從圖1可以看出，不同處理的土壤含水率變化規律基本一致，當土壤吸力小于200 kPa時，不同處理的土壤含水率快速下降，降幅顯著。當土壤吸力大于400 kPa 以后，不同處理下水分釋放緩慢。相同土壤吸力下，土壤含水率CK

試驗共設置5個處理（每個處理設3個重復），不同處理絮凝泥沙填裝水平分別為0 g/kg（CK）、20 g/kg（T1）、40 g/kg（T2）、60 g/kg（T3）、80 g/kg（T4），共計15個土柱。將試驗所用的土壤充分自然風干、碾壓，過2 mm 篩，與絮凝泥沙按不同比例依次稱重（經測定，土壤容重為1.55 g/cm3，砂壤土與絮凝泥沙總重約為2 kg）、混合均勻后，分兩層裝入底部有出水孔的PVC 圓柱管中（內徑9 cm，高度30 cm），其中土柱高度約為20 cm，在表層0～5 cm 土層中均勻混入0.5 g 尿素（尿素添加量約為當地水平，當地施肥量為750 kg/hm2）；在底部鋪上尼龍網和石英砂作為反濾層。頂部覆蓋薄膜（避免水分蒸發）。

1.2.2 淋溶試驗

土壤水分特征曲線是表征土壤水基質勢與土壤水分含量的變化關系，是研究土壤水分及土壤水動力學性質的重要表征。通過RETC軟件中的van Genuchten方程對不同處理的數據進行擬合分析，得出擬合參數a、n、相關系數R2如表2所示。隨著絮凝泥沙施用量增加，處理CK、T1、T2、T3、T4 的α值呈增大趨勢，說明土壤持水能力隨絮凝泥沙含量增多而增強。并且不同處理模型的決定系數R2均大于0.98，說明通過RETC軟件中的van Genuchten 方程擬合的水分特征曲線效果較好，結果可信。

1.3 測定指標與方法

試驗使用的是紫外分光光度計和PHS?3C 酸度計與DDSJ?308A 電導儀。測定收集到的淋溶液在不同波長（220 nm 和275 nm）條件下的吸光度，總氮吸光度As按公式（1）計算，總氮濃度C按公式（2）計算，根據淋溶體積計算氮素淋失量。淋溶階段結束后，采用土水比1：5浸提法測定土壤的pH值與電導率值。將土柱中的土樣取出，充分自然風干后進行碾壓，過2 mm 篩，再將土壤與去離子水按1：5 的比例配制成溶液，然后進行指標測定。

式中：As為淋溶液中總氮的吸光度；As220、As275分別為波長為220 nm、275 nm 對應的總氮的吸光度；A0為空白對照組對應的總氮的吸光度。

1.3調查所得資料采用EpiData3.0軟件進行的數據錄入,應用SPSS17.0軟件進行統計學分析,率的比較采用x2,檢驗水準=0.05。

1.4 數據處理

由圖2可知，淋洗次數相同時，不同處理單次堿解氮淋失量的變化規律基本一致，同一絮凝泥沙施用水平下，每日的堿解氮淋失量隨淋洗次數的增多呈現減少趨勢，淋洗次數越多，淋失趨勢越緩。不同處理第1次淋洗時氮素淋失量最多，因浸潤階段加入的水量保證了土壤中尿素得到溶解，使得淋洗初期土壤中的氮素含量較高。各處理T1、T2、T3、T4 與CK 相比，速效氮淋溶量分別減少了0.38、0.60、1.03 和1.36 mg，隨著絮凝泥沙施用量的增加，土壤對速效氮的吸持能力逐漸增強，淋失量隨之降低，說明施加絮凝泥沙有效增強了土壤對速效氮的吸持能力。隨著淋洗次數的增加，淋失量減少且變化趨勢變緩，主要是施加的肥料完全溶解后，土壤失去外界氮素補充，氮素總量開始下降，淋溶液中的速效氮淋溶量開始減少。在持續淋溶作用的后期，速效氮含量變化不明顯。因此，施用絮凝泥沙對氮素淋失量的影響主要體現在淋溶初始階段。

2 結果與分析

2.1 絮凝泥沙對土壤水分特征曲線影響規律分析

土柱填裝完成后，進入浸潤階段，為保證肥料在土壤中得到充分溶解吸收，試驗中模擬自然降雨條件連續浸潤5 天，每天施加去離子水120 mL（折合降雨量19 mm）。直至有淋溶液滲出。進入淋洗階段后，依據當地實際年平均灌水量和降雨量，計算淋洗量約為350 mm（折合降雨量42.5 mm）。每5天加水淋洗一次，每次加水270 mL，并用試劑瓶收集淋溶液，共淋洗六次。對收集到的淋溶液進行編號并測量其體積，冷藏于4℃的冰箱內，收集完成后，進行水樣、土樣試驗指標的測定。

1.2.1 土柱試驗

本調查的研究方法包括：①訪談法：訪談法是目前比較普遍使用的一種方法，主要是通過與被調查對象進行面對面的實地溝通，通過語言交流來直接進行資料收集，訪談法在一定的程度上有較高的準確性。本研究通過對高校團委老師、團委學生干部以及在校大學生進行的針對性訪談，為研究得出更為準確的事實依據。②文獻法：文獻法是指通過查閱、整理、分析已有的文獻資料，了解教育事實，探索教育現象的研究方法。本研究采用文獻研究法，參考國內碩、博論文、權威期刊論文、相關書籍及權威網站文章和國外重要期刊的論文、著作等，對其進行篩選、分類、整理，為論文的研究提供基礎。

表2 不同絮凝泥沙處理土壤的Van Genuchten模型參數Tab.2 Van Genuchten model parameters of soil treated with different flocculated sediment

圖1 不同絮凝泥沙施用量下的土壤擬合水分特征曲線Fig.1 Fitting water characteristic curve of soil under different flocculating sediment application

2.2 絮凝泥沙對氮素淋失的影響規律

試驗數據使用SPSS 19.0 統計軟件進行顯著性分析，利用RETention Curve 軟件進行土壤水分特征曲線擬合，使用Microsoft Excel 2007 進行數據的整合處理和圖表的繪制。

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由圖3可以看出，隨著絮凝泥沙施用量增加，氮淋失總量隨之減少，處理T1、T2、T3、T4 較CK 相比氮淋失量分別減少3.40、6.18、8.06 和11.27 %。浸潤階段主要是保證土柱中土壤接近飽和狀態，且尿素充分溶解。絮凝泥沙具有一定的持水能力，隨著土壤中絮凝泥沙施用量的增加，淋溶液總量減少。

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2.3 絮凝泥沙對土壤鹽分和pH的影響

圖2 不同處理單次堿解氮淋失量變化規律Fig.2 Change rule of leaching loss of single alkali hydrolyzed nitrogen in different treatments

圖3 氮素淋失總量變化規律Fig.3 Change rule of total amount of nitrogen leaching

由圖4可以看出，隨著絮凝泥沙施用量的增加，土壤的pH值呈增大趨勢但幅度較小，無顯著差異性。施用絮凝泥沙后，處理T1、T2、T3、T4 的pH值較CK 增加了0.02、0.04、0.05、0.08，說明絮凝泥沙對鹽漬土酸堿度基本無影響。供試土壤屬于中度鹽漬土，偏堿性，在持續水量的淋洗作用下，土壤中的鹽基離子有部分會淋失，但絮凝泥沙具有吸附性，堿性基團淋失量減少，pH值稍有增加。

從圖5可以看出，隨著絮凝泥沙施用量的增加，不同處理土壤的電導率值呈先減小后增大趨勢。各處理間無顯著差異性，T1、T2、T3、T4處理較CK 分別增加了?3.43%、?4.78%、0.13 %、5.72 %，施用量達到60 g/kg時，T3、T4 處理土壤中的電導率呈現增加趨勢。電導率值先減小主要是由于適量的絮凝泥沙中的沙粒結構增加了孔隙度，土壤中的少量可溶性鹽會隨著水分而流失，提高了鹽分的淋洗程度；由于吸附性泥沙具有對可溶性鹽基離子的吸附能力，同時絮凝泥沙中含有一定量的鹽基離子，隨著使用量的增加，會導致電導率增大。因此，當絮凝泥沙施用量少于60 g/kg時，對土壤的電導率有降低效果。

圖4 不同處理土壤淋溶液pH值變化規律Fig.4 The change of pH value of soil drenching solution in different treatments

圖5 不同處理的淋溶土壤電導率的變化規律Fig.5 Change rule of electric conductivity of leaching soil with different treatments

3 結 論

在生產力較為低下的鹽漬化土壤中，施用絮凝泥沙能削弱水分對養分的淋溶作用，保持土壤中的養分水平，有利于提高氮肥的利用率，降低地下水面源污染的風險。施加絮凝泥沙可以提高土壤的吸持能力，改善土壤的水力特性，隨著絮凝泥沙施用量的增加，氮素淋失總量隨之減少，對減少速效氮淋溶總量效果較明顯。絮凝泥沙對土壤的pH值影響不明顯，施用量少于60 g/kg時，電導率有所降低。

綜合分析，當絮凝泥沙施用量在40～60 g/kg時，對鹽漬土的改善效果較好。絮凝泥沙施用量對土壤結構、氮素平衡等的影響，有待于進一步深入研究。