灌溉对黄土层中全氮含量淋失的试验研究*

党丽娟,刘仁义,马耀光,李克青

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨陵712100;2.内蒙古自治区第四水文地质工程地质勘察院,内蒙古 通辽 028007)

在农业生产中,灌水和施氮是紧密相关的农业措施。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,增加作物产量。但是,灌水和施氮不当,不仅会降低水分和氮肥的利用率,还会造成氮素的损失[1]。土壤中大量氮素的淋失已成为世界关注的农业环境问题,特别是在我国干旱半干旱的黄土塬区,其危险性显得更加突出[2]。氮素淋失是造成环境污染和氮肥利用率低的主要原因。氮素淋失受气候、土壤、植物、施肥、灌溉等多种因素的制约[3],但概括而言,总是与水分下渗同步[4]。水分和养分既是影响旱地农业生产的主要胁迫因子,也是一对联因互补、互相作用的因子。因此,研究土壤深层氮素淋失情况,对于提高氮肥的利用率和降低生产成本,分析和预测土壤和地下水的污染状况具有重要意义。本试验是在相同施肥量、不同灌溉量条件下,利用室内土柱试验模拟黄土层中氮素运移过程,研究土壤氮素淋失强度,分析深层土壤和地下水的污染状况。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验土样采集于西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室灌溉试验田。根据土样的理化性状,选取代表性黄土进行实验室内均质土柱模拟研究。

试验装置采用内径为10 cm,高为75 cm的圆柱体PVC管,管底装有3 cm的排水仓(装有过滤网、止水阀及排水小孔)用以排出柱内渗出水。

选用的试验土样经风干后过2 mm筛,按容重为1.36 g/cm3控制,每6 cm分层填充于土柱内,渗流土柱填土高度为54 cm。

试验设计在相同施氮量、不同灌水定额的情况下进行。采用纯NaNO3(含氮量为16.47%)作为示踪剂进行示踪试验,施肥方式采用灌施。计划施氮水平为 6 mg/cm2;灌水定额 W分别为191.1 mm 、229.3 mm 、254.8 mm 、280.3 mm 、305.7 mm,灌水后分 6 个时刻 ,即 51 h 、57 h、63 h 、69 h、75 h 、81 h,按单层6 cm分层采取土样,测定土样的重量含水量和全氮含量。

1.2 测定方法

土样含水量的测定采用烘干法;土样中全氮的测定采用半微量开氏法[5]。土壤样品先用高锰酸钾将样品中的亚硝态氮氧化为硝态氮后,再用还原铁粉使全部硝态氮还原,转化成铵态氮。然后在加速剂的参与下,用浓硫酸消煮,各种含氮有机物,经过复杂的高温分解反应,转化为氨与硫酸结合成硫酸铵。碱化后蒸馏出来的氨用硼酸吸收,以标准酸溶液滴定,求出土壤全氮量。水样中全氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[6]。

2 结果与讨论

2.1 土壤含水量与灌水量的关系

同一施氮标准、不同灌水定额条件下土壤含水量分布见图1。由图可以看出,不同灌水定额条件下,土壤含水量随着灌水量的增大而增大;同一灌水定额条件下,土壤含水量随着土层深度的加深而减小。小灌水量情况下,土壤含水量变化较明显,随着灌水量的增大,土壤含水量达到饱和,因此,土壤含水量从上到下变化不大,且趋于稳定。

2.2 土壤含氮量与灌水量的关系

同一施氮标准、不同灌水定额条件下土壤含氮量分布见图2。由图可以看出,不同灌水定额条件下,土层含氮量随着灌水量的增大而减小;小灌水量情况下,由于灌水量较小,土层各处氮含量均较大,含氮量在土层中的变化较小;当灌水量大于229.3 mm时,由于灌水量超过土壤饱和持水量,土层各处氮含量明显减小,含氮量随土层的加深逐渐减小,出现含氮量小于土壤背景值现象,表明施肥灌溉不仅未使土层含氮量显著增加,还使土层背景氮素发生严重淋失。由此可以推断,施氮水平为6 mg/cm2的条件下,灌水量不能超过229.3 mm。

图1 土壤含水量与灌水量的关系

图2 土壤含氮量与灌水量的关系

2.3 土壤剖面氮淋失率与灌水量的关系

依据灌溉前后土壤含氮量的变化计算不同灌水定额条件下土层氮淋失率的模式如下:

式中:NW ——灌溉施氮总量(mg);N 0,i——第 i层土壤背景含氮量 (mg);Ni——第 i层试验所测土壤含氮量(mg)。

不同灌水定额条件下土层氮淋失率的分布见图3。由图可以看出,不同灌水定额条件下,土壤剖面氮淋失率随着灌水量的增大而增大。灌水量为191.1 mm时,氮淋失率随土层的加深逐渐减小,土柱底层无多余的水量渗出,土层氮素未发生淋失现象;当灌水量大于229.3 mm时,土壤剖面氮淋失率均大于36.32%,且土柱底层有大量过饱和水量渗出,发生严重淋失现象。由此推断,施氮水平为6 mg/cm2的条件下,灌水量不能超过229.3 mm。

图3 不同灌水量的淋失率分布曲线

2.4 深层土壤氮淋失率与灌水量、氮素浓度的关系

不同灌水量情况下,土柱51 cm深处土壤氮淋失率与灌水量呈线性正相关关系,灌水量增大,土壤氮淋失率增大,其关系式为

当施氮水平为6 mg/cm2,灌水量大于229.3 mm时,51 cm深处土壤氮淋失率大于37.18%,此情况下,上层土壤氮素受到严重淋洗和流失,因此,在黄土区灌溉时,应将灌水量控制在229.3 mm以内。

当施氮水平为6 mg/cm2,不同灌水量情况下,土柱51 cm深处土壤氮淋失率与氮素浓度呈线性负相关关系,灌水量增大,土壤氮素浓度降低,氮淋失率增大,其关系式为:

随灌水量增加,灌水量大于229.3 mm时,灌溉水氮素浓度小于 0.35 mg/ml时,氮淋失率大于37.18%,土壤氮素淋洗严重。

2.5 氮平衡分析

根据质量守恒原理,施氮总量与土壤背景总氮量之和应等于任一灌水水平、任一监测时刻土层的监测积累总氮量,其平衡关系如下:

以灌水量为254.8 mm,监测时间为81 h的土壤全氮含量测定成果为例,进行氮平衡分析。此处理的数据样本为:

氮平衡分析结果表明,试验土层测定总氮数据与总施氮量理论数据相差-496 mg,试验误差为8%,基本满足质量守恒原理,实验数据具有可靠性和可信性。

3 结论

(1)不同灌水定额条件下,土壤含水量随着灌水量的增大而增大;同一灌水定额条件下,土壤含水量随着土层深度的加深而减小。(2)不同灌水定额条件下,土层含氮量随着灌水量的增大而减小;当灌水量大于229.3 mm时,深层土壤氮素发生严重淋失。(3)不同灌水定额条件下,土壤剖面氮淋失率随着灌水量的增大而增大;当施氮水平为6 mg/cm2,灌水量大于229.3 mm时,氮素浓度小于0.35 mg/ml,土层氮淋失率大于37.18%,上层土壤发生严重淋失现象;(4)在黄土地区灌溉时,为防止氮素流失和地下水污染,应将灌水量控制在229.3 mm以下。

[1] 陈晓歌,马耀光.不同灌水和施氮对黄土性土壤中-N迁移和淋失的影响[J].水土保持学报,2008,15(5):109-111.

[2] 马耀光,郭大勇,徐永功,等.黄土层中灌溉对尿素淋失特征的影响[J].水土保持学报,2003,17(4):113-116.

[3] 张国梁,章申.农田氮素淋失研究进展[J].土壤,1998(6):291-297.

[4] 张思聪,吕贤弼,黄永刚.灌溉施肥条件下氮素在土攘中迁移转化的研究[J].水利水电技术,1999,30(5):6-8.

[5] 周锦.土壤中氮含量的测定分析[J].农业科技与信息,2008(15):40-41.

[6] 中华人民共和国国家标准,GB11894-89,1989-12-25批准,1990-07-01实施.