干旱绿洲区硝态氮与铵态氮的分布特征及运移特点研究

2016-03-23李勋章董新光杨鹏年汪昌树新疆农业大学水利与土木工程学院乌鲁木齐830052

中国农村水利水电 2016年10期

李勋章，董新光，杨鹏年，张瀚，汪昌树(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

化肥是农业生产中的重要投入要素，提供农作物生长所必须的营养元素。施用化肥是提高农作物单产的重要手段之一。近30 a来，我国农业氮肥利用率呈直线下降趋势，氮肥损失量巨大[1]。施入土壤中的过量氮素，会使土壤胶体分散，破坏土壤结构，引起土壤酸化，加速某些矿物盐的溶解、淋失，造成土壤贫化。过量氮素淋失进入地下水后，使水体富营养化，降低水体质量，威胁人和动物健康[2,3]。朱兆良[4]在已有研究成果的基础上，对我国农田中化肥氮的去向进行了初步估计：作物吸收35%、氨挥发11%、表观硝化-反硝化34%(其中N2O排放率为1.0%)、淋洗损失2%、径流损失5%，以及未知部分13%。自2007年开始推行高效节水以来，灌区灌水方式由过去的地面灌逐渐转变为滴灌，施肥方式由撒施、一次性施肥逐渐转变为滴灌施肥、多次施肥，到目前节水灌溉覆盖面积已达到80%以上。近年来开都河下游平原区农田氮肥施用量以年均7%左右的速度在增加，超过了粮食及棉花的年均增长率，化肥的增产效益在不断下降[5,6]。过去很多学者通过田间和室内试验，在研究氮素在土壤中的运移与累积特点及其影响因素方面做了大量工作，但在干旱地区研究较少。当前农业经济快速发展面临着提高产量和保护水土环境的双重任务。因此，掌握氮素含量水平及分布特征，对进一步定量研究土壤-作物系统中水分和氮素的运移规律，预防和保护绿洲水土环境具有重要意义。

本文以新疆焉耆盆地开都河下游绿洲灌区为研究对象，旨在摸清现阶段土壤及地下水中硝态氮、铵态氮的含量水平，在区域空间上的分布变异特征及在土壤剖面中的垂直分布状况，了解氮素的转化特点，以期为制定合理灌水施肥条件，预防地下水体污染，调控土壤及地下水氮素含量提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆天山南麓巴音郭楞蒙古自治州开都河下游焉耆盆地绿洲区，行政单位包括焉耆县、博湖县以及27团，地面海拔高度一般为1 050～1 200 m，地势总体呈现四周向盆地倾斜，最低处位于盆地中心的博斯腾湖；常年性河流主要有开都河，最终汇入博斯腾湖；研究区年平均气温 8.0～8.9 ℃，昼夜温差大，年平均降雨量为50.7～79.9 mm，年蒸发量为2 002.5～2 449.7 mm，是年降水量的30～40倍，属于南北疆过渡的大陆荒漠性气候[7]。盆地主要土壤类型为棕漠土、草甸土、沼泽土、灌耕土、潮土、盐土、风化土[8]。研究区内水量比较丰富，水质相对较好，但目前也有恶化的趋势。开都河从上游到下游水质逐渐变差，随着地下水的大量开采，化肥农药的不合理施用，导致地下水水质也呈恶化趋势[9,10]。

根据巴音郭楞蒙古自治州2014年统计年鉴，焉耆县和博湖县有效灌溉面积分别为2.84、1.545 万hm2，目前灌区已基本推行高效节水技术，主要采用地下水灌溉，冬春灌采用地表水。研究区主要的农作物有小麦、玉米、西红柿、辣椒等。

1.2 采样与处理

在2015年5月初，沿焉耆县、博湖县周围各灌区进行野外调查采点，以GPS精确定位，获取点位经纬度。共布设土样采点11个，使采样点尽可能的覆盖整个灌区范围(见图1)。利用圆凿钻采集土样，0～1 m土层深度每10 cm采集一个样本；最大采样深度为2.6 m，1～2.6 m土层范围每20 cm采集一个样本，每一个样点共采集18个样本，一共采集土样样本198个。每个样本采用密封袋挤出空气密封，放在保温箱中。由于地下水埋深较浅，在取土样后，钻孔内渗入地下水，用取水器取样，一共取了6个采样点的水样。

图1 焉耆县、博湖县地理位置及采样点分布Fig.1 Yanqi County, Bohu County geographical location and the distribution of sampling sites

对土样和水样的检测项目为硝态氮、铵态氮，根据《土工试验方法标准》GB/T50123-1999和《生活饮用水标准检验法》GB/T 5750-2006，运用T6新世纪紫外可见分光光度计测定土壤和地下水中硝态氮、铵态氮的含量。

运用Microsoft excel 2010对采样点无机氮素含量进行描述性统计分析，通过SPSS22对数据进行正态分布检验，分析氮素的空间变异特征。

2 结果与分析

2.1 无机氮素含量水平统计特征

根据土样检测结果，研究区各个样点的铵态氮含量均大于硝态氮含量。不同采样点间土壤硝态氮含量差异较小，平均含量达到36.1 mg/L；由图2(a)可以看出，各采样点铵态氮含量差异较为明显，含量均在200 mg/L以上，其中在焉耆县城和北大渠乡达到了340 mg/L，平均含量为280.5 mg/L。根据全国第2次土壤普查养分分级标准[速效氮包括无机态氮(铵态氮、硝态氮)及易水解的有机态氮(氮基酸、酰胺和易水解蛋白质)，见表1]，各地区土壤肥力均达到了1级水平，土壤肥力很高。近10 a来，随着农业生产水平的提高，为促使农作物产量增长，化肥用量不断增加，而能够被作物有效利用的量很少。近年来，焉耆县与博湖县氮肥施用量以年均7%左右的速度增长，增加了氮污染的风险。灌水后土壤中化肥水解生成铵态氮，除挥发损失，作物吸收外，主要经硝化作用生成硝态氮，因而此时土壤中铵态氮含量比硝态氮高。铵态氮的硝化作用是一个持续的过程，大部分铵态氮最终转化为较稳定的硝态氮。

表1 全国第2次土壤普查氮素分级标准Tab.1 Nitrogen grading criteria of soil survey in the second national soil survey

从图2(b)中可以看出，浅层地下水中硝态氮含量远大于铵态氮含量，平均相差约2个数量级。北大渠乡硝态氮含量最高，为51.3 mg/L，塔温觉肯乡硝态氮含量最小为8.7 mg/L。根据我国地下水质量标准(GB/T14848-93)[11]，北大渠乡浅层地下水水质严重超标，属于Ⅴ类，仅有塔温觉肯乡浅层地下水属于Ⅲ类，基本达标。另外根据我国饮用水卫生标准要求，地下水中硝态氮含量不能超过20 mg/L，氨氮含量不超过0.5 mg/L[12]，由图2(b)可知，北大渠乡和才坎诺尔乡浅层地下水中硝态氮含量分别为51.3、30.9 mg/L，超过20 mg/L标准要求，不满足生活饮用水质量要求，其他地区硝态氮含量都在饮用水标准范围内；四十里城子铵态氮含量最大为1.6 mg/L，其他地区含量均在0.5 mg/L以上，都不满足饮用水卫生标准，属于超标范围。长期过量施肥，导致浅层地下水中氮素含量不断累积，浅层地下水水质条件不容乐观。

2.2 无机氮素空间变异分析

焉耆县与博湖县的土壤、地下水中硝态氮与铵态氮含量分析结果见表2。对样本数据在显著性水平p<0.5(双尾检验)下进行单样本K-S检验，结果表明，土壤中硝态氮、铵态氮的含量均服从正态分布，地下水中的硝态氮服从正态分布，铵态氮不符合正态分布，转化后的数据也不符合正态分布。取硝态氮与铵态氮的算术平均值作为描述总体特征的统计量。

变异系数又称离散系数，表示土壤空间变异性的大小，反应单位均值上的离散程度[13]。

按一般对变异系数Cv值的评估，当Cv<0.1时，为弱变异性；0.1≤Cv≤1.0时，为中等变异性；Cv≥1时，为强变异性[14]。表2中，浅层地下水中的铵态氮变异系数最大，为76.7%，硝态氮变异系数为14.8%，土壤中硝态氮和铵态氮变异系数分别为20.0%、20.3%，均为中等变异水平。铵态氮稳定性差，受含水量及通气性的影响，在硝化细菌作用下发生硝化作用产生硝态氮。施肥过后不同时间内铵态氮转化成硝态氮的程度不同，因此氮素变异性比较大。氮素的转化和运移都需要一定时间，进入地下水中的氮素含量基本趋于稳定，但受到施肥量影响会差生差异。

表2 研究区土壤及地下水氮素空间变异统计特征Tab.2 Statistical characteristics of spatial variability of soil and groundwater in the study area

2.3 土壤剖面氮素垂直分布特征分析

样点区种植的农作物为小麦，灌溉方式为滴灌，施肥方式为滴灌施肥。本文基于11个土壤取样点，每个采样点以土壤剖面氮素含量均值作为统计量。根据氮素在土壤剖面上的分布特点，以各土层氮素含量均值占土壤剖面氮素均值的比重为积聚系数[15]。由于在0～40 cm深度范围集中作物70%～80%以上的根系，100 cm以下根系含量很少[16-20]，结合作物根系在土壤剖面的分布，设定以0～20 cm深度土层为表层，0～40 cm为根系层，40～100 cm为中层，100 cm以下为底层。受土壤含水量、黏性土夹层的影响，依据土壤剖面氮素分布特征及积聚系数，可将土壤剖面类型分为表聚型、均布型、底聚型、振荡型。

如图3(a)所示，硝态氮土壤剖面分布类型主要为表聚型和振荡型，其中有4个采样点表层积聚显著，占采样点总数的36.4%。从表3可知，0～20 cm土层中，样点S1、S7、S8、S9的积聚系数均达到150%以上；在0～40 cm土层中，硝态氮的积聚系数达到150%的样点有S1、S7、S8、S9，与0～20 cm土层硝态氮积聚样点基本相符。图3(b)中，样点S2、S3、S11的积聚系数小于150%，表层积聚效果相对较弱。在这些采样点区作物根系层硝态氮含量相对较高，有利于作物的吸收利用。近年来焉耆盆地各地区加快推广高效节水灌溉技术，焉耆县、博湖县地区高效节水面积均达到80%以上。滴灌水量较漫灌少很多，减少了灌溉水对地下水的补给量，因而硝态氮淋失量较少，主要被土壤颗粒固定在根系层中。与浇灌施肥相比，采用滴灌施肥显著降低氮素的淋溶损失，提高了土壤中有效氮的含量[21]，有效地缓解氮素的大量淋失。由于样点间存在灌水时间上的差异，在灌水后受蒸发作用影响，土壤表层含水量降低，以硝态氮为溶质的毛细水向上运移补充。图3(c)中，样点S4、S5、S6、S10土壤剖面硝态氮分布呈振荡型，在土壤剖面硝态氮均值附近波动，没有明显的规律性。

表3 采样点土壤剖面氮素含量的统计特征值Tab.3 Statistical characteristics of nitrogen content in soil profile at the sampling point

图3 采样点土壤剖面硝态氮分布Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in soil profile at the sampling point

从图4(a)～(c)可以看出，铵态氮在土壤剖面的分布为均布型、底聚型、振荡型。图4(a)中可以看出在土壤底层铵态氮出现了一个积累峰，样点S2、S11在100 cm以下的积聚系数分别为131%、118%，底部积聚较显著。在图4(b)中，所有样点铵态氮在各土层的积聚系数在100%左右，各土层铵态氮含量分布较均匀。铵态氮在土壤剖面各层含量较高，淋洗很明显，加大了铵态氮进入浅层地下水的风险。图4(c)中，土壤剖面样点铵态氮含量分布比较混乱，呈现出震荡的特点，各土层铵态氮含量差异明显。总体可以看出铵态氮沿土壤剖面淋失比较显著。主要由于施肥过后，化肥水解生成大量的铵态氮，在灌溉水作用下，土壤含水量增加，在表层接近饱和状态，促进了铵态氮的垂向运移[22]。由于土层中存在黏土夹层，对氮素在垂向的运移产生阻碍作用，导致氮素在土壤剖面表现出震荡分布的特点。

图4 采样点土壤剖面氮态氮分布Fig.3 Distribution characteristics of ammonia nitrogen in soil profile at the sampling point

3 结论与讨论

(1)各采样点土壤铵态氮含量平均为280.5 mg/L，远大于硝态氮，两者相差近一个数量级。在浅层地下水中硝态氮含量较铵态氮含量很高，平均含量为15.68 mg/L，而铵态氮平均含量为0.94 mg/L。

(2)研究区范围内土壤肥力等级均达到一级水平，属于高肥力区。根据地下水质量标准，研究区浅层地下水水质较差，仅塔温觉肯乡属于Ⅲ类水质，基本达标，而北大渠乡水质严重超标。浅层地下水水质均不满足饮用水质量要求，属于超标范围。过去大量施用氮肥对土壤及浅层地下水已显现出明显影响，将给维持农田生态系统平衡工作提出严峻挑战。

(3)由于灌水施肥和采样工作间存在时间差，而且施肥量也存在差异，使土壤及地下水中的氮素含量在空间上变异明显，属于中等变异水平。土壤剖面上硝态氮表层积聚比较明显，随着土壤深度增加硝态氮含量减少；铵态氮在土壤剖面上分布较均匀，并呈现出底层积聚的特点，受灌溉水淋洗效果明显。

(4)土壤中氮素转化运移过程比较复杂，在干旱区的运移机理还需进一步研究。在浅水水位埋深较小的地区，如何在保证作物产量，减少氮素淋失，防止产生次生土壤盐渍化的条件下进行合理灌施，将成为今后研究的重点。

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