暗管控制排水条件下土壤硝态氮运移转化规律的试验研究

杨 琳，黄介生，吴争光

(1.中工武大设计研究有限公司，武汉 430070；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

土壤氮素的运移和转化是个复杂的物理-生物-化学过程，时刻都在发生，且有诸多影响因素，如土壤温度、湿度、酸度和含氧量等。土壤中氮素的转化途径主要有矿化-固持、硝化-反硝化、吸附和解吸过程，各种途径之间又相互联系，相互影响。土壤氮素的分布情况是多种综合作用所致[1-4]。土壤氮素中只有铵态氮和硝态氮是植物直接能吸收利用的养分，被称做有效氮，是衡量土壤养分的重要指标。由于本身化学特性铵态氮在土壤中移动性小，而硝态氮不易被土壤吸附，移动性大，是氮素流失和水环境污染的主要原因[5-8]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验选在湖北省荆州市四湖工程管理局丫角排灌试验站进行，试验站位于四湖水系中区，东经112°31′，北纬30°21′，海拔高程29.4 m。场区地势平坦、土壤肥沃，土质为中壤黏土，田间持水量0～15 cm内为47.3%，16～40 cm内为30.7%，耕作层氮、磷、钾含量分别为2.5、1.5、15 ppm。多年平均气温16.5 ℃，多年平均降雨量1 122.0 mm，多年平均水面蒸发量为977.4 mm，多年平均日照时数为1 552.0 h，无霜期280 d左右，站址在平原湖区具有一定的代表性，试验站具有典型的平原湖区特性，适宜种植水稻、小麦、棉花、油菜、大豆等多种作物。

1.2 试验设计

1.2.1测坑控制排水试验布置

测坑试验选取位于试验站西边A组中的8个测坑，分别是11号、12号、13号、14号、15号、16号、17号和20号(测坑平面布置如图1所示)，其中12号为地下正常排水处理，作为参照，其余7个测坑均为控制排水处理。每个测坑四周及底部完全封闭，面积为2 m×2 m，测坑深1.8 m，测坑上边壁距地面30 cm，地表排水孔距地面2～5 cm，土层深约1.5 m，底部为碎石和卵石垫层厚约20 cm。在测坑底部安放一铁管与外部马氏箱相连，通过调整马氏箱平水箱的高度来实现对测坑水位的控制。

图1 测坑平面布置图Fig.1 Layout of test pit

1.2.2 控制水位方案

在棉花不同生育期设置不同水位组合，2009年棉花生育期划分及控制水位见表1所示。每个测坑内均有1个地下水位观测井。平水箱的排水出口安装计量水表。

表1 测坑试验处理地下排水出口控制深度(距离地表) cm

1.2.3 试验作物

(1)棉花耕种情况。2009年测坑棉花控制排水试验期间棉花种植情况和生育期划分见表2。

表2 2009年棉花生育期和耕种情况Tab.2 Period of growth and cultivation of cotton in 2009

(2)施肥情况。根据棉花的生长需求和当地的栽培习惯，生育期施肥情况见表3。

表3 棉花施肥情况Tab.3 Fertilization conditions of cotton

注：复和肥料氮磷钾总养分≥45%，有效成分N-P2O5-K2O氮磷钾各15%。

2 结果与分析

2009年6月9日棉花测坑控制排水试验开始，各测坑土壤地下水位调整至设计控制水位，6月10日-7月2日期间各测坑地下水位变化情况如图2所示。

图2 测坑地下水位变化Fig.2 Change of groundwater level in test pit

6月10日-7月2日期间，11号、13号、14号、15号、16号、17号和20号测坑地下水位变化趋势基本一致，而12号测坑地下水位一直保持最低位置，说明控制排水措施对测坑地下水位起到积极的作用。6月27日降雨后，所有测坑地下水位均有所上升，随后又有所下降。

对控制措施发挥作用的6月10日-7月2日间的土壤氮素分布进行分析，以降雨为分界，将氮素运移转化的研究时段划分为降雨发生前至排水结束(PD)和排水结束后至下次降雨前(DP)两个时间段，即2009年6月10日-6月27日(DP)和6月27日-7月2日(PD)，对应分析各时段始末土壤氮素含量变化与控制排水水位的关系。

(1)DP时段土壤硝态氮含量变化。DP时段始末各测坑土壤剖面硝态氮浓度及含氮量见表4。

表4 6月10日-6月27日转化前后土壤硝态氮含量变化计算值 Tab.4 Calculated value of changes of soil nitrate nitrogen content from June 10 to June 27 before and after transformation

(2)PD时段土壤硝态氮含量变化。PD时段始末各测坑土壤剖面硝态氮浓度及含氮量见表5。

表5 6月27日至7月2日降雨前后土壤硝态氮含量变化计算值Tab.5 Calculated value of changes of soil nitrate nitrogen content from June 27 to July 2 before and after rainfall

PD时段是6月27日降雨前至排水结束后，降雨量为136.8 mm，在PD时段始末各测坑剖面硝态氮含量的变化规律是：表层硝态氮含量均减小，深层(60～80 cm)土壤硝态氮含量均增大，表层硝态氮随雨水渗入累积到土壤深层。多数控制排水测坑硝态氮含量的流失量均小于非控制排水，且硝态氮的流失量与控制水位基本上成负相关。如 13、15、17和20号测坑硝态氮流失量分别为2.8、10.03、4.69和26.47 g。可见硝态氮易被淋失，通过控制排水能有效减少硝态氮的流失量。

3 结 语

通过开展旱地控制排水试验，研究了控制排水对土壤硝态氮运移和转化的影响，试验主要结论如下。

(1)控制排水措施能有效抬升地下水位、增大土壤墒情和储水量，提高雨水资源利用率。

(2)控制与非控制排水田块土壤剖面硝态氮分布规律相似，硝态氮含量集中在0～40 cm土层，深层土壤中硝态氮浓度很小在1 mg/kg左右，不会污染地下水。施肥对0～20 cm土层硝态氮浓度的影响最大，20 cm以下影响较小。

(3)排水结束后至降雨前，表层至40 cm土壤剖面硝态氮浓度变化率与控制排水出口的高度成负相关，降雨至排水结束后，表层硝态氮的浓度均减小，表层以下硝态氮浓度变化与地下水埋深有关，地下水位以上硝态氮浓度一般增大，地下水位以下硝态氮浓度一般减小。控制排水措施减小了深层土壤硝态氮含量，且大大减少了土壤中硝态氮的含量，降低了硝态氮淋失的风险。

(4)控制排水能减少硝态氮的淋湿量。控制排水测坑硝态氮含量的流失量均小于非控制排水，且硝态氮的流失量与控制水位基本上成负相关。