层施保水剂不同高度对土壤硝态氮运移的影响

王爱滨

（华北水利水电大学，河南 郑州 450046）

0 引言

充足的水氮供给是保障粮食作物高产的必要条件[1～3]。但在水资源短缺、农业面源污染等问题日益严重的今天，如何在保证粮食安全的情况下实现高效用水用肥显得尤为重要。保水剂是一种新型功能性高分子化学节水材料[4～5]，利用其特有的强吸水性可迅速吸收比自身重百倍甚至千倍的去离子水以及数十倍近百倍的含盐水分[6～7]。由于其优异的保水性能且无毒不污染环境[8～10]，在现代农业生产中保水剂已被广泛应用，提高了水肥利用率，达到了节水增产减肥的目的。阚常庆[11]对保水剂对沙质土毛管水上升特性进行研究，得出保水剂对毛管水的上升有抑制作用，同时又有阻渗作用；郭韦[12]通过对保水剂的用量、层施厚度以及层施深度三个方面的研究，分析保水剂对土壤水分垂直入渗过程中累积入渗量、湿润锋和含水率的影响；程东娟等[13]通过室内模拟试验，分析了层施保水剂厚度对毛管水上升特性的影响，得到了层施保水剂厚度越大，地下水补给量越大，毛管水上升高度越小的结论；杨惠珍等[14]通过室内试验模拟大田层施保水剂用量对毛管水上升的影响，得出随着保水剂层施量的增加，相同入渗时间下毛管水上升高度和地下水补给量下降，两者存在线性相关关系。综上所述，前人针对保水剂对毛管水上升影响和入渗情况做了相对较多的研究，但关于保水剂对硝态氮运移的影响研究的较少。本文通过室内模拟试验，探究保水剂的层施高度对土壤硝态氮素运移的影响，对于保水剂科学使用具有指导和实际意义。

1 试验装置与方法

1.1 试验材料

试验于2019年1月～5月在华北水利水电大学农业高效用水实验室进行（34°50'N、113°48'E，海拔 110.4 m），属于河南省中部地区，试验主要在室内进行。试验区土壤特性参数见表1。

表1 供试土壤颗粒级配组成

1.2 试验装置及方案

试验装置分为供水装置和试验土柱两部分，两者之间通过橡胶管连接。供水装置为改进后的马氏瓶，装入浓度为600 mg/L的硝酸氮溶液。试验土柱装填在有机玻璃圆柱内。有机玻璃圆柱规格为直径23 cm、高100 cm，并沿垂向平均布设取土孔4列，孔径为2 cm，孔中心间距为5 cm，相邻两排取土孔以垂直孔距2.5 cm交叉布置。试验用土取自0～30 cm闲置耕地的耕层土壤。对所取土样进行风干、碾压处理，用2.0 mm筛进行筛分。定量称取土样和去离子水，将土样分层均匀喷洒去离子水，并用保鲜膜覆盖静置24 h后测量其含水率是否满足试验需要，若不符合试验要求则重新配置。文中所指含水率均为体积含水率。土壤含水率由烘干法测得，硝态氮含量测定由紫外一可见分光光度计测得。试验装置见图1。

图1 试验装置示意图

有机玻璃圆柱底部装填20 cm高，粒径为5 mm的石砾用以模仿自然土壤下层饱和土层，然后铺设一块圆形无弹性的薄海绵后装填土层。土柱装填时应分层装填并压实，每层厚度5 cm，土柱初始含水率8%，容重1.35 g/cm3。将土柱和马氏瓶置于同一水平面上用橡胶管连接，打开水阀将水注满石砾层后开始计时并记录马氏瓶的刻度。试验设计一个对照组和三个水平，对照组不装填保水剂，水平组层施保水剂高度分别为0～5 cm，5 cm～10 cm，10 cm～15 cm，选用聚丙烯酰胺做为保水剂对层施层土样进行充分拌和，拌和保水剂重量占该层土样重量的0.5%。试验设计见表2。

表2 层施保水剂不同高度对硝态氮运移影响试验设计表

2 试验结果与分析

2.1 层施保水剂不同高度对土壤含水率的影响

图2为层施不同高度保水剂对土壤含水率的变化曲线。由图2可知，随着距地下水位高度增加，所有试验组土壤含水率都呈下降趋势，且在25 cm处水平组土壤含水率高于加入保水剂的所有水平组的含水率，说明保水剂能对土壤起到很好的持水保水效果。但在0～2.5 cm处，水平组含水率却小于对照组，是由于保水剂改变了土壤原有的结构属性，对毛管水的上升起到一定的阻碍作用。在保水剂施加的位置曲线有明显的上升趋势，这是由于保水剂本身具有较高的吸水性和含水性，从而增加了土壤的含水率。随着保水剂施加位置的增高，土壤含水率也呈增大趋势，分析其原因为保水剂对其施加位置周围土壤的影响最为明显，同时保水剂也增大了土壤对吸水势，随着实施位置的增高水分运动的路程增加，水分持有量也随之增加。

图2 层施不同高度保水剂对土壤含水率的影响

2.2 层施保水剂不同高度对土壤硝态氮含量的影响

图3为层施不同高度保水剂时对硝态氮运移的变化曲线图。由图3可以看出，所有试验组硝态氮含量在距地下水高度20 cm之前都趋于平稳，在22.5 cm时硝态氮含量陡然增高，结合图2分析可知，25 cm位置处为毛管水上升的最高位置，此处水分的蒸发量增大，水随着蒸发作用分散到大气中，与此同时地下高浓度的硝酸铵溶液仍由毛管力和蒸发作用的牵引作用不断地向此处运输，且由于保水剂的层施土层有较好的保水性，使得硝酸铵溶液下渗量减小，综上共同作用使得此处硝酸铵浓度增大。与对照组相比，在距地下水位25 cm处施加保水剂的试验组硝态氮含量要高，且随着施加位置的升高硝态氮含量增大，这与含水率变化趋势相吻合，较高的含水率带来了更多的硝态氮，当水分蒸发后使得此处硝态氮含量升高。

图3 层施不同高度保水剂对硝态氮运移的影响

3 结语

（1）在土壤容重、初始含水率和硝酸铵浓度相同的条件下，0.5%重量比的保水剂可有效增加土壤的吸水保水性，且随着保水剂施加高度的增加，保水效果越好。同时，保水剂对硝态氮的运移起到一定的促进作用，施加高度越高，在蒸发面处的硝态氮含量越高。这是由于硝态氮自身在土壤中是不会运动的，其运移是伴随着水分在土壤中的运动同时进行，从图2和图3中也可反映出。

（2）本文试验中保水剂施加最大高度在距地下水位15 cm处，若继续增大施加高度保水剂对土壤吸水性的增加是否显著，对硝态氮的运移影响是否还如图3所反映的情况相似，还需进一步试验找到临界位置，用以确定保水剂最佳施加高度。