硝态氮在土壤/地下水中动态变化特征

王志敏

（河北省煤田地质局新能源地质队，河北 邢台 054000）

0 引 言

我国作为一个农业大国，农田土壤中硝态氮的淋失日益严重，土壤中的肥料约有30%～50%淋失而进入地下水。目前对硝态氮运移规律的研究主要采用扰动土样，把土壤和地下水作为两个相对独立的系统分别进行研究，初步揭示了氮素的淋失规律。

本文对冬小麦-夏玉米整个生育期不同深度土壤硝态氮、铵态氮和含水量进行动态监测，结果表明：施肥明显增加土壤硝态氮含量；降雨和灌溉量增加硝态氮淋失量；硝态氮垂直变化明显，20 ～40 cm 处硝态氮储量最大；土壤铵态氮含量下层垂直变化不明显，含量比较低。应用Hydrus-1d 软件建立田间土壤水硝态氮溶质运移模型，应用该模型对土壤水和硝态氮模拟分析，模型模拟值和实测值吻合度比较高，模拟结果较理想。

1 材料与方法

试验地主要由第四系全新统松散堆积物、洪冲积物组成，其地层结构简单、层序清晰。属暖温带、沿海湿润季风气候区，空气湿润，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，地下水埋深5 m 左右，土壤主要为棕壤。

试验用农作物为小麦-玉米一年两作，冬小麦每年10 月中旬播种，次年6 月上旬收获。夏玉米6 月中旬播种，9 月下旬收获，播种方式均为机播。

为了探讨不同施肥量及灌溉量对土壤及地下水硝态氮污染的研究，确定了以下实验因素处理。氮因素分为3 个水平，灌溉量分为2 个水平。

2 结果与分析

2.1 硝态氮动态变化

不同深度土壤硝态氮及土壤水分含量见表1。

表1 不同深度土壤硝态氮及土壤水分含量Table 1 Nitrate nitrogen and soil moisture content in different depths

氮肥进入土壤后，其基本归宿主要有被作物吸收、以无机态残留和淋失或固持3 个方面。土壤中硝态氮含量全年会分别出现越冬期、四月份和八月份3 个明显的峰。越冬期土壤硝态氮含量比较高，原因是秋收后玉米秸秆还田，播种冬小麦时基肥翻埋，为土壤中储存了大量氮素，冬季又气温低，微生物活动能力下降，土壤中含氧量下降，植物几乎停止生产，故土壤保持肥沃状态。

春天气温升高，作物开始生长，土壤表层中空隙多，通透性较好，氧化还原电位高，复合肥经水解作用生成铵态氮经由硝化作用易生成硝态氮，随降雨逐渐向土壤深层淋失，土壤中硝态氮含量呈逐渐递减的趋势，表层土壤递减最明显。8 月中旬对夏玉米进行追肥，此时正是雨季且玉米处于大喇叭口期对氮素吸收量大，在短暂出现土壤硝态氮含量升高后，硝态氮含量开始降低，直至10 月份秸秆还田种植冬小麦。

土壤上层硝态氮含量波动性比较大，尤其是表层处，受施肥、灌溉影响大。20 ～40 cm 土层硝态氮储量丰富，全年大部分时期都＞10 mg/kg，氮源充足。不同深度土壤硝态氮平均含量及变异系数均不同，表层及100 cm 土层波动性最强，原因是表层土壤持水性差，蒸发强烈，受外界影响因素大。100 cm 土层含砂土较多，持水性差，土壤含水量在该层变异系数较大，又硝态氮含量受水分影响大，故两者对应关系强。70 cm 土层存在黏土层，持水性较强，故该层变异系数较小。

2.2 Hydrus-1d 水氮联合模型

通过数学模型模拟，可以定量地了解或预测溶质在土壤中的运移行为，对了解其中各过程的相互作用具有很大意义。美国盐土实验室开发的Hydrus-1D 软件是用于模拟饱和-非饱和带的水分运动、溶质、热量运移的软件。本文正是利用经典的Richards 方程和传统的对流弥散方程来描述土壤中水分和硝态氮的运动。

利用Hydrus-1D 软件建立模型，上边界选择浓度通量边界条件，在作物生育期内逐日输入上边界的变量值：灌溉量、降雨量、温度以及溶质通量,下边界选择自由排水边界。土壤中氮素转化过程非常复杂，该模型中做如下假设：肥料施入土壤认为立即全部转化为硝态氮，施肥灌溉后氮的损失率为20%～25%。

土壤剖面各层水力学参数利用RETC 软件获取。将试验得到的土壤砂粒、粉粒、粘粒的百分含量和土壤容重输入软件，利用基于神经网络的土壤转换函数法推求出模拟所需的van Genuchten 模型参数。

地下水硝态氮含量如图1 所示。

图1 地下水硝态氮含量Fig.1 Nitrate content in groundwater

土壤中无机氮的淋失以硝态氮为主，研究硝态氮在含水层土壤中的积累量，对于生态环境保护和氮素化学循环具有重要意义。以往文献对农田土壤、湿地及湖泊中硝态氮积累量都有相关研究，普遍以野外采样测试和同位素计算为主。含水层土壤硝态氮累积量=土壤硝态氮含量×土壤容重×土壤厚度。目前，虽然对土壤和地下水中硝态氮的污染研究比较多，但是关于含水层硝态氮月累积量模型研究还比较少，因此，建立地下水中硝态氮月累积量模型，对深层土壤硝态氮的累积量研究和地下水安全具有很大意义。

氮素在含水层变化复杂，因此在建立模型之前，做如下假设：①以地下水埋深5.0 m 处为起点，研究浅层地下水5.0 m 处及以下硝态氮累积量。②由于含水层环境为弱氧化环境，亚硝态氮和铵态氮含量比较低，忽略亚硝态氮和铵态氮的硝态氮氧化量，只考虑硝态氮的垂直输入量。③含水层硝态氮存在自然衰减，自然衰减率为R。

根据假设条件，（t+1） 月含水层硝态氮量为t月含水层硝态氮剩余量和输入量之和。数学模型表示为：

式中：It+1为t+1 月硝态氮的输入浓度，反映着含水层硝态氮月增加量；Ct为t 月含水层原有硝态氮浓度；Ct+1为t+1 月硝态氮浓度；R 为硝态氮在含水层中自然衰减率。

砂质壤土含水层中硝态氮的自然衰减率为37%～38%。把公式（1） 展开，可以计算得出硝态氮对含水层的月输入量，转化为下式：

地下水中硝态氮月输入量见表2。

表2 地下水中硝态氮月输入量Table 2 Monthly nitrate input in groundwater

地下水中硝态氮的月输入量与降雨量如图2 所示。

图2 地下水中硝态氮月输入量与降雨量Fig.2 Monthly nitrate nitrogen input and rainfall in groundwater

由图2 可得，硝态氮在6 月和8 月向含水层中的淋失量最大，淋失进入含水层较灌溉和降雨具有滞后性。其中冬小麦在4、5、6 3 个月份中由包气带淋失进入含水层的硝态氮含量总和为17.26 mg/L，夏玉米在7、8、9 3 个月份中由包气带淋失进入含水层的硝态氮含量总和为14.782 mg/L。冬小麦生长周期为从前1 年的10 月到来年的6 月，共8 个月，夏玉米生长周期为从7 月到10 月，共计3 个月，所以以单季来算，小麦季淋失到地下水中的硝态氮要远远大于玉米季。因此，小麦季是硝态氮淋失的主要时期，这与毕经伟等的研究结果相一致。研究表明：玉米生长季的硝态氮淋失量小于小麦生长季，而改良施肥和灌溉措施可以大量减少硝态氮的淋失量，与传统法相比，减少74.7%，节约施氮肥420 kg/hm2，节约灌溉水210 mm。

3 结 语

土壤硝态氮含量受灌溉降雨影响大，硝态氮垂直变化明显，20 ～40 cm 处硝态氮储量最大；70 cm 以下土壤铵态氮含量垂直变化不明显，含量比较低。土壤硝态氮含量和水分含量变异系数存在对应关系。

根据硝态氮月累计估算模型分析表明，8 月份含水层硝态氮月累积量最高，淋失到含水层硝态氮量小麦季大于玉米季。