南疆绿洲棉田冬灌期灌排水氮含量特征研究

2021-06-24本秋平徐俊杰吕双庆

塔里木大学学报 2021年2期

本秋平，徐俊杰，吕双庆

（塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300）

新疆南疆属于典型的干旱绿洲农业区，水资源短缺与耕地盐渍化问题严重制约着农业生产可持续发展。为保证作物正常的生长发育，南疆地区普遍实施冬春季灌溉洗盐，大定额灌水以降低土壤盐分含量[1-2]，冬灌水量普遍在3 500～4 000 m3·hm-2之间，春灌水量大多为 3 750 m3·hm-2[3]。高定额灌水降低土壤耕作层盐分含量，同时产生大量农田排水，也造成土壤养分流失[4]。

棉花生育期滴灌措施产生少量农田排水，而棉田冬春灌措施是产生大量农田排水的主要原因，棉花作为南疆主要的经济作物，根据统计资料显示，2020年南疆地区棉花种植面积达1.078×106hm2，占全疆地区棉花种植面积的66.8%，生长发育过程中均需大量的水和养分，塔里木灌区棉花生育期适宜灌溉定额为 3 091～3 464 m3·hm-2[5]，产生的排水经由农排、支排和干排后排入河流或沙漠。

农田排水是养分和农药等物质进入水体的主要途径[6]。有研究发现农田中养分元素随排水进入周边水体[7-8]，北方地区农田大量灌水后造成排水中携带大量氮、磷元素[9]，宁夏排渠水总氮、铵态氮、硝态氮浓度均表现为超标，造成水体污染[10]，焉耆地区冬灌后排水中硝态氮浓度增加，对比《地表水环境质量标准》其超出率为57%[11]，因此农田排水中携带大量未被有效利用的氮元素。南疆地区农田灌排系统完善，但关于其农田灌排水中氮含量特征研究较少。故本试验以南疆阿拉尔垦区为研究区域，研究南疆绿洲冬灌前及冬灌后棉田灌排水氮含量特征，为农田排水资源化利用、农业生产中水肥管理及生态环境建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿拉尔垦区位于塔里木河上游，属于冲积平原，地势由西北向东南倾斜，年平均气温在10.6～11.5℃之间，无霜期为187～233 d，昼夜温差大，常年干旱少雨，年平均降水量在46.7～61.2 mm，年蒸发量达1 877.5～2 337.4 mm[12]。自西向东贯穿垦区的塔里木河（以下简称为塔河）为农业生产用水的主要来源，多年平均天然径流量为398×108m3，枯水期干流的水量仅为14.08×108m3。垦区内主要经济作物为棉花[13-14]，沿塔河上游两侧起始分布团场为7团和16团，中游两侧分布10团和12团，下游垦区末端为14团。为保证垦区内作物用水需求，以多浪水库为源头，沿塔河流向修建贯穿阿拉尔垦区的独立灌渠。灌渠水经过棉田灌溉以及冬春灌淋洗耕地后形成棉田排水，冬灌前棉田排水较少，排渠中除生育期积累的排水外还积累雨水，冬灌期对棉田进行了大量灌水，从而排渠水量较为充盈。棉田排水经由农排、支排和干排，最终汇入塔河。

1.2 试验设计

在阿拉尔垦区内塔河两侧河岸分别选定种植成片棉田的7团、16团、10团、12团、14团采集棉田灌排水样，每个团场均具有独立灌排系统，且灌溉水来源一致，排渠系统各自独立。冬灌前、冬灌后采样时间分别为2019年11月2日—11月3日、11月16日—11月17日。棉田灌排水体流向为塔河、灌渠、农排、支排和干排如图1所示。灌溉水分为塔河与灌渠，棉田排水分为农排、支排、干排。采样点设定以7团为例，塔河、灌渠各设定采样点1个，于相邻棉田间选定3条农排，设定3个采样点；支排设定3点对应为3点农排水排出后同侧点位；干排距农、支排位置较远，于农、支排对应汇入的干排等距设置3个采样点。其余团场采样点设定方式均与7团一致，每点3次重复，采集0～30 cm深的水样，使用直立取水器取样，采集后样品存入高密度聚乙烯瓶，立即带回实验室，过滤处理后保存于4°C的冰箱中待测。

图1 棉田灌排水流向示意图

1.3 测定方法

铵态氮采用靛酚蓝比色法[15]，使用可见分光光度计进行测定；硝态氮采用紫外分光光度法[16]，总氮用硫酸钾氧化-紫外分光光度法[17]，两者均使用仪器TU-1900双光束紫外分光光度计测定。利用Excel 2016和SPSS 26.0进行数据统计与处理。

2 结果与分析

2.1 棉田灌排水铵态氮浓度特征

由图2可知，冬灌前、冬灌后棉田排水中铵态氮浓度显著高于灌溉水，冬灌前棉田排水和灌溉水铵态氮分别为 0.337 mg·L-1、0.198 mg·L-1，棉田排水铵态氮较灌溉水升高0.139 mg·L-1，升高70%；冬灌后棉田排水和灌溉水铵态氮浓度分别为0.756 mg·L-1、0.280 mg·L-1，棉田排水浓度是灌溉水的2.702倍，高出0.476 mg·L-1，升高170%。

冬灌前与冬灌后铵态氮浓度对比，灌溉水中冬灌后是冬灌前的1.409倍，高出0.081 mg·L-1，升高41%；棉田排水中冬灌后是冬灌前的2.244倍，高出0.419 mg·L-1，升高124%。由此得出，冬灌前与冬灌后棉田排水中铵态氮浓度均高于灌溉水，灌水经农田排出后铵态氮浓度上升，冬灌后棉田排水中铵态氮浓度最高，冬灌是造成棉田排水中铵态氮浓度增加的主要原因。

图2 冬灌前及冬灌后棉田灌排水铵态氮浓度

由图3可知，冬灌前灌溉水中塔河水与灌渠水中铵态氮浓度分别为 0.203 mg·L-1、0.196 mg·L-1，二者无显著差异，棉田排水中的农排、支排、干排水的铵态氮浓度无显著性差异，其中干排水浓度最小，为0.305 mg·L-1，支排水浓度最大，为0.374 mg·L-1，二者相差0.069 mg·L-1，灌溉后产生的棉田排水经由农排、支排最终汇入干排。农排、支排水比干排水中铵态氮浓度分别降低0.024 mg·L-1、0.069 mg·L-1，下降7%和18%。冬灌后灌溉水中塔河水与灌渠水的铵态氮浓度无显著性差异，分别为 0.273 mg·L-1、0.283 mg·L-1；冬灌后棉田排水中农排水铵态氮浓度显著高于支排、干排水，分别为 1.071 mg·L-1、0.608 mg·L-1、0.714 mg·L-1，棉田排水中支排水浓度最小，农排水浓度最高，之间相差0.463 mg·L-1。农排水比干排水中铵态氮浓度降低33%，支排水比干排水中铵态氮浓度上升17%。

图3 冬灌前及冬灌后灌排渠水体铵态氮浓度

冬灌前与冬灌后的铵态氮浓度对比，塔河、灌渠水中浓度分别高 0.070 mg·L-1、0.088 mg·L-1，升高34%、45%，灌溉水中浓度高的水体由冬灌前的塔河变为冬灌后的灌渠；农排、支排和干排水中铵态氮浓度均为增加趋势，高出 0.742 mg·L-1、0.234 mg·L-1、0.409 mg·L-1，分别升高226%、63%、34%。棉田排水中铵态氮浓度高的水体由冬灌前的支排水转变为冬灌后的农排水。

2.2 棉田灌排水硝态氮浓度特征

由图4可知，冬灌前棉田排水中硝态氮浓度显著高于灌溉水，分别为0.753 mg·L-1、0.417 mg·L-1，棉田排水较灌溉水高出0.336 mg·L-1，是灌溉水的1.806倍，升高81%；冬灌后棉田排水中硝态氮浓度同样显著高于灌溉水，分别为1.602 mg·L-1、0.670 mg·L-1，棉田排水是灌溉水的2.390倍，增加139%，增加量为0.932 mg·L-1。冬灌前与冬灌后硝态氮浓度对比，灌溉水中冬灌后是冬灌前的1.608倍，升高61%，高出0.253 mg·L-1；棉田排水中冬灌后是冬灌前的2.128倍，升高113%，高出0.849 mg·L-1，冬灌对棉田排水中硝态氮浓度影响较大。由此得出，冬灌前与冬灌后棉田排水中硝态氮浓度均高于灌溉水，灌水经农田排出后硝态氮浓度上升，冬灌后棉田排水中硝态氮浓度最高，冬灌是棉田排水中硝态氮浓度增加的主要原因。

图4 冬灌前及冬灌后棉田灌排水硝态氮浓度

由图5可知，冬灌前灌溉水中塔河水与灌渠水的硝态氮浓度无显著差异，分别为0.398 mg·L-1、0.428 mg·L-1；棉田排水中农排、支排、干排水的硝态氮浓度分别为 0.791 mg·L-1、0.823 mg·L-1、0.660 mg·L-1，其中干排水硝态氮浓度与农排、支排水无显著性差异，干排水浓度最小，支排水浓度最大，之间相差0.163 mg·L-1。农排、支排水比干排水中硝态氮浓度分别下降 17%和 20%，减少量分别为 0.131 mg·L-1、0.162 mg·L-1，冬灌前棉田排水量小，排水在支排中停留时间久累积量多。

图5 冬灌前及冬灌后灌排渠水体硝态氮浓度

冬灌后灌溉水中塔河与灌渠的硝态氮浓度无显著性差异，分别为0.728 mg·L-1、0.636 mg·L-1，塔河水比灌渠水高0.092 mg·L-1；冬灌后棉田排水中农排水硝态氮浓度显著高于支排、干排水，分别为2.760 mg·L-1、1.296 mg·L-1、1.213 mg·L-1，其中干排水浓度最小，农排水浓度最大，之间相差1.547 mg·L-1。农排、支排水对比干排水硝态氮浓度分别下降56%和6%，棉田排水渠中硝态氮浓度排序为农排＞支排＞干排，硝态氮汇入塔河前在各级排渠水中浓度呈递减趋势。

冬灌前与冬灌后硝态氮浓度对比，塔河、灌渠水中浓度分别高出 0.330 mg·L-1、0.207 mg·L-1，分别升高83%、48%，浓度高的水体从冬灌前的灌渠水转变为冬灌后的塔河水，与铵态氮变化相反；农排、支排和干排水中浓度均为上升趋势，分别高出1.969 mg·L-1、0.473 mg·L-1、0.553 mg·L-1，分别上升 249%、58%、84%，其中农排水增加量最大，棉田排水中浓度高的水体由冬灌前的支排水转变为冬灌后的农排水，与铵态氮变化趋势一致。

2.3 棉田灌排水总氮浓度特征

由图6可知，冬灌前棉田排水中总氮浓度显著高于灌溉水，分别为1.710 mg·L-1、0.948 mg·L-1，棉田排水是灌溉水1.805倍，升高80%，高出0.763 mg·L-1；冬灌后棉田排水总氮浓度显著高于灌溉水，浓度分别为3.344 mg·L-1、1.308 mg·L-1，棉田排水较灌溉水高出2.037 mg·L-1，是灌溉水的2.557倍，上升156%。冬灌前与冬灌后的总氮对比，灌溉水冬灌后较冬灌前高出0.360 mg·L-1，是冬灌前的1.380倍，上升38%；棉田排水冬灌后较冬灌前高出1.634 mg·L-1，是冬灌前1.955倍，升高96%，棉田排水总氮浓度受冬灌影响程度高。

图6 冬灌前及冬灌后棉田灌排水总氮浓度

由图7可知，冬灌前灌溉水中塔河水与灌渠水的总氮浓度无显著性差异，浓度分别为0.879 mg·L-1、0.989 mg·L-1；棉田排水中总氮浓度排序为农排＞支排＞干排，其中农排水显著高于干排水，干排水浓度最小，为1.389 mg·L-1，农排水浓度最大为2.080 mg·L-1，之间相差0.691 mg·L-1。农排、支排水对比干排水中总氮浓度分别下降33%和23%，减少量分别为0.691 mg·L-1、0.421 mg·L-1，排水在汇入塔河前各级排渠中总氮浓度依次降低，这一变化趋势与冬灌前铵态氮和硝态氮均不相同。

图7 冬灌前及冬灌后灌排渠水体总氮浓度

冬灌后灌溉水中塔河水与灌渠水总氮浓度无显著性差异，浓度分别为 1.394 mg·L-1、1.256 mg·L-1；棉田排水中农排、支排、干排水的总氮浓度分别为5.552 mg·L-1、2.910 mg·L-1、2.455 mg·L-1，与冬灌前变化趋势一致。农排、支排水比干排水总氮浓度分别减少 3.098 mg·L-1、0.455 mg·L-1，下降 56% 和16%，排水中总氮浓度在各级排渠中依次降低趋势，这一变化趋势与冬灌前总氮、冬灌后硝态氮变化一致。

冬灌前与冬灌后的总氮浓度对比，塔河、灌渠水中浓度为上升趋势，增加量分别为0.515 mg·L-1、0.267 mg·L-1，分别升高59%、27%，灌溉水中浓度高的水体从冬灌前的灌渠水变为冬灌后的塔河水，与硝态氮变化一致；农排、支排和干排水中增加量较大，分别升高167%、61%、77%，其中农排水上升量最大。冬灌前与冬灌后棉田排水中浓度最高的均为农排水，与铵态氮和硝态氮变化均不同。

3 讨论

本研究显示冬灌前与冬灌后均存在棉田排水中铵态氮、硝态氮、总氮浓度显著高于灌溉水，美国中西部农业生产中瓷砖排水中的铵态氮、硝态氮浓度同样高于灌溉水[18]，灌溉退水后棉田排水铵态氮、硝态氮、总氮浓度增加。常规暗管排水与改进暗管排水试验均存在排水后铵态氮与硝态氮排放量增加，排水口二者浓度增加[19-20]，本试验与其研究结果相同。前人研究灌水时期对棉田灌排水体中铵态氮、硝态氮、总氮浓度有一定影响，冬灌前距棉花生育期最后一次灌溉时间较长，因此灌排渠中水量较少，棉田排水在排渠中停留时间较长，浓度较低。冬灌后为灌溉水与棉田排水的丰水期，排渠中排水流速快、停留时间短，故此冬灌后排渠水体氮素浓度高于冬灌前。冬灌前后铵态氮浓度在各级排渠中变化与内蒙古河套区域灌水前后变化趋势相同，灌溉退水后其浓度增加[21]。硝态氮浓度占总氮比例高于铵态氮，与宁夏灵武灌区农田排水中主要氮素成分结果一致[22]，冬灌后水体在有氧环境中有利于硝化作用发生，将铵态氮氧化为硝态氮，故此硝态氮浓度上升[23]。

棉田排水中铵态氮、硝态氮、总氮浓度受冬灌影响程度高，其中农排水中三者浓度受影响最大，农排水体中铵态氮、硝态氮和总氮浓度均显著高于支排、干排水。由前人研究中可知农田排渠对氮素去除率在9.3%～92%之间不等，氮素在排渠中受底泥吸附作用、水生植物的吸收利用和微生物的分解与转化影响，浓度逐级降低，本试验农田排水中铵态氮、硝态氮与总氮经由各级排渠汇聚于干排水中，干排水中铵态氮、硝态氮、总氮浓度均低于农排水，呈现下降趋势，与前人研究变化趋势相同[24]。冬灌时期气温低于0℃，水体结冰后含氧量下降，排渠中微生物和植物数量也随之下降，故此农排水中氮素的浓度较高。

水体中总氮包含铵态氮、亚硝态氮、硝态氮以及大部分有机氮化合物中的氮素，根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），总氮浓度为水体质量判断的因素之一，本研究中冬灌前与冬灌后灌排水体总氮浓度范围是0.948～3.344 mg·L-1，冬灌后棉田排水中总氮浓度超出Ⅴ类农业用水标准。无机氮与有机氮长时间存在水体中导致二者之间相互转换[25]，冬灌后棉田排水以无机氮为主，若排水可回灌棉田既可提高水资源高效利用率，也能充分利用棉田排水中氮含量。为此尚需进一步明确既可淋洗耕地盐分保证作物正常生长的最适冬灌定额，又使耕地氮素损失量降到最低，对改善生态环境、维护塔河水质以及农业可持续发展等方面都具有积极的效应。