控制排水条件下旱地排水及氮素流失规律研究

黄志强,袁念念

(1.广西水利科学研究院水资源与节水灌溉技术研究所,广西南宁 530023;

2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室,湖北武汉 430072)

近年来,随着我国农业产业化进程的加快,农业生产中化肥使用量逐渐增多,超量和超标的农田排水使河流、湖泊、土壤遭受严重的污染。2009年农田灌溉耗水量占全国年耗水总量的66.4%,排水率高达37%[1]。李凤华等[1]研究发现,广西海洋入海污染负荷中70%以上来自入海河流,而河流中90%以上的污染负荷来自农业面源污染。我国很多学者对农田氮素流失规律进行了研究。张福珠等[2]的试验表明：通过土壤-植物系统流失的氮素以NO-3-N为主,NO-2-N次之,NH+4-N只占很小部分。黄满湘等[3]的研究表明：农田暴雨径流氮养分的流失量和累积径流量成正相关。张展羽等[4]对南方红壤地区果园氮、磷流失的研究结果表明：水土流失是氮、磷流失的主要原因,采用草皮覆盖措施能有效减少氮磷流失。国内外大量研究结果表明[5-10],通过在田间排水系统设置控制设施来调节田间地下水位,能起到实现排水再利用、治理渍害、减少排水对承泄区污染的作用。罗纨等[11]以宁夏银北灌区为例,探讨了控制排水对于减少灌溉用水量及合理调节控制水位对于控制盐碱化的作用。殷国玺等[12]在南方丘陵地区通过多目标控制排水模型探求了非劣控制排水时间。袁念念等[13]也通过试验得出结论：实施控制排水可以减少排水量,从而减少氮素流失。本文通过对照试验,对水氮流失过程和流失量进行分析,探讨大田中水氮流失与地下水控制水位的关系。

1 试验方法

1.1 试验区概况

荆州丫角排灌试验站位于四湖水系中部,东经112°31′,北纬30°21′,海拔高程29.4m。试验场地傍靠四湖总干渠,地下水位常年较高。地势平坦,土壤肥沃,土质为中壤黏土,孔隙率为65%,田间持水量0～15cm内为47.3%,16～40cm内为30.7%。耕作层氮、磷、钾质量分数分别为2.5,1.5,15mg/kg。多年平均气温16.5℃,多年平均降雨量1122.0mm,多年平均水面蒸发量977.4mm,多年平均日照时数为1552.0h,无霜期280d左右。站址在平原湖区具有一定的代表性。

图1 试验田布置(单位：m)Fig.1 Layout of experimental plots(Unit：m)

1.2 试验田布置

试验田总面积3800m2,长76m,宽50m,沿长度方向被分成5块相邻的田块,相邻田块之间用深1.2m、宽0.2m的硬化水泥田埂加防渗膜分隔开,在田块的南端有一条1.5m深的排水沟。试验田块由东向西依次编号为E,A,B,C,D,其中E无地下暗管排水,可近似处理成控制水位为0的地下暗管排水,A,B,C,D田块为地下暗管控制排水。控制排水田块埋设有1m深的暗管,田块中间布置有地下水位观测井,具体布置见图1。

试验设计将A,B,C,D田块的暗管排水水位分别控制在地面高程以下30cm,50cm,80cm,100cm。为了控制不同田块的暗管出水水位,在控制排水田块暗管出口处安装本试验专门设计的水位控制器(见图2)。该水位控制器由多个三通管连接而成,控制某一水位出流时,只需将相应高程的三通管出口打开,其余出口堵死即可。暗管出口及水位控制器用水池砌起来,水池内壁进行防渗处理,池顶安设一混凝土盖板,可以阻绝雨水的降落以及杂物进入,确保试验的精度和设施的完好。池子底部接大表和小表2个水表。排水量大时2个表全开,流量小时只开小表。水表进水口设过滤网,防止杂物进入堵住水表。地表排水口同样用水池砌起并安装2个水表,用于测定地表出水流量。

图2 水位控制设施示意图Fig.2 Schematic map of water level control device

1.3 测定项目及方法

旱地在降雨之后产生径流的次数较少,而且试验地区大的降雨一般发生在6—8月,所以本试验对氮素径流流失的测定主要在7—8月,其他时间发生大降雨引起的氮素径流流失量可以根据观测期间的规律做出一般性推断。

本试验观测的主要有4次排水过程,分别是2008年7月23日(记为D723)、2008年8月15日(记为D815)、2008年8月30日(记为D830)、2009年9月10日(记为D910)(日期均为主要排水发生的时间),4次排水过程对应的分别为2008年7月22日降雨(持续7d,最大日降雨量49.7mm,总降雨量58.8mm)、2008年8月15日降雨(持续4d,最大日降雨量113.6mm,总降雨量127.4mm)、2008年8月29日降雨(持续4d,最大日降雨量76.6mm,总降雨量118.4mm)、2009年9月10日灌水(持续1d,灌水量为90mm)。分别对4次排水过程引起的地表、地下排水量,排水中氮素含量以及氮素径流流失量进行测定分析。

排水量由各个排水口的水表读出;水样硝氮质量浓度测定采用双波长比色法,铵氮质量浓度测定采用纳氏试剂比色法,全氮质量浓度测定采用碱性过硫酸钾消煮法。降雨开始后,密切关注各处理田块地表地下排水口出水情况,一般大的降雨后会较快产生排水;排水口出现排水时,记录下出水时刻,并读取水表的读数,同时取排水水样测定其硝氮、铵氮和全氮的含量;之后,每2～3h读取排水口流量读数和取样,一直到排水口无排水为止。

2 试验结果和数据分析

2.1 雨后控制排水量分析

根据各个田块排水口水表读数,统计不同田块4次排水过程的排水量,结果如表1所示。由表1可知,D723,D815,D830,D910 4次排水过程中最大排水量均由D田块产生,排水总量所占降雨量的比例分别达到65.84%,48.90%,55.42%,10.95%;最小排水量均由A田块产生,占降雨量的比例为15.27%,8.46%,19.16%,0。由此可知,对于旱作地而言,总排水量占降雨量或灌水量的比例是很可观的,平均比例最大为30.65%(D830);排水量相差较大,控制排水和自由排水的排水量占降雨量比例之差最大可达50%。因为降雨或灌水中的很大部分损失在田面入渗,当降雨强度或灌水强度大于入渗强度时,就会产生地表径流;当旱地有效土层达到田间持水量时,就会发生深层渗漏和地下暗管排水,即排水量的大小也取决于降雨或灌溉前的土壤水分状况。如D910,此次灌水之前,试验站地区经历了罕见的干旱少雨情况：1个多月不见明显降雨,70多天仅有73.4mm的降雨量,所以,D910虽然有90mm的灌水量,但是各田块平均排水量仅为2.53mm(占降雨量的比例为2.81%),最大排水量仅为95.84mm(占降雨量的比例为10.95%),甚至有2个处理田块没有出水,这与其余3次排水有很大的差异。

表1 各田块单位面积排水量Table1 Drainage discharge from plots per unit area

控制排水田块中,除D830的A田块和D910的A田块,其他田块暗管排水量均大于地表排水量。由此可知,暗管排水条件下,暗管排水是排水的主要形式。通常情况下,当降雨强度达到一定程度时,地表会很快形成径流,此时地表排水口可以及时排除地表积水,这对于旱作物来说是很必要的。但地表排水持续的时间一般较短,排水总量不大;暗管排水则持续的时间较长,一般有3～7d。

表2 控制排水田块相对自由排水田块减排率Table 2 Relative reduction rates of drainage discharge in controlled drainage plots compared with freedrainage plots

表2为不同暗管控制水位田块相对自由排水田块总排水量的减少值与自由排水总排水量的比值。从表2可知,暗管控制水位田块的总排水量相对自由排水田块明显减少;暗管控制水位田块相对减排率不低于40%;对ABC 3块暗管控制水位田块,控制水位越高(即控制地下水位埋深越浅),减排效果越明显。如D723从C田块的61.5%增加到A田块的76.8%,D815从C田块的54.1%增至A田块的82.7%。但是,除了D910外,其余3次排水都出现E田块总排水量逆势增加的情况。具体分析数据发现,E田块的地表排水量一直居高不下,这可以理解为暗管排水对地表排水的反馈作用,当暗管控制水位高到一定程度以致影响降雨的稳定入渗时,地表排水量必然相应增加。E田块无暗管控制排水(即暗管控制水位为0cm),导致地下排水严重滞后,从而出现地表排水量居高不下的现象。

从表1可知,暗管排水量有明显的随暗管控制水位升高而减少的规律,说明暗管排水水位控制有效地控制了暗管排水量。从表1还可看出,暗管控制排水显著减少了暗管排水量,4次排水中D田块的暗管排水量是C田块的2～4倍,是A田块的5～8倍。各处理田块的地表排水量没有表现出明显的与暗管控制水位的相关性。ABCD田块的地表排水量都比较接近,只有E田块的地表排水量为其他田块排水量的4～5倍,其原因可能是由于E田块没有地下排水通道,田间积水都经过地表排出。从这一现象可以看出,暗管控制水位在地表以下30 cm及以下不会对地表排水量产生明显影响,而如果再抬高的话,就会严重影响降水和灌溉的入渗,阻碍水流的地下排放,从而增加地表排水压力,不仅不能减少总排水量,而且还会增加地表土壤中养分及氮素的流失。

2.2 氮素径流流失过程分析

对于氮素径流流失过程的分析,选取D723,D815,D830排水过程(D910排水由于持续时间较短、取样较少,不进行过程分析)为代表来进行分析。3次排水过程排水中硝氮、铵氮和全氮3个氮素水质指标测定结果见图3和图4。

从图3可以看出：(a)3次暗管排水铵氮质量浓度很低,基本在1mg/L以下;硝氮质量浓度一般在4mg/L以下;全氮质量浓度较高,但也只有10mg/L左右。说明暗管排水氮素质量浓度较低。(b)各田块排水中硝氮质量浓度变化规律明显,初始时较小,逐渐增大到峰值后又逐渐减少;铵氮质量浓度变化无明显规律;全氮质量浓度变化规律与硝氮相似。(c)初步发现,A田块暗管排水硝氮质量浓度较其他田块高,但各形态氮素质量浓度与控制排水与否及控制排水水位高低无明显关系。

从图4可以看出：(a)排水一般持续时间较短,各形态氮素质量浓度随时间变化较小。(b)各次排水全氮质量浓度最高,硝氮和铵氮质量浓度视雨量大小而异,但硝氮质量浓度一般不超过4mg/L,而铵氮质量浓度在8月15日降雨后超过10mg/L。

2.3 氮素径流流失量分析

2.3.1 暗管氮素径流流失

根据实测的暗管排水过程中排水流量和排水水质,得出每次排水过程中各个田块暗管氮素径流流失量,见表3。从表3可以看出,铵氮的排放量均随着暗管控制水位的升高而减少,并且,通过分析发现,铵氮排放量与暗管排水量的相关性似乎更明显。对4次排水过程的铵氮排放量和暗管排水量进行线性回归,发现两者拟合度达到0.9441,分析结果见图5。

由图5可见,铵氮的排放量和排水量呈正相关关系,分析原因可能为铵态氮盐容易吸附于土壤颗粒上,在水中的溶解度很小,而暗管排水中土壤悬浮颗粒较少,所以总体上来说暗管排水中铵氮含量较低且较稳定。从实测资料中可知,暗管排水量与暗管控制水位的相关性很强,控制暗管排水水位可以有效地控制暗管排水量,从而有效地控制暗管中铵氮流失量。

暗管径流硝氮和全氮排放量有随暗管控制水位升高而减少的趋势,但是,除D910外(长期缺水后灌溉,A田块没有出现排水排氮),其余3次排水中硝氮和全氮的排放量最小的均是B田块,而不是控制水位最高的A田块,即硝氮和全氮的排放量并不是严格随控制水位升高、排水量的减少而减少。

对D723和D815进行分析后发现,硝氮和全氮的排放量在这2次排水过程中有明显的B田块低于C田块低于D田块的规律,即在这3个处理田块中,硝氮和全氮排放量随控制水位提高、排水量减少而减少,而A田块的硝氮和全氮排放量都呈现异常的增加,一般介于C和D之间(只有D815的全氮排放量介于B和C之间),具体原因仍有待进一步的研究。由于D910中A田块的排水、排氮量均为0,所以无法印证上述的规律,但是B田块低于C田块低于D田块这一规律还是很明显的。另外,在这3次排水过程中,控制排水田块的硝氮和全氮排放量均显著低于自由排水田块,一般减少40%～60%。

图3 D723,D815,D830暗管排水水质Fig.3 Pipe drainage water quality of D723,D815,and D830

与D723和D815一致,D830中A田块硝氮和全氮排放量反常增加(介于B和C之间)。但是,D830中自由排水的D田块的硝氮和全氮排放量显著减少,甚至比控制排水田块的排放量还小,与次小的B田块值较接近。对此,可能的原因是2008年7—8月连续有多场产生排水的暴雨出现,而且密度较大(7月4日次降雨62.1mm,7月23日次降雨58.8mm,8月15日次降雨127.4mm,8月29日次降雨118.4mm),导致土壤中易溶的硝态氮、亚硝态氮等大量随入渗水流淋失到有效土层以下或者随暗管径流流失到周围环境水体中。可见,短期内后一次暴雨导致的暗管径流硝氮、全氮流失量必然受到前一次大量氮素流失的影响。

D723和D815排水过程中,D田块硝氮和全氮大量随暗管径流流失,而且显著大于控制排水田块,有效土层氮库中的硝氮和全氮含量减少,导致后期暴雨后硝氮和全氮的排放量降低。由表4可见,D723中控制排水田块的硝氮和全氮排放量相对D田块减少35%～93%,而D815中硝氮和全氮排放量的相对减少率均降低,为23%～84%,所以从D723到D815,自由排水D田块的硝氮和全氮排放量相对减少了。在这一趋势下,D830中D田块的硝氮和全氮排放量出现小于暗管控制排水田块有其合理性。虽然在D830中出现自由排水田块硝氮和全氮排放量小于暗管控制排水田块的情况,但是暗管控制排水作为一种有效的控制排水和排氮的措施,减缓了土壤中氮素的径流流失量,总体上减少了氮素的排放,减轻了对周围水环境的污染。

图4 D723,D815,D830地表排水水质Fig.4 Surfacedrainagewater quality of D723,D815,and D830

图5 暗管铵氮排放量与暗管排水量相关分析Fig.5 Correlation between discharge of ammonia nitrogen and pipe drainage discharge

2.3.2 地表氮素径流流失量

本试验并未直接对地表排水进行控制,但地下、地表排水本身是密切相关的。为了解暗管控制排水对地表水氮素流失的影响,对地表排水量和氮素流失量进行分析,见表5。

分析表5可知,地表排水、排氮量并未表现出与暗管控制水位明显的相关性。但是可以发现,E田块在D723和D815中的硝氮、铵氮和全氮排放量均明显地大于其他田块,而B田块在3次排水过程中铵氮排放量均是各田块中的最小值或近似最小值。在D830中,D田块排水量、氮素流失量均显著低于控制排水田块。影响地表氮素径流流失量的主要因素有田面的地形、地貌、气候、土壤和植被情况等,对于地表径流流失规律的研究需要进一步研究探讨。

表3 暗管氮素径流流失量和排水量Table 3 Nitrogen loss and drainagedischarge from subsurface drain pipe

表4 控排田块相对D(100cm)田块水氮排放减少率Table4 Relative reduction rates of drainage discharge and nitrogen loss in controlled drainageplots compared with plot D

表5 地表排水量及氮素径流流失量Table5 Surface drainage dischargeand nitrogen loss

3 结 论

a.暗管排水条件下,排水的主要形式是暗管排水,暗管总排水量有随控制水位降低而增加的趋势,控制暗管排水水位能有效地控制降雨后旱地排水量。

b.各田块暗管排水中硝氮质量浓度变化规律明显,初始时较小,逐渐增大到峰值后又逐渐减少;铵氮质量浓度较低且变化无明显规律;全氮质量浓度变化规律与硝氮相似;地表排水各形态氮素质量浓度随时间变化较小。

c.暗管铵氮排放量与暗管排水量呈明显线性相关,径流氮素流失量总体上随田块暗管控制水位升高而减少。

d.地表氮素径流流失量的影响因素较多,未能表现出与暗管控制水位明显的相关关系。

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