北方典型灌区不同灌期农田系统中氮素迁移特征分析

欧阳威,郭波波,张 璇,郝芳华,孙铭泽,黄浩波 (北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100875)

农业非点源污染主要是指在农业生产活动中农田中的土粒、氮、磷、农药及其他有机或者无机污染物质,在降水或灌溉过程中,通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏,使大量污染物进入水体,造成的污染[1].美国环境保护总署(USEPA)已把农业列为全美河流和湖泊污染的第一污染源[2],在中国河湖的非点源污染也很严重,北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、云南洱海和滇池、上海淀山湖、太湖等水域,非点源污染比例均超过点源污染[3].

黄河流域是我国污染最为严重的地域之一,污染河长在80%以上[4].2007年黄河水资源公报显示,符合Ⅴ类水质标准占评价总河长的 6.8%;劣Ⅴ类水质标准占评价总河长的 33.8%,主要污染物为氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数等.通过对黄河流域的6个子流域(渭河流域、泾河流域、洛河流域、无定河流域、窟野河流域、黄甫川流域)非点源污染物(N、P)的估算表明,95%的全磷、大于 53%的全氮来自于非点源污染,非点源污染是造成黄河污染的主要原因[5].

黄河流域的大部分地区位于我国干旱与半干旱区域内,故长期以来黄河水的绝大部分是供给农业灌溉使用.大量灌溉用水极大地促进了农业的发展,但挟持大量盐类物质和氮磷化合物的灌溉农田退水却使黄河水质不断恶化,农业活动成为了非点源污染的主要来源,因此,黄河流域的农业非点源污染源主要集中在黄河流域上各个引黄灌区[6].

河套灌区是内蒙古乃至全国的重点产粮区,化肥的使用量很大.河套灌区化肥的利用率从20世纪 50年代中期的 52.6%下降到 2000年的26.8%.据研究,施到农田中的氮素肥料半数以上以硝态氮的形式淋洗进入地下水中[7].本研究选取河套灌区杭锦后旗解放闸灌域为研究区,以夏灌和秋浇 2个灌季采集的土壤样品为研究对象,分析灌期前后土壤、浅层地下水和土壤渗滤液中的硝态氮、总氮的分布特征,旨在更深刻、全面地理解灌区氮素的迁移特征,为氮素污染的治理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古河套灌区地处干旱、半干旱地区,位于内蒙古自治区西北部、黄河北岸的冲积、洪积平原.盐土、潮灌淤土和盐化灌淤土是主要的土壤类型,所占面积比例分别为39.07%、30.39%和23.49%,土壤容重为 1.27～1.43g/cm3.灌区农业生产以农作物种植业为主,种植业中以粮食为主,经济作物也占有重要地位.粮食作物主要有春小麦、玉米、糜黍、豆类等,经济作物以向日葵、番茄、甜菜为主.河套灌区地处典型的大陆性气候区,多年平均降水量为 176mm,多年平均蒸发量达2056mm,是降水量的11.7倍,降水量分布极不均匀,夏季降水量(6～8月)占全年降水量的63%～70%[8].因此,河套灌区单靠降雨不能满足作物生长需水,春季播种(春灌)与夏季生长期(夏灌)都需要依靠灌溉来保证农业生产.长期灌溉造成灌区地下水位较高,土壤普遍盐碱化,所以秋天作物收获后,必须进行秋浇(每年 10月份左右的储水淋盐灌溉).根据降雨量及作物生长需水情况,河套灌区灌溉活动可分为春灌(4月底～6月底)、夏灌(7月初～9月上旬),秋浇(9月下旬～10月底),平均灌水4～6次.其中,秋浇期的引水量超过总引水量的60%.

1.2 样品采集及处理方法

选择河套灌区杭锦后旗解放闸灌域为研究区,该区位于河套灌区西部.选择解放闸灌域内 3种典型作物地块作为研究对象,分别为春小麦、玉米、向日葵3种作物,地块大小均在1300m2左右.另外,在同一地区选择相似大小的空白试验田(无作物、不施肥)进行对照,空白试验田除秋浇外均不实施灌溉.由于该地区地处中高纬冻融区,每年的1～3月及12月期间,土壤属于完全冰冻状态,无法取样,因此,取样时间段定为 4～11月,分别采集田间土壤、土壤渗滤液及地下水样品.

土壤样品:研究区的地下水埋深较浅,多年平均地下水深为 1.74m,因此将采样的土层厚度定为130cm.在每个实验地块设2个采样点,利用土钻采取分层采样的方式,采样深度分别为0～10,10～20,20～40,40～70,70～100,100～130cm.采集的土壤样品装入自封袋,挤出空气,密封,标记采样时间、地点及土层深度.硝态氮用2mol/L的KCl溶液浸提后,采用紫外分光光度法测定;总氮用H2SO4消煮后,采用凯氏定氮仪进行测定[9].

地下水样品:在每块实验田中心设置PVC地下水监测井,于2009年夏灌和秋浇前及灌水后2周连续采集地下水样品,同时记录地下水水位.硝态氮采用紫外分光光度法,总氮用碱性过硫酸钾消解后采用紫外分光光度法分析[10].

土壤渗滤液样品:在3块实验田135cm处埋置陶瓷头,于2009年夏灌及秋浇后收集土壤渗滤液,其中水质的测定方法与地下水相同.

2 结果与分析

研究表明,氮的淋失必须具备2个条件:土壤中氮的积累是源,氮的含量越高,越易发生淋失;下渗水流是载体,只有饱和水流的纵向迁移才能引起氮素的淋失[11-12].2009年,试验田地区的降水量不足100mm,集中发生在蒸发量较高的7～9月,且单次降雨量小于 15mm,无法在土壤中产生饱和水流,因此,灌溉是当地氮素发生迁移的主要驱动因素.夏灌(7月 1日)时小麦地块,玉米地块,向日葵地块的灌水量分别为:90,96,86mm,空地未进行浇灌.秋浇(10月20日)时小麦地块,玉米地块,向日葵地块和空地的灌水量分别为 206,226,221,210mm.

2.1 不同灌期各地块土壤中氮素分布动态

分别于2009年夏灌(7月1日)前后(6月22日和7月5日)以及2009年秋浇(10月20日) 前后(10月15日和10月25日)采集土壤样品,针对研究地块较为集中的 2次灌溉进行土壤的分层采样并分析硝态氮与总氮含量,以分析不同灌期氮素的迁移特征.

2.1.1 夏灌期间 硝态氮 灌水前,由于各作物的生长状况与追肥日期有差别,各地块土壤中硝态氮的含量存在明显差异(图1).纵向分布总体上呈现出表层含量最高,20～40cm处硝态氮含量最低,其中小麦地块直至 40～70cm 处达到最低,随后开始升高,100～130cm层趋于稳定.其中表层土壤(0～20cm)硝态氮含量小麦与玉米较高,向日葵最低;20～40cm层玉米地较高,小麦和向日葵地较低;40～130cm层小麦地和向日葵地土壤硝态氮略高;玉米地块的硝态氮含量比其他两个地块含量总体偏高.一方面小麦追肥较早,在 5月 25日,而向日葵自播种起仍未进行追肥,消耗的主要是基肥提供的氮素.另一方面,玉米播种较小麦晚,追肥也较晚,在6月9日,因此玉米地块土壤中的氮素积累较多.

灌水后各地块表层土壤(0～10cm以及 10～20cm)的硝态氮含量明显减小,玉米地块 20～40cm 层的土壤硝态氮含量有明显降低,硝态氮的累积高峰从表层迁移至 70cm 处;另外两块地从40～70cm土层开始,硝态氮含量基本与灌前差别不大,至100～130cm土层时,各地块硝态氮含量趋于一致,无明显差异.由于空地没有进行灌溉,因此灌水后与灌水前相比硝态氮的含量基本没有变化.

图1 夏灌前后各地块土壤中硝态氮含量变化Fig.1 NO3--N contents of six layers in experimental fields during summer irrigation

夏灌后土壤表层含水率明细增加,同时表层土壤中硝态氮含量在灌水后明显低于灌水前.一方面,在灌水条件下,由于温度较高,土壤含水率较大,容易发生反硝化反应,硝态氮变成 NO2和N2[13].另一方面,硝态氮累积高峰的下移也说明硝态氮存在着纵向的迁移[14].向日葵地块施肥量较少,所以 0～20cm 剖面的硝态氮浓度明显低于另外两种地块.由于夏灌时玉米地灌水量高于另外两个地块,因此灌溉后玉米 0～40cm 土层的含水量均明显高于灌水前,相应的硝态氮含量降低程度也比另外两个地块明显,且小麦和向日葵地块土壤中硝态氮含量在0～10cm与10～20cm层减少,在 40cm 以下硝态氮含量开始增加,而玉米地块土壤硝态氮含量的增加从 70cm 开始,这说明夏灌期间玉米地块硝态氮的纵向迁移程度高于另外两个地块.此外,由于玉米和向日葵成熟期较晚,在7月1日夏灌时还处于快速生长期,作物蒸腾作用强度大,在一定程度上抑制了硝态氮的纵向迁移.

有研究表明,土壤中 70%以上的氮是以有机氮的形式存在的[15].因此,土壤中总氮的含量远大于硝态氮,且在种植了作物的田块中总氮含量明显高于空白地块.灌水前,各地块表层土壤的总氮含量差异不明显,玉米与向日葵含量略高于小麦(图2).这是因为小麦的生育期早于玉米和向日葵,在7月1日夏灌时已经接近成熟,对土壤中的氮利用较为充分.除玉米地块外,各地块土壤的总氮含量的纵向分布均呈现先减少后增加的趋势,即表层 0～10cm层含量最高,20～40cm土层含量最低,40～100cm土层总氮含量呈现先增加后减小的趋势,100～130cm层含量趋于一致,与硝态氮的纵向分布规律相似.玉米地块则出现从表层向下略有增加然后逐渐减少的趋势,100～ 130cm层含量有略有增加,与其他两个地块相差不大.这可能是由于玉米地施肥较晚,且采用表层施肥,因此氮素向下迁移较为缓慢.

灌水后,各地块总氮含量相对变化不大,和灌水前的趋势大体一致,即由表层向深层逐层减少,最后趋于一致,且灌水后各地块之间总氮的分布差异也变小.与灌水前相比,玉米地的总氮减少较为明显,说明施肥离灌水时间越近,硝态氮越容易发生纵向迁移,淋失的风险越大.因此,灌水前与施肥的时间间隔越久,硝态氮越不容易发生淋失[16].空地总氮含量相对其他地块较小,且灌水前后的纵向分布差异不明显.

总氮在夏灌前后的纵向分布变化与硝态氮类似,表层土壤中总氮含量在灌水后低于灌水前,因此,夏灌期间氮素的纵向迁移以硝态氮为主要形式.夏灌前后土壤中总氮含量变化不明显,灌水后土壤硝态氮含量相对灌水前有一定程度的降低,土壤硝态氮含量的变化主要发生在耕作层(0～40cm),这与夏季作物根系对氮素的吸收作用有关.此外由于硝态氮携带阴离子,不容易吸附在土壤颗粒上,因此主要以水分的迁移为主要载体[17].

图2 夏灌前后各地块土壤中总氮含量变化Fig.2 TN contents of six layers in experimental fields during summer irrigation

2.1.2 秋浇期间 秋浇时,灌区农作物均已收获,因而此时段土壤中氮素含量的变化排除了植物生长的影响.秋浇采取的是“隔田淹灌”的灌水方式,灌水后农田地表上覆水以及较高地下水位的影响,土钻取样较为困难.结合当地实际情况,将采样时间定为10月15日和11月20日.

硝态氮:灌水前,小麦地块表层土壤的硝态氮含量(25.1mg/kg)比玉米和向日葵地块高.硝态氮在小麦地块土壤中从秋浇表层向下呈先降低后增加的趋势,100～130cm 处的硝态氮含量略有增加(图3).因此,小麦地块的硝态氮主要累积在 40cm 土层以下,其中70～100cm为累积高峰,这与春小麦生育期短(全生育期114 d),当地农民在小麦灌浆期追肥,且灌溉次数频繁,单次灌水量相对较大等因素有关.秋浇期间,小麦地的硝态氮纵向迁移明显.玉米地与小麦地则相反,从表层向下呈现出先增加后减少的趋势,累积高峰出现在 40～70cm.向日葵地块则表现出不同的纵向分布,从表层向下先减少至40～70cm 达到最小,随着土层的增加逐渐回升,这与向日葵施肥次数少且施肥量小有关.空地的总氮基本与夏灌持平,20cm以下的硝态氮含量略有减少,可能是反硝化作用引起的.

图3 秋浇前后各地块土壤中硝态氮含量变化Fig.3 NO3--N contents of six layers in experimental fields during autumn irrigation

图4 秋浇前后各地块土壤中总氮含量变化Fig.4 TN contents of six layers in experimental fields during autumn irrigation

灌水后,小麦地块各层硝态氮含量均低于灌水前,100～130cm 才表现出略有增加的趋势.玉米地硝态氮含量最大的土层为70～100cm,累积高峰向下迁移了30cm,且70cm以下的土层灌水后硝态氮含量高于灌水前.向日葵地灌水后表层明显低于灌溉前,40～70cm 以下的土层略高于灌水前,但差异不明显.空地由于进行灌水,也表现出一定的变化,灌水后各层土壤硝态氮含量略低于灌水前.由于各个地块的硝态氮累积高峰均有不同程度的向下迁移,说明硝态氮在秋浇作用下的流失比夏灌期间明显.

总氮:灌水前,土壤表层的总氮含量随土层的深度增加而逐渐减小,与硝态氮纵向分布趋势略有不同,这说明不同深度的土壤氮组成含量不同,深层土壤铵态氮和有机氮含量相对较高.秋浇前,各地块表层土壤(0～20cm)中总氮含量普遍高于深层,深层土壤中各地块总氮含量相对一致,稳定在 500～700mg/之间(图 4),这是因为在秋浇前作物已经全部收获,0～40cm 层的土壤受作物残留的影响,总氮含量相对深层土壤较高,而深层土壤的总氮含量与夏灌结束时各地块深层土壤的总氮相差不多.空地由于没有耕作施肥活动,从表层至深层总氮含量差异不明显.

灌水后,各地块总氮含量变化与夏灌期不同,各层土壤的总氮含量均呈现出降低的趋势,减少的程度从表层向下递减.

2.2 各地块浅层地下水氮素分布动态

2.2.1夏灌期间 夏灌(7月1日)前3d至夏灌后2周连续采集小麦、玉米和向日葵地块的地下水样,并分析地下水中硝态氮和总氮的浓度(图5).可以看出,夏灌前,各地块地下水中的总氮浓度相差不多,而小麦地块中的硝态氮浓度相对较高.夏灌之后,各地块地下水中的硝态氮比灌水前略有降低,随着夏灌的结束,呈现回涨的趋势,其中玉米和向日葵地变化的幅度相对明显,在灌水后的第4d即7月4日增加至最大值,之后逐渐减少,说明夏季地下水温度相对较高,有利于水体微生物活动,使反硝化的强度增大[18],对地下水中的硝态氮产生稀释作用[19-20].至7月9日,地下水中的硝态氮浓度和6月29日基本持平,之后,硝态氮浓度又略有升高,这可能与7月7日的降雨有关.结合地下水埋深变化可知,玉米地块的浅层地下水在灌溉的驱动下硝态氮浓度升高明显,说明玉米地块存在大量富集的硝态氮.因此,在灌溉发生时,硝态氮随水分迁移迅速进入浅层地下水中.

地下水中总氮的浓度在灌水前后的变化与硝态氮相似,总体上呈现出灌水后总氮浓度逐渐降低然后增加的趋势.但是总氮在灌水前就开始下降,且在灌水当天,总氮浓度下降明显,7月2日、3日起总氮浓度开始上升,至 7月9日(灌水后第8d),各地块总氮浓度趋于稳定,7月9日起又突然下降,且下降幅度明显高于硝态氮,说明7月7日的降雨对地下水的补充对总氮产生了稀释作用.

图5 夏灌前后各地块地下水中氮素浓度变化Fig.5 NO3-N concentration of groundwater in experimental fields during summer irrigation

2.2.2秋浇期间秋浇(10月20日)前 5d采集小麦、玉米和向日葵地块的地下水样,秋浇前后连续 2周采集地下水样品并测定水中硝态氮和总氮的浓度(图 6).秋浇期间,各地块地下水中的硝态氮的变化趋势近似,在灌水前呈现先增加后逐渐减小并趋于稳定的趋势.在灌水后的第3d即10月 22日时地下水中的硝态氮增加至最大值,11月 2日,地下水中的硝态氮浓度开始下降,这与灌区气温逐渐降低直至出现冰冻有关.而地下水中总氮的浓度在灌水前后的变化与硝态氮保持一致,总体上呈现出灌水后总氮浓度逐渐增加后降低的趋势.总氮在10月28日,即灌水后1周出现峰值,随后回落明显.秋浇前后,硝态氮与总氮的浓度比夏灌期间上升明显,这是由于秋浇期间水量较大,增加了浅层地下水中泥沙与有机质的浓度.秋浇期间浅层地下水的温度较低,因此反硝化作用相对不明显,浅层地下水中硝态氮的浓度相对稳定.

秋浇前,地下水中硝态氮浓度在 7.5mg/L左右,秋浇当日,地下水中硝态氮浓度显著上升.秋浇后一周内,地下水中硝态氮浓度均超过了15mg/L,是国际卫生组织标准(10 mg/L) 的1.5倍以上,最严重时接近3倍.可见,秋浇对地下水水质有较大的影响.

图6 秋浇前后各地块地下水中氮素浓度变化Fig.6 NO3-N concentration of groundwater in experimental fields during autumn irrigation

2.3 土壤渗滤液中硝态氮浓度动态

由于土壤渗滤液的收集受土壤含水率等多种因素的影响,所以取样较为困难.夏灌期间灌溉量相对较小,因此仅收集到玉米地块的完整数据,且土壤渗滤液在灌溉后第3d才收集到.秋浇期间灌水量相对较大,灌溉第2d起就有渗滤液的产生.夏灌期间,渗滤液中硝态氮浓度在前4d变化幅度不大,从第 5d起明显降低.秋浇期间渗滤液中的硝态氮浓度相对变化不明显,地块之间可以看出向日葵地块的渗滤液中的硝态氮浓度相对较低,玉米地块较高(图 7).可见,在灌溉期间,渗滤液的产生伴随着硝态氮的迁移,浓度变化幅度不大,是由于硝态氮与土壤颗粒之间的相互排斥作用,使硝态氮比较容易随水流下渗[17].

图7 不同灌期土壤渗滤液中硝态氮浓度变化Fig.7 NO3-N concentration of soil water in experimental fields during summer and autumn irrigation

2.4 硝态氮的淋失量

考虑本次试验区域地下水位多数时间维持在 1.4～1.7m 左右,灌溉后地下水位上升接近至1.3m,因此认为以130cm的厚度为限来计算土壤剖面的硝态氮的淋失是可行的.土壤剖面中硝态氮的淋失量为灌溉前后土体中硝态氮累积量(kg/hm2)的差值[14].

夏灌期间硝态氮的淋失量相对较小.从表 1可见,夏灌时 3种作物地块硝态氮的淋失主要发生在0～40cm的土层.此外,小麦地块在40～60cm土层,玉米地在 60～100cm 土层,以及向日葵地在40～80cm 的土层有少量的富集.小麦和玉米地块的总淋失量较大,超过20kg/hm2,向日葵地块的总淋失量约为10kg/hm2.

农田土壤耕作层一般厚 15～20cm,近似认为从0～20cm剖面淋失的硝态氮即为从耕作层淋失出来的硝氮.耕作层小麦地块的淋失量最大,达11.88kg/hm2,玉米地块和向日葵地块的淋失量相当,在 6.5kg/hm2左右.

表1 不同类型农田土壤剖面夏灌前后硝态氮含量的损失量(kg/hm2)Table 1 The loss of NO3--N in soil profile in different farmlands during summer irrigation(kg/hm2)

表2 不同类型农田土壤剖面秋浇前后硝态氮含量的损失量(kg/hm2)Table 2 The loss of NO3--N in soil profile in different farmlands during autumn irrigation(kg/hm2)

与夏灌相比,秋浇时硝态氮的损失量更为严重.秋浇前后,小麦地块在0～100cm各土层都有比较显著的硝态氮淋失,在耕作层淋失尤为明显(59.40kg/hm2).玉米地块在 0～80cm 各土层硝态氮淋失量也很显著,但在 80～130cm 土层有较大的富集.向日葵地块硝态氮的淋失主要发生在0～40cm 土层.可见,采用玉米与其他两种作物的套种耕作方式,有利于减少硝态氮的淋失.

由于研究区域采用淹灌方式灌溉,没有退水,在灌溉后地下水位更是上升接近至 1.3m,因此,近似认为0～130cm土层的硝态氮淋失总量即为通过灌溉进入地下水的硝态氮量.根据表 1和表2,夏灌期间小麦地块,玉米地块,向日葵地块进入地下水的硝态氮总量分别为 21.465,25.92,9.99kg/hm2;秋浇期间则分别为 162.81,33.94,56.16kg/hm2.

3 结论

3.1 夏灌对氮素的稀释作用明显,因为夏季作物蒸腾作用显著,土壤较为干燥,土壤孔隙变大,土壤的透水性能较好.总氮在夏灌前后的纵向分布变化与硝态氮类似,表层土壤中总氮含量在灌水后低于灌水前,因此,夏灌期间氮素的纵向迁移以硝态氮为主要形式.由于温度较高易于发生反硝化作用,也会降低地下水中硝态氮的浓度.另外,玉米地块的氮流失在夏灌时相对明显,这可能与玉米地块的追肥和灌水相隔时间短有关.

3.2 秋浇是农田氮素淋失的主要阶段.秋浇时,农作物均已收获,土壤处于裸露状态,蒸发作用大幅下降.秋浇灌水量比作物生长期的灌水量大,地下水位上升明显.随着秋浇的进行,土壤处于厌氧环境,土壤中氮素的含量下降较为明显.一方面是由于硝态氮在灌水作用下发生纵向淋失,另一方面是土壤中的硝态氮在反硝化作用下转变成N2O、N2和O2释放.根据估算,秋浇前后小麦地块,玉米地块,和向日葵地块土壤硝态氮的总淋失量分别为 162.81,33.94,56.16kg/hm2.各作物地块硝态氮的淋失区和富集区不一致,所以采用套种耕作的方式,有利于控制氮的淋失.

3.3 夏灌与秋浇两次灌水前后地下水中总氮的峰值滞后于硝态氮,说明氮素的流失除以硝态氮的形式发生之外,部分铵态氮以及有机氮等其他形式的氮素在灌溉驱动下也发生一定程度的纵向流失,这可能是施用的氮肥在土壤中转化不充分,铵态氮及有机态氮富集在土壤中,在灌溉的驱动下发生淋失.

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