再生水滴灌土壤中氮素的动态变化规律

裴 亮，张体彬，梁 晶，刘慧明

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101;2.水利部综合事业局新华公司，北京 100053;3.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094)

再生水是指对污水处理厂出水、工业排水、生活污水等非传统水源进行回收，经适当处理后达到一定水质标准，并在一定范围内重复利用的水资源。再生水的利用是国内外有效缓解农业用水紧张的重要举措之一，也是污水资源化利用、减轻污水排放二次污染的环保发展趋势，已在很多发达国家得到广泛推广［1-2］。

再生水灌溉一方面能减少污水直接灌溉所引起的严重的面源污染问题，并为植物生长提供重要的养分，促进植物生长发育和提高产量［3］;另一方面，再生水中过量的养分、有毒化学物质和病原体同时输入环境生态系统，会造成一定程度的环境污染［4］，有可能危害环境和人类健康。氮素作为生命体的重要组成元素，是引起水体污染、水体富营养化的主要因素［5］。同时大量农业氮肥的施用以及生活污水的肆意排放等人类活动，使土壤中存在大量的未被作物吸收利用的氮素以NO3--N和NH4+-N的形式经挥发、淋洗、径流等途径损失，对环境产生了现实和潜在的污染［6-7］。因此，研究土壤中氮素，尤其是N-N和N-N的动态变化，对预测和控制农业面源污染具有重要的理论价值和指导意义。

此外，滴灌对灌水时间、灌水量和土壤湿润范围高度控制的特点，使其可以根据土壤物理性质、作物根系分布和作物耗水量来调节土壤的水分和养分［8］，在保证作物达到优质高产的同时减少农业面源污染。利用滴灌技术进行农村生活污水再生利用可以提高再生水中氮、磷等养分的利用效率，在节肥、节水、增产的同时减少污染物输入环境生态系统，对缓解我国水资源危机、防治农业面源污染和促进循环经济发展具有重要意义［9-10］。本试验在其他条件相同的情况下，研究比较不同比例的再生水与地下水滴灌后土壤中氮素的动态变化规律。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区为中国科学院地理科学与资源研究所和国务院南水北调办公室政策及技术研究中心共同建立的“南水北调中线水源区农业面源污染控制综合示范区”，地处湖北省十堰市茅箭区南部山区，属北亚热带季风气候区，四季分明、冬长夏短，春季升温迅速，秋雨连绵，冬季少雨雪、少严寒。年平均日照时数达1925.8 h;多年平均气温15.3℃，极端最低气温-14.9℃，极端最高气温41℃。全年大于或等于10℃的积温为4936.5℃;全年无霜期246 d;多年平均降水量855 mm，降雨量年际变化大，汛期(5月1日至10月20日)降雨量占年降雨量的58% ～62%，且强度大、历时短、入渗有限，容易冲刷侵蚀地表。研究区试验土壤为黄棕壤土，密度在1.56～1.71 g/cm3之间。

1.2 试验布置

试验在2011年黄瓜生长季(9月20日至12月10日)内的1个灌水周期进行。黄瓜的栽培方式采用垄作，垄肩宽60 cm，两垄中心间距140 cm，垄高15 cm，垄上种植2行，株距40 cm。在黄瓜种植前，施磷酸二铵复合肥300 kg/hm2。试验设3个灌溉水质处理，分别标记为T1(全部再生水灌溉)、T2(再生水和地下水联合灌溉，其中再生水占总灌水量的50%，即灌溉用水由再生水和地下水按照1∶1比例配制)和C(全部地下水灌溉)。每个处理含3个重复小区，每个小区面积为4 m×4 m，包括3条垄。灌溉采用重力滴灌的方式进行，每个处理由1个蓄水桶(容积240 L)供水，水桶放置在距地面约1.2 m高的位置，每次灌水前按照比例将再生水和地下水分别添加到蓄水桶中。每垄中心铺设1条滴灌带，滴头间距为20 cm(与株距相等)，滴头流速为2.7L/h，即每株黄瓜根部均有1个滴头供水。每个处理的第2个试验小区内，在滴头下20cm深度处安装1组负压计，根据其他类似蔬菜作物滴灌灌溉制度［11-12］制定灌溉计划，当负压计指示的土壤水势低于-25 kPa时进行灌溉，每次灌水量为5 mm。生育期内共灌水7次。整个黄瓜生育期内共降雨84 mm。

此外，农村生活污水经过土壤过滤处理技术处理后得到试验用的再生水。土壤过滤处理技术主要由布水系统、复合填料土壤层、集水系统3部分组成。农村生活污水从化粪池经潜污泵提升进入调节池，经过均匀水质水量和初级厌氧处理，去除大部分颗粒悬浮物。而后，污水经布水系统被均匀分配到复合填料土壤层，由于土壤的物理吸附、微生物降解、植物根系吸收等综合作用得到净化;净化后的出水由集水系统收集，自流进入集水井，经消毒后得到再生水，用于灌溉。地下水、生活污水及再生水水质见表1。由表1可以看出，简单的多层土壤渗滤系统对生活污水处理效果一般，再生水中仍有部分指标的上限略微超过了国家标准限值。

表1 灌溉水质及其与国家相关标准之间的比较Table 1 Irrigation water quality and its comparison with national irrigation standards

1.3 测定项目及方法

试验选择在黄瓜生长季生育期内(10月7日)的1个灌水周期内进行。此次灌溉是全生育期的第3次灌溉，正处于黄瓜营养生长的旺盛期。分别于灌前(0 d)和灌后第2天、第5天、第9天取土。取样深度为0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～90 cm，90～100 cm。试验期间，灌后第3天、第4天和第5天分别降雨1.2 mm，3.4 mm和1.0 mm。土壤经风干过筛后，N-N的质量比采用1 mol/L KCl浸提-流动分析仪测定，NH-N的质量比采用2%K2SO4浸提-流动分析仪测定。

2 结果分析

2.1 再生水滴灌后土壤中N-N的动态变化

图1 不同处理下土壤N-N质量比随深度的变化Fig.1 N-N content variation with depth in soils under different treatments

2.2 再生水滴灌后土壤中NO－3-N的动态变化

图2 不同处理下土壤N-N质量比随深度的变化Fig.2 N-N content variation with depth in soils under different treatments

图3 不同深度土层中N-N质量比Fig.3 N-N content in different soil layers

3 结 论

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