喷灌小麦土壤氮素分布规律及对地下水影响试验研究

曹 颖，杨路华，高惠嫣，马文超

(1.河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071000；2.天津农学院水利工程学院，天津 300384；3.河北省水利电力学院，河北 沧州 061001)

农业面源污染近年来成为国内环境领域普遍关注的一个重要问题，农业面源污染物不仅随降雨、融雪或灌溉所产生的地表径流直接进入河流、湖泊或近海，污染地表水体，而且渗入土壤或岩石，污染地下水[1]。许多研究表明，过量的化肥使用是造成农业面源污染的主要原因。张云等[2]研究了超量施肥灌溉条件下氮素的累积规律，施肥初期氮素主要累积在浅土层部位，而后随土层深度和入渗水量的变化而波动。董娴娴等[3]在华北平原潮褐土的研究表明，高施氮量条件后，土壤剖面中氮素残留率较高，且随着种植茬数增多垂向下移。潘家荣[4]、李世清[5-7]等研究发现残留在土层中的氮素主要以硝态氮的形式存在，并伴随灌溉与降雨下渗，易造成地下水污染。但有关大田土壤剖面无机氮的分布以及地下水环境影响试验还缺乏具体研究。本试验根据当地农民施肥灌水条件下，研究土壤剖面含水率、氨氮、硝态氮含量以及对地下水影响，对合理施用氮肥，较少过量施肥对地下水污染有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

为研究灌溉施肥条件下，冬小麦农田土壤水分和氮素的分布特征以及对地下水的影响，2016年在河北省保定市安新县安州镇白庄村开展田间试验。该区域属于暖温带半湿润大陆季风气候，四季变化明显。年平均气温12.2℃，无霜期203 d，年平均降水529.7 mm，降水量年际变化较大，平均风速2.5 m/s。试验田东西宽41 m，南北长252 m，试验区面积约1.03 hm2。农田从南向北倾斜，坡度为1/925。试验区采用管道式喷灌系统，每条支管上安装10个摇臂式喷头，喷嘴流量为3 m3/h,喷头射程为13 m，支管和喷头间距均为13 m，考虑地形和土壤空间变异性，在试验田内由南向北平均设置3个取样区，划为一至三区。每个试验区为 41 m ×84 m，每个小区内各打一眼观测井，观测井深均为20 m，监测地下水水位和水质的变化。观测井间距84 m，编号分别为1号、2号、3号。

1.2 取样与分析

在冬小麦生育期的返青期(2016年3月16日、4月2日)、拔节期(4月7日、4月9日、4月17日、4月27日)分别采样，在一区、二区、三区内分别选取位于观测井周围，小麦长势良好的位置取样，同时对观测井进行地下水水位和水质的监测。试验采用土钻打孔取土，取土深度为2.0 m，1 m以内取土间隔为10 cm，2 m以内取土间隔为20 cm。取出的立即用塑封袋密封编号，带回室内进行测定。试验区土壤密度用环刀法测定，土壤密度为1.28 g/cm3。

土壤含水率的测定采用烘干法，土壤氨氮和硝态氮含量的测定用连续流动分析仪法(TRAACS-2000)。2016年4月1日冬小麦返青追肥，施尿素600 kg/hm2，试验区灌溉方式为喷灌，4月3日、4月4日、4月26日共灌水约70 mm。在试验田内设置的小型气象站记录降雨气象数据。2016年3月15日降雨1 mm，3月23日降雨3 mm，4月16日降雨10 mm。

2 试验结果分析

2.1 喷灌前后土壤剖面水分分布规律

试验期间对一区、二区、三区的土壤进行取样，测定土壤含水率，农田土壤含水率分布见图1。分析图1可知试验期间0～100 cm土层内的土壤含水率变化较大，呈S型波动，一区、二区、三区分别在18.79%～30.99%[图1(a)]、16.30%～30.86%[图1(b)]、16.03%～29.38%[图1(c)](占土壤干重百分比，下同)之间；100 cm以下土层范围内土壤含水率变化相对稳定分别在23.16%～30.03%、22.16%～29.16%、21.66%～29.45%之间。100 cm以下土层的土壤含水率均值大于100 cm以内土壤。从时间上看，0～100 cm土层范围内4月2日土壤含水率最小，4月7日达到最大值，结合降雨和灌水资料可分析出土壤上部含水率变化较大是由于受降水、灌溉和蒸发作用；下部土层中土壤含水率较高且变化稳定是由于该地区地下水埋深较浅，由于土壤的毛细作用使得该土层内土壤含水率数值较大。从垂直方向上看一区、二区、三区土壤的含水率分别在90、70、60 cm处达到峰值，土壤含水率峰值由南向北逐渐上移。

图1 土壤剖面含水率分布图Fig.1 Soil moisture content distribution in field

2.2 喷灌前后土壤剖面氮素变化规律

2.2.1 小麦生育期土壤中氨氮含量分布规律分析

通过图2可以看出，土壤剖面氨氮在空间上分布较均匀，在各土层内变化稳定；从时间上看，施肥后即4月2日0～200 cm土层内的氨氮含量(均值)陡增，一区[图2(a)]、二区[图2(b)]最为明显，分别为139.89、79.86 mg/kg，是3月16日的9.9倍、5.4倍，灌溉后即4月7日土壤剖面氨氮含量恢复至施肥前水平。4月17日各土层中氨氮含量与4月9日相近，变化不大。由此可以看出氨氮在土壤剖面中变化主要受施肥影响，施肥前后变化较大，其余时期在土壤剖面分布较均匀。分析原因，氨氮主要以气体形式损失，易受到土壤交替作用和土颗粒吸附、滞留的影响。

2.2.2 小麦生育期土壤中硝态氮浓度分布规律分析

由图3可分析出表层土壤中硝态氮含量明显高于深层土壤，随土层深度增加，土壤硝态氮含量逐渐减少，一区[图3(a)]、二区[图3(b)]、三区[图3(c)]0～100 cm土壤中硝态氮含量(均值)是 120～200 cm 土壤的2.22、2.34、1.58倍。土壤中硝态氮含量受施肥和温度的变化影响显著，硝态氮含量不同时期的变化量很大，总体上呈升高-降低-升高波浪线的变化趋势。施肥后即4月2日一区、二区、三区0～100 cm内土壤硝态氮(总和，下同)是施肥前的1.98、2.61、1.14倍，120～200 cm土壤硝态氮是施肥前的1.45、2.43、1.56倍，由此可以看出土壤中硝态氮受施肥影响较大。灌水后第5 d即4月9日一区、二区、三区0～100 cm土壤中硝态氮的含量为4月2日的75.1%、38.1%、116.3%，120～200 cm土壤硝态氮是施肥前的90.7%、93.7%、120.3%。三区灌水后土壤硝态氮含量升高可看作是土壤空间变异性，灌溉致使硝态氮伴随水下渗迁移至深层土壤。4月17日和4月27日土壤剖面硝态氮含量均大于施肥后，分析原因，此期间由于4月16日降雨和4月26日灌溉，土壤含水率较高，土壤温度也比较适宜，土壤中硝化细菌活动增加，使土壤的硝化作用增强，产生大量硝态氮，增加了土壤中硝态氮的含量。

图2 不同时期内土壤剖面氨氮分布Fig.2 Ammonia nitrogen distribution in soil profile at different times

图3 不同时期内土壤剖面硝态氮分布Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in soil profile at different times

2.2.3 喷灌前后土壤硝态氮的累积量与淋失量

由于氨氮在土壤剖面中的分布主要受施肥影响，在土壤中变化较稳定，因此在研究氮素的积累与淋失时只对硝态氮进行研究计算。冬小麦的根系在0～200 cm土层内均有分布但主要分布在0～50 cm土层内。土壤中硝态氮的累积可通过下式计算：

Nacc=0.1∑zρdc

(1)

式中：Nacc为硝态氮累积量，kg/hm2；z为土层厚度，cm；ρd为各层土壤密度，g/cm3；c为各层土壤中硝态氮含量，mg/kg。

所以计算0～40、0～120、0～200 cm硝态氮的累积量与所占总土层硝态氮含量比例如表1。

表1 试验期间土壤硝态氮累积量计算表Tab.1 The accumulation of nitrate-N in soil during experiment periods

0～40 cm土层硝态氮的累积量施肥后增加了380.95 kg/hm2,喷灌后土壤中硝态氮累积量迅速较小，淋洗量分别为201.67、38.89、690.99、121.55、373.43、133.18 kg/hm2；0～120 cm土壤硝态氮累积量和占0～200 cm比例远大于0～40 cm土层，呈先升高后降低变化规律，占0～200 cm比例逐渐降低，淋失量分别为38.54、471.32、373.53、950.10、480.92 kg/hm2。由此可分析出喷灌条件下，土壤硝态氮的累积主要发生在根系分布层以下的土层中，这为土壤硝态氮的淋失提供了条件。通过分析含水率与不同土层硝态氮浓度分布可以看出，土层中硝态氮浓度的运动依附于水分运动，所以分布与含水率的分布具有一致性，土层中硝态氮的分布与变化的影响因素除了水分运动外，还受其他因素的影响比如土壤的物理性质、土层内的微生物、硝化与反硝化作用等，过程也更为复杂。这一方面问题还有待于研究。

2.3 喷灌前后地下水水位变化规律

试验期间对试验田内1号、2号、3号地下水水位进行动态观测，观测结果如图4。由图4可以看出，距离越远的观测井地下水埋深越大，观测井地下水水位呈波浪线变化，4月2日和17日为波峰。按照农民种植习惯，小麦返青期要进行灌水，地下水位灌水后明显下降，然后水位缓慢回升，4月26日灌水后水位又一次下降。以2号为例，3月16日地下水水位1.86 m，灌水后地下水水位降落至4月7日的1.97 m，水位下降0.11m，至4月17日地下水水位上升到1.93 m，此期间由降雨因此水位呈上涨趋势，此时地下水水位与3月16日相比仍下降了0.07 m，原因在于农业灌水，加上地下水入渗，作物吸收利用所以地下水呈下降趋势，因此降水为该地地下水补给的主要影响因素。

图4 试验区地下水水位变化曲线Fig.4 The change curve of underground depth in field

2.4 喷灌前后地下水水质变化规律

由图5(a)可以看出地下水中氨氮浓度在试验期间呈降低-升高-降低的变化趋势。自3月16日至施肥期间氨氮含量逐渐降低，变化较稳定，灌水后地下水中氨氮浓度陡然升高，各井氨氮浓度均值是灌水前的21.94倍，4月27日各观测井氨氮浓度恢复到灌水前水平。分析可知地下水中氨氮含量的变化主要与农业施肥和灌溉有关。

根据图5(b)观测数据可以看出，试验田地下水中硝态氮浓度呈双峰变化波动，4月7日和4月27日地下水中硝态氮浓度呈现出峰值，施肥后灌溉使得硝态氮迅速下渗至地下水，以2号为例3月16日地下水中硝态氮的浓度较低仅1.66 mg/L，由于小麦追肥的施入4月2日硝态氮含量略有升高，为1.98 mg/L ，灌水后第3天地下水硝态氮浓度升至5.41 mg/L，是施肥后的2.73倍，至4月17日逐渐下降到3.57 mg/L，4月27日升高至3.93 mg/L。结合灌溉资料4月26日灌溉对土壤中的硝态氮冲刷、淋洗使硝态氮向深层运移进入地下水，从而导致地下水中硝态氮含量不断升高，在冬季虽然也有肥料的施入但随着降水的减少，使土壤中的硝态氮向地下水的淋溶没有雨季那么明显。由此可见施肥、灌溉和降雨是影响地下水中硝态氮含量主要因素。

图5 试验区地下水水质变化曲线Fig.5 The change curve of groundwater quality

3 结 论

(1)喷灌条件下，土壤中硝态氮的累积主要发生在根系层以下土层中，喷灌为硝态氮的淋洗提供了条件。

(2)地下水中氨氮浓度主要受施肥和灌溉的影响；伴随着时间的推移，地下水中的硝态氮浓度逐渐升高。

(3)土壤中硝态氮不易吸附在土壤颗粒表面，易随水下移，按照农民种植习惯施肥后灌水，硝态氮淋洗严重，下渗到小麦根系以下土壤中的硝氮很难被吸收利用，而且对地下水造成严重污染，所以施肥时应控制施肥量，减少氮肥施用，以降低对地下水的污染。

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