絮凝泥沙对中度盐渍化土壤氮素淋失及水分利用效率的影响研究

孙宇乐，屈忠义，王丽萍，杨少东，王 凡

（1.内蒙古农业大学，呼和浩特010018；2.巴彦淖尔市水利科学研究所，内蒙古巴彦淖尔015000）

0 引 言

我国是一个农业和人口大国，保证粮食产量对国家粮食安全尤为重要，其中化肥氮磷养分的投入对土壤养分含量的提高和作物产量的增加有重大的影响[1]。氮素是植物尤其是农作物生长所需的必要元素，也是造成环境污染的重要原因，特别是地下水污染[2]。农业工作中施加的大量氮肥除小部分存留在土壤中和被植物体吸收利用以外，其余大部分通过径流、硝化和反硝化作用、淋溶、氨挥发等多种途径损失，进入水体和大气中[3]。据统计，我国农业生产活动中氮肥的总体利用效率仅为35%[4]，氮损失率却高达45%，由此带来的经济损失极为严重[5]。在灌溉和降雨条件下，土体中的氮元素极易以硝态氮的形式随水垂直向下运动，迁移至植物根系层以下无法再被植物吸收利用，从而造成氮淋失[6]。被淋洗出植物根系活动层的养分很难再被植物吸收利用，大大降低了土壤的养分利用效率[7]。被淋洗出土体的氮元素若随径流流入地下水中，可能造成地下水中硝酸盐含量超标，严重危害人体健康[8]。大量研究成果表明通过高效节水技术能有效提高水肥的利用效率[9]，但在实际推广过程中，也面临诸多问题。

3.方法与用药方案：采用罗马Ⅲ标准流行病学调查问卷(Rome Ⅲ-MQ)[1]，每个入组成员调查2个时间点，分别为长远航前及长远航后3个月。因各种原因未完成调查或中途退出共18人，符合FC诊断标准共61人，其中长远航前诊断FC患者23人，长远航中新增FC患者38人。

沿黄地区灌溉模式多为传统漫灌，造成水资源大量浪费[10]。但黄河高泥沙量是阻碍沿黄灌区滴灌技术推广的主要影响因素，直接引用黄河水进行节水灌溉会造成灌溉系统的堵塞[11]。同时，黄河泥沙中富含多种有益的营养物质，若直接过滤后弃置，会造成大量的资源浪费[12]。因此，如何在降低泥沙含量、提高水肥利用效率的同时，提高泥沙资源的利用率也是我们亟待解决的问题。

对不同像控点布设方案下生产的数字正射影像成果进行平面精度检查，其中方案二为像控点最密集的布设方案，其他布设方案均在方案二的基础上进行调整，像控点的数量均在减少。方案二像控点的布设情况，如图1所示。

目前，许多专家学者针对提高土壤水肥利用效率做了大量研究，并取得一定的研究成果。在砂壤土中施用生物炭，能降低氮素的淋失程度，提高氮肥的利用率，降低面源污染的风险[13]。吴蕴玉等[14]研究发现控制灌溉在节水减排的同时可增加产量，有较好的经济、环境效益。马鑫等[15]研究发现施用保水剂后第3年土壤的控水能力最强，一定程度上证实施用保水剂可增大表层土壤pH，增大土壤持水率，可有效改善土壤微团粒结构。NO3−−N 是氮素淋洗损失的主要形态，而NH4+−N的淋失损失主要出现在淋洗前期，增加施氮量可以推迟各形态氮素峰值出现时间，增加淋失风险[16]。

本文根据前人试验，得到黄河水施加水梦吸附剂后过滤出的絮凝泥沙，研究不同含量的絮凝泥沙施入土壤后对土壤理化性质的影响规律，以期使过滤后的黄河泥沙资源得到有效利用。不仅可以减少泥沙淤积，还可以将泥沙改造成土壤改良剂，减少土壤氮素淋失，提高水肥利用效率，达到增产节水保肥的目的，为河套灌区推广高效节水保肥技术和土壤改良提供理论支撑和技术依据。

屈伸等[17]研究发现水梦吸附剂是一种高效无机吸附剂，对于黄河水泥沙具有吸附率高、沉降速度快的特点。杨少东等[18]发现水梦无机吸附剂对不同含沙量下水体中浊度及各类污染物指标有明显的去除净化作用，浊度平均降低97.8%。但前人研究多集中于黄河泥沙的过滤效果，对过滤后的泥沙处置问题尚待进行进一步的研究。

1 试验设计与方法

1.1 试验材料

试验絮凝泥沙为“水梦”综合处理装置过滤黄河水后产生的黄河泥沙絮凝物，其中含有“水梦”吸附剂CS−005。供试土壤取于内蒙古巴彦淖尔市杭锦后旗改盐增粮科技示范区（106°54' E，40°49' N），该区年均降水量为130～180 mm，蒸发量较大，土壤取至表层20 cm，为中度盐碱土，属硫酸盐−氯化物型盐土，土壤质地为粉砂质壤土。表层土壤理化性质见表1。

表1 试验土壤的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of test soil

1.2 试验设计

从图1可以看出，不同处理的土壤含水率变化规律基本一致，当土壤吸力小于200 kPa时，不同处理的土壤含水率快速下降，降幅显著。当土壤吸力大于400 kPa 以后，不同处理下水分释放缓慢。相同土壤吸力下，土壤含水率CK

试验共设置5个处理（每个处理设3个重复），不同处理絮凝泥沙填装水平分别为0 g/kg（CK）、20 g/kg（T1）、40 g/kg（T2）、60 g/kg（T3）、80 g/kg（T4），共计15个土柱。将试验所用的土壤充分自然风干、碾压，过2 mm 筛，与絮凝泥沙按不同比例依次称重（经测定，土壤容重为1.55 g/cm3，砂壤土与絮凝泥沙总重约为2 kg）、混合均匀后，分两层装入底部有出水孔的PVC 圆柱管中（内径9 cm，高度30 cm），其中土柱高度约为20 cm，在表层0～5 cm 土层中均匀混入0.5 g 尿素（尿素添加量约为当地水平，当地施肥量为750 kg/hm2）；在底部铺上尼龙网和石英砂作为反滤层。顶部覆盖薄膜（避免水分蒸发）。

1.2.2 淋溶试验

土壤水分特征曲线是表征土壤水基质势与土壤水分含量的变化关系，是研究土壤水分及土壤水动力学性质的重要表征。通过RETC软件中的van Genuchten方程对不同处理的数据进行拟合分析，得出拟合参数a、n、相关系数R2如表2所示。随着絮凝泥沙施用量增加，处理CK、T1、T2、T3、T4 的α值呈增大趋势，说明土壤持水能力随絮凝泥沙含量增多而增强。并且不同处理模型的决定系数R2均大于0.98，说明通过RETC软件中的van Genuchten 方程拟合的水分特征曲线效果较好，结果可信。

1.3 测定指标与方法

试验使用的是紫外分光光度计和PHS−3C 酸度计与DDSJ−308A 电导仪。测定收集到的淋溶液在不同波长（220 nm 和275 nm）条件下的吸光度，总氮吸光度As按公式（1）计算，总氮浓度C按公式（2）计算，根据淋溶体积计算氮素淋失量。淋溶阶段结束后，采用土水比1：5浸提法测定土壤的pH值与电导率值。将土柱中的土样取出，充分自然风干后进行碾压，过2 mm 筛，再将土壤与去离子水按1：5 的比例配制成溶液，然后进行指标测定。

式中：As为淋溶液中总氮的吸光度；As220、As275分别为波长为220 nm、275 nm 对应的总氮的吸光度；A0为空白对照组对应的总氮的吸光度。

1.3调查所得资料采用EpiData3.0软件进行的数据录入,应用SPSS17.0软件进行统计学分析,率的比较采用x2,检验水准=0.05。

1.4 数据处理

由图2可知，淋洗次数相同时，不同处理单次碱解氮淋失量的变化规律基本一致，同一絮凝泥沙施用水平下，每日的碱解氮淋失量随淋洗次数的增多呈现减少趋势，淋洗次数越多，淋失趋势越缓。不同处理第1次淋洗时氮素淋失量最多，因浸润阶段加入的水量保证了土壤中尿素得到溶解，使得淋洗初期土壤中的氮素含量较高。各处理T1、T2、T3、T4 与CK 相比，速效氮淋溶量分别减少了0.38、0.60、1.03 和1.36 mg，随着絮凝泥沙施用量的增加，土壤对速效氮的吸持能力逐渐增强，淋失量随之降低，说明施加絮凝泥沙有效增强了土壤对速效氮的吸持能力。随着淋洗次数的增加，淋失量减少且变化趋势变缓，主要是施加的肥料完全溶解后，土壤失去外界氮素补充，氮素总量开始下降，淋溶液中的速效氮淋溶量开始减少。在持续淋溶作用的后期，速效氮含量变化不明显。因此，施用絮凝泥沙对氮素淋失量的影响主要体现在淋溶初始阶段。

2 结果与分析

2.1 絮凝泥沙对土壤水分特征曲线影响规律分析

土柱填装完成后，进入浸润阶段，为保证肥料在土壤中得到充分溶解吸收，试验中模拟自然降雨条件连续浸润5 天，每天施加去离子水120 mL（折合降雨量19 mm）。直至有淋溶液渗出。进入淋洗阶段后，依据当地实际年平均灌水量和降雨量，计算淋洗量约为350 mm（折合降雨量42.5 mm）。每5天加水淋洗一次，每次加水270 mL，并用试剂瓶收集淋溶液，共淋洗六次。对收集到的淋溶液进行编号并测量其体积，冷藏于4℃的冰箱内，收集完成后，进行水样、土样试验指标的测定。

1.2.1 土柱试验

本调查的研究方法包括：①访谈法：访谈法是目前比较普遍使用的一种方法，主要是通过与被调查对象进行面对面的实地沟通，通过语言交流来直接进行资料收集，访谈法在一定的程度上有较高的准确性。本研究通过对高校团委老师、团委学生干部以及在校大学生进行的针对性访谈，为研究得出更为准确的事实依据。②文献法：文献法是指通过查阅、整理、分析已有的文献资料，了解教育事实，探索教育现象的研究方法。本研究采用文献研究法，参考国内硕、博论文、权威期刊论文、相关书籍及权威网站文章和国外重要期刊的论文、著作等，对其进行筛选、分类、整理，为论文的研究提供基础。

表2 不同絮凝泥沙处理土壤的Van Genuchten模型参数Tab.2 Van Genuchten model parameters of soil treated with different flocculated sediment

图1 不同絮凝泥沙施用量下的土壤拟合水分特征曲线Fig.1 Fitting water characteristic curve of soil under different flocculating sediment application

2.2 絮凝泥沙对氮素淋失的影响规律

试验数据使用SPSS 19.0 统计软件进行显著性分析，利用RETention Curve 软件进行土壤水分特征曲线拟合，使用Microsoft Excel 2007 进行数据的整合处理和图表的绘制。

引水鱼经常游在鲨鱼前面，这样不仅能借着鲨鱼“狐假虎威”，还能得到一些鲨鱼丢弃的“残羹剩饭”。引水鱼甚至还会游进鲨鱼的嘴里，帮助鲨鱼清理牙齿内残留的食物。

由图3可以看出，随着絮凝泥沙施用量增加，氮淋失总量随之减少，处理T1、T2、T3、T4 较CK 相比氮淋失量分别减少3.40、6.18、8.06 和11.27 %。浸润阶段主要是保证土柱中土壤接近饱和状态，且尿素充分溶解。絮凝泥沙具有一定的持水能力，随着土壤中絮凝泥沙施用量的增加，淋溶液总量减少。

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2.3 絮凝泥沙对土壤盐分和pH的影响

图2 不同处理单次碱解氮淋失量变化规律Fig.2 Change rule of leaching loss of single alkali hydrolyzed nitrogen in different treatments

图3 氮素淋失总量变化规律Fig.3 Change rule of total amount of nitrogen leaching

由图4可以看出，随着絮凝泥沙施用量的增加，土壤的pH值呈增大趋势但幅度较小，无显著差异性。施用絮凝泥沙后，处理T1、T2、T3、T4 的pH值较CK 增加了0.02、0.04、0.05、0.08，说明絮凝泥沙对盐渍土酸碱度基本无影响。供试土壤属于中度盐渍土，偏碱性，在持续水量的淋洗作用下，土壤中的盐基离子有部分会淋失，但絮凝泥沙具有吸附性，碱性基团淋失量减少，pH值稍有增加。

从图5可以看出，随着絮凝泥沙施用量的增加，不同处理土壤的电导率值呈先减小后增大趋势。各处理间无显著差异性，T1、T2、T3、T4处理较CK 分别增加了−3.43%、−4.78%、0.13 %、5.72 %，施用量达到60 g/kg时，T3、T4 处理土壤中的电导率呈现增加趋势。电导率值先减小主要是由于适量的絮凝泥沙中的沙粒结构增加了孔隙度，土壤中的少量可溶性盐会随着水分而流失，提高了盐分的淋洗程度；由于吸附性泥沙具有对可溶性盐基离子的吸附能力，同时絮凝泥沙中含有一定量的盐基离子，随着使用量的增加，会导致电导率增大。因此，当絮凝泥沙施用量少于60 g/kg时，对土壤的电导率有降低效果。

图4 不同处理土壤淋溶液pH值变化规律Fig.4 The change of pH value of soil drenching solution in different treatments

图5 不同处理的淋溶土壤电导率的变化规律Fig.5 Change rule of electric conductivity of leaching soil with different treatments

3 结 论

在生产力较为低下的盐渍化土壤中，施用絮凝泥沙能削弱水分对养分的淋溶作用，保持土壤中的养分水平，有利于提高氮肥的利用率，降低地下水面源污染的风险。施加絮凝泥沙可以提高土壤的吸持能力，改善土壤的水力特性，随着絮凝泥沙施用量的增加，氮素淋失总量随之减少，对减少速效氮淋溶总量效果较明显。絮凝泥沙对土壤的pH值影响不明显，施用量少于60 g/kg时，电导率有所降低。

综合分析，当絮凝泥沙施用量在40～60 g/kg时，对盐渍土的改善效果较好。絮凝泥沙施用量对土壤结构、氮素平衡等的影响，有待于进一步深入研究。