干旱綠洲區硝態氮與銨態氮的分布特征及運移特點研究

李勛章，董新光，楊鵬年，張 瀚，汪昌樹(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

化肥是農業生產中的重要投入要素，提供農作物生長所必須的營養元素。施用化肥是提高農作物單產的重要手段之一。近30 a來，我國農業氮肥利用率呈直線下降趨勢，氮肥損失量巨大[1]。施入土壤中的過量氮素，會使土壤膠體分散，破壞土壤結構，引起土壤酸化，加速某些礦物鹽的溶解、淋失，造成土壤貧化。過量氮素淋失進入地下水后，使水體富營養化，降低水體質量，威脅人和動物健康[2,3]。朱兆良[4]在已有研究成果的基礎上，對我國農田中化肥氮的去向進行了初步估計：作物吸收35%、氨揮發11%、表觀硝化-反硝化34%(其中N2O排放率為1.0%)、淋洗損失2%、徑流損失5%，以及未知部分13%。自2007年開始推行高效節水以來，灌區灌水方式由過去的地面灌逐漸轉變為滴灌，施肥方式由撒施、一次性施肥逐漸轉變為滴灌施肥、多次施肥，到目前節水灌溉覆蓋面積已達到80%以上。近年來開都河下游平原區農田氮肥施用量以年均7%左右的速度在增加，超過了糧食及棉花的年均增長率，化肥的增產效益在不斷下降[5,6]。過去很多學者通過田間和室內試驗，在研究氮素在土壤中的運移與累積特點及其影響因素方面做了大量工作，但在干旱地區研究較少。當前農業經濟快速發展面臨著提高產量和保護水土環境的雙重任務。因此，掌握氮素含量水平及分布特征，對進一步定量研究土壤-作物系統中水分和氮素的運移規律，預防和保護綠洲水土環境具有重要意義。

本文以新疆焉耆盆地開都河下游綠洲灌區為研究對象，旨在摸清現階段土壤及地下水中硝態氮、銨態氮的含量水平，在區域空間上的分布變異特征及在土壤剖面中的垂直分布狀況，了解氮素的轉化特點，以期為制定合理灌水施肥條件，預防地下水體污染，調控土壤及地下水氮素含量提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆天山南麓巴音郭楞蒙古自治州開都河下游焉耆盆地綠洲區，行政單位包括焉耆縣、博湖縣以及27團，地面海拔高度一般為1 050～1 200 m，地勢總體呈現四周向盆地傾斜，最低處位于盆地中心的博斯騰湖；常年性河流主要有開都河，最終匯入博斯騰湖；研究區年平均氣溫 8.0～8.9 ℃，晝夜溫差大，年平均降雨量為50.7～79.9 mm，年蒸發量為2 002.5～2 449.7 mm，是年降水量的30～40倍，屬于南北疆過渡的大陸荒漠性氣候[7]。盆地主要土壤類型為棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕土、潮土、鹽土、風化土[8]。研究區內水量比較豐富，水質相對較好，但目前也有惡化的趨勢。開都河從上游到下游水質逐漸變差，隨著地下水的大量開采，化肥農藥的不合理施用，導致地下水水質也呈惡化趨勢[9,10]。

根據巴音郭楞蒙古自治州2014年統計年鑒，焉耆縣和博湖縣有效灌溉面積分別為2.84、1.545 萬hm2，目前灌區已基本推行高效節水技術，主要采用地下水灌溉，冬春灌采用地表水。研究區主要的農作物有小麥、玉米、西紅柿、辣椒等。

1.2 采樣與處理

在2015年5月初，沿焉耆縣、博湖縣周圍各灌區進行野外調查采點，以GPS精確定位，獲取點位經緯度。共布設土樣采點11個，使采樣點盡可能的覆蓋整個灌區范圍(見圖1)。利用圓鑿鉆采集土樣，0～1 m土層深度每10 cm采集一個樣本；最大采樣深度為2.6 m，1～2.6 m土層范圍每20 cm采集一個樣本，每一個樣點共采集18個樣本，一共采集土樣樣本198個。每個樣本采用密封袋擠出空氣密封，放在保溫箱中。由于地下水埋深較淺，在取土樣后，鉆孔內滲入地下水，用取水器取樣，一共取了6個采樣點的水樣。

圖1 焉耆縣、博湖縣地理位置及采樣點分布Fig.1 Yanqi County, Bohu County geographical location and the distribution of sampling sites

對土樣和水樣的檢測項目為硝態氮、銨態氮，根據《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999和《生活飲用水標準檢驗法》GB/T 5750-2006，運用T6新世紀紫外可見分光光度計測定土壤和地下水中硝態氮、銨態氮的含量。

運用Microsoft excel 2010對采樣點無機氮素含量進行描述性統計分析，通過SPSS22對數據進行正態分布檢驗，分析氮素的空間變異特征。

2 結果與分析

2.1 無機氮素含量水平統計特征

根據土樣檢測結果，研究區各個樣點的銨態氮含量均大于硝態氮含量。不同采樣點間土壤硝態氮含量差異較小，平均含量達到36.1 mg/L；由圖2(a)可以看出，各采樣點銨態氮含量差異較為明顯，含量均在200 mg/L以上，其中在焉耆縣城和北大渠鄉達到了340 mg/L，平均含量為280.5 mg/L。根據全國第2次土壤普查養分分級標準[速效氮包括無機態氮(銨態氮、硝態氮)及易水解的有機態氮(氮基酸、酰胺和易水解蛋白質)，見表1]，各地區土壤肥力均達到了1級水平，土壤肥力很高。近10 a來，隨著農業生產水平的提高，為促使農作物產量增長，化肥用量不斷增加，而能夠被作物有效利用的量很少。近年來，焉耆縣與博湖縣氮肥施用量以年均7%左右的速度增長，增加了氮污染的風險。灌水后土壤中化肥水解生成銨態氮，除揮發損失，作物吸收外，主要經硝化作用生成硝態氮，因而此時土壤中銨態氮含量比硝態氮高。銨態氮的硝化作用是一個持續的過程，大部分銨態氮最終轉化為較穩定的硝態氮。

表1 全國第2次土壤普查氮素分級標準Tab.1 Nitrogen grading criteria of soil survey in the second national soil survey

從圖2(b)中可以看出，淺層地下水中硝態氮含量遠大于銨態氮含量，平均相差約2個數量級。北大渠鄉硝態氮含量最高，為51.3 mg/L，塔溫覺肯鄉硝態氮含量最小為8.7 mg/L。根據我國地下水質量標準(GB/T14848-93)[11]，北大渠鄉淺層地下水水質嚴重超標，屬于Ⅴ類，僅有塔溫覺肯鄉淺層地下水屬于Ⅲ類，基本達標。另外根據我國飲用水衛生標準要求，地下水中硝態氮含量不能超過20 mg/L，氨氮含量不超過0.5 mg/L[12]，由圖2(b)可知，北大渠鄉和才坎諾爾鄉淺層地下水中硝態氮含量分別為51.3、30.9 mg/L，超過20 mg/L標準要求，不滿足生活飲用水質量要求，其他地區硝態氮含量都在飲用水標準范圍內；四十里城子銨態氮含量最大為1.6 mg/L，其他地區含量均在0.5 mg/L以上，都不滿足飲用水衛生標準，屬于超標范圍。長期過量施肥，導致淺層地下水中氮素含量不斷累積，淺層地下水水質條件不容樂觀。

2.2 無機氮素空間變異分析

焉耆縣與博湖縣的土壤、地下水中硝態氮與銨態氮含量分析結果見表2。對樣本數據在顯著性水平p<0.5(雙尾檢驗)下進行單樣本K-S檢驗，結果表明，土壤中硝態氮、銨態氮的含量均服從正態分布，地下水中的硝態氮服從正態分布，銨態氮不符合正態分布，轉化后的數據也不符合正態分布。取硝態氮與銨態氮的算術平均值作為描述總體特征的統計量。

變異系數又稱離散系數，表示土壤空間變異性的大小，反應單位均值上的離散程度[13]。

按一般對變異系數Cv值的評估，當Cv<0.1時，為弱變異性；0.1≤Cv≤1.0時，為中等變異性；Cv≥1時，為強變異性[14]。表2中，淺層地下水中的銨態氮變異系數最大，為76.7%，硝態氮變異系數為14.8%，土壤中硝態氮和銨態氮變異系數分別為20.0%、20.3%，均為中等變異水平。銨態氮穩定性差，受含水量及通氣性的影響，在硝化細菌作用下發生硝化作用產生硝態氮。施肥過后不同時間內銨態氮轉化成硝態氮的程度不同，因此氮素變異性比較大。氮素的轉化和運移都需要一定時間，進入地下水中的氮素含量基本趨于穩定，但受到施肥量影響會差生差異。

表2 研究區土壤及地下水氮素空間變異統計特征Tab.2 Statistical characteristics of spatial variability of soil and groundwater in the study area

2.3 土壤剖面氮素垂直分布特征分析

樣點區種植的農作物為小麥，灌溉方式為滴灌，施肥方式為滴灌施肥。本文基于11個土壤取樣點，每個采樣點以土壤剖面氮素含量均值作為統計量。根據氮素在土壤剖面上的分布特點，以各土層氮素含量均值占土壤剖面氮素均值的比重為積聚系數[15]。由于在0～40 cm深度范圍集中作物70%～80%以上的根系，100 cm以下根系含量很少[16-20]，結合作物根系在土壤剖面的分布，設定以0～20 cm深度土層為表層，0～40 cm為根系層，40～100 cm為中層，100 cm以下為底層。受土壤含水量、黏性土夾層的影響，依據土壤剖面氮素分布特征及積聚系數，可將土壤剖面類型分為表聚型、均布型、底聚型、振蕩型。

如圖3(a)所示，硝態氮土壤剖面分布類型主要為表聚型和振蕩型，其中有4個采樣點表層積聚顯著，占采樣點總數的36.4%。從表3可知，0～20 cm土層中，樣點S1、S7、S8、S9的積聚系數均達到150%以上；在0～40 cm土層中，硝態氮的積聚系數達到150%的樣點有S1、S7、S8、S9，與0～20 cm土層硝態氮積聚樣點基本相符。圖3(b)中，樣點S2、S3、S11的積聚系數小于150%，表層積聚效果相對較弱。在這些采樣點區作物根系層硝態氮含量相對較高，有利于作物的吸收利用。近年來焉耆盆地各地區加快推廣高效節水灌溉技術，焉耆縣、博湖縣地區高效節水面積均達到80%以上。滴灌水量較漫灌少很多，減少了灌溉水對地下水的補給量，因而硝態氮淋失量較少，主要被土壤顆粒固定在根系層中。與澆灌施肥相比，采用滴灌施肥顯著降低氮素的淋溶損失，提高了土壤中有效氮的含量[21]，有效地緩解氮素的大量淋失。由于樣點間存在灌水時間上的差異，在灌水后受蒸發作用影響，土壤表層含水量降低，以硝態氮為溶質的毛細水向上運移補充。圖3(c)中，樣點S4、S5、S6、S10土壤剖面硝態氮分布呈振蕩型，在土壤剖面硝態氮均值附近波動，沒有明顯的規律性。

表3 采樣點土壤剖面氮素含量的統計特征值Tab.3 Statistical characteristics of nitrogen content in soil profile at the sampling point

圖3 采樣點土壤剖面硝態氮分布Fig.3 Nitrate nitrogen distribution in soil profile at the sampling point

從圖4(a)～(c)可以看出，銨態氮在土壤剖面的分布為均布型、底聚型、振蕩型。圖4(a)中可以看出在土壤底層銨態氮出現了一個積累峰，樣點S2、S11在100 cm以下的積聚系數分別為131%、118%，底部積聚較顯著。在圖4(b)中，所有樣點銨態氮在各土層的積聚系數在100%左右，各土層銨態氮含量分布較均勻。銨態氮在土壤剖面各層含量較高，淋洗很明顯，加大了銨態氮進入淺層地下水的風險。圖4(c)中，土壤剖面樣點銨態氮含量分布比較混亂，呈現出震蕩的特點，各土層銨態氮含量差異明顯。總體可以看出銨態氮沿土壤剖面淋失比較顯著。主要由于施肥過后，化肥水解生成大量的銨態氮，在灌溉水作用下，土壤含水量增加，在表層接近飽和狀態，促進了銨態氮的垂向運移[22]。由于土層中存在黏土夾層，對氮素在垂向的運移產生阻礙作用，導致氮素在土壤剖面表現出震蕩分布的特點。

圖4 采樣點土壤剖面氮態氮分布Fig.3 Distribution characteristics of ammonia nitrogen in soil profile at the sampling point

3 結論與討論

(1)各采樣點土壤銨態氮含量平均為280.5 mg/L，遠大于硝態氮，兩者相差近一個數量級。在淺層地下水中硝態氮含量較銨態氮含量很高，平均含量為15.68 mg/L，而銨態氮平均含量為0.94 mg/L。

(2)研究區范圍內土壤肥力等級均達到一級水平，屬于高肥力區。根據地下水質量標準，研究區淺層地下水水質較差，僅塔溫覺肯鄉屬于Ⅲ類水質，基本達標，而北大渠鄉水質嚴重超標。淺層地下水水質均不滿足飲用水質量要求，屬于超標范圍。過去大量施用氮肥對土壤及淺層地下水已顯現出明顯影響，將給維持農田生態系統平衡工作提出嚴峻挑戰。

(3)由于灌水施肥和采樣工作間存在時間差，而且施肥量也存在差異，使土壤及地下水中的氮素含量在空間上變異明顯，屬于中等變異水平。土壤剖面上硝態氮表層積聚比較明顯，隨著土壤深度增加硝態氮含量減少；銨態氮在土壤剖面上分布較均勻，并呈現出底層積聚的特點，受灌溉水淋洗效果明顯。

(4)土壤中氮素轉化運移過程比較復雜，在干旱區的運移機理還需進一步研究。在淺水水位埋深較小的地區，如何在保證作物產量，減少氮素淋失，防止產生次生土壤鹽漬化的條件下進行合理灌施，將成為今后研究的重點。

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