干旱綠洲區土壤氮素累積及冬灌效應分析

肖亞奇，楊鵬年，吳 彬，劉 婕，郭 濤

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

在氮素的不同形態中，硝態氮(NO-3-N)因為不易被土壤吸附而成為水體中主要的氮素污染物[1]。不僅造成水體富營養化等水環境問題，同時飲用水中過量的硝酸鹽將直接威脅著人體的健康。我國《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)采用地表水作為飲用水源時，硝態氮含量限定為10 mg/L，采用地下水作為水源時，則放寬到了20 mg/L。而世界衛生組織(WHO)及美國家采用的標準分別是11.3和10 mg/L[2,3,4]。研究表明：不合理施肥尤其是過量施用氮肥是地下水硝酸鹽污染的主要原因[5]，導致農田土壤硝態氮過量累積[6,7]，并在灌溉和降雨的條件下向下淋溶從而污染地下水。

冬灌是新疆干旱綠洲灌區在作物收獲后的一次非生長季灌溉，不但可以淋洗鹽分，而且有利于春季保墑。冬灌一般在11月中下旬進行，灌溉量在1 500～2 000 m3/hm2，從理論上講，冬灌使土壤中的硝態氮更易被淋洗至土壤深層而進入地下水。這一方面造成土壤氮的淋溶損失，另一方面將使地下水受到嚴重污染[8]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部﹣焉耆盆地，研究區為盆地內綠洲區，地理坐標：東經85°54′58″～87°29′6″，北緯41°43′33″～42°26′17″，行政區主要包括焉耆縣、博湖縣、和靜縣及和碩縣(見圖1)。灌區內主要是以源自天山山脈的開都河為主要灌溉水源，其余的則為一些較小的河流，地下水主要由上游的地表徑流補給形成。盆地內灌溉引用的開都河年均徑流量約為12 億m3，剩余水量注入博斯騰湖內作為下游農業用水及維系湖區生態。該區干旱少雨、冬寒夏熱、光照充足、蒸發強烈等，具有明顯的干旱區綠洲氣候特征，多年平均氣溫為8.5 ℃，年均蒸發量1 876.7 mm，降雨多集中在夏季，降水量0.9(2月)～16.2(7月) mm。土壤顆粒由西北向東南逐漸變細，主要有砂礫石、中粗砂、中細砂、砂壤土及亞黏土等[9]。綠洲區內以加工番茄和色素辣椒等經濟作物為主，同時也種植小麥、玉米等糧食作物。

圖1 研究區地理位置及取樣點分布圖Fig.1 Location map and sampling point distribution in the study area

1.2 試驗方法

冬灌地的樣方選取了開都河上游和中游4塊土地，4塊不同種植類型取樣地的情況分別為：焉耆縣下五號渠鄉下五號渠村的番茄，土壤質地主要為中壤土，采用的是地下水滴灌；和靜縣巴潤哈爾莫頓鎮阿爾孜格村的辣椒土壤質地主要為輕壤土，采用的是地下水滴灌；哈爾莫頓鎮哈爾莫頓村玉米及小麥，土壤質地主要為砂壤土，采用的是漫灌。冬灌時間為2016年10月20日-11月10日，第一批取樣點的時間是冬灌之前(2016年10月2日-10月10日)，第二批取樣點的時間是冬灌1個月后(2016年11月15日-11月22日)，第三批取樣點的時間是灌后5個月(2017年3月23日-4月1日)。每塊取樣地中選取4～8個樣點，每個土壤取樣點均采用GPS定位，利用圓鑿鉆采集土樣，取樣深度為1 m，每10 cm采集一個樣，將同一土層各樣點的樣品混合均勻排氣后，裝入透明取樣袋中標記密封并放入保溫箱中。同時調查111眼井，共取91個地下水樣。

在野外取樣的同時，對綠洲灌區不同種植作物的氮肥施用量開展了調查。經調查，農戶施用較多的是尿素、磷酸銨、磷酸二銨、銨磷鉀肥等復合肥，由于農田種植類型、灌水量、農戶成本投入等情況的不同，導致施肥量存在差異。將收集的數據不同肥料按照氮素有效成分含量計算折純量，結果顯示：番茄、辣椒、玉米及小麥氮肥折純施用量分別為1 107.75、567.30、697.05、339.60 kg/hm2。

采用T6(新世紀)紫外可見分光光度計測定采集到的土樣、水樣中硝態氮、銨態氮的含量；土壤含水率用烘干法測定，電導率值則按1∶5水土比配制水溶液，使用雷磁DDS-307型電導儀測定。

2 結果與分析

2.1 生育期末土壤剖面硝態氮、銨態氮分布特征

經過生育期內灌溉與施肥的過程后，不同土壤深度之間硝態氮與銨態氮的分布特征存在差異。表層(0～10 cm)硝態氮含量較高，達到113.13 mg/kg，且基本呈現隨土層深度增加逐漸降低的趨勢(圖2)。受土壤結構、施肥及灌溉的影響，土壤硝態氮含量平均值介于19.78～42.21 mg/kg之間，由四分位數點得到，0～100 cm土層硝態氮含量低于60 mg/kg占總取樣點的75%；低于30 mg/kg占總取樣點的25%。最大值出現在40 cm土層，為115.61 mg/kg，最小值出現在90 cm土層，為6.03 mg/kg，分布差異較明顯。各土壤剖面硝態氮及銨態氮含量取自4種作物生育期末所有取樣點不同土層的值。

圖2 土壤剖面硝態氮含量分布特征Fig.2 The profile soil content nitrate nitrogen

不同土壤深度銨態氮平均含量分布較均勻(見圖3)，平均值為60 mg/kg左右。由四分位數點得到，各土壤剖面硝態氮含量低于85 mg/kg占總取樣點的75%；低于40 mg/kg占總取樣點的25%。最大值出現在90 cm土層，為136.26 mg/kg，最小值出現在10 cm土層，為1.62 mg/kg。

圖3 土壤剖面銨態氮含量分布特征Fig.3 The profile soil content ammonium nitrogen

2.2 不同種植類型農田土壤剖面硝態氮分布及累積

氮肥的施用量提高了土壤剖面硝態氮的累積量。從表1可知，0～60 cm土壤硝態氮累積量辣椒地最低，為183.56 mg/kg；番茄地最高，為264.72 mg/kg，是小麥地(257.69 mg/kg)的1.03倍，是玉米地(196.06 mg/kg)1.35倍。不同農田種植類型硝態氮累積量的大小關系表現為番茄>小麥>玉米>辣椒。

表1 冬灌前土壤硝態氮累積量分布特征Tab.1 The profile soil accumulation of nitrate nitrogen before winter irrigation

注：表中Ⅰ、Ⅱ分別代表0～60、60～100 cm土層硝態氮含量占0～100 cm土層硝態氮量的百分比；*為小麥地取樣點0～60 cm硝態氮含量。

灌水前0～60 cm土層硝態氮累積比都在60%以上，60～100 cm僅在40%以下，說明灌水前硝態氮主要在0～60 cm土層累積。辣椒地土壤硝態氮峰值含量出現在表層0～10 cm，峰值層含量為36.53 mg/kg，0～60 cm土層硝態氮含量占0～100 cm土層含量的65.6%；小麥地硝態氮平均含量最高，峰值層含量達到最高55.76 mg/kg(40～50 cm)，這是由于該層為含沙量較高的沙質土層，硝態氮易于被淋洗到下層土壤，而鉆孔最多取至60 cm，60 cm以下為砂礫石；0～100 cm土層番茄地土壤硝態氮含量最高達388.14 mg/kg，比辣椒、玉米分別高27.9%、20.4%，硝態氮淋洗風險大。

由表1可看出，生育期末硝態氮主要在0～60 cm土層累積，土壤剖面中NO-3-N累積量越高，硝態氮含量的峰值越高，其峰值含量出現的位置越低，冬灌后硝態氮淋失風險也越大[10]。

2.3 冬灌后土壤剖面硝態氮含量變化和淋失

硝態氮和銨態氮是旱地土壤無機氮存在的主要形態[11]，灌溉對土壤中硝態氮的運移及銨態氮的轉化均具有重要的作用。

冬灌前后土壤中硝態氮含量隨土層深度增加表現出不同的變化規律。冬灌前硝態氮具有表層(10～30 cm)最高，中部(30～60 cm)次之和下部(60～100 cm)最低的遞減特征；冬灌后土壤剖面硝態氮基本呈現向下層遷移，明顯反映出灌溉的淋洗作用(見圖4)。

土壤剖面中硝態氮的淋失量即冬灌前后土壤NO-3-N累積量的差值。硝態氮的淋洗率可參照計算土壤鹽分淋洗率的計算方法[12]，即以灌前與灌后硝態氮累積量差值與灌前的比值，可分別計算出各層的淋洗效果，若結果為正則表明硝態氮受到淋洗并向深部運移，反之則為硝態氮的累積。如表2所示，冬灌后0～60 cm土壤硝態氮淋失量分別為143.56、-57.01、45.99和56.47 mg/kg，辣椒地在灌水后累積現象明顯；60～100 cm各土層硝態氮淋洗效果明顯，淋洗率分別為48.5%、27.7%、42.5%，而在整個0～100 cm土層，番茄淋洗率達52.4%，淋洗效果最明顯。玉米淋洗率為30.4%，效果也較顯著，冬灌對整個土壤剖面均有不同程度的淋洗。

圖4 冬灌前后土壤硝態氮含量變化特征Fig.4 The trends of soil nitrate nitrogen before and after winter irrigation

深度/cm番茄淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%辣椒淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%玉米淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%小麥淋失量/(mg·kg-1)淋洗率/%0～60143．5654．2-57．00-31．146．9923．556．5021．960～10059．8148．526．6027．747．9742．5??0～100203．3752．4-30．40-10．993．9630．4??

同一農田種植類型銨態氮在不同土層的分布差異不顯著，特別是經濟作物西紅柿和辣椒[見圖5(a)和圖5(b)]。但不同農田種植類型土壤銨態氮含量差異較大，這是由于不同地區土壤質地不同，從而導致不同顆粒大小的土壤膠體吸附銨態氮的能力不一。冬灌后，各土層銨態氮含量基本呈上升趨勢，辣椒地在灌后50 cm處銨態氮平均含量高達136.40 mg/kg。初步分析這可能是由于灌水使土壤保持較高的水分，形成了厭氧環境，不利于硝化作用的進行，土壤中有機氮礦化形成的銨態氮不能很快被轉化為硝態氮，從而導致銨態氮在其土壤中積累[13]。

圖5 冬灌前后土壤銨態氮含量變化特征Fig.5 The trends of soil ammonium nitrogen before and after winter irrigation

2.4 冬灌前后土壤剖面含水率、電導率變化

冬灌前后土壤含水率的變化情況，見圖6。其中W1代表冬灌后30 d的值，W2表示冬灌后150 d的值。由圖6可知：不同農田種植取樣地冬灌前曲線形態具有一定的相似性，即在50～60 cm處有一個峰值，而表層和深層值較低。經過冬灌后，剖面各層含水率均有一定程度的增加。通過對比灌前、灌后30 d、灌后150 d可得，灌前0～100 cm土層含水率為11.1%～24.5%；灌后30 d該土層含水率為14.6%～28.1%，為灌前含水率的1.2～1.3倍；灌后150 d該土層含水率為15.6%～30.0%，為灌前含水率的1.2～1.4倍，且比灌后30 d各土層含水率有一定程度的增加。

由于不同定額灌水，會直接影響不同土層深度含水率，從而進一步影響土壤鹽分的變化[14,15]。通過冬灌前后土壤剖面電導率對比分析(見圖7)，不同種植類型土壤含鹽量呈現不同的變化特點，灌溉后土壤各層電導率均有不同程度的降低。

從表3可以看出，灌水后番茄、辣椒、玉米在表層(0～10 cm)土壤呈現不同程度的脫鹽特征，灌后150 d后表層土層淋洗率分別為51.7%、67.1%、39.9%，脫鹽效果顯著；10 cm以下的區域有呈現出不同程度的積鹽特征，灌后30 d番茄地、辣椒地、玉米地在40～60 cm土層的平均淋洗率為17.0%、-25.5%、13.9%，辣椒地在該層呈現積鹽現象；70～100 cm深度的平均淋洗率為-10.6%、4.2%、18.7%，這是水分將鹽分淋洗至下層所致。

圖6 冬灌前后土壤含水量變化特征Fig.6 Characteristics of soil water content before and after winter irrigation

圖7 冬灌前后土壤電導率變化特征Fig.7 Characteristics of soil conductivity before and after winter irrigation

表3 灌后不同深度土壤淋洗率 %

注：淋洗率=(灌前土壤電導率-灌后土壤電導率)/灌前土壤電導率×100%。

通過冬灌試驗對土壤水分及鹽分的影響分析，發現灌后150 d土壤含水率較灌后30 d有所提高，說明冬灌具有儲水效應。對于土壤鹽分，2016-2017年冬季，全疆降雨量較常年偏多，焉耆盆地由于2月下旬氣溫回升快，積雪消融迅速，灌后150 d土壤電導率較灌后30 d電導率有所降低，表層土壤脫鹽顯著。同時對于灌前鹽分含量不高的土壤，冬灌洗鹽的效果并不顯著。

2.5 灌區內地下水硝態氮含量分析

本研究依據地下水利用類型和地下水埋藏深度將其劃分為飲用水、農灌水、手壓水和淺層地下水4類。此次在冬灌前后共調查分析91眼井。由調查結果(見表4)可知，在4種地下水中，農灌水的平均硝態氮含量最低，平均僅有2.42 mg/L， 57個樣本中僅有4個超過10 mg/L；飲用水井的優良率為62.5%，略低于農灌水，平均值為3.19 mg/L；農戶周邊手壓井平均含量高達4.63 mg/L，3眼中有1眼低于2.0 mg/L，優良率33.3%，有2眼含量在5～10 mg/L范圍內，達標率為66.7%。盆地綠洲區淺層地下水硝態氮污染區域主要分布在農田種植區，潛水硝態氮污染受農業種植影響較大，主要源于農田中氮素的淋洗。而淺層地下水埋深最淺，僅為3～6 m，硝態氮含量最高，7個樣本平均高達15.7 mg/L，最高值為28.73 mg/L，位于焉耆縣下五號渠村，超標率達57.1%，嚴重超標率達28.6%，說明該區域淺層飲用地下水已受到硝酸鹽污染。

表4 不同深度地下水硝態氮含量Tab.4 Nitrate nitrogen content of groundwater from SG, HW, IW and DW

注：0～2 mg/L為優良；2～5 mg/L為良好；5～10 mg/L為達標；10～20 mg/L為超標；≥20 mg/L為嚴重超標[16]。

3 討 論

冬灌具有一定的儲水降鹽與淋氮的效應。冬灌后土壤增加的水量向下層滲漏，起到了淋洗鹽分和硝態氮的作用。因此，對于土壤黏性稍大的番茄地，其壓鹽増熵作用顯著，應優先考慮冬灌的方式進行灌溉，張瀚等[14]在對新疆開孔河流域的研究中提出當冬灌定額為3 600 m3/hm2時，具有顯著的保墑壓鹽的作用，可為返春后的棉花播種及出苗提供較好的水鹽條件，可達到減少春灌定額或免除春灌的目的，為免除春灌提供可能性；而對于灌前鹽分含量不高且沙性較強的土壤(辣椒、玉米等)，其保水性較差，楊鵬年等[12]提出對于該類非鹽漬或者輕度鹽漬土，可采用春灌或者干播濕出等方法代替傳統灌溉方式，是常規春灌定額的50%左右，不僅可緩解春灌爭水的矛盾，同時又可避免硝態氮的淋失，提高氮肥的利用率。

通過灌溉淋洗，作物生育期土壤中累積的大量氮素向深層土壤運移并進入地下水體，造成淺層地下水硝態氮濃度升高，中深層地下水污染加劇的風險。楊榮等[8]指出灌溉和施肥使土壤硝態氮在土體內大量累積并隨冬灌淋失至土壤深層。

因此，從減少硝態氮淋溶的角度來看，應優化控制氮肥施用量，根據作物對肥料的需求量以及作物本身對氮的吸收量平衡施肥，吳大付等[17]提出：對于北方的高產地區來說，二熟制的糧食作物氮肥年施用量不宜超過400 kg/hm2，而蔬菜作物也不宜超過500 kg/hm2，產量水平較低的地區氮肥施用量則應酌情減少；為達到人體健康對水質的要求，按照《地下水質量標準》(飲用水質量應在Ⅲ類水質以上)、《生活飲用水衛生標準》，農戶氮肥施用量應分別控制在627.5 kg/hm2以下、377.5 kg/hm2以下[9]；同時應加強水肥管理措施，適時調整農田種植類型，種植田閑作物吸收多余氮素等，從而有效控制地下水的污染[18]。

4 結 語

(1)灌溉方式與土壤質地對硝態氮在土壤垂向的分布具有重要的決定作用。不同土壤深度之間硝態氮含量與分布特征存在差異，且呈現隨土層深度增加而逐漸降低的趨勢。土壤各層NO-3-N含量的關系主要表現為：生育期末土壤硝態氮主要在0～60 cm土層累積，不同農田種植類型硝態氮在該層累積量的大小關系表現為番茄>小麥>玉米>辣椒。灌后0～60 cm土壤硝態氮淋失量分別為143.56、-57.01、45.99和56.47 mg/kg，辣椒地在灌水后硝態氮累積較明顯；60～100 cm各土層硝態氮淋洗效果明顯，淋洗率分別為48.5%、27.7%、42.5%，而在整個0～100 cm土層，番茄地土壤淋洗率達52.4%，易于硝態氮向深部運移，冬灌對整個土壤剖面均有不同程度的淋洗。硝態氮淋失是該區氮素損失的途徑主要之一。

(2)不同土壤深度銨態氮平均含量分布較均勻，同一農田種植類型銨態氮在不同土層的分布差異不顯著。冬灌后，0～100 cm各土層銨態氮含量基本呈上升趨勢。與NO-3-N比較，灌水對NH+4-N在不同土壤深度分布的影響不顯著，對土壤銨態氮運移影響遠小于硝態氮的影響[19]。

(3)冬灌150 d后0～100 cm土層含水率為15.6%～30.0%，為灌前含水率的1.2～1.4倍，且比灌后30 d各土層含水率(14.6%～28.1%)有一定程度的增加，由此說明冬灌具有儲水效應。對于土壤鹽分，灌后150 d土壤電導率較灌后30 d電導率有所降低，灌后150 d后番茄、辣椒、玉米表層土層淋洗率分別為51.7%、67.1%、39.9%，脫鹽效果顯著；同時對于灌前鹽分含量不高的土壤，冬灌洗鹽的效果并不顯著。

(4)淺層地下水硝態氮含量最高，超標率達57.1%，嚴重超標率達28.6%，已普遍受到硝酸鹽污染；而位于較深層的飲用水、農灌水、手壓井水，達標率分別為87.5%、93.0%、66.7%，其地下水硝態氮總體含量雖低于淺層地下水，但也具有受潛在污染的風險。

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