暗管控制排水條件下土壤硝態(tài)氮運移轉(zhuǎn)化規(guī)律的試驗研究

楊 琳，黃介生，吳爭光

(1.中工武大設計研究有限公司，武漢 430070；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

土壤氮素的運移和轉(zhuǎn)化是個復雜的物理-生物-化學過程，時刻都在發(fā)生，且有諸多影響因素，如土壤溫度、濕度、酸度和含氧量等。土壤中氮素的轉(zhuǎn)化途徑主要有礦化-固持、硝化-反硝化、吸附和解吸過程，各種途徑之間又相互聯(lián)系，相互影響。土壤氮素的分布情況是多種綜合作用所致[1-4]。土壤氮素中只有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物直接能吸收利用的養(yǎng)分，被稱做有效氮，是衡量土壤養(yǎng)分的重要指標。由于本身化學特性銨態(tài)氮在土壤中移動性小，而硝態(tài)氮不易被土壤吸附，移動性大，是氮素流失和水環(huán)境污染的主要原因[5-8]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗選在湖北省荊州市四湖工程管理局丫角排灌試驗站進行，試驗站位于四湖水系中區(qū)，東經(jīng)112°31′，北緯30°21′，海拔高程29.4 m。場區(qū)地勢平坦、土壤肥沃，土質(zhì)為中壤黏土，田間持水量0～15 cm內(nèi)為47.3%，16～40 cm內(nèi)為30.7%，耕作層氮、磷、鉀含量分別為2.5、1.5、15 ppm。多年平均氣溫16.5 ℃，多年平均降雨量1 122.0 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為977.4 mm，多年平均日照時數(shù)為1 552.0 h，無霜期280 d左右，站址在平原湖區(qū)具有一定的代表性，試驗站具有典型的平原湖區(qū)特性，適宜種植水稻、小麥、棉花、油菜、大豆等多種作物。

1.2 試驗設計

1.2.1測坑控制排水試驗布置

測坑試驗選取位于試驗站西邊A組中的8個測坑，分別是11號、12號、13號、14號、15號、16號、17號和20號(測坑平面布置如圖1所示)，其中12號為地下正常排水處理，作為參照，其余7個測坑均為控制排水處理。每個測坑四周及底部完全封閉，面積為2 m×2 m，測坑深1.8 m，測坑上邊壁距地面30 cm，地表排水孔距地面2～5 cm，土層深約1.5 m，底部為碎石和卵石墊層厚約20 cm。在測坑底部安放一鐵管與外部馬氏箱相連，通過調(diào)整馬氏箱平水箱的高度來實現(xiàn)對測坑水位的控制。

圖1 測坑平面布置圖Fig.1 Layout of test pit

1.2.2 控制水位方案

在棉花不同生育期設置不同水位組合，2009年棉花生育期劃分及控制水位見表1所示。每個測坑內(nèi)均有1個地下水位觀測井。平水箱的排水出口安裝計量水表。

表1 測坑試驗處理地下排水出口控制深度(距離地表) cm

1.2.3 試驗作物

(1)棉花耕種情況。2009年測坑棉花控制排水試驗期間棉花種植情況和生育期劃分見表2。

表2 2009年棉花生育期和耕種情況Tab.2 Period of growth and cultivation of cotton in 2009

(2)施肥情況。根據(jù)棉花的生長需求和當?shù)氐脑耘嗔晳T，生育期施肥情況見表3。

表3 棉花施肥情況Tab.3 Fertilization conditions of cotton

注：復和肥料氮磷鉀總養(yǎng)分≥45%，有效成分N-P2O5-K2O氮磷鉀各15%。

2 結(jié)果與分析

2009年6月9日棉花測坑控制排水試驗開始，各測坑土壤地下水位調(diào)整至設計控制水位，6月10日-7月2日期間各測坑地下水位變化情況如圖2所示。

圖2 測坑地下水位變化Fig.2 Change of groundwater level in test pit

6月10日-7月2日期間，11號、13號、14號、15號、16號、17號和20號測坑地下水位變化趨勢基本一致，而12號測坑地下水位一直保持最低位置，說明控制排水措施對測坑地下水位起到積極的作用。6月27日降雨后，所有測坑地下水位均有所上升，隨后又有所下降。

對控制措施發(fā)揮作用的6月10日-7月2日間的土壤氮素分布進行分析，以降雨為分界，將氮素運移轉(zhuǎn)化的研究時段劃分為降雨發(fā)生前至排水結(jié)束(PD)和排水結(jié)束后至下次降雨前(DP)兩個時間段，即2009年6月10日-6月27日(DP)和6月27日-7月2日(PD)，對應分析各時段始末土壤氮素含量變化與控制排水水位的關(guān)系。

(1)DP時段土壤硝態(tài)氮含量變化。DP時段始末各測坑土壤剖面硝態(tài)氮濃度及含氮量見表4。

表4 6月10日-6月27日轉(zhuǎn)化前后土壤硝態(tài)氮含量變化計算值 Tab.4 Calculated value of changes of soil nitrate nitrogen content from June 10 to June 27 before and after transformation

(2)PD時段土壤硝態(tài)氮含量變化。PD時段始末各測坑土壤剖面硝態(tài)氮濃度及含氮量見表5。

表5 6月27日至7月2日降雨前后土壤硝態(tài)氮含量變化計算值Tab.5 Calculated value of changes of soil nitrate nitrogen content from June 27 to July 2 before and after rainfall

PD時段是6月27日降雨前至排水結(jié)束后，降雨量為136.8 mm，在PD時段始末各測坑剖面硝態(tài)氮含量的變化規(guī)律是：表層硝態(tài)氮含量均減小，深層(60～80 cm)土壤硝態(tài)氮含量均增大，表層硝態(tài)氮隨雨水滲入累積到土壤深層。多數(shù)控制排水測坑硝態(tài)氮含量的流失量均小于非控制排水，且硝態(tài)氮的流失量與控制水位基本上成負相關(guān)。如 13、15、17和20號測坑硝態(tài)氮流失量分別為2.8、10.03、4.69和26.47 g。可見硝態(tài)氮易被淋失，通過控制排水能有效減少硝態(tài)氮的流失量。

3 結(jié) 語

通過開展旱地控制排水試驗，研究了控制排水對土壤硝態(tài)氮運移和轉(zhuǎn)化的影響，試驗主要結(jié)論如下。

(1)控制排水措施能有效抬升地下水位、增大土壤墑情和儲水量，提高雨水資源利用率。

(2)控制與非控制排水田塊土壤剖面硝態(tài)氮分布規(guī)律相似，硝態(tài)氮含量集中在0～40 cm土層，深層土壤中硝態(tài)氮濃度很小在1 mg/kg左右，不會污染地下水。施肥對0～20 cm土層硝態(tài)氮濃度的影響最大，20 cm以下影響較小。

(3)排水結(jié)束后至降雨前，表層至40 cm土壤剖面硝態(tài)氮濃度變化率與控制排水出口的高度成負相關(guān)，降雨至排水結(jié)束后，表層硝態(tài)氮的濃度均減小，表層以下硝態(tài)氮濃度變化與地下水埋深有關(guān)，地下水位以上硝態(tài)氮濃度一般增大，地下水位以下硝態(tài)氮濃度一般減小。控制排水措施減小了深層土壤硝態(tài)氮含量，且大大減少了土壤中硝態(tài)氮的含量，降低了硝態(tài)氮淋失的風險。

(4)控制排水能減少硝態(tài)氮的淋濕量。控制排水測坑硝態(tài)氮含量的流失量均小于非控制排水，且硝態(tài)氮的流失量與控制水位基本上成負相關(guān)。