李勛章，董新光，楊鵬年，張 瀚，汪昌樹(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要投入要素，提供農(nóng)作物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素。施用化肥是提高農(nóng)作物單產(chǎn)的重要手段之一。近30 a來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)氮肥利用率呈直線下降趨勢(shì)，氮肥損失量巨大[1]。施入土壤中的過量氮素，會(huì)使土壤膠體分散，破壞土壤結(jié)構(gòu)，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(jìn)入地下水后，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，降低水體質(zhì)量，威脅人和動(dòng)物健康[2,3]。朱兆良[4]在已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)農(nóng)田中化肥氮的去向進(jìn)行了初步估計(jì)：作物吸收35%、氨揮發(fā)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(jié)水以來(lái)，灌區(qū)灌水方式由過去的地面灌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈喂?，施肥方式由撒施、一次性施肥逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈喂嗍┓?、多次施肥，到目前?jié)水灌溉覆蓋面積已達(dá)到80%以上。近年來(lái)開都河下游平原區(qū)農(nóng)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(zhǎng)率，化肥的增產(chǎn)效益在不斷下降[5,6]。過去很多學(xué)者通過田間和室內(nèi)試驗(yàn)，在研究氮素在土壤中的運(yùn)移與累積特點(diǎn)及其影響因素方面做了大量工作，但在干旱地區(qū)研究較少。當(dāng)前農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展面臨著提高產(chǎn)量和保護(hù)水土環(huán)境的雙重任務(wù)。因此，掌握氮素含量水平及分布特征，對(duì)進(jìn)一步定量研究土壤-作物系統(tǒng)中水分和氮素的運(yùn)移規(guī)律，預(yù)防和保護(hù)綠洲水土環(huán)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(qū)為研究對(duì)象，旨在摸清現(xiàn)階段土壤及地下水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量水平，在區(qū)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(zhuǎn)化特點(diǎn)，以期為制定合理灌水施肥條件，預(yù)防地下水體污染，調(diào)控土壤及地下水氮素含量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(qū)，行政單位包括焉耆縣、博湖縣以及27團(tuán)，地面海拔高度一般為1 050～1 200 m，地勢(shì)總體呈現(xiàn)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(qū)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(fā)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(fēng)化土[8]。研究區(qū)內(nèi)水量比較豐富，水質(zhì)相對(duì)較好，但目前也有惡化的趨勢(shì)。開都河從上游到下游水質(zhì)逐漸變差，隨著地下水的大量開采，化肥農(nóng)藥的不合理施用，導(dǎo)致地下水水質(zhì)也呈惡化趨勢(shì)[9,10]。

根據(jù)巴音郭楞蒙古自治州2014年統(tǒng)計(jì)年鑒，焉耆縣和博湖縣有效灌溉面積分別為2.84、1.545 萬(wàn)hm2，目前灌區(qū)已基本推行高效節(jié)水技術(shù)，主要采用地下水灌溉，冬春灌采用地表水。研究區(qū)主要的農(nóng)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(qū)進(jìn)行野外調(diào)查采點(diǎn)，以GPS精確定位，獲取點(diǎn)位經(jīng)緯度。共布設(shè)土樣采點(diǎn)11個(gè)，使采樣點(diǎn)盡可能的覆蓋整個(gè)灌區(qū)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(gè)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(gè)樣本，每一個(gè)樣點(diǎn)共采集18個(gè)樣本，一共采集土樣樣本198個(gè)。每個(gè)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(nèi)滲入地下水，用取水器取樣，一共取了6個(gè)采樣點(diǎn)的水樣。

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

對(duì)土樣和水樣的檢測(cè)項(xiàng)目為硝態(tài)氮、銨態(tài)氮，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999和《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》GB/T 5750-2006，運(yùn)用T6新世紀(jì)紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定土壤和地下水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量。

運(yùn)用Microsoft excel 2010對(duì)采樣點(diǎn)無(wú)機(jī)氮素含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，通過SPSS22對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，分析氮素的空間變異特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)機(jī)氮素含量水平統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)土樣檢測(cè)結(jié)果，研究區(qū)各個(gè)樣點(diǎn)的銨態(tài)氮含量均大于硝態(tài)氮含量。不同采樣點(diǎn)間土壤硝態(tài)氮含量差異較小，平均含量達(dá)到36.1 mg/L；由圖2(a)可以看出，各采樣點(diǎn)銨態(tài)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(xiāng)達(dá)到了340 mg/L，平均含量為280.5 mg/L。根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[速效氮包括無(wú)機(jī)態(tài)氮(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)及易水解的有機(jī)態(tài)氮(氮基酸、酰胺和易水解蛋白質(zhì))，見表1]，各地區(qū)土壤肥力均達(dá)到了1級(jí)水平，土壤肥力很高。近10 a來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，為促使農(nóng)作物產(chǎn)量增長(zhǎng)，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(lái)，焉耆縣與博湖縣氮肥施用量以年均7%左右的速度增長(zhǎng)，增加了氮污染的風(fēng)險(xiǎn)。灌水后土壤中化肥水解生成銨態(tài)氮，除揮發(fā)損失，作物吸收外，主要經(jīng)硝化作用生成硝態(tài)氮，因而此時(shí)土壤中銨態(tài)氮含量比硝態(tài)氮高。銨態(tài)氮的硝化作用是一個(gè)持續(xù)的過程，大部分銨態(tài)氮最終轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的硝態(tài)氮。

表1 全國(guó)第2次土壤普查氮素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(tài)氮含量遠(yuǎn)大于銨態(tài)氮含量，平均相差約2個(gè)數(shù)量級(jí)。北大渠鄉(xiāng)硝態(tài)氮含量最高，為51.3 mg/L，塔溫覺肯鄉(xiāng)硝態(tài)氮含量最小為8.7 mg/L。根據(jù)我國(guó)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)[11]，北大渠鄉(xiāng)淺層地下水水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，屬于Ⅴ類，僅有塔溫覺肯鄉(xiāng)淺層地下水屬于Ⅲ類，基本達(dá)標(biāo)。另外根據(jù)我國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，地下水中硝態(tài)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(xiāng)和才坎諾爾鄉(xiāng)淺層地下水中硝態(tài)氮含量分別為51.3、30.9 mg/L，超過20 mg/L標(biāo)準(zhǔn)要求，不滿足生活飲用水質(zhì)量要求，其他地區(qū)硝態(tài)氮含量都在飲用水標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；四十里城子銨態(tài)氮含量最大為1.6 mg/L，其他地區(qū)含量均在0.5 mg/L以上，都不滿足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，屬于超標(biāo)范圍。長(zhǎng)期過量施肥，導(dǎo)致淺層地下水中氮素含量不斷累積，淺層地下水水質(zhì)條件不容樂觀。

2.2 無(wú)機(jī)氮素空間變異分析

焉耆縣與博湖縣的土壤、地下水中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量分析結(jié)果見表2。對(duì)樣本數(shù)據(jù)在顯著性水平p<0.5(雙尾檢驗(yàn))下進(jìn)行單樣本K-S檢驗(yàn)，結(jié)果表明，土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量均服從正態(tài)分布，地下水中的硝態(tài)氮服從正態(tài)分布，銨態(tài)氮不符合正態(tài)分布，轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)也不符合正態(tài)分布。取硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的算術(shù)平均值作為描述總體特征的統(tǒng)計(jì)量。

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

按一般對(duì)變異系數(shù)Cv值的評(píng)估，當(dāng)Cv<0.1時(shí)，為弱變異性；0.1≤Cv≤1.0時(shí)，為中等變異性；Cv≥1時(shí)，為強(qiáng)變異性[14]。表2中，淺層地下水中的銨態(tài)氮變異系數(shù)最大，為76.7%，硝態(tài)氮變異系數(shù)為14.8%，土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮變異系數(shù)分別為20.0%、20.3%，均為中等變異水平。銨態(tài)氮穩(wěn)定性差，受含水量及通氣性的影響，在硝化細(xì)菌作用下發(fā)生硝化作用產(chǎn)生硝態(tài)氮。施肥過后不同時(shí)間內(nèi)銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮的程度不同，因此氮素變異性比較大。氮素的轉(zhuǎn)化和運(yùn)移都需要一定時(shí)間，進(jìn)入地下水中的氮素含量基本趨于穩(wěn)定，但受到施肥量影響會(huì)差生差異。

表2 研究區(qū)土壤及地下水氮素空間變異統(tǒng)計(jì)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(diǎn)區(qū)種植的農(nóng)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(gè)土壤取樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)以土壤剖面氮素含量均值作為統(tǒng)計(jì)量。根據(jù)氮素在土壤剖面上的分布特點(diǎn)，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(shù)[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(jié)合作物根系在土壤剖面的分布，設(shè)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(jù)土壤剖面氮素分布特征及積聚系數(shù)，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(tài)氮土壤剖面分布類型主要為表聚型和振蕩型，其中有4個(gè)采樣點(diǎn)表層積聚顯著，占采樣點(diǎn)總數(shù)的36.4%。從表3可知，0～20 cm土層中，樣點(diǎn)S1、S7、S8、S9的積聚系數(shù)均達(dá)到150%以上；在0～40 cm土層中，硝態(tài)氮的積聚系數(shù)達(dá)到150%的樣點(diǎn)有S1、S7、S8、S9，與0～20 cm土層硝態(tài)氮積聚樣點(diǎn)基本相符。圖3(b)中，樣點(diǎn)S2、S3、S11的積聚系數(shù)小于150%，表層積聚效果相對(duì)較弱。在這些采樣點(diǎn)區(qū)作物根系層硝態(tài)氮含量相對(duì)較高，有利于作物的吸收利用。近年來(lái)焉耆盆地各地區(qū)加快推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，焉耆縣、博湖縣地區(qū)高效節(jié)水面積均達(dá)到80%以上。滴灌水量較漫灌少很多，減少了灌溉水對(duì)地下水的補(bǔ)給量，因而硝態(tài)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(diǎn)間存在灌水時(shí)間上的差異，在灌水后受蒸發(fā)作用影響，土壤表層含水量降低，以硝態(tài)氮為溶質(zhì)的毛細(xì)水向上運(yùn)移補(bǔ)充。圖3(c)中，樣點(diǎn)S4、S5、S6、S10土壤剖面硝態(tài)氮分布呈振蕩型，在土壤剖面硝態(tài)氮均值附近波動(dòng)，沒有明顯的規(guī)律性。

表3 采樣點(diǎn)土壤剖面氮素含量的統(tǒng)計(jì)特征值Tab.3 Statistical characteristics of nitrogen content in soil profile at the sampling point

圖3 采樣點(diǎn)土壤剖面硝態(tài)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(tài)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(tài)氮出現(xiàn)了一個(gè)積累峰，樣點(diǎn)S2、S11在100 cm以下的積聚系數(shù)分別為131%、118%，底部積聚較顯著。在圖4(b)中，所有樣點(diǎn)銨態(tài)氮在各土層的積聚系數(shù)在100%左右，各土層銨態(tài)氮含量分布較均勻。銨態(tài)氮在土壤剖面各層含量較高，淋洗很明顯，加大了銨態(tài)氮進(jìn)入淺層地下水的風(fēng)險(xiǎn)。圖4(c)中，土壤剖面樣點(diǎn)銨態(tài)氮含量分布比較混亂，呈現(xiàn)出震蕩的特點(diǎn)，各土層銨態(tài)氮含量差異明顯?？傮w可以看出銨態(tài)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(tài)氮，在灌溉水作用下，土壤含水量增加，在表層接近飽和狀態(tài)，促進(jìn)了銨態(tài)氮的垂向運(yùn)移[22]。由于土層中存在黏土夾層，對(duì)氮素在垂向的運(yùn)移產(chǎn)生阻礙作用，導(dǎo)致氮素在土壤剖面表現(xiàn)出震蕩分布的特點(diǎn)。

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

3 結(jié)論與討論

(1)各采樣點(diǎn)土壤銨態(tài)氮含量平均為280.5 mg/L，遠(yuǎn)大于硝態(tài)氮，兩者相差近一個(gè)數(shù)量級(jí)。在淺層地下水中硝態(tài)氮含量較銨態(tài)氮含量很高，平均含量為15.68 mg/L，而銨態(tài)氮平均含量為0.94 mg/L。

(2)研究區(qū)范圍內(nèi)土壤肥力等級(jí)均達(dá)到一級(jí)水平，屬于高肥力區(qū)。根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)淺層地下水水質(zhì)較差，僅塔溫覺肯鄉(xiāng)屬于Ⅲ類水質(zhì)，基本達(dá)標(biāo)，而北大渠鄉(xiāng)水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)。淺層地下水水質(zhì)均不滿足飲用水質(zhì)量要求，屬于超標(biāo)范圍。過去大量施用氮肥對(duì)土壤及淺層地下水已顯現(xiàn)出明顯影響，將給維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡工作提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

(3)由于灌水施肥和采樣工作間存在時(shí)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(tài)氮表層積聚比較明顯，隨著土壤深度增加硝態(tài)氮含量減少；銨態(tài)氮在土壤剖面上分布較均勻，并呈現(xiàn)出底層積聚的特點(diǎn)，受灌溉水淋洗效果明顯。

(4)土壤中氮素轉(zhuǎn)化運(yùn)移過程比較復(fù)雜，在干旱區(qū)的運(yùn)移機(jī)理還需進(jìn)一步研究。在淺水水位埋深較小的地區(qū)，如何在保證作物產(chǎn)量，減少氮素淋失，防止產(chǎn)生次生土壤鹽漬化的條件下進(jìn)行合理灌施，將成為今后研究的重點(diǎn)。

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