干旱绿洲区土壤氮素累积及冬灌效应分析

肖亚奇，杨鹏年，吴 彬，刘 婕，郭 涛

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

在氮素的不同形态中，硝态氮(NO-3-N)因为不易被土壤吸附而成为水体中主要的氮素污染物[1]。不仅造成水体富营养化等水环境问题，同时饮用水中过量的硝酸盐将直接威胁着人体的健康。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)采用地表水作为饮用水源时，硝态氮含量限定为10 mg/L，采用地下水作为水源时，则放宽到了20 mg/L。而世界卫生组织(WHO)及美国家采用的标准分别是11.3和10 mg/L[2,3,4]。研究表明：不合理施肥尤其是过量施用氮肥是地下水硝酸盐污染的主要原因[5]，导致农田土壤硝态氮过量累积[6,7]，并在灌溉和降雨的条件下向下淋溶从而污染地下水。

冬灌是新疆干旱绿洲灌区在作物收获后的一次非生长季灌溉，不但可以淋洗盐分，而且有利于春季保墒。冬灌一般在11月中下旬进行，灌溉量在1 500～2 000 m3/hm2，从理论上讲，冬灌使土壤中的硝态氮更易被淋洗至土壤深层而进入地下水。这一方面造成土壤氮的淋溶损失，另一方面将使地下水受到严重污染[8]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部﹣焉耆盆地，研究区为盆地内绿洲区，地理坐标：东经85°54′58″～87°29′6″，北纬41°43′33″～42°26′17″，行政区主要包括焉耆县、博湖县、和静县及和硕县(见图1)。灌区内主要是以源自天山山脉的开都河为主要灌溉水源，其余的则为一些较小的河流，地下水主要由上游的地表径流补给形成。盆地内灌溉引用的开都河年均径流量约为12 亿m3，剩余水量注入博斯腾湖内作为下游农业用水及维系湖区生态。该区干旱少雨、冬寒夏热、光照充足、蒸发强烈等，具有明显的干旱区绿洲气候特征，多年平均气温为8.5 ℃，年均蒸发量1 876.7 mm，降雨多集中在夏季，降水量0.9(2月)～16.2(7月) mm。土壤颗粒由西北向东南逐渐变细，主要有砂砾石、中粗砂、中细砂、砂壤土及亚黏土等[9]。绿洲区内以加工番茄和色素辣椒等经济作物为主，同时也种植小麦、玉米等粮食作物。

图1 研究区地理位置及取样点分布图Fig.1 Location map and sampling point distribution in the study area

1.2 试验方法

冬灌地的样方选取了开都河上游和中游4块土地，4块不同种植类型取样地的情况分别为：焉耆县下五号渠乡下五号渠村的番茄，土壤质地主要为中壤土，采用的是地下水滴灌；和静县巴润哈尔莫顿镇阿尔孜格村的辣椒土壤质地主要为轻壤土，采用的是地下水滴灌；哈尔莫顿镇哈尔莫顿村玉米及小麦，土壤质地主要为砂壤土，采用的是漫灌。冬灌时间为2016年10月20日-11月10日，第一批取样点的时间是冬灌之前(2016年10月2日-10月10日)，第二批取样点的时间是冬灌1个月后(2016年11月15日-11月22日)，第三批取样点的时间是灌后5个月(2017年3月23日-4月1日)。每块取样地中选取4～8个样点，每个土壤取样点均采用GPS定位，利用圆凿钻采集土样，取样深度为1 m，每10 cm采集一个样，将同一土层各样点的样品混合均匀排气后，装入透明取样袋中标记密封并放入保温箱中。同时调查111眼井，共取91个地下水样。

在野外取样的同时，对绿洲灌区不同种植作物的氮肥施用量开展了调查。经调查，农户施用较多的是尿素、磷酸铵、磷酸二铵、铵磷钾肥等复合肥，由于农田种植类型、灌水量、农户成本投入等情况的不同，导致施肥量存在差异。将收集的数据不同肥料按照氮素有效成分含量计算折纯量，结果显示：番茄、辣椒、玉米及小麦氮肥折纯施用量分别为1 107.75、567.30、697.05、339.60 kg/hm2。

采用T6(新世纪)紫外可见分光光度计测定采集到的土样、水样中硝态氮、铵态氮的含量；土壤含水率用烘干法测定，电导率值则按1∶5水土比配制水溶液，使用雷磁DDS-307型电导仪测定。

2 结果与分析

2.1 生育期末土壤剖面硝态氮、铵态氮分布特征

经过生育期内灌溉与施肥的过程后，不同土壤深度之间硝态氮与铵态氮的分布特征存在差异。表层(0～10 cm)硝态氮含量较高，达到113.13 mg/kg，且基本呈现随土层深度增加逐渐降低的趋势(图2)。受土壤结构、施肥及灌溉的影响，土壤硝态氮含量平均值介于19.78～42.21 mg/kg之间，由四分位数点得到，0～100 cm土层硝态氮含量低于60 mg/kg占总取样点的75%；低于30 mg/kg占总取样点的25%。最大值出现在40 cm土层，为115.61 mg/kg，最小值出现在90 cm土层，为6.03 mg/kg，分布差异较明显。各土壤剖面硝态氮及铵态氮含量取自4种作物生育期末所有取样点不同土层的值。

图2 土壤剖面硝态氮含量分布特征Fig.2 The profile soil content nitrate nitrogen

不同土壤深度铵态氮平均含量分布较均匀(见图3)，平均值为60 mg/kg左右。由四分位数点得到，各土壤剖面硝态氮含量低于85 mg/kg占总取样点的75%；低于40 mg/kg占总取样点的25%。最大值出现在90 cm土层，为136.26 mg/kg，最小值出现在10 cm土层，为1.62 mg/kg。

图3 土壤剖面铵态氮含量分布特征Fig.3 The profile soil content ammonium nitrogen

2.2 不同种植类型农田土壤剖面硝态氮分布及累积

氮肥的施用量提高了土壤剖面硝态氮的累积量。从表1可知，0～60 cm土壤硝态氮累积量辣椒地最低，为183.56 mg/kg；番茄地最高，为264.72 mg/kg，是小麦地(257.69 mg/kg)的1.03倍，是玉米地(196.06 mg/kg)1.35倍。不同农田种植类型硝态氮累积量的大小关系表现为番茄>小麦>玉米>辣椒。

表1 冬灌前土壤硝态氮累积量分布特征Tab.1 The profile soil accumulation of nitrate nitrogen before winter irrigation

注：表中Ⅰ、Ⅱ分别代表0～60、60～100 cm土层硝态氮含量占0～100 cm土层硝态氮量的百分比；*为小麦地取样点0～60 cm硝态氮含量。

灌水前0～60 cm土层硝态氮累积比都在60%以上，60～100 cm仅在40%以下，说明灌水前硝态氮主要在0～60 cm土层累积。辣椒地土壤硝态氮峰值含量出现在表层0～10 cm，峰值层含量为36.53 mg/kg，0～60 cm土层硝态氮含量占0～100 cm土层含量的65.6%；小麦地硝态氮平均含量最高，峰值层含量达到最高55.76 mg/kg(40～50 cm)，这是由于该层为含沙量较高的沙质土层，硝态氮易于被淋洗到下层土壤，而钻孔最多取至60 cm，60 cm以下为砂砾石；0～100 cm土层番茄地土壤硝态氮含量最高达388.14 mg/kg，比辣椒、玉米分别高27.9%、20.4%，硝态氮淋洗风险大。

由表1可看出，生育期末硝态氮主要在0～60 cm土层累积，土壤剖面中NO-3-N累积量越高，硝态氮含量的峰值越高，其峰值含量出现的位置越低，冬灌后硝态氮淋失风险也越大[10]。

2.3 冬灌后土壤剖面硝态氮含量变化和淋失

硝态氮和铵态氮是旱地土壤无机氮存在的主要形态[11]，灌溉对土壤中硝态氮的运移及铵态氮的转化均具有重要的作用。

冬灌前后土壤中硝态氮含量随土层深度增加表现出不同的变化规律。冬灌前硝态氮具有表层(10～30 cm)最高，中部(30～60 cm)次之和下部(60～100 cm)最低的递减特征；冬灌后土壤剖面硝态氮基本呈现向下层迁移，明显反映出灌溉的淋洗作用(见图4)。

土壤剖面中硝态氮的淋失量即冬灌前后土壤NO-3-N累积量的差值。硝态氮的淋洗率可参照计算土壤盐分淋洗率的计算方法[12]，即以灌前与灌后硝态氮累积量差值与灌前的比值，可分别计算出各层的淋洗效果，若结果为正则表明硝态氮受到淋洗并向深部运移，反之则为硝态氮的累积。如表2所示，冬灌后0～60 cm土壤硝态氮淋失量分别为143.56、-57.01、45.99和56.47 mg/kg，辣椒地在灌水后累积现象明显；60～100 cm各土层硝态氮淋洗效果明显，淋洗率分别为48.5%、27.7%、42.5%，而在整个0～100 cm土层，番茄淋洗率达52.4%，淋洗效果最明显。玉米淋洗率为30.4%，效果也较显著，冬灌对整个土壤剖面均有不同程度的淋洗。

图4 冬灌前后土壤硝态氮含量变化特征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/%小麦淋失量/(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∗∗

同一农田种植类型铵态氮在不同土层的分布差异不显著，特别是经济作物西红柿和辣椒[见图5(a)和图5(b)]。但不同农田种植类型土壤铵态氮含量差异较大，这是由于不同地区土壤质地不同，从而导致不同颗粒大小的土壤胶体吸附铵态氮的能力不一。冬灌后，各土层铵态氮含量基本呈上升趋势，辣椒地在灌后50 cm处铵态氮平均含量高达136.40 mg/kg。初步分析这可能是由于灌水使土壤保持较高的水分，形成了厌氧环境，不利于硝化作用的进行，土壤中有机氮矿化形成的铵态氮不能很快被转化为硝态氮，从而导致铵态氮在其土壤中积累[13]。

图5 冬灌前后土壤铵态氮含量变化特征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、电导率变化

冬灌前后土壤含水率的变化情况，见图6。其中W1代表冬灌后30 d的值，W2表示冬灌后150 d的值。由图6可知：不同农田种植取样地冬灌前曲线形态具有一定的相似性，即在50～60 cm处有一个峰值，而表层和深层值较低。经过冬灌后，剖面各层含水率均有一定程度的增加。通过对比灌前、灌后30 d、灌后150 d可得，灌前0～100 cm土层含水率为11.1%～24.5%；灌后30 d该土层含水率为14.6%～28.1%，为灌前含水率的1.2～1.3倍；灌后150 d该土层含水率为15.6%～30.0%，为灌前含水率的1.2～1.4倍，且比灌后30 d各土层含水率有一定程度的增加。

由于不同定额灌水，会直接影响不同土层深度含水率，从而进一步影响土壤盐分的变化[14,15]。通过冬灌前后土壤剖面电导率对比分析(见图7)，不同种植类型土壤含盐量呈现不同的变化特点，灌溉后土壤各层电导率均有不同程度的降低。

从表3可以看出，灌水后番茄、辣椒、玉米在表层(0～10 cm)土壤呈现不同程度的脱盐特征，灌后150 d后表层土层淋洗率分别为51.7%、67.1%、39.9%，脱盐效果显著；10 cm以下的区域有呈现出不同程度的积盐特征，灌后30 d番茄地、辣椒地、玉米地在40～60 cm土层的平均淋洗率为17.0%、-25.5%、13.9%，辣椒地在该层呈现积盐现象；70～100 cm深度的平均淋洗率为-10.6%、4.2%、18.7%，这是水分将盐分淋洗至下层所致。

图6 冬灌前后土壤含水量变化特征Fig.6 Characteristics of soil water content before and after winter irrigation

图7 冬灌前后土壤电导率变化特征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=(灌前土壤电导率-灌后土壤电导率)/灌前土壤电导率×100%。

通过冬灌试验对土壤水分及盐分的影响分析，发现灌后150 d土壤含水率较灌后30 d有所提高，说明冬灌具有储水效应。对于土壤盐分，2016-2017年冬季，全疆降雨量较常年偏多，焉耆盆地由于2月下旬气温回升快，积雪消融迅速，灌后150 d土壤电导率较灌后30 d电导率有所降低，表层土壤脱盐显著。同时对于灌前盐分含量不高的土壤，冬灌洗盐的效果并不显著。

2.5 灌区内地下水硝态氮含量分析

本研究依据地下水利用类型和地下水埋藏深度将其划分为饮用水、农灌水、手压水和浅层地下水4类。此次在冬灌前后共调查分析91眼井。由调查结果(见表4)可知，在4种地下水中，农灌水的平均硝态氮含量最低，平均仅有2.42 mg/L， 57个样本中仅有4个超过10 mg/L；饮用水井的优良率为62.5%，略低于农灌水，平均值为3.19 mg/L；农户周边手压井平均含量高达4.63 mg/L，3眼中有1眼低于2.0 mg/L，优良率33.3%，有2眼含量在5～10 mg/L范围内，达标率为66.7%。盆地绿洲区浅层地下水硝态氮污染区域主要分布在农田种植区，潜水硝态氮污染受农业种植影响较大，主要源于农田中氮素的淋洗。而浅层地下水埋深最浅，仅为3～6 m，硝态氮含量最高，7个样本平均高达15.7 mg/L，最高值为28.73 mg/L，位于焉耆县下五号渠村，超标率达57.1%，严重超标率达28.6%，说明该区域浅层饮用地下水已受到硝酸盐污染。

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

注：0～2 mg/L为优良；2～5 mg/L为良好；5～10 mg/L为达标；10～20 mg/L为超标；≥20 mg/L为严重超标[16]。

3 讨 论

冬灌具有一定的储水降盐与淋氮的效应。冬灌后土壤增加的水量向下层渗漏，起到了淋洗盐分和硝态氮的作用。因此，对于土壤黏性稍大的番茄地，其压盐増熵作用显著，应优先考虑冬灌的方式进行灌溉，张瀚等[14]在对新疆开孔河流域的研究中提出当冬灌定额为3 600 m3/hm2时，具有显著的保墒压盐的作用，可为返春后的棉花播种及出苗提供较好的水盐条件，可达到减少春灌定额或免除春灌的目的，为免除春灌提供可能性；而对于灌前盐分含量不高且沙性较强的土壤(辣椒、玉米等)，其保水性较差，杨鹏年等[12]提出对于该类非盐渍或者轻度盐渍土，可采用春灌或者干播湿出等方法代替传统灌溉方式，是常规春灌定额的50%左右，不仅可缓解春灌争水的矛盾，同时又可避免硝态氮的淋失，提高氮肥的利用率。

通过灌溉淋洗，作物生育期土壤中累积的大量氮素向深层土壤运移并进入地下水体，造成浅层地下水硝态氮浓度升高，中深层地下水污染加剧的风险。杨荣等[8]指出灌溉和施肥使土壤硝态氮在土体内大量累积并随冬灌淋失至土壤深层。

因此，从减少硝态氮淋溶的角度来看，应优化控制氮肥施用量，根据作物对肥料的需求量以及作物本身对氮的吸收量平衡施肥，吴大付等[17]提出：对于北方的高产地区来说，二熟制的粮食作物氮肥年施用量不宜超过400 kg/hm2，而蔬菜作物也不宜超过500 kg/hm2，产量水平较低的地区氮肥施用量则应酌情减少；为达到人体健康对水质的要求，按照《地下水质量标准》(饮用水质量应在Ⅲ类水质以上)、《生活饮用水卫生标准》，农户氮肥施用量应分别控制在627.5 kg/hm2以下、377.5 kg/hm2以下[9]；同时应加强水肥管理措施，适时调整农田种植类型，种植田闲作物吸收多余氮素等，从而有效控制地下水的污染[18]。

4 结 语

(1)灌溉方式与土壤质地对硝态氮在土壤垂向的分布具有重要的决定作用。不同土壤深度之间硝态氮含量与分布特征存在差异，且呈现随土层深度增加而逐渐降低的趋势。土壤各层NO-3-N含量的关系主要表现为：生育期末土壤硝态氮主要在0～60 cm土层累积，不同农田种植类型硝态氮在该层累积量的大小关系表现为番茄>小麦>玉米>辣椒。灌后0～60 cm土壤硝态氮淋失量分别为143.56、-57.01、45.99和56.47 mg/kg，辣椒地在灌水后硝态氮累积较明显；60～100 cm各土层硝态氮淋洗效果明显，淋洗率分别为48.5%、27.7%、42.5%，而在整个0～100 cm土层，番茄地土壤淋洗率达52.4%，易于硝态氮向深部运移，冬灌对整个土壤剖面均有不同程度的淋洗。硝态氮淋失是该区氮素损失的途径主要之一。

(2)不同土壤深度铵态氮平均含量分布较均匀，同一农田种植类型铵态氮在不同土层的分布差异不显著。冬灌后，0～100 cm各土层铵态氮含量基本呈上升趋势。与NO-3-N比较，灌水对NH+4-N在不同土壤深度分布的影响不显著，对土壤铵态氮运移影响远小于硝态氮的影响[19]。

(3)冬灌150 d后0～100 cm土层含水率为15.6%～30.0%，为灌前含水率的1.2～1.4倍，且比灌后30 d各土层含水率(14.6%～28.1%)有一定程度的增加，由此说明冬灌具有储水效应。对于土壤盐分，灌后150 d土壤电导率较灌后30 d电导率有所降低，灌后150 d后番茄、辣椒、玉米表层土层淋洗率分别为51.7%、67.1%、39.9%，脱盐效果显著；同时对于灌前盐分含量不高的土壤，冬灌洗盐的效果并不显著。

(4)浅层地下水硝态氮含量最高，超标率达57.1%，严重超标率达28.6%，已普遍受到硝酸盐污染；而位于较深层的饮用水、农灌水、手压井水，达标率分别为87.5%、93.0%、66.7%，其地下水硝态氮总体含量虽低于浅层地下水，但也具有受潜在污染的风险。

[1] 曹志洪,林先贵，杨林章，等. 论“稻田圈”在保护城乡生态环境中的功能——Ⅱ.稻田土壤氮素养分的累积、迁移及其生态环境意义[J].土壤学报,2006,43(2):256-260.

[2] GB5749-2006,生活饮用水卫生标准[S].

[3] World Health Organization(WHO). Guidelines for drinking water quality[J].Recommendations，1984，(2)：290-292.

[4] Environmental Protection Ageney(EPA). National primary and secondary drinking water regulations：proposed rule[J].Fed.Reg.，1989，54(2)：20-77.

[5] 张维理,田哲旭,张 宁,等. 我国北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染的调查[J]. 植物营养与肥料学报,1995,(2):82-89.

[6] Guillard K,Griffin G F, Allinson D W, et al.Nitrogen utilization of selected croppingsystem in the US northeast.Ⅱ.Soil profile nitratedistribution and accumulation[J]. Agronomy Journal, 1995,87(2):199-207.

[7] 李志宏,刘宏斌,张树兰,等.小麦-玉米轮作下土壤-作物系统对氮肥的缓冲能力[J]. 中国农业科学,2001,(6):637-643.

[8] 杨 荣,苏永中.农田利用方式和冬灌对沙地农田土壤硝态氮积累的影响[J]. 应用生态学报,2009,(3):615-623.

[9] 汪昌树. 焉耆盆地绿洲区水体硝态氮量演变特征与趋势研究[D]. 乌鲁木齐：新疆农业大学,2016.

[10] 陆红娜. 北京市顺义区浅层土壤氮素的分布与累积特征[C]∥ 现代节水高效农业与生态灌区建设(上), 2010.

[11] 叶 灵,巨晓棠,刘 楠,等. 华北平原不同农田类型土壤硝态氮累积及其对地下水的影响[J]. 水土保持学报,2010,(2):165-168,178.

[12] 杨鹏年,孙珍珍,汪昌树,等. 绿洲灌区春灌效应及定额研究[J]. 水文地质工程地质,2015,(5):29-33,61.

[13] 赵维俊,刘贤德,车宗玺,等. 祁连山东段青海云杉林土壤有效氮研究[J]. 水土保持通报,2011,31(4):99-102.

[14] 张 瀚,杨鹏年,汪昌树,等. 干旱区不同冬灌定额对土壤水盐分布的影响研究[J]. 灌溉排水学报,2016,(11):42-46.

[15] 魏光辉,杨鹏年.干旱区不同灌溉方式下棉田土壤水盐调控研究[J]. 节水灌溉,2015,(6):26-30.

[16] 刘宏斌, 雷宝坤, 张云贵, 等.北京市顺义区地下水硝态氮污染的现状与评价[J].植物营养与肥料学报, 2001,7(4):385-390.

[17] 吴大付,任秀娟,马学军,等. 我国农业固体废弃物带来的危害与防治对策[EB/OL].河南科技学院学报(自然科学),2014,42(4):21-25.(2014-09-09)[2017-08-24]. http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/10.3969/j.issn.1008-7516.2014.04.005.html.

[18] 刘宏斌,李志宏,张云贵,等. 北京平原农区地下水硝态氮污染状况及其影响因素研究[J]. 土壤学报,2006,(3):405-413.

[19] 安巧霞,孙三民. 灌水对棉田土壤矿质氮运移的影响[J]. 甘肃农业大学学报,2010,(3):97-102.