控制排水條件下旱地排水及氮素流失規(guī)律研究

黃志強,袁念念

(1.廣西水利科學研究院水資源與節(jié)水灌溉技術研究所,廣西南寧 530023;

2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點試驗室,湖北武漢 430072)

近年來,隨著我國農業(yè)產業(yè)化進程的加快,農業(yè)生產中化肥使用量逐漸增多,超量和超標的農田排水使河流、湖泊、土壤遭受嚴重的污染。2009年農田灌溉耗水量占全國年耗水總量的66.4%,排水率高達37%[1]。李鳳華等[1]研究發(fā)現,廣西海洋入海污染負荷中70%以上來自入海河流,而河流中90%以上的污染負荷來自農業(yè)面源污染。我國很多學者對農田氮素流失規(guī)律進行了研究。張福珠等[2]的試驗表明：通過土壤-植物系統(tǒng)流失的氮素以NO-3-N為主,NO-2-N次之,NH+4-N只占很小部分。黃滿湘等[3]的研究表明：農田暴雨徑流氮養(yǎng)分的流失量和累積徑流量成正相關。張展羽等[4]對南方紅壤地區(qū)果園氮、磷流失的研究結果表明：水土流失是氮、磷流失的主要原因,采用草皮覆蓋措施能有效減少氮磷流失。國內外大量研究結果表明[5-10],通過在田間排水系統(tǒng)設置控制設施來調節(jié)田間地下水位,能起到實現排水再利用、治理漬害、減少排水對承泄區(qū)污染的作用。羅紈等[11]以寧夏銀北灌區(qū)為例,探討了控制排水對于減少灌溉用水量及合理調節(jié)控制水位對于控制鹽堿化的作用。殷國璽等[12]在南方丘陵地區(qū)通過多目標控制排水模型探求了非劣控制排水時間。袁念念等[13]也通過試驗得出結論：實施控制排水可以減少排水量,從而減少氮素流失。本文通過對照試驗,對水氮流失過程和流失量進行分析,探討大田中水氮流失與地下水控制水位的關系。

1 試驗方法

1.1 試驗區(qū)概況

荊州丫角排灌試驗站位于四湖水系中部,東經112°31′,北緯30°21′,海拔高程29.4m。試驗場地傍靠四湖總干渠,地下水位常年較高。地勢平坦,土壤肥沃,土質為中壤黏土,孔隙率為65%,田間持水量0～15cm內為47.3%,16～40cm內為30.7%。耕作層氮、磷、鉀質量分數分別為2.5,1.5,15mg/kg。多年平均氣溫16.5℃,多年平均降雨量1122.0mm,多年平均水面蒸發(fā)量977.4mm,多年平均日照時數為1552.0h,無霜期280d左右。站址在平原湖區(qū)具有一定的代表性。

圖1 試驗田布置(單位：m)Fig.1 Layout of experimental plots(Unit：m)

1.2 試驗田布置

試驗田總面積3800m2,長76m,寬50m,沿長度方向被分成5塊相鄰的田塊,相鄰田塊之間用深1.2m、寬0.2m的硬化水泥田埂加防滲膜分隔開,在田塊的南端有一條1.5m深的排水溝。試驗田塊由東向西依次編號為E,A,B,C,D,其中E無地下暗管排水,可近似處理成控制水位為0的地下暗管排水,A,B,C,D田塊為地下暗管控制排水?？刂婆潘飰K埋設有1m深的暗管,田塊中間布置有地下水位觀測井,具體布置見圖1。

試驗設計將A,B,C,D田塊的暗管排水水位分別控制在地面高程以下30cm,50cm,80cm,100cm。為了控制不同田塊的暗管出水水位,在控制排水田塊暗管出口處安裝本試驗專門設計的水位控制器(見圖2)。該水位控制器由多個三通管連接而成,控制某一水位出流時,只需將相應高程的三通管出口打開,其余出口堵死即可。暗管出口及水位控制器用水池砌起來,水池內壁進行防滲處理,池頂安設一混凝土蓋板,可以阻絕雨水的降落以及雜物進入,確保試驗的精度和設施的完好。池子底部接大表和小表2個水表。排水量大時2個表全開,流量小時只開小表。水表進水口設過濾網,防止雜物進入堵住水表。地表排水口同樣用水池砌起并安裝2個水表,用于測定地表出水流量。

圖2 水位控制設施示意圖Fig.2 Schematic map of water level control device

1.3 測定項目及方法

旱地在降雨之后產生徑流的次數較少,而且試驗地區(qū)大的降雨一般發(fā)生在6—8月,所以本試驗對氮素徑流流失的測定主要在7—8月,其他時間發(fā)生大降雨引起的氮素徑流流失量可以根據觀測期間的規(guī)律做出一般性推斷。

本試驗觀測的主要有4次排水過程,分別是2008年7月23日(記為D723)、2008年8月15日(記為D815)、2008年8月30日(記為D830)、2009年9月10日(記為D910)(日期均為主要排水發(fā)生的時間),4次排水過程對應的分別為2008年7月22日降雨(持續(xù)7d,最大日降雨量49.7mm,總降雨量58.8mm)、2008年8月15日降雨(持續(xù)4d,最大日降雨量113.6mm,總降雨量127.4mm)、2008年8月29日降雨(持續(xù)4d,最大日降雨量76.6mm,總降雨量118.4mm)、2009年9月10日灌水(持續(xù)1d,灌水量為90mm)。分別對4次排水過程引起的地表、地下排水量,排水中氮素含量以及氮素徑流流失量進行測定分析。

排水量由各個排水口的水表讀出;水樣硝氮質量濃度測定采用雙波長比色法,銨氮質量濃度測定采用納氏試劑比色法,全氮質量濃度測定采用堿性過硫酸鉀消煮法。降雨開始后,密切關注各處理田塊地表地下排水口出水情況,一般大的降雨后會較快產生排水;排水口出現排水時,記錄下出水時刻,并讀取水表的讀數,同時取排水水樣測定其硝氮、銨氮和全氮的含量;之后,每2～3h讀取排水口流量讀數和取樣,一直到排水口無排水為止。

2 試驗結果和數據分析

2.1 雨后控制排水量分析

根據各個田塊排水口水表讀數,統(tǒng)計不同田塊4次排水過程的排水量,結果如表1所示。由表1可知,D723,D815,D830,D910 4次排水過程中最大排水量均由D田塊產生,排水總量所占降雨量的比例分別達到65.84%,48.90%,55.42%,10.95%;最小排水量均由A田塊產生,占降雨量的比例為15.27%,8.46%,19.16%,0。由此可知,對于旱作地而言,總排水量占降雨量或灌水量的比例是很可觀的,平均比例最大為30.65%(D830);排水量相差較大,控制排水和自由排水的排水量占降雨量比例之差最大可達50%。因為降雨或灌水中的很大部分損失在田面入滲,當降雨強度或灌水強度大于入滲強度時,就會產生地表徑流;當旱地有效土層達到田間持水量時,就會發(fā)生深層滲漏和地下暗管排水,即排水量的大小也取決于降雨或灌溉前的土壤水分狀況。如D910,此次灌水之前,試驗站地區(qū)經歷了罕見的干旱少雨情況：1個多月不見明顯降雨,70多天僅有73.4mm的降雨量,所以,D910雖然有90mm的灌水量,但是各田塊平均排水量僅為2.53mm(占降雨量的比例為2.81%),最大排水量僅為95.84mm(占降雨量的比例為10.95%),甚至有2個處理田塊沒有出水,這與其余3次排水有很大的差異。

表1 各田塊單位面積排水量Table1 Drainage discharge from plots per unit area

控制排水田塊中,除D830的A田塊和D910的A田塊,其他田塊暗管排水量均大于地表排水量。由此可知,暗管排水條件下,暗管排水是排水的主要形式。通常情況下,當降雨強度達到一定程度時,地表會很快形成徑流,此時地表排水口可以及時排除地表積水,這對于旱作物來說是很必要的。但地表排水持續(xù)的時間一般較短,排水總量不大;暗管排水則持續(xù)的時間較長,一般有3～7d。

表2 控制排水田塊相對自由排水田塊減排率Table 2 Relative reduction rates of drainage discharge in controlled drainage plots compared with freedrainage plots

表2為不同暗管控制水位田塊相對自由排水田塊總排水量的減少值與自由排水總排水量的比值。從表2可知,暗管控制水位田塊的總排水量相對自由排水田塊明顯減少;暗管控制水位田塊相對減排率不低于40%;對ABC 3塊暗管控制水位田塊,控制水位越高(即控制地下水位埋深越淺),減排效果越明顯。如D723從C田塊的61.5%增加到A田塊的76.8%,D815從C田塊的54.1%增至A田塊的82.7%。但是,除了D910外,其余3次排水都出現E田塊總排水量逆勢增加的情況。具體分析數據發(fā)現,E田塊的地表排水量一直居高不下,這可以理解為暗管排水對地表排水的反饋作用,當暗管控制水位高到一定程度以致影響降雨的穩(wěn)定入滲時,地表排水量必然相應增加。E田塊無暗管控制排水(即暗管控制水位為0cm),導致地下排水嚴重滯后,從而出現地表排水量居高不下的現象。

從表1可知,暗管排水量有明顯的隨暗管控制水位升高而減少的規(guī)律,說明暗管排水水位控制有效地控制了暗管排水量。從表1還可看出,暗管控制排水顯著減少了暗管排水量,4次排水中D田塊的暗管排水量是C田塊的2～4倍,是A田塊的5～8倍。各處理田塊的地表排水量沒有表現出明顯的與暗管控制水位的相關性。ABCD田塊的地表排水量都比較接近,只有E田塊的地表排水量為其他田塊排水量的4～5倍,其原因可能是由于E田塊沒有地下排水通道,田間積水都經過地表排出。從這一現象可以看出,暗管控制水位在地表以下30 cm及以下不會對地表排水量產生明顯影響,而如果再抬高的話,就會嚴重影響降水和灌溉的入滲,阻礙水流的地下排放,從而增加地表排水壓力,不僅不能減少總排水量,而且還會增加地表土壤中養(yǎng)分及氮素的流失。

2.2 氮素徑流流失過程分析

對于氮素徑流流失過程的分析,選取D723,D815,D830排水過程(D910排水由于持續(xù)時間較短、取樣較少,不進行過程分析)為代表來進行分析。3次排水過程排水中硝氮、銨氮和全氮3個氮素水質指標測定結果見圖3和圖4。

從圖3可以看出：(a)3次暗管排水銨氮質量濃度很低,基本在1mg/L以下;硝氮質量濃度一般在4mg/L以下;全氮質量濃度較高,但也只有10mg/L左右。說明暗管排水氮素質量濃度較低。(b)各田塊排水中硝氮質量濃度變化規(guī)律明顯,初始時較小,逐漸增大到峰值后又逐漸減少;銨氮質量濃度變化無明顯規(guī)律;全氮質量濃度變化規(guī)律與硝氮相似。(c)初步發(fā)現,A田塊暗管排水硝氮質量濃度較其他田塊高,但各形態(tài)氮素質量濃度與控制排水與否及控制排水水位高低無明顯關系。

從圖4可以看出：(a)排水一般持續(xù)時間較短,各形態(tài)氮素質量濃度隨時間變化較小。(b)各次排水全氮質量濃度最高,硝氮和銨氮質量濃度視雨量大小而異,但硝氮質量濃度一般不超過4mg/L,而銨氮質量濃度在8月15日降雨后超過10mg/L。

2.3 氮素徑流流失量分析

2.3.1 暗管氮素徑流流失

根據實測的暗管排水過程中排水流量和排水水質,得出每次排水過程中各個田塊暗管氮素徑流流失量,見表3。從表3可以看出,銨氮的排放量均隨著暗管控制水位的升高而減少,并且,通過分析發(fā)現,銨氮排放量與暗管排水量的相關性似乎更明顯。對4次排水過程的銨氮排放量和暗管排水量進行線性回歸,發(fā)現兩者擬合度達到0.9441,分析結果見圖5。

由圖5可見,銨氮的排放量和排水量呈正相關關系,分析原因可能為銨態(tài)氮鹽容易吸附于土壤顆粒上,在水中的溶解度很小,而暗管排水中土壤懸浮顆粒較少,所以總體上來說暗管排水中銨氮含量較低且較穩(wěn)定。從實測資料中可知,暗管排水量與暗管控制水位的相關性很強,控制暗管排水水位可以有效地控制暗管排水量,從而有效地控制暗管中銨氮流失量。

暗管徑流硝氮和全氮排放量有隨暗管控制水位升高而減少的趨勢,但是,除D910外(長期缺水后灌溉,A田塊沒有出現排水排氮),其余3次排水中硝氮和全氮的排放量最小的均是B田塊,而不是控制水位最高的A田塊,即硝氮和全氮的排放量并不是嚴格隨控制水位升高、排水量的減少而減少。

對D723和D815進行分析后發(fā)現,硝氮和全氮的排放量在這2次排水過程中有明顯的B田塊低于C田塊低于D田塊的規(guī)律,即在這3個處理田塊中,硝氮和全氮排放量隨控制水位提高、排水量減少而減少,而A田塊的硝氮和全氮排放量都呈現異常的增加,一般介于C和D之間(只有D815的全氮排放量介于B和C之間),具體原因仍有待進一步的研究。由于D910中A田塊的排水、排氮量均為0,所以無法印證上述的規(guī)律,但是B田塊低于C田塊低于D田塊這一規(guī)律還是很明顯的。另外,在這3次排水過程中,控制排水田塊的硝氮和全氮排放量均顯著低于自由排水田塊,一般減少40%～60%。

圖3 D723,D815,D830暗管排水水質Fig.3 Pipe drainage water quality of D723,D815,and D830

與D723和D815一致,D830中A田塊硝氮和全氮排放量反常增加(介于B和C之間)。但是,D830中自由排水的D田塊的硝氮和全氮排放量顯著減少,甚至比控制排水田塊的排放量還小,與次小的B田塊值較接近。對此,可能的原因是2008年7—8月連續(xù)有多場產生排水的暴雨出現,而且密度較大(7月4日次降雨62.1mm,7月23日次降雨58.8mm,8月15日次降雨127.4mm,8月29日次降雨118.4mm),導致土壤中易溶的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮等大量隨入滲水流淋失到有效土層以下或者隨暗管徑流流失到周圍環(huán)境水體中?？梢?短期內后一次暴雨導致的暗管徑流硝氮、全氮流失量必然受到前一次大量氮素流失的影響。

D723和D815排水過程中,D田塊硝氮和全氮大量隨暗管徑流流失,而且顯著大于控制排水田塊,有效土層氮庫中的硝氮和全氮含量減少,導致后期暴雨后硝氮和全氮的排放量降低。由表4可見,D723中控制排水田塊的硝氮和全氮排放量相對D田塊減少35%～93%,而D815中硝氮和全氮排放量的相對減少率均降低,為23%～84%,所以從D723到D815,自由排水D田塊的硝氮和全氮排放量相對減少了。在這一趨勢下,D830中D田塊的硝氮和全氮排放量出現小于暗管控制排水田塊有其合理性。雖然在D830中出現自由排水田塊硝氮和全氮排放量小于暗管控制排水田塊的情況,但是暗管控制排水作為一種有效的控制排水和排氮的措施,減緩了土壤中氮素的徑流流失量,總體上減少了氮素的排放,減輕了對周圍水環(huán)境的污染。

圖4 D723,D815,D830地表排水水質Fig.4 Surfacedrainagewater quality of D723,D815,and D830

圖5 暗管銨氮排放量與暗管排水量相關分析Fig.5 Correlation between discharge of ammonia nitrogen and pipe drainage discharge

2.3.2 地表氮素徑流流失量

本試驗并未直接對地表排水進行控制,但地下、地表排水本身是密切相關的。為了解暗管控制排水對地表水氮素流失的影響,對地表排水量和氮素流失量進行分析,見表5。

分析表5可知,地表排水、排氮量并未表現出與暗管控制水位明顯的相關性。但是可以發(fā)現,E田塊在D723和D815中的硝氮、銨氮和全氮排放量均明顯地大于其他田塊,而B田塊在3次排水過程中銨氮排放量均是各田塊中的最小值或近似最小值。在D830中,D田塊排水量、氮素流失量均顯著低于控制排水田塊。影響地表氮素徑流流失量的主要因素有田面的地形、地貌、氣候、土壤和植被情況等,對于地表徑流流失規(guī)律的研究需要進一步研究探討。

表3 暗管氮素徑流流失量和排水量Table 3 Nitrogen loss and drainagedischarge from subsurface drain pipe

表4 控排田塊相對D(100cm)田塊水氮排放減少率Table4 Relative reduction rates of drainage discharge and nitrogen loss in controlled drainageplots compared with plot D

表5 地表排水量及氮素徑流流失量Table5 Surface drainage dischargeand nitrogen loss

3 結 論

a.暗管排水條件下,排水的主要形式是暗管排水,暗管總排水量有隨控制水位降低而增加的趨勢,控制暗管排水水位能有效地控制降雨后旱地排水量。

b.各田塊暗管排水中硝氮質量濃度變化規(guī)律明顯,初始時較小,逐漸增大到峰值后又逐漸減少;銨氮質量濃度較低且變化無明顯規(guī)律;全氮質量濃度變化規(guī)律與硝氮相似;地表排水各形態(tài)氮素質量濃度隨時間變化較小。

c.暗管銨氮排放量與暗管排水量呈明顯線性相關,徑流氮素流失量總體上隨田塊暗管控制水位升高而減少。

d.地表氮素徑流流失量的影響因素較多,未能表現出與暗管控制水位明顯的相關關系。

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