王愛濱

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

0 引言

充足的水氮供給是保障糧食作物高產(chǎn)的必要條件[1～3]。但在水資源短缺、農(nóng)業(yè)面源污染等問題日益嚴(yán)重的今天，如何在保證糧食安全的情況下實(shí)現(xiàn)高效用水用肥顯得尤為重要。保水劑是一種新型功能性高分子化學(xué)節(jié)水材料[4～5]，利用其特有的強(qiáng)吸水性可迅速吸收比自身重百倍甚至千倍的去離子水以及數(shù)十倍近百倍的含鹽水分[6～7]。由于其優(yōu)異的保水性能且無毒不污染環(huán)境[8～10]，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保水劑已被廣泛應(yīng)用，提高了水肥利用率，達(dá)到了節(jié)水增產(chǎn)減肥的目的。闞常慶[11]對(duì)保水劑對(duì)沙質(zhì)土毛管水上升特性進(jìn)行研究，得出保水劑對(duì)毛管水的上升有抑制作用，同時(shí)又有阻滲作用；郭韋[12]通過對(duì)保水劑的用量、層施厚度以及層施深度三個(gè)方面的研究，分析保水劑對(duì)土壤水分垂直入滲過程中累積入滲量、濕潤(rùn)鋒和含水率的影響；程?hào)|娟等[13]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析了層施保水劑厚度對(duì)毛管水上升特性的影響，得到了層施保水劑厚度越大，地下水補(bǔ)給量越大，毛管水上升高度越小的結(jié)論；楊惠珍等[14]通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M大田層施保水劑用量對(duì)毛管水上升的影響，得出隨著保水劑層施量的增加，相同入滲時(shí)間下毛管水上升高度和地下水補(bǔ)給量下降，兩者存在線性相關(guān)關(guān)系。綜上所述，前人針對(duì)保水劑對(duì)毛管水上升影響和入滲情況做了相對(duì)較多的研究，但關(guān)于保水劑對(duì)硝態(tài)氮運(yùn)移的影響研究的較少。本文通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探究保水劑的層施高度對(duì)土壤硝態(tài)氮素運(yùn)移的影響，對(duì)于保水劑科學(xué)使用具有指導(dǎo)和實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年1月～5月在華北水利水電大學(xué)農(nóng)業(yè)高效用水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行（34°50'N、113°48'E，海拔 110.4 m），屬于河南省中部地區(qū)，試驗(yàn)主要在室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤特性參數(shù)見表1。

表1 供試土壤顆粒級(jí)配組成

1.2 試驗(yàn)裝置及方案

試驗(yàn)裝置分為供水裝置和試驗(yàn)土柱兩部分，兩者之間通過橡膠管連接。供水裝置為改進(jìn)后的馬氏瓶，裝入濃度為600 mg/L的硝酸氮溶液。試驗(yàn)土柱裝填在有機(jī)玻璃圓柱內(nèi)。有機(jī)玻璃圓柱規(guī)格為直徑23 cm、高100 cm，并沿垂向平均布設(shè)取土孔4列，孔徑為2 cm，孔中心間距為5 cm，相鄰兩排取土孔以垂直孔距2.5 cm交叉布置。試驗(yàn)用土取自0～30 cm閑置耕地的耕層土壤。對(duì)所取土樣進(jìn)行風(fēng)干、碾壓處理，用2.0 mm篩進(jìn)行篩分。定量稱取土樣和去離子水，將土樣分層均勻噴灑去離子水，并用保鮮膜覆蓋靜置24 h后測(cè)量其含水率是否滿足試驗(yàn)需要，若不符合試驗(yàn)要求則重新配置。文中所指含水率均為體積含水率。土壤含水率由烘干法測(cè)得，硝態(tài)氮含量測(cè)定由紫外一可見分光光度計(jì)測(cè)得。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

有機(jī)玻璃圓柱底部裝填20 cm高，粒徑為5 mm的石礫用以模仿自然土壤下層飽和土層，然后鋪設(shè)一塊圓形無彈性的薄海綿后裝填土層。土柱裝填時(shí)應(yīng)分層裝填并壓實(shí)，每層厚度5 cm，土柱初始含水率8%，容重1.35 g/cm3。將土柱和馬氏瓶置于同一水平面上用橡膠管連接，打開水閥將水注滿石礫層后開始計(jì)時(shí)并記錄馬氏瓶的刻度。試驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)照組和三個(gè)水平，對(duì)照組不裝填保水劑，水平組層施保水劑高度分別為0～5 cm，5 cm～10 cm，10 cm～15 cm，選用聚丙烯酰胺做為保水劑對(duì)層施層土樣進(jìn)行充分拌和，拌和保水劑重量占該層土樣重量的0.5%。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2 層施保水劑不同高度對(duì)硝態(tài)氮運(yùn)移影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 層施保水劑不同高度對(duì)土壤含水率的影響

圖2為層施不同高度保水劑對(duì)土壤含水率的變化曲線。由圖2可知，隨著距地下水位高度增加，所有試驗(yàn)組土壤含水率都呈下降趨勢(shì)，且在25 cm處水平組土壤含水率高于加入保水劑的所有水平組的含水率，說明保水劑能對(duì)土壤起到很好的持水保水效果。但在0～2.5 cm處，水平組含水率卻小于對(duì)照組，是由于保水劑改變了土壤原有的結(jié)構(gòu)屬性，對(duì)毛管水的上升起到一定的阻礙作用。在保水劑施加的位置曲線有明顯的上升趨勢(shì)，這是由于保水劑本身具有較高的吸水性和含水性，從而增加了土壤的含水率。隨著保水劑施加位置的增高，土壤含水率也呈增大趨勢(shì)，分析其原因?yàn)楸Ｋ畡?duì)其施加位置周圍土壤的影響最為明顯，同時(shí)保水劑也增大了土壤對(duì)吸水勢(shì)，隨著實(shí)施位置的增高水分運(yùn)動(dòng)的路程增加，水分持有量也隨之增加。

圖2 層施不同高度保水劑對(duì)土壤含水率的影響

2.2 層施保水劑不同高度對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖3為層施不同高度保水劑時(shí)對(duì)硝態(tài)氮運(yùn)移的變化曲線圖。由圖3可以看出，所有試驗(yàn)組硝態(tài)氮含量在距地下水高度20 cm之前都趨于平穩(wěn)，在22.5 cm時(shí)硝態(tài)氮含量陡然增高，結(jié)合圖2分析可知，25 cm位置處為毛管水上升的最高位置，此處水分的蒸發(fā)量增大，水隨著蒸發(fā)作用分散到大氣中，與此同時(shí)地下高濃度的硝酸銨溶液仍由毛管力和蒸發(fā)作用的牽引作用不斷地向此處運(yùn)輸，且由于保水劑的層施土層有較好的保水性，使得硝酸銨溶液下滲量減小，綜上共同作用使得此處硝酸銨濃度增大。與對(duì)照組相比，在距地下水位25 cm處施加保水劑的試驗(yàn)組硝態(tài)氮含量要高，且隨著施加位置的升高硝態(tài)氮含量增大，這與含水率變化趨勢(shì)相吻合，較高的含水率帶來了更多的硝態(tài)氮，當(dāng)水分蒸發(fā)后使得此處硝態(tài)氮含量升高。

圖3 層施不同高度保水劑對(duì)硝態(tài)氮運(yùn)移的影響

3 結(jié)語

（1）在土壤容重、初始含水率和硝酸銨濃度相同的條件下，0.5%重量比的保水劑可有效增加土壤的吸水保水性，且隨著保水劑施加高度的增加，保水效果越好。同時(shí)，保水劑對(duì)硝態(tài)氮的運(yùn)移起到一定的促進(jìn)作用，施加高度越高，在蒸發(fā)面處的硝態(tài)氮含量越高。這是由于硝態(tài)氮自身在土壤中是不會(huì)運(yùn)動(dòng)的，其運(yùn)移是伴隨著水分在土壤中的運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，從圖2和圖3中也可反映出。

（2）本文試驗(yàn)中保水劑施加最大高度在距地下水位15 cm處，若繼續(xù)增大施加高度保水劑對(duì)土壤吸水性的增加是否顯著，對(duì)硝態(tài)氮的運(yùn)移影響是否還如圖3所反映的情況相似，還需進(jìn)一步試驗(yàn)找到臨界位置，用以確定保水劑最佳施加高度。