再生水灌溉條件下氮素的轉(zhuǎn)移規(guī)律

所謂再利用，是指經(jīng)過處理后的生活污水和工業(yè)生產(chǎn)廢水，水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，可以重復(fù)使用的水體總稱。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,近10年來全國再生水年平均排放總量達(dá)700億t以上(其中生活污水占33%,工業(yè)污水大約占67%),這對(duì)于水資源本身就很短缺的國家來說具有非常巨大的利用潛能,如果將這些污水再生后進(jìn)行灌溉,每年將為國家節(jié)省大約6.2%的水資源。同時(shí),這些經(jīng)處理的再生水中的污染物質(zhì),例如氮、磷鉀等元素又是植物生長所必須的營養(yǎng)物質(zhì),能夠促進(jìn)植物的生長,增加產(chǎn)量,提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益。再生水灌溉對(duì)人類有諸多有利因素,但是,如果長時(shí)間的應(yīng)用再生水進(jìn)行灌溉,則會(huì)帶來一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題,例如:氮磷元素失衡,土地板結(jié)、河流湖泊富營養(yǎng)化等。氮素作為再生水中最活躍、最有利用價(jià)值轉(zhuǎn)化過程最為復(fù)雜的一種營養(yǎng)成分,成為越來越多人的研究對(duì)象。大量學(xué)者研究表明,再生水中富含的氮元素,能夠促進(jìn)植物的生長。但對(duì)于氮素在土壤中的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究,至今仍無定論。本研究通過在試驗(yàn)地進(jìn)行再生水灌溉試驗(yàn),研究了氮素的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化過程及規(guī)律。1材料和方法1.1試驗(yàn)區(qū)降水分布試驗(yàn)在南京曉莊學(xué)院農(nóng)田實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行,該地區(qū)位于半濕潤地區(qū),海拔347m,年平均氣溫13℃左右,年平均降雨量550~600mm,干旱年為200~300mm,豐水年大于600mm,蒸發(fā)量2100mm,年內(nèi)降雨分布不均,60%左右降水集中于7~9月,年際變化大。試驗(yàn)土壤采用當(dāng)?shù)氐姆廴劳?試驗(yàn)區(qū)持水量為47.8%。再生水采用污水廠處理過的污水,水質(zhì)指標(biāo)見表1。1.2生活污水回用本試驗(yàn)采用再生水和清水兩種不同的水質(zhì)作對(duì)照,清水采用本地區(qū)的地下水,再生水采用經(jīng)過處理的城市污水和生活污水的1∶1混合。再生長灌溉量為800、1300m3/hm2等兩個(gè)處理,每個(gè)處理下設(shè)置2、3、m等3個(gè)不同深度的測量,每處理3次重復(fù),灌溉方式采用傳統(tǒng)的漫灌方式。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。1.3再生水灌溉對(duì)氮素遷移的影響1.3.1再生水灌溉前后土壤中氮素水平在對(duì)試驗(yàn)區(qū)采用再生水進(jìn)行灌溉前,首先對(duì)土壤中的氮素等各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行測定。再生水灌溉后一定時(shí)間內(nèi)再測量上述數(shù)據(jù),對(duì)比分析再生水灌溉對(duì)氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響。1.3.2采用再生水灌溉與清水灌溉的對(duì)比分析本試驗(yàn)將清水灌溉和再生水灌溉試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行,將兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,從而推斷再生水灌溉對(duì)氮素轉(zhuǎn)化的影響。為排除試驗(yàn)區(qū)非灌溉因素的影響,除了采用不同的灌溉水外,其他試驗(yàn)條件盡量相同。1.3.3采用再生水灌溉后土壤中各項(xiàng)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析采用再生水灌溉后,土壤以及植物中測得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)與國家規(guī)定的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比。分析采用再生水灌溉后哪些數(shù)據(jù)會(huì)超標(biāo)。2結(jié)果與分析2.1不同密度土壤中銨態(tài)氮含量的變化從圖1可以看出,在采用再生水灌溉的最初階段,銨態(tài)氮在40、70cm處的濃度明顯大約離地表10cm處銨態(tài)氮的濃度;隨著再生水灌溉時(shí)間的增長,銨態(tài)氮的濃度卻呈現(xiàn)出一種隨著土壤深度增加而減少的趨勢(shì),在10、40cm處的濃度分別在1.0、0.5mg/L以下,且10cm處銨態(tài)氮的含量比40、70cm處銨態(tài)氮的含量都高。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因可能是:在10cm處的土壤根系和微生物都較發(fā)達(dá),對(duì)氨氮的吸收轉(zhuǎn)化能力非常強(qiáng),同時(shí)10cm以上的土壤中土壤膠體豐富,能夠吸附大部分的氨氮。而在40、70cm處氨氮含量較高的原因是:持續(xù)的再生水灌溉產(chǎn)生了淋溶作用,使表層的銨態(tài)氮通過水體向深處富集;即使灌溉結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi),由于土壤的保水能力,土壤仍能保持較高的硝化速率;在深層區(qū)域,由于含氧量比較少,因此硝化作用被抑制。2.2硝態(tài)氮含量隨深度的變化從圖2可以看出,在試驗(yàn)初期,硝態(tài)氮的含量都非常低,隨著時(shí)間的增長有慢慢變大的趨勢(shì),并且40、7cm處硝態(tài)氮的含量比10cm處高出1倍多;隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,在大約從第60d開始,硝態(tài)氮濃度又呈現(xiàn)一種先增大后減少的趨勢(shì),10、40cm處硝態(tài)氮的濃度在103d左右時(shí)達(dá)到最大值,而在40cm處卻出現(xiàn)了1個(gè)極小值。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因分析如下:在試驗(yàn)初期,由于土壤中的植物和微生物都處于發(fā)育時(shí)期,對(duì)有機(jī)氮的需求量較高,因此能夠吸收土壤中大多數(shù)的有機(jī)物,而隨著深度的增加植物的吸收能力也越來越弱,因此雖然開始硝態(tài)氮的濃度都非常低,但是隨著深度的增加硝態(tài)氮的含量有變大的趨勢(shì)。隨著時(shí)間的推移,再生水中為植物提供的各類營養(yǎng)物質(zhì)的繁殖又為硝化、反硝化細(xì)菌的生長提供了有利條件,在硝化、反硝化細(xì)菌的作用下,銨態(tài)氮的含量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),當(dāng)土壤中能夠供給硝化、反硝化細(xì)菌生長的物質(zhì)逐步消耗殆盡的時(shí)候,硝化、反硝化作用就會(huì)減少,因此硝態(tài)氮又出現(xiàn)一種降低的趨勢(shì)。2.3灌溉時(shí)間變化的趨勢(shì)從圖3可以看出,總氮的變化趨勢(shì)與硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)極為類似:都是在初始時(shí)濃度非常低,隨著灌溉時(shí)間的延長出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),并且在第60d后又出現(xiàn)新的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)榭偟袡C(jī)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及一些微量的亞硝態(tài)氮,在土壤中硝態(tài)氮所占的比重最大,因此在再生水灌溉條件下,土壤中總氮的變化趨勢(shì)與硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)很相似。2.4生物活性成分與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系從圖4可以看出,隨著時(shí)間的推移,在不同深度下總氮的含量都有升高的趨勢(shì)。第2次取樣時(shí)總氮的含量明顯比第1次高,這主要是因?yàn)殡S著硝態(tài)氮的解吸和土壤中各類微生物通過自身的生物化學(xué)作用,將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成了無機(jī)氮,從而參與到了整個(gè)氮循環(huán)過程中。同時(shí),隨著時(shí)間的增加,土壤中水分蒸發(fā),也是導(dǎo)致總氮濃度增加的一個(gè)原因。3再生水灌溉深度和深度堿土壤銨態(tài)氮的變化氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)比較復(fù)雜的物理—化學(xué)-生物作用的綜合過程,不同形式的氮素在遷移轉(zhuǎn)化過程當(dāng)中是相互影響、相互關(guān)系的。其中,土壤中無機(jī)氮NH4+-N和NO3－N的遷移主要靠物理過程實(shí)現(xiàn);而轉(zhuǎn)化過程則主要由化學(xué)和生物過程完成,這些過程主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容:(1)植物和微生物的礦化和固化作用,實(shí)現(xiàn)有機(jī)氮和無機(jī)氮之間的相互轉(zhuǎn)化;(2)氨化作用,是指微生物通過脫氨基作用將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+;(3)硝化與反硝化作用,實(shí)現(xiàn)氮素在有機(jī)氮和無機(jī)氮之間的轉(zhuǎn)化;(4)固氮微生物,將無機(jī)氮N2轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮;(5)氮素的化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,主要有氨揮發(fā)、銨交換、銨固定和化學(xué)