再生水灌溉條件下氮素的轉(zhuǎn)移規(guī)律

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)指標達到一定標準，可以重復(fù)使用的水體總稱。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,近10年來全國再生水年平均排放總量達700億t以上(其中生活污水占33%,工業(yè)污水大約占67%),這對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行灌溉,每年將為國家節(jié)省大約6.2%的水資源。同時,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),能夠促進植物的生長,增加產(chǎn)量,提高農(nóng)民經(jīng)濟效益。再生水灌溉對人類有諸多有利因素,但是,如果長時間的應(yīng)用再生水進行灌溉,則會帶來一系列嚴重的環(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象。大量學(xué)者研究表明,再生水中富含的氮元素,能夠促進植物的生長。但對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。本研究通過在試驗地進行再生水灌溉試驗,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試驗區(qū)降水分布試驗在南京曉莊學(xué)院農(nóng)田實驗區(qū)進行,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。試驗土壤采用當?shù)氐姆廴劳?試驗區(qū)持水量為47.8%。再生水采用污水廠處理過的污水,水質(zhì)指標見表1。1.2生活污水回用本試驗采用再生水和清水兩種不同的水質(zhì)作對照,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等兩個處理,每個處理下設(shè)置2、3、m等3個不同深度的測量,每處理3次重復(fù),灌溉方式采用傳統(tǒng)的漫灌方式。試驗設(shè)計見表2。1.3再生水灌溉對氮素遷移的影響1.3.1再生水灌溉前后土壤中氮素水平在對試驗區(qū)采用再生水進行灌溉前,首先對土壤中的氮素等各項數(shù)值進行測定。再生水灌溉后一定時間內(nèi)再測量上述數(shù)據(jù),對比分析再生水灌溉對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響。1.3.2采用再生水灌溉與清水灌溉的對比分析本試驗將清水灌溉和再生水灌溉試驗同時進行,將兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,從而推斷再生水灌溉對氮素轉(zhuǎn)化的影響。為排除試驗區(qū)非灌溉因素的影響,除了采用不同的灌溉水外,其他試驗條件盡量相同。1.3.3采用再生水灌溉后土壤中各項數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)對比分析采用再生水灌溉后,土壤以及植物中測得的各項數(shù)據(jù)與國家規(guī)定的相關(guān)數(shù)據(jù)對比。分析采用再生水灌溉后哪些數(shù)據(jù)會超標。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,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,對氨氮的吸收轉(zhuǎn)化能力非常強,同時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,在試驗初期,硝態(tài)氮的含量都非常低,隨著時間的增長有慢慢變大的趨勢,并且40、7cm處硝態(tài)氮的含量比10cm處高出1倍多;隨著試驗的進行,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,10、40cm處硝態(tài)氮的濃度在103d左右時達到最大值,而在40cm處卻出現(xiàn)了1個極小值。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因分析如下:在試驗初期,由于土壤中的植物和微生物都處于發(fā)育時期,對有機氮的需求量較高,因此能夠吸收土壤中大多數(shù)的有機物,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。隨著時間的推移,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、反硝化細菌的生長提供了有利條件,在硝化、反硝化細菌的作用下,銨態(tài)氮的含量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,當土壤中能夠供給硝化、反硝化細菌生長的物質(zhì)逐步消耗殆盡的時候,硝化、反硝化作用就會減少,因此硝態(tài)氮又出現(xiàn)一種降低的趨勢。2.3灌溉時間變化的趨勢從圖3可以看出,總氮的變化趨勢與硝態(tài)氮的變化趨勢極為類似:都是在初始時濃度非常低,隨著灌溉時間的延長出現(xiàn)逐漸增大的趨勢,并且在第60d后又出現(xiàn)新的變化趨勢。這是因為總氮包含有機氮、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與硝態(tài)氮的變化趨勢很相似。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,隨著時間的推移,在不同深度下總氮的含量都有升高的趨勢。第2次取樣時總氮的含量明顯比第1次高,這主要是因為隨著硝態(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,將有機氮轉(zhuǎn)化成了無機氮,從而參與到了整個氮循環(huán)過程中。同時,隨著時間的增加,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)化過程當中是相互影響、相互關(guān)系的。其中,土壤中無機氮NH4+-N和NO3－N的遷移主要靠物理過程實現(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內(nèi)容:(1)植物和微生物的礦化和固化作用,實現(xiàn)有機氮和無機氮之間的相互轉(zhuǎn)化;(2)氨化作用,是指微生物通過脫氨基作用將有機氮轉(zhuǎn)化為NH4+;(3)硝化與反硝化作用,實現(xiàn)氮素在有機氮和無機氮之間的轉(zhuǎn)化;(4)固氮微生物,將無機氮N2轉(zhuǎn)化為有機氮;(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)