再生水灌溉条件下氮素的转移规律

再生水灌溉条件下氮素的转移规律

所谓再利用，是指经过处理后的生活污水和工业生产废水，水质指标达到一定标准，可以重复使用的水体总称。统计数据表明,近10年来全国再生水年平均排放总量达700亿t以上(其中生活污水占33%,工业污水大约占67%),这对于水资源本身就很短缺的国家来说具有非常巨大的利用潜能,如果将这些污水再生后进行灌溉,每年将为国家节省大约6.2%的水资源。同时,这些经处理的再生水中的污染物质,例如氮、磷钾等元素又是植物生长所必须的营养物质,能够促进植物的生长,增加产量,提高农民经济效益。再生水灌溉对人类有诸多有利因素,但是,如果长时间的应用再生水进行灌溉,则会带来一系列严重的环境问题,例如:氮磷元素失衡,土地板结、河流湖泊富营养化等。氮素作为再生水中最活跃、最有利用价值转化过程最为复杂的一种营养成分,成为越来越多人的研究对象。大量学者研究表明,再生水中富含的氮元素,能够促进植物的生长。但对于氮素在土壤中的转移转化规律的研究,至今仍无定论。本研究通过在试验地进行再生水灌溉试验,研究了氮素的转移转化过程及规律。1材料和方法1.1试验区降水分布试验在南京晓庄学院农田实验区进行,该地区位于半湿润地区,海拔347m,年平均气温13℃左右,年平均降雨量550~600mm,干旱年为200~300mm,丰水年大于600mm,蒸发量2100mm,年内降雨分布不均,60%左右降水集中于7~9月,年际变化大。试验土壤采用当地的粉壤土,试验区持水量为47.8%。再生水采用污水厂处理过的污水,水质指标见表1。1.2生活污水回用本试验采用再生水和清水两种不同的水质作对照,清水采用本地区的地下水,再生水采用经过处理的城市污水和生活污水的1∶1混合。再生长灌溉量为800、1300m3/hm2等两个处理,每个处理下设置2、3、m等3个不同深度的测量,每处理3次重复,灌溉方式采用传统的漫灌方式。试验设计见表2。1.3再生水灌溉对氮素迁移的影响1.3.1再生水灌溉前后土壤中氮素水平在对试验区采用再生水进行灌溉前,首先对土壤中的氮素等各项数值进行测定。再生水灌溉后一定时间内再测量上述数据,对比分析再生水灌溉对氮素迁移转化的影响。1.3.2采用再生水灌溉与清水灌溉的对比分析本试验将清水灌溉和再生水灌溉试验同时进行,将两者的监测数据进行对比,从而推断再生水灌溉对氮素转化的影响。为排除试验区非灌溉因素的影响,除了采用不同的灌溉水外,其他试验条件尽量相同。1.3.3采用再生水灌溉后土壤中各项数据与标准数据对比分析采用再生水灌溉后,土壤以及植物中测得的各项数据与国家规定的相关数据对比。分析采用再生水灌溉后哪些数据会超标。2结果与分析2.1不同密度土壤中铵态氮含量的变化从图1可以看出,在采用再生水灌溉的最初阶段,铵态氮在40、70cm处的浓度明显大约离地表10cm处铵态氮的浓度;随着再生水灌溉时间的增长,铵态氮的浓度却呈现出一种随着土壤深度增加而减少的趋势,在10、40cm处的浓度分别在1.0、0.5mg/L以下,且10cm处铵态氮的含量比40、70cm处铵态氮的含量都高。产生以上现象的原因可能是:在10cm处的土壤根系和微生物都较发达,对氨氮的吸收转化能力非常强,同时10cm以上的土壤中土壤胶体丰富,能够吸附大部分的氨氮。而在40、70cm处氨氮含量较高的原因是:持续的再生水灌溉产生了淋溶作用,使表层的铵态氮通过水体向深处富集;即使灌溉结束后的一段时间内,由于土壤的保水能力,土壤仍能保持较高的硝化速率;在深层区域,由于含氧量比较少,因此硝化作用被抑制。2.2硝态氮含量随深度的变化从图2可以看出,在试验初期,硝态氮的含量都非常低,随着时间的增长有慢慢变大的趋势,并且40、7cm处硝态氮的含量比10cm处高出1倍多;随着试验的进行,在大约从第60d开始,硝态氮浓度又呈现一种先增大后减少的趋势,10、40cm处硝态氮的浓度在103d左右时达到最大值,而在40cm处却出现了1个极小值。出现上述结果的原因分析如下:在试验初期,由于土壤中的植物和微生物都处于发育时期,对有机氮的需求量较高,因此能够吸收土壤中大多数的有机物,而随着深度的增加植物的吸收能力也越来越弱,因此虽然开始硝态氮的浓度都非常低,但是随着深度的增加硝态氮的含量有变大的趋势。随着时间的推移,再生水中为植物提供的各类营养物质的繁殖又为硝化、反硝化细菌的生长提供了有利条件,在硝化、反硝化细菌的作用下,铵态氮的含量呈现逐渐升高的趋势,当土壤中能够供给硝化、反硝化细菌生长的物质逐步消耗殆尽的时候,硝化、反硝化作用就会减少,因此硝态氮又出现一种降低的趋势。2.3灌溉时间变化的趋势从图3可以看出,总氮的变化趋势与硝态氮的变化趋势极为类似:都是在初始时浓度非常低,随着灌溉时间的延长出现逐渐增大的趋势,并且在第60d后又出现新的变化趋势。这是因为总氮包含有机氮、铵态氮、硝态氮以及一些微量的亚硝态氮,在土壤中硝态氮所占的比重最大,因此在再生水灌溉条件下,土壤中总氮的变化趋势与硝态氮的变化趋势很相似。2.4生物活性成分与土壤养分含量的关系从图4可以看出,随着时间的推移,在不同深度下总氮的含量都有升高的趋势。第2次取样时总氮的含量明显比第1次高,这主要是因为随着硝态氮的解吸和土壤中各类微生物通过自身的生物化学作用,将有机氮转化成了无机氮,从而参与到了整个氮循环过程中。同时,随着时间的增加,土壤中水分蒸发,也是导致总氮浓度增加的一个原因。3再生水灌溉深度和深度碱土壤铵态氮的变化氮素在土壤中的迁移转化是一个比较复杂的物理—化学-生物作用的综合过程,不同形式的氮素在迁移转化过程当中是相互影响、相互关系的。其中,土壤中无机氮NH4+-N和NO3－N的迁移主要靠物理过程实现;而转化过程则主要由化学和生物过程完成,这些过程主要包括以下几个内容:(1)植物和微生物的矿化和固化作用,实现有机氮和无机氮之间的相互转化;(2)氨化作用,是指微生物通过脱氨基作用将有机氮转化为NH4+;(3)硝化与反硝化作用,实现氮素在有机氮和无机氮之间的转化;(4)固氮微生物,将无机氮N2转化为有机氮;(5)氮素的化学转化作用,主要有氨挥发、铵交换、铵固定和化学