氮素遷移至徑流的水平對(duì)氮素流失的影響

0pam對(duì)氮素徑流遷移的影響表面氮素的隨地表徑流的流動(dòng)是氮素?fù)p失的重要路徑。應(yīng)選擇控制地表氮素流動(dòng)的措施來(lái)提高氮素的使用效率，改善水環(huán)境。許多研究表明，高有機(jī)化合物聚吡咯對(duì)于提高降雨和灌溉的利用率起到了良好的作用，并對(duì)提高水土壤環(huán)境的潛在價(jià)值做出了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。PAM遇水溶解后有很強(qiáng)的黏絮性,其溶液黏稠度與PAM分子量有關(guān),且PAM分子量很長(zhǎng),它的酰胺基可與多種物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵,在這2種效應(yīng)的共同作用下PAM極易黏絮多種溶質(zhì)從而有效降低溶質(zhì)地表徑流流失,Entry等就證實(shí)PAM的施用有效地過(guò)濾了牲畜污水排放的徑流中銨態(tài)氮的數(shù)量;另一方面,PAM可以很好地參與土壤氮素化學(xué)反應(yīng),從而改變土壤中氮素組成,進(jìn)而影響氮素流失濃度,如PAM對(duì)銨態(tài)氮釋放速率影響不大,但會(huì)明顯加快銨態(tài)氮的硝化反應(yīng)速率,再如PAM可以增強(qiáng)一些酶的活力從而改變氮素循環(huán)水平。Sojka等就曾指出PAM對(duì)改善環(huán)境的良好潛力將會(huì)帶來(lái)對(duì)土壤改良劑價(jià)值全新的認(rèn)識(shí),然而目前極少有關(guān)于PAM施用對(duì)氮素徑流遷移的試驗(yàn)驗(yàn)證及闡述。建立氮素徑流遷移模型對(duì)于預(yù)測(cè)及預(yù)防氮素流失具有重大意義。研究表明,遷移至徑流中的溶質(zhì)完全來(lái)源于土壤混合層,而土壤混合層以下的溶質(zhì)并不參與徑流遷移,因此土壤混合層深度的確定對(duì)氮素徑流遷移有重要影響。雖然眾多研究針對(duì)土壤混合層深度給出了不同數(shù)值,如Ahuja等利用32P作為示蹤劑提出了有效混合深度的概念(EDI),并指出EDI深度在2~3mm之間,而基于土壤混合層理論建立的著名的非點(diǎn)源污染模型CREAMS將EDI統(tǒng)一為10mm,但都證實(shí)土壤混合層是土壤表層極薄的一層,而其差別主要與降雨強(qiáng)度、土壤質(zhì)地與遷移溶質(zhì)類(lèi)型等多種因素有關(guān)。關(guān)于土壤混合層中溶質(zhì)遷移徑流的水平,起初認(rèn)定為完全混合模式,即徑流中溶質(zhì)濃度與混合層中溶質(zhì)濃度相同,隨著研究的發(fā)展,有研究指出徑流中溶質(zhì)濃度低于土壤混合層溶液中濃度,因此提出不完全混合的概念,即徑流中濃度與土壤溶液濃度成一定比例。Ahuja等基于不完全混合概念和溶質(zhì)質(zhì)量守恒建立了遷移模型,這也成為眾多遷移模型的基礎(chǔ),隨后童菊秀,Gao等也以此為基礎(chǔ)不斷擴(kuò)展研究成果。本研究主要內(nèi)容包括以下2個(gè)方面:1)通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn),研究PAM施用對(duì)土壤氮素徑流遷移的影響。2)基于土壤混合層理論和氮素守恒原理,建立PAM施用條件下氮素遷移模型,并求解模型的解析解。1試驗(yàn)材料和方法1.1土樣及聚丙烯酰胺試驗(yàn)土樣取自北京市順義區(qū)北石槽鎮(zhèn)農(nóng)田表層30cm土壤。土壤砂粒含量較高,土壤質(zhì)地類(lèi)型依據(jù)美國(guó)土壤分類(lèi)質(zhì)確定為砂壤土。試驗(yàn)前將土樣碾碎,風(fēng)干后過(guò)2mm篩,并剔除石子,根系,木棍等雜物。聚丙烯酰胺(PAM)是一種高分子有機(jī)化合物,分為陰離子型,陽(yáng)離子型和非離子型。PAM溶水性極高,遇水后膨脹,并表現(xiàn)出極強(qiáng)的絮凝、黏結(jié)的效果。本研究采用陰離子型PAM,分子量3000萬(wàn),呈白色粉末狀。1.2土槽與降雨控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置由液壓升降槽和降雨系統(tǒng)組成。升降槽尺寸為8m×3m×0.4m,土槽可通過(guò)改變四周鐵皮擋板設(shè)定為多種尺寸,土槽坡度變化范圍為0°~30°。降雨系統(tǒng)由雨強(qiáng)控制臺(tái),自記雨量計(jì)和2個(gè)側(cè)噴系統(tǒng)組成,通過(guò)調(diào)整雨強(qiáng)控制系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)雨強(qiáng)。降雨系統(tǒng)可保證30~120mm/h雨強(qiáng)。1.3不同處理的土槽試驗(yàn)試驗(yàn)采用固定坡度10°,降雨歷時(shí)視不同處理產(chǎn)流情況而定,施氮為尿素,施用量為常規(guī)施用水平270kg/hm2。試驗(yàn)設(shè)定2個(gè)雨強(qiáng)(50和80mm/h),每組試驗(yàn)分為2個(gè)階段,第1次降雨試驗(yàn)結(jié)束后將土樣靜止24h后重復(fù)試驗(yàn)作為第2階段。每組試驗(yàn)PAM施用量設(shè)定3個(gè)水平,分別為0g/m2(PAM-0),1g/m2(PAM-1)和2g/m2(PAM-2),另增加不施尿素也不施PAM作為對(duì)照(CK),共計(jì)4個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共計(jì)12個(gè)徑流小區(qū)。將升降槽搭建成2m×3m×0.4m的土槽內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),將土槽分為12個(gè)徑流小區(qū),每個(gè)小區(qū)尺寸為2m×0.25m×0.4m,小區(qū)之間利用長(zhǎng)2m,高30cm,厚2mm的PVC板間隔,PVC板插入土中20cm,地表留10cm。各處理尿素與PAM撒施水平如表2所示試驗(yàn)于土槽底部20cm鋪放沙子,沙子上方鋪墊沙布,鋪放沙布可方便下次試驗(yàn)取土,沙布上方按照野外表層土壤體積質(zhì)量1.4g/cm3填充土槽表層20cm。每個(gè)徑流小區(qū)在出口處設(shè)置三角堰及小筒承接地表徑流。因PAM施用量很小,為防止氮肥與PAM撒施不均勻,將每小區(qū)應(yīng)施尿素和PAM用量與1000g試驗(yàn)土樣混合、攪拌后利用1mm篩均勻撒播在土層表面。試驗(yàn)程序?yàn)?設(shè)定試驗(yàn)土槽坡度,并進(jìn)行雨強(qiáng)標(biāo)定,調(diào)整到目標(biāo)雨強(qiáng)并穩(wěn)定后開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)觀測(cè)內(nèi)容為,收集并記錄各小區(qū)地表產(chǎn)流過(guò)程,待樣品靜止后抽取上層清液并經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后測(cè)定徑流中銨態(tài)氮含量,銨態(tài)氮含量利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定。2結(jié)果與分析2.1pam降低銨態(tài)氮初始流失濃度地表徑流中氮素濃度的高低及流失過(guò)程決定著氮素地表流失量及特點(diǎn)。圖1是2種雨強(qiáng)第1階段不同處理徑流中銨態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化過(guò)程。其中,CK處理沒(méi)有施加尿素,徑流中銨態(tài)氮濃度最低且流失過(guò)程平穩(wěn)。而針對(duì)PAM-0,PAM-1,PAM-2這3個(gè)施氮處理發(fā)現(xiàn),徑流中銨態(tài)氮濃度均表現(xiàn)出初期溶解水平較高,隨后快速下降并最終保持在一個(gè)穩(wěn)定水平的規(guī)律。對(duì)比2種雨強(qiáng)銨態(tài)氮初期流失濃度發(fā)現(xiàn),80mm/h大雨強(qiáng)試驗(yàn)4種處理都不同程度的表現(xiàn)出較50mm/h雨強(qiáng)高的特點(diǎn),PAM-0處理80mm/h雨強(qiáng)銨態(tài)氮初始流失濃度高達(dá)5mg/L,而50mm/h雨強(qiáng)卻不到2mg/L,同時(shí),80mm/h雨強(qiáng)下PAM-1與PAM-2處理初始流失濃度介于1~2mg/L之間,而50mm/h雨強(qiáng)下2種處理都低于1mg/L。降雨強(qiáng)度的不同是造成這種結(jié)果的主要原因,大雨強(qiáng)雨滴打擊能力強(qiáng),因而土壤混合層中離子擴(kuò)散作用強(qiáng)烈,土壤溶液中銨態(tài)氮極易進(jìn)入徑流并被攜帶流失。此外,大雨強(qiáng)產(chǎn)流量大,地表水流流速高,因而徑流沖刷能力強(qiáng),造成銨態(tài)氮徑流攜帶能力增強(qiáng),這表明銨態(tài)氮離子受雨強(qiáng)影響明顯,大雨強(qiáng)條件下極易造成銨態(tài)氮流失加劇。而對(duì)比不同PAM處理銨態(tài)氮初期流失濃度發(fā)現(xiàn),PAM-0處理銨態(tài)氮初始明顯濃度高于PAM-1與PAM-2處理,50mm/h雨強(qiáng)與80mm/h雨強(qiáng)PAM-0處理銨態(tài)氮初始流失濃度是PAM-1,PAM-2處理的2.5倍和7.8~8.3倍,表明PAM的施用降低了銨態(tài)氮初始流失濃度,且表現(xiàn)為PAM施用水平越高,初始流失濃度越低的特點(diǎn)。徑流中銨態(tài)氮濃度初期沖刷特點(diǎn)明顯,隨后PAM-0、PAM-1、PAM-2,3個(gè)處理銨態(tài)氮濃度曲線(xiàn)均快速下降,2種雨強(qiáng)下3種處理銨態(tài)氮濃度都迅速減小到0.5mg/L以下。然而,2種雨強(qiáng)下3種PAM處理銨態(tài)氮濃度流失中后期卻表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。將圖1中銨態(tài)氮濃度中后期流失過(guò)程更加清晰的顯示在圖2,通過(guò)圖2可以明顯的發(fā)現(xiàn),50mm/h雨強(qiáng)試驗(yàn),產(chǎn)流中后期,PAM-0處理銨態(tài)氮濃度穩(wěn)定在0.2~0.4mg/L之間始終高于PAM-1,PAM-2處理,不同的是,80mm/h雨強(qiáng)試驗(yàn)PAM-1,PAM-2處理銨態(tài)氮流失濃度與50mm/h試驗(yàn)同期水平相同,都介于0.1~0.3mg/L,但PAM-0處理卻最終下降到0.1~0.2mg/L之間,低于施用PAM處理。產(chǎn)流中后期2種雨強(qiáng)3種處理銨態(tài)氮流失濃度的差別說(shuō)明,PAM施用減弱了雨強(qiáng)對(duì)銨態(tài)氮流失的影響,PAM的施用增強(qiáng)了銨態(tài)氮吸附能力,并對(duì)氮素的流失有明顯的緩釋作用。在PAM的吸附作用下,銨態(tài)氮進(jìn)入土壤溶液及隨之進(jìn)入地表徑流的程度被放緩,而其釋放程度也表現(xiàn)出平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。綜合PAM施用降低銨態(tài)氮初始流失濃度和其對(duì)銨態(tài)氮流失的緩釋作用,可以認(rèn)為,PAM的施用弱化了銨態(tài)氮濃度流失,表明PAM對(duì)抑制銨態(tài)氮徑流流失具有明顯效應(yīng)。第2階段銨態(tài)氮流失濃度仍延續(xù)了第1階段銨態(tài)氮中后期流失的特點(diǎn)(圖3),即50mm/h雨強(qiáng)表現(xiàn)出PAM-0處理銨態(tài)氮濃度高于PAM-1、PAM-2處理銨態(tài)氮水平,而80mm/h雨強(qiáng)PAM-1與PAM-22處理銨態(tài)氮濃度則高于PAM-0與對(duì)照處理。對(duì)比2階段銨態(tài)氮流失濃度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),第2階段銨態(tài)氮流失初始濃度遠(yuǎn)小于第1階段,這種特點(diǎn)與銨態(tài)氮充分參與土壤氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)。在尿素施加初期,土壤溶液中銨態(tài)氮主要以硝化作用與揮發(fā)為主,且速率較快,在這兩種轉(zhuǎn)化作用下,土壤中銨態(tài)氮濃度快速降低,因而導(dǎo)致第2階段遷移至徑流中濃度的降低。2.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較土壤混合層理論認(rèn)為,進(jìn)入徑流中的溶質(zhì)完全來(lái)自于土壤混合層,土壤混合層概念很好的界定了溶質(zhì)徑流遷移理論的研究對(duì)象和基礎(chǔ),并隨著研究的深入發(fā)現(xiàn),徑流或入滲水中溶質(zhì)濃度并不完全與土壤混合層中濃度相同,而表現(xiàn)為略小的特點(diǎn),因此,正是基于這種認(rèn)識(shí),溶質(zhì)遷移至徑流也由完全混合理論擴(kuò)展為不完全混合理論。本研究正是以土壤混合層為研究對(duì)象,基于土壤氮素質(zhì)量平衡與溶質(zhì)徑流遷移的不完全混合理論探討銨態(tài)氮徑流遷移效應(yīng)及PAM影響銨態(tài)氮遷移水平(圖4)。土壤混合層中銨態(tài)氮總量Mw是由溶解于土壤溶液中的銨態(tài)氮與吸附于土壤顆粒中的銨態(tài)氮組成,對(duì)土壤混合層層中的銨態(tài)氮總量Mw可以建立式(1)式中,Mw為土壤混合層中銨態(tài)氮總量,mg;Cw為土壤混合層中溶解性銨態(tài)氮濃度,mg/L;EDI為土壤混合層深度,cm;θs為土壤混合層飽和含水率,cm3/cm3;Cs為土壤混合層中吸附性銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù),mg/kg;ρs為土壤體積質(zhì)量,g/cm3。土壤中氮素在溶液中與顆粒吸附分布水平可以以線(xiàn)性吸附方程表示,即式(2)式中,kd為氮素在土壤混合層中土壤顆粒吸附平衡吸附常數(shù),cm3/g。將式(2)代入式(1),即得到土壤混合層銨態(tài)氮總量關(guān)系式(3)本研究不考慮側(cè)向壤中流,且忽略徑流中微小顆粒對(duì)銨態(tài)氮的吸附。基于氮素平衡原理,地表產(chǎn)流過(guò)程土壤混合層銨態(tài)氮主要通過(guò)淋溶和地表徑流2種途徑流失,因此,式(3)中土壤混合層中銨態(tài)氮總量Mw隨時(shí)間變化率,即對(duì)Mw求對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)就等于土壤混合層中銨態(tài)氮流失量。同時(shí),土壤混合層不完全混合理論認(rèn)為隨淋溶與地表徑流流失的濃度并不等于土壤混合層中的濃度,而僅占土壤混合成中銨態(tài)氮濃度的一定比例,文中以γ表示徑流流失銨態(tài)氮占土壤混合層中銨態(tài)氮濃度比例,α表示淋溶中銨態(tài)氮占土壤混合層中銨態(tài)氮濃度比例。因此,土壤混合成銨態(tài)氮隨時(shí)間變化即為流失水體量、銨態(tài)氮濃度與濃度比例的乘積。因此,對(duì)于銨態(tài)氮地表徑流流失量等于地表徑流量q與徑流中銨態(tài)氮濃度αCw的乘積。因?yàn)橥寥阑旌蠈雍鼙?并快速飽和,因此不需考慮土壤混合成中含水率變化,所以,對(duì)于銨態(tài)氮淋溶量即等于降雨量與徑流量的差(p-q)與淋溶水體中銨態(tài)氮濃度γCw的乘積。故基于不完全混合理論及氮素質(zhì)量守恒,可以建立式(4)式中,γ為入滲水中溶質(zhì)與混合層中銨態(tài)氮混合程度;α為徑流水中溶質(zhì)與混合層中銨態(tài)氮混合程度;p為降雨強(qiáng)度,cm/min,q為地表產(chǎn)流量,cm/min。將式(3)等式右端代入式(4),并積分求解可以得到銨態(tài)氮徑流遷移模型,即式(5)式中,C0為土壤混合層中銨態(tài)氮初始質(zhì)量濃度,mg/L為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?對(duì)不同時(shí)段銨態(tài)氮流失濃度實(shí)測(cè)值與模擬值的結(jié)果進(jìn)行了比較,并將誤差計(jì)算結(jié)果顯示在圖4。文中采用平均絕對(duì)誤差表示模擬精度,采用計(jì)算公式為式中,?為銨態(tài)氮濃度平均絕對(duì)誤差;Ci,s為銨態(tài)氮流失質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值,mg/L;Ci,m為銨態(tài)氮流失質(zhì)量濃度模擬值,mg/L;i為次降雨產(chǎn)流過(guò)程收集到第i次徑流;n為次降雨產(chǎn)流過(guò)程收集徑流樣品總數(shù)將2種雨強(qiáng)下,3種處理銨態(tài)氮流失解析模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比列于圖5,可以看出以e為底的指數(shù)函數(shù)的解析解可以較好的反映銨態(tài)氮徑流濃度逐步減小的變化趨勢(shì),尤其表現(xiàn)在對(duì)初始徑流中銨態(tài)氮氮素濃度較高時(shí)兩者吻合較好。氮素初始流失濃度較高的特點(diǎn)對(duì)氮素總體流失效益有顯著影響,解析模擬的結(jié)果很好的反映了這個(gè)特點(diǎn),這也有助于準(zhǔn)確估算氮素流失水平。表2列出了3種處理模型中所用參數(shù)的取值,其中,體積質(zhì)量為野外原狀土1.4g/cm3,飽和含水率、雨強(qiáng)p與徑流量q為實(shí)測(cè)結(jié)果,非完全混合系數(shù)γ,α取值參考文獻(xiàn)[12-13]設(shè)定,并設(shè)置為常數(shù)。模型中EDI與吸附系數(shù)kd很難通過(guò)試驗(yàn)直接獲得,針對(duì)EDI深度,眾多研究都指出其范圍在2~15cm之間,并指出降雨強(qiáng)度是影響混合層深度的重要因素,雨強(qiáng)大,混合層深度大,而反映銨態(tài)氮在溶液與泥沙吸附分布關(guān)系的kd一定是小于1的常數(shù)。因此,基于以上認(rèn)識(shí)對(duì)EDI與kd進(jìn)行調(diào)參,并使式結(jié)果最小,即為參數(shù)取值。結(jié)果發(fā)現(xiàn),雨強(qiáng)差異與PAM的施用對(duì)EDI有明顯影響。針對(duì)本試驗(yàn)砂壤土,PAM的施用堵塞了地表孔隙,降低了地表入滲能力,產(chǎn)流水平高,其混合層深度也大,這是雨強(qiáng)差異與PAM施用造成不同PAM處理EDI差別的原因。土壤顆粒平衡吸附常數(shù)kd反映混合層中氮素在土壤溶液與顆粒吸附之間分布關(guān)系,PAM的黏絮性勢(shì)必影響氮素在兩者間分布比例,Lu等證實(shí)PAM可以增強(qiáng)諸多陽(yáng)離子吸附能力,從取值結(jié)果可以看出PAM的施用增大了平衡吸附常數(shù)數(shù)值,并表現(xiàn)出隨PAM施用量增多而增大的結(jié)果。3pam的應(yīng)用1)地表徑流銨態(tài)氮流失表現(xiàn)出初期濃度較高,隨后快速衰減并最終保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平的規(guī)律。其中,雨強(qiáng)大小對(duì)銨態(tài)氮流失有明顯影響,表現(xiàn)為大雨強(qiáng)條件下銨態(tài)氮流失濃度高于小雨強(qiáng)試驗(yàn)。雨強(qiáng)對(duì)銨態(tài)氮流失影響主要是因?yàn)橛陱?qiáng)大造成雨滴打擊作用及徑流沖刷能力強(qiáng),致使銨態(tài)氮更易被徑流攜帶流失。2)PAM的施用明顯降低了地表氮素流失水平,這主要表現(xiàn)在2方面:(1)PAM施用有效的降低了銨態(tài)氮初始流失濃度,表現(xiàn)在50mm/h雨強(qiáng)與80mm/h雨強(qiáng)PAM-0處理銨態(tài)氮初始流失濃度是PAM-1,PAM-2處