層狀包氣帶黏土層厚度對硝態(tài)氮遷移的影響

田路遙，王仕琴，魏守才，劉丙霞，劉彬彬，胡春勝

層狀包氣帶黏土層厚度對硝態(tài)氮遷移的影響

田路遙1,2，王仕琴1,2※，魏守才3，劉丙霞1，劉彬彬1，胡春勝1

（1. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室，石家莊 050022；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 濱州學院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，濱州 256600）

層狀包氣帶結(jié)構(gòu)中黏土層對污染物進入地下水具有阻滯作用，黏土層的厚度對硝態(tài)氮（NO3--N）在包氣帶遷移中的淋失、累積以及反硝化作用等具有非常重要的影響，而目前關(guān)于這方面的研究還不足。該研究通過設(shè)置高度為40 cm、砂土與黏土層厚度比分別為3∶1，1∶1，1∶3的“上粗下細”型以及全黏土型的4組填充土柱，采用穩(wěn)定濃度的定水頭淋濾試驗，研究黏土層厚度不同的土柱NO3--N溶液入滲過程、土壤NO3--N淋濾、累積和反硝化特征，進而闡明層狀包氣帶黏土層厚度對NO3--N遷移的影響。結(jié)果表明：濕潤鋒運移深度和累積入滲量與入滲時間的關(guān)系在溶液穿越砂黏土層界面前后由非線性趨于線性，累積入滲量隨黏土層厚度增加而顯著減小（<0.05）；當土柱內(nèi)黏土層厚度達到40 cm時，其對NO3--N淋濾的阻滯作用明顯強于黏土層厚度為10～30 cm的土柱；淋濾試驗過程中在砂黏土層界面形成水分滯留層，界面處黏土層中NO3--N和NO2--N累積量均達到峰值，且隨著深度的增加，NO3--N和NO2--N累積量降低；黏土層厚度差不小于20 cm的土柱內(nèi)NO3--N累積量差異顯著（<0.05），而40 cm黏土層的土柱反硝化量[（0.15±0.05） g]顯著高于黏土層厚度為10～30 cm的土柱（<0.05），說明當黏土層達到一定厚度時（如40 cm），對NO3--N的阻滯作用和反硝化作用具有顯著影響，對防止NO3--N淋失進入地下水產(chǎn)生重要作用。該研究可為層狀包氣帶土壤條件下農(nóng)田施肥管理與地下水保護提供科學依據(jù)。

土壤；氮；水分入滲；層狀包氣帶；黏土層厚度；硝態(tài)氮遷移；土柱試驗

0 引 言

包氣帶是指地面以下潛水面以上的地帶，它是大氣水、地表水同地下水進行水分交換的地帶，也是地表污染物進入地下的通道[1]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施用的氮肥主要以硝態(tài)氮（NO3--N）形式殘留在包氣帶土壤中，并受到灌溉、降水等水分驅(qū)動的作用向下遷移，造成地下水NO3--N濃度升高，是全球范圍內(nèi)普遍關(guān)注的農(nóng)田面源污染問題之一[2]。因此，研究包氣帶NO3--N遷移及其影響因素對于地下水NO3--N污染防控具有重要意義。

包氣帶NO3--N的遷移過程受土地利用方式、降水或灌溉、土壤質(zhì)地、地下水水位等因素的綜合影響[3-7]。Zhou等[8]研究表明，中國北方小麥、玉米、露地蔬菜區(qū)、設(shè)施內(nèi)蔬菜和果樹區(qū)的0～4 m土壤剖面NO3--N累積量分別達（102±9）、（169±17）、（269±20）、（286±25）和（486±74）kg/hm2，說明土地利用方式影響土壤NO3--N累積量。Zheng等[9-10]對比了農(nóng)田和自然植被包氣帶土壤中NO3--N的累積和淋失過程，表明旱季NO3--N在土壤剖面上累積，而在雨季特別是極端降水條件下NO3--N淋失量增加，且隨著降水量和NO3--N的增加，NO3--N淋失量呈現(xiàn)非線性增長的趨勢。以往研究從不同角度研究了不同因素對土壤NO3--N遷移的影響。其中土地利用方式和作物覆蓋種類影響施氮水平，降水和灌溉條件決定包氣帶遷移的水動力條件，地下水水位變化影響NO3--N在包氣帶遷移的路徑與時間。而在同等施氮量、水文與地下水埋深條件下，土壤質(zhì)地分布特征則是影響NO3--N在包氣帶中遷移物理運移與化學反應(yīng)的重要因素[5]。

不同土壤質(zhì)地的分層結(jié)構(gòu)在自然界普遍存在，包氣帶層狀結(jié)構(gòu)特性對土壤水分入滲、地下水補給及溶質(zhì)遷移等過程具有重要影響[11-12]。根據(jù)上下層土壤質(zhì)地的差異，土壤的分層結(jié)構(gòu)可分為2類：一類是具有較小滲透性的細質(zhì)土覆蓋具有較大滲透性的粗質(zhì)土，即“上細下粗”型；另一類則是具有較大滲透性的粗質(zhì)土覆蓋具有較小滲透性的細質(zhì)土，即“上粗下細”型[12]。已有研究[11-14]表明“上粗下細”型的土壤結(jié)構(gòu)中水分入滲速率與溶質(zhì)遷移速率較“上細下粗”型土壤結(jié)構(gòu)均增大。如甯娜等[14]研究表明，Br-和F-在由細及粗的土柱中集中于表層，而在由粗及細的土柱中分布較均勻且溶質(zhì)穿透整個土柱的時間較短。與保守性離子運移過程不同，NO3--N遷移與層狀土的土壤質(zhì)地分布關(guān)系更為密切，過程更為復(fù)雜。張學科等[5]對比分析了灌水量和施氮量對不同類型土壤中NO3--N遷移的影響，表明同等施氮和灌水條件下，黏粒和粉粒比例較大的灌淤土對NO3--N遷移的阻滯作用強于砂粒比例較大的灰鈣土。Zhou等[15]研究了不同灌溉水平下土柱中氮淋失過程，表明黏壤土中氮的淋失量占總施氮量的5.7%～9.6%，而砂壤土中氮的淋失量高達16.2%～30.4%。李久生等[16]通過對比砂土、砂壤土以及上砂下壤型土壤結(jié)構(gòu)的水氮運移特征，表明砂壤界面限制了水分的垂向運動，在砂壤界面下部（壤土區(qū)）形成水分和NO3--N積聚區(qū)?？梢?，土壤分層結(jié)構(gòu)中黏土顆粒所占比例大，對污染物具有較高的吸附和阻滯作用。此外，已有研究[17]還表明土礫界面和黏土活性區(qū)是土壤反硝化作用的熱點區(qū)，可以降低土壤中NO3--N向地下水的淋失量。以往的研究較多關(guān)注土壤剖面夾層的質(zhì)地、位置對水分入滲和NO3--N遷移的影響[12-14]，而對黏土層厚度對NO3--N遷移影響的研究較少，雖然也有研究提出厚度超過5～8 m的黏土層可以有效阻滯農(nóng)田NO3--N進入含水層[18]，但實際中較厚黏土層分布的農(nóng)田包氣帶并不常見，目前針對于包氣帶層狀結(jié)構(gòu)中黏土層厚度如何影響NO3--N累積與淋失等遷移過程的認識仍然不足。

綜上所述，“上粗下細”型土壤結(jié)構(gòu)的水分和溶質(zhì)遷移速率均大于“上細下粗”型，NO3--N進入地下水的風險較高。因此，本文通過設(shè)置黏土層厚度不同的“上粗下細”型土壤剖面以及全黏土土壤剖面的土柱進行對比試驗，研究黏土層厚度對NO3--N遷移過程影響的規(guī)律，為阻控農(nóng)田過量氮肥淋失進入含水層以及保護地下水水質(zhì)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用砂土取自河北省石家莊市欒城區(qū)河道，由于河流具有較強的水動力環(huán)境，土壤含砂量大，粉黏粒體積分數(shù)僅為0.09%，且砂土中NO3--N含量較小，對本次試驗的影響可以忽略；黏土取自欒城區(qū)長期耕作的農(nóng)田表層土壤（10～20 cm），粉黏粒體積分數(shù)高達90.47%，且長期過量施肥造成表層土壤中NO3--N累積量較大[19]。供試土壤風干后過2 mm篩，用于理化性質(zhì)檢測與填充土柱，試驗所用土壤的其他理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土柱試驗填充土壤的理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

采用“上粗下細”型的垂直填充土柱研究黏土層厚度對NO3--N在層狀結(jié)構(gòu)包氣帶中遷移的影響。研究區(qū)存在較為普遍的層狀結(jié)構(gòu)包氣帶，且黏土或黏壤土層厚度多為10～40 cm[19]。為模擬自然狀態(tài)下田間土層分布情況，設(shè)置4種填充方式，上層為砂土，下層為黏土，土柱填充的高度均設(shè)置為40 cm。如圖1所示，土柱淋濾試驗共設(shè)置4種黏土層厚度，A、B和C土柱砂土和黏土填充厚度分別為30 cm砂土+10 cm黏土、20 cm砂土+20 cm黏土、10 cm砂土+30 cm黏土，D土柱40 cm全部為黏土填充，每種填充方式設(shè)置3個重復(fù)試驗。通過4組黏土層厚度逐漸增加的土柱研究黏土層厚度對NO3--N遷移的影響。土柱試驗所用有機玻璃柱高為50 cm，內(nèi)部直徑均為10 cm，在有機玻璃柱的底端墊有1 cm厚的紗布，并在外管壁貼上刻度尺。

按照實測田間土壤容重（表1）進行填充，每10 cm一層壓實放入柱中，層與層之間用鋼鉗抓毛[20]，并將管壁粗糙化，以防止試驗過程中優(yōu)先流的產(chǎn)生。填充完土樣后在土柱頂層放置4層厚度為1 mm的尼龍網(wǎng)以防止溶液飛濺，在玻璃柱兩端口覆蓋封口膜以防止水分蒸發(fā)，并在土柱下方放置水樣瓶以承接淋濾液，試驗裝置如圖2。

圖1 4組土柱填充方式示意圖

注：L1表示砂土層；L2表示黏土層。下同。

1.3 試驗步驟與樣品測定項

經(jīng)實際調(diào)查得知該地區(qū)年平均施N量約為400 kg/hm2，一年有2次灌溉，單次灌溉量約為70 mm。由于當?shù)夭扇⒎柿先苡谒氖┓史绞?，假設(shè)在水肥共施過程中所形成溶液的N濃度一致，經(jīng)計算形成的溶液中N濃度約為285.7 mg/L。試驗采用定水頭、穩(wěn)定濃度溶液持續(xù)垂直入滲的方式模擬農(nóng)田施肥灌溉過程中水肥入滲模式，周期設(shè)為11～12 d。通過測定淋濾液與試驗后土壤的相關(guān)水化學指標，分析黏土層厚度不同的層狀土壤NO3--N的遷移過程，包括NO3--N的淋濾、累積與反硝化作用。

1.3.1 試驗步驟

淋濾試驗步驟如下：1）將NaNO3（分析純，含量>99%）溶解于高純水（電導(dǎo)率小于0.1S/cm和殘余含鹽量小于0.3 mg/L）配制入滲溶液，入滲溶液中NO3--N濃度為285.7 mg/L。2）室溫恒定為24 ℃，用馬氏瓶（外管壁貼有刻度尺，內(nèi)部直徑10 cm）經(jīng)導(dǎo)管定水頭（水頭高度為3 cm）的方式均速向土柱內(nèi)供應(yīng)溶液，并用薄膜將土柱頂端覆蓋以減少溶液蒸發(fā)。3）將試驗開始（開始供應(yīng)入滲溶液）時刻作為0時，在試驗開始后記錄濕潤鋒運移深度（觀測并記錄濕潤鋒到達砂土和黏土界面的時刻）、馬氏瓶內(nèi)入滲溶液刻度的變化。4）觀測時間間隔設(shè)置如下：第1天為10 min，2～3 d為1 h，4～7 d為2 h，7 d以后為4 h，標記每組土柱淋濾液滲出時間；淋濾液取樣的時間間隔設(shè)置如下：0～3 d取樣時間間隔為1 h，4～7 d為2 h，7 d以后為4 h。5）當淋濾液與入滲溶液中NO3--N濃度相近時，淋濾試驗再進行3～4 d，若淋濾液中NO3--N濃度穩(wěn)定，便可停止試驗。

1.3.2 樣品測定

淋濾液體積測定：用50 mL量筒（精度為1 mL）測量淋濾液體積。

入滲溶液中不含氯離子（Cl-），可以用淋濾液中Cl-濃度變化特征來說明土壤中NO3--N的遷移規(guī)律。淋濾液中硝酸根（NO3-）與Cl-濃度的測定：1）利用便攜式電導(dǎo)率儀（SG7）測定淋濾液的電導(dǎo)率。2）將淋濾液用0.22m醋酸纖維素濾膜過濾入5 mL進樣管后，用液相離子色譜（ICS-2100，Dionex，美國）測定NO3-與Cl-濃度。

土壤中相關(guān)離子測定：1）淋濾試驗結(jié)束后，按照設(shè)定深度（0～10、>10～20、>20～30與>30～40 cm）用土鉆垂直分層采集土柱內(nèi)土壤樣品風干過2 mm篩。2）稱取風干土樣10 g，用高純水進行浸提（土水質(zhì)量比為1∶5），經(jīng)離心萃取后得到上層清液[19]。3）經(jīng)0.22m醋酸纖維素濾膜過濾上層清液，用液相離子色譜（ICS-2100，Dionex，美國）測定浸提液中NO3-與亞硝酸根（NO2-）濃度。

1.4 指標計算

為研究包氣帶層狀結(jié)構(gòu)黏土層厚度對NO3--N遷移的影響，計算4組土柱的溶液累積入滲量、剖面各層NO3--N與NO2--N累積量、以及估算試驗過程的反硝化量。

忽略試驗過程中蒸發(fā)作用的影響，則累積入滲量由式（1）計算：

剖面上某一土層NO3--N與NO2--N累積量由式（2）計算[19]

式中為該土層土壤的NO3--N與NO2--N累積量，kg/hm2；為試驗后該土層土壤中NO3--N與NO2--N含量，mg/kg；為該土層土壤容重，g/cm3；土為該土層厚度，cm。

忽略蒸發(fā)對NO3--N濃度的影響，入滲溶液沒有銨態(tài)氮，供試土壤經(jīng)長期風干后銨態(tài)氮含量較小，且試驗過程中土壤長期處于淹水的還原環(huán)境，土壤銨態(tài)氮對試驗影響較小。通過量化試驗前后各土柱內(nèi)NO3--N輸入與輸出量，用質(zhì)量平衡法[21]計算出試驗前后損耗量來估算4組土柱內(nèi)反硝化作用所消耗NO3--N的量。所用計算公式如下：

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件，用最小顯著性差異法比較不同處理間的差異顯著性，用Origin軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤鋒運移與累積入滲量變化特征

圖3a為4組土柱濕潤鋒運移深度與入滲時間關(guān)系圖。通過對試驗中相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄，A、B、C土柱濕潤鋒到達砂黏土界面的時間分別為11、10和3 min；由圖3a中濕潤鋒運移曲線隨時間的變化特征可知，在A、B、C土柱濕潤鋒到達砂土與黏土交界前，濕潤鋒運移速率較大，濕潤鋒運移深度與入滲時間趨于非線性關(guān)系；濕潤鋒運移速率在水分進入黏土層后逐漸減小，濕潤鋒運移深度與入滲時間趨于線性關(guān)系；D土柱濕潤鋒運移深度與入滲時間漸變?yōu)榫€性關(guān)系。這主要是因為層狀土上下土層土壤顆粒差異較大，濕潤鋒運移受到不同土壤質(zhì)地影響，砂土與黏土界面的土壤顆粒差異導(dǎo)致飽和含水率、基質(zhì)吸力等差異較大，上層砂土具有較好的導(dǎo)水性與較差的持水性，使得濕潤鋒在砂土層中運移速率較大，黏土層具有較好持水性與較差導(dǎo)水性使得水分在黏土層聚集，因此在濕潤鋒由砂土層進入黏土層后，其運移速率呈降低趨勢，這與以往的研究結(jié)果一致[11,21]。A、B、C和D土柱完成濕潤鋒運移所用時間分別為60、248、530和715 min，土柱濕潤鋒穿透土柱所用的時間（，min）與黏土層厚度（，cm）呈顯著線性相關(guān)（=22.47-173.5，2=0.99，<0.01），說明黏土層厚度決定濕潤鋒穿透時間，黏土層厚度小的土柱，濕潤鋒穿透較快。

圖3b為淋濾試驗過程中4組土柱累積入滲量與入滲時間關(guān)系圖。由圖3b可知，4組土柱累積入滲量差異顯著（<0.05），且隨黏土層厚度增加而減小。濕潤鋒到達砂黏界面之前，上砂下黏型（A、B、C）土柱的累積入滲量均隨入滲時間呈非線性變化；當濕潤鋒穿過砂黏界面后，進入穩(wěn)滲階段之后，由式1計算累積入滲量，4組土柱累積入滲量（，L）隨入滲時間（，h）趨于線性變化。當4組土柱入滲時間（）分別大于0.3、0.7、1.0、1.7 h時，累積入滲量與時間關(guān)系可以用線性關(guān)系來描述[20]，結(jié)果如表2所示。

圖3 濕潤鋒運移深度、累積入滲量與入滲時間的關(guān)系

表2 累積入滲量與入滲時間的線性回歸結(jié)果

注：為累積入滲量，L；為入滲時間，h。

Note:is cumulative infiltration capacity, L;is infiltration time, h.

2.2 淋濾液NO3--N與Cl-濃度的變化特征

圖4為4組土柱淋濾液中NO3--N和Cl-濃度隨入滲時間的變化特征。由圖4a可知，在模擬田間入滲淋濾條件下，A、B、C和D土柱在試驗開始后的1.5、4.5、9.5和13.5 h產(chǎn)生淋濾液，初始淋濾液中NO3--N濃度分別為1 227、1 437、1 910和2 352 mg/L，初始淋濾液NO3--N濃度隨黏土層厚度增大而增大，且遠大于入滲溶液的NO3--N濃度（285.7 mg/L）。這主要是由于黏土中NO3--N本底含量較高（44.3 mg/kg），黏土層厚度越大的土柱內(nèi)NO3--N總量越大，而NO3--N與土壤膠體粒子均帶負電，土壤顆粒對其吸附能力較弱，淋濾過程中極易隨著土壤水溶液進行遷移[22]。因此，在入滲溶液入滲并最終穿透土柱的過程中，黏土中NO3--N不斷被溶解并隨入滲溶液形成初始淋濾液，造成4組土柱初始淋濾液中NO3--N濃度隨著黏土層厚度的增加而增大。雖然砂土中也含有NO3--N，但因其NO3--N本底含量較低（2.9 mg/kg），因此對于初始淋濾液NO3--N濃度的變化影響較小。隨著淋濾試驗的進行，土壤離子溶解浸出量逐漸減少，黏土層的本底NO3--N完全淋濾，因此淋濾液中NO3--N濃度逐漸趨近于入滲溶液濃度（285.7 mg/L）。在整個淋濾試驗中，4組土柱的淋濾液NO3--N濃度均隨時間呈非線性降低的趨勢。4 組土柱淋濾液中NO3--N濃度分別在9、17.5、21.5和33 h之后達到穩(wěn)定，達到穩(wěn)定時的NO3--N濃度值分別為289.5、297.8、289.0和287.5 mg/L，隨后淋濾液與入滲溶液NO3--N濃度相近。

由于Cl-具有較強的親水性，且不與土壤中礦物質(zhì)和有機物反應(yīng)，化學性質(zhì)保守[14,19]，且入滲溶液中不含Cl-，因此可以利用淋濾液中Cl-濃度變化特征來說明土壤中離子的遷移規(guī)律。Cl-濃度隨時間的變化特征與NO3--N相似（圖4b），4組土柱淋濾液中Cl-濃度分別在6.5、12.5、20.5和31.5 h之后達到穩(wěn)定，達到穩(wěn)定時的Cl-濃度分別為5.0、5.1、6.3、6.4 mg/L，隨后濃度趨于5 mg/L左右（至淋濾試驗結(jié)束）。4組土柱內(nèi)Cl-達到穩(wěn)定濃度所需時間均較NO3--N有所縮短，說明黏土層對NO3--N淋濾的具有更強的阻滯作用。將4組淋濾液中NO3--N達到穩(wěn)定濃度所需時間進行對比，發(fā)現(xiàn)隨著黏土層厚度的增加，淋濾液中NO3--N達到穩(wěn)定濃度的所需時間延長，尤其當黏土層厚度增加到40 cm時，淋濾液中NO3--N達到穩(wěn)定濃度的所需時間顯著大于黏土層厚度為10～30 cm的土柱（<0.05）。由此說明，當土柱內(nèi)黏土層厚度達到40 cm時，其對NO3--N遷移的阻滯作用更為顯著。

圖4 淋濾液中NO3--N和Cl-濃度隨入滲時間變化

2.3 土層中NO3--N與NO2--N累積分布特征

由式（2）計算得出淋濾試驗結(jié)束后4組土柱每一土層中NO3--N與NO2--N累積量（表3）。對比試驗前土樣NO3--N含量發(fā)現(xiàn)，淋濾試驗后土柱內(nèi)各土層均產(chǎn)生NO3--N累積，砂土較淋濾試驗前提高了748%～1 447%，黏土較試驗前提高了20%～77%，這主要是因為持續(xù)高濃度NO3--N溶液的入滲會增加土層中NO3--N的累積量。同一土柱內(nèi)，分層采集土壤樣品并測定NO3--N后發(fā)現(xiàn)，黏土層中NO3--N累積量大于砂土層，說明黏土對NO3--N遷移的阻滯作用更強，更有利于NO3--N的累積，使得黏土層中NO3--N累積量普遍高于砂土層，這與前人研究土壤NO3--N累積分布特征所得到結(jié)果相似[23]。4組土柱NO3--N累積總量（同一土柱內(nèi)0～40 cm的NO3--N累積量之和）依次為：C土柱、D土柱、B土柱、A土柱，且黏土層厚度為30 cm土柱（C）的NO3--N累積總量略大于黏土層厚度為40 cm的土柱（D）。同一土柱內(nèi)砂土與和黏土層透水性具有很大差異，當NO3--N運移至砂黏土層界面時，由于黏土層透水性差會產(chǎn)生相應(yīng)滯水，在砂黏土層界面會產(chǎn)生臨時滯水層[24]，黏土層同時阻滯NO3--N運移，造成NO3--N在砂黏土層界面達到累積的峰值。其中A、B和C土柱砂黏土層界面的黏土層NO3--N累積均達到最大，而D土柱為全黏土填充，表層黏土中NO3--N累積達到最大。各個土柱黏土層中NO3--N累積量隨深度增加而減小，這與淋濾試驗過程中以及在試驗結(jié)束后下層黏土中較好的還原環(huán)境有關(guān)，而還原條件下反硝化作用較為活躍[25-26]，造成下層黏土中NO3--N累積量減小。

NO2--N與NO3--N的累積分布特征既有相似性也有差異性。相似性表現(xiàn)為：黏土層中NO2--N累積量普遍高于砂土層；除C土柱的10～20 cm黏土層外，其他土柱表層黏土中NO2--N累積量高于下層，砂黏土層界面NO2--N累積量差異明顯。由于土壤顆粒對NO2--N有一定吸附能力，淋濾試驗中NO2--N也會隨著土壤水溶液進行遷移[27]，受到黏土層的阻滯作用，NO2--N與NO3--N累積量同樣在砂土層與黏土層界面達到較高值。此外，砂黏土層界面成為反硝化作用活躍的區(qū)域，砂黏土層界面較高的NO3--N含量也為反硝化作用提供了電子受體，造成界面處存在較高的NO2--N累積量。差異性表現(xiàn)為：NO2--N累積量依次為：C土柱、B土柱、A土柱、D土柱，D土柱（40 cm黏土層）的NO2--N累積量最小（8.14 kg/hm2）。此外，A、B和C土柱砂黏質(zhì)地界面的NO2--N與NO3--N累積量分布特征不同，界面處砂土層NO2--N的累積量出現(xiàn)最低值。土壤有機碳為反硝化作用提供電子供體，因此NO2--N累積量分布與土壤有機碳分布有關(guān)[25,28]。已有研究表明，農(nóng)田反硝化作用主要以生物反硝化為主[26]，反硝化作用共分為2步，第1步將NO3--N先還原成NO2--N，第2步將NO2--N還原成N2，2步反應(yīng)都需要有碳源提供能量。隨著NO3--N入滲，有機碳被上層黏土截留和所含細菌所消耗，流至深層黏土中的有機碳在為反硝化作用的第1步提供碳源后，第2步NO2--N的還原反應(yīng)因缺少足夠的碳源而難以進行，造成了土壤中NO2--N的累積[24]。黏土層厚度較小的土柱中有機碳含量小，且NO3--N對NO2--N的還原具有競爭性抑制作用，造成NO2--N還原反應(yīng)受到抑制而在土壤中累積。黏土層厚度為40 cm的土柱有機碳總量較大，NO3--N濃度達標后對NO2--N還原反應(yīng)的抑制作用會減弱，NO2--N還原作用加強，造成土柱內(nèi)NO2--N累積量較小[29]。

表3 NO3--N與NO2--N累積量

2.4 黏土層厚度對NO3--N遷移的影響

通過質(zhì)量平衡的方法（式（3）～式（8））計算4組土柱內(nèi)NO3--N累積量，并通過估算得出反硝化量，對應(yīng)得出4組土柱NO3--N累積量和反硝化量隨黏土層厚度變化的特征（圖5）。如圖5a所示：當黏土層厚度差不小于20 cm時，NO3--N累積量差異顯著（<0.05）；由圖5可知，土柱內(nèi)NO3--N累積量與反硝化量（圖5b）均隨黏土層厚度的增加而增大，C土柱（30 cm黏土層）與D土柱（40 cm黏土層）中NO3--N累積量均較大且差異不顯著（>0.05），但D土柱（40 cm黏土層）內(nèi)反硝化量最大[（0.15±0.05）g]，顯著高于黏土層厚度為10～30 cm的土柱（<0.05）。分析其原因，一方面是由于NO3--N在土壤孔隙中的運移速率隨著土柱內(nèi)黏土層厚度的增加而減小，受到黏土層阻滯作用的影響越大，越有利于NO3--N的累積，造成NO3--N在土壤中停留的時間越長；另一方面則由于黏土層中有機碳含量較高（表1），土柱內(nèi)黏土層厚度越大，有機碳總含量越大，因此在試驗過程產(chǎn)生的還原環(huán)境條件下，越有利于反硝化作用的進行[26]，同時土柱內(nèi)NO3--N累積量也會受到黏土層中反硝化作用的影響，而這種現(xiàn)象在40 cm黏土層土柱內(nèi)更為突出，造成其反硝化量與10～30 cm黏土層的土柱差異顯著（<0.05），從而說明40 cm黏土層對反硝化作用影響更為顯著，進一步說明40 cm的黏土層對于NO3--N遷移具有更大的影響。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著（P<0.05）。

3 結(jié) 論

本文針對NO3--N在“上粗下細”型層狀包氣帶結(jié)構(gòu)中更易發(fā)生淋濾從而引起地下水NO3--N污染風險較高的問題，設(shè)置黏土層厚度不同的4組填充土柱作對比試驗，采用穩(wěn)定濃度溶液入滲方法，通過分析淋濾液與試驗后土樣的水化學特征，從入滲過程、淋濾液NO3--N濃度變化、土柱內(nèi)NO3--N累積量與反硝化量探討了層狀結(jié)構(gòu)包氣帶中黏土層厚度對NO3--N遷移的影響。得到以下結(jié)論：

1）層狀結(jié)構(gòu)包氣帶的入滲過程由入滲溶液到達砂黏土層界面前后可分為2個階段。第1階段濕潤鋒運移深度和累積入滲量與入滲時間趨于非線性關(guān)系；第2階段濕潤鋒運移深度與和累積入滲量和入滲時間趨于線性關(guān)系。

2）淋濾試驗過程中淋濾液NO3--N與Cl-濃度隨入滲時間的變化特征反映了不同厚度的黏土層對溶質(zhì)運移的阻滯作用。A、B、C和D土柱淋濾液NO3--N與Cl-濃度與入滲時間呈非線性降低并依次達到穩(wěn)定的特征，4組土柱淋濾液NO3--N濃度達到穩(wěn)定的時間分別為9、17.5、21.5和33 h。阻滯作用的增強與黏土層厚度呈非線性關(guān)系，當土柱內(nèi)黏土層厚度達到40 cm時，對NO3--N淋濾的阻滯作用顯著強于黏土層厚度為10～30 cm的土柱（<0.05）。

3）淋濾試驗結(jié)束后土柱內(nèi)各層土壤NO3--N與NO2--N的累積分布特征不同。受上下土層土壤物理性質(zhì)與滲透性差異的影響，淋濾試驗過程中在砂黏土層界面形成了臨時滯水層，造成黏土層NO3--N與NO2--N累積量均較大。同時砂黏土層界面反硝化作用較為強烈，是反硝化作用的活躍區(qū)域。

4）對黏土層厚度不同的土柱內(nèi)反硝化量進行了估算，說明了NO3--N累積量和反硝化量與黏土層厚度的關(guān)系。4組土柱中，黏土層厚度為30與40 cm的土柱內(nèi)NO3--N累積量相近，但40 cm黏土層的土柱反硝化量最大[（0.15±0.05）g]且與黏土層厚度為10～30 cm的土柱差異顯著，說明40 cm黏土層對于NO3--N遷移具有更大的影響。

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Effect of the thickness of clay layer in the layered vadose zone on nitrate nitrogen migration

Tian Luyao1,2, Wang Shiqin1,2※, Wei Shoucai3, Liu Bingxia1, Liu Binbin1, Hu Chunsheng1

(1.,,,,050022; 2.,100049; 3.,,256600,)

The clay layer in the vadose zone with layered structure in soils has an important effect on blocking the pollutants which will enter into the groundwater. At present, there is insufficient knowledge about the effects of the thickness of the clay layer on the migration process of nitrate nitrogen (NO3--N). Nitrate nitrogen is more prone to leaching through the ‘up thick and down thin’ ( the up layer of soil with larger particles and the down layerof soil withsmaller particles) vadose zone with layered structure, which can cause a higher risk of nitrate nitrogen pollution to groundwater. In this study, we set up four groups soil columns with 40 cm height, the types of four groups soil columns included “up sand and down clay” and full filling with clay. The ratio of thickness (between sand and clay layer) was 3:1, 1:1, and 1:3, and the last type soil column had 40 cm clay. The content of the study in the leaching experiment under the condition of stable water head and stable concentration of nitrate nitrogen with infiltration, which included infiltration process of nitrate nitrogen solution, the characteristics of accumulation and denitrification of nitrate nitrogen in soil columns. In order to clarify the effects of the clay layer thickness on the migration process of nitrate nitrogen in the layered vadose zone, the soil columns with different thickness of clay layer. The results showed that the infiltration process of solution could be divided into two stages, namely, the relationship between the cumulative infiltration capacity with the wetting front transport depth and the infiltration time gradually changed from nonlinear to linear when the wetting front crossing the sand-clay layer interface.Meanwhile, the cumulative infiltration capacity decreased significantly with the increasing in the thickness of clay layer in the soil columns (<0.05). When the thickness of the clay layer in the soil column reached 40 cm, the effect of blocking on the nitrate leaching of nitrogen was significantly stronger than other soil column which was with the clay layer of 10-30 cm. During the leaching experiment, a water retention layer was formed at the interface of the sand-clay layer, which made the cumulative values of nitrate nitrogen and nitrite nitrogen in the clay layer at the interface were both large, while the accumulation of nitrate nitrogen and nitrous nitrogen decreased with the increasing of depth in clay layer in the same soil column. When the difference of thickness in clay layer was not less than 20 cm during different soil columns, the accumulation of nitrate nitrogen in the soil column was significantly different (<0.05). The soil column which thickness of clay layer was 40 cm had the largest amount of nitrate nitrogen used in denitrification [(0.15±0.05) g] was significantly higher than the soil column with 10-30 cm in the thickness of clay layer (<0.05), which indicated that when the thickness of clay layer reached a certain degree (such as 40 cm), it not only blocked nitrate nitrogen, but also affected the amount of denitrification. Occurrence had a significant impact which could play an important role in preventing the leaching of nitrate nitrogen into groundwater. This study can provide a reference for the management of farmland fertilization and groundwater protection under soil with layered vadose zone conditions.

soils; nitrogen; water infiltration; layered vadose zone; thickness of clay layer; nitrate nitrogen migration; soil column experiment

田路遙，王仕琴，魏守才，等. 層狀包氣帶黏土層厚度對硝態(tài)氮遷移的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(14)：55-62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.007 http://www.tcsae.org

Tian Luyao, Wang Shiqin, Wei Shoucai, et al. Effect of the thickness of clay layer in the layered vadose zone on nitrate nitrogen migration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 55-62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.007 http://www.tcsae.org

2019-12-06

2020-05-10

國家自然科學基金項目（41530859，41471028）；河北省重點科技研發(fā)項目（18273604D）；河北省自然科學基金青年項目（D2017503018）

田路遙，主要從事地下水環(huán)境方面研究。Email：tianluyao2017@163.com

王仕琴，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水文循環(huán)與地下水環(huán)境方面研究。Email：sqwang@sjziam.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.007

S153

A

1002-6819(2020)-14-0055-08