波涌灌间歇入渗氮素运移特性与地下水环境效应试验研究
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摘要
本文在查阅大量波涌灌溉理论与技术、土壤氮肥(NO_3~-)运移、转化及其对地下水环境污染等研究成果的基础上，结合国家自然科学基金项目“施肥条件下波涌灌溉农田氮素运移特性及有效性利用研究”和陕西关中灌区的灌溉和施肥等实际，采用室内试验和理论分析相结合的技术路线，对地下水位为70cm条件下，在国内外率先开展波涌灌间歇入渗硝态氮运移、转化及其在地下水中分布(特别是垂向)、运移规律的试验研究，主要研究成果为：
1、地下水位一定且忽略土面蒸发时，以毛管水上升速率大小为依据将土壤毛管水上升过程可划分为两个阶段：第一阶段毛管水上升速率大，第二阶段毛管水上升速率明显减小；土壤初始含水率大，毛管水上升速度大；毛管水上升渗吸时间与累计渗吸量的关系可采用分段函数或指数函数模型描述。
2、添加溶质KNO_3加快土壤入渗水分运移速度；溶液间歇入渗表土致密层的形成使间歇入渗较连续入渗具有明显的减渗效果，NO_3~-运移锋推进速度减慢，上层土壤NO_3~-含量高，间歇入渗有效减小其淋失量。
3、地下水位浅、土壤含水率高的情况下，底土厌氧层的存在为反硝化作用提供良好的反应条件，可减少NO_3~-在下层土及地下水中的累积。
4、波涌灌技术要素对地下水位为70cm的间歇入渗水、NO_3~-运移分布特性有明显影响，主要为：(1)在试验条件下，在一定范围内减小循环率，减渗作用增强，试验中循环率为1／5时的间歇入渗减渗效果最好，土壤中水分、NO_3~-分布于更浅层土壤中，NO_3~-淋失趋势小；循环率的增大使地下水中NO_3~-含量明显增大。(2)在一定范围内，间歇入渗周期数的增大，平均入渗率减小。(3)增大灌水定额，波涌灌
西妥理工大学硕士学位论文
间歇入渗减渗作用逐渐减弱，随水运移至下层土壤中的N0;，一增多、反硝化作用氮素
损失率高且地下水中NO3一浓度高;地下水中N氏一浓度(再分布3小时)与灌水定额
符合指数函数关系:
5、相同的灌水定额，间歇入渗溶液浓度增大，土壤N氏含量分布曲线峰值增
大，分布于浅层(O一3Oc!:)土壤中的NO犷(’不入渗总量的比例增大，地下水NO=t含量
高;表施肥与深施肥土壤N氏一集中分布于施肥土层，溶液灌施土壤N0;分布曲线峰
值小、分布相对均匀;表施与溶液灌施条件的地下水N氏一浓度接近、分布均匀，深
施条件!;的地下水中NO浓度值高，垂向NO;、浓度梯度大。
6、地一下水N住一主要分布于表层和上层(O一SCm)，沿垂向NO:毛浓度逐渐减小，
再分布过程中N氏浓度分布趋于均匀，垂向浓度梯度减小。
Based on reviewing previous research on surge flow irrigation, nitrogenous fertilizer (NO3-) transfer transformation and its pollution to the groundwater environment, combined with the National Nature Science Found Project "The study on the characteristics of the field N transfer and effective usage with the surge flow irrigation under the fertilization" and the practice of irrigation and fertilization in Guanzhong, Shaanxi province, adopts technical way of experiment and theory analysis, this paper leads the way of research on the nitrate transfer transformation and its distribution in the groundwater (vertically, especially), with a 70cm groundwater table under intermittent infiltration . The main conclusions are as follows:
1. With a fixed groundwater table and a neglected field surface evaporation, capillary water ascending period has 2 stages. In the first stage, the ascending rate is greater, while in the second, it's decreased apparently. The initial soil moisture is high, so is the ascending rate. The relationship between the time needed and the accumulative amount of attracted water can be simulated by exponential and stepped functions.
2. The solute KON3 accelerates this ascending; For the forming of the water-sealing layer, the intermittent infiltration achieves a decreased infiltration rate, a decreased NO3- advancing rate , a higher NO3- content on the surface soil and less NO3-leaching compared with the continuous.
3. Under a shallower groundwater table, the soil moisture is higher. In the deeper
layer an anaerobe layer is formed, and dinitrification weaken the accumulation of NO3-both in the soil and in the groundwater.
4. The main effects of surge flow irrigation technological elements on the infiltrated water and NO3- transfer and distribution with a 70cm groundwater table are as follows: (l)To some extent, infiltration rate decreases with a decreased cycle rate; In this experiment, the optimal cycle rate is 1/5, which leads to a shallower distribution of the moisture and NO3- in soil and weakens the trend of NO3" leaching. The concentration of NO3- in the groundwater increases with an increased cycle rate. (2) To some extent, the average infiltration rate decreases with an increasing cycle number; (3) The function of decrease infiltration will reduce as the irrigating water quota increases. It showed that the concentration of NO3- in the deeper soil and the groundwater and the lost of dinitrification increase with an increased quota; The relationship of the concentration of NO3- in the groundwater (3 hours redistributed) and the irrigating water quota can be simulated by exponential functions
.
5. With a same irrigating quota, the max. concentration of NO3- in the soil , the percentage of NO3- distributed in 0~30cm and the concentration of NO3- in the groundwater will increase as the concentration of the infiltrated solution increases. Under the surface and deep-lying fertilization, the NO3- in the soil centralized at the depth it's applied. Concentration peak of chemigation's NO3- is smaller and the NO3- is well-distributed in the soil. The NO3- is well-distributed in the groundwater under surface applying and chemigation, while with deep-lying fertilization, the concentration of NO3- is high and the gradient of the concentration of NO3- is great.
6. The NO3- is mainly distributed in upper layer (0~5cm) in the groundwater, and the concentration decreases vertically downward. During the redistribution, the gradient of concentration decreases, the NO3- is getting well-distributed.
1、地下水位一定且忽略土面蒸发时，以毛管水上升速率大小为依据将土壤毛管水上升过程可划分为两个阶段：第一阶段毛管水上升速率大，第二阶段毛管水上升速率明显减小；土壤初始含水率大，毛管水上升速度大；毛管水上升渗吸时间与累计渗吸量的关系可采用分段函数或指数函数模型描述。
2、添加溶质KNO_3加快土壤入渗水分运移速度；溶液间歇入渗表土致密层的形成使间歇入渗较连续入渗具有明显的减渗效果，NO_3~-运移锋推进速度减慢，上层土壤NO_3~-含量高，间歇入渗有效减小其淋失量。
3、地下水位浅、土壤含水率高的情况下，底土厌氧层的存在为反硝化作用提供良好的反应条件，可减少NO_3~-在下层土及地下水中的累积。
4、波涌灌技术要素对地下水位为70cm的间歇入渗水、NO_3~-运移分布特性有明显影响，主要为：(1)在试验条件下，在一定范围内减小循环率，减渗作用增强，试验中循环率为1／5时的间歇入渗减渗效果最好，土壤中水分、NO_3~-分布于更浅层土壤中，NO_3~-淋失趋势小；循环率的增大使地下水中NO_3~-含量明显增大。(2)在一定范围内，间歇入渗周期数的增大，平均入渗率减小。(3)增大灌水定额，波涌灌
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间歇入渗减渗作用逐渐减弱，随水运移至下层土壤中的N0;，一增多、反硝化作用氮素
损失率高且地下水中NO3一浓度高;地下水中N氏一浓度(再分布3小时)与灌水定额
符合指数函数关系:
5、相同的灌水定额，间歇入渗溶液浓度增大，土壤N氏含量分布曲线峰值增
大，分布于浅层(O一3Oc!:)土壤中的NO犷(’不入渗总量的比例增大，地下水NO=t含量
高;表施肥与深施肥土壤N氏一集中分布于施肥土层，溶液灌施土壤N0;分布曲线峰
值小、分布相对均匀;表施与溶液灌施条件的地下水N氏一浓度接近、分布均匀，深
施条件!;的地下水中NO浓度值高，垂向NO;、浓度梯度大。
6、地一下水N住一主要分布于表层和上层(O一SCm)，沿垂向NO:毛浓度逐渐减小，
再分布过程中N氏浓度分布趋于均匀，垂向浓度梯度减小。
Based on reviewing previous research on surge flow irrigation, nitrogenous fertilizer (NO3-) transfer transformation and its pollution to the groundwater environment, combined with the National Nature Science Found Project "The study on the characteristics of the field N transfer and effective usage with the surge flow irrigation under the fertilization" and the practice of irrigation and fertilization in Guanzhong, Shaanxi province, adopts technical way of experiment and theory analysis, this paper leads the way of research on the nitrate transfer transformation and its distribution in the groundwater (vertically, especially), with a 70cm groundwater table under intermittent infiltration . The main conclusions are as follows:
1. With a fixed groundwater table and a neglected field surface evaporation, capillary water ascending period has 2 stages. In the first stage, the ascending rate is greater, while in the second, it's decreased apparently. The initial soil moisture is high, so is the ascending rate. The relationship between the time needed and the accumulative amount of attracted water can be simulated by exponential and stepped functions.
2. The solute KON3 accelerates this ascending; For the forming of the water-sealing layer, the intermittent infiltration achieves a decreased infiltration rate, a decreased NO3- advancing rate , a higher NO3- content on the surface soil and less NO3-leaching compared with the continuous.
3. Under a shallower groundwater table, the soil moisture is higher. In the deeper
layer an anaerobe layer is formed, and dinitrification weaken the accumulation of NO3-both in the soil and in the groundwater.
4. The main effects of surge flow irrigation technological elements on the infiltrated water and NO3- transfer and distribution with a 70cm groundwater table are as follows: (l)To some extent, infiltration rate decreases with a decreased cycle rate; In this experiment, the optimal cycle rate is 1/5, which leads to a shallower distribution of the moisture and NO3- in soil and weakens the trend of NO3" leaching. The concentration of NO3- in the groundwater increases with an increased cycle rate. (2) To some extent, the average infiltration rate decreases with an increasing cycle number; (3) The function of decrease infiltration will reduce as the irrigating water quota increases. It showed that the concentration of NO3- in the deeper soil and the groundwater and the lost of dinitrification increase with an increased quota; The relationship of the concentration of NO3- in the groundwater (3 hours redistributed) and the irrigating water quota can be simulated by exponential functions
.
5. With a same irrigating quota, the max. concentration of NO3- in the soil , the percentage of NO3- distributed in 0~30cm and the concentration of NO3- in the groundwater will increase as the concentration of the infiltrated solution increases. Under the surface and deep-lying fertilization, the NO3- in the soil centralized at the depth it's applied. Concentration peak of chemigation's NO3- is smaller and the NO3- is well-distributed in the soil. The NO3- is well-distributed in the groundwater under surface applying and chemigation, while with deep-lying fertilization, the concentration of NO3- is high and the gradient of the concentration of NO3- is great.
6. The NO3- is mainly distributed in upper layer (0~5cm) in the groundwater, and the concentration decreases vertically downward. During the redistribution, the gradient of concentration decreases, the NO3- is getting well-distributed.
引文
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