土壤中硝态氮存储结构实验分析

4.5.2　土壤中硝态氮存储结构实验分析

由于土壤结构复杂，很难直接测定硝态氮在土壤中的存储结构。本研究通过间接的方式，从土柱底部出流水样的硝态氮浓度分析硝态氮在土壤中的存储结构。在给定土壤含水量及外源强度的土壤层次中，结合氮素在土壤中的转化机理，分析土壤中硝态氮的存储结构及其对污染物运移通量的影响，模拟排水条件下饱和土壤中氮磷的垂向迁移规律，同时也研究了在降雨排水条件下的旱作表层土壤中硝态氮垂直迁移过程及规律。

图4.22～图4.33示意其中两次模拟降雨过程的部分土柱底部出流水样中硝态氮与出流流速的关系曲线，从图中可以明显看出出流水样中的硝态氮浓度总体上随着出流流速的增大而减少，后期出流水样中的硝态氮浓度变化趋于稳定。

图4.22　硝态氮浓度随出流速率变化曲线1

图4.23　硝态氮浓度随出流速率变化曲线2

图4.24　硝态氮浓度随出流速率变化曲线3

图4.25　硝态氮浓度随出流速率变化曲线4

图4.26　硝态氮浓度随出流速率变化曲线5

图4.27　硝态氮浓度随出流速率变化曲线6

图4.28　硝态氮浓度随时间累积变化曲线1

图4.29　硝态氮浓度随时间累积变化曲线2

图4.30　硝态氮浓度随时间累积变化曲线3

图4.31　硝态氮浓度随时间累积变化曲线4

图4.32　硝态氮浓度随时间累积变化曲线5

图4.33　硝态氮浓度随时间累积变化曲线6

根据以上实验，进行蓄满产流条件的模拟排水条件下的水—土界面交换环境，通过控制底部出流的速率，分析土壤小孔隙中硝态氮对某一横截面上硝态氮垂向运移通量的影响，并建立某一横截面通过单位总水量跟过流中硝态氮浓度的函数关系。由于大孔隙中的硝态氮对出流水样浓度的影响只发生在实验前期很短的时间，对于长时间淹水实验的结果影响不大，故在该实验中可以忽略其影响。建立出流中硝态氮浓度和出流水量的经验关系y＝1 580.9x^－1.04，相关系数R²为0.99，如图4.34所示。

图4.34　硝态氮流失通量与总水量关系

通过室内土柱实验研究分析，可以得出：

（1）土壤中硝态氮在土壤垂向的迁移量与土壤中硝态氮含量有很好的相关性，土壤中硝态氮的含量是土壤中硝态氮迁移量的重要影响因素。土壤物理结构和作物特征对氮的变化趋势起主导作用，在大雨强条件下，土壤中累积输出的径流量都低于表面流，差幅决定于土壤表层界面特征。

（2）硝态氮在土壤中的迁移受到土壤孔隙中硝态氮浓度梯度的共同影响，孔隙比例决定了硝态氮迁移速率及迁移持续时间。由于含水量的不同，土壤中的硝态氮在浓度梯度的作用下，不同程度地储藏在土壤孔隙中，外界降水短历时入侵，在浓度梯度的作用下，硝态氮扩散速率不大，迁移缓慢，对氮流失影响不大。

（3）在不考虑大孔隙硝态氮的影响下，硝态氮运移通量跟单位面积总水量成幂函数关系y＝ax^b，y为硝态氮流失通量mg/L，x为时间段的单位面积总水量L/m²，a、b为经验系数，主要取决于土壤的结构、土壤小孔隙中的硝氮浓度和土壤表面的水压，可根据不同流域土壤特性取样进行率定，该结论可为后续土壤参数相关性分析和模型构建提供参考。

（4）土壤含水量的增加同时增大了硝化和反硝化作用的机会，但总体而言，含水量的增加将增大土壤中NO₃－N的浓度，含水量跟土壤中的NO₃－N浓度存在着正相关，故其在非点源污染防治中值得重视。

由于我国南方地区在夏初的时候，常常进入梅雨季节，其温度十分有利于硝化作用的发生，同时，由于梅雨季节的时候，降雨十分频繁但是雨量不大，因而使得土壤常处于一个含水量很高的状态，这就一定程度上加大了NO₃－N的生成和流失，NO₃－N大量积累在土壤表层。在降雨雨强大时，地下浅层横向渗流将大量的NO₃－N带入江河湖泊，造成农业非点源污染。

因此，可在流域河湖水环境生态治理中加以防范，如在河流湖泊岸边或稻田旁边种植根系比较浅而且密集的植被以对浅层地下渗流的NO₃－N进行生态修复或者沟渠截流。冬季土壤含水量较低，NO₃－N在土壤中的浓度相对较低，且NO₃－N在土壤中不易流动，因此冬季对河流湖泊进行清淤或者进行其他工程治理效果相对较好。