再生水地下滴灌对土壤酶活性和大肠杆菌(Escherichia coli)迁移的影响

来源 :中国水利水电科学研究院 | 被引量 : 6次 | 上传用户:never0005
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滴灌是应用再生水最适宜的灌溉方式,能够避免直接接触污染和减少污染物随地表径流迁移,但是再生水中含有相对较高的盐分、养分、溶解性有机质和病原体等物质,且再生水滴灌可能增加根区土壤盐分和养分含量以及病原体浓度,影响根区土壤养分转化和生物活性,进而增加养分淋失、病原体淋溶污染地下水的风险。因此,研究再生水滴灌条件下灌水量和滴灌带埋深对土壤酶活性、大肠杆菌-Escherichia coli(E.coli)分布和水氮淋失的影响对再生水安全高效灌溉具有重要的理论和实践指导意义。本文以玉米(Zea mays L.)为研究对象,于2014和2015年在华北平原半湿润地区(北京大兴)开展再生水地下滴灌大田玉米试验。试验因素包括灌水量、滴灌带埋深和灌溉水质3个因素。其中,灌水量按作物需水量(ETC)的70%(I1)、100%(I2)和130%(I3)设置3个水平;滴灌带埋深设为0 cm(D1)、15 cm(D2)和30 cm(D3)3个水平;此外,将地下水灌溉设置为对照处理(2014年地下水对照灌水量为12;2015年地下水对照灌水量为I3),对照处理滴灌带埋深分别为0、15和30 cm,记为C1、C2和C3。玉米生育期内监测了土壤酶活性(碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶)、E.coli分布、水氮动态、NO33--N淋失特征、土壤电导率(ECb)和化学性质,并在关键生育阶段测定了植株株高、叶面积指数(LAI)和叶、茎、籽粒干物质质量以及吸氮量,分析了滴灌带埋深、灌水量和灌溉水质对土壤酶活性、E.coli分布与运移、土壤水氮分布与淋失、土壤盐分、玉米生长和产量的影响。为了更系统地定量评价施肥制度对再生水亏缺灌溉条件下浅滴灌带埋深处理(I1D2)硝态氮淋失的影响,基于HYDRUS-2D软件构建了地下滴灌水氮运移模型,并模拟分析了施氮量对再生水亏缺灌溉条件下浅滴灌带埋深处理硝态氮淋失的影响。主要结论如下:(1)再生水地下滴灌条件下,0~20 cm深度土壤含水率随灌水量增加而显著增加,随滴灌带埋深增加而显著减小;较大灌水量和滴灌带埋深均会导致NO3--N向下层土壤运移,增大NO3--N淋失风险。与地下水灌溉相比,再生水灌溉增加了土壤NO3-N含量而降低了土壤NH4+-N含量。灌溉后表层土壤ECb增幅以较低滴灌带埋深处理较高,而随着土壤深度增加,ECb增幅随滴灌带埋深呈增加趋势。两年试验中,再生水灌溉明显提高了 0~50 cm深度土壤ECb,但是不会导致土壤盐渍化。(2)再生水地面灌和滴灌后碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性在土壤剖面均呈层状分布。较小的滴灌带埋深明显提高了表层土壤酶活性,较大的滴灌带埋深显著促进了深层土壤酶活性;与滴灌带埋深相比,灌水量对土壤酶活性的影响随土壤深度、生育阶段和酶活性类型而变化。相关分析结果表明:灌溉处理前后碱性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性与土壤有机质、全氮、全磷和pH显著相关,不同类型酶活性对灌溉施肥管理响应一致;脲酶活性在玉米生育前期促进尿素水解和氮素矿化,后期促进氮素吸收和生物固持。与地下水滴灌相似,再生水地下滴灌提高了根区土壤酶活性,没有干扰和改变土壤C、N、P养分转化,不会对土壤肥力水平造成负面影响。(3)再生水地下滴灌不会导致玉米生育期E.coli在土壤中累积,E.coli不会随深层渗漏进入深层土壤。水分深层渗漏主要发生在降雨较大而作物耗水量较小的生育初期和末期。滴灌条件下较大的灌水量和滴灌带埋深均会增加深层渗漏风险和导致土壤溶液中较高的NO3-N浓度;玉米生育期累积NO3-N淋失量随滴灌带埋深增加而显著增加。与地下水滴灌相比,再生水滴灌明显增加了 NO3--N淋失量,2014和2015年平均增加幅度分别为65%和84%。(4)灌水量和滴灌带埋深均未显著影响玉米产量及其构成要素。与地下水滴灌相比,再生水滴灌未对玉米株高、LAI、地上部分干物质质量及吸氮量、产量及其构成要素和品质造成显著差异;同时,再生水滴灌未造成玉米籽粒E.coli污染。考虑节水、玉米产量和根区水氮淋失,华北平原半湿润地区滴灌条件下玉米生育期内采用灌水量为70%ETC较为适宜。(5)基于HYDRUS-2D软件建立了地下滴灌线源土壤水分、NO3--N和NH4+-N运移模型,评估了施氮量及其分配对NO3--N淋失的影响。模拟结果表明:玉米生育期累积NO3--N淋失量随施氮量增加而增加。综上所述,滴灌带埋深15 cm的地下滴灌结合70%ETC灌溉能够提高作物根区土壤酶活性,避免再生水直接接触污染和E.coli在土壤中累积,同时降低水氮淋失,并维持较高的玉米产量,是华北平原半湿润地区大田玉米较合适的再生水灌溉管理方式。
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