位山灌區(qū)農(nóng)田氮素流失試驗(yàn)研究

王玉偉 ，王 鳳 ，潘維艷

（1.臨清市水務(wù)局，山東 臨清 252600；2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

隨著化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越多，過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致土壤剖面中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮“三硝基”的浸出和積累，對(duì)地下水污染構(gòu)成潛在威脅[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室和田間針對(duì)氮素流失開(kāi)展了大量的研究[2-8]，結(jié)果表明，氮素流失受多種因素的影響，例如地表覆蓋物、土壤濕度、施肥情況、灌溉水量、降雨量等。土壤氮素的累積是氮素淋溶的首要條件，在降水和灌溉條件下，氮素隨著水分在土壤剖面中的垂直運(yùn)移而向下淋溶。

位山灌區(qū)是黃河下游最大的引黃灌區(qū)。近年來(lái)位山灌區(qū)因氮素流失造成的面源污染日趨嚴(yán)重，給地表和地下水體造成巨大污染風(fēng)險(xiǎn)。在位山灌區(qū)農(nóng)業(yè)活動(dòng)愈加頻繁，氮素施肥量過(guò)多導(dǎo)致面源污染愈加嚴(yán)重的背景下，為研究不同施肥和灌水情景對(duì)氮素流失的影響，本文通過(guò)測(cè)坑試驗(yàn)及灌區(qū)采樣，研究灌區(qū)不同施灌情景下氮素的遷移分布規(guī)律和淋失特征。該研究結(jié)果可為揭示氮素的淋溶累積規(guī)律，指導(dǎo)區(qū)域合理施肥，提高氮利用效率，并減少氮素對(duì)地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山東省位山引黃灌區(qū)東阿縣后王村，屬典型的半干旱半濕潤(rùn)氣候，多年平均降雨量為566.7 mm，水面蒸發(fā)量為1 287.7 mm。試驗(yàn)時(shí)間為2014年10月~2016年10月，試驗(yàn)區(qū)采用引黃灌溉，農(nóng)作物以冬小麥—夏玉米為主，小麥于2014年10月種植，次年6月份冬小麥?zhǔn)崭钪蠓N植玉米，試驗(yàn)區(qū)土壤的基礎(chǔ)肥力情況：土層深度為0~20 cm；全氮為1.2 g/kg；速效磷為12.9 mg/kg；速效鉀為103.6 mg/kg；有機(jī)質(zhì)為17.0 g/kg。研究區(qū)土壤巖性自上而下大致分為5層，0~40 cm為砂壤土；40~70 cm為壤土；70~90 cm為粉砂土；90~140 cm為壤土；140~160 cm為粉砂土。

1.2 試驗(yàn)方案

因田間測(cè)坑試驗(yàn)未設(shè)計(jì)滲漏溝槽，無(wú)法獲取每次降雨入滲形成的滲漏量，因此本文采用室內(nèi)土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M降雨[9-10]的研究方法。將采集的新鮮土樣按土壤實(shí)測(cè)容重填裝到直徑15 cm，高160 cm土柱中，利用蒸餾水自上而下進(jìn)行淋洗，觀(guān)測(cè)并計(jì)算氮的滲漏量。

1）田間試驗(yàn)供試作物：冬小麥（品種：魯單981）和夏玉米（品種：魯單9066）。試驗(yàn)設(shè)有6個(gè)測(cè)坑，測(cè)坑規(guī)格為4 m×4 m，每個(gè)測(cè)坑之間設(shè)置2 m深的襯砌墻，并在距地表20 cm、40 cm、80 cm、120 cm、160 cm深度處分別埋設(shè)陶土頭，用于采集土壤溶液。

2）施肥方案：基肥為N-P2O5-K2O復(fù)合肥，施肥量為630 kg/hm2。冬小麥在返青拔節(jié)期追肥，采用常規(guī)施肥（1、3、5號(hào)）和底肥（2、4、6號(hào)）處理。N肥50%為底施，50%在拔節(jié)期溝施；夏玉米基肥和追肥都為復(fù)合肥，P2O5肥、K2O肥、N肥分別50%基施，50%大喇叭口期溝施，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了高肥（1、2號(hào)）、低肥（5、6號(hào)）和常規(guī)施肥（3、4號(hào)）3種方案。

3）灌溉方案：試驗(yàn)區(qū)采用漫灌的灌水方式，試驗(yàn)期間冬小麥共進(jìn)行5次灌水，分別是越冬水（12月20日）、返青水（3月13日）、拔節(jié)水（4月3日）、抽穗水（4月29日）和灌漿水（5月22日），其中，6個(gè)測(cè)坑越冬水均采用常規(guī)灌溉，其它時(shí)期設(shè)計(jì)了高灌、低灌和常規(guī)灌溉3個(gè)水平。夏玉米共進(jìn)行兩次灌水，分別為出苗水（6月27日）和抽雄水（7月27日），其灌溉方式采用常規(guī)灌溉和低灌。冬小麥、夏玉米施肥及灌溉方案見(jiàn)表1。

表1 冬小麥-夏玉米施肥及灌溉方案

1.3 樣品的采集與測(cè)定

試驗(yàn)前和灌水后分別采集6個(gè)測(cè)坑在0~20 cm、20~40 cm、40~80 cm、80~120 cm、120~160 cm深度處的土樣，采樣時(shí)間為2015年3月14日至6月28日。土樣中總氮含量采用凱氏定氮法[11]測(cè)定，銨態(tài)氮采用氯化鉀-酒石酸鈉-納氏試劑法[12]測(cè)定，硝態(tài)氮采用氯化鈣-H2SO4法測(cè)定[13-14]。試驗(yàn)前和冬小麥、夏玉米實(shí)施水、肥后分別采集土壤溶液，采樣時(shí)間為2015年3月14日至7月28日。采用分光光度法測(cè)定土壤溶液中總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[15]。從各觀(guān)測(cè)井中采集地下水，每10~15 d采集1次，水樣為非汛期溝渠自然水，采樣時(shí)間為2015年3~10月。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同水肥處理下硝態(tài)氮濃度分布特征

各測(cè)坑不同深度處土壤溶液中硝態(tài)氮濃度分布情況如圖1所示。從整體來(lái)看，隨著冬小麥生育期的推進(jìn)，灌水過(guò)程導(dǎo)致硝態(tài)氮隨水分逐漸向深層遷移，相應(yīng)土層中的硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化呈逐漸增大趨勢(shì)。1、2號(hào)測(cè)坑中硝態(tài)氮平均濃度主要累積在40~80 cm土層處；3、4號(hào)測(cè)坑硝態(tài)氮平均濃度大部分累積在20~40 cm和80~120 cm土層處；5號(hào)測(cè)坑硝態(tài)氮平均濃度主要累積在20~80 cm土層處。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮在高肥、高水條件下更易向下遷移，因此，過(guò)量施用硝態(tài)氮，再加以漫灌為主的灌溉方式，將會(huì)導(dǎo)致大量硝態(tài)氮向地下滲漏，對(duì)地下水構(gòu)成潛在威脅。

常規(guī)處理下，冬小麥返青~拔節(jié)期硝態(tài)氮濃度在20~40 cm處達(dá)到最大值。冬小麥整個(gè)生育期內(nèi)，表層硝態(tài)氮濃度變化顯著，底層硝態(tài)氮濃度變化幅度較上層濃度變化小，僅在灌漿期波動(dòng)比較明顯，主要由于2015年3、4月份降雨量大，且是冬小麥主要灌溉期，降雨和灌溉導(dǎo)致4月中下旬土壤表層溶液中硝態(tài)氮被淋洗。

圖1 土壤溶液硝態(tài)氮濃度分布特征

圖2 土壤溶液銨態(tài)氮濃度分布特征

同時(shí)由于該時(shí)期灌溉量較大，在短時(shí)間內(nèi)測(cè)坑土壤含水量或已達(dá)到田間持水量，使中層土壤溶液中的硝態(tài)氮被淋洗進(jìn)入深層土壤，導(dǎo)致土壤表層硝態(tài)氮濃度下降，120~160 cm土層硝態(tài)氮含量在短時(shí)間內(nèi)增加。結(jié)果表明，深層土壤受灌溉的滯后作用影響更明顯，在灌溉間歇期該土層部分硝態(tài)氮逐漸滲入地下水環(huán)境中，硝態(tài)氮含量下降，但與上層硝態(tài)氮濃度的變化相比，變化幅度并不明顯。壤中，而80 cm左右濃度較?。?、6測(cè)坑總氮濃度的分布特征與3、4測(cè)坑相似。作物對(duì)氮素的吸收利用、氮的硝化以及反硝化作用等，導(dǎo)致土壤中總氮變化無(wú)序，但是一般來(lái)說(shuō)，施用的水肥量越大，土壤中總氮累積量越多，位置越深。根據(jù)常規(guī)處理（3號(hào)測(cè)坑）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小麥生育期內(nèi)總氮濃度的變化特征是返青~拔節(jié)期濃度較高，抽穗~灌漿期濃度較低，成熟期濃度上升；上層土壤溶液中總氮濃度波動(dòng)比下層土壤中的總氮濃度波動(dòng)更明顯。總氮是水體中各種形態(tài)無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮的總量，能發(fā)生多種生物化學(xué)反應(yīng)，流失累積過(guò)程復(fù)雜，有一定的規(guī)律性，同樣存在較大的隨機(jī)性。

2.2 不同水肥處理銨態(tài)氮濃度分布特征

不同水肥處理下土壤溶液中銨態(tài)氮濃度的分布特征如圖2所示。1、2測(cè)坑銨態(tài)氮主要累積在20~80 cm土層處；3、4測(cè)坑銨態(tài)氮主要累積在20~40 cm；5、6測(cè)坑銨態(tài)氮主要累積在0~20 cm。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，灌溉量越大，累積位置越深，最深達(dá)距地表80 cm處；灌溉量越小，銨態(tài)氮累積位置越靠近地表，這是因?yàn)殇@態(tài)氮極易被作物根系和土壤膠體吸附，遷移性較差。若過(guò)量施用銨肥，超過(guò)土壤轉(zhuǎn)化、固定銨的能力，會(huì)導(dǎo)致淺層土壤處于富銨氮狀態(tài)，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大或灌溉量較大時(shí)，銨態(tài)氮可隨水遷移導(dǎo)致地下水或地表水面源污染。常規(guī)處理下（3號(hào)測(cè)坑）銨態(tài)氮主要累積在0~80 cm土層處，因?yàn)樵?~40 cm土層為砂壤土，砂粒含量多孔隙大，銨態(tài)氮和水分易向下遷移，40~80 cm土層主要為壤土，孔隙小并且土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附性較強(qiáng)，銨態(tài)氮遷移能力減弱。冬小麥返青~拔節(jié)期銨態(tài)氮主要累積在0~20 cm土層處，抽穗期和灌漿期主要累積在0~40 cm土層處。

2.3 不同水肥處理總氮濃度分布特征

不同水肥處理?xiàng)l件下土壤溶液中總氮濃度分布特征如圖3所示。根據(jù)土壤溶液中硝態(tài)氮和總氮濃度，可以看出硝態(tài)氮是總氮的主要部分。從圖1和圖3中可看出，土壤剖面上總氮濃度和與硝態(tài)氮的分布特征相似。1、2測(cè)坑總氮濃度主要累積在中上部土壤中，120~160 cm處土壤溶液總氮濃度較?。?、4測(cè)坑總氮濃度主要累積在中下部土

不同水肥處理土壤中總氮含量分布特征如圖4所示。從圖中可以看出，不同水肥處理對(duì)土壤中總氮含量的分布特征影響不大?？偟恐饕植加?~20 cm的土壤表層，平均為1.2g/kg，在40~120 cm土層總氮含量變化不明顯，120~160 cm土層總氮含量很小，在0.1g/kg左右，隨著深度的增加，土壤中總氮含量逐漸減少。在冬小麥生育期間，總氮含量隨時(shí)間逐漸減少，主要是因?yàn)樾←溕L(zhǎng)過(guò)程中根系對(duì)氮素的吸收，造成土層中氮素含量的下降。

2.4 氮素流失滲漏量

圖3 土壤溶液總氮濃度分布特征

圖4 土壤總氮含量分布特征

冬小麥-夏玉米生育期滲漏液總氮濃度隨時(shí)間的變化情況如圖5。在常規(guī)處理下，總氮的流失滲漏量情況如圖6。由圖5可知，在冬小麥-夏玉米輪作模式下，土壤剖面總氮滲漏濃度達(dá)到10~14 d的穩(wěn)定時(shí)間；氮的流失滲漏是一個(gè)由快變慢的過(guò)程，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖6可知，在返青~拔節(jié)期冬小麥總氮滲漏量較其他時(shí)期要大，為5.1 kg/hm2；抽穗期滲漏量逐漸減少，為4.5 kg/hm2；灌漿~乳熟期滲漏量則為4 kg/hm2；夏小麥的氮素利用率低于冬小麥，導(dǎo)致氮素泄漏更多，特別是在7月中旬至8月中旬期間，降雨量過(guò)高，導(dǎo)致夏玉米在拔節(jié)期~抽雄期氮素大量滲漏。計(jì)算得到，6種處理下冬小麥-夏玉米生育期內(nèi)不同水肥處理氮素滲漏量分別為32.46 kg/hm2、28.17 kg/hm2、18.45 kg/hm2、22.11 kg/hm2、24.17 kg/hm2和 20.57 kg/hm2。結(jié)果表明，不同水肥處理對(duì)氮素的滲漏量影響較大。

2.5 地下水水質(zhì)

2015年3月~10月地下水觀(guān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、TN和TP）變化情況如圖7a，2014—2016年地下水中總氮濃度隨時(shí)間的變化情況如圖7b所示。

圖5 作物不同生長(zhǎng)期總氮流失情況

由圖7a可知，2015年研究區(qū)地下水總氮的變化規(guī)律為：冬小麥灌溉期間，地下水總氮含量逐漸增加，成熟期逐漸減少。在7月月中旬總氮含量又逐漸升高，根據(jù)2016年降雨數(shù)據(jù)可知，2016年7月中旬開(kāi)始研究區(qū)降雨量逐漸增大，對(duì)土壤淋洗作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致更多的氮元素淋溶進(jìn)入地下水環(huán)境。由圖7b可知，2014—2016年研究區(qū)地下水總氮含量隨時(shí)間呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)，其中決定系數(shù)R2=0.784。結(jié)果表明研究區(qū)地下水質(zhì)惡化，需要進(jìn)一步關(guān)注。

圖6 總氮滲漏量

圖7 2015年地下水硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、TN和TP濃度（a）和2014-2016年總氮濃度（b）隨時(shí)間的變化規(guī)律

3 結(jié)論

1）不同水肥處理對(duì)土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總氮濃度分布有明顯影響，且影響各異?？傮w上施肥量越多、灌溉量越大，氮流失滲漏量越多，累積位置越深。研究區(qū)銨態(tài)氮累積最深離地表以下80 cm處，硝態(tài)氮累積主要在距地表40~80 cm處；總氮濃度的分布特征與硝態(tài)氮的分布特征相似。

2）不同水肥處理對(duì)土壤中總氮含量分布特征影響不大。總氮含量主要分布于土壤表層0~20 cm，平均為1.2 g/kg左右，土壤中總氮的含量隨深度的增加而逐漸減少。

3）在小麥不同生育期，土壤剖面總氮滲漏濃度達(dá)到10~14 d的穩(wěn)定時(shí)間，隨小麥生長(zhǎng)發(fā)育土壤中總氮滲漏量減少。

4）研究區(qū)地下水總氮含量隨時(shí)間呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)。在長(zhǎng)期灌溉施肥條件下研究區(qū)地下水質(zhì)有污染風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)相關(guān)研究。