三峽庫區(qū)不同碳銨用量紫色土氮素淋溶試驗研究

孫軍益，方 芳，郭勁松，李 哲，孫志偉

（重慶大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院，重慶400045）

氮是水體富營養(yǎng)化的限制性養(yǎng)分因子之一［1］。氮素淋溶是指土壤中未被作物吸收利用的氮素隨著降雨或灌溉水滲入到深層土壤和地下水，并通過溝渠等排入河流、湖泊，導(dǎo)致農(nóng)田氮素流失的過程。

影響土壤氮素淋溶的因素很多，包括土壤理化性質(zhì)［2］、降雨［3］、施肥［4］等，其中施肥是影響氮素淋溶的關(guān)鍵因素。近年來，農(nóng)田化肥用量逐年增加，而氮肥利用率僅為30%～41%［5］，大部分氮素仍然殘留在土壤中。全世界施入土壤的氮肥，大約10%～40%（質(zhì)量分數(shù)）經(jīng)土壤淋溶作用而流失［6］。過量施肥不僅降低了農(nóng)民的經(jīng)濟效益，也增加了氮素淋溶流失產(chǎn)生的環(huán)境風險。紫色土是三峽庫區(qū)典型的土壤類型，占庫區(qū)耕地面積的69.2%，其含沙量適中，有豐富的毛管孔隙和良好的透水性，但土質(zhì)疏松，易于流失，在自然和人類活動的干擾及其疊加效應(yīng)下，養(yǎng)分淋溶強烈。紫色土坡耕地成為三峽庫區(qū)主要的農(nóng)業(yè)面源污染來源［7］，對庫區(qū)水體帶來負面影響［8］。

目前，國內(nèi)就施肥對氮素淋溶的影響主要關(guān)注的是肥料配施［9］，大多是從土壤縱剖面氮素含量的分布來推斷淋溶趨勢［10］，國外則側(cè)重于養(yǎng)分淋溶量的估算方法研究［11］和減少養(yǎng)分淋溶的政策措施探討［12］，而關(guān)于施肥梯度對不同形態(tài)氮素淋溶影響的研究較少。碳銨屬于氨態(tài)氮肥，肥效快，易被植物吸收，在三峽庫區(qū)廣泛使用。本研究采用室內(nèi)土柱裝置，研究了不同碳銨施用量下紫色土氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性總氮淋溶特征，探討了碳銨用量對不同形態(tài)氮素淋溶規(guī)律的影響，為減少土壤氮素淋失，防治三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤選自三峽庫區(qū)長江北岸忠縣新政小流域典型農(nóng)田－蔬菜坡耕地土壤，經(jīng)緯度為N 30°25′，E 108°10′，土壤屬紫色土，是一類成土時間較短、成土過程以物理風化為主的巖性土，土地利用方式為蔬菜種植。土樣采集后，經(jīng)風干，磨碎，混勻，過2mm篩后，按田間土壤實測的容重填充，獲得近似原狀土。供試土壤的主要理化特性見表1，電導(dǎo)率、pH、氧化還原電位分別用E.C.Testr土壤原位電導(dǎo)計和IQ150土壤原位pH／mV儀現(xiàn)場測定，其他指標則依據(jù)《土壤農(nóng)化手冊》［13］在實驗室進行測定。

1.2 實驗設(shè)計

如圖1所示，淋溶土柱采用直徑75mm的PVC管，總高65cm，分為3段，從下往上依次為10cm的沙石段，40cm的淋溶土柱段和15cm的超高。考慮到作物根系主要集中于0～20cm的耕作層，對40cm以下的土壤養(yǎng)分吸收很少，故將淋溶至土壤40cm以下的氮素視為淋溶損失［14］。土柱上方為淋溶用水，用流量控制器控制淋溶強度，淋溶噴灑出水口固定于淋溶土柱管管口。土柱下接淋濾液收集器，收集淋溶滲濾液。

首先在管底鋪一層紗布，上鋪高10cm的鵝卵石，空隙里填充細砂，根據(jù)實地測得的田間土壤容重1.36g·cm－3，稱取2 403g研磨過2mm篩的細土，裝入土柱，并噴灑蒸餾水，使其自然沉降到40cm高。為了均勻布水，防止股狀流和優(yōu)先流的產(chǎn)生，在土壤表層鋪一層紗布和濾紙。實驗前，噴灑蒸餾水，使土壤達到田間持水量，使各土柱之間水分環(huán)境相似。

表1 供試土壤主要理化性質(zhì)

圖1 淋溶土柱示意圖

根據(jù)在當?shù)剡M行的農(nóng)事調(diào)查，試驗用肥采用當?shù)赜昧枯^大的碳銨，其用量設(shè)5個水平，另設(shè)不施肥處理作為對照，各處理具體施肥量見表2。每個處理設(shè)3次平行，同時進行淋溶試驗。在施肥方式上，碳銨均作基肥一次性施入，在淋溶前1d施于土柱表面。

表2 碳銨施入量

實驗采用間歇淋溶法，淋溶用水為蒸餾水。資料［15］顯示，重慶各區(qū)縣暴雨頻發(fā)，多年平均降雨量為1 184mm。據(jù)此，本實驗選取每周淋溶量為200mm，為期6周，分別用L1，L2，L3，L4，L5，L6表示，淋溶總水量為1 200mm，淋溶強度控制在10mm／h。淋濾液采用濾液收集器進行收集，測量其體積并測定其氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性總氮濃度。

1.3 測定方法與統(tǒng)計分析

采集的淋濾液經(jīng)0.45μm濾膜過濾，濾液用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定溶解性總氮（total dissolved nitrogen，TDN）含量、紫外分光光度法測定硝態(tài)氮含量、納氏試劑光度法測定氨態(tài)氮含量。溶解性有機氮（dissolved organic nitrogen，DON）通過計算得到，溶解性有機氮＝溶解性總氮－硝態(tài)氮－氨態(tài)氮。

實驗數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計軟件Excel 2003和SPSS 13.0進行統(tǒng)計分析，用Origin7.5作圖。

2 結(jié)果與分析

施入土壤中的氮肥，在土壤微生物等因素的作用下，轉(zhuǎn)化為可供作物吸收利用的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮等不同形態(tài)的氮素。這些不同形態(tài)的氮素在土柱中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律各不相同。

2.1 淋濾液中氨態(tài)氮含量分析

圖2為淋濾液中氨氮濃度，在0.34～2.86 mg·L－1之間，均值（0.88±0.29）mg·L－1。紀雄輝等［16］對洞庭湖區(qū)水稻土的淋溶研究發(fā)現(xiàn)，淋濾液氨氮含量為0.42～1.25mg·L－1。孟媛［17］對滇池流域農(nóng)田土壤40cm土壤淋濾液的研究結(jié)果表明，其氨氮含量為0.81～5.49mg·L－1，均值為2.39mg·L－1。陳振華等［18］研究了下遼河平原潮棕壤氨氮淋溶趨勢，發(fā)現(xiàn)滲漏液中氨氮含量均小于2mg·L－1，且各施氮肥處理和對照處理間差異不顯著（P＞0.05）。不同地區(qū)不同土質(zhì)類型的土壤對氨態(tài)氮的固持作用均較強。

不同施肥量下，各處理組之間氨氮淋溶量均無顯著性差異（P＜0.05）。施肥量的增加并沒有引起氨態(tài)氮的大量淋溶。從6次淋溶過程來看，施肥后第1次淋溶的淋濾液中氨態(tài)氮濃度很高，為1.69～2.86mg·L－1，氨態(tài)氮含量占不同施肥處理氨態(tài)氮淋失總量的33.3%～45.4%。

2.2 淋濾液中硝態(tài)氮含量分析

圖3為淋濾液中硝態(tài)氮濃度，在0.27～36.25 mg·L－1之間，均值為（9.76±0.76）mg·L－1。汪濤等［19］對2004～2006年降雨后紫色土壤中流硝態(tài)氮含量的分析表明，紫色土坡地壤中流硝態(tài)氮含量在2.63～52.11mg·L－1之間，均值為（21.72± 2.05）mg·L－1。尹曉芳等［20］研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤硝態(tài)氮淋溶量隨施肥量的增加而增大，過量施用氮肥易造成硝態(tài)氮淋溶。說明硝態(tài)氮淋溶量較大，且主要受施肥量影響。

圖2 不同施肥量下淋濾液氨氮濃度

不同施肥處理下，N1、N2處理與對照無肥處理N0差異不顯著（P＞0.05），因此，施氮量在100 kg·hm－2以內(nèi)，不會顯著影響硝態(tài)氮的淋溶量；N3，N4，N5處理硝態(tài)氮淋溶量均顯著高于無肥處理（P＜0.05），分別達到無肥處理硝態(tài)氮淋溶量的6.7，8.9，10.8倍，說明施入土柱的氮肥大多轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮而淋濾出土柱。此外，當施氮量達到200kg· hm－2時，淋濾液硝態(tài)氮平均濃度就會超出10mg· L－1，對當?shù)氐叵滤|(zhì)安全帶來隱患。所以，從保護水資源的角度，該地區(qū)施氮量宜控制在180kg· hm－2以內(nèi)。

各施肥處理第1次淋溶淋失量最大，占其硝態(tài)氮淋失總量的32.0%～40.2%，這可能是由于土柱本身存在一定量的硝態(tài)氮，并且施入土壤的氮肥也被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮隨淋溶水淋濾出來。隨后第2、3次的淋溶，淋濾液硝態(tài)氮濃度迅速下降，第4、5、6次又有較大提升，這可能是因為不同施肥量下，大量被土柱吸持的氨態(tài)氮被氧化為硝態(tài)氮，從土柱上方向下遷移的結(jié)果。

圖3 不同施肥量下淋濾液硝態(tài)氮濃度

2.3 淋濾液中可溶性總氮（TDN）含量分析

圖4為不同施肥量下淋濾液中TDN的濃度為1.38～40.81mg·L－1，均值為（12.37±2.38）mg·L－1。隨著施肥量的增大，淋濾液中TDN的含量也逐步增大，N1，N2處理與對照無肥處理N0差異不顯著（P＞0.05），N3，N4，N5處理TDN淋溶量均顯著高于無肥處理（P＞0.05），分別達到無肥處理TDN淋溶量的3.6，4.8，5.8倍，與硝態(tài)氮的淋濾結(jié)果類似。在6次淋溶過程中，TDN的淋濾也主要集中在施肥后的第1次淋溶，達到6次淋溶總淋失量的21.3%～51.5%。

圖4 不同施肥量下淋濾液TDN濃度

2.4 淋濾液中各種氮素形態(tài)淋溶風險

土壤中氮素淋失量的大小主要取決于土壤層中易移動性氮庫，這既受土壤中氮源、氮匯影響，又受到土壤中不同形態(tài)氮素轉(zhuǎn)化過程的控制。由表3可知，在不同施肥量處理下，氨態(tài)氮的淋失量比較穩(wěn)定，保持在0.34～2.86mg·L－1之間，占TDN的4.8%～13.0%，幾乎不受施肥量的影響，淋溶流失風險也較小。這是由于土壤膠體帶負電，銨根離子帶正電，因此土壤顆粒對銨根離子有較強的吸附能力。

而不同施肥量處理下，淋濾液硝態(tài)氮含量占TDN的60.76%～83.20%，是氮素的主要淋失形態(tài)，與施肥量呈顯著正相關(guān)。Huang等［21］研究了上海郊區(qū)旱作農(nóng)田氮素降雨滲漏流失情況，發(fā)現(xiàn)淋濾液中氮素以硝態(tài)氮為主，占總氮的90%左右。Aronsson［22］利用30cm淋溶土柱研究了瑞典泥土的淋溶狀況，也發(fā)現(xiàn)淋濾液的各種氮素形態(tài)中硝態(tài)氮的含量最高。這些都與本實驗研究結(jié)果類似，因為硝態(tài)氮帶有負電，很難與土壤顆粒結(jié)合；土壤中各種形態(tài)的氮素在硝化細菌的作用下，很容易被氧化為硝態(tài)氮，流失風險也很高。而紀雄輝等［16］，宋科等［23］發(fā)現(xiàn)在水田中硝態(tài)氮的滲漏淋失很少，說明硝態(tài)氮的淋失與種植模式有較大關(guān)系，水田長期處于淹水狀態(tài)，土壤硝化作用大大減弱。

淋濾液中DON占TDN的11.8%～26.2%，在施氮量較小的N1處理比重最高，為26.2%；當施氮量增加時，淋濾液中DON的比重相應(yīng)減少，只占TDN的12%左右，氮素淋溶以無機氮為主。同樣，劉建等［24］研究了不同氮肥處理下苗圃潮土中氮素的淋溶特征，也發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮是氮素淋溶的主要形態(tài)，硝態(tài)氮的淋溶量占全氮淋溶量的70%以上，而氨態(tài)氮只占7%，有機氮占5%～27%。

表3 各處理淋濾液中各形態(tài)氮素占TDN比例 %

3 結(jié)論

（1）各施肥量處理下，淋濾液中氨態(tài)氮濃度在0.34～2.86mg·L－1之間，只占氮素總淋失量的4.8%～13.0%，不同施肥處理之間差異不顯著。土壤對氨態(tài)氮的固持作用較強，氨態(tài)氮沒有發(fā)生明顯的淋失。

（2）淋濾液中硝態(tài)氮濃度為0.27～36.25mg· L－1，施氮量在100kg·hm－2以內(nèi)，不會顯著影響硝氮的淋溶量。淋濾液中硝態(tài)氮占TDN的60.8%～83.2%，流失風險很高，是氮素淋溶流失的主要形態(tài)，控制硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化與淋失是有效抑制氮素流失的關(guān)鍵。

（3）淋濾液中TDN濃度為1.38～40.81mg· L－1，氮肥用量顯著影響了淋濾液中TDN的含量，TDN淋溶總量在43.49～251.2kgN·hm－2，與施肥量呈正相關(guān)。

（4）氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和TDN的淋失主要發(fā)生在施肥后的首次淋洗過程中。首次淋濾液中氨態(tài)氮含量占6次淋溶過程氨態(tài)氮總淋失量的33.3%～45.4%；硝態(tài)氮含量占其6次總淋失量的32.0%～40.2%；TDN含量占其6次總淋失量的21.3%～51.5%。

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