模擬降雨條件下氮素在土壤中的遷移轉化對比研究

杜國強++陳秀琴++牟守國++楊德軍++黃成江

摘要：為提高氮肥利用率，解決如何施用氮肥能夠減少由于降雨造成的肥料損失與環(huán)境污染，采用室內土柱模擬試驗的方法，研究了向土柱中施入硝酸鈉和尿素2種不同肥料的條件下，氮素在土壤中的遷移轉化規(guī)律。結果表明，土壤中氮素的遷移轉化與土壤含水率、肥料種類有著密切的聯系，在試驗過程中，含水率高的土壤層能明顯提高氮素的遷移轉化速率；土壤對硝態(tài)氮的吸附量較小，底部總氮含量較高，大部分硝態(tài)氮隨降雨入滲到土壤底部，土壤對尿素態(tài)氮的吸附量較大，底部總氮含量低；對比不同施肥情況下的氮素含量情況，發(fā)現施加尿素后，土壤底部的氮素含量明顯比施入硝酸鈉的低，且隨時間的波動變化較小。由此可知，施尿素比施硝酸鈉作為氮肥對氮素的利用率要高，且不易發(fā)生淋溶現象。

關鍵詞：硝酸鈉；尿素；土壤含水率；遷移轉化；總氮；淋溶

中圖分類號： S158文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0436-04

收稿日期：2015-10-29

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“973”項目）（編號：2013CB227904）；國家科技基礎性工作專項重點項目（編號：2014FY110800）；國家自然科學基金重點項目（編號：U1361214）。

作者簡介：杜國強（1989—），男，山西朔州人，碩士研究生，主要從事環(huán)境工程等方面研究。E-mail：dgq0722@163.com。

通信作者：牟守國，碩士，副教授，主要從事土地管理、礦區(qū)生態(tài)、土地復墾和生態(tài)重建等方面的研究。E-mail：mushouguo@163com。

氮素是作物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，施用氮肥已經成為作物生產不可或缺的技術措施，但不合理的施用氮肥不僅會造成浪費，還會對水環(huán)境造成污染[1]。據《世界資源報告》[2]中的報道，由于農田氮肥施用量的增加，世界范圍內地表水和地下水中氮化合物的含量都呈不同程度增加的趨勢[3]。目前，我國氮肥年生產量、進口量和使用量均已躍居世界首位[4]，由此造成的農業(yè)污染問題也比較突出，解決氮肥不合理利用引發(fā)的污染問題迫在眉睫。

水環(huán)境中氮污染問題一直是科研工作者普遍關注的熱點問題[5]。Gunter等通過模擬地下水中氮的運移和淋失，得出氮的運移距離、滲流量的分布以及滲流液中氮的濃度有明顯的空間差異性的結論[6]。胡昱欣等通過室內土柱試驗研究表明，在同一剖面中，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量達到峰值時，它們所在的土壤剖面深隨灌施時間的延長逐漸向下遷移，在氮素的遷移過程中，銨態(tài)氮的穩(wěn)定性要高于硝態(tài)氮[7]。隋娟等通過研究滴灌條件下水肥耦合對土壤水分和氮素運移的影響，得出硝態(tài)氮和氨態(tài)氮在土壤中的分布和運移明顯受灌溉制度、施肥量以及水分耦合效應的影響[8]。趙斌等通過研究片麻巖新成土中不同肥料、不同施氮量對氮素垂直運移的影響，得出隨著施氮量增加，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋溶濃度增大，氮素淋失量增多[9]。高茹等通過研究土壤氮素累積與硝態(tài)氮遷移的動態(tài)特征，得出土壤硝態(tài)氮含量是影響硝態(tài)氮淋失強度的決定因素[10]。商放澤等通過田間小區(qū)試驗研究不同水氮處理對土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮遷移累積的影響，得出層狀包氣帶土壤的質地和結構對水分、硝態(tài)氮和總氮在土層中的分布均有顯著影響，而土壤結構只對銨態(tài)氮有顯著影響[11]。此外，Coelho等分析了滴灌管理中點源水分運動和溶質的利用問題[12]；Pier等研究了滴灌的水分和氮素耦合問題[13]；葉玉適等研究了節(jié)水灌溉與控釋肥施用對太湖地區(qū)稻田土壤氮素滲漏流失的影響[14]；杜軍等分析了農田系統(tǒng)中水量平衡和氮素平衡及典型區(qū)域內農田系統(tǒng)中氮素隨水分遷移的規(guī)律[15]；張曉龍等研究了不同施肥模式對旱地土壤氮磷鉀徑流流失的影響[16]；閆建梅等研究了紫色土坡耕地“冬小麥—夏玉米”種植模式，在不同施肥制度和耕作模式下，由降雨而引發(fā)的水土流失特征及氮素流失規(guī)律[17]；薛亮等對不同水、氮輸入量對土壤氮素平衡和運移的影響做了研究[18]。上述研究都基本圍繞土壤中氮肥的施用量和施肥方法，以及對作物產量和環(huán)境造成的影響，而對降雨條件下施用不同肥料后，土壤中氮素運移的對比研究較少。本研究基于室內模擬降雨條件下，以徐州高莊農田土壤為試驗材料，研究模擬降雨條件下施用不同肥料后，氮素在土壤中的遷移轉化規(guī)律，以及降雨入滲產生的淋溶現象及對比研究，為提高氮肥利用率，減少由于降雨造成的肥料損失與環(huán)境污染提供理論依據。

1材料與方法

1.1供試材料

土壤主要取自江蘇省徐州市高莊農田土壤，該區(qū)域屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，地貌主要以平原為主，水面較少，屬于蘇北黃泛沖積平原典型的農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。降雨多集中在7—9月份，年平均氣溫14.5 ℃，常年主導風為東北偏東風，年平均風速2.5 m/s，平均年日照2 220.9 h左右，年平均無霜期 287 d 左右，年平均降水量831.7 mm，年平均蒸發(fā)量 1 795 mm，年平均相對濕度69%。土壤采集深度0～30 cm。常施用的氮肥品種為硝酸鈉（NaNO3）和尿素[CO（NH2）2]等。供試土壤含有機質1%～1.5%、全氮0.1%～0.15%、全磷0.035%～0.048%、速效磷10～20 mg/kg。

1.2試驗設計和方法

先去除土壤表面的雜草和石礫，采集0～30 cm深度的均勻土壤。將土壤樣品置于陰涼通風處晾干，之后用粉碎機粉碎過0.5 mm篩，均勻混合后裝入土柱中，放置2周使土壤盡量恢復自然特征，向土柱中加水，使得水逐漸潤濕整個土柱，整個過程周期為15 d，土壤處理完成。

試驗裝置由土柱、降雨器、稱重平臺、自動負壓泵、基質傳感器等主要部分組成，主要技術參數如表1所示。試驗土柱的一側，豎直方向開設5個取樣口，5個剖面深度分別為：15、30、45、65、90 cm。自動負壓泵通過土柱底部陶土板將溶液抽取到采樣瓶中，用于采集土壤水的水樣。土柱放置在稱重平臺上，可測量質量的變化。

第1組：向土柱內施入硝酸鈉（NaNO3）300 mg，模擬降雨14 mm，在此過程中，每隔48 h取樣1次，測量剖面5個取樣口土壤含水率和總氮含量，多次取樣測量，取平均值。

第2組：向土柱內施入尿素[CO（NH2）2]300 mg，模擬降雨14 mm，因施尿素后總氮含量波動較小，所以縮短了取樣時間間隔，每隔24 h取樣1次，測量剖面5個取樣口土壤含水率和總氮含量，多次取樣測量，取平均值。

主要測量的物理量為土壤含水率和總氮含量，土壤含水率主要采用SDI-12總線傳輸，通過HYDRA土壤多參數傳感器獲得。土壤中總氮（TN）的測定采用GB11894—1989堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定吸光度值，再根據總氮的標準曲線計算除待測溶液的總氮含量。

2結果與分析

2.1土壤含水率的變化研究

（1）試驗預處理階段，土壤含水率的變化情況如圖1所示。圖1顯示了預處理階段土壤中含水率隨時間的變化情況。由圖1可以看出，隨著不斷向土壤中補充水分，土壤含水率一直增加，到最后各層土壤含水率從上到下分別為0.505、0.520、0.468、0.467、0.457 cm3/cm3。此時，土壤各層水分達到飽和，之后土壤含水率會趨于穩(wěn)定，基本維持在一定的范圍內。從圖1還可得知，隨著不斷向土柱中加水，在土壤水分達到飽和后的入滲過程中，上層土壤的含水率比下層要高，其中第2層土壤含水率要比第1層稍高，下邊第3、4、5層土壤的含水率差別不大。由此可得出，土壤含水率受土表環(huán)境、土壤孔隙、土壤密實等情況影響。

[TPDGQ1.tif]

（2）處理過的土柱，放置一段時間，待整個土柱系統(tǒng)穩(wěn)定后，開始第1組試驗。首先向土壤中加入硝酸鈉溶液，模擬降雨14 mm，觀察試驗過程中土壤含水率的變化情況。如圖2所示，在降雨條件下，土壤中第1層和第4層的含水率變化幅度不大，第2、3、5層土壤的含水率變化比較明顯。第1層土壤，隨著試驗的進行，土壤中水分一部分下滲到土壤下層，還有一部分受土表蒸發(fā)作用的影響而損失，使得第1層土壤的含水率逐漸下降，到最后低于第2層土壤的含水率。第2層土壤在開始時，上層水分的滲入速率要比水分滲入到下層的速率快，所以含水率逐漸增加，到2 d時含水率達到最大（052 cm3/cm3），隨著試驗的進行，上層入滲的水分逐漸減少，而水分在持續(xù)下滲，含水率開始下降。第3層土壤的含水率情況與第2層的比較相似，也呈現先增長后下降的情況。第4層土壤由上層滲入的水分和滲入到下層的水分基本等量，所以在整個入滲過程中含水率基本保持在一個固定值。第5層土壤隨著試驗的進行，水分逐漸減少，加上上層土壤的壓實作用，土壤下層的孔隙減小，水分的入滲速率降低，含水率一直都比較低，隨著水分下滲，含水率不斷降低，最后達到最低值0.421 cm3/cm3。

[FK（W10][TPDGQ2.tif]

（3）第2組試驗，向土柱表層加入尿素溶液，在室內模擬降雨14 mm，觀察降雨條件下土壤含水率的變化情況。由圖3可見，降雨條件下，土壤含水率的整體趨勢與初始時刻大致相似。第1、2層土壤的含水率變化幅度較明顯，第3、4、5層土壤的含水率變化不大，基本穩(wěn)定在一定范圍內。其中，第1層土壤的含水率受表層影響大，在試驗開始階段，由于降雨的直接補給，使得其含水率達到最高，之后隨著補給水的停止、水分的下滲以及表土的蒸發(fā)作用，含水率開始下降，到最后含水率低于第2層土壤的含水率。在此過程中，第2層的土壤也出現前期增長、后期下降的現象，在2 d時含水率達到最大（0.509 cm3/cm3），從圖3可以看出，[JP2]相比于第1層土壤，第2層土壤的含水率變化的幅度較小。由于上層土壤的緩沖壓實作用，下層土壤比較密實，水分隨著深度的增大入滲難度增大，這樣就使第3、4層土壤水分基本維持在一個動態(tài)平衡下，含水率基本上保持在一定范圍內，變化幅度微小。第5層土壤受上層土壤水分入滲的影響，含水率會出現先增加后減少的情況，在3 d時含水率最低，為0.423 cm3/cm3。

[TPDGQ3.tif]

2.2施不同肥料后總氮的遷移轉化情況

（1）在施入硝酸鈉情況下，土壤中總氮的變化情況如圖4所示。結合土壤含水率變化情況分析可知，土壤水中總氮的遷移轉化受土壤含水率的影響。如圖4所示，在整個試驗過程中，土壤中的總氮含量隨著土壤深度的增加而降低。在試驗初始階段，各個采樣口土壤水中的總氮含量都很低，施入硝酸鈉后，總氮的含量開始迅速增長，到2 d時，第1、2層土壤的總氮含量達到最大值20.1、10.9 mg/L，之后隨時間延長開始降低。第1層土壤受表土環(huán)境的影響較多，但由于水分以及硝酸鈉的直接補給，總氮含量增長最快，2 d之后，因為土壤的含水率較大，能夠促進硝態(tài)氮遷移，第1層土壤的總氮含量會迅速下降。第2層土壤在各個時間段的含水率都最大，但總氮含量的變化幅度較第1層小，分析原因可能是第2層土壤受外界環(huán)境影響小，土壤比第1層要密實，對水分和總氮的遷移起到緩沖作用，所以第2層土壤的總氮含量下降幅度較第1層土壤的要小。第3層土壤受含水率的影響較大，遷移到其中的硝態(tài)氮較少，2 d之后總氮含量只是小幅度增長。第4、5層土壤受土壤壓實作用較大，在接受了上層土壤遷移的硝態(tài)氮后，總氮含量會出現小幅度增長，之后可能由于深層土壤具有反硝化作用，總氮含量會有小幅度的降低。在整個過程中，上層土壤的總氮含量變化波動較大。4 d時的含氮量自上而下分別為14.4、8.4、5.7、3.1、2.5 mg/L。

[TPDGQ4.tif]

（2）尿素態(tài)氮和硝態(tài)氮的遷移轉化方式有所不同，施入土壤中的尿素在有水分情況下首先以分子態(tài)形式隨水分遷移，另一方面，尿素在遷移過程中也進行著分解作用，轉化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[19]。施入尿素的情況下，土壤中總氮的遷移轉化情況如圖5所示。

由圖5可見，施入尿素后，土壤的總氮含量隨著剖面深度的增加，總體呈現遞減趨勢。其中，第1、2、3層土壤的總氮含量變化較大，第2層的總氮含量變化最大，第4、5層的總氮含量變化相對較小。結合土壤的含水率變化情況分析可知，在試驗開始階段，第1層土壤的總氮含量隨著降雨量的增加而增加，原因在于，施入土柱中的尿素隨著降雨滲進土壤內部，使第1層土壤的總氮含量迅速增加，在 1 d 時達到最高（8.8 mg/L），之后尿素分子隨著土壤水分的下移慢慢遷移到土壤下部，之后隨著土壤水分含量逐漸降低，尿素分子的遷移逐漸變慢，總氮含量降低趨勢逐漸變緩。第2層土壤總氮含量在1 d時達到6.8 mg/L，之后便迅速下降，到2 d下降速度逐漸變緩。分析其原因，第2層土壤受上層土壤入滲的水分和尿素相對較多，總氮含量開始會增加，2 d之后，上層土壤的入滲量減少，此時，第2層土壤的含水率較大，能夠促進尿素分子的遷移速率，使得第2層土壤的總氮含量下降幅度較大。第3層土壤由于入滲下來的水分和尿素量逐漸減少，總氮含量會逐漸降低。第4、5層土壤含水率和總氮含量都比較低，加上土壤的壓實作用，土壤間孔隙較小，增加了氮素遷移難度，使得總氮含量剛開始下降，之后緩慢上升，最后逐漸趨于穩(wěn)定，總體變化幅度較小。在整個過程中，總氮[JP3]含量的變化幅度較施硝酸鈉作為氮肥的情況要小，到4 d時土壤各層的總氮含量自上而下為5.7、1.6、1.4、15、0.7 mg/L。

[TPDGQ5.tif]

2.3硝態(tài)氮與尿素態(tài)氮的遷移轉化情況對比

對比施硝酸鈉和尿素，總氮的遷移轉化情況以及4 d的總氮含量，可以發(fā)現，在施硝酸鈉作為氮肥的試驗中，總氮的主要形式是硝態(tài)氮（NO3--N）為主。隨著試驗的進行，上層土壤總氮含量的變化幅度很大，在施入硝酸鈉后，總氮含量迅速上升，之后又快速下降，在各層土壤測得的總氮含量都較高。在施尿素的試驗中，由于尿素在遷移過程中會分解為銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N），因此在施尿素情況下總氮主要形式包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。在試驗過程中，由于土壤膠體顆粒帶負電荷，而銨根離子帶正電荷，土壤膠體顆粒對銨態(tài)氮有較好的吸附作用，所以在上層土壤氮素的遷移過程中，有一部分銨態(tài)氮被土壤顆粒吸附，而遷移的氮素主要是硝態(tài)氮部分，這樣就使下層的遷移氮量較少，總氮的含量變化幅度較平穩(wěn)，波動較小，在各層測得的總氮含量也較施硝酸鈉的情況偏低。這樣造成在同等情況下，施硝酸鈉作為氮肥比施尿素作為氮肥更容易發(fā)生氮的淋溶，造成附近環(huán)境的污染，而施尿素作為氮肥在一定程度上能夠避免此類情況的發(fā)生。

3結論

（1）在試驗初始階段，隨著不斷向土柱中加水，各層土壤的含水率達到飽和后會趨于穩(wěn)定。

（2）向土壤中施入硝酸鈉之后，隨著降雨的發(fā)生，硝態(tài)氮隨水分入滲進入土壤內部，此過程中，土壤中的總氮含量隨時[JP3]間波動比較大，下層的總氮含量較高，硝態(tài)氮被土壤吸附的量較小，很大一部分硝態(tài)氮隨降雨入滲進入土壤底部，形成氮的淋溶。

（3）向土壤中施入尿素后，土柱中總氮含量總體變化趨勢與施硝酸鈉的大體相似，都是自上而下逐漸降低。對比得知施尿素后的總氮含量隨時間變化波動較小，土柱下層的總氮量較低，主要原因在于銨態(tài)氮容易為土壤中的膠體顆粒吸附，一部分銨態(tài)氮得以儲存于土壤中。

（4）對比土壤中施硝酸鈉和尿素后總氮的遷移轉化情況可知，在施尿素的情況下，土壤中可溶性氮素由上向下運移過程中，有一部分的銨態(tài)氮被土壤中的膠體顆粒所吸附，只有土壤中吸附的銨態(tài)氮量達到飽和后，多余的銨態(tài)氮才會和硝態(tài)氮繼續(xù)向下運移，相比而言，土壤中硝態(tài)氮更容易淋失。

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