模擬降水量對土壤水氮運(yùn)移及氨揮發(fā)特性的影響

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

氮肥是提高作物產(chǎn)量不可缺少的物質(zhì)元素，但是氮肥的不合理利用致使大部分氮肥淋失和氨揮發(fā)損失，給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重污染[1-2]。灌施肥后的一定時間內(nèi)，若遇強(qiáng)降雨則會造成氮素的深層淋失，不僅使氮肥利用率降低，且污染地下水。而氮肥在濕度及溫度作用下易水解產(chǎn)生氨揮發(fā)[3]。研究表明，我國農(nóng)田土壤的氨揮發(fā)量占農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氨揮發(fā)量的10%[4]。農(nóng)業(yè)源氨排放是大氣氨的主要來源[5]。有研究表明尿素深施可以顯著降低氨揮發(fā)[6]。硝態(tài)氮的運(yùn)移規(guī)律是“鹽隨水來，鹽隨水走”[7]。降水量影響土壤含水率，進(jìn)而影響氮素分布。馮紹元等[8]研究了相同土壤質(zhì)地下降雨和施肥對土壤中硝態(tài)氮分布的影響，結(jié)果表明，土壤中硝態(tài)氮濃度隨雨強(qiáng)的增加而增大,當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到40～70mm/h時，硝態(tài)氮則被淋溶到土壤剖面110cm以下。張艷萍[9]的研究表明隨機(jī)降雨條件下，相同生長條件下的冬小麥，不在需水高峰期內(nèi)的一次灌溉量或降水量大于40mm，則易引起水氮滲漏淋失；作物產(chǎn)量與降雨量線性相關(guān)。彭石磊等[10]的研究結(jié)果表明降雨后土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量減少最為顯著。付偉章等[11]研究了人工降雨條件下施肥對氮素流失的影響，結(jié)果表明雨強(qiáng)和施肥量影響一致,氮素流失量順序?yàn)椋禾妓釟滗@>氮尿素>控釋尿素。目前對于降水(模擬一次降水)徑流氮流失的研究較多且成果顯著[12-15]。目前，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉雖基本普及，但仍有部分地區(qū)以大水漫灌為主，為此模擬灌施肥后不同降水量對土壤水氮分布及氮素氨揮發(fā)的影響具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需原土取自山西省太谷縣北洗村，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，后經(jīng)混合、晾曬、風(fēng)干、碾碎等處理措施使土樣充分混合均勻作為本次試驗(yàn)用土，通過稱重夯實(shí)法實(shí)現(xiàn)土壤容重為1.4g/cm3。試驗(yàn)肥料采用尿素。土樣顆粒級配及基本理化性質(zhì)見表1、表2。

表1 試驗(yàn)土樣顆粒級配

表2 試驗(yàn)土樣基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

選用內(nèi)徑14cm、柱高100cm的有機(jī)玻璃土筒的土柱作為試驗(yàn)裝置。土筒底蓋密布內(nèi)徑為1mm的圓孔以便于通風(fēng)。裝土前底部放置紗網(wǎng)以防止土的流失。用夯實(shí)法以5cm厚度分層裝土，土深90cm。試驗(yàn)以馬氏筒作為恒定供水裝置，入滲水頭為5cm。

模擬降水前土柱的初始灌水量均為1.8L，施入尿素1.26g。把灌施后無降水的土柱作為參照。灌施肥液后采用簡易雙層海綿法收集氨揮發(fā)量[16]。距土面5cm處放置海綿，上層海綿與管頂部齊平。上下層海綿均需用15mL磷酸甘油泡制，厚度均為2cm。上層海綿的作用是防止外部氨氣和雜質(zhì)進(jìn)入，下層海綿則用來吸收土柱揮發(fā)出的氨氣。三種處理分別以灌后遇到暴雨、大雨、中雨確定，模擬降水量分別為0.9L(58mm)、0.6L(39mm)、0.3L(19mm)。每個處理均做3次重復(fù)試驗(yàn)。

灌后1天模擬降水，降水后第1天、第5天、第9天利用土鉆取樣。取樣點(diǎn)為：先取表層0～5cm，以下則以10cm為步長取樣至濕潤峰處。參照土柱灌后第2天、第6天、第10天取樣。

1.3 指標(biāo)測定

用烘干法測土壤重量含水率，用流動分析儀測銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及氨揮發(fā)值。

2 模擬降水量對土壤水氮時空分布及淋溶的影響

2.1 模擬降水量對土壤水分分布的影響

圖1表示模擬降水后1天、5天、9天水分在土壤中的垂向分布圖。由圖1可以看出，模擬降水后土壤含水率均大于參照土柱的土壤含水率。同一土層處，降水量越大土壤含水率越高。降水量對土壤剖面中含水率分布的影響較小，不同降水量下土壤含水率的分布規(guī)律一致。由于灌后第2天就降水，表層土壤還沒有完全釋水，接著又有水分入滲，所以降水后1天表層土壤含水率基本接近飽和狀態(tài)。模擬降水后水分再分布的9天內(nèi)，土柱上層土壤含水率隨時間的增加而減小，下層土壤含水率隨時間的增加而增大，因?yàn)樗衷俜植歼^程中，水分在重力作用下繼續(xù)向土壤下層運(yùn)移，所以土壤剖面中的水分含量呈現(xiàn)沿程減小的分布規(guī)律。

圖1 土壤含水率分布

2.2 模擬降水量對土壤氮素分布的影響

2.2.1 模擬降水量對土壤銨態(tài)氮空間分布的影響

圖2為不同模擬降水量下土壤銨態(tài)氮垂向分布曲線。由圖2可以看出，灌施肥液后參照土柱5cm深度處土壤銨態(tài)氮含量較高，為193.246mg/kg，隨著土層深度的增加逐漸降低至14.374mg/kg。不同模擬降水量下土壤銨態(tài)氮含量分布趨勢是先增大后減小。不同降水條件下同一層深處，0～35cm土層深度范圍內(nèi)，降

圖2 降水前后土壤銨態(tài)氮含量分布曲線

水量越大銨態(tài)氮濃度越低；35cm以下反之。降水量越大銨態(tài)氮分布范圍越大，濃度峰運(yùn)移距離越大，基本累積在15～25cm土層范圍內(nèi)。土壤中帶有負(fù)電荷的土壤膠體易吸附帶有正電荷的銨態(tài)氮，阻礙銨態(tài)氮向下遷移。銨態(tài)氮只有在土壤水分接近飽和或者沒有多余膠粒吸附后，才能在下滲流的驅(qū)動下被水分帶到土壤下層。模擬降水后土柱上層土壤含水量基本飽和，水分在重力勢作用下向下運(yùn)移的同時把一部分銨態(tài)氮沖刷到下層，15～35cm土層范圍內(nèi)的含水率降低，土壤對銨態(tài)氮的吸附作用變強(qiáng)，使銨態(tài)氮在此范圍內(nèi)積聚。降水量越大，土壤含水量就越大，水分對銨態(tài)氮的沖刷作用越強(qiáng)，土壤吸附的銨態(tài)氮含量越小，銨態(tài)氮運(yùn)移距離就會越大，下層土壤銨態(tài)氮含量就會相應(yīng)增大，銨態(tài)氮在土壤剖面中的分布就會更加均勻。一定量的降水能夠降低表層土壤的銨態(tài)氮含量，這對降低氨揮發(fā)有一定作用。但降水量過大就易造成銨態(tài)氮的淋失。

2.2.2 不同模擬降水量下土壤銨態(tài)氮隨時間的轉(zhuǎn)化關(guān)系

圖3為不同模擬降水量下土壤銨態(tài)氮隨時間的變化曲線。土壤銨態(tài)氮峰值隨時間增加而減小。同一層深處，0～35cm范圍內(nèi)，土壤銨態(tài)氮含量隨著時間的增加逐漸降低，銨態(tài)氮濃度峰下移；35cm以下銨態(tài)氮含量增大。這是由于銨態(tài)氮隨著水分的再分布而不斷向下層運(yùn)移，導(dǎo)致上層銨態(tài)氮含量減小，下層的含量增大。還有可能是由于一部分銨態(tài)氮在土壤脲酶作用下發(fā)生硝化作用轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮的緣故，其中氨揮發(fā)也是銨態(tài)氮損失的重要途徑之一，這些都會導(dǎo)致銨態(tài)氮含量降低。

圖3 土壤銨態(tài)氮隨時間的變化曲線

2.3 模擬降水量對土壤硝態(tài)氮空間分布及淋溶的影響

圖4為不同模擬降水量條件下降水后1天、5天、9天硝態(tài)氮在土壤剖面中的垂向分布曲線。濕潤體內(nèi)的土壤硝態(tài)氮濃度均小于土壤本底值65.503mg/kg。濕潤鋒處硝態(tài)氮含量遵循“鹽隨水走”的規(guī)律，硝態(tài)氮的濃度鋒與土壤水分濕潤鋒一致，水分入滲過程中把原有的硝態(tài)氮淋洗到土壤濕潤鋒附近；還可能是由于土壤含水量較高，導(dǎo)致土壤通氣性變差，氮素經(jīng)過反硝化作用而損失掉。降水后5天、9天，模擬降水0.3L的土柱濕潤峰處的硝態(tài)氮含量大于其他兩個處理。因?yàn)橄鯌B(tài)氮含量與氮素的硝化、反硝化作用有關(guān)。降水量越低的土柱，水分經(jīng)過一定時間的再分布，土壤含水率分布漸趨平緩，土壤通氣性越好，越有利于氮素的硝化。硝態(tài)氮和土壤膠粒都帶有負(fù)電荷，硝態(tài)氮不易被土壤吸附，因此降水水分入滲是對土壤硝態(tài)氮的沖刷淋洗過程，降水量越大硝態(tài)氮濃度峰推移距離越大，越易造成土壤中硝態(tài)氮的淋溶損失。

3 不同模擬降水量下土壤氨揮發(fā)特性分析

圖5、圖6為不同降水量下的土壤氨揮發(fā)速率和氨揮發(fā)累積量。以降水后連續(xù)采樣8天的氨揮發(fā)進(jìn)行比較分析可以看出，模擬降水量0.3L、0.6L以及參照土柱

圖4 不同降水量下土壤中硝態(tài)氮含量分布曲線

的氨揮發(fā)速率趨勢呈波形變化曲線；模擬降水量0.9L的土柱氨揮發(fā)速率曲線平緩，差異較小。均是降水后第一天的氨揮發(fā)速率最大。參照(灌施后無降水)土柱的氨揮發(fā)速率最大，8天內(nèi)的氨揮發(fā)累積量為6.386mg。氨揮發(fā)量與表層土壤銨態(tài)氮含量呈正相關(guān)。三種降水條件下的氨揮發(fā)累積量相比較，模擬降水0.6L>降水0.3L>降水0.9L。模擬降水0.3L、0.6L、0.9L與無降水的參照土柱相比分別降低了51.71%、45.83%、58.24%的氨揮發(fā)損失。模擬降水量0.9L的土柱土壤氨揮發(fā)累積量最小，因?yàn)榻邓枯^大，造成了氮素的深層淋失。灌后一天降水能使土壤表層氮素隨

圖5 氨揮發(fā)速率

圖6 土壤氨揮發(fā)累積量

水遷移到土壤下層，有效降低土壤氨揮發(fā)，能夠提高氮肥利用率，但灌后降水量過大易造成氮素的深層滲漏。

4 結(jié) 論

a.地面灌溉后模擬降水條件下，降水后土壤含水率均大于參照土柱的土壤含水率；同一土層處模擬降水量越大，土壤含水率越高；不同降水量下土壤含水率的分布規(guī)律一致；土壤含水率、濕潤深度隨灌后模擬降水量的增加而增大。

b.地面灌溉后模擬降水條件下，降水后再分布9天內(nèi)，降水后土壤銨態(tài)氮的垂向分布規(guī)律是先增大再減小的單峰曲線，在垂向15～35cm范圍內(nèi)出現(xiàn)銨態(tài)氮峰值。不同降水條件下同一層深處，0～35cm土層深度范圍內(nèi)，降水量越大銨態(tài)氮濃度越低；35cm以下反之。降水量越大銨態(tài)氮分布范圍越大。濕潤體內(nèi)的土壤硝態(tài)氮濃度均小于土壤初始值，硝態(tài)氮積聚在濕潤鋒處。降水量越大，濕潤鋒處硝態(tài)氮的濃度越大，硝態(tài)氮淋溶損失的風(fēng)險越大。

c.不同模擬降水量下均是第一天的氨揮發(fā)速率最大。與參照土柱相比，模擬降水0.3L、0.6L、0.9L的土柱分別降低了51.71%、45.83%、58.24%的氨揮發(fā)損失量。灌后一天適宜的降水量能有效降低氨揮發(fā)和氮的淋溶損失。

d.室內(nèi)模擬降水量對砂質(zhì)壤土水氮的影響，可為山西晉中南及我國其他砂質(zhì)壤土分布地區(qū)的灌溉施肥提供一定的理論參考資料。