灌水量與施氮量對不同類型土壤中硝酸鹽運(yùn)移的影響

張學(xué)科，白俊英，嚴(yán)海霞

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；3.寧夏中衛(wèi)市中寧縣枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)局，寧夏 中衛(wèi) 755100)

氮素是植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，合理施用氮肥能夠顯著提高作物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)[1]；過量氮肥投入不僅降低肥料的利用率，也導(dǎo)致地下水體面臨硝酸鹽的污染[2]。研究表明，目前我國北方農(nóng)作物系統(tǒng)氮素利用率一般為30%～40%，設(shè)施栽培體系中氮素利用率僅為10%～20%左右[3,4]，其余氮肥主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)被土壤固定或以氣體、硝酸鹽淋溶等形式損失，其中硝酸鹽淋溶損失約占氮損失總量的20%～30%，這些淋溶損失的硝酸鹽是當(dāng)前地下水體受污染的重要源頭之一[5]。

土壤中關(guān)于硝酸鹽淋溶損失已有大量研究，這些研究認(rèn)為氮素淋溶主要通過水分運(yùn)動(dòng)動(dòng)力才能完成，而且只有飽和水流才能引起淋溶發(fā)生[6-8]。硝態(tài)氮的淋溶與灌水量或降雨量等因素密切相關(guān)，程宜等研究認(rèn)為灌水量和施氮量對土層0～20 cm 內(nèi)硝態(tài)氮含量產(chǎn)生顯著性影響，且灌水作用大于施氮，灌水量與硝態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)，施氮量與硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)[9,10]，過量施氮而造成的土壤硝酸鹽累積是溫室土壤質(zhì)量惡化和蔬菜品質(zhì)下降的主要原因[11]。

土壤中水分與溶質(zhì)的運(yùn)移方面已有大量研究，也已開發(fā)了很多水鹽運(yùn)移的模型對此進(jìn)行預(yù)測，但關(guān)于水、氮運(yùn)移的關(guān)系及模型還較少。本研究以寧夏典型的日光溫室土壤為研究對象，在未種植作物的條件下，研究土壤中硝態(tài)氮在一維水分運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)移特征，為建立水氮運(yùn)移模型提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)所用土壤為灌淤土和灰鈣土，灌淤土來源于寧夏賀蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園區(qū)日光溫室，灰鈣土來源于寧夏銀川平吉堡農(nóng)墾設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園區(qū)日光溫室，土壤性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physics and chemistry properties of soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施

采集兩種土壤類型下溫室內(nèi)0～100 cm土樣，自然風(fēng)干、碾細(xì)混勻并過篩(2 mm)后，稱等量土裝入提前準(zhǔn)備好的PVC管內(nèi)，管內(nèi)徑103.6 mm、高100 cm，下部用紗網(wǎng)扎口，土面距上端管口約5 cm。裝土工作完成后，將全部土柱置于寧夏賀蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)示范園區(qū)日光溫室內(nèi)，下端置于大口三角瓶上并將其固定，每個(gè)土柱澆充足且相同量水使管內(nèi)土壤充分沉降，土壤沉降30 d后開始試驗(yàn)。試驗(yàn)溫室東西延長，一面坡式，東西長60 m、跨度8 m、北墻高1.8 m、脊高2.15 m、溫室用0.065 mm聚乙烯無滴膜覆蓋。

試驗(yàn)設(shè)土壤類型(S)、灌水量(T)和施氮量(N)3個(gè)因子。土壤類型包括灌淤土和灰鈣土；灌水量設(shè)2.25×103t/hm2(T1)和4.50×103t/hm2(T2)2個(gè)水平；施氮量設(shè)450 kg/hm2(N1)和675 kg/hm2(N2)2個(gè)水平，共8個(gè)處理，每處理重復(fù)3次，共24個(gè)土柱。灌水量4.50×103t/hm2和施氮量675 kg/hm2為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的習(xí)慣用量，灌水量2.25×103t/hm2和施氮量450 kg/hm2為目標(biāo)減水減氮用量。

依不同氮處理N1、N2按管徑(103.6 mm)、表層深度(40 cm)及管內(nèi)土壤容重計(jì)算氮肥用量，再折合計(jì)算出尿素(N 46%)用量后，將其溶于水中，用與土柱口徑相同大小的噴頭將尿素溶液緩慢噴灑于土壤表面。按相同方法計(jì)算不同灌水量T1、T2下土柱實(shí)際灌水量，分別于施肥后1、15、30、40、50、60、70、90 d從土柱上端用相同的噴頭將不同水量灌入土柱。試驗(yàn)灌溉用水為溫室地下水，水質(zhì)屬微咸水(礦化度2.8 g/L，硝態(tài)氮、氨態(tài)氮總含量為16 mg/L)。

1.3 樣品采集與測定

試驗(yàn)前測定土柱中所用土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)(見表1)；試驗(yàn)中取灌溉用水測定其電導(dǎo)率及硝、氨態(tài)氮含量；試驗(yàn)結(jié)束后用土鉆將土柱內(nèi)土壤每隔20 cm分層采樣，測定其質(zhì)量含水量和硝態(tài)氮含量。收集淋溶液測定其體積、電導(dǎo)率、硝態(tài)氮和氨態(tài)氮濃度。

各指標(biāo)按以下方法測定：全鹽-電導(dǎo)法；土壤有機(jī)質(zhì)-重鉻酸鉀容量法；全氮-半微量開氏法；硝態(tài)氮、氨態(tài)氮-連續(xù)流動(dòng)分析儀法。

1.4 結(jié)果計(jì)算

質(zhì)量含水量：

W=(鮮土重-干土重)/干土重

(1)

硝態(tài)氮含量：

C=C0VA(1+W0)/W1

(2)

硝態(tài)氮累積量：

M=CVB(1-W0)

(3)

式中：C0為檢測濃度；V為浸提體積；A為分取倍數(shù)；W0為質(zhì)量含水量；W1為鮮土質(zhì)量；M為土壤硝態(tài)氮的累積量；C為土壤硝態(tài)氮含量(干重)；V為土壤體積；B為土壤容重。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007和SAS V8進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水量及施氮量對土壤剖面質(zhì)量含水量的影響

圖1研究了不同灌水量及施氮量對不同土壤剖面質(zhì)量含水量的影響。結(jié)果表明，兩種類型土壤質(zhì)量含水量隨著土層深度的增加均呈增加或有增加趨勢，相同土層灌淤土質(zhì)量含水量均顯著高于灰鈣土。灌淤土在相同施氮量條件下[見圖1(a)]，T1與T2處理間土壤剖面質(zhì)量含水量無顯著差異?；意}土土壤剖面質(zhì)量含水量[圖1(b)]變化趨勢差異顯著，施氮量為N1時(shí)，表層最大，20～100 cm變化不明顯；施氮量為N2時(shí)，隨著土層深度增加質(zhì)量含水量逐漸增大；在相同施氮量條件下，T1與T2處理間土壤剖面質(zhì)量含水量無顯著差異。由此可見，土壤類型和施氮量對土壤剖面質(zhì)量含水量有顯著影響，但不同灌水量并未顯著影響土壤剖面質(zhì)量含水量的變化。

圖1 不同灌水量、施氮量對土壤剖面土壤質(zhì)量含水量的影響Fig.1Effects of different irrigation and nitrogen application on water content in different soil profile

2.2 不同灌水量及施氮量對土壤剖面硝態(tài)氮含量的影響

圖2研究了不同灌水量及施氮量對不同土壤剖面硝態(tài)氮含量的影響。結(jié)果表明，不同土壤類型土壤剖面硝態(tài)氮含量不同，灌淤土硝態(tài)氮含量高于灰鈣土。圖2中4個(gè)處理相比，硝態(tài)氮的峰值均出現(xiàn)在60～80 cm處，T2N1土壤硝態(tài)氮含量各層均最低而T1N2處理最高。在相同施氮量時(shí)，T1、T2處理土壤硝態(tài)氮含量在不同層次具有相同的變化趨勢，但T1處理土壤各層硝態(tài)氮含量均顯著高于T2處理。對灌淤土灌水量為T1時(shí)，N1與N2處理間無顯著差異，灌水量為T2時(shí)，N2處理各層均顯著高于N1；對灰鈣土分別在灌水量T1、T2時(shí)N2處理各層均顯著高于N1。

圖2 不同灌水量、施氮量對土壤剖面硝態(tài)氮含量的影響Fig.2 Effects of different irrigation and nitrogen application on nitrite nitrogen content in different soil profile

2.3 不同灌水量及施氮量對土壤剖面硝態(tài)氮累積的影響

表2研究了不同灌水量及施氮量對耕作層(0～40 cm)和深層(40～100 cm)土壤剖面硝態(tài)氮累積的影響。從耕作層(0～40 cm)殘留的硝態(tài)氮量來看，灌淤土硝態(tài)氮累積量顯著高于灰鈣土，說明在相同水、氮條件下灌淤土能夠吸持較多的硝態(tài)氮。比較兩類土壤中4個(gè)不同水、氮處理下表層累積的硝態(tài)氮，T1N2累積量最多而T2N1最少。當(dāng)灌水量從T1增至T2時(shí)，即灌水量增加1倍時(shí)，灌淤土表層硝態(tài)氮累積增加34.58%，灰鈣土增加32.46%；當(dāng)施氮量從N1增至N2時(shí)，即施氮量增加0.5倍時(shí)，灌淤土和灰鈣土表層硝態(tài)氮累積分別增加51.26%和46.17%。對深層土壤來說，灌淤土累積的硝態(tài)氮仍顯著高于灰鈣土，當(dāng)灌水量從T1增至T2時(shí)，灌淤土深層硝態(tài)氮累積增加13.50%，灰鈣土增加20.77%；當(dāng)施氮量從N1增至N2時(shí)，灌淤土和灰鈣土表層硝態(tài)氮累積分別增加13.33%和44.32%。比較耕作層和深層硝態(tài)氮累積發(fā)現(xiàn)，較大灌水量更易導(dǎo)致灰鈣土深層硝態(tài)氮的累積，灰鈣土中較大的施氮量更易導(dǎo)致硝態(tài)氮在深層土壤中的淋失。

表2 不同灌水量、施氮量對土壤剖面硝態(tài)氮累積量的影響Tab.2 Effects of different irrigation and nitrogen application on nitrite nitrogen accumulation in different soil profile

注：同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著性(p<0.05)。

2.4 不同灌水量及施氮量對淋溶液特性的影響

圖3(a)結(jié)果表明，淋溶液體積T2處理顯著大于T1處理，灌水量相同時(shí)，不同施氮量并未影響淋溶液體積的變化。淋溶液中硝態(tài)氮、氨態(tài)氮濃度結(jié)果表明[見圖3(b)和圖3(c)]，T2N2即灌水量和施氮量較大時(shí)，淋溶液中硝態(tài)氮和氨態(tài)氮濃度顯著高于其他處理，T1N1處理下硝態(tài)氮濃度最?。徊煌寥李愋拖孪鯌B(tài)氮含量有差異但氨態(tài)氮并無差異。不同處理對淋溶液電導(dǎo)率有顯著影響，N2處理下電導(dǎo)率顯著高于N1處理，由此可見，較大量的水、氮用量不僅導(dǎo)致硝酸鹽向下層的淋溶，也導(dǎo)致土壤中鹽分離子的累積。

圖3 不同灌水量、施氮量對淋溶液特性的影響Fig.3 Effects of different irrigation and nitrogen application on characters of leaching liquid in different soil profile

3 結(jié) 論

本研究表明灌水量并未顯著影響土壤剖面水分含量，這是由于從表層到下層土壤含水量均已達(dá)到土壤飽和，過多的灌水量只會(huì)增加土壤重力水。生產(chǎn)中當(dāng)過量灌水后水分會(huì)迅速下滲或發(fā)生徑流，其中下滲量約占60%～80%。在本試驗(yàn)中，過量灌溉導(dǎo)致水分下滲甚至淋出土柱外。從淋溶液監(jiān)測結(jié)果可看出，灌水引起土壤濕潤層深度已超過1 m，對于地下水位較淺的地區(qū)，如寧夏北部地下水位一般在1～3 m左右，因此生產(chǎn)中的過量施肥及過量灌溉極易導(dǎo)致硝酸鹽污染地下水體[12,13]。

土壤中硝態(tài)氮的遷移與累積特性受降雨或灌溉、土質(zhì)類型、肥料用量及種類等多種因素的影響[14,15]。本研究結(jié)果表明相同水、氮用量條件下，灌淤土硝態(tài)氮的累積量高于灰鈣土，這是由于灌淤土黏粒及粉粒所占比例較大，二者對硝態(tài)氮有較強(qiáng)的吸附性[16]。當(dāng)?shù)匾苑柿闲问绞┤胪寥篮?，除被作物吸收外，仍有大量的氮素以硝態(tài)氮的形式殘留于土壤中，殘留于土壤表層(0～40 cm)的硝態(tài)氮后茬可被作物吸收利用，因此這部分仍可算作有效氮，而淋溶于土壤深層(40～100 cm)的硝態(tài)氮已無法再被作物吸收利用，因此這部分視為損失態(tài)氮。本研究分別計(jì)算這兩層土壤中累積的硝態(tài)氮，從研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較大的氮素投入更易引起氮素在表層土壤中的累積，較大灌水量更易引起硝態(tài)氮的淋溶損失。本研究也表明了水分對硝態(tài)氮含量及累積的顯著影響，灌水量增加1倍，表層土壤(0～40 cm)硝態(tài)氮累積平均減少33.6%(灌淤土34.6%、灰鈣土32.5%)，與其他研究相比，本研究硝態(tài)氮淋溶損失深度、累積量均較大，這是由于本研究是在飽和水分下一維遷移，水分和硝態(tài)氮主要發(fā)生徑向下移，且試驗(yàn)中并未種植作物，因而無根系對離子的吸持力。土壤中硝態(tài)氮的濃度是影響硝態(tài)氮損失、利用最主要因素，本研究表明當(dāng)?shù)视昧吭黾?0%時(shí)，表層土壤硝態(tài)氮累積量增加48.8%(灌淤土51.3%、灰鈣土46.2%)，可見氮肥用量顯著影響氮肥的利用率。由此可知，硝態(tài)氮在土壤中遷移與土壤類型、灌水量及肥料用量均有關(guān)，3個(gè)因素相比之下，氮素的多少對土壤剖面硝態(tài)氮含量及累積影響最大。