不同水氮措施對農(nóng)田氮素流失和動態(tài)變化規(guī)律

羅健航，王海廷，趙 營，劉曉彤，張學(xué)軍

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002；2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021)

0 引 言

【研究意義】氮肥在增加糧食產(chǎn)量的過程中發(fā)揮著重要的作用，我國糧食主產(chǎn)區(qū)，存在過量施氮肥灌水現(xiàn)象[1]。農(nóng)業(yè)源氮排放占工農(nóng)、生活源總氮排放量的57.2%[2]。氮肥過量施用及不合理的灌溉造成農(nóng)田氮素利用率低、氮嚴(yán)重?fù)p失等一系列問題[3-6]。寧夏種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，“1+4”農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，寧夏農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)向著規(guī)?；?、集約化的方向發(fā)展，玉米已成為第一大糧食作物，其對糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率都在50%以上[7]。2017年寧夏化肥施用量都在107×104t以上，平均耕地施用0.83 t/hm2的化肥[8]，不合理施用化肥導(dǎo)致大量氮流失，農(nóng)業(yè)面源污染加重。研究顯示，寧夏引黃灌區(qū)每年氮素流失量約30×104t，占到引黃灌區(qū)氮肥施用量的20%～65%[9]。目前，寧夏引黃灌區(qū)玉米施肥存在的主要問題是施肥量較高、施肥比例失調(diào)、施肥方法不當(dāng)、施肥品種單一以且化學(xué)肥料為主。研究灌水、施氮量及氮類型對農(nóng)田氮淋失的影響顯得尤為重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】全球農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中人工投入的氮素超過30%以淋洗形式損失[10]?；诹?xí)慣的施肥量開展氮肥減量優(yōu)化的田間試驗，提出玉米的平均適宜施氮量約為170～190 kg/hm2[11]。在保持糧食產(chǎn)量的情況下，通過優(yōu)化灌溉量和灌溉時期，可以使華北平原高產(chǎn)糧區(qū)氮素淋失量可下降60%[5]。緩控釋肥和有機肥在減輕氮素淋失風(fēng)險方面有顯著效果[12-14]。施用有機肥和硝化抑制劑DMPP均可降低硝態(tài)氮淋洗36.76%[15]。【本研究切入點】目前針對合理施氮及優(yōu)化水分管理方案在降低農(nóng)田氮素淋失方面進(jìn)行相關(guān)的報道，但在寧夏引黃灌區(qū)特殊的灌溉條件下(為了保證第2年土壤墑情，每年11月中旬灌一次水)，不同水氮措施對農(nóng)田氮素淋失和動態(tài)變化規(guī)律的研究鮮見報道。研究不同水氮措施對農(nóng)田氮素流失和動態(tài)變化規(guī)律。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究不同水氮措施下土壤氮素淋溶情況，分析不同水氮措施下氮素淋失量，以及農(nóng)田氮素淋失動態(tài)變化規(guī)律，為寧夏引黃灌區(qū)玉米合理施肥、降低農(nóng)田氮素淋失提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

2016～2018年在寧夏銀川市永寧縣寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所試驗基地進(jìn)行，該地地理位置為N 106.12°15.60′，E 38.13°01.41′，以春玉米種植為主。供試玉米品種為先玉335。行距60 cm，株距25 cm,栽培密度為5 500株/667m2左右。試驗前0～20 cm土壤pH 8.04，有機質(zhì)16.55 g/kg，全氮0.91 g/kg，硝態(tài)氮21.18 mg/kg，銨態(tài)氮2.26 mg/kg，有效磷 18.79 mg/kg，速效鉀171.53 mg/kg。供試土壤類型為灌淤土，土壤肥力為中等偏上水平[16]。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)5個水肥處理，分別為常規(guī)處理(CON)、減施氮肥(RN)、減氮節(jié)水(SRN)、節(jié)水增施有機肥(SMN)和控釋肥配施(CRF)，其中RN、SRN、SMN和CRF為優(yōu)化施氮處理。每個處理重復(fù)3次，每個小區(qū)面積48 m2。有機肥、磷鉀肥和控釋肥全部基施(撒施后翻耕)，氮肥基施50%，追肥分2次，第1次追30%(玉米拔節(jié)期)，第2次追20%(玉米大喇叭口期)。有機肥為商品雞糞(順寶現(xiàn)代農(nóng)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，含水率30%,氮磷鉀養(yǎng)分含量分別為1.5%、1.2%、2.03%)，氮肥選用普通尿素(含N 46%)，磷肥為重過磷酸鈣(含P2O546.0%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 50%)，控釋肥為包膜尿素(含氮42%，不含磷鉀)。2016和2018年灌3次水(玉米生育期灌2次，冬灌1次)，常規(guī)灌溉處理(CON、RN和CRF)灌水量每次為1 300 m3/hm2，節(jié)水灌溉灌處理(SRN、SMN)水量每次為910 m3/hm2，冬灌灌水量1 800 m3/hm2，2017年灌4次水(玉米生育期灌3次，冬灌1次)，第1次常規(guī)灌溉處理(CON、RN和CRF)灌水量每次為1 050 m3/hm2，節(jié)水灌溉灌處理(SRN、SMN)水量每次為735 m3/hm2，第2和第3次以及冬灌的灌溉量與2016和2018年一致，每次的灌溉量用水表來計量。表1

表1 不同水氮管理施肥量統(tǒng)計Table 1 Statistical Table of fertilizer application amount under different water and nitrogen management (kg/hm2)

1.2.2 測定指標(biāo)

試驗前采用S點法采集0～20 cm土層基礎(chǔ)混合土樣，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。測定土壤中有機質(zhì)(重鉻酸鉀-外加熱法)、全氮(凱氏定氮法)、pH(酸度計法，水土比5∶1)、有效磷(NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法)、速效鉀(火焰原子吸收分光光度法)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮(1 mol/L KCl浸提—流動注射儀法測定)的含量。

農(nóng)田氮素流失采用滲濾池法監(jiān)測[17]。淋溶水樣于每次灌溉3～5 d后采集，計量淋溶水體積，同時采集淋溶水樣500 mL，測定其全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量，不能及時測定時保存于-20℃條件下，后期測定。

總氮、可溶性總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；硝態(tài)氮與銨態(tài)氮上流動注射分析儀測定(Alliance Futura Ⅱ)。

1.2.3 計算公式氮素淋失量

式中，F(xiàn)為氮素淋失量(kg/hm2)；n為監(jiān)測周期內(nèi)的農(nóng)田產(chǎn)流(地下淋溶)次數(shù)；Vi為第i次產(chǎn)流的水量(L)；Ci為第i次產(chǎn)流的氮濃度(mg/L)；S為監(jiān)測單元的面積(m2)，f是轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

圖表數(shù)據(jù)采用Excel 2007及SPSS21.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，多重比較采用LSD法檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉量對淋溶水量的影響

研究表明，在玉米生育期間節(jié)水控灌所產(chǎn)生的淋溶水量均低于常規(guī)灌溉，節(jié)水控灌淋溶水量較常規(guī)灌溉淋溶水量減少了14.6%～18.4%，各處理之間差異不顯著，灌溉量是影響淋溶量的因素之一；每年冬灌各處理灌水量都為1 800 m3/hm2(灌水量用水表計量)，5個處理淋溶量相差不大。3年間玉米整個灌溉期，土壤的淋溶水量變化趨勢基本相同，隨灌水次數(shù)的增加而逐漸遞增；冬灌淋溶水量最高，占淋溶水總量的28.5%～41.3%，主要是因為冬灌灌水量大；2016和2018年玉米生育期間各處理第1次和第2次的灌水量相同，但是第1次所產(chǎn)生的淋溶水量最低，占淋溶水總量的19.0%～32.8%，主要是因為苗期沒有灌溉，土壤含水量低，灌溉水下滲至90 cm以下產(chǎn)生的淋溶水量較少，而第2次灌溉的時間與第1次相差1個月左右，這時土壤含水量較第1次灌溉時高，所以下滲產(chǎn)生的淋溶較第1次多，土壤含水量也會影響淋溶量。2017年由于過于干旱，玉米苗期嚴(yán)重缺水，影響玉米正常生長，所以在玉米苗期(5月16日)增加了1次灌溉(各處理灌溉量是第2、3次各處理灌溉量的80.8%)，淋溶量也呈遞增趨勢，土壤含水量是影響淋溶量的因素之一，而灌溉量是影響淋溶量的主要因素。圖1

2.2 不同施氮量對淋溶水氮素濃度的影響

2.2.1 不同施氮量對淋溶水總氮濃度的影響

研究表明，土壤淋溶水總氮濃度年內(nèi)變化呈降低趨勢。2016和2018年第1次追肥之后土壤淋溶水濃度最高；2017年第1次基施肥后土壤淋溶水總氮濃度最高；2017年第1追肥后各處理淋溶水的濃度較2016和2018年低；第2次追肥較第1次追肥土壤淋溶水總氮濃度低；冬灌土壤淋溶水總氮濃度最低，施氮量是影響淋溶水總氮濃度的主要因素。與其他處理相比，習(xí)慣施肥處理(CON)淋溶水總氮濃度最高，最高可達(dá)149.1 mg/L；各個時期控釋肥配施處理(CRF)和節(jié)水增施有機肥處理(SMN)淋溶水總氮濃度較減施氮肥處理(RN)和減氮節(jié)水處理(SRN)低，控釋肥與有機肥能夠降低土壤淋溶水氮素濃度，有效控制土壤氮素流失。2016年冬灌4個優(yōu)化水肥處理(RN、SRN、SMN、CRF)土壤淋溶水濃度差距較大，2017和2018年差距逐漸變小，減施氮肥可以降低肥料氮素的流失。圖2

圖1 不同水氮措施下淋溶水量動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic change of leaching water under different water and nitrogen measures

圖2 土壤淋溶水總氮濃度動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic change of total nitrogen concentration in soil leaching water

2.2.2 不同施氮量對淋溶水不同形態(tài)氮素濃度的影響

研究表明，3年間土壤淋溶水不同形態(tài)氮素濃度呈降低趨勢。第1次灌溉土壤淋溶水可溶性總氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮濃度最高；冬灌沒有追施氮肥，冬灌土壤淋溶水可溶性總氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮濃度最低。與其他處理相比，各個時期CON處理淋溶水可溶性總氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮濃度最高；CRF和SMN處理淋溶水可溶性總氮、硝態(tài)氮及銨態(tài)氮濃度較RN和SRN處理低，增施有機肥及施用控釋肥可以降低土壤淋溶水中氮素濃度。各處理淋溶水可溶性總氮濃度最高，其濃度范圍在3.1～104.8 mg/L；各處理淋溶水銨態(tài)氮濃度均低于硝態(tài)氮濃度，其濃度范圍在0.08～1.45 mg/L。圖3

圖3 淋溶水不同形態(tài)氮素濃度Fig. 3 Nitrogen concentration in different forms of leaching water

2.3 不同水氮措施對總氮淋失量的影響

研究表明，2016～2018年各處理總氮淋失量大小順序為CON>RN>SRN>SMN>CRF。CON處理總氮淋失量最高，最高淋失量為57.6 kg/hm2，主要是施氮量較高導(dǎo)致的，CON總氮淋失量與其他各處理相比存在顯著差異；RN處理和SRN處理施氮量相同(SRN處理的灌溉量減少30%)，但是SRN處理的總氮淋失量低于RN處理，總氮淋失量降低比例為6.2%～19.1%。優(yōu)化水分管理方案，降低水分滲漏，能夠有效降低氮素淋失[18]，但二者之間總氮流失量差異不顯著。在SRN處理和SMN處理灌溉量相同，SMN處理增施有機肥但是總氮投入量較SRN處理減少6%，總氮淋失量降低比例18.9%～39.8%，二者之間總氮流失量差異顯著，有機肥可以減少氮素淋失[15]。CRF處理總氮淋失量顯著低于SMN、SRN處理，總氮淋失量較CON減少21.4～43.0 kg/hm2，淋失量降低比例為68.4%～74.7%，因此，CRF處理可有效減少總氮淋失量，降低土壤氮素淋溶損失[14]。表2

表2 不同水氮管理總氮淋失量Table 2 Total nitrogen loss in different water and nitrogen management (kg/hm2)

3 討 論

灌溉、降雨和不同的耕作方式是影響土壤淋溶水量的主要因素[18]。試驗中，土壤淋溶水量基本呈遞增趨勢，主要是因為第1次灌溉土壤含水量較低，灌溉水進(jìn)入土體所產(chǎn)生的淋溶水量較少，第2次灌溉與第1次灌溉間隔時間較短，土壤水分含量較高，灌溉水進(jìn)入土體所產(chǎn)生的淋溶水量較多，最后1次灌水土壤淋溶水量明顯增多，也與灌水量增加有一定關(guān)系；研究表明，節(jié)水控灌淋溶水量減少量占常規(guī)灌溉淋溶水量的14.6%～18.4%，這與灌水量減少27.8%有關(guān)。淋溶水總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮濃度基本呈現(xiàn)降低趨勢，均在第1基施肥或追施氮肥后出現(xiàn)峰值，這主要與第1次灌溉前期較大的施氮量有關(guān)。土壤或肥料中的氮素大部分以可溶性的硝態(tài)氮形式淋溶到土壤下層[19]，試驗結(jié)果與之相同，土壤淋溶水硝態(tài)氮濃度明顯高于銨態(tài)氮濃度，這是由于硝態(tài)氮不易被土壤顆粒或膠體吸附，容易隨灌溉水淋失[20]。減施氮肥、節(jié)水控灌、增施有機肥、控釋肥配施都是降低土壤氮素流失的有效方法[18,12,13,14]，研究表明，不同水氮管理模式下總氮淋失量總體表現(xiàn)為CON>RN>SRN>SMN>CRF，CRF處理降低氮素淋失的效果最佳，與CON處理相比總氮淋失量降低比例為68.4%～74.7%，與上述研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

淋溶量呈遞增趨勢，土壤含水量是影響淋溶量的因素之一，而灌溉量是影響淋溶量的主要因素。節(jié)水控灌處理(SRN、SMN)所產(chǎn)生的淋溶水量均低于常規(guī)灌溉處理(CON、RN、CRF)，節(jié)水控灌處理淋溶水量比常規(guī)灌溉處理淋溶水量減少14.6%～18.4%。

土壤淋溶水氮素濃度在基施肥或第1次追施氮肥后出現(xiàn)峰值，隨灌水次數(shù)的增加呈降低趨勢，基施肥和第1次追施氮肥是防止氮素流失的關(guān)鍵時期。2016～2018年各處理總氮淋失量大小順序為CON>RN>SRN>SMN>CRF；CRF處理降低氮素淋失的效果最佳，CRF處理總氮淋失量顯著低于SMN、SRN處理，總氮淋失量較CON處理減少21.4～43.0 kg/hm2，淋失量降低比例為68.4%～74.7%。