華北潮土冬小麥-夏玉米輪作包氣帶氮素淋溶機(jī)制*

牛新勝，張 翀，巨曉棠

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站 曲周 057250； 2.海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院 ?？?570228； 3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院北京 100193)

合理的水氮管理可以實(shí)現(xiàn)作物目標(biāo)產(chǎn)量和品質(zhì)、維持土壤肥力和降低環(huán)境污染[1]。然而，自20世紀(jì)90年代以來，我國農(nóng)田過量施用氮肥和大水漫灌等問題突出，水肥投入量往往超過作物需求，施用技術(shù)相對(duì)粗放，由此引起的農(nóng)業(yè)面源污染日益加重，在北方集約化農(nóng)區(qū)主要表現(xiàn)為氮素淋溶及地下水硝酸鹽污染[2-5]。2016年水利部《地下水動(dòng)態(tài)月報(bào)》報(bào)道，北京、河北、陜西、東北等18 個(gè)行政區(qū)2103眼水井監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，80%以上的監(jiān)測(cè)位點(diǎn)地下水污染嚴(yán)重，其中“三氮”(氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮)污染最為嚴(yán)重。目前，我國地下水硝酸鹽污染已經(jīng)成為普遍問題，大多數(shù)淺層地下水硝態(tài)氮含量接近或超過世界衛(wèi)生組織(WHO)或美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)的限量標(biāo)準(zhǔn)(10 mg·L?1)[6]。我國潮土、褐土和黑土是氮素淋溶易發(fā)區(qū)，典型厚包氣帶農(nóng)區(qū)超過50%的淺層地下水中硝酸鹽濃度超過上述標(biāo)準(zhǔn)，深層地下水污染程度也在逐年加劇[7]。

淋溶是農(nóng)田氮素?fù)p失的重要途徑，主要受氣候、土壤和管理因素的影響。在濕潤(rùn)的灌溉作物體系中，大量的水和硝態(tài)氮容易移出作物根區(qū)向土壤深層滲漏。華北夏玉米(Zea mays)季降水集中，極易發(fā)生硝態(tài)氮淋溶事件[8-9]。土壤性質(zhì)是影響硝態(tài)氮淋溶的重要因素，如土壤剖面中的黏土層很容易形成飽和層，有利于減緩硝態(tài)氮向深層土壤和地下水的遷移，也有利于硝態(tài)氮通過反硝化去除，從而減少向地下水的遷移量[10]。土地利用方式和包氣帶厚度也顯著影響土壤硝態(tài)氮及地下水硝酸鹽含量[11-12]。農(nóng)田管理措施是影響硝態(tài)氮淋溶的重要因素，高硝態(tài)氮淋溶多發(fā)生在施氮量較高且根系較淺的作物體系中[13-14]。

土壤深層包氣帶反硝化作用可以減少硝態(tài)氮向地下水淋溶。但反硝化脫氮量受土壤理化性質(zhì)和微生物活性等(如有機(jī)碳供應(yīng))的限制[15]。厚包氣帶普遍存在氧氣，也限制了反硝化的發(fā)生[12]。因此，確定硝態(tài)氮淋溶速率與深層包氣帶的反硝化脫氮量，對(duì)評(píng)估農(nóng)作區(qū)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。在深層包氣帶，硝態(tài)氮儲(chǔ)量較大，硝態(tài)氮從移出根區(qū)到進(jìn)入地下水的時(shí)間較長(zhǎng)，以上過程在全球氮循環(huán)中還未做準(zhǔn)確定量[16-17]。由農(nóng)田耕層向包氣帶到地下水的全過程氮素淋溶通量(飽和流、非飽和流、優(yōu)先流)及機(jī)制，是國際農(nóng)田氮素淋溶和污染控制研究的重點(diǎn)[18]。厚包氣帶農(nóng)田在我國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)分布廣泛，長(zhǎng)期大水大肥造成土壤硝態(tài)氮在厚包氣帶的大量累積[2，12，19]。國內(nèi)研究主要集中在農(nóng)田氮素淋溶及其影響因素，研究方法主要采用滲濾計(jì)(Lysimeter)對(duì)根層氮素淋溶進(jìn)行觀測(cè)和定量，也分析了氣候、土壤類型、種植制度、水肥管理、耕作方式、秸稈還田等對(duì)農(nóng)田土壤氮素遷移及淋溶過程的影響[8，20-21]，但對(duì)氮素在地表-根層-深層包氣帶-地下水的垂直遷移過程及消減機(jī)制，還沒有形成清晰的認(rèn)識(shí)。

華北平原是我國高產(chǎn)農(nóng)作區(qū)[22]，為了滿足高產(chǎn)需求，地下水被過度開采用于灌溉，同時(shí)過量施氮現(xiàn)象比較普遍[2，23]。淺層地下水的過度開采導(dǎo)致地下水位以0.5～1.0 m·a?1的速度下降[24]，同時(shí)地下水硝態(tài)氮濃度呈增加趨勢(shì)[5，25]。過去的研究主要集中于0～4 m的上層包氣帶土壤硝態(tài)氮累積、轉(zhuǎn)化及淋溶[12，26]，很少關(guān)注深層包氣帶硝態(tài)氮運(yùn)移及去除過程[15，27]。在深層包氣帶，土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)可能存在較大異質(zhì)性，影響硝態(tài)氮的淋溶、反硝化和地下水補(bǔ)給。例如，在排水良好的土壤，土壤硝態(tài)氮可能很快地移至地下水，而被作物再吸收、轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)氮和反硝化的幾率很小。而在排水不良，蒸散量高且地下水補(bǔ)給量有限的土壤，硝態(tài)氮向下運(yùn)移較慢； 并且在含有較高有機(jī)碳或完全飽和條件下發(fā)生反硝化脫氮[28-29]。

已有研究表明，硝態(tài)氮在包氣帶遷移的平均速率為38～41 cm·a?1，且與施氮量關(guān)系不密切[24]。硝態(tài)氮向下遷移的速率顯著低于地下水位下降的速度(100 cm·a?1左右)，這意味著不會(huì)有大量的硝態(tài)氮通過基質(zhì)流進(jìn)入地下水。硝酸鹽同位素結(jié)果表明，有機(jī)肥和化糞池廢棄物是當(dāng)前地下水硝態(tài)氮的主要來源[24]。另外，華北地下水硝酸鹽濃度增加可能是由于砂質(zhì)土層優(yōu)先流或者上游地區(qū)地下水橫向移動(dòng)造成的。反硝化(尤其是0～4 m土壤)可在一定程度上減少硝態(tài)氮向地下水的遷移量，但深層包氣帶大量累積的硝態(tài)氮以及較弱的反硝化能力，對(duì)未來地下水硝酸鹽污染造成了嚴(yán)重的威脅。

那么，在華北典型的土壤-作物體系下，水氮在根區(qū)、深層包氣帶是怎么累積和運(yùn)移的？運(yùn)移的時(shí)空變異是什么？是怎樣遷移到地下水的？影響這些過程和機(jī)制的主要土壤、氣候和農(nóng)田管理因素是什么？本文結(jié)合文獻(xiàn)資料和筆者的研究結(jié)果，用大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)定量論述氮素淋溶的時(shí)空特征，土壤裂隙發(fā)育對(duì)氮素淋溶的影響，大孔隙特征及優(yōu)先流對(duì)氮素淋溶的貢獻(xiàn)，硝態(tài)氮在地表-根層-深層包氣帶-地下水的垂直遷移過程及消減機(jī)制。為依據(jù)土壤-氣候等不可控因素的時(shí)空變異特征，提出相應(yīng)的農(nóng)藝措施，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)、環(huán)境目標(biāo)和維持土壤肥力提供科學(xué)依據(jù)。

1 華北潮土冬小麥-夏玉米輪作氮素淋溶的時(shí)空特征

華北平原屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫 14～15 ℃，年平均降雨量 500～900 mm，其中約80%的降雨集中于夏季的6—10月份[30-31]。近年來極端強(qiáng)降雨事件頻發(fā)，如2016年7月發(fā)生了單次降雨253 mm 的事件，明顯高于1981—2016年間單次降雨的最大量(32～156 mm)[32]。該區(qū)域主要種植體系為冬小麥(Triticum aestivum)-夏玉米輪作，是我國重要的小麥和玉米生產(chǎn)區(qū)，貢獻(xiàn)了全國2/3的小麥[33]和1/3 的玉米產(chǎn)量[34]。夏玉米季雨量充足，僅在玉米苗期需要補(bǔ)充灌溉(在土壤含水量較高情況下不需灌水)。由于冬小麥季作物需水量(約450 mm)遠(yuǎn)高于降雨量(平均280 mm)，需要在冬小麥不同生育期分3～4 次灌水200 mm 以上，才能滿足冬小麥高產(chǎn)的需求[35-37]。農(nóng)戶常規(guī)灌溉方式為漫灌，灌水量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，且取決于公用灌溉設(shè)施(機(jī)井、水泵和電力等)的可利用時(shí)長(zhǎng)，一般情況下每次灌水量高于100 mm[38]，導(dǎo)致過量灌溉引起硝態(tài)氮淋溶出根區(qū)，需要投入更多氮肥以滿足作物高產(chǎn)需求[38]。冬小麥-夏玉米輪作全年施氮量為550～660 kg·hm?2·a?1[2]，在一些地區(qū)施氮量可高達(dá)600～800 kg·hm?2·a?1[39]，遠(yuǎn)高于冬小麥或夏玉米合理施氮量范圍(150～250 kg·hm?2)[40]。

除化肥氮外，氮沉降也是該輪作體系重要氮素輸入來源。尤其是近年來，氮沉降隨著工農(nóng)業(yè)向大氣中排放氮的增加而增加[41]。華北平原農(nóng)田的氮沉降量自21 世紀(jì)初的28 kg·hm?2·a?1[42]增加至21 世紀(jì)20年代的63 kg·hm?2·a?1[43]。其他氮素輸入，包括有機(jī)肥氮、生物固氮、種子氮和灌溉水氮之和也占總氮素投入的10%左右(表1)，高氮輸入導(dǎo)致輪作體系極高的氮素盈余(299 kg·hm?2·a?1，表1)。由于華北潮土具有較強(qiáng)的硝化能力，作物收獲后盈余的氮素主要以硝態(tài)氮為主，造成農(nóng)田根層及以下土壤累積了大量的硝態(tài)氮。Meta 分析表明，1980—2015年間華北冬小麥和夏玉米收獲后0～4 m 土體硝態(tài)氮累積量分別高達(dá)453 kg·hm?2和749 kg·hm?2[12，26]。這些硝態(tài)氮很難再被作物利用，且潮土較弱的反硝化強(qiáng)度導(dǎo)致硝態(tài)氮在根區(qū)反硝化去除的量較小，大部分隨夏季降雨向深層土壤遷移，直至遷移至地下水[26，45]，未來氣候變化所導(dǎo)致的極端降雨事件也將加速硝態(tài)氮的向下遷移過程[12]。

華北農(nóng)田周年降雨量和氣溫變化整體表現(xiàn)為“冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨”的特點(diǎn)(圖1)[46]。冬小麥和夏玉米土壤水分和硝態(tài)氮含量的時(shí)空分布受灌水、降雨和作物吸收的共同調(diào)控。圖1 中的等值線顯示了周年根層土壤水分和硝態(tài)氮含量的時(shí)空分布特征[47]。自冬小麥苗期至分蘗期(1—12月)，耕層土壤含水量為 13%～15%； 隨著土壤深度增加，土壤含水量呈下降趨勢(shì)。盡管在冬小麥播種期施用氮肥導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量升高，但土壤水分較低不易發(fā)生優(yōu)先流和飽和流，未發(fā)生明顯的硝態(tài)氮淋溶事件。冬小麥越冬期至返青期(1—3月)，根層土壤含水量隨蒸發(fā)而減少，硝態(tài)氮不易淋溶。冬小麥拔節(jié)期(4月初)追氮方式為撒施后灌水，土壤含水量提高； 由于冬小麥拔節(jié)期對(duì)氮素需求旺盛，追肥并未顯著提高根層土壤硝態(tài)氮含量，但發(fā)生了硝態(tài)氮淋溶事件。冬小麥拔節(jié)期追肥灌水、抽穗期和灌漿期灌水導(dǎo)致的硝態(tài)氮淋溶量分別為1.8 kg·hm?2、2.6 kg·hm?2和2.8 kg·hm?2。夏玉米季頻繁的強(qiáng)降雨事件，導(dǎo)致土壤含水量得到較大增加，尤其是8月中旬土壤含水量(20%～25%)接近于田間持水量(華北輕壤土的田間持水量范圍為20%～24%[48])，從而使冬小麥季土壤累積的硝態(tài)氮，以及夏玉米季施入的氮肥極易隨土壤水分以對(duì)流(convective transport)方式遷移出根層土壤[49]。筆者的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，從根層向深層包氣帶淋溶主要發(fā)生在夏玉米季，北京上莊試驗(yàn)站全年所觀察到的21 次硝態(tài)氮淋溶事件中，有17 次發(fā)生在夏玉米季； 夏玉米季單次淋溶事件的硝態(tài)氮淋溶量普遍高于冬小麥季，夏玉米季硝態(tài)氮淋溶占全年總硝態(tài)氮淋溶量的80%左右[8]。

表1 華北平原冬小麥-夏玉米體系氮素收支平衡與盈余Table 1 Nitrogen budget and surplus in the winter wheat-summer maize rotation system in the North China Plain kg·hm?2

2 華北潮土裂隙發(fā)育對(duì)氮素淋溶的影響

土壤裂隙發(fā)育是土壤內(nèi)在屬性在外界條件變化綜合作用的結(jié)果，與土壤物理、化學(xué)及生物性質(zhì)密切相關(guān)。裂隙主要是干濕裂隙、凍融裂隙[50]。其中干濕裂隙影響因素主要是黏粒、有機(jī)質(zhì)、干濕循環(huán)和人為(如耕作)干擾[50-51]。田間土壤裂隙的存在影響土壤水入滲、能夠作為優(yōu)先流的路徑[51]。對(duì)華北潮土地表裂隙的發(fā)育、特征及對(duì)水氮運(yùn)移的影響研究較少。筆者在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站，采用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D720)對(duì)土壤裂隙拍攝，Photoshop CC 2017 對(duì)圖像中裂隙進(jìn)行提取(包括幾何校正、二值化和降噪處理)，最后用Image J (National Institutes of Health，USA)軟件量化拍攝區(qū)域的裂隙面積，計(jì)算裂隙率[37，52]。對(duì)于翻耕或旋耕播種的冬小麥田塊，在無冬水灌溉及雨量較小(2016年10月20日冬小麥播種后至2017年4月1日，單日降雨量在0.1～9.3 mm·d?1)情況下，沒有觀測(cè)到明顯的地表裂隙產(chǎn)生。冬小麥返青期灌水75 mm，土壤水分含量變化與裂隙呈顯著負(fù)相關(guān)，與土壤溫度變化沒有顯著關(guān)系； 灌水50 h 左右土壤裂隙率基本趨于穩(wěn)定(圖2)。耕作后土壤大水漫灌，當(dāng)?shù)乇矸e水落干后，地表迅速形成裂隙，裂隙寬度不斷增加。華北潮土地表裂隙的發(fā)育主要由耕作擾動(dòng)和灌水(或降雨)后的干濕交替產(chǎn)生。耕層土壤經(jīng)過耕作、播種等擾動(dòng)后，造成土壤緊密結(jié)構(gòu)疏松化[51，53]，單位體積內(nèi)的孔隙體積增加； 當(dāng)有一定量的水輸入，土壤團(tuán)粒在水力的作用下再互相吸附和凝聚，擾動(dòng)疏松增加的空間體積就會(huì)形成裂隙，裂隙發(fā)育與土壤水分損失密切相關(guān)[51，53-56]。

筆者進(jìn)一步定量了冬小麥季裂隙的寬度、深度和容積。裂隙的寬度采用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D720)拍照，用Photoshop CC 2017 按照上述方法對(duì)圖像進(jìn)行處理，隨后用OriginPro 9.0 軟件提取圖像數(shù)據(jù)獲取裂隙寬度[57]。裂隙深度采用乳膠灌注，將環(huán)氧樹脂和聚硫醇按1∶1(體積比)均勻制成乳膠，隨后將其沿著地表裂隙緩慢連續(xù)倒入，直至裂隙灌滿為止。填充24 h 后，挖開土壤并取出成型的乳膠，將其平展地鋪放在帶有毫米刻度尺子的一張白色背景上，按照上述定量裂隙寬度的方法，拍照、圖像處理及提取裂隙寬度[57]。裂隙容積定量采用混凝土灌注法，將過1 mm 篩子的水泥和細(xì)砂按1∶1.2 配制混凝土，并立刻在所選定的具有典型代表性裂隙的1 m×1 m范圍內(nèi)灌注所有地表裂隙，記錄所用灌注混凝土體積。結(jié)果表明，小麥冬季和春季裂隙的平均寬度為(13.5±7.1) mm(數(shù)據(jù)范圍2.3～34.7 mm)(n=85)，平均深度(數(shù)據(jù)范圍75.0±34.8) mm(數(shù)據(jù)范圍28.1～154 mm)(n=85，旋耕土壤)，平均容積為(971±589)cm3·m?2(數(shù)據(jù)范圍448～2304 cm3·m?2)(n=9)。受乳膠或水泥灌注流動(dòng)性的限制，得到的裂隙深度應(yīng)略低于實(shí)際深度。田間觀察發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤裂隙深度與土壤擾動(dòng)深度相當(dāng)，筆者推測(cè)深耕時(shí)土壤裂隙深度一般為25 cm 左右，旋耕時(shí)土壤裂隙深度在10 cm 左右。

進(jìn)一步采用亮藍(lán)染色法指示冬小麥季裂隙的深度[52，58]。設(shè)置45 mm、90 mm、135 mm的灌溉量，灌水48 h后獲得染色面積。通過地表灌溉，亮藍(lán)能夠移動(dòng)到的最深處為30～50 cm，其中90%以上的染色面積主要集中在0～20 cm(圖3a，3b)。該試驗(yàn)選擇的是一塊長(zhǎng)期深耕的田塊，耕作深度20～25 cm，這與前述土壤裂隙深度接近于耕作深度的推測(cè)一致。染色深度隨著灌溉量的增加而增加，單次灌溉量45 mm、90 mm、135 mm的染色深度分別達(dá)25 cm、30 cm和50 cm。地表裂隙定量和亮藍(lán)示蹤結(jié)果表明，地表裂隙對(duì)優(yōu)先流的影響與灌溉量具有交互作用，但裂隙對(duì)優(yōu)先流的作用不會(huì)超過根區(qū)，裂隙對(duì)水分和硝態(tài)氮移出根區(qū)的貢獻(xiàn)可能較小。

筆者在北京上莊實(shí)驗(yàn)站對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生裂隙的冬小麥田灌水時(shí)發(fā)現(xiàn)，灌溉水很快會(huì)充滿地表裂隙并形成瞬間積水，也說明了裂隙深度較淺，沒有形成優(yōu)先流而消耗大量的灌溉水。對(duì)開裂土壤進(jìn)行水分入滲試驗(yàn)表明[59]，開裂土壤水分吸滲過程分為3 個(gè)階段： 初始裂隙流階段、穩(wěn)滲基質(zhì)流階段和吸滲末期階段，裂隙僅對(duì)吸滲第一階段產(chǎn)生影響，且開裂土壤的累積入滲量與未開裂土壤無顯著差異。因此，農(nóng)田土壤擾動(dòng)和干濕交替發(fā)育形成的裂隙，對(duì)水氮向深層土壤運(yùn)移的影響不大。但是，冬灌水所造成的地表裂隙，導(dǎo)致的蒸發(fā)面增加對(duì)水分散失的影響較大，尤其是在華北平原多風(fēng)和干旱的冬春季。

3 華北潮土大孔隙特征及其對(duì)氮素淋溶的貢獻(xiàn)

土壤溶液的運(yùn)移是通過溶質(zhì)擴(kuò)散和優(yōu)先流進(jìn)行的，飽和基質(zhì)流是土壤溶液在土壤基質(zhì)中擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，而優(yōu)先流是通過土壤中形成的大孔隙產(chǎn)生的。土壤大孔隙是優(yōu)先流的通道，土壤中70%～85%的水分運(yùn)動(dòng)源于優(yōu)先流的貢獻(xiàn)[60-61]。土壤中的大孔隙包括像植物根痕那樣的管狀孔、小動(dòng)物的洞穴、干燥收縮產(chǎn)生的大裂隙、化學(xué)風(fēng)化溶解產(chǎn)生的空洞、耕作形成的暗洞以及產(chǎn)生于破碎心土層的孔隙，也包括土壤團(tuán)粒間較大的孔隙，其直徑大小為0.03～3 mm[62]，也有人認(rèn)為大于1 mm[63]，孔徑大小沒有一個(gè)確定的標(biāo)準(zhǔn)。

在典型潮土區(qū)的河北省曲周縣境內(nèi)，通過開挖土壤剖面，在不同層次橫截面拍照，用圖像軟件Image J提取不同級(jí)別的大孔隙面積和數(shù)量的方法[64-65]，定量了冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田根區(qū)大孔隙的特征(圖4)。在0～100 cm 根區(qū)的各層，細(xì)孔(0.008～0.020 cm2)數(shù)量和總面積在各等級(jí)孔隙中比例最高，約占80%。細(xì)孔隙數(shù)量占優(yōu)勢(shì)，而中等或更大的孔隙少?？紫稊?shù)量在整個(gè)100 cm土體上下分布無顯著差異。細(xì)孔隙數(shù)量或面積均表現(xiàn)為上少下多，可能與上層土壤頻繁擾動(dòng)有關(guān)。

進(jìn)一步在曲周縣第四疃鎮(zhèn)選擇8個(gè)長(zhǎng)期冬小麥-夏玉米輪作的農(nóng)戶田塊，采用亮藍(lán)示蹤法研究?jī)?yōu)先流在土壤剖面的遷移及分布。于2017年6月20日，在馬疃村西、馬疃村東、第四疃、焦莊、劉莊、王莊、杏園和東魏村8個(gè)農(nóng)戶夏玉米田塊，起壟做成3個(gè)1 m×1 m的微區(qū)，在微區(qū)內(nèi)均勻撒施亮藍(lán)(每個(gè)樣方25 g)。待玉米收獲后，以每5 cm為一層，小心鏟平土壤水平面，用數(shù)碼相機(jī)(Nikon D720)對(duì)水平面拍照，采用上述方法獲得亮藍(lán)染色面積和染色百分比。在農(nóng)戶常規(guī)管理?xiàng)l件下，大多數(shù)田塊優(yōu)先流主要發(fā)生在根區(qū)以內(nèi)，與前述灌溉模擬亮藍(lán)研究結(jié)果一致。亮藍(lán)主要分布在0～50 cm的土層，染色率在10%以上也集中在0～50 cm深度。但有些田塊(王莊和劉莊)優(yōu)先流可達(dá)95～155 cm土層，到達(dá)深層包氣帶(圖5)，表明優(yōu)先流發(fā)生的空間變異性。

為定量大孔隙優(yōu)先流對(duì)氮素淋溶的貢獻(xiàn)，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站用田間土柱滲濾計(jì)開展了研究。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理： 無大孔隙模擬土柱(CK，篩分均勻土壤)、少孔隙模擬土柱(AC1，篩分土壤放1根麻繩)、多孔隙模擬土柱(AC2，篩分土壤放3根麻繩)和原狀土柱(UC，代表土壤原有孔隙結(jié)構(gòu)，包括大孔隙)。于2019年6月29日向每個(gè)土柱施硝酸鉀220 g(相當(dāng)于280 kg·hm?2的施氮量)，7月6日收集到第1次淋溶液，隨后每天下午17：00收集1次淋溶液，直至9月18日試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中觀察到，由于土壤對(duì)麻繩的擠壓作用，放置麻繩并沒有起到創(chuàng)設(shè)大孔隙的作用，該處理的淋溶液體積和硝態(tài)氮淋溶量與CK相當(dāng)。由于土柱CK的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，其水氮淋溶不包含優(yōu)先流途徑，只有基質(zhì)流。UC是原狀土柱，其水氮淋溶包含優(yōu)先流和基質(zhì)流。因此我們推算優(yōu)先流對(duì)硝態(tài)氮淋溶貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法為： (UC淋溶量?CK淋溶量)/UC淋溶量×100。

雨季時(shí)，淋溶事件總伴隨著降雨事件的發(fā)生，甚至在日降雨量?jī)H為1.4 mm·d?1時(shí)，所有土柱均能收集到淋溶液(圖6)。日降雨量小于10 mm·d?1時(shí)，淋溶一般在降雨的第2 天發(fā)生且在當(dāng)天淋溶完畢，即淋溶具有不連續(xù)的特點(diǎn)。當(dāng)降雨量大于10 mm·d?1，淋溶可多日連續(xù)發(fā)生(圖6)。在40 次淋溶事件中，UC土柱淋溶量都顯著高于CK 土柱。在降雨量較低的雨季初期(8月2日以前)，UC 土柱的淋溶量低于CK土柱； 隨著8月2日后降雨量增大，UC 土柱淋溶量高于CK 土柱(圖6)。不同土柱淋溶液體積與降雨量呈顯著正相關(guān)，原狀土柱的水和硝態(tài)氮淋溶量對(duì)降雨量的響應(yīng)最敏感(擬合直線斜率最大)(圖7)。整個(gè)試驗(yàn)期間的降雨量為274 mm，每個(gè)土柱的氮素投入量為1978 mg，UC、AC2、AC1 和CK 淋溶液體積分別為159.8 mm、39.4 mm、33.2 mm 和45.9 mm； 硝態(tài)氮的淋溶量分別為89 mg、37 mg、45 mg 和24 mg。因此，水分淋溶率分別為61%、15%、13%和17%，硝態(tài)氮淋溶率分別為4.5%、1.9%、2.3%和1.2%，優(yōu)先流對(duì)硝態(tài)氮淋洗的平均貢獻(xiàn)率為71%左右。優(yōu)先流對(duì)硝態(tài)氮淋溶的貢獻(xiàn)率與整個(gè)土體起始水分含量相關(guān)，如果在降雨發(fā)生前，整個(gè)土體含水量較低，降雨首先要潤(rùn)濕土壤，優(yōu)先流未達(dá)到根區(qū)末端，淋溶事件已經(jīng)結(jié)束，貢獻(xiàn)率較低； 相反，若土體已達(dá)到飽和狀態(tài)，則少量的降雨就可發(fā)生優(yōu)先流淋溶。

4 氮素在地表-根層-深層包氣帶-地下水的垂直遷移過程及消減機(jī)制

為了減少硝態(tài)氮向地下水的遷移，需要解析氮素在地表-根層-深層包氣帶-地下水的垂直遷移過程及通量。包氣帶是連接地表-根層-地下水的生態(tài)屏障，其上層是根區(qū)或者混合區(qū)，水分輸入農(nóng)田后，與溶質(zhì)在這一區(qū)域內(nèi)混合，水分要么以蒸發(fā)方式消耗或者被作物根系吸收，要么以重力形式向下運(yùn)移[66]。在包氣帶中，降雨、土壤水和地下水相互作用頻繁，是土壤水和溶質(zhì)(如農(nóng)田化肥氮)運(yùn)移至地下水的通道[67]。

在華北氣候-土壤條件下，冬小麥-夏玉米農(nóng)戶常規(guī)施氮量，通過淋溶移出1 m 根區(qū)的硝態(tài)氮每年可高達(dá)209 kg·hm?2(圖8)[24，68]，主要是因?yàn)槭┑砍^作物需氮量，導(dǎo)致大量的氮素盈余[12，69]。根據(jù)上文估算，土壤大孔隙產(chǎn)生的優(yōu)先流對(duì)硝態(tài)氮淋溶貢獻(xiàn)率可達(dá)71%左右。移出根區(qū)進(jìn)入深層包氣帶的硝態(tài)氮中約有51% (106 kg·hm?2)被反硝化脫掉氮[24]，其余103 kg·hm?2的硝態(tài)氮繼續(xù)向深層土壤(>10 m)和地下水遷移。由于10 m 以下包氣帶土壤的反硝化較弱[24]，移出10 m 深度土壤的硝態(tài)氮對(duì)地下水污染的威脅加大。優(yōu)化施氮極大減少了氮素移出根區(qū)(100 kg·hm?2)，進(jìn)入深層包氣帶的硝態(tài)氮約有 74 kg·hm?2通過反硝化脫氮，其余僅有26 kg·hm?2的硝態(tài)氮向深層土壤或地下水遷移，該淋溶量應(yīng)該在地下水不受硝態(tài)氮污染可承受的范圍[70]。

氮素在包氣帶的遷移通量受農(nóng)田管理措施的影響。在給定的生產(chǎn)條件下，作物產(chǎn)量隨施氮量增加而達(dá)到最高值，隨后不再增加或降低，但硝態(tài)氮淋溶量隨施氮量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)[1，71-72]。英國洛桑實(shí)驗(yàn)站經(jīng)典的Broadbalk 小麥試驗(yàn)也得出了類似結(jié)果[73]。在合理施氮量范圍內(nèi)，分次施氮可以實(shí)現(xiàn)氮素供應(yīng)與作物需氮在時(shí)間和空間上的匹配，從而提高作物對(duì)氮素的吸收[74]，避免土壤在短期內(nèi)累積大量的硝態(tài)氮，減少硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險(xiǎn)[49]。在作物生長(zhǎng)的不同時(shí)期，必須保證足夠的土壤含水量以滿足作物對(duì)水分的需求。由于降雨等氣候因素不可控，灌溉(灌水量、頻次以及方式)是協(xié)調(diào)作物需水和硝態(tài)氮移出根區(qū)之間矛盾的重要手段。灌水量一般需保持土壤含水量在45%～80%的作物可利用水分之間(根據(jù)田間持水量和萎蔫點(diǎn)確定)[35，75]。將傳統(tǒng)的漫灌轉(zhuǎn)變?yōu)閲姽?、滴灌或水肥一體化，也是減少硝態(tài)氮淋溶的重要措施。

5 結(jié)論與建議

華北潮土氮素在地表-根層-深層包氣帶-地下水的垂直遷移過程受氣候、土壤和農(nóng)田管理措施的綜合影響，且具有強(qiáng)烈的時(shí)空變異。超過高產(chǎn)作物需求的氮素投入導(dǎo)致土壤-作物體系的氮素盈余，主要表現(xiàn)為硝態(tài)氮在包氣帶的累積和遷移。冬小麥季硝態(tài)氮的遷移主要受灌溉影響，以非飽和流為主，且遷移距離較短； 春季單次灌溉量低于60～90 mm，可以有效控制水和硝態(tài)氮淋溶出根區(qū)。冬小麥灌溉引起的地表裂隙對(duì)水氮運(yùn)移的貢獻(xiàn)不大，但對(duì)冬春季土壤水分的散失值得進(jìn)一步研究。雨熱同期的夏玉米季，造成土壤水分經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，再降雨就可以導(dǎo)致硝態(tài)氮淋溶出根層進(jìn)入深層包氣帶。大孔隙優(yōu)先流對(duì)夏玉米季根區(qū)硝態(tài)氮淋溶的貢獻(xiàn)率在71%左右。這些硝態(tài)氮脫離了作物根系吸收范圍，反硝化作用對(duì)硝態(tài)氮去除具有一定作用，但去除量還需要進(jìn)一步研究。未來氣候變化，導(dǎo)致夏季極端高強(qiáng)度降雨事件的頻率增加，將會(huì)加劇包氣帶累積硝態(tài)氮通過飽和流或優(yōu)先流向地下水的遷移過程。

生產(chǎn)上應(yīng)同時(shí)考慮作物每個(gè)生育期的水氮管理，使土壤水氮供應(yīng)既能滿足高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的需求，又不至于形成過剩而溢出作物根區(qū)，成為對(duì)作物無效的水氮而向下繼續(xù)遷移。在華北的氣候-土壤條件下，特別應(yīng)注意冬小麥?zhǔn)斋@后，土壤根區(qū)不應(yīng)該殘留很多的硝態(tài)氮，避免在夏玉米的雨季發(fā)生大量淋溶； 在夏玉米季，需要注意施氮與作物需氮的匹配。由于夏玉米追肥的困難，生產(chǎn)上提倡一次性施肥措施，控釋肥應(yīng)該能夠發(fā)揮更大作用[21]。合理的水氮管理是從源頭上減少硝態(tài)氮向深層包氣帶和地下水遷移的主要措施。