褐土區(qū)農(nóng)田土壤氮磷淋溶特征及其管理措施*

郭勝利，張樹蘭，黨廷輝，郭李萍，李麗君，高鵬程，王 蕊

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100； 3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081； 4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點實驗室 太原 030031)

氮磷化肥投入是提高糧食產(chǎn)量，保障糧食安全的重要措施。目前，很多作物體系氮磷養(yǎng)分的輸入早已超過了作物需求量。據(jù)估計，作物生產(chǎn)體系中全球氮肥利用率已從1950年的68%降低到2010年的47%，磷肥利用率在1950—2000年間從60%降低到44%[1-2]。1940—2008年間土壤氮殘留量穩(wěn)定在每年50 kg·hm-2(1.1～229 kg·hm-2)[3]； 在氮肥施入量較高的區(qū)域，土壤氮含量已呈現(xiàn)飽和狀態(tài)[4-5]。農(nóng)田土壤磷的凈殘留量從1950年的每年1 kg 增加到2000年的每年8 Mt，1970—2010年間磷累積約210 Mt[6]。自20 世紀80年代以來，我國農(nóng)田氮肥、磷肥的投入大幅度升高。據(jù)統(tǒng)計，2010年我國農(nóng)田氮肥消費量27.9 Mt，磷肥消費量5.3 Mt[7]。目前，我國農(nóng)田整體上處于富磷狀態(tài)，從1980年土壤盈余4.6 kg·hm-2提高到2012年42.1 kg·hm-2[8]。盈余的氮磷養(yǎng)分進入水體(河流和地下水)或以氣體形式排放到大氣，造成水體富營養(yǎng)化、飲用水硝酸鹽污染、生物多樣性喪失、加劇氣候變化等諸多負面影響[1，9-12]。如何在保障糧食安全的同時降低環(huán)境危害日益引起全球的關(guān)注[13-15]。

在歐美等發(fā)達國家，由于農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展早于中國，自20 世紀50—80年代農(nóng)業(yè)面源污染問題日益嚴重。而自20 世紀80年代末以來歐美發(fā)達國家開始重視對農(nóng)業(yè)面源污染的研究和治理。此后，歐盟國家氮磷化肥用量分別下降約30%和50%。地下水硝酸鹽污染有所緩解，湖泊和近海域水體富營養(yǎng)化也得到一定程度改善[16]。反觀中國，自1970s 以后，各大湖泊、重要水域的水體污染，特別是水體的氮磷富營養(yǎng)化問題急劇惡化； 由于20 世紀80年代大量化肥的投入，90年代以后我國農(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[17-18]。褐土區(qū)主要分布于關(guān)中盆地、晉南盆地和豫西，為我國傳統(tǒng)的糧食種植區(qū)。早在1990s 褐土區(qū)農(nóng)田土壤硝態(tài)氮的淋失問題就引起了學(xué)者的關(guān)注[19]，并就農(nóng)業(yè)土壤中的深層硝態(tài)氮積累與施肥、作物、降水、耕作措施以及土壤性狀的關(guān)系進行了系統(tǒng)評價[20]。與此同時，褐土地區(qū)氮肥施用對環(huán)境污染的影響[21]及地下水氮素污染逐步引起關(guān)注[22-24]。

褐土發(fā)育于富含石灰的黃土母質(zhì)上，土層深厚，土壤黏化過程明顯，土體構(gòu)型中黏化層、淋溶淀積層在水鹽運移過程中的阻控作用明顯。與同緯度華北平原的潮土相比，褐土區(qū)降水偏少，殘留土壤的硝態(tài)氮會產(chǎn)生顯著積累。近年來該區(qū)域除傳統(tǒng)糧食作物外，菜田、果園發(fā)展迅速，過量施肥和粗放灌溉現(xiàn)象普遍，土壤剖面中氮磷殘留問題日益嚴重[25-28]，大量殘留在土壤深層的硝態(tài)氮對地下水的潛在威脅也日益嚴重[29]。褐土區(qū)由于土壤碳酸鹽含量高，對磷肥的固定作用強烈，這些特性在磷肥大量施用的20 世紀80年代顯著影響了磷素在土壤中的吸附、轉(zhuǎn)化和移動[30-34]。但隨著磷肥40 余年的持續(xù)投入，褐土區(qū)農(nóng)田土壤磷的飽和吸附度逐漸升高，耕層土壤中磷素移動性逐漸升高[35-36]。另外，汾渭河谷的褐土區(qū)既是農(nóng)田集中區(qū)，也是大中城市、村鎮(zhèn)的分布地。盡管已有研究發(fā)現(xiàn)，地下水硝酸鹽與大量氮肥施用密切相關(guān)，但生活污水及動物源的硝態(tài)氮來源同樣不容忽視[37]。明確地下水不同來源硝酸鹽所占比重是制定其消減的基礎(chǔ)?；诖?，本研究重點分析褐土區(qū)農(nóng)田土壤氮磷的盈余狀況，辨識農(nóng)田氮磷的淋溶特點，評價田間管理措施對氮磷淋溶的影響，對該區(qū)域綠色發(fā)展具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 褐土區(qū)農(nóng)田土壤氮、磷的盈余狀況

關(guān)中盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，南依秦嶺，北抵北山。東西長約330 km，南北寬30～100 km，面積約2×104km2。屬暖溫帶半干旱、半濕潤氣候區(qū)。平均氣溫12.0～13.6 ℃，年均降水量550～750 mm，多年平均蒸發(fā)量1000～1200 mm。關(guān)中盆地集中了陜西省60%以上的人口和80%的工業(yè)以及52%的耕地，為汾渭河谷典型的糧食生產(chǎn)基地。本研究以關(guān)中盆地為對象，從氮、磷化肥投入，土壤氮磷殘留，地下水中氮磷含量及其作物產(chǎn)量入手，在區(qū)域尺度上深入分析褐土區(qū)農(nóng)田土壤氮磷的盈余特征。

數(shù)據(jù)來源： 1)作物、土壤數(shù)據(jù)。包括關(guān)中盆地3000 多農(nóng)戶氮肥和磷肥投入量、作物[冬小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)]產(chǎn)量調(diào)查數(shù)據(jù)(2012年)； 土壤養(yǎng)分調(diào)查數(shù)據(jù)，采用網(wǎng)格法，每1 km2設(shè)置1 個采樣點，對關(guān)中盆地5 市(西安市、咸陽市、寶雞市、渭南市與韓城市)32 個區(qū)縣的農(nóng)田土壤耕層(0～20 cm)采樣，利用GPS 測定各采樣點經(jīng)緯度，利用常規(guī)分析方法測定各樣點氮磷養(yǎng)分含量。2)地下水中氮磷含量數(shù)據(jù)。2016—2017年在陜西關(guān)中盆地采集地下水樣品213 個。依據(jù)關(guān)中盆地的土地利用結(jié)構(gòu)，采樣區(qū)包括蔬菜種植區(qū)、糧食作物種植區(qū)、居民生活區(qū)(20～30年前為農(nóng)田)，每個區(qū)設(shè)置3 個對照區(qū)(當?shù)氐叵滤尘?，未受人類活動影?。3)土壤深層剖面硝態(tài)氮數(shù)據(jù)。采集23 個典型關(guān)中盆地農(nóng)田0～600 cm 土壤剖面樣品用于測定土體中硝態(tài)氮的含量分布。

1.2 褐土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤氮磷淋失機制

1)施肥量、作物產(chǎn)量和氮磷淋失量耦合關(guān)系。施肥促進作物增產(chǎn)，但施肥過量會導(dǎo)致農(nóng)田土壤氮磷淋失，為更好地描述施肥量、作物產(chǎn)量和氮磷淋失量的關(guān)系，本研究采用Johnson 等[38]1995年提出的“安全施肥區(qū)間(safety zone)”的概念。施氮量達到作物的最高產(chǎn)量后，土壤剖面中并沒有導(dǎo)致礦質(zhì)氮積累，但當進一步提高施氮量至一定數(shù)值時，才會導(dǎo)致土壤剖面中礦質(zhì)氮的顯著積累。從作物達到最高產(chǎn)量到土壤剖面中礦質(zhì)氮顯著積累這一施肥區(qū)間，稱為“安全施肥區(qū)間”。這一概念為深入分析施肥量、作物產(chǎn)量和氮磷淋失間的關(guān)系提供了思路。我們依托1984年設(shè)立于陜西省渭北旱塬的長期肥料試驗[39]，選取其中10 個氮磷水平處理，結(jié)合每年監(jiān)測的作物產(chǎn)量和地上部生物量及定期開展的耕層土壤氮磷性狀變化監(jiān)測數(shù)據(jù)、0～300 cm 土壤剖面硝態(tài)氮含量數(shù)據(jù)(2000年)，深入分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)施肥量、作物產(chǎn)量、氮磷利用效率、硝態(tài)氮淋失量或磷積累量與環(huán)境安全施肥量之間的關(guān)系。

2)土壤微生物對硝態(tài)氮的阻控作用。農(nóng)田土壤硝態(tài)氮淋溶、氧化亞氮及氮氣的排放和氨揮發(fā)等氮素的轉(zhuǎn)化過程都與土壤微生物有關(guān)，其中由土壤微生物驅(qū)動的硝化和反硝化作用是土壤氮素循環(huán)的兩個關(guān)鍵過程。探明土壤硝化和反硝化微生物在阻控土壤硝態(tài)氮淋溶中的潛在作用及其對土壤硝態(tài)氮淋溶的阻控效果，會更有利于生物阻控措施形成和推廣。依托秸稈試驗(詳見1.3 節(jié))，我們探索了春玉米種植體系中土壤微生物變化對硝態(tài)氮遷移和積累的影響。

1.3 褐土區(qū)農(nóng)田土壤氮磷淋失阻控措施和影響因素

針對褐土區(qū)的農(nóng)田和菜地，在陜西、山西和河北共設(shè)4 個試驗。輪作(冬小麥-夏玉米)種植體系，依托西北農(nóng)林科技大學(xué)“國家黃土肥力與肥料效益長期監(jiān)測基地”的長期定位試驗(楊凌)進行； 單作(春玉米)種植體系依托陜西長武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(長武)進行； 露地蔬菜以“春黃瓜(Cucumis sativus)/番茄(Lycopersicon esculentum)/甘藍(Brassica oleracea)-大白菜(Brassica rapa pekinensis)”種植體系為對象，依托河北保定清苑(潮)褐土區(qū)典型露地菜地進行； 設(shè)施蔬菜以西葫蘆(Cucurbita pepo)種植體系為研究對象，依托山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施蔬菜地進行(表1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型褐土區(qū)氮磷投入量、土壤氮磷含量與地下水氮磷含量

關(guān)中盆地大量田間調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，無論玉米種植系統(tǒng)還是冬小麥種植系統(tǒng)，隨著施肥量的提高，作物并沒有呈現(xiàn)增產(chǎn)效應(yīng)。在玉米季，氮肥施用量大于250 kg(N)·hm?2后，產(chǎn)量反而呈現(xiàn)降低趨勢； 在小麥季，超過200 kg(N)·hm?2施氮量后，產(chǎn)量開始降低，磷肥超過25 kg(P2O5)·hm?2水平時，產(chǎn)量已經(jīng)無響應(yīng)(圖1)。這些結(jié)果表明，褐土區(qū)施肥的產(chǎn)量效應(yīng)已經(jīng)顯著不同于化肥開始大量投入的20 世紀80年代初。以往的大量田間結(jié)果表明，包括褐土區(qū)農(nóng)田隨著氮磷化肥投入的提高，作物產(chǎn)量逐步提高直至達到最高產(chǎn)。但經(jīng)過近40年的持續(xù)化肥投入后，農(nóng)田土壤產(chǎn)量效應(yīng)明顯降低。農(nóng)田土壤中大量的氮磷殘留間接佐證了這一點。在關(guān)中盆地調(diào)查農(nóng)田0～600 cm 土壤剖面中硝態(tài)氮含量分布顯示，該區(qū)域農(nóng)田土壤中最高硝態(tài)氮殘留量約300 kg(N)·hm?2，其中75%殘留在100 cm 土層以下。這些現(xiàn)象表明，該地區(qū)農(nóng)田/蔬菜地中存在大量氮肥殘留，而且大量殘留的硝態(tài)氮有向土壤深層遷移的現(xiàn)象(圖2)。相應(yīng)地，關(guān)中盆地80%耕層土壤有效磷(Olsen-P) 已超過20 mg(P)·kg?1，顯著不同于20 世紀80年代初的土壤缺磷狀況[當時大部分耕層土壤Olsen-P 含量低于5 mg(P)·kg?1]。這些結(jié)果表明，經(jīng)過40 多年的化肥投入，關(guān)中盆地農(nóng)田土壤施肥過量、土壤中氮磷殘留和積累現(xiàn)象嚴重。相應(yīng)地，對2017年采集的213 個地下水樣本氮含量的分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)中地區(qū)地下水硝態(tài)氮含量超過11 mg·L?1(WHO 飲用水標準)的樣點接近15%，并且存在顯著的空間分布特征(圖3)。超標地區(qū)主要分布在渭南北、蒲城南、臨潼及渭河流域中上游一帶。地下水氮素含量高值地區(qū)與采樣點化肥用量高且地下水位較高有關(guān)，而地下水位相對較低或施肥量較低的其他采樣點化肥的影響明顯較小。與硝態(tài)氮含量分布不同，大部分取樣點的磷含量較低[低于0.05 mg(P)·L?1]，但也發(fā)現(xiàn)藍田縣等局部的高值區(qū)域，這可能與這些區(qū)域長期有機肥或畜牧養(yǎng)殖廢棄物的施用有關(guān)。

2.2 典型褐土區(qū)施肥量、產(chǎn)量與環(huán)境安全施肥量間的耦合階段

基于15年長期定位試驗的觀測資料分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，長期不施肥下冬小麥年平均產(chǎn)量為1.2 t·hm?2，地上部氮素吸收量大致相當于20 kg(N)·hm?2，此時土壤剖面硝態(tài)氮殘留量低于5 kg(N)·hm?2。隨著氮肥投入量增加到90 kg(N)·hm?2，冬小麥產(chǎn)量顯著提高2 倍，作物地上部氮素吸收量顯著提高，約為60 kg(N)·hm?2，此時土壤剖面硝態(tài)氮殘留量并沒有發(fā)生顯著積累。但當?shù)实耐度肓繛?35 kg(N)·hm?2時，每千克氮肥的增產(chǎn)量則顯著降低，地上部吸氮量也未顯著提高，而土壤硝態(tài)氮殘留量則顯著提高，為 26 kg(N)·hm?2； 若施氮量進一步提高到180 kg(N)·hm?2，每千克氮肥的增產(chǎn)量則顯著降低，地上部的吸收量較135 kg(N)·hm?2僅提高3%，此時土壤中硝態(tài)氮殘留量進一步提高，達36 kg(N)·hm?2(圖4)。氮肥的投入量、作物產(chǎn)量/作物吸收量和土壤剖面的硝態(tài)氮殘留量，三者之間耦合關(guān)系存在著3 個階段： 1)環(huán)境友好-資源高效階段，這一階段土壤礦質(zhì)氮殘留少，氮肥生產(chǎn)率高； 2)環(huán)境低風(fēng)險-資源有效階段，該階段土壤殘留氮的開始隨施氮量升高顯著增加，氮肥生產(chǎn)率開始降低； 3)環(huán)境高風(fēng)險-資源無效階段，該階段土壤殘留氮隨施氮量升高顯著增加，同時氮肥生產(chǎn)率出現(xiàn)負增長。

與氮肥的產(chǎn)量和環(huán)境效應(yīng)不同，在長期試驗中，盡管同樣可以看到產(chǎn)量隨施磷量提高而提高，但當磷肥水平超過較低的閾值后，進一步加大磷肥投入并不顯著提高作物產(chǎn)量，反而會導(dǎo)致土壤耕層有效磷隨施磷量增加而積累(圖4)。同樣的，可以得到土壤有效磷水平、作物產(chǎn)量/作物磷吸收量和水溶性磷三者耦合關(guān)系存在3 個發(fā)展階段： 1)環(huán)境友好-資源高效階段，這一階段土壤有效磷保持在20 mg·kg?1即可，在氮肥供應(yīng)充分的條件下即可達到最高產(chǎn)量；2)環(huán)境低風(fēng)險-資源低效階段，該階段土壤有效磷開始增加，但作物產(chǎn)量并不會顯著升高； 3)環(huán)境有害-資源無效階段，該階段土壤有效磷超過了土壤的緩沖容量，土壤磷素開始向底層土壤遷移，同時作物產(chǎn)量不會升高。

2.3 秸稈阻控氮素淋失的微生物機制

與單施氮肥相比，秸稈還田增加土壤微生物生物量碳和氮，促進土壤氮素生物固定。圖5 顯示，相同施氮量下，在優(yōu)化施肥的基礎(chǔ)上添加秸稈處理中，表層(0～20 cm)土壤的效果更顯著，0～40 cm 土層平均微生物生物量碳和氮含量較優(yōu)化施肥處理分別平均增加14.1%～19.9%(P<0.05) 和 30.8%～49.6%(P<0.05)； 在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上添加秸稈較單純的常規(guī)施肥分別增加 12.7%～17.5%(P<0.05) 和23.9%～45.9%(P<0.05)。秸稈還田土壤硝化潛勢較秸稈不還田處理降低幅度為15.4%～28.6%。

2.4 褐土區(qū)田間管理措施對氮磷淋失的影響

2.4.1 水肥優(yōu)化措施

從表1 可知，在小麥-玉米輪作體系中，控水控肥可以維持小麥產(chǎn)量，與常規(guī)水肥處理相比，減量灌溉、減量施肥和優(yōu)化水肥處理均未顯著影響作物總產(chǎn)量。從表2 可知，在2016—2017年度和2017—2018年度減量灌溉、減量施肥和優(yōu)化水肥處理的總氮周年淋失量均降低。氮素主要以有機氮形式淋失，其次為-N ，而-N 淋溶量很低。

在春玉米種植體系中，相較于常規(guī)肥處理，在優(yōu)化施肥條件下(80%常規(guī)肥)并沒有造成作物的減產(chǎn)，優(yōu)化施肥處理3年，春玉米產(chǎn)量平均值較常規(guī)施氮處理增加6.1%(表1)。常規(guī)施肥和優(yōu)化施肥添加秸稈均可降低0～300 cm 土壤剖面硝態(tài)氮殘留，常規(guī)施肥效果更明顯； 優(yōu)化施肥較常規(guī)施肥可平均降低51%土壤硝態(tài)氮殘留，且低于常規(guī)施肥+秸稈還田的硝態(tài)氮殘留(圖6)。

在華北褐土區(qū)露地菜地，優(yōu)化施肥對蔬菜產(chǎn)量沒有顯著影響(表1)，但顯著影響土體中氮素的淋溶量。常規(guī)施肥處理淋洗出剖面(80 cm)的總氮淋溶量占當季氮肥施用量的15.6%，優(yōu)化施肥使氮淋溶量降低23.6%。與常規(guī)施肥處理相比，優(yōu)化施肥+生物炭、優(yōu)化施肥+減量灌溉處理總氮淋溶降低近50%，水氮協(xié)同調(diào)控對降低氮淋溶效果顯著(表3)。相應(yīng)地，水肥、秸稈優(yōu)化管理措施也可降低200 cm 土層氮素的殘留，但添加生物炭盡管可降低總氮的淋溶，但沒有降低200 cm 土層中氮素的殘留。

表2 2016—2018年度水肥管理對小麥-玉米輪作系統(tǒng)周年氮素淋失量的影響Table 2 Effects of water and nutrient management on annual nitrogen leaching loss of winter wheat and summer maize rotation in 2016-2018 kg·hm?2

在設(shè)施蔬菜種植中，各水氮處理間產(chǎn)量差異不顯著(表1)，說明相較于常規(guī)水肥措施，減少20%施肥量和灌溉量、施用生物炭、減少20%施肥量和灌溉量同時施用生物炭不會對產(chǎn)量造成明顯影響。從圖7 可知，與常規(guī)施肥相比，降低氮肥投入可降低32%的土壤剖面硝態(tài)氮殘留量； 添加生物炭可使硝態(tài)氮殘留量減少49%，降低灌溉或優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上添加生物炭可降低56%硝態(tài)氮的殘留，并對殘留硝態(tài)氮向下遷移起到一定的阻控效果。

2.4.2 生物炭措施

在小麥-玉米輪作體系中，與優(yōu)化施肥處理相比，在優(yōu)化水肥的基礎(chǔ)上施用生物炭未能顯著影響作物產(chǎn)量(表1)，但顯著降低了總氮淋失量，也顯著降低了-N 和有機氮的淋失量。華北褐土區(qū)露地菜地在減少氮肥用量20%基礎(chǔ)上添加生物炭同樣可減少氮淋失量，施用生物炭使全年總氮淋溶量比常規(guī)水肥處理降低43.0%(表3)。

2.4.3 秸稈措施

圖6 顯示，常規(guī)施肥基礎(chǔ)上添加秸稈，有助于降低41%的0～200 cm 土壤剖面硝態(tài)氮殘留； 即使在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上，添加秸稈也能降低18%的硝態(tài)氮殘留(圖6)。說明秸稈添加可減少土壤硝態(tài)氮殘留量。此外，添加秸稈條件下，土層中硝態(tài)氮的分配比例也發(fā)生了變化，優(yōu)化施肥條件添加秸稈處理0～100 cm 和100～200 cm 土層中硝態(tài)氮的分配比例1∶0.8，而單純優(yōu)化施肥處理則為1∶1.7 (圖6)。這一結(jié)果表明，優(yōu)化施肥條件下添加秸稈有助于阻控硝態(tài)氮的向下遷移。在灌溉條件下，露地蔬菜地上添加秸稈反而觀測到硝態(tài)氮和磷素淋溶加劇的現(xiàn)象(表3)。這可能與土壤添加秸稈后，透水性增強有關(guān)。

3 討論

3.1 褐土區(qū)土壤氮淋失閾值、安全施肥量及地下水氮素溯源

針對小麥-玉米種植體系的長期試驗(大約 20年)，基于76 組冬小麥和73 組玉米試驗資料，評價了中國北方地區(qū)適宜施肥量、土壤硝態(tài)氮的緩沖能力和環(huán)境安全施肥量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)我國北方地區(qū)適宜施肥量已經(jīng)超過了該區(qū)域的環(huán)境安全施肥量[40]。值得注意的是小麥施氮量高于環(huán)境安全施氮量占總數(shù)據(jù)的64%，玉米農(nóng)學(xué)施氮量高于環(huán)境安全施氮量占總數(shù)據(jù)的52%。因此，小麥-玉米輪作區(qū)目前氮肥推薦量存在硝酸鹽淋失風(fēng)險； 氮肥推薦不僅基于產(chǎn)量，也要考慮環(huán)境安全。在田間管理上，改善土壤理化性狀以提高土壤礦質(zhì)氮固持能力的措施都會有助于減緩或抑制硝態(tài)氮淋失。在不同種植體系中，土體中硝態(tài)氮的緩沖能力和安全施肥閾值也存在顯著差異。在玉米種植體系中發(fā)現(xiàn)，施氮量超過 160 kg(N)·hm?2時，各土層硝態(tài)氮累積量出現(xiàn)躍增，而且施氮在160～200 kg(N)·hm?2內(nèi)，產(chǎn)量、吸氮量、氮肥利用率達到或接近最高[41-42]。土壤理化性狀和種植體系如何影響安全施肥量，其影響土壤硝態(tài)氮緩沖能力的機制值得進一步關(guān)注。

表3 不同管理措施下露地菜地氮肥在土壤剖面的殘留和淋溶特征Table 3 Nitrogen residue and leaching under different management practices in soil profile of open vegetable field kg?hm?2?a?1

其次，汾渭河谷的褐土區(qū)也是大中城市、城鎮(zhèn)的分布地。盡管本研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，地下水硝酸鹽濃度與氮肥大量施用密切相關(guān)，但生活污水及動物源的硝態(tài)氮來源同樣不容忽視。對關(guān)中盆地地下水硝酸鹽含量超標的樣點進行氯離子含量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)關(guān)中盆地地下水硝酸鹽超標地區(qū)硝酸鹽與氯離子相關(guān)性達極顯著水平。但各自來源的貢獻需要進一步深入研究。例如，通過硝酸鹽氮氧同位素組成識別硝酸鹽來源和貢獻率，從而為硝酸鹽污染治理提供更準確、可靠的科學(xué)依據(jù)。

3.2 褐土區(qū)土壤磷淋失閾值、安全施肥量及其對環(huán)境影響的滯后效應(yīng)

褐土區(qū)土壤屬于石灰性土壤，pH 和碳酸鹽含量較高。20 世紀80年代初期，褐土地區(qū)土壤有效磷(Olsen-P)含量是限制作物產(chǎn)量的重要因素[34]。因此，大量磷肥開始在該地區(qū)施用，經(jīng)過30 多年持續(xù)磷肥投入，該區(qū)域的農(nóng)田土壤磷素含量得到顯著改善，部分區(qū)域土壤磷素顯著積累。Olsen-P 含量由1980年極度虧缺(小于5 mg·kg?1)變?yōu)槟壳暗母涣姿?大于30 mg·kg?1)，已有報道指出部分果園土壤Olsen-P含量超過100 mg·kg?1[28]。盡管石灰性土壤對磷素的固定性強、吸附能力大，但土壤中Olsen-P 含量升高同樣會導(dǎo)致土壤吸附容量和吸附飽和度降低[35]；Khan 等[43]通過長期試驗研究發(fā)現(xiàn)，小麥-玉米輪作體系長期偏施肥(PK)或過量施磷(MNPK)導(dǎo)致磷素淋洗到300 cm 或以下。對土壤全磷、Olsen-P 以及水溶性磷的動態(tài)變化進一步分析，發(fā)現(xiàn)當土壤全磷超過940 mg(P)·kg?1或者Olsen-P 超過37 mg·kg?1時，土壤中水溶磷顯著增加。這意味著磷素淋失風(fēng)險增加。此臨界值低于英國洛桑試驗站Broadbalk 長期定位試驗結(jié)果(Olsen-P，60 mg·kg?1)[44]。

土壤殘留磷對水質(zhì)的污染具有滯后效應(yīng)。歐美國家在20 世紀80年代開始治理土壤磷素積累對流域河流水質(zhì)污染問題，但至今仍未達到預(yù)期的治理效果[46-48]。治理措施的滯后效應(yīng)與土壤中殘留磷素的緩慢而持久的釋放有關(guān)[49]。目前農(nóng)田土壤磷素積累在我國已引起廣泛關(guān)注，但人們對其潛在的影響依然關(guān)注不夠。

3.3 褐土區(qū)地下水硝態(tài)氮污染的綜合評價

褐土區(qū)為我國傳統(tǒng)的糧食生產(chǎn)基地，但20 世紀80年代以來，蘋果(Malus pumila)、獼猴桃(Actinidia chinensis)等的種植日益增加，果園的單位面積氮肥的投入量是糧田的2～3 倍，多年種植的老果園中硝態(tài)氮的殘留量顯著高于農(nóng)田。15年園齡果園土壤中100～200 cm 土層中-N 殘留量達1400 kg·hm?2[26]。果園的施肥深度一般在距離地表50 cm 以內(nèi)，但在果園中距離地表100 cm、200 cm 甚至400 cm 的土體中均發(fā)現(xiàn)了大量的硝態(tài)氮積累現(xiàn)象。這些報道表明，褐土區(qū)果園硝態(tài)氮淋溶的強度要大大高于相鄰的農(nóng)田土壤。自20 世紀80年代以來，褐土區(qū)果園面積逐年升高，2011年僅陜西省水果面積達1114.27 hm2[50]。大部分果園是由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來，果園和農(nóng)田交錯分布。本課題的研究主要集中于農(nóng)田和蔬菜地中氮磷的淋溶和阻控，果園中氮磷的淋溶還有待進一步研究。

褐土區(qū)村莊生活污水對地下水中氮素的貢獻也不容忽視。早在20 世紀70年代，科研工作者就發(fā)現(xiàn)，關(guān)中地區(qū)硝態(tài)氮含量較高的淺層地下水分布與居民點有極其密切的關(guān)系。在居民點內(nèi)及其附近，由于生活垃圾及污水皆沒有納入城市垃圾和污水管理系統(tǒng)，垃圾和污水中大量的含氮物質(zhì)在適宜條件下礦化而成硝態(tài)氮，之后隨水下滲，進入淺層地下水。曹勝偉等[51]利用氮氧同位素技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，污水及糞便是造成南陽盆地地下水硝酸鹽污染的主要原因，其平均貢獻率為73%； 其次為化肥的貢獻占23%。傅雪梅等[52]研究發(fā)現(xiàn)，河北張家口地區(qū)地下水硝態(tài)氮污染來源中糞肥及生活污水占45.37%，土壤氮來源為41.39%，降水和化肥來源占13.24%。

村莊、果園、農(nóng)田鑲嵌分布，不同來源的硝態(tài)氮隨著水分入滲逐步向下遷移到淺層地下水[53]。判斷地下環(huán)境中硝酸鹽污染的來源、比例及其遷移轉(zhuǎn)化過程對氮污染防治具有重要的借鑒意義。建議未來在褐土區(qū)進一步加強村莊、農(nóng)田、果園等復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)氮磷的淋溶研究，從而達到防治地下水污染的效果。

4 結(jié)論

經(jīng)過40 余年的氮磷化肥投入，褐土區(qū)土壤氮磷的殘留量顯著增加，其中氮肥的殘留以土體硝態(tài)氮的深層積累為特點，磷肥的殘留以耕層顯著積累為特征。高量施肥區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)地下水氮素含量超標。與當?shù)爻Ｒ?guī)水肥投入量相比，化肥與灌溉減量、施用生物炭或秸稈都不會降低作物或蔬菜產(chǎn)量，但會降低氮磷淋失量； 其中化肥減量、降低灌溉可顯著降低氮磷的淋失，其次是施用生物炭； 灌溉條件下，秸稈添加促進水分入滲會提高氮磷的淋失。硝態(tài)氮淋失得到阻控也與微生物碳氮的提高、土壤硝化勢降低/反硝化勢升高有關(guān)。此外，需要關(guān)注褐土區(qū)地下水硝酸鹽污染的溯源、土壤磷素殘留及其對河流污染的長期性問題、褐土區(qū)糧果生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮磷淋溶的復(fù)合效應(yīng)。