華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)與淋失量研究*

陳肖如, 李曉欣, 胡春勝,3**, 雷玉平, 倪 銳,3, 馬 林

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院 北京 100049; 2.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050022; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

中國(guó)以占世界7%的耕地養(yǎng)活占世界22%的人口[1], 化肥起著舉足輕重的作用[2]。華北平原作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 農(nóng)田年均氮肥投入達(dá)550～660 kg?hm?2?a?1, 遠(yuǎn)超過(guò)作物的實(shí)際需氮量[3-4]。過(guò)量氮肥存留在土壤中, 在灌溉和強(qiáng)降雨發(fā)生時(shí), 以NO3?形式淋溶至深層土壤, 進(jìn)而運(yùn)移至地下水系統(tǒng)[5], 對(duì)地下水安全造成了威脅。研究發(fā)現(xiàn), 華北平原地下水NO3?超標(biāo)率(50 mg?L?1)為19.3%, 有些地區(qū)甚至高達(dá)300 mg?L?1[6]。

地球關(guān)鍵帶涵蓋了植物冠層、包氣帶層和地下含水層, 是“水-土-氣”物質(zhì)與能量循環(huán)交換的重要區(qū)域[7], 其內(nèi)部的各種復(fù)雜反應(yīng)左右了人類食物和淡水的供給。包氣帶作為關(guān)鍵帶內(nèi)土壤硝態(tài)氮重要的儲(chǔ)存場(chǎng)所, 其厚度直接決定了硝態(tài)氮淋失進(jìn)入地下水距離及發(fā)生生物地球化學(xué)反應(yīng)的空間大小[8]。Xin等[9]認(rèn)為深層包氣帶是一個(gè)重要的氮庫(kù), 同時(shí)也是溶解氮的有效過(guò)濾器。Turkeltaub等[10]指出硝態(tài)氮在深層包氣帶運(yùn)移過(guò)程中的衰減并不明顯, 硝態(tài)氮在深包氣帶的分布與累積受不同生化條件與環(huán)境因子限制。包氣帶土壤硝態(tài)氮的累積和運(yùn)移同樣受到地表農(nóng)田管理措施的影響, 作物種植類型、肥料投入、耕作措施等決定了進(jìn)入包氣帶的硝態(tài)氮總量、灌溉降雨、根系的吸收以及土壤質(zhì)地, 影響了包氣帶中硝態(tài)氮的遷移速度?？荛L(zhǎng)林等[11]研究了華北平原不同種植體系下的土壤硝態(tài)氮淋失情況, 發(fā)現(xiàn)在0～200 cm土壤層, 土壤硝態(tài)氮含量以大棚蔬菜最高, 其次是果園, 最后才是小麥(Triticum aestivum)與玉米(Zea mays)。李久生等[12]指出土壤質(zhì)地對(duì)硝態(tài)氮淋失與累積的影響具有較大的差異, 粗質(zhì)地土壤的硝態(tài)氮運(yùn)移深度明顯大于細(xì)質(zhì)地土壤。

目前針對(duì)農(nóng)田硝態(tài)氮淋溶的研究多以根系吸收層為界, 對(duì)整個(gè)包氣帶貯存與淋失進(jìn)入地下水的研究較少, 且研究尺度多為田間尺度[13-15]。雖然Ascott等[16]應(yīng)用模型對(duì)全球包氣帶土壤硝態(tài)氮存儲(chǔ)進(jìn)行了計(jì)算, 指出北美、歐洲和包括華北平原在內(nèi)的中國(guó)東部地區(qū)存儲(chǔ)了大量的硝態(tài)氮, 但是并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)地取樣的驗(yàn)證, 也沒(méi)有對(duì)區(qū)域淋失進(jìn)入地下水的硝態(tài)氮進(jìn)行定量。本研究目的在于準(zhǔn)確評(píng)估華北平原區(qū)包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量, 探究氮肥投入與包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)和淋失進(jìn)入地下水的數(shù)量關(guān)系[16], 為建立包氣帶-地下水層硝態(tài)氮淋失模型提供參考依據(jù)。因此本研究應(yīng)用Geoprobe對(duì)華北平原不同地下水埋深區(qū)域農(nóng)田(菜田與糧田)包氣帶土壤進(jìn)行采樣, 并測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量[17-19], 通過(guò)GIS計(jì)算華北平原農(nóng)田包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量, 結(jié)合統(tǒng)計(jì)資料和文獻(xiàn)收集的氮肥投入與農(nóng)田面積數(shù)據(jù), 探討氮肥投入與硝態(tài)氮存儲(chǔ)量的關(guān)系及其影響程度。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

華北平原是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū), 屬暖溫帶季風(fēng)氣候, 年降水量為500～900 mm, 土壤類型主要為潮土[1]。近幾十年來(lái)隨著地下水的開采和地下水位的不斷下降, 華北平原的包氣帶厚度呈不斷增加趨勢(shì)。本次研究區(qū)域的面積為25萬(wàn)km2, 涵蓋了河北省南部、河南省東部、山東省西部、安徽省與江蘇省北部等地區(qū)(圖1)。華北平原區(qū)域的包氣帶深度數(shù)據(jù)通過(guò)地方水利部門與中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取[1,20]。研究區(qū)域包氣帶厚度最低2 m, 最高厚度達(dá)50 m, 呈現(xiàn)由東南部地區(qū)向西北太行山前平原遞增趨勢(shì)(圖1)。

圖1 華北平原研究區(qū)域范圍及其包氣帶深度分布Fig.1 Regional scope of the study area in the North China Plain and the distribution of vadose zone depths

1.2 樣品采集與測(cè)定

2019年9月底?10月初在作物收獲后進(jìn)行采樣。華北平原的河北省、山東省、安徽省、河南省與江蘇省均分布有采樣區(qū)。共設(shè)置14個(gè)農(nóng)田采樣區(qū), 每個(gè)采樣區(qū)面積為2.9萬(wàn)km2(圖1)。每個(gè)農(nóng)田采樣區(qū)選取的種植類型分別為糧田和菜地。糧田主要種植小麥-玉米; 菜地包括設(shè)施菜地與露天菜地, 主要種植的蔬菜為茄子(Solanum melongena)、黃瓜(Cucumis sativus)、蘿卜(Raphanus sativus)、菜花(Brassica oleracea)、豇豆(Vigna unguiculata)、韭菜(Allium tuberosum)等。結(jié)合采樣區(qū)內(nèi)糧田與菜地的實(shí)際分布, 設(shè)置采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)盡量均勻分布在采樣區(qū)中心地帶,采樣點(diǎn)間的平均距離為133 km。在采樣區(qū)上共采集28根土柱(通過(guò)Geoprobe取樣儀器, 分別在糧田與菜地上采集14根土柱)。土柱的采集從地表依次向下, 盡可能取至土壤飽和含水層。采集的土壤樣品直接裝入直徑4.1 cm、長(zhǎng)1 m的樣品管內(nèi), 安上管蓋, 并用膠帶密封管口, 防止水分蒸發(fā)。將樣品管帶回試驗(yàn)室后, 立即進(jìn)行切割, 并記錄土壤質(zhì)地。0～1 m深土柱按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm的深度分層, 1 m以下的土柱每50 cm分一層, 分層后土壤放入密封保存袋, 4 ℃以下保存。

土壤硝態(tài)氮的測(cè)定: 采用1 mol?L?1的氯化鉀(KCl)溶液以1∶5比例振蕩1 h浸提過(guò)濾后, 用雙波長(zhǎng)紫外分光光度計(jì)(島津UV-2450)測(cè)定濾液中的硝態(tài)氮含量。土壤含水量的測(cè)定采用烘干法。

1.3 氮肥用量數(shù)據(jù)收集

通過(guò)資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站[21]獲取華北平原土地面積和農(nóng)田(糧田與菜地)面積數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)地方調(diào)查結(jié)果、參考文獻(xiàn)[22]、《中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒2017》[23]以及《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2020》[24]整理收集華北平原采樣區(qū)涵蓋省份的各區(qū)縣42年(1978?2019年)的氮肥投入數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

相關(guān)數(shù)據(jù)采用Arcmap 10.2.2、Excel 2016和IBM SPSS statistic 19軟件處理與統(tǒng)計(jì)分析, 通過(guò)Arcmap 10.2.2、Excel 2016繪圖。

1.4.1 剖面農(nóng)田硝態(tài)氮累積量

式中:F1和F2分別為取樣點(diǎn)糧田和菜地土壤硝態(tài)氮累積量(kg?hm?2),Ci1和Ci2分別為糧田與菜地各層土壤硝態(tài)氮的含量(mg?kg?1),Zi為剖面土壤深度(cm),Di為每層土壤容重(g?cm?3)。

1.4.2 農(nóng)田包氣帶硝態(tài)氮總存儲(chǔ)量

華北平原糧田或者菜地面積權(quán)重為k1和k2(k1=糧田面積/土地面積,k2=菜地面積/土地面積)。在Arcmap 10.2.2運(yùn)行環(huán)境中, 通過(guò)反距離權(quán)重插值法(IDW)得到華北平原區(qū)域糧田與菜地硝態(tài)氮實(shí)際累積量(kg?hm?2)分布矢量圖。

將矢量圖轉(zhuǎn)化為柵格圖(像元面積U為627.2 m2,像元個(gè)數(shù)為N), 由GIS圖層屬性中的“unique values”,獲取圖層上每個(gè)像元所代表的硝態(tài)氮累積量Fnitrate(kg?hm?2):

包氣帶不同深度(0～2 m、0～3 m、0～6 m、0～10 m、0～16 m、0～25 m、0～40 m和0～50 m)區(qū)域的農(nóng)田(糧田或者菜地)面積Sm為:

則, 硝態(tài)氮在農(nóng)田(糧田或者菜地)不同深度包氣帶區(qū)域總存儲(chǔ)量Tm(10 kt)為:

同樣地, 由華北平原不同區(qū)縣農(nóng)田的包氣帶埋深與面積, 統(tǒng)計(jì)得到對(duì)應(yīng)區(qū)縣的包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量。

1.4.3 不同埋深區(qū)域包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量與氮肥投入比值關(guān)系

NR為不同埋深區(qū)域包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量(Tm)與對(duì)應(yīng)區(qū)域的氮肥投入(TNF)的比值關(guān)系(ratio of nitrate storage to nitrogen fertilizer input in vadose zone)。NR值反映了氮肥投入對(duì)華北平原基本農(nóng)田包氣帶硝態(tài)氮?dú)堄嗟挠绊懗潭取Ｓ?jì)算如下:

1.4.4 地下水層的硝態(tài)氮淋失量

華北平原0～50 m不同埋深區(qū)域進(jìn)入地下水層的硝態(tài)氮淋失量(NL, 10 kt), 反映了由地表至地下不同深度帶中, 在氮肥施加條件下引起的硝態(tài)氮淋失程度。本試驗(yàn)中, 假定N Ri>N Rj(i、j分別表示由地表至地下的不同深度, 且i>j), 已知在深度j至i的含水層的區(qū)域面積與包氣帶深度為j的區(qū)域面積相同, 則包氣帶深度為j的區(qū)域范圍的氮肥投入(T NFj)引起的進(jìn)入2～50 m地下水層的硝態(tài)氮淋失總量, 可由以下公式計(jì)算得到:

2 結(jié)果與分析

2.1 華北平原氮肥投入變化

2.1.1 時(shí)間變化

華北平原42年(1978?2019年)的平均氮肥投入量在不同省份間有不同表現(xiàn)。河南省農(nóng)田的年均氮肥投入最高, 達(dá)325 kg?hm?2?a?1。其次是江蘇省與山東省, 年均氮肥投入分別為319 kg?hm?2?a?1和314 kg?hm?2?a?1。河北省與安徽省年均氮肥投入相對(duì)較小, 分別為277 kg?hm?2?a?1和269 kg?hm?2?a?1。各省份在1978?2019年的年均氮肥投入變化表現(xiàn)出先增長(zhǎng)后減少的特點(diǎn)(圖2)。1978?1998年期間氮肥投入呈持續(xù)增長(zhǎng), 這與該時(shí)段人們一味追求糧食高產(chǎn)有關(guān)。但是在1998?2019年間, 隨著人們對(duì)氮肥利用效率認(rèn)識(shí)水平的提高和對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視, 氮肥的投入量有所下降。江蘇省、山東省、河北省與安徽省的年均氮肥投入在1998?2019年呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。河南省在1998?2014年呈波動(dòng)變化, 在2014?2019年年均氮肥投入呈下降趨勢(shì)。

圖2 不同省份在華北平原耕地面積區(qū)域42年(1978—2019年)氮肥投入變化Fig.2 Changes of N fertilizer inputs in cultivated land area of the North China Plain during 42 years (1978?2019)

2.1.2 空間變化

1978?2019年華北平原農(nóng)田氮肥總投入為6449萬(wàn)t, 糧田與菜地分別為5024萬(wàn)t和1425萬(wàn)t。不同區(qū)縣農(nóng)田氮肥總投入存在差異, 且區(qū)縣范圍糧田氮肥總投入是菜地的3～6倍(圖3)。華北平原南部和東部的區(qū)縣農(nóng)田氮肥總投入較高, 糧田和菜地氮肥總投入分別在14萬(wàn)～59萬(wàn)t和4萬(wàn)～16萬(wàn)t。而其西部區(qū)縣農(nóng)田氮肥總投入相對(duì)較低, 糧田和菜地氮肥總投入分別在6萬(wàn)～30萬(wàn)t和1萬(wàn)～10萬(wàn)t之間。

圖3 華北平原糧田(a)和菜地(b)不同區(qū)縣42年(1978—2019年)氮肥總投入空間分布Fig.3 Spatial distribution of total N fertilizer input of grain (a) and vegetable (a) fields in different counties of the North China Plain from 1978 to 2019

華北平原地下水埋深為10～50 m的區(qū)縣范圍的農(nóng)田1978?2019年氮肥總投入為7萬(wàn)～57萬(wàn)t, 平均氮肥投入為27萬(wàn)t。而在地下水埋深為2～6 m的區(qū)縣范圍上, 其農(nóng)田42年(1978?2019年)氮肥總投入為18萬(wàn)～75萬(wàn)t。98個(gè)區(qū)縣中有86%的氮肥總投入>30萬(wàn)t, 平均氮肥投入為43萬(wàn)t, 可能造成大量硝態(tài)氮淋失進(jìn)入地下含水層[2]。

2.2 華北平原農(nóng)田包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)與分布

2.2.1 硝態(tài)氮存儲(chǔ)

應(yīng)用GIS結(jié)合取樣結(jié)果計(jì)算得到華北平原農(nóng)田包氣帶硝態(tài)氮總存儲(chǔ)量為1854萬(wàn)t, 其中糧田和菜地包氣帶存儲(chǔ)量分別為1453萬(wàn)t和401萬(wàn)t[1]。不同地下水埋深區(qū)的硝態(tài)氮分布如圖4所示, 隨著包氣帶深度的增加(圖1), 糧田與菜地單位面積硝態(tài)氮存儲(chǔ)量也隨之增加。糧田與菜地最低單位面積硝態(tài)氮存儲(chǔ)量分別為1061 kg?hm?2和1283 kg?hm?2; 而糧田與菜地的最高單位面積硝態(tài)氮存儲(chǔ)量分別為2821 kg?hm?2和3346 kg?hm?2。在3 m、6 m、10 m、16 m、25 m和40 m的糧田地下水埋深區(qū)域, 單位面積硝態(tài)氮存儲(chǔ)量分別為1125 kg?hm?2、1255 kg?hm?2、1591 kg?hm?2、2118 kg?hm?2、2137 kg?hm?2和2183 kg?hm?2; 在3 m、6 m、10 m、16 m、25 m和40 m的菜地地下水埋深區(qū)域, 單位面積硝態(tài)氮存儲(chǔ)量分別為1800 kg?hm?2、2080 kg?hm?2、2100 kg?hm?2、2622 kg?hm?2、2828 kg?hm?2和3014 kg?hm?2。

圖4 華北平原糧田(a)與菜地(b)不同包氣帶區(qū)域的平均硝態(tài)氮存儲(chǔ)量Fig.4 Average nitrate storage of grain fields (a) and vegetable fields (b) in regions with different depths of vadose zones in the North China Plain

2.2.2 0～16 m農(nóng)田包氣帶硝態(tài)氮空間分布

包氣帶不同層次的糧田與菜地硝態(tài)氮累積量空間分布明顯不同(圖5): 糧田包氣帶0～2 m硝態(tài)氮累積的高峰區(qū)主要分布在華北平原中西部區(qū)域(河北省與河南省), 包氣帶2～3 m硝態(tài)氮累積的高峰區(qū)出現(xiàn)在西部、中部及東部區(qū)域, 包氣帶3～10 m硝態(tài)氮累積量高峰區(qū)分布雖然有所變化, 但主要集中于華北平原的中西部及東部區(qū)域, 包氣帶10～16 m硝態(tài)氮累積量的高峰區(qū)則主要分布在西北部、東部區(qū)域和中西部的小塊區(qū)域。菜地包氣帶0～2 m硝態(tài)氮累積的高峰區(qū)出現(xiàn)在中部及東部的山東半島區(qū)域, 其0～2 m平均硝態(tài)氮含量是糧田的1.52倍; 包氣帶2～3 m硝態(tài)氮累積的高峰區(qū)分布于東部區(qū)域; 包氣帶3～5 m硝態(tài)氮累積的高峰區(qū)主要分布在中西部和東部區(qū)域;包氣帶5～10 m硝態(tài)氮累積的高峰區(qū)主要分布在東部區(qū)域; 包氣帶10～16 m硝態(tài)氮累積的高峰區(qū)則出現(xiàn)在西北部區(qū)域。糧田與菜地硝態(tài)氮累積量隨著深度變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì), 有85%的采樣點(diǎn)累積峰出現(xiàn)在0～5 m深度。而>5 m深度的包氣帶區(qū)域, 硝態(tài)氮累積量隨著包氣帶深度加深而減小, 在深層包氣帶中逐漸趨于穩(wěn)定, 表明包氣帶厚度小于5 m的區(qū)域, 部分硝態(tài)氮已淋失進(jìn)入地下水中。

圖5 華北平原0～16 m各土壤層糧田與菜地硝態(tài)氮累積量空間分布Fig.5 Spatial distribution of nitrate accumulation in grain fields and vegetable fields in 0?16 m soil layer in the North China Plain

2.3 氮肥投入與包氣帶-地下含水層硝態(tài)氮總量

2.3.1 氮肥投入與包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)

在華北平原(糧田與菜地)不同包氣帶深度(2～50 m)的區(qū)域, 不同區(qū)縣的氮肥投入量(1978?2019年)與對(duì)應(yīng)包氣帶存儲(chǔ)量均呈正相關(guān)關(guān)系, 在糧田與菜地的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.42～0.92和0.48～0.96(圖6, 圖7)。隨著埋深的增加,R2值隨之增大, 在包氣帶厚度>10 m的農(nóng)田區(qū), 其R2值均大于0.7。

圖6 華北平原糧田在不同地下水埋深(2 m、3 m、6 m、10 m、16 m、25 m、40 m、50 m)區(qū)域的氮肥投入與硝態(tài)氮存儲(chǔ)量關(guān)系Fig.6 Relationship between N fertilizer input and nitrate storage in grain fields with different depths of groundwater tables (2 m, 3 m, 6 m, 10 m, 16 m, 25 m, 40 m, 50 m) in the North China Plain

圖7 華北平原菜地在不同地下水埋深(2 m、3 m、6 m、10 m、16 m、25 m、40 m、50 m)區(qū)域的氮肥投入與硝態(tài)氮存儲(chǔ)量關(guān)系Fig.7 Relationship between N fertilizer input and nitrate storage in vegetable fields with different depths of groundwater tables(2 m, 3 m, 6 m, 10 m, 16 m, 25 m, 40 m, 50 m) in the North China Plain

為了進(jìn)一步探究農(nóng)田氮肥投入對(duì)包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量的影響程度, 本研究統(tǒng)計(jì)了不同埋深區(qū)域的縣域氮肥投入與對(duì)應(yīng)包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量的比值(NR)。結(jié)果顯示隨著深度的增加, NR值隨之增大。糧田與菜地種植區(qū)域, NR值的范圍分別為0.14～0.39和0.15～0.41 (表1)。表明在理想化條件下, 包氣帶深度>10 m、農(nóng)田面積和土壤質(zhì)地均相同, 氮肥投入水平越高, 包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)總量越大。

表1 華北平原不同地下水埋深區(qū)域的硝態(tài)氮存儲(chǔ)與氮肥投入比值(NR值為樣本平均結(jié)果)Table 1 Ratio of nitrate storage to N fertilizer input at different regions with different depths of groundwater tables in the North China Plain (NR value is the average result of samples)

2.3.2 農(nóng)田淋失進(jìn)入地下水層的硝態(tài)氮

長(zhǎng)期大量施肥, 導(dǎo)致華北平原農(nóng)田投入硝態(tài)氮進(jìn)入2 m以下地下水的淋失總量為875.21萬(wàn)t, 糧田與菜地區(qū)域淋失總量分別為675.65萬(wàn)t和199.56萬(wàn)t,分別占糧田與菜地42年(1978?2019年)氮肥總投入的13%和14% (表2)。在不同的含水層區(qū)域, 硝態(tài)氮淋失量不同。硝態(tài)氮單位面積淋失量最大為1189 kg?hm?2, 出現(xiàn)在3～6 m含水層區(qū)域, 最小為59 kg?hm?2,出現(xiàn)在40～50 m含水層區(qū)域(表2, 圖8)。在華北平原縣域范圍, 農(nóng)田硝態(tài)氮淋失量最大為7.84萬(wàn)～14.93萬(wàn)t, 主要分布在山東省、安徽省與河南省地下水埋深較淺(2～6 m)的區(qū)域; 農(nóng)田硝態(tài)氮淋失量最小為0.07萬(wàn)～2.79萬(wàn)t, 主要分布在河北省地下水埋深較深(>25 m)的區(qū)域(圖8)。表明厚包氣帶對(duì)硝態(tài)氮從包氣帶進(jìn)入地下含水層具有重要緩沖作用, 而在地下水埋深較淺的區(qū)域更應(yīng)該重視硝態(tài)氮的淋失造成的地下水污染。

圖8 華北平原糧田(a)與菜地(b)進(jìn)入2 m埋深以下地下水的平均硝態(tài)氮林失量Fig.8 Average nitrate leaching amount in grain fields (a) and vegetable fields (b) of the regions with groundwater table below 2 m of the North China Plain

表2 華北平原農(nóng)田硝態(tài)氮進(jìn)入2 m埋深以下地下水的淋失量Table 2 Amount of nitrate leaching from farmland into aquifer below the 2 m depth of groundwater table in the NCP

3 討論

3.1 華北平原農(nóng)田包氣帶硝態(tài)氮累積與存儲(chǔ)

以往土壤采樣調(diào)查結(jié)果主要分析比較剖面硝態(tài)氮累積情況, 卻很少在區(qū)域范圍上對(duì)硝態(tài)氮存儲(chǔ)量進(jìn)行估算[25-26]。許多證據(jù)表明, 儲(chǔ)存在深層包氣帶中的硝態(tài)氮在全球氮循環(huán)中發(fā)揮重要作用[15-17,26]。因此量化包氣帶硝態(tài)氮的存儲(chǔ)有利于從大尺度分析氮運(yùn)輸轉(zhuǎn)化, 目前一種常用的全球尺度模型的方法是PCR-GLOBWB模型[27]。Turkeltaub等[27]基于Richards和ADE的完善方法以及PCR-GLOBWB模型方法, 分析比較了中國(guó)黃土高原區(qū)域采樣調(diào)查結(jié)果與地下水補(bǔ)給通量、硝態(tài)氮儲(chǔ)量的模擬結(jié)果, 指出全球模型方法高估了包氣帶硝態(tài)氮的存儲(chǔ)。本研究基于實(shí)地采樣和調(diào)查結(jié)果, 對(duì)華北平原農(nóng)田包氣帶土壤硝態(tài)氮的存儲(chǔ)總量進(jìn)行了計(jì)算, 糧田區(qū)和蔬菜種植區(qū)包氣帶存儲(chǔ)的硝態(tài)氮總量分別是1453萬(wàn)t和401萬(wàn)t[1]。Gao等[26]認(rèn)為土地利用方式的改變對(duì)包氣帶硝態(tài)氮累積量有顯著影響, 這與本研究蔬菜地硝態(tài)氮累積量高于糧田累積一致。包氣帶土壤剖面硝態(tài)氮累積分布的差異與土壤質(zhì)地差異有關(guān)[28-29]。一般而言, 黏土層由于其粒徑與孔隙度較小, 質(zhì)地較細(xì), 有利于硝態(tài)氮在土壤中的累積, 砂土則相反[29]。這與本研究中不同區(qū)域土壤剖面硝態(tài)氮累積峰分布規(guī)律一致: 河南民權(quán)糧田硝態(tài)氮累積峰出現(xiàn)在3～5 m深黏土層;封丘糧田區(qū)域硝態(tài)氮累積高峰區(qū)對(duì)應(yīng)的土壤層以黏土和壤土為主; 滑縣的糧田區(qū)域1～2 m深土壤層主要為砂土, 其硝態(tài)氮累積量較低, 僅為192 kg?hm?2;曲周蔬菜種植區(qū), 包氣帶1～2 m深層主要為砂土, 該層次的硝態(tài)氮累積量低于上層的黏土和下層壤土層。

3.2 包氣帶深度與農(nóng)田硝態(tài)氮存儲(chǔ)

農(nóng)田包氣帶作為硝態(tài)氮重要的淋失通道, 其厚度可能影響到硝態(tài)氮存儲(chǔ)、分布以及進(jìn)入地下水的難易程度[9]。淺層包氣帶土壤硝態(tài)氮很容易淋失進(jìn)入地下水中, 而深層包氣帶的較長(zhǎng)路徑則為硝態(tài)氮向地下含水層遷移提供了緩沖時(shí)間[9]。有研究認(rèn)為在包氣帶深層缺氧環(huán)境中, 發(fā)生反硝化作用幾率較高[30]; 另一部分研究認(rèn)為由于深層包氣帶缺少碳源,很大程度上不會(huì)發(fā)生反硝化作用[31]。牛明芬等[32]研究遼寧省的設(shè)施蔬菜基地發(fā)現(xiàn), 0～40 cm土壤硝態(tài)氮累積與土層深度呈現(xiàn)出一定的數(shù)量關(guān)系, 但是相關(guān)性較弱。袁利娟等[30]研究河北省正定與欒城的包氣帶硝態(tài)氮分布差異指出, 4 m以上的土壤硝態(tài)氮含量與深度無(wú)相關(guān)關(guān)系, 可能是受到包氣帶水的頻繁垂向運(yùn)移變化影響。作物根系埋深一般分布在淺層包氣帶(0～2 m), 這一包氣帶層是根系吸收、土壤礦化作用、揮發(fā)作用、微生物硝化與反硝化作用的活躍地帶, 同時(shí)受到外界因子(氣溫、降水及人為活動(dòng))的干擾程度較高。淺層包氣帶土壤硝態(tài)氮累積規(guī)律根據(jù)地理?xiàng)l件的改變而有所區(qū)別, 深層包氣帶則更有利于研究硝態(tài)氮的存儲(chǔ)規(guī)律。土壤硝態(tài)氮一旦被淋洗到根系吸收層以下, 則很難被作物吸收, 在降雨和灌溉作用下, 會(huì)向土壤更深層遷移[5,33], 包氣帶厚度越大, 存儲(chǔ)空間越大, 硝態(tài)氮存儲(chǔ)累積量越高。本研究發(fā)現(xiàn)區(qū)域硝態(tài)氮的累積分布基本符合這一規(guī)律,單位面積的硝態(tài)氮存儲(chǔ)量與包氣帶深度呈正相關(guān)關(guān)系(糧田與菜地的R2分別為0.86和0.52)。

3.3 氮肥投入對(duì)農(nóng)田硝態(tài)氮淋失與累積的影響

華北平原是中國(guó)糧食生產(chǎn)的重要基地, 擁有悠久的種植歷史[22]。近十幾年來(lái)華北平原農(nóng)田區(qū)域的氮肥投入總量過(guò)高, 造成大量硝態(tài)氮?dú)堄嘣谕寥乐小Ｓ醒芯繄?bào)道[2]在華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作的農(nóng)田類型中, 當(dāng)?shù)度肓康陀?03 kg?hm?2時(shí), 淋洗在土壤中的硝態(tài)氮并不大; Zhang等[15]的研究表明180～196 kg?hm?2的氮肥投入是玉米高產(chǎn)量和低硝態(tài)氮淋失的重要區(qū)間。河北欒城的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明, 年施氮量為400 kg(N)?hm?2情景下, 小麥-玉米根層的硝態(tài)氮淋溶損失占肥料氮的11.8%～16.4%[1]。本研究突破根系吸收層的限制, 對(duì)多年氮肥投入與包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量進(jìn)行線性擬合, 指出糧田與菜地的NR值范圍分別為0.14～0.39和0.15～0.41。華北平原農(nóng)業(yè)區(qū)縣在追求高產(chǎn)的目標(biāo)條件下, 氮肥的高投入導(dǎo)致了土壤硝態(tài)氮淋失進(jìn)入地下含水層。已有研究指出華北平原區(qū)域的地下水硝態(tài)氮含量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。本研究發(fā)現(xiàn)華北平原農(nóng)田區(qū), 淋失進(jìn)入2～50 m地下含水層的硝態(tài)氮淋失總量為875.21萬(wàn)t, 山東省、安徽省與河南省地下水埋深較淺(2～6 m)區(qū)域的農(nóng)田硝態(tài)氮淋失量較大, 而地下水埋深較深(>25 m)的河北省區(qū)域的農(nóng)田硝態(tài)氮淋失量較小。進(jìn)一步說(shuō)明了厚包氣帶對(duì)硝態(tài)氮截留存儲(chǔ)作用, 在地下水埋深較淺的區(qū)域更易造成硝態(tài)氮淋失, 因此在評(píng)價(jià)區(qū)域尺度硝態(tài)氮的累積與地下水安全問(wèn)題時(shí), 需將包氣帶深度這個(gè)參數(shù)考慮在內(nèi), 加強(qiáng)對(duì)地下水淺埋深區(qū)氮肥投入量的監(jiān)控, 科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)民施肥和管理[34-36]。

4 結(jié)論

1)華北平原農(nóng)田硝態(tài)氮累積存儲(chǔ)分布與我國(guó)糧食主要種植區(qū)以及蔬菜主要種植區(qū)相對(duì)應(yīng), 不同作物種植區(qū)(糧田與菜地), 0～16 m包氣帶土壤剖面硝態(tài)氮含量分布存在差異。在2～50 m的埋深范圍內(nèi),隨著包氣帶深度的增加, 華北平原農(nóng)田(糧田與菜地)單位面積硝態(tài)氮存儲(chǔ)量也隨之增加。

2)糧田與菜地的硝態(tài)氮存儲(chǔ)量與氮肥投入的比值范圍分別為0.14～0.39和0.15～0.41, 氮肥投入水平越高, 包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)總量越大。在2 m、3 m、6 m、10 m、16 m、25 m、40 m和50 m深包氣帶,糧田包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量分別占氮肥投入量的14%、18%、26%、30%、33%、35%、38%和39%, 菜地包氣帶硝態(tài)氮存儲(chǔ)量占氮肥投入量的15%、20%、28%、32%、34%、36%、40%和41%。

3)大量氮肥是引起農(nóng)田關(guān)鍵帶硝態(tài)氮貯存與淋失的主要原因。糧田與菜地進(jìn)入2～50 m地下含水層的硝態(tài)氮淋失總量分別為675.65萬(wàn)t和199.56萬(wàn)t,分別占糧田與菜地氮肥總投入的13%和14%。