非飽和帶全剖面尿素態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律分析*

莫曉鈺， 彭 輝,2,3**

(1. 中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實驗室， 山東 青島 266100；3. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境地質(zhì)工程山東省重點(diǎn)實驗室， 山東 青島 266100)

地下水氮污染已成為一個目前普遍關(guān)注的、嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]。我國北方環(huán)渤海七省(市)中約34.1%的地下水硝態(tài)氮超標(biāo)，其中山東省約有1/3的地下水中硝態(tài)氮超過20 mg/L[2]。地下水氮污染很大程度上是由農(nóng)業(yè)不合理施用氮肥造成的[3]。土壤中氮素轉(zhuǎn)化與氮肥利用、積累和損失有著密切的關(guān)系，直接影響著作物對氮素吸收和非飽和帶中氮素的遷移轉(zhuǎn)化[4]，同時氮的有效利用對于優(yōu)化作物產(chǎn)量、減少地下水氮損失至關(guān)重要[5]。

尿素作為最廣泛使用的氮肥，占中國農(nóng)業(yè)總氮的67%[6]，其施用后在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化過程以及淋溶損失, 國內(nèi)外已進(jìn)行了不少研究。高鵬程等[7]研究表明，溫度和含水率與尿素水解速率呈正相關(guān)，并存在交互作用；Hartmann等[8]研究表明，增加施氮量可以促進(jìn)尿素水解速率；Castaldelli等[9]研究表明，土壤類型和氣候條件影響尿素轉(zhuǎn)化動力學(xué)；Srivastava等[10]研究表明，不同灌溉施肥水平影響施用尿素后氮運(yùn)移和淋溶變化。同時由于近幾年技術(shù)手段的改進(jìn)，有關(guān)深層尿素運(yùn)移的研究也越來越多。降水、灌溉和施氮量是影響水氮運(yùn)移到根區(qū)以下深層土壤的主要因素[11]。商放澤等[12]研究了不同水氮處理下尿素在0～450 cm深層土壤中遷移轉(zhuǎn)化特性；Min等[13]比較了不同灌溉農(nóng)業(yè)用地類型下施加尿素后深層硝酸鹽儲存和淋溶情況；Wang等[14]研究了長期施用尿素對深包氣帶土壤中硝態(tài)氮積累、淋溶和反硝化的影響。但是目前利用田間試驗數(shù)據(jù)全面量化尿素轉(zhuǎn)化過程和損失途徑還有難度，而數(shù)值模型作為定量研究的常用工具，在模擬氮素遷移轉(zhuǎn)化過程方面應(yīng)用廣泛，運(yùn)用數(shù)值模型量化全剖面尿素遷移轉(zhuǎn)化過程和氮損失途徑對預(yù)測地下水氮污染十分有必要。

近幾十年來，國內(nèi)外開發(fā)了許多土壤氮素運(yùn)移轉(zhuǎn)化的數(shù)值模型，可用來模擬不同水氮條件下施加有機(jī)氮肥后的非飽和帶氮素遷移轉(zhuǎn)化過程，如EU-Rotate_N[15]、LEACHM[16]、RZWQM2[17]等。同時模型也可用來模擬不同土壤質(zhì)地下氮素遷移轉(zhuǎn)化過程。Salazar等[18]通過DAISY模型預(yù)測了粗質(zhì)土壤施用尿素后的水氮動態(tài)；Magaia等[19]利用APSIM模型模擬砂質(zhì)壤土施用氮肥后水氮變化。有些研究耦合模擬氮素遷移轉(zhuǎn)化過程和作物的生長過程，以此來研究不同作物生長條件下氮素遷移轉(zhuǎn)化過程，如PILOTE模型中添加作物氮素管理過程，建立PILOTE-N模型，可模擬作物產(chǎn)量和氮素遷移轉(zhuǎn)化過程[20]。在眾多非飽和帶氮遷移轉(zhuǎn)化模型中，HYDRUS以其操作簡單、數(shù)據(jù)獲取容易、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)得到了大量的應(yīng)用。HYDRUS-1D作為常用的非飽和帶水氮運(yùn)移模型，對土壤中氮素運(yùn)移已經(jīng)進(jìn)行了大量的模擬[21-23]，但對轉(zhuǎn)化過程的不完整描述以及確定參數(shù)過程中僅考慮無機(jī)氮導(dǎo)致不能準(zhǔn)確描述土壤尿素態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化過程，所以準(zhǔn)確量化尿素轉(zhuǎn)化動力學(xué)，建立符合實際的非飽和帶全剖面氮素遷移轉(zhuǎn)化模型具有重要意義。

本研究在實驗室土柱實驗的基礎(chǔ)上考慮灌溉、降水和蒸發(fā)等過程，建立大沽河地下水源地非飽和帶全剖面尿素態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化模型，描述灌溉農(nóng)業(yè)條件下尿素態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及損失途徑，量化了它們對整體氮平衡的貢獻(xiàn)。同時分析不同灌溉施肥模式下硝態(tài)氮深層淋溶和根系吸氮規(guī)律，從而定量評價不同施肥灌溉模式對地下水硝態(tài)氮污染的影響程度，為合理預(yù)測地下水氮污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大沽河流域位于青島市大沽河中下游。研究地點(diǎn)位于大沽河地下水源地中上游萊西市店埠鎮(zhèn)東莊頭村(北緯36°44′13″，東經(jīng)120°21′04″)，地下水埋深為3 m左右。表1列出了該場地土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。

表1 供試土壤剖面基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗裝置 模擬淋溶裝置采用PVC管，內(nèi)徑為6 cm，高為100 cm，底部用200目尼龍網(wǎng)篩封口，然后墊上5 cm薄層潔凈石英砂粒。砂粒和土壤之間放上300目尼龍網(wǎng)。PVC管頂端放置進(jìn)水管，用塑料膜封口固定，同時為盡量還原實際土壤環(huán)境，用針扎若干小孔以保證通氣，然后進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)。裝置側(cè)面20、40和60 cm設(shè)置三個開口，放置微型土壤溶液取樣器，底部設(shè)置一個開口，以便收集剖面和底部滲濾液。實驗裝置圖如1所示。

圖1 土柱裝置圖

1.2.2 試驗方法 為了模擬實際施肥條件下施加尿素的氮素淋溶情況，在研究區(qū)進(jìn)行玉米種植農(nóng)戶氮肥施用量調(diào)查，通過調(diào)查得到當(dāng)?shù)赜衩椎视昧看蠖嘣?50～500 kg·hm-2的范圍內(nèi)變動，然后取平均約為400 kg·hm-2作為模擬的尿素施用量，折合成每個土柱的施氮量113.1 mg。

試驗設(shè)N0、N1 兩個肥料處理，N0處理為不施肥對照，N1處理為常規(guī)施用尿素，每個處理設(shè)3次平行。

采集土壤運(yùn)到實驗室后，自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，過篩后，調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的60%，預(yù)培養(yǎng)7 d。按照實際土壤 0～100、100～200和200～300 cm 3個剖面等比例依次填充到土柱 0～30、30～60和60～80 cm。按土壤不同剖面容重進(jìn)行等容重裝土，每隔5 cm分層壓實填入土柱，確保裝填后土柱上下容重相同。

24 h后開始第一次淋洗，為避免多余干擾，使用超純水進(jìn)行淋洗，每次每個土柱用水量為375 mL，淋洗頻率為每5天淋洗1次，共淋洗4次，淋溶水總量相當(dāng)于當(dāng)?shù)叵挠衩邹r(nóng)田一季的灌溉量和降雨量的總和(530.8 mm)。試驗時用蠕動泵從土柱頂端均勻穩(wěn)定進(jìn)水，進(jìn)水速度為3.8 mL·min-1，確保土層表面不積水。第一次淋洗時將施加的尿素隨淋洗液一次性注入，隨后幾次的淋洗只加去離子水。每次用量筒從取樣口采集水樣和收集溢水口出水，待不再有濾液流出時，用量筒量取淋溶液體積，將收集到的淋溶液用真空泵抽濾過 0.45 μm濾膜后，并測定不同淋洗時期淋溶液中的酰胺態(tài)氮、氨氮和硝態(tài)氮等。

1.2.3 指標(biāo)測定和數(shù)據(jù)處理 淋溶液氨氮采用納氏試劑光度法測定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定，酰胺態(tài)氮采用二乙酰一肟法測定。新鮮土樣用2 mol·L-1氯化鉀溶液(水土比為5∶1)浸提后分別采用靛酚藍(lán)比色法、紫外分光光度法測定。同時，用烘干法測定土壤含水率。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019軟件處理和分析，通過Origin 9.1軟件進(jìn)行作圖。

1.3 土柱模型建立

使用有限元模型Hydrus-1D[24]建立實驗室土柱一維尿素遷移轉(zhuǎn)化模型，模擬一維水氮運(yùn)移和轉(zhuǎn)化。將模型域離散化為100個8 mm的節(jié)點(diǎn)，以形成80 cm的規(guī)則垂直網(wǎng)格。最小時間步長設(shè)置為1×10-5d，最大時間步長設(shè)置為5 d。

1.3.1 土壤水分運(yùn)移 選擇Van Genuchten參數(shù)函數(shù)[25]來求解飽和-非飽和水流的Richards方程。

初始條件為土壤剖面初始水頭，即t=0時的土壤剖面壓力水頭：

H=hi(z)-Z?z?0,t=0。

(1)

邊界條件：

(2)

(3)

式中：hi為土壤剖面初始水頭，cm；E(t)為降雨、灌溉或蒸發(fā)速率，cm·d-1。

上邊界采用變通量邊界，下邊界采用自由排水邊界，水流的運(yùn)動不受外界其他因素的影響。

1.3.2土壤溶質(zhì)運(yùn)移 結(jié)合對流彌散方程和一級反應(yīng)動力學(xué)方程，土壤中氮素的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)方程為：

(4)

(5)

(6)

式中：下標(biāo)1、2、3分別代表酰胺態(tài)氮、氨氮、硝態(tài)氮；C為土壤溶液中溶質(zhì)濃度，mg·L-1；S為土壤吸附的溶質(zhì)濃度，mg·g-1；g為土壤氣相中溶質(zhì)濃度，mg·L-1；θ為土壤體積含水率，cm3·cm-3；ρ為干容重，g·cm-3；q為體積通量密度，cm·d-1；γa為根系吸收，mg·L-1·d-1；Dw為液相中彌散系數(shù)，cm2·d-1；z為深度，cm；t為時間，d。

初始條件為土壤剖面初始氮素含量，即t=0時土壤溶液中尿素態(tài)氮、氨氮和硝態(tài)氮的濃度。

C=C0(z)-Z?z?0,t=0。

(7)

邊界條件：

(8)

(9)

上邊界采用濃度通量邊界，在逐日輸入上邊界的施肥和灌溉水中溶質(zhì)的通量；下邊界采用零濃度梯度邊界。

1.3.3 模型參數(shù)輸入 Hydrus-1D用Van Genuchten方程[25]描述土壤水分特征曲線，使用各層土壤粒徑分級(砂粒、粉砂粒和粘粒的百分含量)和土壤容重(見表1)作為輸入?yún)?shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測得出 Van Genuchten模型中的各層水力參數(shù)，每一層的土壤水分特征曲線擬合方程的參數(shù)值見表2。

表2 各層土壤水分特征曲線擬合方程參數(shù)表

對于溶質(zhì)模型，酰胺態(tài)氮、氨氮和硝態(tài)氮在自由水中的分子擴(kuò)散系數(shù)分別取1.56、1.52和1.64 cm2·d-1[26]，氨氮在土壤中的分配系數(shù)Kd，上層0～30 cm深度取經(jīng)驗值0.49 cm3·g-1，下層30～80 cm深度取經(jīng)驗值0.98 cm3·g-1[21]。本模型中氮素的反應(yīng)參數(shù)初始值參考文獻(xiàn)[26]，根據(jù)模擬值與實測值的擬合程度調(diào)整參數(shù)。調(diào)整后的參數(shù)見表3。

表3 溶質(zhì)模型中的氮素遷移轉(zhuǎn)化參數(shù)

1.4 模型參數(shù)校準(zhǔn)與驗證

在土柱試驗中，以前兩次淋洗實測氮素濃度對模型進(jìn)行校準(zhǔn)，以后兩次淋洗實測氮素濃度對模型進(jìn)行驗證。分別計算模擬值與實測值之間的平方根誤差(RMSE)、標(biāo)準(zhǔn)平方根誤差(NRMSE)和相關(guān)系數(shù)(R2)來判斷參數(shù)的最佳取值。

(10)

(11)

式中：Xi為氮素的模擬值；Yi為氮素的實測值；Y為實測值的平均值；O為測量值的平均值。

RMSE和NRMSE越接近于0，R2越接近1，說明模型的模擬效果越好。一般當(dāng)NRMSE<0.5即視為擬合良好。

1.4.1 水分運(yùn)移模型校準(zhǔn)與驗證 土柱實驗一共利用淋洗4次，共獲得4次淋溶液體積數(shù)據(jù)，因此利用前兩次淋洗后淋濾液體積進(jìn)行水分運(yùn)動校準(zhǔn)，利用后兩次淋洗后淋濾液體積進(jìn)行水分運(yùn)動驗證。

圖2 4次淋洗后淋濾液體積模擬值和實測值的校準(zhǔn)(a)和驗證(b)圖

圖2表示其相對誤差為7.4%，說明模擬值與實測值能較好的擬合，模型可以較好地模擬該區(qū)域土壤水分的運(yùn)移。

1.4.2 氮素運(yùn)移模型校準(zhǔn)與驗證 利用前兩次淋洗數(shù)據(jù)進(jìn)行氮素運(yùn)移模型校準(zhǔn)，土壤剖面氮素模擬值和實測值對比圖如3(a)、(b)、(c)所示。氮素累積淋溶量模擬值和實測值對比如圖4(a)、(b)、(c)所示。

利用后兩次淋洗數(shù)據(jù)進(jìn)行氮素運(yùn)移模型驗證，土壤剖面氮素模擬值和實測值對比圖如圖4(d)、(e)、(f)所示。氮素累積淋溶量模擬值和實測值對比如圖4(d)、(e)、(f)所示。

由圖3可知，酰胺態(tài)氮模擬值和實測值相差不大，擬合程度較好；氨氮濃度較小，模擬值和實測值擬合效果良好，其中20 cm處第一次淋洗模擬值和實測值差別較大，主要由于上層土壤為砂質(zhì)粘壤土，土質(zhì)較松散，同時水流由于重力作用向下滲透，導(dǎo)致上層淋溶液取樣較困難，淋溶液收集量較少，測定過程需適量稀釋，致使實測值數(shù)據(jù)可能存在誤差；硝態(tài)氮模擬值和實測值變化趨勢基本一致，與前兩次淋洗數(shù)據(jù)相比，后兩次淋洗模擬值和實測值差異較大，其中第三次淋洗40 cm處和第4次淋洗60 cm處模擬值和實測值差別較大，主要由于模型轉(zhuǎn)化參數(shù)選用常數(shù)，而實際實驗過程中氮轉(zhuǎn)化過程持續(xù)受溫度、水分等環(huán)境因素的影響，且隨反應(yīng)時間的增加，影響產(chǎn)生的差異越顯著。

圖3 4次淋洗剖面濃度酰胺態(tài)氮校準(zhǔn)(a)驗證(d)，氨氮校準(zhǔn)(b)驗證(e)和硝態(tài)氮校準(zhǔn)(c)驗證(f)對比圖

圖4 4次淋洗累積淋溶量酰胺態(tài)氮校準(zhǔn)(a)、驗證(d)，氨氮校準(zhǔn)(b)、驗證(e)和硝態(tài)氮校準(zhǔn)(c)、驗證(f)對比圖

通過計算，土壤氮素濃度模擬值與實測值之間的平方根誤差(RMSE)、標(biāo)準(zhǔn)平方根誤差(NRMSE)和相關(guān)系數(shù)(R2)如表4所示。

表4 土壤氮素擬合參數(shù)

從氮素模擬值和實測值對比圖以及計算得出的擬合參數(shù)可以看出，模擬值與實測值能較好的擬合，模型可以較好地模擬該區(qū)域土壤溶質(zhì)運(yùn)移。

1.5 非飽和帶全剖面尿素態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化模型建立

利用率定好的模型參數(shù)對研究區(qū)2015年夏玉米生長季節(jié)內(nèi)水氮運(yùn)移進(jìn)行模型應(yīng)用與分析。研究區(qū)地下水埋深在3 m左右，模型設(shè)置剖面深度為300 cm,按照土壤質(zhì)地概化為三層，其土壤基本理化性質(zhì)見表1。將模型域離散化為100個30 mm的節(jié)點(diǎn)，以形成300 cm的規(guī)則垂直網(wǎng)格。上邊界條件設(shè)置為大氣邊界，輸入降雨、灌溉和蒸發(fā)信息，并在模型中加入根系吸收模型，實際的根系水分吸收采用Feddes等提出的廣義根系吸水模型[27]進(jìn)行模擬。

使用修正的Penman-Monteith方程[28]和玉米適宜作物系數(shù)計算了玉米實際蒸散量ET：

ET=kc·ETo。

(12)

式中：kc為玉米作物系數(shù)，苗期取0.7，拔節(jié)-灌漿期取1.2，乳熟-成熟期取0.6[29]；ETo為參考作物蒸散發(fā)量。

夏玉米于2015年4月24號播種，8月20號收獲，全生育期為120 d。氮肥施入方式為播前施入尿素，總施氮量為400 kg·hm-2。由于干旱少雨，根據(jù)作物需求進(jìn)行人工灌水，灌溉6次，每次45 mm，降雨量按當(dāng)年實際情況設(shè)置。

實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不同灌溉施肥措施影響氮淋溶量和作物吸氮量，不合理的灌溉施肥往往會導(dǎo)致氮素利用率低，加大地下水氮素污染程度。因此根據(jù)研究區(qū)農(nóng)田實地調(diào)查，確定灌溉量270 mm、灌溉強(qiáng)度3.8 mL·min-1、施氮量400 kg·hm-2、灌施施肥為該地區(qū)種植夏玉米的常規(guī)灌溉施肥方式(W2)，在此基礎(chǔ)上灌溉量和施肥量上下浮動30%，灌溉強(qiáng)度增設(shè)兩種高強(qiáng)度情景，施肥方式增設(shè)表施和深施兩種情況，考慮單因素影響，共設(shè)置12種情景，如表5所示。

表5 灌溉和施肥模式

2 結(jié)果

2.1 尿素態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律

W2情景是通過對研究區(qū)灌溉施肥量調(diào)查所確定的農(nóng)田常規(guī)灌溉施肥措施。圖5是常規(guī)施肥條件下氮素濃度示意圖，由此情景分析尿素施加進(jìn)土壤后遷移轉(zhuǎn)化過程。尿素的主要成分為酰胺態(tài)氮，由圖5所示，施加尿素后，上層土壤50 cm處酰胺態(tài)氮濃度迅速增加，第2天達(dá)到峰值，隨之下降，20 d左右基本減少到0。150和250 cm處酰胺態(tài)氮濃度基本接近0，濃度隨時間變化不大。50 cm處氨氮濃度先升高后降低，在第6天左右達(dá)到最大值，第60天左右濃度基本減少到0，150和250 cm處氨氮濃度基本不變，始終趨近于0。而土壤硝態(tài)氮濃度始終高于酰胺態(tài)氮和氨氮，50 cm處濃度變化幅度較大，剛施尿素第1天出現(xiàn)下降趨勢，隨后上升至第17天達(dá)到峰值，之后濃度出現(xiàn)波動，但總體趨勢逐漸下降，150 cm處濃度變化較平緩，250 cm處濃度在80 d內(nèi)緩慢上升，隨后達(dá)到峰值并逐漸降低。由此可知，尿素施加土壤后表層氮素濃度變化明顯，深層氮素濃度顯著低于表層。

圖5 W2情況下酰胺態(tài)氮(a)、氨氮(b)、硝態(tài)氮(c)濃度在50、150和250 cm處濃度隨時間變化圖

2.2 硝態(tài)氮淋溶規(guī)律

2.2.1 灌溉模式 圖6(a)、(b)、(c)分別顯示了灌水量分別為189(W1)、270(W2)和351 mm(W3)時硝態(tài)氮濃度的時空變化。每次灌溉后，表層硝態(tài)氮濃度先下降再升高，30 d出現(xiàn)濃度峰值。三種灌水量的濃度峰值依次為0.461、0.509和0.519 mg·cm-3。同時，三種處理的土壤硝態(tài)氮向下運(yùn)移速度表現(xiàn)為W3>W2>W1，即增加灌溉水量，相同時間內(nèi)，土壤剖面硝態(tài)氮濃度峰下移的速度明顯加快。

由圖7(a)可知，在玉米生育期內(nèi)，土壤剖面對地下水硝態(tài)氮的累積補(bǔ)給量隨著時間的延長而增加，40 d后隨著硝化生成的硝態(tài)氮逐漸運(yùn)移到底部，灌溉水量對于硝態(tài)氮淋失量的影響開始顯現(xiàn)。同時，三種灌溉量條件下，硝態(tài)氮的累積淋失強(qiáng)度分別為91.22、93.05和103.55 kg·hm-2，淋失率分別為22.80%、23.26%和25.89%。

圖6(d)、(e)、(f)顯示了灌水強(qiáng)度分別為3.8 (I1)，9.8 (I2)和15.8 mL·min-1(I3)時硝態(tài)氮濃度的時空變化。施加尿素后前10天土壤表層硝態(tài)氮濃度表現(xiàn)為I3>I2>I1，硝態(tài)氮濃度逐漸增加，30 d出現(xiàn)濃度峰值，三種灌溉強(qiáng)度的濃度峰值依次為0.495、0.436和0.399 mg·cm-3，說明灌溉強(qiáng)度越小，濃度增加越快，同時土壤剖面硝態(tài)氮濃度峰下移速度表現(xiàn)為I1>I2>I3，灌溉強(qiáng)度越大，淋溶至深層的硝態(tài)氮含量越少。

如圖7(b)所示，灌溉強(qiáng)度與硝態(tài)氮累積淋失量呈負(fù)相關(guān)，改變灌溉強(qiáng)度對土壤硝態(tài)氮的累積淋失量影響不明顯。三種灌溉強(qiáng)度條件下，硝態(tài)氮的累積淋失強(qiáng)度分別為93.04、90.23和89.10 kg·hm-2，淋失率分別為23.26%、22.56%和22.27%。

((a)(b)(c)分別表示W(wǎng)1，W2，W3情景，(d)(e)(f)分別表示I1，I2，I3情景，(g)(h)(i)分別表示N1，N2，N3情景，(j)(k)(l)分別表示F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3情景。(a)(b)(c) respectively represent W1W2W3, (d)(e)(f) respectively represent I1I2I3, (g)(h)(I) respectively represent N1N2N3, (j)(k)(l) respectively represent F1F2F3.)

((a)(b)(c)(d)分別表示灌溉量、灌溉強(qiáng)度、施肥量和施肥方式。(a)(b)(c)(d) respectively indicate the irrigation amount, irrigation intensity, fertilization amount and fertilization method.)

2.2.2 施肥模式 圖6(g)、(h)、(i)顯示了施肥量分別為280(N1)、400(N2)和520 (N3)kg·hm-2時硝態(tài)氮濃度的時空變化。改變施肥量后，表層硝態(tài)氮濃度變化明顯。隨著施肥量的增加，隨水流進(jìn)入土壤的尿素含量升高，表層硝態(tài)氮濃度增加，剖面硝態(tài)氮濃度峰值下移的速度明顯加快，土壤剖面的硝態(tài)氮含量隨之增加，由此可知施肥量增加，淋溶至深層的硝態(tài)氮含量越多。

圖7(c)所示，地下水硝態(tài)氮的累積淋溶量隨著時間的延長而增加，施肥量與硝態(tài)氮累積淋失量呈正相關(guān)，改變施肥量對土壤硝態(tài)氮的累積淋失量影響不顯著。三種施肥條件下，土壤硝態(tài)氮累積淋失強(qiáng)度分別為90.50、93.04和95.60 kg·hm-2，淋失率分別為32.32%、23.26%和18.38%。

圖6(j)、(k)、(l)顯示了灌施(F1)、表施(F2)、深施(F3)下硝態(tài)氮濃度的時空變化。表施處理下隨水流進(jìn)入土壤的硝態(tài)氮濃度最低，土層硝態(tài)氮濃度峰值向下運(yùn)移的速度和土壤剖面硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為灌施>深施>表施。三種處理下表層土壤硝態(tài)氮濃度在30 d達(dá)到峰值，分別為0.509、0.387和0.483 mg·cm-3，說明灌施處理更易促進(jìn)硝態(tài)氮向下淋溶。

如圖7(d)所示，改變施肥方式對硝態(tài)氮累積淋失量的影響較小。三種施肥方式下，土壤硝態(tài)氮累積淋失強(qiáng)度分別為103.54、97.42和104 kg·hm-2，淋失率分別為25.89%、24.36%和26.00%。由此可知，三種施肥方式下硝態(tài)氮的淋失損失差別不大。

2.3 作物氮素吸收規(guī)律

2.3.1 灌溉模式 如圖8所示，玉米生長前期迅速吸收氮素，中后期氮吸收穩(wěn)定上升。改變灌溉量10 d左右吸氮量出現(xiàn)差異，70 d左右變化趨于穩(wěn)定，氮吸收量與灌溉量增加呈正比。改變灌溉強(qiáng)度5 d左右吸氮量出現(xiàn)差異，70 d左右變化趨于穩(wěn)定，氮吸收量與灌溉強(qiáng)度增加呈反比。三種灌水量處理的玉米累積吸氮量依次為135.40、156.96和177.13 kg·hm-2，氮利用率分別為30.81%、35.71%和40.30%。三種灌溉強(qiáng)度處理玉米累積吸氮量依次為156.96、122.05和90.71 kg·hm-2，氮利用率分別為35.72%、27.77%和20.64%。由此可見，土壤水分含量是作物吸收氮素的基礎(chǔ)，因此合適的灌溉量和灌溉強(qiáng)度是保證作物吸收量和提高氮素利用量的前提。

圖8 不同灌溉量(a)、灌溉強(qiáng)度(b)下作物根系累積吸收礦質(zhì)氮量隨時間變化圖

2.3.2 施肥模式 如圖9所示，在玉米生長期，施肥量的增加對根系吸收影響不大。改變施肥量的前10天內(nèi)作物吸氮量變化不明顯，10天之后氮吸收量與施肥量成正比，30天后吸收量變化穩(wěn)定，并隨時間逐漸增加。三種施肥量下，玉米累積吸氮量分別為152.28、156.96和160.99 kg·hm-2，氮利用率分別為47.66%、35.72%和28.77%。玉米在灌施和深施條件下根系吸收量相差不大，表施處理明顯減少根系吸氮量，三種施肥方式下吸氮量灌施>深施>表施。玉米累積吸氮量分別為148.31、138.33和145.97 kg·hm-2，氮利用率分別為33.74%、31.47%和33.21%。因此在合適的施肥量基礎(chǔ)上，灌施和深施能夠有效提高氮素利用率。

2.4 氮平衡

對于常規(guī)管理的土壤，氮的來源包括施加尿素用量和土壤殘留礦質(zhì)氮素量。本研究區(qū)土壤原生礦質(zhì)氮含量為39.52 kg·hm-2，其中氨氮占3.15%，硝態(tài)氮占96.85%。施用尿素量占氮輸入總量的91.01%。如圖10(a)所示，氮的去向主要是作物吸收、淋溶以及土壤溶液殘留。在常規(guī)施肥條件下，氮淋溶率為21.21%，其中硝態(tài)氮淋溶量占總氮淋溶量的99.83%。玉米的氮素利用率僅為35.71%，其中對硝態(tài)氮的吸收占89.77%。土壤儲氮量在氮輸出中占39.84%，其中硝態(tài)氮?dú)埩粽?5.83%。氣態(tài)氮的排放僅占氮總輸出量的3.24%，其中NH3揮發(fā)和N2O、N2排放分別占0.51%和2.73%。

圖10(b)、(c)、(d)列出了三種氮形態(tài)來源和去向。酰胺態(tài)氮來源全部為外源施加尿素，轉(zhuǎn)化率高達(dá)97.09%，少數(shù)被土壤吸附，淋溶率僅為0.01%；氨氮絕大部分來自尿素水解，硝化率為91.88%，淋溶損失僅占0.04%；而硝態(tài)氮利用率較低，作物根系利用量僅占35.56%，23.49%的硝態(tài)氮隨水淋溶至地下水，將近38%的硝態(tài)氮?dú)埩粲谕寥乐小?/p>

圖9 不同施肥量(a)、施肥方式(b)下作物根系累積吸收礦質(zhì)氮量隨時間變化圖

圖10 土壤總氮(a)、酰胺態(tài)氮(b)、氨氮(c)、硝態(tài)氮(d)來源和去向示意圖

3 討論

施加尿素后，上層土壤中酰胺態(tài)氮濃度迅速增加，隨之發(fā)生轉(zhuǎn)化，10天左右基本水解成氨氮，繼而硝化生成硝態(tài)氮[30]。模擬結(jié)果表明酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化的同時淋溶也在發(fā)生，但由于轉(zhuǎn)化速率快，酰胺態(tài)氮主要存在于上層土壤中，只有一小部分會隨水流淋溶到底部，深層土壤中含量很少。施加尿素的前10天由于尿素大量水解導(dǎo)致上層土壤氨氮濃度升高，隨后逐漸向下淋溶，由于氨氮易被土壤吸附，同時存在作物根系吸收以及硝化作用，其淋溶到深層的濃度下降，深層氨氮含量與表層相比迅速減少。表層土壤中硝態(tài)氮濃度變化顯著，而深層濃度變化平緩，這說明灌溉、施氮和根系吸氮等過程主要影響表層硝態(tài)氮濃度，且由于硝態(tài)氮淋溶到深層需要一定時間，前期深層硝態(tài)氮主要來自土壤本身殘留，之后隨著灌溉水滲透和氨氮硝化，硝態(tài)氮逐漸向下運(yùn)移，深層濃度先增加后減少，最后隨水淋溶到地下水。這與鄭文波等[31]運(yùn)用RZWQM模型模擬低山丘陵區(qū)農(nóng)田玉米季硝態(tài)氮淋溶規(guī)律所得出的研究結(jié)果一致。

在本研究中，灌溉模式改變顯著影響硝態(tài)氮淋溶量和作物根系吸氮量。土壤對硝態(tài)氮的吸附能力弱，導(dǎo)致硝態(tài)氮極易隨水流被作物吸收以及向下淋溶， Perego等[32]研究表明，硝態(tài)氮淋溶與水分運(yùn)移基本呈正相關(guān)，Srivastava等[10]研究表明，玉米對氮素的利用依賴土壤水分運(yùn)移，適度增加灌溉提高氮利用率，因此灌溉量增加，淋溶量、根系吸氮量隨之增加。同時模擬結(jié)果顯示灌溉強(qiáng)度與淋溶量、根系吸氮量呈反比。有研究結(jié)果表明，當(dāng)灌溉強(qiáng)度過大時，進(jìn)水速率超過土壤入滲速率，造成表層積水，徑流損失導(dǎo)致淋溶水量減少，氨揮發(fā)作用導(dǎo)致最終進(jìn)入土壤的氮素減少，從而使硝態(tài)氮淋溶量和作物吸氮量減少[33-34]。本研究選用大氣邊界條件，存在地表徑流損失途徑，當(dāng)灌溉強(qiáng)度增大時易產(chǎn)生徑流損失，從而導(dǎo)致進(jìn)入土壤的氮素含量下降，因此灌溉強(qiáng)度增加，硝態(tài)氮淋溶量和作物吸氮量降低。由此可知增大灌溉量顯著增加作物吸氮量，同時也增加了深層淋溶損失，而增大灌溉強(qiáng)度減少淋溶損失的同時也減少了作物吸氮量。田間灌溉在滿足作物需求的情況下也要盡量控制水量，防止過度灌溉，減少淋失至地下水的硝態(tài)氮含量。自然降雨條件在確定灌溉量時也不應(yīng)忽視，需盡量避免在夏季高強(qiáng)度大雨之前進(jìn)行灌溉，在豐水年也應(yīng)相應(yīng)減少灌溉量，從而減少硝態(tài)氮淋失，減輕地下水氮污染[35]。此外針對不同土壤水分入滲速率選擇合適的灌溉強(qiáng)度對減少氮揮發(fā)損失至關(guān)重要。

與改變水分條件相比，改變施肥條件對硝態(tài)氮淋溶量和作物根系吸氮量的影響較小。增加施肥量適當(dāng)增加作物吸氮量，同時增加了硝態(tài)氮淋溶損失，但總體影響不顯著。Xu等[36]研究表明，過度施肥并未顯著提高作物利用率，說明作物生長需氮量固定，過度施肥只會降低氮利用率，增加深層淋溶風(fēng)險。因此在保證作物產(chǎn)量的同時，要優(yōu)化氮肥施用，減少氮素流失風(fēng)險。此外模擬結(jié)果顯示三種常規(guī)施肥方式的淋溶損失差別不大，但表施條件下作物氮利用率要低于灌施和深施條件。灌施處理導(dǎo)致溶液中的尿素直接隨水流運(yùn)移轉(zhuǎn)化[37]，從而導(dǎo)致灌施比另外兩種施肥方式更容易促使氮素運(yùn)移。而表施條件下，在入滲初期，未溶解的尿素被土壤吸附，同時氨揮發(fā)作用比灌施和深施明顯，氮利用率降低[38]。因此在滿足作物氮需求的情況下，應(yīng)選擇灌施和深施肥料，以減少氨揮發(fā)損失。

本研究量化了非飽和帶全剖面上尿素態(tài)氮施加后的氮損失，模擬結(jié)果表明，尿素態(tài)氮在常規(guī)灌溉施肥處理下淋溶率很低，絕大多數(shù)水解為氨氮，最終轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，因此硝態(tài)氮淋溶是土壤氮素流失的主要途徑，外源施加氮素主要通過硝態(tài)氮形式損失。模擬結(jié)果可知不同管理策略下玉米氮素利用率為20%～50%，與其他研究結(jié)果相似[39]，這說明目前農(nóng)業(yè)施肥策略氮肥施用過量，氮素利用率不高，極易造成氮損失。除了硝態(tài)氮淋溶損失外，土壤殘留量不容忽視，大量氮素殘留于土壤溶液中，不少氮素隨水流淋溶至深層，有研究表明，由于缺乏碳源，在深包氣帶幾乎不發(fā)生反硝化反應(yīng)[14]，這意味著殘留在深層土壤中的大量硝態(tài)氮無法自然降解，導(dǎo)致后續(xù)灌水降雨過程存在氮素淋溶潛在風(fēng)險，增加地下水潛在污染威脅，因此在選擇合適的水肥條件以減少硝態(tài)氮淋溶和提高作物吸收量的同時，如何盡量減少土壤儲氮量成為接下來要考慮的問題。

對于其他氮素?fù)p失途徑，結(jié)果表明，氮素的反硝化作用和揮發(fā)損失占夏玉米的氮素總輸出量的比重較低。但土壤中較高比例的儲氮量也會增加后續(xù)N2O排放量[40]，此外氣候[41]，土壤條件[42]以及施肥方式[43]對氣態(tài)氮損失的影響，在實際情況下仍不容忽視。因此，為了有效減少農(nóng)作物生產(chǎn)中的氮損失，應(yīng)在區(qū)域范圍內(nèi)考慮采取多種措施相結(jié)合的策略。

4 結(jié)論

(1) 尿素施加之后超過97%的酰胺態(tài)氮在土壤上層水解成氨氮，但仍有淋溶到底部的可能，水解和吸附是影響尿素淋溶到底部的關(guān)鍵過程。

(2) 硝態(tài)氮淋失造成土壤主要的氮素流失，硝態(tài)氮淋溶量主要受土壤水分運(yùn)動的影響，施肥模式改變作用不顯著。

(3) 改變灌溉模式顯著影響根系吸氮量，而改變施肥模式對根系吸氮量影響較小，作物的氮素利用率主要受水分變化影響。

(4) 常規(guī)施肥條件下氮去向主要是作物吸收和淋溶，還有部分殘留于土壤中，存在潛在淋溶風(fēng)險。未來應(yīng)進(jìn)行長期氮平衡模擬，以評估土壤氮儲量的動態(tài)變化，更好的預(yù)測地下水氮淋溶風(fēng)險。

(5) Hydrus-1D模型能夠較準(zhǔn)確的進(jìn)行氮遷移轉(zhuǎn)化模擬以及平衡分析。在后續(xù)研究中，應(yīng)考慮模型參數(shù)不確定性對于結(jié)果的影響，考慮土壤溫度、水分、pH、碳氮比等環(huán)境因素對速率常數(shù)變化的影響 ，同時將生物過程和氮轉(zhuǎn)化過程相結(jié)合以進(jìn)行更加準(zhǔn)確的模擬。