不同灌溉方式對稻田土中NH4+-N遷移轉(zhuǎn)化途徑的影響

鄧秋宏,李 佳

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源化工與環(huán)境學(xué)院,四川 遂寧 629000)

化肥中氮素成分的流失是水體污染的主要來源.尿素作為我國水稻種植過程中的常用化肥,施用量大但利用率低,僅有30%～35%的尿素能被作物吸收[1],氮素?fù)p失嚴(yán)重.尿素為速溶性化肥,在土壤中的直接水解產(chǎn)物為NH4+-N,因此施尿素后土壤環(huán)境中的氮素?fù)p失主要來源于NH4+-N的遷移轉(zhuǎn)化.水分是土壤中氮素遷移轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力[2].對于水生作物水稻而言,種植過程中需多次灌溉,而施肥后7 d內(nèi)為氮素?fù)p失高峰期[3-4],因此探討此階段內(nèi)不同灌溉方式下土壤中NH4+-N的遷移轉(zhuǎn)化途徑可為制定合理的灌溉措施提供依據(jù).目前,前人研究多是將施肥量及施肥方式、降雨強(qiáng)度、溫度等因素對稻田土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響進(jìn)行研究,而針對不同灌溉方式下土壤中氮素遷移轉(zhuǎn)化途徑的對比研究較少.本研究以綿陽涪城區(qū)水稻試驗基地稻田土壤為研究對象,通過自制裝置模擬稻田,探究不同灌溉方式下水分驅(qū)動NH4+-N遷移轉(zhuǎn)化情況,以期為探明不同灌溉方式下稻田土中NH4+-N遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗基地位于四川省綿陽市涪城區(qū),該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒降貪駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),受地貌影響,降水豐沛,年均降水量為825.8～1417 mm.試驗基地稻田土壤為紫色土,土壤的理化指標(biāo)如表1所示.

表1 原狀土土壤理化指標(biāo)

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 模擬田塊設(shè)計

采用高50 cm、上口內(nèi)徑45 cm、下口內(nèi)徑39 cm的塑料桶盛裝處理過的供試土壤作為實驗?zāi)M田塊,在桶體底部中心開孔,插入橡膠軟管導(dǎo)流,采集滲濾液,并在桶體上方搭建雨棚以減少外界降雨對試驗的干擾;共設(shè)置2組試驗?zāi)M田塊系統(tǒng),分別為常規(guī)淹灌和濕潤灌溉.

供試土壤:取自綿陽市涪城區(qū)青義鎮(zhèn)稻田紫色土.

填充土壤:供試土壤按稻田原狀土容重分層(0～20 cm、20～40 cm)取出,經(jīng)過風(fēng)干過篩后按照稻田原狀土容重分層回填至各模擬田塊中.其中每個模擬田塊0～20 cm共填充土體約39 kg,20～40 cm共填充土體約42 kg.

1.2.2 實驗方法

試驗于2021年8月-9月在四川省西南科技大學(xué)水處理與污染控制中心實踐教學(xué)基地進(jìn)行.通過測定施肥后1～15 d內(nèi)兩種灌溉方式下氮素的損失量,定性定量分析施肥后淹灌狀態(tài)和濕潤狀態(tài)下施肥后稻田氮素流失情況.

水分管理:

①常規(guī)淹灌條件下水分管理:填充完土壤后,緩慢灌水至土體濕潤并達(dá)到水分飽和,后續(xù)實驗過程中按需補(bǔ)水使土體表面水層維持在4～5 cm,此時表層水體積約為8 L.

②濕潤灌溉條件下水分管理:填充完土壤后,緩慢灌水至土體濕潤狀態(tài),后續(xù)實驗過程中按需補(bǔ)水使土壤測定含水率維持在60%～100%.

施肥管理:

①肥料種類:氮肥為尿素顆粒,純N含量為464 g/kg.

②施肥量:參照當(dāng)?shù)厮痉N植常規(guī)施肥量,氮肥用量為150 kg/hm2(以純N計).根據(jù)所施尿素純N含量及每個模擬田塊填充土壤的表面面積0.138 m2可計算出,每個模擬田塊系統(tǒng)中尿素施用量為4460 mg.

③施肥方式:施肥方式采用表面撒施方式,土壤經(jīng)過濕潤處理后將尿素一次性均勻撒至土壤表層,再按照上述兩種水分管理方式分別進(jìn)行灌水處理.

1.3 樣品采集與測定

樣品采集:

①滲濾液水樣采集:常規(guī)淹灌、濕潤灌溉處理組在施肥后第1～15 d每天測定滲濾液水樣中的NH4+-N濃度,采樣時間與采集表層水樣同時進(jìn)行,為方便后期定量計算,每次收集滲濾液的時長為2h,所得濾液用量筒量取體積.

②氨揮發(fā)量采集:每隔2 d取樣測定氨揮發(fā)量.

③土壤樣品采集:實驗結(jié)束后分層(0～20 cm、20～40 cm)取樣測定土壤中全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的含量.

樣品測定:

①水樣樣品測定方法:NH4+-N的測定采用納氏試劑分光光度法[5];pH采用pHS-320型酸度計測定.

②土壤樣品測定方法[6]:土壤全氮的測定采用半微量開氏法;土壤銨態(tài)氮的測定采用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法;土壤硝態(tài)氮的測定采用紫外分光光度法;土壤亞硝態(tài)氮的測定采用磺胺/鹽酸萘乙二胺-分光光度法.

③氨揮發(fā)測定方法:采用通氣式氨揮發(fā)測定法[7].通氣裝置由內(nèi)徑16 cm、高10 cm的聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管制成,測定過程中分別將2塊厚度為2 cm、直徑16 cm的海綿均勻浸入20 mL磷酸甘油混合液并固定于管內(nèi),下層海綿置于距管底5 cm處,上層海綿與管頂部相平.

④土壤水分測定方法:采用便攜式土壤水分測定儀測定.

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田土壤中NH4+-N的遷移轉(zhuǎn)化途徑

施肥后土壤中NH4+-N的遷移轉(zhuǎn)化途徑主要包括作物吸收、淋溶和徑流損失、氨揮發(fā)、發(fā)生硝化反應(yīng)[8].

① 作物吸收

水稻吸收的氮素形態(tài)主要為NH4+-N和NO3--N[9].研究表明,農(nóng)田長期大量施用氮肥會造成土壤氮素的大量盈余[10-11],而水稻吸收利用土壤氮素的比例高于肥料[12],大大降低了氮肥利用率,因此施肥后土壤中的氮素以其他途徑損失的風(fēng)險較大.

由于本實驗中未種植作物,因此作物吸收NH4+-N的損失量可忽略不計.

② 淋溶和徑流損失

淋溶和徑流損失是土壤中氮素?fù)p失的主要途徑之一[13],通過降雨、灌溉等水分驅(qū)動,土壤溶液中的氮素隨水分遷移至地表水和地下水.由于土壤氮素遷移與土壤水分含量緊密相關(guān),因此不同灌溉方式下,氮素淋溶、徑流損失也有所差異.

由于本實驗灌溉過程中不存在徑流,故只考慮不同灌溉方式下NH4+-N的淋溶損失.

③ 氨揮發(fā)

氨揮發(fā)受土壤水分含量的影響較大,主要體現(xiàn)在兩方面[14]:一是土壤水分影響尿素溶解及水解速度;二是土壤水分影響NH3在土壤表面及土層的擴(kuò)散,部分?jǐn)U散出的NH3還可能被土壤水分溶解.因此不同灌溉方式對氨揮發(fā)存在一定影響.

④ 硝化反硝化反應(yīng)

無外源輸入前提下,土壤中增加的NO2--N、NO3--N含量主要來源于NH4+-N的硝化作用[15].土壤中NH4+-N發(fā)生硝化反硝化反應(yīng)的反應(yīng)式如下[16](土壤呈酸性):

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+

2NO2-+O2→2NO3-

2NH4++4O2→2NO3-+2H2O+4H+

根據(jù)反應(yīng)式可知,硝化反應(yīng)為需氧反應(yīng).由于土壤中的氧氣主要存在于未被土壤水分占據(jù)的土壤孔隙中,土壤水分在很大程度上決定土壤孔隙度和孔隙大小分布[17],因此土壤水分含量會影響氧氣在土壤中的擴(kuò)散,從而影響硝化反應(yīng)的進(jìn)行,故本實驗過程中需探討不同灌溉方式對NH4+-N發(fā)生硝化反應(yīng)的過程的影響.

綜上所述,在本實驗研究條件下,土壤中NH4+-N的遷移轉(zhuǎn)化途徑主要包括淋溶損失、氨揮發(fā)以及發(fā)生硝化反應(yīng).通過分析上述各遷移轉(zhuǎn)化途徑中NH4+-N的損失量,可探究不同灌溉方式對稻田土壤中NH4+-N遷移轉(zhuǎn)化途徑的影響.

2.2 不同灌溉方式下NH4+-N遷移轉(zhuǎn)化途徑中的損失量

2.2.1 淋溶損失

施肥后1～15 d內(nèi)常規(guī)淹灌和濕潤灌溉方式下淋溶液中NH4+-N濃度如圖1所示.

由圖1可知,常規(guī)淹灌方式下,淋溶液NH4+-N濃度維持在1.32～14.65 mg/L,淋溶液體積維持在1.63～3.66 L;濕潤灌溉方式下,淋溶液NH4+-N濃度維持在0.36～6.47 mg/L,淋溶液體積維持在0.29～0.75 L.經(jīng)淋溶液NH4+-N濃度和淋溶液體積計算可得,施肥后1～15 d內(nèi)常規(guī)淹灌和濕潤灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量如表2所示.

表2 不同灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量計算表

由表2計算可得,常規(guī)淹灌方式下,施肥后1～15 d內(nèi)累計NH4+-N淋溶損失總量可達(dá)到250.43 mg;濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內(nèi)累計NH4+-N淋溶損失總量僅為15.18 mg.分析可知,常規(guī)淹灌方式下施肥后1～15 d內(nèi)累計NH4+-N淋溶損失總量約為濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內(nèi)累計NH4+-N淋溶損失總量的16.5倍.

2.2.2 氨揮發(fā)損失

施肥后1～15 d內(nèi)常規(guī)淹灌和濕潤灌溉方式下氨揮發(fā)量如圖2所示.

由圖2計算可知,常規(guī)淹灌方式下,施肥后1～15 d內(nèi)累計氨揮發(fā)量可達(dá)到15.55 kg/hm2;濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內(nèi)累計氨揮發(fā)量可達(dá)到42.62 kg/hm2.根據(jù)模擬土塊土壤表面面積0.138 m2計算可得,常規(guī)淹灌、濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內(nèi)累計氨揮發(fā)量分別為214.59mg、588.16mg.由此可知,施肥后1～15 d內(nèi)濕潤灌溉產(chǎn)生的氨揮發(fā)量約為常規(guī)淹灌產(chǎn)生氨揮發(fā)量的2.7倍.

2.2.3 硝化損失

常規(guī)淹灌和濕潤灌溉方式下,土壤本底氮素含量和施肥后第15 d土壤中各氮素的含量如表3所示.

表3 不同灌溉方式下土壤施肥前后各氮素含量變化

由表3計算可知,常規(guī)淹灌方式下,施肥后1～15 d內(nèi)土壤全氮增加量為2.79 g;NH4+-N增加量為1018.92 mg;NO3--N增加量為81.93 mg;NO2--N減少量為25.8 mg.濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內(nèi)土壤全氮增加量為2.43 g;NH4+-N增加量為861.39 mg;NO3--N增加量為141.78 mg;NO2--N減少量為43.44 mg.

(1)參與水解的尿素含量

① 無機(jī)氮

無機(jī)氮包括NH4+-N、NO3--N、NO2--N三種氮素形態(tài).其中常規(guī)淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內(nèi)土壤無機(jī)氮增加總量分別為1075.05mg、959.73 mg.

② 有機(jī)氮

土壤全氮包括有機(jī)氮和無機(jī)氮兩種形態(tài),根據(jù)表3數(shù)據(jù)計算可得,常規(guī)淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內(nèi)土壤有機(jī)氮增加總量分別為1714.95 mg、1470.27 mg.由于施肥時未輸入其他有機(jī)態(tài)氮源,故施肥后第15 d土壤中增加的有機(jī)氮含量可視為殘余土壤中的尿素分子.

由于每個模擬田塊系統(tǒng)中尿素施用量均為4460 mg,綜上計算可得,常規(guī)淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內(nèi)發(fā)生水解并參與氮素遷移轉(zhuǎn)化的尿素分子含量分別為2745.05 mg、2989.73mg.

(2)NH4+-N硝化損失量

尿素施入土壤后水解生成NH4+-N的反應(yīng)式如下:

CO(NH2)2+2H2O+H+→2NH4++HCO3-

根據(jù)該方程式和發(fā)生水解并參與氮素遷移轉(zhuǎn)化的尿素分子含量計算可知,常規(guī)淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內(nèi)尿素水解產(chǎn)生的NH4+-N含量分別為1647.03 mg、1793.84 mg.結(jié)合上述分析中尿素水解產(chǎn)生的NH4+-N的損失途徑,以及不同灌溉方式下以氨揮發(fā)、滲流流失方式損失的NH4+-N量可分別計算得到NH4+-N硝化損失量.經(jīng)計算可得,不同灌溉方式下各損失途徑中NH4+-N損失量如表4所示.

表4 不同灌溉方式下各損失途徑中NH4+-N損失量

由表4可看出,常規(guī)淹灌方式下,施肥后1～15 d內(nèi)累計NH4+-N硝化損失量約為163.09 mg;濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內(nèi)累計NH4+-N硝化損失量約為329.11 mg,約為常規(guī)淹灌方式下NH4+-N硝化損失量的2.02倍.

根據(jù)2.1中稻田土壤NH4+-N的損失途徑分析,結(jié)合表4可分析得出,不同的灌溉方式會對施肥后稻田土壤中的NH4+-N損失量產(chǎn)生影響.常規(guī)淹灌方式下,施肥后15 d內(nèi)累計NH4+-N損失總量達(dá)到628.11 mg,其中,以氨揮發(fā)、淋溶以及發(fā)生硝化反應(yīng)損失的NH4+-N量分別占總損失的34.16%、39.87%、25.97%;濕潤灌溉方式下,施肥后15 d內(nèi)累計NH4+-N損失總量為932.45 mg,其中以氨揮發(fā)、淋溶以及發(fā)生硝化反應(yīng)損失的NH4+-N量分別占總損失的63.08%、1.63%、35.30%.

3 討論

3.1 不同灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量對比

NH4+-N易被土壤膠體吸附截留[18].常規(guī)淹灌方式下,由于土壤水分達(dá)到飽和形成壤中流[19],土壤吸附的NH4+-N不斷溶入土壤溶液中并隨之下滲,導(dǎo)致NH4+-N淋溶損失量較高;濕潤灌溉方式下,土壤水分未達(dá)到飽和,非飽和土壤溶液中NH4+-N濃度的運(yùn)移大大受阻于土壤對NH4+-N的吸附作用[20],導(dǎo)致大部分NH4+-N殘留在土壤中,因此相較于常規(guī)淹灌,濕潤灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量較低.

3.2 不同灌溉方式下氨揮發(fā)損失量對比

氨揮發(fā)主要來源于土壤溶液中的NH4+-N.濕潤灌溉方式下,尿素施入濕潤土壤后,充足的水分促進(jìn)了尿素的溶解,尿素溶液滲入土壤后,一部分尿素分子在土壤脲酶作用下水解生成NH4+-N并進(jìn)入土壤間隙液中,最終通過遷移在土壤表層進(jìn)行氨揮發(fā).

相較于濕潤灌溉方式,常規(guī)淹灌方式下土壤表層始終維持一定厚度的水層,導(dǎo)致土壤間隙液中的游離氨無法直接揮發(fā)至大氣中[21],大大阻礙了氨氣外逸;此外,研究表明[22],稻田氨揮發(fā)排放量與土壤溶液NH4+-N濃度呈極顯著正相關(guān),在相同施肥量條件下,常規(guī)淹灌方式下土壤表層的水層大大稀釋了土壤溶液中的NH4+-N濃度,致使氨揮發(fā)量相較濕潤灌溉方式大大降低.

3.3 不同灌溉方式下NH4+-N硝化損失量對比

常規(guī)淹灌方式下,由于土壤表面保持淹水層,土壤孔隙被水分填充呈水飽和狀態(tài),限制了氧氣擴(kuò)散,使土壤內(nèi)部形成嫌氣環(huán)境[23],導(dǎo)致土壤中硝化反應(yīng)作用微弱,NH4+-N硝化損失量低;濕潤灌溉方式下,土壤顆粒間存在一定量的氧氣,此時土壤內(nèi)部形成好氧或缺氧環(huán)境.在好氧、缺氧狀態(tài)下,NH4+-N是自養(yǎng)細(xì)菌繁殖的電子供體,因此土壤中NH4+易被硝化細(xì)菌氧化為NO3-[24],NH4+-N硝化損失量高.

4 結(jié)論

常規(guī)淹灌方式下,施肥后15 d內(nèi)以淋溶途徑損失的NH4+-N量約為濕潤灌溉方式下的2.7倍;濕潤灌溉方式下,施肥后15 d內(nèi)以氨揮發(fā)、硝化反應(yīng)途徑損失的NH4+-N量分別約為常規(guī)淹灌方式下的16.5倍和2.02倍.

常規(guī)淹灌方式下,施肥后15 d內(nèi)NH4+-N主要以淋溶途徑進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化,該過程中NH4+-N損失量可達(dá)到總損失量的39.87%;濕潤灌溉方式下,施肥后15 d內(nèi)NH4+-N的遷移轉(zhuǎn)化途徑主要為氨揮發(fā),其NH4+-N損失量可達(dá)到總損失量的63.08%.