農業種植土壤硝態氮淋失

導語：農業種植土壤硝態氮淋失一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

長期以來，過量施用氮肥在我國己成為相當普遍的問題，特別是一些集約化種植體系，對環境污染的壓力日趨嚴重。據中國農業科學院土壤肥料研究所調查，中國氮肥利用率結果僅為30%一40%121，約20%一50%主要以硝態氮形式經土壤淋溶進入地下水，在大水漫灌或劇烈降雨時，特別是土壤中氮素超過作物需求量時，硝態氮淋洗會大量增加，引起地下水硝酸鹽污染[s]。硝態氮的淋溶被認為是農田氮素損失的主要途徑之一I4]。硝態氮淋失一方面降低了化肥的利用率，另一方面對地下水和地表水的污染埋下了隱患。因此，研究稍態氮的遷移轉換特征有著非常重要的現實意義。在國內，早期的研究主要集中在氮素去向及有效利用率研究lsl。部分研究者l0]分別對我國北方地區14個縣、甘肅不同生態區以及滇池流域等地區因施用農用氮肥造成的地下水氮素污染分別進行了調查和研究。

20世紀70年代國外就有利用’SN識別污染來源的報道，同時結合其他的同位素來研究稍酸鹽的循環、遷移、混合等過程。MeLay和or吧enl71研究指出，較嚴重的地下水硝酸鹽污染主要與化肥施用量較高的蔬菜種植有關，蔬菜種植區的地下水硝酸鹽含量明顯高于糧食作物種植區或城市區域。國外在對土壤稍態氮淋失已進行了較長時間的研究，在土壤硝化作用、硝態氮淋失條件、硝態氮移動力學與數學模型以及硝態氮淋失的防治和對策等方面都進行了系統的研究l8]。土壤稍態氮遷移轉化規律越來越受到國內外學者的)泛關注19川。不同種植條件下土壤稍態氮的滲漏特征呈現不同變化趨勢，主要受降雨灌溉和施肥量的影響。研究表明，土壤硝態氮淋失量與降雨量密切相關，隨著雨量增多和雨強增大，氮素的淋失量和遷移強度也相應增加。這部分硝態氮是很難被作物吸收利用的，最終只能引起農田氮素的大量淋失，對土壤及地下水環境造成一定程度的污染。對于不同的施肥種類，通常土壤中不同形態氮的淋溶損失強度由大到小依次為:硝態氮、亞硝態氮、按態氮、有機氮。滲漏水中氮的濃度與土壤中氮素的淋失量隨施肥量的增加而增加[’51。農業集約化種植程度高，施肥頻率高，施肥量大，這些因素都加重了農田氮素的損失，也對地下水的污染造成了很大的威脅。為了評估農業集約化種植氮素流失途徑及其行為特征，特別是評估硝態氮淋溶損失對地下水污染的影響程度和范圍，為防治水污染、制定流域最佳管理措施提供科學依據，本文通過田間定位監測分析，闡明了硝態氮在土壤中的遷移轉化規律，分析了土壤硝態氮變化趨勢，建立了土壤硝態氮濃度和地下水稍態氮濃度響應關系，為農業集約化種植區防治農業非點源污染和優化田間管理措施提供了科學依據。

1材料與方法

1.1研究區的選擇

本研究選取江陰市典型農業集約化種植區為研究對象。江陰市2000年后農業生產中年化肥使用總量達56000多t，農藥使用總量達1000多t，每畝耕地平均年投入量分別比上世紀50年代增加8倍和20倍。近年來由于人類活動的干擾，如大量無公害蔬菜基地、花卉基地和水果基地的建設，農業耕作方式的改變，化肥使用量的增加等使得地下水硝酸鹽的污染問題日益凸顯，地下水硝酸鹽污染不僅直接導致部分農田土壤環境質量下降，而且土壤質量的惡化又直接影響到農產品質量，最終影響人們的健康和生活質量。本文選取了3種不同農業種植條件下的農田為研究對象，分別為磺土鎮葡萄種植園、西石橋鎮東支蔬菜基地、西石橋鎮常規種植區。在研究區域3種不同種植方式采樣點，分布著3種不同的水稻土。綜合考慮土壤質地和種植作物，劃分5個土壤剖面，布置3個地下水觀測井，分別位于葡萄種植園、東支蔬菜基地、常規種植區的實驗農田內。3種土樣的分層按照平均分層法分為:0一20、20一40、40一60、60一80、80一100cm總共為5層。葡萄種植園和蔬菜基地采用集約化統一管理，常規種植區按當地農事習慣施肥和灌溉。

1.2土壤基本性質測定

土壤體積質量(容重)用環刀法測定;土壤質地用吸管法測定;土壤基本性質測定和室內實驗在中國科學院南京地理與湖泊研究所進行測定。表!列出了土壤基本性質的測定結果。

1.3土壤硝態氮運移監測方案

在監測期內，每隔15天在上述每個典型種植區內沿“S”形路線隨機選取5點，用土鉆按0一20、20一40、40一60、60一80、80一100。m間隔，分5個層次采集O一100cm剖面的土壤樣品。采集時在每塊樣地應多采些混合土樣，剔除土樣中含的根茬等雜物，將每個種植區的同一層次各樣點土樣混合均勻后裝入密封袋中標記，隨即放入冰盒密封保存。由于每個地區種植的作物不同，其中葡萄種植園的采樣點選在行內兩葡萄植株間，蔬菜基地、常規種植區采樣點則選在作物種植的行間。土壤溶液滲濾管是用直徑為3cm的塑料離心管制作。在管壁上等距離(1cm)打直徑約2mm的小孔，外部用300目的尼龍布纏裹3層后扎緊，阻止土壤顆粒進入，離心管上部有橡皮塞封口，將硬質塑料細管(直徑約3mm)一端穿過橡皮塞插入離心管底部，別一端露出地表供其抽取濾液。在3種農業種植方式農田利用安裝PVC地下水管取樣井的辦法設置地下水收集點，進行淺層地下水位和水質的動態監測，在作物生長期間以一定的時間間隔(每周)采集水樣。土壤硝態氮采用酚二磺酸比色法測定。將采集后預留的土樣風干后過1mm篩，稱取59土壤樣品，然后加入1mol/LKCI溶液浸提，震蕩6Omin，過濾后上清液放入一4℃冰箱中保存，采用連續流動注射分析儀測定浸提液中稍態氮含量。

2結果與討論

2.1土壤剖面硝態氮動態變化與降雨灌溉的響應關系

大多數作物的根系不發達，屬于淺根作物，對水肥的依賴程度比較高，因此經常性的灌溉對保證作物的生長起著十分重要的作用，分次追肥和頻繁灌水是傳統作物種植中的普遍現象。集約化種植模式，以灌溉施肥統一化，操作規范化，農田勞作機械化等為特點，表現出區別于常規種植模式的一面，這種區別反應在硝態氮滲漏過程中，對地下水環境的治理起著十分重要的作用。集約化種植和常規種植在灌溉體系上存在差異，比較集約化葡萄種植園和農家常規種植菜園近5年灌溉情況如圖l所示，集約化種植區灌溉量相對穩定，主要集中在30一40mm之間，在圖中表現為灌溉累積頻率呈現正態分布。常規種植區灌溉相對隨意，灌溉量在15一20mm，45一50mm之間，由于灌溉量的隨意性導致灌溉累積頻率呈現出離散型分布的特點。有著顯著的關系:濃度上，降雨或灌溉后，硝態氮隨水分運移到土壤下層，造成硝態氮滲漏濃度增大。灌溉量越大，硝態氮淋失濃度越高，灌溉對硝態氮淋失起重要的作用，這也與Waddelll川的研究基本一致;時間上，硝態氮濃度增大時間滯后于降雨或灌溉時間。由此可見，降雨和灌溉是影響硝態氮滲漏的主要因素。比較兩種種植體系不同時期硝態氮滲漏濃度變化(圖2)，集約化葡萄種植園灌溉次數明顯少于常規種植區，灌溉量也比較均勻有序，硝態氮滲漏濃度比較均勻，在6月底產生比較大的突躍，這主要是由于葡萄花期已過，進入坐果期，施入大量硫酸錢作為追肥，同時2008年6月底江南地區普降大雨，進一步推動了硝態氮向土壤深處的淋失。相比而言，常規種植區的灌溉量比較隨意，硝態氮的滲漏濃度也體現了無序的變化，其數值遠遠小于集約化種植區硝態氮的滲漏濃度，這主要是由灌溉和施肥聯合作用的結果。

2.2土壤中硝態氮垂向遷移特征

3種不同種植情況下土壤剖面硝態氮遷移特征如圖3所示:總體上看，集約化葡萄種植園土壤硝態氮含量遠遠大于常規種植區，對2008年4月10日到9月28日的土壤表層溶液稍態氮的濃度變化監測顯示，葡萄種植園平均值為39.69m留kg，蔬菜基地為6.50m眺g，常規種植區為5.28m叭g。這主要是由于集約化種植區土壤的施肥量過大，遠遠大于植物的吸收量，造成了集約化種植區土壤硝態氮含量過高。分析3種種植方式下土壤硝態氮的變化趨勢(圖3)，在5月中旬和6月底，3個地點的硝態氮濃度都同時出現了突躍。分析原因主要是由于施肥和灌溉兩方面因素引起的:①5月中旬葡萄種植園施加大量花前肥，為葡萄樹開花提供足夠營養;蔬菜基地在油菜收獲后，施加了大量的有機肥作為底肥準備種植黃瓜;常規種植區也己經收獲油菜，增加土壤肥力準備種植大豆。同時施肥量葡萄種植園>蔬菜基地>常規種植區，在圖3中表現為葡萄種植園和蔬菜基地兩種種植條件下硝態氮的突躍明顯大于常規種植區中硝態氮的突躍。②5月中旬和6月底的大雨給硝態氮的運移提供了動力，“水隨鹽走，水去鹽存”，大量的土壤水分運動始終是土壤氮素淋溶運移的媒介和驅動力。在圖3中可以明顯看出高峰過后，土壤剖面從上到下各層之間呈現了溶質運移的現象。在3種不同種植情況下，施肥后硝態氮在層與層之間的相互關系呈現了相同的趨勢，當作物生長需氮量大于施氮量時，在降雨或者灌溉的影響下，土壤表層到深層硝態氮濃度都呈現遞減的趨勢，不同種植方式下，底層土壤稍態氮濃度的峰值都會依次滯后于上層土壤硝態氮濃度。當底層土壤的硝態氮濃度在施肥前后都低于表層土壤的硝態氮濃度時，這說明這段時間處于作物的旺盛生長期，作物吸收氮素的量大于施氮量。

2.3不同農業種植條件下土壤中硝態氮含量分析

對江陰3種不同種植區土壤硝態氮濃度進行統計分析如表3所示。在3種種植方式中，對不同時間相同土壤層的硝態氮濃度加權平均，縱向比較土壤各個剖面稍態氮濃度，得到3種不同種植方式下土壤硝態氮濃度隨空間變化的平均值和標準差如表4所示。集約化葡萄種植園和蔬菜基地的層平均濃度均大于常規種植區硝態氮濃度，分別為常規種植區土層硝態氮層平均濃度的9倍和1.!倍，這主要是由于葡萄種植園和蔬菜基地的施肥量過大引起的。標準差也呈現這種變化規律，葡萄種植園>蔬菜基地>常規種植區，說明集約化種植區土壤剖面每層硝態氮濃度變化幅度也較大。主要是由于:土壤大部分時候處于非飽和條件下，硝態氮在土壤水中移動，主要驅動力是基質勢、溶質勢和重力勢，集約化種植區施肥量大，硝態氮向下遷移過程中受到溶質勢的作用比較強，硝態氮運移速度較快，層與層之間硝態氮濃度變化比較顯著，這種現象反映在數據的統計學上，便是每層硝態氮濃度的標準差比較大。

2.4土壤硝態氮含量和地下水硝態氮濃度響應關系

2.4.1不同種植方式下地下水硝酸鹽含量動態變化特征在實驗期間，共采集地下水樣21次，對3種不同種植方式下田間地下水硝態氮含量進行測定，結果(圖4)顯示，集約化種植區(葡萄種植園和蔬菜基地)土壤硝態氮含量大于常規種植區，在降雨或者灌溉后，隨水分運移，當土壤層累積了較多的硝態氮后，在長期的降雨或者灌溉的作用下，過多的水分會帶著稍態氮逐漸向土壤深層遷移。2008年4月至9月對3種不同種植方式下田間地下水硝態氮含量進行測定表明:地下水中硝態氮含量因作物施氮和灌溉水平不同而表現了不同的上升或者下降趨勢(圖3)，集約化葡萄種植園地下水中的硝態氮含量最高值達342m留L，平均值11.2m留L，是常規種植區平均值1.35mg/L的8倍，蔬菜基地硝態氮含量平均值為4.12m留L，也達到了常規種植區的3倍之多。由此可見，集約化種植區的地下水污染程度遠遠大于常規種植區。

2.4.2土壤中硝態氮含量和地下水硝態氮濃度響應關系對3種不同種植方式氮肥投入量和地下水硝態氮含量相關性分析發現，隨氮肥投入量(x)增加，地下水硝態氮含量(y)明顯增加，各個不同種植區相關性方程為:葡萄種植園:y二0.1824x一51.53:=0.83蔬菜基地:夕=0.133lx一72.56;=0.69常規種植區:少二0.126gx一54.69。二0.36由于常規種植區灌溉施肥頻繁，受人為干擾比較大，所以地下水的硝態氮含量和施氮量的相關性偏低。每公頃增加Ikg氮肥投入量，硝態氮含量分別增加0.1524、0.1331和0.1269mg/L。根據地下水的硝態氮含量限值，利用構建的土壤中硝態氮含量和地下水硝態氮濃度響應關系，可知當氮肥施氮量達400k留hmZ時，易造成地下水硝態氮含量超標。而調查表明集約化種植區尤其葡萄種植園氮肥投入量高達700一800k沙mZ，甚至更高，氮肥不能全部被作物所吸收利用，在降雨和灌溉的影響下極易淋洗進入地下水，造成地下水硝態氮含量增加，葡萄種植區硝態氮含量在雨季最高達到34.2m歲L。

3結論

(1)降雨灌溉和施肥量是影響土壤硝態氮滲漏的主要因素，降雨灌溉或者施肥后，土壤硝態氮的含量都會出現上升趨勢，在水分的推動下，同時也造成了地下水中硝態氮含量的升高。(2)集約化種植區土壤硝態氮濃度隨時間變化頻率不大，但是變化幅度較大;常規種植區土壤硝態氮濃度隨時間變化頻率略大，但變化幅度較小。(3)集約化種植區地下水中硝態氮含量明顯高于常規種植區，地下水的硝態氮含量和施氮量有著顯著相關關系，集約化種植區的地下水硝態氮污染程度遠遠大于常規種植區。