三峡库区不同碳铵用量紫色土氮素淋溶试验研究

孙军益，方 芳，郭劲松，李 哲，孙志伟

（重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045）

氮是水体富营养化的限制性养分因子之一［1］。氮素淋溶是指土壤中未被作物吸收利用的氮素随着降雨或灌溉水渗入到深层土壤和地下水，并通过沟渠等排入河流、湖泊，导致农田氮素流失的过程。

影响土壤氮素淋溶的因素很多，包括土壤理化性质［2］、降雨［3］、施肥［4］等，其中施肥是影响氮素淋溶的关键因素。近年来，农田化肥用量逐年增加，而氮肥利用率仅为30%～41%［5］，大部分氮素仍然残留在土壤中。全世界施入土壤的氮肥，大约10%～40%（质量分数）经土壤淋溶作用而流失［6］。过量施肥不仅降低了农民的经济效益，也增加了氮素淋溶流失产生的环境风险。紫色土是三峡库区典型的土壤类型，占库区耕地面积的69.2%，其含沙量适中，有丰富的毛管孔隙和良好的透水性，但土质疏松，易于流失，在自然和人类活动的干扰及其叠加效应下，养分淋溶强烈。紫色土坡耕地成为三峡库区主要的农业面源污染来源［7］，对库区水体带来负面影响［8］。

目前，国内就施肥对氮素淋溶的影响主要关注的是肥料配施［9］，大多是从土壤纵剖面氮素含量的分布来推断淋溶趋势［10］，国外则侧重于养分淋溶量的估算方法研究［11］和减少养分淋溶的政策措施探讨［12］，而关于施肥梯度对不同形态氮素淋溶影响的研究较少。碳铵属于氨态氮肥，肥效快，易被植物吸收，在三峡库区广泛使用。本研究采用室内土柱装置，研究了不同碳铵施用量下紫色土氨态氮、硝态氮、可溶性总氮淋溶特征，探讨了碳铵用量对不同形态氮素淋溶规律的影响，为减少土壤氮素淋失，防治三峡库区农业非点源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤选自三峡库区长江北岸忠县新政小流域典型农田－蔬菜坡耕地土壤，经纬度为N 30°25′，E 108°10′，土壤属紫色土，是一类成土时间较短、成土过程以物理风化为主的岩性土，土地利用方式为蔬菜种植。土样采集后，经风干，磨碎，混匀，过2mm筛后，按田间土壤实测的容重填充，获得近似原状土。供试土壤的主要理化特性见表1，电导率、pH、氧化还原电位分别用E.C.Testr土壤原位电导计和IQ150土壤原位pH／mV仪现场测定，其他指标则依据《土壤农化手册》［13］在实验室进行测定。

1.2 实验设计

如图1所示，淋溶土柱采用直径75mm的PVC管，总高65cm，分为3段，从下往上依次为10cm的沙石段，40cm的淋溶土柱段和15cm的超高。考虑到作物根系主要集中于0～20cm的耕作层，对40cm以下的土壤养分吸收很少，故将淋溶至土壤40cm以下的氮素视为淋溶损失［14］。土柱上方为淋溶用水，用流量控制器控制淋溶强度，淋溶喷洒出水口固定于淋溶土柱管管口。土柱下接淋滤液收集器，收集淋溶渗滤液。

首先在管底铺一层纱布，上铺高10cm的鹅卵石，空隙里填充细砂，根据实地测得的田间土壤容重1.36g·cm－3，称取2 403g研磨过2mm筛的细土，装入土柱，并喷洒蒸馏水，使其自然沉降到40cm高。为了均匀布水，防止股状流和优先流的产生，在土壤表层铺一层纱布和滤纸。实验前，喷洒蒸馏水，使土壤达到田间持水量，使各土柱之间水分环境相似。

表1 供试土壤主要理化性质

图1 淋溶土柱示意图

根据在当地进行的农事调查，试验用肥采用当地用量较大的碳铵，其用量设5个水平，另设不施肥处理作为对照，各处理具体施肥量见表2。每个处理设3次平行，同时进行淋溶试验。在施肥方式上，碳铵均作基肥一次性施入，在淋溶前1d施于土柱表面。

表2 碳铵施入量

实验采用间歇淋溶法，淋溶用水为蒸馏水。资料［15］显示，重庆各区县暴雨频发，多年平均降雨量为1 184mm。据此，本实验选取每周淋溶量为200mm，为期6周，分别用L1，L2，L3，L4，L5，L6表示，淋溶总水量为1 200mm，淋溶强度控制在10mm／h。淋滤液采用滤液收集器进行收集，测量其体积并测定其氨态氮、硝态氮和可溶性总氮浓度。

1.3 测定方法与统计分析

采集的淋滤液经0.45μm滤膜过滤，滤液用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定溶解性总氮（total dissolved nitrogen，TDN）含量、紫外分光光度法测定硝态氮含量、纳氏试剂光度法测定氨态氮含量。溶解性有机氮（dissolved organic nitrogen，DON）通过计算得到，溶解性有机氮＝溶解性总氮－硝态氮－氨态氮。

实验数据采用统计软件Excel 2003和SPSS 13.0进行统计分析，用Origin7.5作图。

2 结果与分析

施入土壤中的氮肥，在土壤微生物等因素的作用下，转化为可供作物吸收利用的氨态氮、硝态氮等不同形态的氮素。这些不同形态的氮素在土柱中的迁移转化规律各不相同。

2.1 淋滤液中氨态氮含量分析

图2为淋滤液中氨氮浓度，在0.34～2.86 mg·L－1之间，均值（0.88±0.29）mg·L－1。纪雄辉等［16］对洞庭湖区水稻土的淋溶研究发现，淋滤液氨氮含量为0.42～1.25mg·L－1。孟媛［17］对滇池流域农田土壤40cm土壤淋滤液的研究结果表明，其氨氮含量为0.81～5.49mg·L－1，均值为2.39mg·L－1。陈振华等［18］研究了下辽河平原潮棕壤氨氮淋溶趋势，发现渗漏液中氨氮含量均小于2mg·L－1，且各施氮肥处理和对照处理间差异不显著（P＞0.05）。不同地区不同土质类型的土壤对氨态氮的固持作用均较强。

不同施肥量下，各处理组之间氨氮淋溶量均无显著性差异（P＜0.05）。施肥量的增加并没有引起氨态氮的大量淋溶。从6次淋溶过程来看，施肥后第1次淋溶的淋滤液中氨态氮浓度很高，为1.69～2.86mg·L－1，氨态氮含量占不同施肥处理氨态氮淋失总量的33.3%～45.4%。

2.2 淋滤液中硝态氮含量分析

图3为淋滤液中硝态氮浓度，在0.27～36.25 mg·L－1之间，均值为（9.76±0.76）mg·L－1。汪涛等［19］对2004～2006年降雨后紫色土壤中流硝态氮含量的分析表明，紫色土坡地壤中流硝态氮含量在2.63～52.11mg·L－1之间，均值为（21.72± 2.05）mg·L－1。尹晓芳等［20］研究发现，关中地区农田土壤硝态氮淋溶量随施肥量的增加而增大，过量施用氮肥易造成硝态氮淋溶。说明硝态氮淋溶量较大，且主要受施肥量影响。

图2 不同施肥量下淋滤液氨氮浓度

不同施肥处理下，N1、N2处理与对照无肥处理N0差异不显著（P＞0.05），因此，施氮量在100 kg·hm－2以内，不会显著影响硝态氮的淋溶量；N3，N4，N5处理硝态氮淋溶量均显著高于无肥处理（P＜0.05），分别达到无肥处理硝态氮淋溶量的6.7，8.9，10.8倍，说明施入土柱的氮肥大多转化为硝态氮而淋滤出土柱。此外，当施氮量达到200kg· hm－2时，淋滤液硝态氮平均浓度就会超出10mg· L－1，对当地地下水水质安全带来隐患。所以，从保护水资源的角度，该地区施氮量宜控制在180kg· hm－2以内。

各施肥处理第1次淋溶淋失量最大，占其硝态氮淋失总量的32.0%～40.2%，这可能是由于土柱本身存在一定量的硝态氮，并且施入土壤的氮肥也被转化为硝态氮随淋溶水淋滤出来。随后第2、3次的淋溶，淋滤液硝态氮浓度迅速下降，第4、5、6次又有较大提升，这可能是因为不同施肥量下，大量被土柱吸持的氨态氮被氧化为硝态氮，从土柱上方向下迁移的结果。

图3 不同施肥量下淋滤液硝态氮浓度

2.3 淋滤液中可溶性总氮（TDN）含量分析

图4为不同施肥量下淋滤液中TDN的浓度为1.38～40.81mg·L－1，均值为（12.37±2.38）mg·L－1。随着施肥量的增大，淋滤液中TDN的含量也逐步增大，N1，N2处理与对照无肥处理N0差异不显著（P＞0.05），N3，N4，N5处理TDN淋溶量均显著高于无肥处理（P＞0.05），分别达到无肥处理TDN淋溶量的3.6，4.8，5.8倍，与硝态氮的淋滤结果类似。在6次淋溶过程中，TDN的淋滤也主要集中在施肥后的第1次淋溶，达到6次淋溶总淋失量的21.3%～51.5%。

图4 不同施肥量下淋滤液TDN浓度

2.4 淋滤液中各种氮素形态淋溶风险

土壤中氮素淋失量的大小主要取决于土壤层中易移动性氮库，这既受土壤中氮源、氮汇影响，又受到土壤中不同形态氮素转化过程的控制。由表3可知，在不同施肥量处理下，氨态氮的淋失量比较稳定，保持在0.34～2.86mg·L－1之间，占TDN的4.8%～13.0%，几乎不受施肥量的影响，淋溶流失风险也较小。这是由于土壤胶体带负电，铵根离子带正电，因此土壤颗粒对铵根离子有较强的吸附能力。

而不同施肥量处理下，淋滤液硝态氮含量占TDN的60.76%～83.20%，是氮素的主要淋失形态，与施肥量呈显著正相关。Huang等［21］研究了上海郊区旱作农田氮素降雨渗漏流失情况，发现淋滤液中氮素以硝态氮为主，占总氮的90%左右。Aronsson［22］利用30cm淋溶土柱研究了瑞典泥土的淋溶状况，也发现淋滤液的各种氮素形态中硝态氮的含量最高。这些都与本实验研究结果类似，因为硝态氮带有负电，很难与土壤颗粒结合；土壤中各种形态的氮素在硝化细菌的作用下，很容易被氧化为硝态氮，流失风险也很高。而纪雄辉等［16］，宋科等［23］发现在水田中硝态氮的渗漏淋失很少，说明硝态氮的淋失与种植模式有较大关系，水田长期处于淹水状态，土壤硝化作用大大减弱。

淋滤液中DON占TDN的11.8%～26.2%，在施氮量较小的N1处理比重最高，为26.2%；当施氮量增加时，淋滤液中DON的比重相应减少，只占TDN的12%左右，氮素淋溶以无机氮为主。同样，刘建等［24］研究了不同氮肥处理下苗圃潮土中氮素的淋溶特征，也发现硝态氮是氮素淋溶的主要形态，硝态氮的淋溶量占全氮淋溶量的70%以上，而氨态氮只占7%，有机氮占5%～27%。

表3 各处理淋滤液中各形态氮素占TDN比例 %

3 结论

（1）各施肥量处理下，淋滤液中氨态氮浓度在0.34～2.86mg·L－1之间，只占氮素总淋失量的4.8%～13.0%，不同施肥处理之间差异不显著。土壤对氨态氮的固持作用较强，氨态氮没有发生明显的淋失。

（2）淋滤液中硝态氮浓度为0.27～36.25mg· L－1，施氮量在100kg·hm－2以内，不会显著影响硝氮的淋溶量。淋滤液中硝态氮占TDN的60.8%～83.2%，流失风险很高，是氮素淋溶流失的主要形态，控制硝态氮的转化与淋失是有效抑制氮素流失的关键。

（3）淋滤液中TDN浓度为1.38～40.81mg· L－1，氮肥用量显著影响了淋滤液中TDN的含量，TDN淋溶总量在43.49～251.2kgN·hm－2，与施肥量呈正相关。

（4）氨态氮、硝态氮和TDN的淋失主要发生在施肥后的首次淋洗过程中。首次淋滤液中氨态氮含量占6次淋溶过程氨态氮总淋失量的33.3%～45.4%；硝态氮含量占其6次总淋失量的32.0%～40.2%；TDN含量占其6次总淋失量的21.3%～51.5%。

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