模拟降雨条件下氮素在土壤中的迁移转化对比研究

杜国强++陈秀琴++牟守国++杨德军++黄成江

摘要：为提高氮肥利用率，解决如何施用氮肥能够减少由于降雨造成的肥料损失与环境污染，采用室内土柱模拟试验的方法，研究了向土柱中施入硝酸钠和尿素2种不同肥料的条件下，氮素在土壤中的迁移转化规律。结果表明，土壤中氮素的迁移转化与土壤含水率、肥料种类有着密切的联系，在试验过程中，含水率高的土壤层能明显提高氮素的迁移转化速率；土壤对硝态氮的吸附量较小，底部总氮含量较高，大部分硝态氮随降雨入渗到土壤底部，土壤对尿素态氮的吸附量较大，底部总氮含量低；对比不同施肥情况下的氮素含量情况，发现施加尿素后，土壤底部的氮素含量明显比施入硝酸钠的低，且随时间的波动变化较小。由此可知，施尿素比施硝酸钠作为氮肥对氮素的利用率要高，且不易发生淋溶现象。

关键词：硝酸钠；尿素；土壤含水率；迁移转化；总氮；淋溶

中图分类号： S158文献标志码： A

文章編号：1002-1302（2016）12-0436-04

收稿日期：2015-10-29

基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”项目）（编号：2013CB227904）；国家科技基础性工作专项重点项目（编号：2014FY110800）；国家自然科学基金重点项目（编号：U1361214）。

作者简介：杜国强（1989—），男，山西朔州人，硕士研究生，主要从事环境工程等方面研究。E-mail：dgq0722@163.com。

通信作者：牟守国，硕士，副教授，主要从事土地管理、矿区生态、土地复垦和生态重建等方面的研究。E-mail：mushouguo@163com。

氮素是作物生长不可缺少的营养元素，施用氮肥已经成为作物生产不可或缺的技术措施，但不合理的施用氮肥不仅会造成浪费，还会对水环境造成污染[1]。据《世界资源报告》[2]中的报道，由于农田氮肥施用量的增加，世界范围内地表水和地下水中氮化合物的含量都呈不同程度增加的趋势[3]。目前，我国氮肥年生产量、进口量和使用量均已跃居世界首位[4]，由此造成的农业污染问题也比较突出，解决氮肥不合理利用引发的污染问题迫在眉睫。

水环境中氮污染问题一直是科研工作者普遍关注的热点问题[5]。Gunter等通过模拟地下水中氮的运移和淋失，得出氮的运移距离、渗流量的分布以及渗流液中氮的浓度有明显的空间差异性的结论[6]。胡昱欣等通过室内土柱试验研究表明，在同一剖面中，铵态氮和硝态氮含量达到峰值时，它们所在的土壤剖面深随灌施时间的延长逐渐向下迁移，在氮素的迁移过程中，铵态氮的稳定性要高于硝态氮[7]。隋娟等通过研究滴灌条件下水肥耦合对土壤水分和氮素运移的影响，得出硝态氮和氨态氮在土壤中的分布和运移明显受灌溉制度、施肥量以及水分耦合效应的影响[8]。赵斌等通过研究片麻岩新成土中不同肥料、不同施氮量对氮素垂直运移的影响，得出随着施氮量增加，硝态氮和铵态氮淋溶浓度增大，氮素淋失量增多[9]。高茹等通过研究土壤氮素累积与硝态氮迁移的动态特征，得出土壤硝态氮含量是影响硝态氮淋失强度的决定因素[10]。商放泽等通过田间小区试验研究不同水氮处理对土壤中硝态氮、铵态氮和总氮迁移累积的影响，得出层状包气带土壤的质地和结构对水分、硝态氮和总氮在土层中的分布均有显著影响，而土壤结构只对铵态氮有显著影响[11]。此外，Coelho等分析了滴灌管理中点源水分运动和溶质的利用问题[12]；Pier等研究了滴灌的水分和氮素耦合问题[13]；叶玉适等研究了节水灌溉与控释肥施用对太湖地区稻田土壤氮素渗漏流失的影响[14]；杜军等分析了农田系统中水量平衡和氮素平衡及典型区域内农田系统中氮素随水分迁移的规律[15]；张晓龙等研究了不同施肥模式对旱地土壤氮磷钾径流流失的影响[16]；闫建梅等研究了紫色土坡耕地“冬小麦—夏玉米”种植模式，在不同施肥制度和耕作模式下，由降雨而引发的水土流失特征及氮素流失规律[17]；薛亮等对不同水、氮输入量对土壤氮素平衡和运移的影响做了研究[18]。上述研究都基本围绕土壤中氮肥的施用量和施肥方法，以及对作物产量和环境造成的影响，而对降雨条件下施用不同肥料后，土壤中氮素运移的对比研究较少。本研究基于室内模拟降雨条件下，以徐州高庄农田土壤为试验材料，研究模拟降雨条件下施用不同肥料后，氮素在土壤中的迁移转化规律，以及降雨入渗产生的淋溶现象及对比研究，为提高氮肥利用率，减少由于降雨造成的肥料损失与环境污染提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

土壤主要取自江苏省徐州市高庄农田土壤，该区域属暖温带半湿润气候区，地貌主要以平原为主，水面较少，属于苏北黄泛冲积平原典型的农业生态系统。降雨多集中在7—9月份，年平均气温14.5 ℃，常年主导风为东北偏东风，年平均风速2.5 m/s，平均年日照2 220.9 h左右，年平均无霜期 287 d 左右，年平均降水量831.7 mm，年平均蒸发量 1 795 mm，年平均相对湿度69%。土壤采集深度0～30 cm。常施用的氮肥品种为硝酸钠（NaNO3）和尿素[CO（NH2）2]等。供试土壤含有机质1%～1.5%、全氮0.1%～0.15%、全磷0.035%～0.048%、速效磷10～20 mg/kg。

1.2试验设计和方法

先去除土壤表面的杂草和石砾，采集0～30 cm深度的均匀土壤。将土壤样品置于阴凉通风处晾干，之后用粉碎机粉碎过0.5 mm筛，均匀混合后装入土柱中，放置2周使土壤尽量恢复自然特征，向土柱中加水，使得水逐渐润湿整个土柱，整个过程周期为15 d，土壤处理完成。

试验装置由土柱、降雨器、称重平台、自动负压泵、基质传感器等主要部分组成，主要技术参数如表1所示。试验土柱的一侧，竖直方向开设5个取样口，5个剖面深度分别为：15、30、45、65、90 cm。自动负压泵通过土柱底部陶土板将溶液抽取到采样瓶中，用于采集土壤水的水样。土柱放置在称重平台上，可测量质量的变化。

第1组：向土柱内施入硝酸钠（NaNO3）300 mg，模拟降雨14 mm，在此过程中，每隔48 h取样1次，测量剖面5个取样口土壤含水率和总氮含量，多次取样测量，取平均值。

第2组：向土柱内施入尿素[CO（NH2）2]300 mg，模拟降雨14 mm，因施尿素后总氮含量波动较小，所以缩短了取样时间间隔，每隔24 h取样1次，测量剖面5个取样口土壤含水率和总氮含量，多次取樣测量，取平均值。

主要测量的物理量为土壤含水率和总氮含量，土壤含水率主要采用SDI-12总线传输，通过HYDRA土壤多参数传感器获得。土壤中总氮（TN）的测定采用GB11894—1989碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定吸光度值，再根据总氮的标准曲线计算除待测溶液的总氮含量。

2结果与分析

2.1土壤含水率的变化研究

（1）试验预处理阶段，土壤含水率的变化情况如图1所示。图1显示了预处理阶段土壤中含水率随时间的变化情况。由图1可以看出，随着不断向土壤中补充水分，土壤含水率一直增加，到最后各层土壤含水率从上到下分别为0.505、0.520、0.468、0.467、0.457 cm3/cm3。此时，土壤各层水分达到饱和，之后土壤含水率会趋于稳定，基本维持在一定的范围内。从图1还可得知，随着不断向土柱中加水，在土壤水分达到饱和后的入渗过程中，上层土壤的含水率比下层要高，其中第2层土壤含水率要比第1层稍高，下边第3、4、5层土壤的含水率差别不大。由此可得出，土壤含水率受土表环境、土壤孔隙、土壤密实等情况影响。

[TPDGQ1.tif]

（2）处理过的土柱，放置一段时间，待整个土柱系统稳定后，开始第1组试验。首先向土壤中加入硝酸钠溶液，模拟降雨14 mm，观察试验过程中土壤含水率的变化情况。如图2所示，在降雨条件下，土壤中第1层和第4层的含水率变化幅度不大，第2、3、5层土壤的含水率变化比较明显。第1层土壤，随着试验的进行，土壤中水分一部分下渗到土壤下层，还有一部分受土表蒸发作用的影响而损失，使得第1层土壤的含水率逐渐下降，到最后低于第2层土壤的含水率。第2层土壤在开始时，上层水分的渗入速率要比水分渗入到下层的速率快，所以含水率逐渐增加，到2 d时含水率达到最大（052 cm3/cm3），随着试验的进行，上层入渗的水分逐渐减少，而水分在持续下渗，含水率开始下降。第3层土壤的含水率情况与第2层的比较相似，也呈现先增长后下降的情况。第4层土壤由上层渗入的水分和渗入到下层的水分基本等量，所以在整个入渗过程中含水率基本保持在一个固定值。第5层土壤随着试验的进行，水分逐渐减少，加上上层土壤的压实作用，土壤下层的孔隙减小，水分的入渗速率降低，含水率一直都比较低，随着水分下渗，含水率不断降低，最后达到最低值0.421 cm3/cm3。

[FK（W10][TPDGQ2.tif]

（3）第2组试验，向土柱表层加入尿素溶液，在室内模拟降雨14 mm，观察降雨条件下土壤含水率的变化情况。由图3可见，降雨条件下，土壤含水率的整体趋势与初始时刻大致相似。第1、2层土壤的含水率变化幅度较明显，第3、4、5层土壤的含水率变化不大，基本稳定在一定范围内。其中，第1层土壤的含水率受表层影响大，在试验开始阶段，由于降雨的直接补给，使得其含水率达到最高，之后随着补给水的停止、水分的下渗以及表土的蒸发作用，含水率开始下降，到最后含水率低于第2层土壤的含水率。在此过程中，第2层的土壤也出现前期增长、后期下降的现象，在2 d时含水率达到最大（0.509 cm3/cm3），从图3可以看出，[JP2]相比于第1层土壤，第2层土壤的含水率变化的幅度较小。由于上层土壤的缓冲压实作用，下层土壤比较密实，水分随着深度的增大入渗难度增大，这样就使第3、4层土壤水分基本维持在一个动态平衡下，含水率基本上保持在一定范围内，变化幅度微小。第5层土壤受上层土壤水分入渗的影响，含水率会出现先增加后减少的情况，在3 d时含水率最低，为0.423 cm3/cm3。

[TPDGQ3.tif]

2.2施不同肥料后总氮的迁移转化情况

（1）在施入硝酸钠情况下，土壤中总氮的变化情况如图4所示。结合土壤含水率变化情况分析可知，土壤水中总氮的迁移转化受土壤含水率的影响。如图4所示，在整个试验过程中，土壤中的总氮含量随着土壤深度的增加而降低。在试验初始阶段，各个采样口土壤水中的总氮含量都很低，施入硝酸钠后，总氮的含量开始迅速增长，到2 d时，第1、2层土壤的总氮含量达到最大值20.1、10.9 mg/L，之后随时间延长开始降低。第1层土壤受表土环境的影响较多，但由于水分以及硝酸钠的直接补给，总氮含量增长最快，2 d之后，因为土壤的含水率较大，能够促进硝态氮迁移，第1层土壤的总氮含量会迅速下降。第2层土壤在各个时间段的含水率都最大，但总氮含量的变化幅度较第1层小，分析原因可能是第2层土壤受外界环境影响小，土壤比第1层要密实，对水分和总氮的迁移起到缓冲作用，所以第2层土壤的总氮含量下降幅度较第1层土壤的要小。第3层土壤受含水率的影响较大，迁移到其中的硝态氮较少，2 d之后总氮含量只是小幅度增长。第4、5层土壤受土壤压实作用较大，在接受了上层土壤迁移的硝态氮后，总氮含量会出现小幅度增长，之后可能由于深层土壤具有反硝化作用，总氮含量会有小幅度的降低。在整个过程中，上层土壤的总氮含量变化波动较大。4 d时的含氮量自上而下分别为14.4、8.4、5.7、3.1、2.5 mg/L。

[TPDGQ4.tif]

（2）尿素态氮和硝态氮的迁移转化方式有所不同，施入土壤中的尿素在有水分情况下首先以分子态形式随水分迁移，另一方面，尿素在迁移过程中也进行着分解作用，转化为铵态氮和硝态氮[19]。施入尿素的情况下，土壤中总氮的迁移转化情况如图5所示。

由图5可见，施入尿素后，土壤的总氮含量随着剖面深度的增加，总体呈现递减趋势。其中，第1、2、3层土壤的总氮含量变化较大，第2层的总氮含量变化最大，第4、5层的总氮含量变化相对较小。结合土壤的含水率变化情况分析可知，在试验开始阶段，第1层土壤的总氮含量随着降雨量的增加而增加，原因在于，施入土柱中的尿素随着降雨渗进土壤内部，使第1层土壤的总氮含量迅速增加，在 1 d 时达到最高（8.8 mg/L），之后尿素分子随着土壤水分的下移慢慢迁移到土壤下部，之后随着土壤水分含量逐渐降低，尿素分子的迁移逐渐变慢，总氮含量降低趋势逐渐变缓。第2层土壤总氮含量在1 d时达到6.8 mg/L，之后便迅速下降，到2 d下降速度逐渐变缓。分析其原因，第2层土壤受上层土壤入渗的水分和尿素相对较多，总氮含量开始会增加，2 d之后，上层土壤的入渗量减少，此时，第2层土壤的含水率较大，能够促进尿素分子的迁移速率，使得第2层土壤的总氮含量下降幅度较大。第3层土壤由于入渗下来的水分和尿素量逐渐减少，总氮含量会逐渐降低。第4、5层土壤含水率和总氮含量都比较低，加上土壤的压实作用，土壤间孔隙较小，增加了氮素迁移难度，使得总氮含量刚开始下降，之后缓慢上升，最后逐渐趋于稳定，总体变化幅度较小。在整个过程中，总氮[JP3]含量的变化幅度较施硝酸钠作为氮肥的情况要小，到4 d时土壤各层的总氮含量自上而下为5.7、1.6、1.4、15、0.7 mg/L。

[TPDGQ5.tif]

2.3硝态氮与尿素态氮的迁移转化情况对比

对比施硝酸钠和尿素，总氮的迁移转化情况以及4 d的总氮含量，可以发现，在施硝酸钠作为氮肥的试验中，总氮的主要形式是硝态氮（NO3--N）为主。随着试验的进行，上层土壤总氮含量的变化幅度很大，在施入硝酸钠后，总氮含量迅速上升，之后又快速下降，在各层土壤测得的总氮含量都较高。在施尿素的试验中，由于尿素在迁移过程中会分解为铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N），因此在施尿素情况下总氮主要形式包括铵态氮和硝态氮。在试验过程中，由于土壤胶体颗粒带负电荷，而铵根离子带正电荷，土壤胶体颗粒对铵态氮有较好的吸附作用，所以在上层土壤氮素的迁移过程中，有一部分铵态氮被土壤颗粒吸附，而迁移的氮素主要是硝态氮部分，这样就使下层的迁移氮量较少，总氮的含量变化幅度较平稳，波动较小，在各层测得的总氮含量也较施硝酸钠的情况偏低。这样造成在同等情况下，施硝酸钠作为氮肥比施尿素作为氮肥更容易发生氮的淋溶，造成附近环境的污染，而施尿素作为氮肥在一定程度上能够避免此类情况的发生。

3结论

（1）在试验初始阶段，随着不断向土柱中加水，各层土壤的含水率达到饱和后会趋于稳定。

（2）向土壤中施入硝酸钠之后，随着降雨的发生，硝态氮随水分入渗进入土壤内部，此过程中，土壤中的总氮含量随时[JP3]间波动比较大，下层的总氮含量较高，硝态氮被土壤吸附的量较小，很大一部分硝态氮随降雨入渗进入土壤底部，形成氮的淋溶。

（3）向土壤中施入尿素后，土柱中总氮含量总体变化趋势与施硝酸钠的大体相似，都是自上而下逐渐降低。对比得知施尿素后的总氮含量随时间变化波动较小，土柱下层的总氮量较低，主要原因在于铵态氮容易为土壤中的胶体颗粒吸附，一部分铵态氮得以储存于土壤中。

（4）对比土壤中施硝酸钠和尿素后总氮的迁移转化情况可知，在施尿素的情况下，土壤中可溶性氮素由上向下运移过程中，有一部分的铵态氮被土壤中的胶体颗粒所吸附，只有土壤中吸附的铵态氮量达到饱和后，多余的铵态氮才会和硝态氮继续向下运移，相比而言，土壤中硝态氮更容易淋失。

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