位山灌区农田氮素流失试验研究

王玉伟 ，王 凤 ，潘维艳

（1.临清市水务局，山东 临清 252600；2.济南大学水利与环境学院，山东 济南 250022）

随着化肥在农业生产中的应用越来越多，过量施肥会导致土壤剖面中硝态氮、铵态氮和总氮“三硝基”的浸出和积累，对地下水污染构成潜在威胁[1]。近年来，国内外学者在实验室和田间针对氮素流失开展了大量的研究[2-8]，结果表明，氮素流失受多种因素的影响，例如地表覆盖物、土壤湿度、施肥情况、灌溉水量、降雨量等。土壤氮素的累积是氮素淋溶的首要条件，在降水和灌溉条件下，氮素随着水分在土壤剖面中的垂直运移而向下淋溶。

位山灌区是黄河下游最大的引黄灌区。近年来位山灌区因氮素流失造成的面源污染日趋严重，给地表和地下水体造成巨大污染风险。在位山灌区农业活动愈加频繁，氮素施肥量过多导致面源污染愈加严重的背景下，为研究不同施肥和灌水情景对氮素流失的影响，本文通过测坑试验及灌区采样，研究灌区不同施灌情景下氮素的迁移分布规律和淋失特征。该研究结果可为揭示氮素的淋溶累积规律，指导区域合理施肥，提高氮利用效率，并减少氮素对地下水的污染风险提供科学依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山东省位山引黄灌区东阿县后王村，属典型的半干旱半湿润气候，多年平均降雨量为566.7 mm，水面蒸发量为1 287.7 mm。试验时间为2014年10月~2016年10月，试验区采用引黄灌溉，农作物以冬小麦—夏玉米为主，小麦于2014年10月种植，次年6月份冬小麦收割之后种植玉米，试验区土壤的基础肥力情况：土层深度为0~20 cm；全氮为1.2 g/kg；速效磷为12.9 mg/kg；速效钾为103.6 mg/kg；有机质为17.0 g/kg。研究区土壤岩性自上而下大致分为5层，0~40 cm为砂壤土；40~70 cm为壤土；70~90 cm为粉砂土；90~140 cm为壤土；140~160 cm为粉砂土。

1.2 试验方案

因田间测坑试验未设计渗漏沟槽，无法获取每次降雨入渗形成的渗漏量，因此本文采用室内土柱实验模拟降雨[9-10]的研究方法。将采集的新鲜土样按土壤实测容重填装到直径15 cm，高160 cm土柱中，利用蒸馏水自上而下进行淋洗，观测并计算氮的渗漏量。

1）田间试验供试作物：冬小麦（品种：鲁单981）和夏玉米（品种：鲁单9066）。试验设有6个测坑，测坑规格为4 m×4 m，每个测坑之间设置2 m深的衬砌墙，并在距地表20 cm、40 cm、80 cm、120 cm、160 cm深度处分别埋设陶土头，用于采集土壤溶液。

2）施肥方案：基肥为N-P2O5-K2O复合肥，施肥量为630 kg/hm2。冬小麦在返青拔节期追肥，采用常规施肥（1、3、5号）和底肥（2、4、6号）处理。N肥50%为底施，50%在拔节期沟施；夏玉米基肥和追肥都为复合肥，P2O5肥、K2O肥、N肥分别50%基施，50%大喇叭口期沟施，试验设计了高肥（1、2号）、低肥（5、6号）和常规施肥（3、4号）3种方案。

3）灌溉方案：试验区采用漫灌的灌水方式，试验期间冬小麦共进行5次灌水，分别是越冬水（12月20日）、返青水（3月13日）、拔节水（4月3日）、抽穗水（4月29日）和灌浆水（5月22日），其中，6个测坑越冬水均采用常规灌溉，其它时期设计了高灌、低灌和常规灌溉3个水平。夏玉米共进行两次灌水，分别为出苗水（6月27日）和抽雄水（7月27日），其灌溉方式采用常规灌溉和低灌。冬小麦、夏玉米施肥及灌溉方案见表1。

表1 冬小麦-夏玉米施肥及灌溉方案

1.3 样品的采集与测定

试验前和灌水后分别采集6个测坑在0~20 cm、20~40 cm、40~80 cm、80~120 cm、120~160 cm深度处的土样，采样时间为2015年3月14日至6月28日。土样中总氮含量采用凯氏定氮法[11]测定，铵态氮采用氯化钾-酒石酸钠-纳氏试剂法[12]测定，硝态氮采用氯化钙-H2SO4法测定[13-14]。试验前和冬小麦、夏玉米实施水、肥后分别采集土壤溶液，采样时间为2015年3月14日至7月28日。采用分光光度法测定土壤溶液中总氮、铵态氮和硝态氮[15]。从各观测井中采集地下水，每10~15 d采集1次，水样为非汛期沟渠自然水，采样时间为2015年3~10月。

2 结果与讨论

2.1 不同水肥处理下硝态氮浓度分布特征

各测坑不同深度处土壤溶液中硝态氮浓度分布情况如图1所示。从整体来看，随着冬小麦生育期的推进，灌水过程导致硝态氮随水分逐渐向深层迁移，相应土层中的硝态氮浓度随时间变化呈逐渐增大趋势。1、2号测坑中硝态氮平均浓度主要累积在40~80 cm土层处；3、4号测坑硝态氮平均浓度大部分累积在20~40 cm和80~120 cm土层处；5号测坑硝态氮平均浓度主要累积在20~80 cm土层处。结果发现，硝态氮在高肥、高水条件下更易向下迁移，因此，过量施用硝态氮，再加以漫灌为主的灌溉方式，将会导致大量硝态氮向地下渗漏，对地下水构成潜在威胁。

常规处理下，冬小麦返青~拔节期硝态氮浓度在20~40 cm处达到最大值。冬小麦整个生育期内，表层硝态氮浓度变化显着，底层硝态氮浓度变化幅度较上层浓度变化小，仅在灌浆期波动比较明显，主要由于2015年3、4月份降雨量大，且是冬小麦主要灌溉期，降雨和灌溉导致4月中下旬土壤表层溶液中硝态氮被淋洗。

图1 土壤溶液硝态氮浓度分布特征

图2 土壤溶液铵态氮浓度分布特征

同时由于该时期灌溉量较大，在短时间内测坑土壤含水量或已达到田间持水量，使中层土壤溶液中的硝态氮被淋洗进入深层土壤，导致土壤表层硝态氮浓度下降，120~160 cm土层硝态氮含量在短时间内增加。结果表明，深层土壤受灌溉的滞后作用影响更明显，在灌溉间歇期该土层部分硝态氮逐渐渗入地下水环境中，硝态氮含量下降，但与上层硝态氮浓度的变化相比，变化幅度并不明显。壤中，而80 cm左右浓度较小；5、6测坑总氮浓度的分布特征与3、4测坑相似。作物对氮素的吸收利用、氮的硝化以及反硝化作用等，导致土壤中总氮变化无序，但是一般来说，施用的水肥量越大，土壤中总氮累积量越多，位置越深。根据常规处理（3号测坑）结果发现，小麦生育期内总氮浓度的变化特征是返青~拔节期浓度较高，抽穗~灌浆期浓度较低，成熟期浓度上升；上层土壤溶液中总氮浓度波动比下层土壤中的总氮浓度波动更明显。总氮是水体中各种形态无机氮和有机氮的总量，能发生多种生物化学反应，流失累积过程复杂，有一定的规律性，同样存在较大的随机性。

2.2 不同水肥处理铵态氮浓度分布特征

不同水肥处理下土壤溶液中铵态氮浓度的分布特征如图2所示。1、2测坑铵态氮主要累积在20~80 cm土层处；3、4测坑铵态氮主要累积在20~40 cm；5、6测坑铵态氮主要累积在0~20 cm。结果发现，灌溉量越大，累积位置越深，最深达距地表80 cm处；灌溉量越小，铵态氮累积位置越靠近地表，这是因为铵态氮极易被作物根系和土壤胶体吸附，迁移性较差。若过量施用铵肥，超过土壤转化、固定铵的能力，会导致浅层土壤处于富铵氮状态，当降雨强度较大或灌溉量较大时，铵态氮可随水迁移导致地下水或地表水面源污染。常规处理下（3号测坑）铵态氮主要累积在0~80 cm土层处，因为在0~40 cm土层为砂壤土，砂粒含量多孔隙大，铵态氮和水分易向下迁移，40~80 cm土层主要为壤土，孔隙小并且土壤对铵态氮的吸附性较强，铵态氮迁移能力减弱。冬小麦返青~拔节期铵态氮主要累积在0~20 cm土层处，抽穗期和灌浆期主要累积在0~40 cm土层处。

2.3 不同水肥处理总氮浓度分布特征

不同水肥处理条件下土壤溶液中总氮浓度分布特征如图3所示。根据土壤溶液中硝态氮和总氮浓度，可以看出硝态氮是总氮的主要部分。从图1和图3中可看出，土壤剖面上总氮浓度和与硝态氮的分布特征相似。1、2测坑总氮浓度主要累积在中上部土壤中，120~160 cm处土壤溶液总氮浓度较小；3、4测坑总氮浓度主要累积在中下部土

不同水肥处理土壤中总氮含量分布特征如图4所示。从图中可以看出，不同水肥处理对土壤中总氮含量的分布特征影响不大。总氮含量主要分布于0~20 cm的土壤表层，平均为1.2g/kg，在40~120 cm土层总氮含量变化不明显，120~160 cm土层总氮含量很小，在0.1g/kg左右，随着深度的增加，土壤中总氮含量逐渐减少。在冬小麦生育期间，总氮含量随时间逐渐减少，主要是因为小麦生长过程中根系对氮素的吸收，造成土层中氮素含量的下降。

2.4 氮素流失渗漏量

图3 土壤溶液总氮浓度分布特征

图4 土壤总氮含量分布特征

冬小麦-夏玉米生育期渗漏液总氮浓度随时间的变化情况如图5。在常规处理下，总氮的流失渗漏量情况如图6。由图5可知，在冬小麦-夏玉米轮作模式下，土壤剖面总氮渗漏浓度达到10~14 d的稳定时间；氮的流失渗漏是一个由快变慢的过程，最终达到稳定状态。

由图6可知，在返青~拔节期冬小麦总氮渗漏量较其他时期要大，为5.1 kg/hm2；抽穗期渗漏量逐渐减少，为4.5 kg/hm2；灌浆~乳熟期渗漏量则为4 kg/hm2；夏小麦的氮素利用率低于冬小麦，导致氮素泄漏更多，特别是在7月中旬至8月中旬期间，降雨量过高，导致夏玉米在拔节期~抽雄期氮素大量渗漏。计算得到，6种处理下冬小麦-夏玉米生育期内不同水肥处理氮素渗漏量分别为32.46 kg/hm2、28.17 kg/hm2、18.45 kg/hm2、22.11 kg/hm2、24.17 kg/hm2和 20.57 kg/hm2。结果表明，不同水肥处理对氮素的渗漏量影响较大。

2.5 地下水水质

2015年3月~10月地下水观测点的水质（硝态氮、铵态氮、TN和TP）变化情况如图7a，2014—2016年地下水中总氮浓度随时间的变化情况如图7b所示。

图5 作物不同生长期总氮流失情况

由图7a可知，2015年研究区地下水总氮的变化规律为：冬小麦灌溉期间，地下水总氮含量逐渐增加，成熟期逐渐减少。在7月月中旬总氮含量又逐渐升高，根据2016年降雨数据可知，2016年7月中旬开始研究区降雨量逐渐增大，对土壤淋洗作用增强，从而导致更多的氮元素淋溶进入地下水环境。由图7b可知，2014—2016年研究区地下水总氮含量随时间呈线性增加趋势，其中决定系数R2=0.784。结果表明研究区地下水质恶化，需要进一步关注。

图6 总氮渗漏量

图7 2015年地下水硝态氮、铵态氮、TN和TP浓度（a）和2014-2016年总氮浓度（b）随时间的变化规律

3 结论

1）不同水肥处理对土壤中硝态氮、铵态氮、总氮浓度分布有明显影响，且影响各异。总体上施肥量越多、灌溉量越大，氮流失渗漏量越多，累积位置越深。研究区铵态氮累积最深离地表以下80 cm处，硝态氮累积主要在距地表40~80 cm处；总氮浓度的分布特征与硝态氮的分布特征相似。

2）不同水肥处理对土壤中总氮含量分布特征影响不大。总氮含量主要分布于土壤表层0~20 cm，平均为1.2 g/kg左右，土壤中总氮的含量随深度的增加而逐渐减少。

3）在小麦不同生育期，土壤剖面总氮渗漏浓度达到10~14 d的稳定时间，随小麦生长发育土壤中总氮渗漏量减少。

4）研究区地下水总氮含量随时间呈线性增加趋势。在长期灌溉施肥条件下研究区地下水质有污染风险，需要加强相关研究。