农田硝态氮淋溶损失影响因素及防治对策研究进展

王钰涵, 唐璐

(1.华北水利水电大学 环境与市政工程学院,河南 郑州 450046; 2.湖库水生态环境保护与修复河南省工程实验室,河南 郑州 450000; 3.河南水利与环境职业学院,河南 郑州 450000)

氮素是植物生长所必需的营养元素,可显著提高作物产量。在农业生产中,作物所需氮素的来源以化肥为主。20世纪以来,我国化肥用量迅速增长[1-2],但化肥利用率较低,只有30%左右[3]。过量的氮肥残留在农田中,易引发环境问题,主要表现为:①在降雨和灌溉条件下,一部分氮肥通过地表径流进入地表水体,引发水域的富营养化污染;另一部分氮肥(以硝态氮为主)在土壤水分的作用下,向土壤深层迁移,引发地下水污染。②不合理的施用氮肥导致土壤污染,主要有土壤盐渍化、土壤酸化和土壤板结等。③氮肥在硝化及反硝化作用下产生的氮氧化物既是产生温室效应的主要成分,也是破坏大气臭氧层的主要气体[4-5]。

近年来,农田氮肥污染及氮素迁移途径研究成为国内外学者关注的重点[6]。土壤中硝态氮淋溶损失是导致农田周围水体富营养化和地下水硝酸盐污染的主要原因[7]。本文在总结土壤硝态氮淋溶研究进展的基础上,探讨降雨和灌溉、施肥、土壤类型、作物类型、种植方式等因素对硝态氮淋溶损失的影响,并结合影响规律制定对应的防治措施,以期为有效控制硝态氮淋溶损失、指导农民科学合理施肥、减少环境污染提供理论依据。

1 土壤硝态氮淋溶研究进展

国际上对氮素淋溶问题的研究最早是英国的科学家Warrington于1905年开展的,随后学者们进行了大量氮素淋溶过程的定性分析和定量评价研究。定量法包括直接测定法和间接计算法[10-11]。定性分析方法主要包括实地研究和试验模拟两种方法,研究内容主要包括降雨、施肥量、施肥方式、施肥种类及不同土地类型对氮淋溶的影响。

2 土壤硝态氮淋溶影响因素

2.1 施肥对淋溶的影响

2.1.1 氮肥种类

2.1.2 施肥量

随着农业集约化的发展,氮肥的投入量高速增长,而施肥量与作物产量之间并非简单的线性关系,一般是Y=a+bx+cx2的二次曲线[21-23],即在一定范围内,作物产量与施肥量呈正相关关系,超过一定范围后呈负相关关系。一方面,过量施肥会造成土壤盐渍化、碱化、酸化、砂化、板结等,直接或间接导致作物产生生理病害,进而造成作物减产；另一方面,过量施肥易造成作物营养失调,一是营养过剩,二是由于某种过量元素的颉颃作用导致其他元素的缺乏[24]。此外，优化氮、磷、钾的含量也可降低硝态氮淋失量[25]。

2.1.3 施肥深度和方式

施肥深度不同,农作物的氮肥利用率也不同。浅层(0～20 cm)和过深层(60～80 cm)氮肥的利用率较低;中深层(20～40 cm)的氮肥利用率最高。这可能是因为：向中深层(20～40 cm)施肥可增加作物下层根系的根量及所占比例,延迟根系衰老[26]。

2.1.4 施肥时间

2.2 降雨和灌溉对淋溶的影响

廖上强等[30]根据番茄地的试验结果指出,减少30%的灌溉量对番茄的产量和品质没有明显影响；但可以显著降低土壤氮素淋溶,相同施肥方式下40～60 cm土层中硝态氮减少8.0%～63.7%。另有研究表明,控制灌溉和浅湿灌溉分别可以减少11.89%和14.15%的硝态氮渗漏;在水稻全生育期,控制灌溉能使氮素淋失总量最小[31]。

土壤中硝态氮的淋溶规律是“盐随水来,盐随水走”,硝态氮含量与土壤含水率呈正相关关系。在不同降雨强度(40 mm/h和70 mm/h)下,0～20 cm的表层和110～140 cm土层中硝态氮的含量存在较大差异,70 mm/h雨强下的硝态氮含量比40 mm/h雨强的大[32]。野外冬小麦田间试验[33]的结果表明,大雨强(70 mm/h)区域的硝态氮含量低于小雨强(40 mm/h)区域的,且淋溶现象严重。这主要是因为雨强大,土壤剖面水分运动快,同时区域土壤多为砂性土,保水性弱,硝态氮随水分淋溶强烈。

2.3 土壤类型对淋溶的影响

2.4 其他因素

农田耕作主要是改变土壤空间结构和水肥状况,使土壤中水分运动规律和氮素迁移规律发生改变,进而影响农作物的产量和氮肥利用。周宝元等[38]认为,在一次性基施缓释氮肥情况下,条带深松耕作方式下的夏玉米产量最高,分别比浅旋和免耕处理后的产量提高10.7%和11.5%。在农田施肥量一定的条件下,保护性耕作方式(免耕留茬、留茬覆盖)的小麦产量显著高于传统耕作方式(常规翻耕)的,同时小麦对当季肥料氮素的吸收率平均提高约3.5%,土壤残留量降低约1%,氮素损失减少约2%[39]。

不同种类的农作物对氮肥的需求不同,同一作物在不同的生长发育期对氮肥的需求量也不同。如苗期的水稻喜爱铵肥,其中NH4Cl、NH4HCO3和CO(NH2)2的吸收率较高[40]。喜氮、高产及深根系作物在自身生长发育过程中对氮素的需求大,氮肥的利用率高,进而淋溶量小。

作物种植方式不同,农田土壤的持水能力和硝态氮淋溶量也随之变化。一般认为,轮作相比于连作可明显减少土壤氮素淋失。研究指出[41],大豆-玉米轮作比单一玉米连作可显著减少农田氮素损失,主要是因为轮作可改善土壤环境,提高土壤持水保肥能力,促进作物对氮素的吸收,减少氮素损失。

农田土壤中导致氮素淋溶损失的因素较多,因素之间相互影响、相互制约,所以很难区分影响氮素淋溶的单一因素。研究氮素在土壤中的迁移转化机制及淋溶损失的影响因素,了解各因素间的作用机制,可为制定减少农田土壤氮素淋溶损失的措施提供理论依据。

3 减少氮素损失的措施

3.1 合理施肥

氮肥与磷肥、钾肥、有机肥合理配施可显著降低土壤中硝态氮累积,进而降低硝态氮淋溶损失风险。薛晓辉等[50]指出:单施过量氮肥时,300 cm以下土层的土壤剖面甚至出现硝态氮累积层；单施磷肥对土壤硝态氮分布无影响;氮、磷肥配施时,氮磷比低时,土壤中未发现硝态氮累积,且160 cm以下土层硝态氮含量极少,氮磷比高时,硝态氮在土层100～120 cm和240～260 cm附近出现累积。施用有机肥可改善土壤环境,增加微生物数量,提高植物对氮肥的利用率,且碳氮比比较高的有机物有利于土壤中微生物活性和矿质氮的有机固定,减少氮素流失[51]。

3.2 控水灌溉

3.3 制定合理的耕作措施

农民应根据当地的特点选用套种和轮作、秸秆覆盖等措施提高氮肥利用率。葛均筑等[55]指出优化施氮和地膜覆盖增温降渍可促进春玉米氮素的吸收,提高氮肥利用率。欧阳竹等[56]认为免耕和秸秆覆盖可以抑制杂草生长,进而提高作物对氮肥的吸收利用。

3.4 种植填闲作物

王芝义等[60]指出,相比于填闲处理，种植糯玉米、燕麦、豌豆和苋菜可将氮素淋洗量分别降低100%、96%、82%和58%。太湖地区的田间试验[61]表明,甜玉米填闲处理土壤(0～50 cm)硝态氮，其残留减少4.19%～30.72%。由此可知,选择合适的填闲作物进行轮作是减少土壤硝态氮淋溶的有效途径之一。

3.5 推广使用缓释肥、控释肥及新型肥料

缓释肥以单体氮肥为主,原理是利用化学合成和生物因素来减慢化肥养分的释放速度[62];控释肥则是将水溶性肥料通过外包膜的物理方式包在膜内,使其养分缓慢释放[63],主要为氮磷钾复合肥,也有的是包括微量元素的全营养肥料。研究表明,缓释肥和控释肥可以延缓养分的吸收与利用,增加农作物产量,提高氮肥利用率[64-65]。

3.6 保水剂的应用

保水剂(Super Absorbent Polymer,SAP)是利用强吸性树脂制成的一种具有超高吸水、保水能力的高分子聚合物。保水剂具有吸收和保蓄水分的作用,可间接将溶于水中的化肥固定其中,在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失,达到了节水节肥、提高水肥利用率的效果。通过合理使用保水剂与氮肥配施比能提高氮肥利用率和农作物产量[68]。另外,不同类型的保水剂的效果有所不同,腐植酸型多功能保水剂优于传统聚丙烯酸盐类保水剂[69]。

4 展望

土壤硝态氮淋溶损失是农田氮素损失途径之一,氮肥淋溶的影响因子多且错综复杂,硝态氮淋溶损失是农业和土壤学的研究热点。鉴于目前的研究现状，今后可从以下方面开展工作:

1)建立长效完善的试验系统,加强土壤中硝态氮淋溶机理的研究,确立硝态氮淋溶的动力学方程,为实际施肥耕作、控制氮肥流失提供理论基础。

2)加强对硝态氮淋溶与环境容量间响应关系的研究,确立氮肥施肥量阈值,制定科学的施肥用量标准,使农作物增产最大化,对环境影响最小化。

3)目前针对氮淋溶影响因素的研究比较单一,多因素共同作用的研究有待进一步加强。