不同灌溉方式对稻田土中NH4+-N迁移转化途径的影响

邓秋宏,李 佳

(四川职业技术学院 能源化工与环境学院,四川 遂宁 629000)

化肥中氮素成分的流失是水体污染的主要来源.尿素作为我国水稻种植过程中的常用化肥,施用量大但利用率低,仅有30%～35%的尿素能被作物吸收[1],氮素损失严重.尿素为速溶性化肥,在土壤中的直接水解产物为NH4+-N,因此施尿素后土壤环境中的氮素损失主要来源于NH4+-N的迁移转化.水分是土壤中氮素迁移转化的主要驱动力[2].对于水生作物水稻而言,种植过程中需多次灌溉,而施肥后7 d内为氮素损失高峰期[3-4],因此探讨此阶段内不同灌溉方式下土壤中NH4+-N的迁移转化途径可为制定合理的灌溉措施提供依据.目前,前人研究多是将施肥量及施肥方式、降雨强度、温度等因素对稻田土壤氮素迁移转化的影响进行研究,而针对不同灌溉方式下土壤中氮素迁移转化途径的对比研究较少.本研究以绵阳涪城区水稻试验基地稻田土壤为研究对象,通过自制装置模拟稻田,探究不同灌溉方式下水分驱动NH4+-N迁移转化情况,以期为探明不同灌溉方式下稻田土中NH4+-N迁移转化规律提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验基地位于四川省绵阳市涪城区,该区域属于北亚热带山地湿润季风气候区,受地貌影响,降水丰沛,年均降水量为825.8～1417 mm.试验基地稻田土壤为紫色土,土壤的理化指标如表1所示.

表1 原状土土壤理化指标

1.2 试验设计与方法

1.2.1 模拟田块设计

采用高50 cm、上口内径45 cm、下口内径39 cm的塑料桶盛装处理过的供试土壤作为实验模拟田块,在桶体底部中心开孔,插入橡胶软管导流,采集渗滤液,并在桶体上方搭建雨棚以减少外界降雨对试验的干扰;共设置2组试验模拟田块系统,分别为常规淹灌和湿润灌溉.

供试土壤:取自绵阳市涪城区青义镇稻田紫色土.

填充土壤:供试土壤按稻田原状土容重分层(0～20 cm、20～40 cm)取出,经过风干过筛后按照稻田原状土容重分层回填至各模拟田块中.其中每个模拟田块0～20 cm共填充土体约39 kg,20～40 cm共填充土体约42 kg.

1.2.2 实验方法

试验于2021年8月-9月在四川省西南科技大学水处理与污染控制中心实践教学基地进行.通过测定施肥后1～15 d内两种灌溉方式下氮素的损失量,定性定量分析施肥后淹灌状态和湿润状态下施肥后稻田氮素流失情况.

水分管理:

①常规淹灌条件下水分管理:填充完土壤后,缓慢灌水至土体湿润并达到水分饱和,后续实验过程中按需补水使土体表面水层维持在4～5 cm,此时表层水体积约为8 L.

②湿润灌溉条件下水分管理:填充完土壤后,缓慢灌水至土体湿润状态,后续实验过程中按需补水使土壤测定含水率维持在60%～100%.

施肥管理:

①肥料种类:氮肥为尿素颗粒,纯N含量为464 g/kg.

②施肥量:参照当地水稻种植常规施肥量,氮肥用量为150 kg/hm2(以纯N计).根据所施尿素纯N含量及每个模拟田块填充土壤的表面面积0.138 m2可计算出,每个模拟田块系统中尿素施用量为4460 mg.

③施肥方式:施肥方式采用表面撒施方式,土壤经过湿润处理后将尿素一次性均匀撒至土壤表层,再按照上述两种水分管理方式分别进行灌水处理.

1.3 样品采集与测定

样品采集:

①渗滤液水样采集:常规淹灌、湿润灌溉处理组在施肥后第1～15 d每天测定渗滤液水样中的NH4+-N浓度,采样时间与采集表层水样同时进行,为方便后期定量计算,每次收集渗滤液的时长为2h,所得滤液用量筒量取体积.

②氨挥发量采集:每隔2 d取样测定氨挥发量.

③土壤样品采集:实验结束后分层(0～20 cm、20～40 cm)取样测定土壤中全氮、硝态氮、铵态氮和亚硝态氮的含量.

样品测定:

①水样样品测定方法:NH4+-N的测定采用纳氏试剂分光光度法[5];pH采用pHS-320型酸度计测定.

②土壤样品测定方法[6]:土壤全氮的测定采用半微量开氏法;土壤铵态氮的测定采用KCl浸提-靛酚蓝比色法;土壤硝态氮的测定采用紫外分光光度法;土壤亚硝态氮的测定采用磺胺/盐酸萘乙二胺-分光光度法.

③氨挥发测定方法:采用通气式氨挥发测定法[7].通气装置由内径16 cm、高10 cm的聚氯乙烯硬质塑料管制成,测定过程中分别将2块厚度为2 cm、直径16 cm的海绵均匀浸入20 mL磷酸甘油混合液并固定于管内,下层海绵置于距管底5 cm处,上层海绵与管顶部相平.

④土壤水分测定方法:采用便携式土壤水分测定仪测定.

2 结果与分析

2.1 稻田土壤中NH4+-N的迁移转化途径

施肥后土壤中NH4+-N的迁移转化途径主要包括作物吸收、淋溶和径流损失、氨挥发、发生硝化反应[8].

① 作物吸收

水稻吸收的氮素形态主要为NH4+-N和NO3--N[9].研究表明,农田长期大量施用氮肥会造成土壤氮素的大量盈余[10-11],而水稻吸收利用土壤氮素的比例高于肥料[12],大大降低了氮肥利用率,因此施肥后土壤中的氮素以其他途径损失的风险较大.

由于本实验中未种植作物,因此作物吸收NH4+-N的损失量可忽略不计.

② 淋溶和径流损失

淋溶和径流损失是土壤中氮素损失的主要途径之一[13],通过降雨、灌溉等水分驱动,土壤溶液中的氮素随水分迁移至地表水和地下水.由于土壤氮素迁移与土壤水分含量紧密相关,因此不同灌溉方式下,氮素淋溶、径流损失也有所差异.

由于本实验灌溉过程中不存在径流,故只考虑不同灌溉方式下NH4+-N的淋溶损失.

③ 氨挥发

氨挥发受土壤水分含量的影响较大,主要体现在两方面[14]:一是土壤水分影响尿素溶解及水解速度;二是土壤水分影响NH3在土壤表面及土层的扩散,部分扩散出的NH3还可能被土壤水分溶解.因此不同灌溉方式对氨挥发存在一定影响.

④ 硝化反硝化反应

无外源输入前提下,土壤中增加的NO2--N、NO3--N含量主要来源于NH4+-N的硝化作用[15].土壤中NH4+-N发生硝化反硝化反应的反应式如下[16](土壤呈酸性):

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+

2NO2-+O2→2NO3-

2NH4++4O2→2NO3-+2H2O+4H+

根据反应式可知,硝化反应为需氧反应.由于土壤中的氧气主要存在于未被土壤水分占据的土壤孔隙中,土壤水分在很大程度上决定土壤孔隙度和孔隙大小分布[17],因此土壤水分含量会影响氧气在土壤中的扩散,从而影响硝化反应的进行,故本实验过程中需探讨不同灌溉方式对NH4+-N发生硝化反应的过程的影响.

综上所述,在本实验研究条件下,土壤中NH4+-N的迁移转化途径主要包括淋溶损失、氨挥发以及发生硝化反应.通过分析上述各迁移转化途径中NH4+-N的损失量,可探究不同灌溉方式对稻田土壤中NH4+-N迁移转化途径的影响.

2.2 不同灌溉方式下NH4+-N迁移转化途径中的损失量

2.2.1 淋溶损失

施肥后1～15 d内常规淹灌和湿润灌溉方式下淋溶液中NH4+-N浓度如图1所示.

由图1可知,常规淹灌方式下,淋溶液NH4+-N浓度维持在1.32～14.65 mg/L,淋溶液体积维持在1.63～3.66 L;湿润灌溉方式下,淋溶液NH4+-N浓度维持在0.36～6.47 mg/L,淋溶液体积维持在0.29～0.75 L.经淋溶液NH4+-N浓度和淋溶液体积计算可得,施肥后1～15 d内常规淹灌和湿润灌溉方式下NH4+-N淋溶损失量如表2所示.

表2 不同灌溉方式下NH4+-N淋溶损失量计算表

由表2计算可得,常规淹灌方式下,施肥后1～15 d内累计NH4+-N淋溶损失总量可达到250.43 mg;湿润灌溉方式下,施肥后1～15 d内累计NH4+-N淋溶损失总量仅为15.18 mg.分析可知,常规淹灌方式下施肥后1～15 d内累计NH4+-N淋溶损失总量约为湿润灌溉方式下施肥后1～15 d内累计NH4+-N淋溶损失总量的16.5倍.

2.2.2 氨挥发损失

施肥后1～15 d内常规淹灌和湿润灌溉方式下氨挥发量如图2所示.

由图2计算可知,常规淹灌方式下,施肥后1～15 d内累计氨挥发量可达到15.55 kg/hm2;湿润灌溉方式下,施肥后1～15 d内累计氨挥发量可达到42.62 kg/hm2.根据模拟土块土壤表面面积0.138 m2计算可得,常规淹灌、湿润灌溉方式下,施肥后1～15 d内累计氨挥发量分别为214.59mg、588.16mg.由此可知,施肥后1～15 d内湿润灌溉产生的氨挥发量约为常规淹灌产生氨挥发量的2.7倍.

2.2.3 硝化损失

常规淹灌和湿润灌溉方式下,土壤本底氮素含量和施肥后第15 d土壤中各氮素的含量如表3所示.

表3 不同灌溉方式下土壤施肥前后各氮素含量变化

由表3计算可知,常规淹灌方式下,施肥后1～15 d内土壤全氮增加量为2.79 g;NH4+-N增加量为1018.92 mg;NO3--N增加量为81.93 mg;NO2--N减少量为25.8 mg.湿润灌溉方式下,施肥后1～15 d内土壤全氮增加量为2.43 g;NH4+-N增加量为861.39 mg;NO3--N增加量为141.78 mg;NO2--N减少量为43.44 mg.

(1)参与水解的尿素含量

① 无机氮

无机氮包括NH4+-N、NO3--N、NO2--N三种氮素形态.其中常规淹灌、湿润灌溉方式下施肥后1～15 d内土壤无机氮增加总量分别为1075.05mg、959.73 mg.

② 有机氮

土壤全氮包括有机氮和无机氮两种形态,根据表3数据计算可得,常规淹灌、湿润灌溉方式下施肥后1～15 d内土壤有机氮增加总量分别为1714.95 mg、1470.27 mg.由于施肥时未输入其他有机态氮源,故施肥后第15 d土壤中增加的有机氮含量可视为残余土壤中的尿素分子.

由于每个模拟田块系统中尿素施用量均为4460 mg,综上计算可得,常规淹灌、湿润灌溉方式下施肥后1～15 d内发生水解并参与氮素迁移转化的尿素分子含量分别为2745.05 mg、2989.73mg.

(2)NH4+-N硝化损失量

尿素施入土壤后水解生成NH4+-N的反应式如下:

CO(NH2)2+2H2O+H+→2NH4++HCO3-

根据该方程式和发生水解并参与氮素迁移转化的尿素分子含量计算可知,常规淹灌、湿润灌溉方式下施肥后1～15 d内尿素水解产生的NH4+-N含量分别为1647.03 mg、1793.84 mg.结合上述分析中尿素水解产生的NH4+-N的损失途径,以及不同灌溉方式下以氨挥发、渗流流失方式损失的NH4+-N量可分别计算得到NH4+-N硝化损失量.经计算可得,不同灌溉方式下各损失途径中NH4+-N损失量如表4所示.

表4 不同灌溉方式下各损失途径中NH4+-N损失量

由表4可看出,常规淹灌方式下,施肥后1～15 d内累计NH4+-N硝化损失量约为163.09 mg;湿润灌溉方式下,施肥后1～15 d内累计NH4+-N硝化损失量约为329.11 mg,约为常规淹灌方式下NH4+-N硝化损失量的2.02倍.

根据2.1中稻田土壤NH4+-N的损失途径分析,结合表4可分析得出,不同的灌溉方式会对施肥后稻田土壤中的NH4+-N损失量产生影响.常规淹灌方式下,施肥后15 d内累计NH4+-N损失总量达到628.11 mg,其中,以氨挥发、淋溶以及发生硝化反应损失的NH4+-N量分别占总损失的34.16%、39.87%、25.97%;湿润灌溉方式下,施肥后15 d内累计NH4+-N损失总量为932.45 mg,其中以氨挥发、淋溶以及发生硝化反应损失的NH4+-N量分别占总损失的63.08%、1.63%、35.30%.

3 讨论

3.1 不同灌溉方式下NH4+-N淋溶损失量对比

NH4+-N易被土壤胶体吸附截留[18].常规淹灌方式下,由于土壤水分达到饱和形成壤中流[19],土壤吸附的NH4+-N不断溶入土壤溶液中并随之下渗,导致NH4+-N淋溶损失量较高;湿润灌溉方式下,土壤水分未达到饱和,非饱和土壤溶液中NH4+-N浓度的运移大大受阻于土壤对NH4+-N的吸附作用[20],导致大部分NH4+-N残留在土壤中,因此相较于常规淹灌,湿润灌溉方式下NH4+-N淋溶损失量较低.

3.2 不同灌溉方式下氨挥发损失量对比

氨挥发主要来源于土壤溶液中的NH4+-N.湿润灌溉方式下,尿素施入湿润土壤后,充足的水分促进了尿素的溶解,尿素溶液渗入土壤后,一部分尿素分子在土壤脲酶作用下水解生成NH4+-N并进入土壤间隙液中,最终通过迁移在土壤表层进行氨挥发.

相较于湿润灌溉方式,常规淹灌方式下土壤表层始终维持一定厚度的水层,导致土壤间隙液中的游离氨无法直接挥发至大气中[21],大大阻碍了氨气外逸;此外,研究表明[22],稻田氨挥发排放量与土壤溶液NH4+-N浓度呈极显著正相关,在相同施肥量条件下,常规淹灌方式下土壤表层的水层大大稀释了土壤溶液中的NH4+-N浓度,致使氨挥发量相较湿润灌溉方式大大降低.

3.3 不同灌溉方式下NH4+-N硝化损失量对比

常规淹灌方式下,由于土壤表面保持淹水层,土壤孔隙被水分填充呈水饱和状态,限制了氧气扩散,使土壤内部形成嫌气环境[23],导致土壤中硝化反应作用微弱,NH4+-N硝化损失量低;湿润灌溉方式下,土壤颗粒间存在一定量的氧气,此时土壤内部形成好氧或缺氧环境.在好氧、缺氧状态下,NH4+-N是自养细菌繁殖的电子供体,因此土壤中NH4+易被硝化细菌氧化为NO3-[24],NH4+-N硝化损失量高.

4 结论

常规淹灌方式下,施肥后15 d内以淋溶途径损失的NH4+-N量约为湿润灌溉方式下的2.7倍;湿润灌溉方式下,施肥后15 d内以氨挥发、硝化反应途径损失的NH4+-N量分别约为常规淹灌方式下的16.5倍和2.02倍.

常规淹灌方式下,施肥后15 d内NH4+-N主要以淋溶途径进行迁移转化,该过程中NH4+-N损失量可达到总损失量的39.87%;湿润灌溉方式下,施肥后15 d内NH4+-N的迁移转化途径主要为氨挥发,其NH4+-N损失量可达到总损失量的63.08%.