農(nóng)業(yè)種植土壤硝態(tài)氮淋失

1、農(nóng)業(yè)種植土壤硝態(tài)氮淋失 長期以來，過量施用氮肥在我國己成為相當普遍的問題，特別是一些集約化種植體系，對環(huán)境污染的壓力日趨嚴重。據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所調(diào)查，中國氮肥利用率結(jié)果僅為30%一40%121，約20%一50%主要以硝態(tài)氮形式經(jīng)土壤淋溶進入地下水，在大水漫灌或劇烈降雨時，特別是土壤中氮素超過作物需求量時，硝態(tài)氮淋洗會大量增加，引起地下水硝酸鹽污染s。硝態(tài)氮的淋溶被認為是農(nóng)田氮素損失的主要途徑之一I4。硝態(tài)氮淋失一方面降低了化肥的利用率，另一方面對地下水和地表水的污染埋下了隱患。因此，研究稍態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)換特征有著非常重要的現(xiàn)實意義。在國內(nèi)，早期的研究主要集中在氮素去向及有效利用率研究

2、lsl。部分研究者l0分別對我國北方地區(qū)14個縣、甘肅不同生態(tài)區(qū)以及滇池流域等地區(qū)因施用農(nóng)用氮肥造成的地下水氮素污染分別進行了調(diào)查和研究。 20世紀70年代國外就有利用SN識別污染來源的報道，同時結(jié)合其他的同位素來研究稍酸鹽的循環(huán)、遷移、混合等過程。MeLay和or吧enl71研究指出，較嚴重的地下水硝酸鹽污染主要與化肥施用量較高的蔬菜種植有關(guān)，蔬菜種植區(qū)的地下水硝酸鹽含量明顯高于糧食作物種植區(qū)或城市區(qū)域。國外在對土壤稍態(tài)氮淋失已進行了較長時間的研究，在土壤硝化作用、硝態(tài)氮淋失條件、硝態(tài)氮移動力學與數(shù)學模型以及硝態(tài)氮淋失的防治和對策等方面都進行了系統(tǒng)的研究l8。土壤稍態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律越來越受到

3、國內(nèi)外學者的)泛關(guān)注19川。不同種植條件下土壤稍態(tài)氮的滲漏特征呈現(xiàn)不同變化趨勢，主要受降雨灌溉和施肥量的影響。研究表明，土壤硝態(tài)氮淋失量與降雨量密切相關(guān)，隨著雨量增多和雨強增大，氮素的淋失量和遷移強度也相應增加。這部分硝態(tài)氮是很難被作物吸收利用的，最終只能引起農(nóng)田氮素的大量淋失，對土壤及地下水環(huán)境造成一定程度的污染。對于不同的施肥種類，通常土壤中不同形態(tài)氮的淋溶損失強度由大到小依次為:硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、按態(tài)氮、有機氮。滲漏水中氮的濃度與土壤中氮素的淋失量隨施肥量的增加而增加51。農(nóng)業(yè)集約化種植程度高，施肥頻率高，施肥量大，這些因素都加重了農(nóng)田氮素的損失，也對地下水的污染造成了很大的威脅。為了評

4、估農(nóng)業(yè)集約化種植氮素流失途徑及其行為特征，特別是評估硝態(tài)氮淋溶損失對地下水污染的影響程度和范圍，為防治水污染、制定流域最佳管理措施提供科學依據(jù)，本文通過田間定位監(jiān)測分析，闡明了硝態(tài)氮在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，分析了土壤硝態(tài)氮變化趨勢，建立了土壤硝態(tài)氮濃度和地下水稍態(tài)氮濃度響應關(guān)系，為農(nóng)業(yè)集約化種植區(qū)防治農(nóng)業(yè)非點源污染和優(yōu)化田間管理措施提供了科學依據(jù)。 1材料與方法 1.1研究區(qū)的選擇 本研究選取江陰市典型農(nóng)業(yè)集約化種植區(qū)為研究對象。江陰市2000年后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中年化肥使用總量達56000多t，農(nóng)藥使用總量達1000多t，每畝耕地平均年投入量分別比上世紀50年代增加8倍和20倍。近年來由于人類活動的

5、干擾，如大量無公害蔬菜基地、花卉基地和水果基地的建設，農(nóng)業(yè)耕作方式的改變，化肥使用量的增加等使得地下水硝酸鹽的污染問題日益凸顯，地下水硝酸鹽污染不僅直接導致部分農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量下降，而且土壤質(zhì)量的惡化又直接影響到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，最終影響人們的健康和生活質(zhì)量。本文選取了3種不同農(nóng)業(yè)種植條件下的農(nóng)田為研究對象，分別為磺土鎮(zhèn)葡萄種植園、西石橋鎮(zhèn)東支蔬菜基地、西石橋鎮(zhèn)常規(guī)種植區(qū)。在研究區(qū)域3種不同種植方式采樣點，分布著3種不同的水稻土。綜合考慮土壤質(zhì)地和種植作物，劃分5個土壤剖面，布置3個地下水觀測井，分別位于葡萄種植園、東支蔬菜基地、常規(guī)種植區(qū)的實驗農(nóng)田內(nèi)。3種土樣的分層按照平均分層法分為:0一20、2

6、0一40、40一60、60一80、80一100cm總共為5層。葡萄種植園和蔬菜基地采用集約化統(tǒng)一管理，常規(guī)種植區(qū)按當?shù)剞r(nóng)事習慣施肥和灌溉。 1.2土壤基本性質(zhì)測定 土壤體積質(zhì)量(容重)用環(huán)刀法測定;土壤質(zhì)地用吸管法測定;土壤基本性質(zhì)測定和室內(nèi)實驗在中國科學院南京地理與湖泊研究所進行測定。表!列出了土壤基本性質(zhì)的測定結(jié)果。 1.3土壤硝態(tài)氮運移監(jiān)測方案 在監(jiān)測期內(nèi)，每隔15天在上述每個典型種植區(qū)內(nèi)沿“S”形路線隨機選取5點，用土鉆按0一20、20一40、40一60、60一80、80一100。m間隔，分5個層次采集O一100cm剖面的土壤樣品。采集時在每塊樣地應多采些混合土樣，剔除土樣中含的根茬等

7、雜物，將每個種植區(qū)的同一層次各樣點土樣混合均勻后裝入密封袋中標記，隨即放入冰盒密封保存。由于每個地區(qū)種植的作物不同，其中葡萄種植園的采樣點選在行內(nèi)兩葡萄植株間，蔬菜基地、常規(guī)種植區(qū)采樣點則選在作物種植的行間。土壤溶液滲濾管是用直徑為3cm的塑料離心管制作。在管壁上等距離(1cm)打直徑約2mm的小孔，外部用300目的尼龍布纏裹3層后扎緊，阻止土壤顆粒進入，離心管上部有橡皮塞封口，將硬質(zhì)塑料細管(直徑約3mm)一端穿過橡皮塞插入離心管底部，別一端露出地表供其抽取濾液。在3種農(nóng)業(yè)種植方式農(nóng)田利用安裝PVC地下水管取樣井的辦法設置地下水收集點，進行淺層地下水位和水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)測，在作物生長期間以一定的

8、時間間隔(每周)采集水樣。土壤硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測定。將采集后預留的土樣風干后過1mm篩，稱取59土壤樣品，然后加入1mol/LKCI溶液浸提，震蕩6Omin，過濾后上清液放入一4冰箱中保存，采用連續(xù)流動注射分析儀測定浸提液中稍態(tài)氮含量。 2結(jié)果與討論 2.1土壤剖面硝態(tài)氮動態(tài)變化與降雨灌溉的響應關(guān)系 大多數(shù)作物的根系不發(fā)達，屬于淺根作物，對水肥的依賴程度比較高，因此經(jīng)常性的灌溉對保證作物的生長起著十分重要的作用，分次追肥和頻繁灌水是傳統(tǒng)作物種植中的普遍現(xiàn)象。集約化種植模式，以灌溉施肥統(tǒng)一化，操作規(guī)范化，農(nóng)田勞作機械化等為特點，表現(xiàn)出區(qū)別于常規(guī)種植模式的一面，這種區(qū)別反應在硝態(tài)氮滲漏過程

9、中，對地下水環(huán)境的治理起著十分重要的作用。集約化種植和常規(guī)種植在灌溉體系上存在差異，比較集約化葡萄種植園和農(nóng)家常規(guī)種植菜園近5年灌溉情況如圖l所示，集約化種植區(qū)灌溉量相對穩(wěn)定，主要集中在30一40mm之間，在圖中表現(xiàn)為灌溉累積頻率呈現(xiàn)正態(tài)分布。常規(guī)種植區(qū)灌溉相對隨意，灌溉量在15一20mm，45一50mm之間，由于灌溉量的隨意性導致灌溉累積頻率呈現(xiàn)出離散型分布的特點。有著顯著的關(guān)系:濃度上，降雨或灌溉后，硝態(tài)氮隨水分運移到土壤下層，造成硝態(tài)氮滲漏濃度增大。灌溉量越大，硝態(tài)氮淋失濃度越高，灌溉對硝態(tài)氮淋失起重要的作用，這也與Waddelll川的研究基本一致;時間上，硝態(tài)氮濃度增大時間滯后于降雨或

10、灌溉時間。由此可見，降雨和灌溉是影響硝態(tài)氮滲漏的主要因素。比較兩種種植體系不同時期硝態(tài)氮滲漏濃度變化(圖2)，集約化葡萄種植園灌溉次數(shù)明顯少于常規(guī)種植區(qū)，灌溉量也比較均勻有序，硝態(tài)氮滲漏濃度比較均勻，在6月底產(chǎn)生比較大的突躍，這主要是由于葡萄花期已過，進入坐果期，施入大量硫酸錢作為追肥，同時2008年6月底江南地區(qū)普降大雨，進一步推動了硝態(tài)氮向土壤深處的淋失。相比而言，常規(guī)種植區(qū)的灌溉量比較隨意，硝態(tài)氮的滲漏濃度也體現(xiàn)了無序的變化，其數(shù)值遠遠小于集約化種植區(qū)硝態(tài)氮的滲漏濃度，這主要是由灌溉和施肥聯(lián)合作用的結(jié)果。 2.2土壤中硝態(tài)氮垂向遷移特征 3種不同種植情況下土壤剖面硝態(tài)氮遷移特征如圖3所示

11、:總體上看，集約化葡萄種植園土壤硝態(tài)氮含量遠遠大于常規(guī)種植區(qū)，對2008年4月10日到9月28日的土壤表層溶液稍態(tài)氮的濃度變化監(jiān)測顯示，葡萄種植園平均值為39.69m留kg，蔬菜基地為6.50m眺g，常規(guī)種植區(qū)為5.28m叭g。這主要是由于集約化種植區(qū)土壤的施肥量過大，遠遠大于植物的吸收量，造成了集約化種植區(qū)土壤硝態(tài)氮含量過高。分析3種種植方式下土壤硝態(tài)氮的變化趨勢(圖3)，在5月中旬和6月底，3個地點的硝態(tài)氮濃度都同時出現(xiàn)了突躍。分析原因主要是由于施肥和灌溉兩方面因素引起的:5月中旬葡萄種植園施加大量花前肥，為葡萄樹開花提供足夠營養(yǎng);蔬菜基地在油菜收獲后，施加了大量的有機肥作為底肥準備種植黃

12、瓜;常規(guī)種植區(qū)也己經(jīng)收獲油菜，增加土壤肥力準備種植大豆。同時施肥量葡萄種植園蔬菜基地常規(guī)種植區(qū)，在圖3中表現(xiàn)為葡萄種植園和蔬菜基地兩種種植條件下硝態(tài)氮的突躍明顯大于常規(guī)種植區(qū)中硝態(tài)氮的突躍。5月中旬和6月底的大雨給硝態(tài)氮的運移提供了動力，“水隨鹽走，水去鹽存”，大量的土壤水分運動始終是土壤氮素淋溶運移的媒介和驅(qū)動力。在圖3中可以明顯看出高峰過后，土壤剖面從上到下各層之間呈現(xiàn)了溶質(zhì)運移的現(xiàn)象。在3種不同種植情況下，施肥后硝態(tài)氮在層與層之間的相互關(guān)系呈現(xiàn)了相同的趨勢，當作物生長需氮量大于施氮量時，在降雨或者灌溉的影響下，土壤表層到深層硝態(tài)氮濃度都呈現(xiàn)遞減的趨勢，不同種植方式下，底層土壤稍態(tài)氮濃度的

13、峰值都會依次滯后于上層土壤硝態(tài)氮濃度。當?shù)讓油寥赖南鯌B(tài)氮濃度在施肥前后都低于表層土壤的硝態(tài)氮濃度時，這說明這段時間處于作物的旺盛生長期，作物吸收氮素的量大于施氮量。 2.3不同農(nóng)業(yè)種植條件下土壤中硝態(tài)氮含量分析 對江陰3種不同種植區(qū)土壤硝態(tài)氮濃度進行統(tǒng)計分析如表3所示。在3種種植方式中，對不同時間相同土壤層的硝態(tài)氮濃度加權(quán)平均，縱向比較土壤各個剖面稍態(tài)氮濃度，得到3種不同種植方式下土壤硝態(tài)氮濃度隨空間變化的平均值和標準差如表4所示。集約化葡萄種植園和蔬菜基地的層平均濃度均大于常規(guī)種植區(qū)硝態(tài)氮濃度，分別為常規(guī)種植區(qū)土層硝態(tài)氮層平均濃度的9倍和1.!倍，這主要是由于葡萄種植園和蔬菜基地的施肥量過大

14、引起的。標準差也呈現(xiàn)這種變化規(guī)律，葡萄種植園蔬菜基地常規(guī)種植區(qū)，說明集約化種植區(qū)土壤剖面每層硝態(tài)氮濃度變化幅度也較大。主要是由于:土壤大部分時候處于非飽和條件下，硝態(tài)氮在土壤水中移動，主要驅(qū)動力是基質(zhì)勢、溶質(zhì)勢和重力勢，集約化種植區(qū)施肥量大，硝態(tài)氮向下遷移過程中受到溶質(zhì)勢的作用比較強，硝態(tài)氮運移速度較快，層與層之間硝態(tài)氮濃度變化比較顯著，這種現(xiàn)象反映在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學上，便是每層硝態(tài)氮濃度的標準差比較大。 2.4土壤硝態(tài)氮含量和地下水硝態(tài)氮濃度響應關(guān)系 2.4.1不同種植方式下地下水硝酸鹽含量動態(tài)變化特征在實驗期間，共采集地下水樣21次，對3種不同種植方式下田間地下水硝態(tài)氮含量進行測定，結(jié)果(圖4

15、)顯示，集約化種植區(qū)(葡萄種植園和蔬菜基地)土壤硝態(tài)氮含量大于常規(guī)種植區(qū)，在降雨或者灌溉后，隨水分運移，當土壤層累積了較多的硝態(tài)氮后，在長期的降雨或者灌溉的作用下，過多的水分會帶著稍態(tài)氮逐漸向土壤深層遷移。2008年4月至9月對3種不同種植方式下田間地下水硝態(tài)氮含量進行測定表明:地下水中硝態(tài)氮含量因作物施氮和灌溉水平不同而表現(xiàn)了不同的上升或者下降趨勢(圖3)，集約化葡萄種植園地下水中的硝態(tài)氮含量最高值達342m留L，平均值11.2m留L，是常規(guī)種植區(qū)平均值1.35mg/L的8倍，蔬菜基地硝態(tài)氮含量平均值為4.12m留L，也達到了常規(guī)種植區(qū)的3倍之多。由此可見，集約化種植區(qū)的地下水污染程度遠遠大

16、于常規(guī)種植區(qū)。 2.4.2土壤中硝態(tài)氮含量和地下水硝態(tài)氮濃度響應關(guān)系對3種不同種植方式氮肥投入量和地下水硝態(tài)氮含量相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，隨氮肥投入量(x)增加，地下水硝態(tài)氮含量(y)明顯增加，各個不同種植區(qū)相關(guān)性方程為:葡萄種植園:y二0.1824x一51.53:=0.83蔬菜基地:夕=0.133lx一72.56;=0.69常規(guī)種植區(qū):少二0.126gx一54.69。二0.36由于常規(guī)種植區(qū)灌溉施肥頻繁，受人為干擾比較大，所以地下水的硝態(tài)氮含量和施氮量的相關(guān)性偏低。每公頃增加Ikg氮肥投入量，硝態(tài)氮含量分別增加0.1524、0.1331和0.1269mg/L。根據(jù)地下水的硝態(tài)氮含量限值，利用構(gòu)建的土壤中硝態(tài)氮含量和地下水硝態(tài)氮濃度響應關(guān)系，可知當?shù)适┑窟_400k留hmZ時，易造成地下水硝態(tài)氮含量超標。而調(diào)查表明集約化種植區(qū)尤其葡萄種植園氮肥投入量高達700一800k沙mZ，甚至更高，氮肥不能全部被作物所吸收利用，在降雨和灌溉的影響下極易淋洗進入地下水，造成地下水硝態(tài)氮含量增加，葡萄種植區(qū)硝態(tài)氮含量在雨季最高達到34.2m歲L。 3結(jié)論 (1)降雨灌溉和施肥量是影響土壤硝態(tài)氮滲漏的主要因素，降雨灌溉或者施