硝態(tài)氮淋溶的影響因素

硝態(tài)氮淋溶的影響因素

0農田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分損失氮是植物生長所必需的養(yǎng)分。近年由于農業(yè)生產中過量施用氮肥及不合理的管理措施,導致氮素以氨揮發(fā)、硝酸鹽淋溶及反硝化等途徑損失,氮素利用率降低。研究表明,農田生態(tài)系統(tǒng)中氮素損失嚴重,中國北方主要糧食作物氮素利用率一般在30%~41%,蔬菜作物由于施肥量高,氮肥利用率更低,僅在10%左右。國內15N標記的田間微區(qū)試驗大量結果表明,水田氮素損失一般為30%~70%,旱田氮素損失一般為20%~50%。土壤中NO3--N的淋溶是氮素損失的重要途徑之一,是導致地下水硝酸鹽污染的重要原因。1對農田中氮素淋失的環(huán)境風險的研究農田土壤各種形態(tài)的氮素中,NO3--N難以被土壤顆粒吸附,是土壤氮素轉化、遷移過程中最活躍的氮素形態(tài)。當降雨量和灌溉量超過田間飽和持水量時,NO3--N將隨水向下淋失。施入農田中的氮肥大約有30%~50%通過淋溶進入地下水,導致地下水NO3--N含量增加。張維理報道稱京、津、唐地區(qū)半數以上地下水NO3--N含量超過飲用標準(NO3--N≤10mg/L),高者達67.7mg/L。早在1905年英國科學家Warrington就開始關注氮素淋溶問題。隨后的100年里,科學家們圍繞減少氮素淋失,減少氮素施用對水土氣等環(huán)境的污染風險,提高氮素利用率,保證農產品安全等領域開展了大量研究。但是,鑒于土壤吸附、生物微生物活動、物理化學性狀變化以及作物吸收等因素對氮素利用影響的復雜性,這種探索也在不懈進行中。近年來,國際上在實驗室和田間開展了大量有關氮素淋溶過程的研究,并采用間接計算法和直接測定法來定量氮素淋失。前種方法基于土壤氮素循環(huán)的質量平衡計算,由于不易定量而應用較少,后者以水分質量平衡為基礎測定滲漏液數量以及其中養(yǎng)分的濃度,易于定量,應用較多。直接測定法主要有排水采集器(Lysimeter)法和多孔杯(Suctioncup)法,歐共體就利用此法研究確定了減少氮素在根系殘留和淋失的“最佳施肥量”。中國對農田氮素淋失的環(huán)境風險研究起步雖然較晚,但是科學家對此也高度重視,并開展了大量研究工作。利用土鉆取樣法或模擬土柱較多研究硝態(tài)氮在土壤剖面中遷移過程[10,11,12,13,14,15],利用排水采集器法研究田間條件下氮素淋溶動態(tài)變化也有一些報道,但多側重于稻田和北方旱田單一肥料中氮素淋溶形態(tài)和過程。隨著對水環(huán)境污染問題的逐步重視,人們從NO3--N淋失理論、模型、轉化過程及影響因素等方面展開大量研究工作。李宗新等在山東半濕潤暖溫帶氣候條件下研究表明,在夏玉米生長期內NO3--N累計淋溶量可占氮肥施入總量的3.49%~11.35%,其與灌溉水量和降雨量正相關。曹兵等在北京大興區(qū)的研究結果表明,在雨量充沛、夏玉米氮肥用量為225kg/hm2的條件下,從1.3m滲濾池淋溶的NO3--N高達85.5kg/hm2,氮肥淋失率高達19.9%。張玉銘等在華北太行山前平原小麥-玉米輪作農田研究表明土壤水分滲漏和NO3--N的淋溶損失主要發(fā)生在高溫多雨的玉米生長季節(jié),主要與降水有關。胡田田等對黃土高原旱塬地區(qū)進行研究也表明,1m深土層累積的礦質氮可達150~225kg/hm2,其中NO3--N占60%~65%。還有研究表明黃土高原南部關中灌區(qū),8年以上果園2~4m的土層內殘留NO3--N達1812kg/hm2,15年以上菜園681kg/hm2,高產農田214kg/hm2,一般農田也在100kg/hm2以上。因此,為了防止NO3--N的淋失,提高肥料利用率,降低氮素的土壤殘留,是減少NO3--N淋溶、防止地下水資源污染的重要前提。2no3--n淋溶由于氮肥的過量投入,大量氮素不能被當季作物吸收利用而富集在土壤中。旱地土壤硝化作用強烈,殘留在土壤中的無機氮主要以NO3--N的形式存在,極易隨土壤水向下遷移,一旦被淋溶到作物根區(qū)以下,就很難再被作物吸收利用。深層土壤反硝化過程微弱,一般情況下NO3--N很難轉化為其他形態(tài)的氮,只能隨著土壤水分的向下運動而遷移,構成對地下水污染的潛在威脅。NO3--N淋溶受許多因素的制約。土壤剖面中NO3--N的累積和水分的垂直運動是影響土壤溶液NO3--N濃度分布的兩個主要因子,氮肥施用和降雨(灌溉)分別增加土壤剖面中NO3--N和水分含量,它們共同影響土壤中NO3--N向下遷移。2.1施肥量和淋溶情況土壤NO3--N濃度是決定氮素淋溶的重要因素,過量施用氮肥,能顯著增加土壤NO3--N濃度,引起NO3--N在土壤中累積,從而增加氮素淋溶的潛在風險。研究表明,超過正常施氮量時,土壤NO3--N濃度隨施氮量呈線性增加。夏玉米施氮量在75kg/hm2以下時,100~150cm土壤的NO3--N含量受降水影響不大,但當施氮量達到112.5~150kg/hm2時,100~150cmNO3--N含量高達14.5~21.4mg/kg。糧食作物,如玉米和小麥,施氮量一般在150~200kg/hm2的范圍內。但中國上述作物主產區(qū)的氮素平均用量多在200kg/hm2以上,北方一些高產地區(qū)甚至超過500kg/hm2。在蔬菜生產中,為最大限度增加產量,普遍存在化肥、有機肥投入過多,不僅造成土壤養(yǎng)分失衡、肥料利用率低、而且浪費資源、污染環(huán)境。杜連鳳等研究發(fā)現(xiàn),北京地區(qū)菜田氮肥(N)平均用量為1741.0kg/hm2,是糧田的4.5倍。由于菜田施氮量大,加之蔬菜一般屬于淺根系作物,導致土壤20cm以下氮素殘存量高。在大量灌溉和降雨的作用下,加劇了土壤NO3--N向深層的淋溶,對地下水環(huán)境造成嚴重影響。趙同科等對中國北方環(huán)渤海7省(市)包括北京、河北、河南、山東、遼寧、天津以及山西的地下水中硝酸鹽含量狀況進行了大面積調查研究。結果表明,上述7省市地下水中NO3--N含量較高,平均值達到11.9mg/L,約34.1%的地下水超過WHO制定飲用水的標準(NO3--N≤10mg/L)。農田利用類型對地下水的影響較大,在糧田、菜地、果園、養(yǎng)殖等幾種類型中,菜地的影響最大,NO3--N平均含量達到21mg/L。隨著地下水深度的加深,NO3--N含量呈現(xiàn)明顯下降的趨勢,其中10m以內的水體NO3--N含量最高,達21.7mg/L。其次是果園,研究顯示果園氮肥(N)平均用量為1172.8kg/hm2,是糧田氮肥用量的3.0倍。草坪施肥所造成的NO3--N淋溶也很高,Kevin等對25年生草坪氮肥施用對NO3--N淋溶的影響研究表明,當施氮量為245kg/hm2,淋溶液中的NO3--N含量是飲用水允許值(NO3--N≤10mg/L)的2~3倍,這有可能導致地下水硝酸鹽污染。因此,單個田塊的施氮量應控制在最佳經濟施肥量以內,尤其是不能超過最高產量施肥量。另外,不同形態(tài)的氮肥其NO3--N的淋溶狀況也存在顯著差異。陳子明等研究表明,施用銨態(tài)氮肥由于其能被土壤膠體吸附、淋失的可能性較小,只有經過土壤微生物硝化作用形成NO3--N后,才可能發(fā)生嚴重淋失,施用硝態(tài)氮肥淋溶多。硝銨和硝酸鉀的淋失量遠高于尿素和硫酸銨;控釋性肥料較普通化肥的淋失量大為降低。有機物料還田也能影響土壤NO3--N含量。有機肥在合適的用量條件下,可以培肥土壤,使植株生長旺盛,增強根系吸肥能力,減少NO3--N淋溶。但由于有機氮有較長后效,施后的兩三年內也可以大量釋放NO3--N,長期大量施用同樣可能引起NO3--N在土壤中的累積,增加淋溶的風險。2.2控制月內氮素淋失,提高氮素利用率水是NO3--N在土壤中移動的載體,是NO3--N淋溶的驅動力量,土壤中NO3--N的運動一般與水分同步或略滯后。隨著土壤水分減少,NO3--N淋溶也有可能相應減少。土壤干旱時,表層蒸發(fā)促使水分上移,NO3--N隨之上升;土壤濕潤時,NO3--N隨水分下滲而下移,在飽和水流條件下引起氮的淋失。因此雨季是NO3--N淋溶發(fā)生的重要時期。研究表明,雨季0~60cm土壤NO3--N含量顯著下降,而100~150cm土層的NO3--N急劇增加。所以防止雨季NO3--N大量淋溶是減少氮素損失的關鍵措施。旱農地區(qū)降水是氮素淋溶的決定因子。降水年際間的變化引起了NO3--N淋失的變化。一般情況下,每2~3mm的降水可使土壤中的NO3--N下移1cm,降水和灌溉時間也影響著NO3--N在土壤中的移動。研究表明,在旺盛生育期,作物需水多,需肥也多,水分供應往往能促進作物對NO3--N的利用。在此期間作物對水氮需求同步,即使降水較大或增大灌溉量,也不會造成NO3--N的嚴重淋溶。拔節(jié)和灌漿期補充灌水,可促進冬小麥生長發(fā)育,增強對土壤氮素的吸收利用能力,減少肥料氮在土壤中的殘留。土壤含水量過高也會增強反硝化過程,減少NO3--N累積。施肥后立即灌水雖可能減少氨揮發(fā),但會增加通過大孔隙向下遷移水肥的機會而增加淋溶。吳海卿等應用15N示蹤技術研究土壤水分對氮素有效性影響時發(fā)現(xiàn),在田間持水量45%~90%以內,冬小麥氮素利用率隨水分含量提高而增強,并據此提出土壤水分在不低于田間持水量60%情況下,才有利于提高氮素利用率的觀點。農田生態(tài)系統(tǒng)中,NO3--N在土壤剖面的殘留與累積除與施肥、降水、灌溉有密切關系外,也受耕作方式、土壤和植物等自然因素的影響。3有效氮利用率的途徑3.1施肥對no3-n累積的影響根據土壤中的礦物組成,采用合理的施肥原則,以降低NO3--N對環(huán)境水體的污染。曹曉華等研究表明,礦物組成以2:1型黏土礦物為主的土壤,具有相當大的固銨能力,能大大減緩NH4+-N向NO3--N的轉化,進而減少土壤中易被淋溶的NO3--N含量,阻止了NO3--N對水體環(huán)境的污染,在此類土壤中氮肥的施用量可適當提高。以1:1型黏土礦物為主的土壤和黏性不大的沙性土壤,其固銨能力很弱,為了控制NO3--N對水體的污染,施肥宜按少量、多次施用的原則。一般認為,不同時期分次進行施肥的氮素利用率要高于基肥一次性施用。同時,還要結合作物的生長期以及多施有機肥的原則,把握好氮肥的施用量,以充分提高氮肥的利用率,這樣既提高了生產效率又減輕了對水體環(huán)境的污染。平衡施肥在減少土壤NO3--N累積方面具有積極作用。氮肥單施可能增加氮素淋溶。氮肥與磷、鉀肥配合施用或氮、磷、鉀與有機肥配合施用可顯著降低土壤中NO3--N的累積。黃紹敏試驗表明,0~100cm土層內,不同施肥處理中NO3--N含量以下列順序遞減:氮肥單施>氮、鉀肥配施>氮、磷肥配施>氮、磷、鉀肥配施>硫、氮、磷、鉀肥配施>氮、磷、鉀肥與有機肥配施。配施有機肥改善了土壤理化性質,增加了土壤團聚化程度,加強了微生物活性,最后降低了NO3--N在土壤中的累積。劉杏認等對不同氮水平下有機肥碳/氮對土壤NO3--N殘留量的影響進行了研究,發(fā)現(xiàn)有機肥碳/氮在一定范圍內,隨著比值的增加,有機肥對降低土壤NO3--N含量的效果趨于明顯。3.2著力提高生態(tài)系統(tǒng)對氮的利用率。在生根據不同生態(tài)區(qū)的特點調整作物的種類與布局,進行合理的間、套、輪作等措施,有助于提高氮素利用率。篩選和利用高產、優(yōu)質、高效的優(yōu)良作物品種也屬于種植結構調整的范疇。應當重視氮在整個食物鏈中的循環(huán)利用,以提高整個生態(tài)系統(tǒng)對氮的利用率,如作物的秸稈還田、過腹還田等。要充分利用光、熱、種、密、水、肥、土等生產要素的交互作用效應,使施肥技術與高產栽培技術相結合,充分利用土壤中的硝態(tài)氮,實現(xiàn)生產技術措施的綜合平衡。在提高自然資源利用率的同時,也提高了資金、化肥等社會資源的利用率。大力推廣立體種植、地膜覆蓋等先進技術,套種小麥的氮素利用率在34%~56%,比單作小麥提高3%~32%,而套種玉米的氮素利用率32%~78%,比單作玉米提高28%~44%,覆膜玉米氮素利用率為55%~71%,比露地玉米提高22%~26%。在保證作物產量的同時,也大幅度提高化肥利用率。3.3注重灌溉和肥料施肥以提高水的利用率為基本肥力農田水分管理包括灌溉方式、方法、灌溉頻度等的選擇。堅持開展以水土為中心的農田基本建設,推廣節(jié)水灌溉及與其配套的施肥技術,充分發(fā)揮水肥之間交互作用效應,避免大水漫灌,提高灌水和肥料的利用率。肥水是土壤中氮運轉及作物氮吸收過程中的關鍵因子,肥水的調控至關重要。生產上應把握適宜的施氮量和供水量,并根據不同作物不同生長階段的需求特點進行綜合運籌。如施肥后即進行適宜灌溉或雨前表施可提高氮素利用率。也有研究表明在水稻田中“無水層混施法”和“以水帶氮法”等基、追肥施用法,可使氮素利用率平均提高12%。旱地小麥田中將含水量調整在促進作物生長與減少氮淋溶的適宜范圍可明顯提高氮素利用率。3.4不同填閑作物對土壤養(yǎng)分的凈化作用填閑作物是指主要作物收獲后,利用時空的有利條件,插種一茬短期的作物,一般在多雨季節(jié)種植以吸收土壤氮素,降低耕作系統(tǒng)中的氮淋溶損失為目的,將土壤中的氮素進行有效利用的作物。填閑作物的種植不僅能有效降低NO3--N在土壤中的累積,減少NO3--N淋洗,并且能夠改善土壤質量,回收利用殘余的肥料氮,作為下茬作物的有效氮源。由此可見,種植填閑作物在減少氮素淋洗所帶來的環(huán)境方面的作用已經得到了普遍的認同。填閑作物對保護地土壤NO3--N淋溶的阻控機制,一方面是填閑作物可以通過其根系網絡攔截來自剖面淺層氮素,從數量上減少氮素向根層以下土層遷移的可能性,特別是在設施蔬菜作物種植后根層土壤無機氮殘留較高的情況下效果更加明顯;另一方面深根系的填閑作物還可以通過根系的下扎將下層累積的養(yǎng)分像泵一樣抽上來,從而避免其向下進一步遷移。研究表明,深根系的填閑作物從深層土壤中吸收氮素在減少氮素淋洗損失方面的作用比從表層土壤吸收等量的氮素更有效。由于填閑作物對土壤深層氮素的利用,有效地改善了土壤生態(tài)環(huán)境,促進了土壤養(yǎng)分的優(yōu)化循環(huán)。因此,填閑作物的推廣無疑將對設施蔬菜生產產生良好的經濟效益、生態(tài)效益。3.5硝化抑制劑的使用緩控釋肥就是充分應用新的包被、造粒、加富、二次加工及產品表面處理等工藝技術,改進尿素、碳銨等肥料的理化性質,提高產品質量。目前,國內外研制的長效尿素主要是在普通尿素中添加一定比例的抑制劑制成,主要有脲酶抑制劑和硝化抑制劑兩類。前者可抑制尿素的氨化作用,后者抑制氨的亞硝化和硝化過程。目前主要使用的脲酶抑制劑是對苯二酚;硝化抑制劑主要是二氰二胺。保氮素是一種新型的尿素抑制劑,其主要作用是減少尿素中氮素在作物生長前期的損失,減少淋溶發(fā)生。世界各國科學家重視對各種生化抑制劑的研究由來已久,以期通過抑制土壤微生物及其酶的活性,調控土壤氮素轉化形態(tài),達到減少氮素對水環(huán)境污染,提高利用率的目的。施用硝化抑制劑可延緩銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉化,提高氮素利用率,是減少淋失的重要對策之一。3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(3,4-dimethylpyrazolephosphate,DMPP)是一種最近發(fā)現(xiàn)的新型硝化抑制劑,據國外研究,在提高氮素利用率和減少環(huán)境污染方面的作用非常明顯,效果優(yōu)于以往的同類產品。應用DMPP抑制劑,40天內能顯著降低土壤水NO3--N濃度,減少NO3--N的淋溶,防止土壤氮流失;隨施氮量增加,40天內土壤水中NO3--N濃度在各剖面并沒有明顯增加,其垂直遷移的淋溶損失差別不大,可顯著減輕對地下水NO3--N污染的潛在風險。3.6保水劑用量對養(yǎng)分淋失量的影響目前保水劑在農業(yè)上的應用集中在對土壤水分、結構和植物抗旱性的影響,而對土壤、肥料養(yǎng)分損失及其環(huán)境效應影響還少見報道。杜建軍等采用“土柱