農田硝態(tài)氮淋溶損失影響因素及防治對策研究進展

王鈺涵, 唐璐

(1.華北水利水電大學 環(huán)境與市政工程學院,河南 鄭州 450046; 2.湖庫水生態(tài)環(huán)境保護與修復河南省工程實驗室,河南 鄭州 450000; 3.河南水利與環(huán)境職業(yè)學院,河南 鄭州 450000)

氮素是植物生長所必需的營養(yǎng)元素,可顯著提高作物產(chǎn)量。在農業(yè)生產(chǎn)中,作物所需氮素的來源以化肥為主。20世紀以來,我國化肥用量迅速增長[1-2],但化肥利用率較低,只有30%左右[3]。過量的氮肥殘留在農田中,易引發(fā)環(huán)境問題,主要表現(xiàn)為:①在降雨和灌溉條件下,一部分氮肥通過地表徑流進入地表水體,引發(fā)水域的富營養(yǎng)化污染;另一部分氮肥(以硝態(tài)氮為主)在土壤水分的作用下,向土壤深層遷移,引發(fā)地下水污染。②不合理的施用氮肥導致土壤污染,主要有土壤鹽漬化、土壤酸化和土壤板結等。③氮肥在硝化及反硝化作用下產(chǎn)生的氮氧化物既是產(chǎn)生溫室效應的主要成分,也是破壞大氣臭氧層的主要氣體[4-5]。

近年來,農田氮肥污染及氮素遷移途徑研究成為國內外學者關注的重點[6]。土壤中硝態(tài)氮淋溶損失是導致農田周圍水體富營養(yǎng)化和地下水硝酸鹽污染的主要原因[7]。本文在總結土壤硝態(tài)氮淋溶研究進展的基礎上,探討降雨和灌溉、施肥、土壤類型、作物類型、種植方式等因素對硝態(tài)氮淋溶損失的影響,并結合影響規(guī)律制定對應的防治措施,以期為有效控制硝態(tài)氮淋溶損失、指導農民科學合理施肥、減少環(huán)境污染提供理論依據(jù)。

1 土壤硝態(tài)氮淋溶研究進展

國際上對氮素淋溶問題的研究最早是英國的科學家Warrington于1905年開展的,隨后學者們進行了大量氮素淋溶過程的定性分析和定量評價研究。定量法包括直接測定法和間接計算法[10-11]。定性分析方法主要包括實地研究和試驗模擬兩種方法,研究內容主要包括降雨、施肥量、施肥方式、施肥種類及不同土地類型對氮淋溶的影響。

2 土壤硝態(tài)氮淋溶影響因素

2.1 施肥對淋溶的影響

2.1.1 氮肥種類

2.1.2 施肥量

隨著農業(yè)集約化的發(fā)展,氮肥的投入量高速增長,而施肥量與作物產(chǎn)量之間并非簡單的線性關系,一般是Y=a+bx+cx2的二次曲線[21-23],即在一定范圍內,作物產(chǎn)量與施肥量呈正相關關系,超過一定范圍后呈負相關關系。一方面,過量施肥會造成土壤鹽漬化、堿化、酸化、砂化、板結等,直接或間接導致作物產(chǎn)生生理病害,進而造成作物減產(chǎn)；另一方面,過量施肥易造成作物營養(yǎng)失調,一是營養(yǎng)過剩,二是由于某種過量元素的頡頏作用導致其他元素的缺乏[24]。此外，優(yōu)化氮、磷、鉀的含量也可降低硝態(tài)氮淋失量[25]。

2.1.3 施肥深度和方式

施肥深度不同,農作物的氮肥利用率也不同。淺層(0～20 cm)和過深層(60～80 cm)氮肥的利用率較低;中深層(20～40 cm)的氮肥利用率最高。這可能是因為：向中深層(20～40 cm)施肥可增加作物下層根系的根量及所占比例,延遲根系衰老[26]。

2.1.4 施肥時間

2.2 降雨和灌溉對淋溶的影響

廖上強等[30]根據(jù)番茄地的試驗結果指出,減少30%的灌溉量對番茄的產(chǎn)量和品質沒有明顯影響；但可以顯著降低土壤氮素淋溶,相同施肥方式下40～60 cm土層中硝態(tài)氮減少8.0%～63.7%。另有研究表明,控制灌溉和淺濕灌溉分別可以減少11.89%和14.15%的硝態(tài)氮滲漏;在水稻全生育期,控制灌溉能使氮素淋失總量最小[31]。

土壤中硝態(tài)氮的淋溶規(guī)律是“鹽隨水來,鹽隨水走”,硝態(tài)氮含量與土壤含水率呈正相關關系。在不同降雨強度(40 mm/h和70 mm/h)下,0～20 cm的表層和110～140 cm土層中硝態(tài)氮的含量存在較大差異,70 mm/h雨強下的硝態(tài)氮含量比40 mm/h雨強的大[32]。野外冬小麥田間試驗[33]的結果表明,大雨強(70 mm/h)區(qū)域的硝態(tài)氮含量低于小雨強(40 mm/h)區(qū)域的,且淋溶現(xiàn)象嚴重。這主要是因為雨強大,土壤剖面水分運動快,同時區(qū)域土壤多為砂性土,保水性弱,硝態(tài)氮隨水分淋溶強烈。

2.3 土壤類型對淋溶的影響

2.4 其他因素

農田耕作主要是改變土壤空間結構和水肥狀況,使土壤中水分運動規(guī)律和氮素遷移規(guī)律發(fā)生改變,進而影響農作物的產(chǎn)量和氮肥利用。周寶元等[38]認為,在一次性基施緩釋氮肥情況下,條帶深松耕作方式下的夏玉米產(chǎn)量最高,分別比淺旋和免耕處理后的產(chǎn)量提高10.7%和11.5%。在農田施肥量一定的條件下,保護性耕作方式(免耕留茬、留茬覆蓋)的小麥產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)耕作方式(常規(guī)翻耕)的,同時小麥對當季肥料氮素的吸收率平均提高約3.5%,土壤殘留量降低約1%,氮素損失減少約2%[39]。

不同種類的農作物對氮肥的需求不同,同一作物在不同的生長發(fā)育期對氮肥的需求量也不同。如苗期的水稻喜愛銨肥,其中NH4Cl、NH4HCO3和CO(NH2)2的吸收率較高[40]。喜氮、高產(chǎn)及深根系作物在自身生長發(fā)育過程中對氮素的需求大,氮肥的利用率高,進而淋溶量小。

作物種植方式不同,農田土壤的持水能力和硝態(tài)氮淋溶量也隨之變化。一般認為,輪作相比于連作可明顯減少土壤氮素淋失。研究指出[41],大豆-玉米輪作比單一玉米連作可顯著減少農田氮素損失,主要是因為輪作可改善土壤環(huán)境,提高土壤持水保肥能力,促進作物對氮素的吸收,減少氮素損失。

農田土壤中導致氮素淋溶損失的因素較多,因素之間相互影響、相互制約,所以很難區(qū)分影響氮素淋溶的單一因素。研究氮素在土壤中的遷移轉化機制及淋溶損失的影響因素,了解各因素間的作用機制,可為制定減少農田土壤氮素淋溶損失的措施提供理論依據(jù)。

3 減少氮素損失的措施

3.1 合理施肥

氮肥與磷肥、鉀肥、有機肥合理配施可顯著降低土壤中硝態(tài)氮累積,進而降低硝態(tài)氮淋溶損失風險。薛曉輝等[50]指出:單施過量氮肥時,300 cm以下土層的土壤剖面甚至出現(xiàn)硝態(tài)氮累積層；單施磷肥對土壤硝態(tài)氮分布無影響;氮、磷肥配施時,氮磷比低時,土壤中未發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮累積,且160 cm以下土層硝態(tài)氮含量極少,氮磷比高時,硝態(tài)氮在土層100～120 cm和240～260 cm附近出現(xiàn)累積。施用有機肥可改善土壤環(huán)境,增加微生物數(shù)量,提高植物對氮肥的利用率,且碳氮比比較高的有機物有利于土壤中微生物活性和礦質氮的有機固定,減少氮素流失[51]。

3.2 控水灌溉

3.3 制定合理的耕作措施

農民應根據(jù)當?shù)氐奶攸c選用套種和輪作、秸稈覆蓋等措施提高氮肥利用率。葛均筑等[55]指出優(yōu)化施氮和地膜覆蓋增溫降漬可促進春玉米氮素的吸收,提高氮肥利用率。歐陽竹等[56]認為免耕和秸稈覆蓋可以抑制雜草生長,進而提高作物對氮肥的吸收利用。

3.4 種植填閑作物

王芝義等[60]指出,相比于填閑處理，種植糯玉米、燕麥、豌豆和莧菜可將氮素淋洗量分別降低100%、96%、82%和58%。太湖地區(qū)的田間試驗[61]表明,甜玉米填閑處理土壤(0～50 cm)硝態(tài)氮，其殘留減少4.19%～30.72%。由此可知,選擇合適的填閑作物進行輪作是減少土壤硝態(tài)氮淋溶的有效途徑之一。

3.5 推廣使用緩釋肥、控釋肥及新型肥料

緩釋肥以單體氮肥為主,原理是利用化學合成和生物因素來減慢化肥養(yǎng)分的釋放速度[62];控釋肥則是將水溶性肥料通過外包膜的物理方式包在膜內,使其養(yǎng)分緩慢釋放[63],主要為氮磷鉀復合肥,也有的是包括微量元素的全營養(yǎng)肥料。研究表明,緩釋肥和控釋肥可以延緩養(yǎng)分的吸收與利用,增加農作物產(chǎn)量,提高氮肥利用率[64-65]。

3.6 保水劑的應用

保水劑(Super Absorbent Polymer,SAP)是利用強吸性樹脂制成的一種具有超高吸水、保水能力的高分子聚合物。保水劑具有吸收和保蓄水分的作用,可間接將溶于水中的化肥固定其中,在一定程度上減少了可溶性養(yǎng)分的淋溶損失,達到了節(jié)水節(jié)肥、提高水肥利用率的效果。通過合理使用保水劑與氮肥配施比能提高氮肥利用率和農作物產(chǎn)量[68]。另外,不同類型的保水劑的效果有所不同,腐植酸型多功能保水劑優(yōu)于傳統(tǒng)聚丙烯酸鹽類保水劑[69]。

4 展望

土壤硝態(tài)氮淋溶損失是農田氮素損失途徑之一,氮肥淋溶的影響因子多且錯綜復雜,硝態(tài)氮淋溶損失是農業(yè)和土壤學的研究熱點。鑒于目前的研究現(xiàn)狀，今后可從以下方面開展工作:

1)建立長效完善的試驗系統(tǒng),加強土壤中硝態(tài)氮淋溶機理的研究,確立硝態(tài)氮淋溶的動力學方程,為實際施肥耕作、控制氮肥流失提供理論基礎。

2)加強對硝態(tài)氮淋溶與環(huán)境容量間響應關系的研究,確立氮肥施肥量閾值,制定科學的施肥用量標準,使農作物增產(chǎn)最大化,對環(huán)境影響最小化。

3)目前針對氮淋溶影響因素的研究比較單一,多因素共同作用的研究有待進一步加強。