地下水位波動對不同施氮量農(nóng)田土壤硝態(tài)氮運移影響*

劉 靜，朱鑫宇，李順江，康凌云，馬茂亭，杜連鳳

(北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所 北京 100097)

氮素對促進(jìn)作物生長，保證作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用[1]。中國是世界上最大的化肥生產(chǎn)和消費國，每年氮肥施用量為3360 萬t，占全球的33%，導(dǎo)致農(nóng)田氮盈余量達(dá)175 kg·hm?2[2]。旱地土壤中強(qiáng)烈的硝化作用使氮素主要以-N形式存在[3]，-N帶負(fù)電荷，不易被土壤吸附，可以通過質(zhì)流方式隨土壤水分遷移進(jìn)入地下水，對人類健康產(chǎn)生危害[4-5]。-N 在農(nóng)田土壤中的遷移及對地下水污染問題一直是研究熱點。許多文獻(xiàn)已表明土壤含水量、pH、溫度、土壤質(zhì)地以及施肥、氣候、地理條件、耕作方式、作物管理等因素影響-N 在農(nóng)田土壤剖面的遷移、再分布過程[6-7]，水分是-N 移動的載體、淋洗的驅(qū)動因素[8]。然而，在地下水埋深較淺的潮土地區(qū)或背河洼地，大氣降水與農(nóng)田灌溉用水的垂向補(bǔ)給或河流的側(cè)向補(bǔ)給會造成地下水水位上升或下降。地下水的波動導(dǎo)致溶解氧、含水量等土-水環(huán)境指標(biāo)改變[9-10]，這將對土壤及地下水中-N的遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。因此，為防控該區(qū)域農(nóng)田面源污染，亟需認(rèn)識地下水位波動下農(nóng)田土壤-N的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

為研究地下水位波動對土壤氮素運移的影響，開發(fā)研制了一套模擬水位波動的土柱裝置(圖1)。裝置由外筒、內(nèi)筒、底盤、進(jìn)水閥、排水閥等組成； 外筒和內(nèi)筒之間為可控升降水槽，根據(jù)“U”型管原理，通過進(jìn)水閥和排水閥控制水位的上升和下降，模擬地下水消長。內(nèi)筒直徑50 cm，高120 cm，填裝農(nóng)田土壤，填充容量0.2 m3。土柱由下至上依次填充10 cm 粗陶粒、5 cm 細(xì)陶粒、100 cm 農(nóng)田土壤。在土柱0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm 均勻布設(shè)土壤溶液提取器和水分傳感器(型號MCS203，數(shù)據(jù)采集器型號MC502L)。利用土壤溶液提取器采集土壤淋溶水，土柱出水閥開啟流出水作為地下水樣。

1.2 試驗設(shè)計

2020年4—6月于北京市農(nóng)林科學(xué)院溫室開展試驗，試驗期間溫度為20～35 ℃。供試作物為甘藍(lán)(Brassica pekinensis)，品種為‘日本鐵頭甘藍(lán)’，種植密度為35 000 棵·hm?2，4月5日定植，6月10日收獲。試驗設(shè)置2 個因素： 水位波動和施氮量。水位波動2 個處理： W0，水位始終保持在80 cm； W1，水位每隔10 d 變動20 cm，試驗期內(nèi)W1 處理水位依次為80 cm、100 cm、80 cm、60 cm、40 cm 和60 cm，水位高低通過裝置的進(jìn)水閥和出水閥控制，以模擬地下水下降-上升-下降的過程。施氮量設(shè)3 個： 0 kg(N)·hm?2(N0)、225 kg(N)·hm?2(N1)和450 kg(N)·hm?2(N2)。共6 個處理，每個處理重復(fù)2次，隨機(jī)區(qū)組排列。各處理所施氮肥為尿素； 磷鉀養(yǎng)分總量一致，磷肥90 kg(P2O5)·hm?2、鉀肥 180 kg(K2O)·hm?2。N1 和N2 處理組施用雞糞有機(jī)肥(N 45 kg·hm?2、P2O592.33 kg·hm?2、K2O 37.92 kg·hm?2)。有機(jī)肥、磷肥和鉀肥全部基施，氮肥40%做基肥，60%做追肥。追肥2 次，追施比例均為30%。試驗監(jiān)測共60 d，每10 d 作為一個監(jiān)測期。在每個監(jiān)測期的第1 d 完成水位波動，穩(wěn)定9 d 后，第10 d 測定剖面水分含量、收集剖面淋溶水樣和地下水樣等。第21 d 和第41 d 追施氮肥。灌溉、病蟲害防治及日常管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測定

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。運用R 統(tǒng)計軟件(3.0.3)進(jìn)行相關(guān)分析，明確水位波動和施氮量對剖面土壤溶液-N 濃度、地下水-N濃度和作物產(chǎn)量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 水位波動和施氮量對剖面土壤體積含水率的影響

從圖2 可知，隨著土壤深度增加，剖面土壤體積含水率顯著遞增。60 d 與10 d 相比，W0 處理組0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm 剖面平均體積含水率變化幅度分別為?3.60%、0.01%、0.55%和0.75%； 除0～20 cm，其余剖面土壤體積含水率變化幅度較小。W1 處理組0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm 剖面平均體積含水率第60 d比第10 d 增加?1.71%、7.83%、4.01%和1.73%，W1變化幅度大于W0 處理組； 20～40 cm 和40～60 cm 剖面平均體積含水率變化最大，第20 d 與第10 d 相比，即水位從80 cm 下降至100 cm，兩剖面平均土壤體積含水率分別下降5.16%和3.46%； 當(dāng)水位從100 cm (第20 d)逐步上升至40 cm (第50 d)時，20～40 cm和40～60 cm 剖面土壤體積含水率持續(xù)上升17.14%、7.29%； 水位從40 cm (第50 d)下降至60 cm (第60 d)時，20～40 cm 剖面土壤體積含水率下降4.11%，而40～60 cm 剖面略微增加； 20～40 cm 和40～60 cm 剖面處于水位波動帶，其土壤體積含水率的變化較大。0～20 cm 剖面位于包氣帶層，W0 和W1 處理下該剖面土壤體積含水率出現(xiàn)間隔性的上升和下降，第10 d、30 d 和50 d 時土壤體積含水率升高，這與施肥后灌溉有關(guān)。60～80 cm 剖面基本處于飽和水層，水位由80 cm (第10 d)下降至100 cm (第20 d)時，土壤體積含水率降低； 水位從100 cm 逐步上升時，土壤體積含水率緩慢增加。總體上，除了0～20 cm 剖面以外，其余剖面土壤體積含水率隨著水位的遠(yuǎn)離而逐漸下降； 隨著水位逐步靠近，土壤體積含水率逐漸上升。

2.2 水位波動和施氮量對剖面土壤溶液N含量的影響

2.3 水位波動和施氮量對地下水 N濃度的影響

水位從100 cm (20 d)上升到60 cm (40 d)，W1 處理的地下水-N濃度持續(xù)下降，但水位從 60 cm (40 d)上升到40 cm (50 d)過程中，W1處理的地下水-N 濃度上升。W0 處理地下水-N 濃度變化也呈現(xiàn)一定規(guī)律，在第20 d、30 d 和50 d-N濃度增加，這與21 d 和41 d 的追施氮素有關(guān)。

2.4 水位波動和施氮量對作物產(chǎn)量的影響

從圖 5 可知，甘藍(lán)產(chǎn)量的變化范圍在46 000～67 000 kg·hm?2。施氮量對甘藍(lán)產(chǎn)量的影響較大，隨著施氮量增加甘藍(lán)產(chǎn)量呈現(xiàn)遞增趨勢。N2 和N1 處理組分別比N0 處理組增產(chǎn)37.4%和 27.9%。但是，相同的施氮量下不同水位波動處理的甘藍(lán)產(chǎn)量差異不大。相關(guān)性分析結(jié)果得知，甘藍(lán)產(chǎn)量與施氮量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與水位波動不相關(guān)。

2.5 水位波動和施氮量與土壤溶液和地下水 N濃度的相關(guān)性

3 討論

本研究中，W0 (水位不變)和W1 (水位波動)兩種水位處理下0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm 剖面土壤-N 含量均隨著施氮量增加而升高，隨著土壤剖面深度的增加而降低。當(dāng)施氮量遠(yuǎn)超過土壤固持能力和作物吸收量后，土壤中會累積大量的無機(jī)態(tài)氮，其累積量隨著施氮量提高呈線性增大[15]。長期施肥會造成-N 在表層土壤的大量累積[16-17]，研究發(fā)現(xiàn)尿素的遷移轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在0～5 cm 土層內(nèi)，5 cm 以下土層無機(jī)氮含量與對照相比變化并不明顯[18]； 也有研究表明土壤氮素養(yǎng)分累積及礦化、硝化等微生物過程主要發(fā)生在0～20 cm表層土壤[19]。逐漸累積的無機(jī)氮如果不能被作物吸收或轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，則對環(huán)境存在潛在威脅[20]。本研究中，0～20 cm 剖面土壤溶液-N 含量在N2 處理下隨著取樣時間呈上升趨勢，發(fā)生-N 累積；N0 和N1 處理的-N 含量隨著取樣時間變化不明顯，但2 次追肥后(第50 d)土壤溶液-N 含量有上升現(xiàn)象，施肥量是影響該剖面土壤硝態(tài)氮累積的關(guān)鍵因素。除了追肥期，土壤溶液高含量-N 出現(xiàn)在第10 d (第1 次取樣期)，這是由于作物生長初期對營養(yǎng)的需求少，大量基肥的施用，導(dǎo)致土壤中-N的累積，同時有機(jī)肥帶入的大量有機(jī)物質(zhì)還會促進(jìn)表層土壤硝化過程[21]，導(dǎo)致土壤溶液中-N較高。灌溉后水分入滲及再分布過程均對上層累積的硝態(tài)氮具有淋洗作用； 增大施氮量會增加硝態(tài)氮向下層淋溶的距離； 在運移過程中一部分硝態(tài)氮吸附在土壤中，導(dǎo)致向下遷移的硝態(tài)氮含量降低[22]。這也是本研究中土壤溶液-N 含量隨著剖面深度的增加呈下降趨勢，深層剖面土壤溶液-N 含量隨著施氮量增加呈上升趨勢的主要原因。

本研究中，W0 和W1 處理組20～80 cm 剖面土壤溶液-N 含量均呈持續(xù)下降的趨勢，這可能和短期內(nèi)反復(fù)抽取土壤溶液導(dǎo)致土壤溶液提取器(陶土頭)周邊-N 含量持續(xù)降低有關(guān)。但是在同一施氮量的2 種水位處理下，剖面土壤溶液-N 含量下降幅度差異較大，水位波動(W1)處理顯著降低土壤溶液-N 含量，尤其是在20～40 cm 和40～60 cm 剖面。水位上升(從100 cm 上升至40 cm)過程中，各剖面土壤溶液-N 含量與W0 相比呈下降趨勢，這與李翔等[12]對-N 濃度隨著水位波動而變化的研究結(jié)果一致，其認(rèn)為水位上升導(dǎo)致溶解氧含量降低，剖面由好氧階段轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖蹼A段，反硝化作用導(dǎo)致-N 濃度下降。然而，水位下降(從80 cm 下降至100 cm 以及水位從40 cm 下降至60 cm)過程中，剖面土壤-N隨水流向下遷移，土壤溶液-N含量與W0 相比也呈下降趨勢。李翔等[12]研究結(jié)果與之不同，其認(rèn)為水位下降導(dǎo)致剖面土壤溶解氧濃度增大，硝化作用增強(qiáng)，土壤-N 濃度升高。此外，本研究中水位下降過程中剖面土壤溶液-N 含量下降幅度均大于水位上升階段，這可能是由于水位下降速度較快，剖面土壤-N 主要隨水流運移至下層，導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量大幅降低。-N 在土壤中隨水流運移時，土壤含水量、水流運動狀態(tài)、溶解氧含量等土壤理化性質(zhì)以及微生物群落會影響其遷移轉(zhuǎn)化過程，包括吸附、反硝化等反應(yīng)[13]。本研究中，20～60 cm 剖面土壤含水量、水流運動狀態(tài)、溶解氧含量隨著水位波動變化劇烈，這也是該剖面土壤溶液-N 含量變化顯著的主要原因。60～80 cm 剖面處于淹水區(qū)域，各處理的土壤溶液-N 含量均較低。淹水區(qū)域土壤-N 反硝化作用較強(qiáng)，-N 被運移至地下水之前已經(jīng)被反硝化消耗掉，-N 淋溶損失非常少[13]，這可能是該剖面以及地下水-N 含量較低的原因。然而，本研究中水位波動對0～20 cm 剖面土壤溶液-N含量影響較小，可能是因為該剖面處于包氣帶，土壤孔隙中溶解氧含量較高，硝化反應(yīng)較強(qiáng)，-N含量高，主要受施肥量影響，對地下水位波動呼應(yīng)較弱。

本研究中作物產(chǎn)量與水位波動沒有相關(guān)性，這是由于甘藍(lán)屬于淺根系植物，主要吸收表層土壤養(yǎng)分，在相同灌溉條件下，施肥量是決定甘藍(lán)產(chǎn)量的主要因素。根據(jù)本研究結(jié)果，在地下水埋深較淺的農(nóng)田，地下水位波動不會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。但是，土壤剖面-N 會隨著水位波動進(jìn)入飽和水層。減少農(nóng)田施氮量，降低土壤剖面-N 含量，可降低水位波動下進(jìn)入地下水-N 的量，保護(hù)地下水環(huán)境。

本研究采用土壤填裝的土柱，可進(jìn)行作物種植試驗； 根據(jù)“U”型管原理，通過進(jìn)水閥和出水閥控制水位的升降，可模擬地下水位波動； 安裝的土壤溶液提取器和水分傳感器可獲取不同剖面土壤淋溶液及土壤水分含量數(shù)據(jù)。該土柱可真實反映田間狀況，方便科學(xué)有效地開展地下水位波動下施氮量對農(nóng)田土壤-N 運移影響的研究。試驗設(shè)定10 d 為一個水位波動期，水位穩(wěn)定處理作為水位波動處理的對照，通過比較同一剖面土壤溶液-N 含量變化判斷水位波動下不同施氮量農(nóng)田土壤硝酸鹽淋失風(fēng)險的影響，研究方法科學(xué)、合理，研究結(jié)果可靠。

4 結(jié)論