土壤中新型肥料氮素淋失特征研究

打开文本图片集

摘 要：氮素淋溶是农田氮素损失的重要途径，也是造成地下水硝酸盐污染的重要原因，研究土壤氮素淋失特征对预防地下水氮素污染具有十分重要的意义。该文采用室内土柱淋溶试验的方法，研究了新型肥料在土壤中的迁移及淋溶规律，分析了氮素淋溶的地球化学响应特征，并确定了各形态氮素淋失量。研究结果表明：尿素、缓释肥料、稳定性肥料处理氮素淋溶量差异显著，分别为208.66、131.95、125.24kg·hm-2，缓释和稳定性肥料的氮素淋失率分别为32.98%和31.31%，比尿素低19.15%和20.85%，说明缓释和稳定性肥料可以显著减少氮素的淋失及对地下水的污染。硝态氮、铵态氮、有机氮分别占氮素淋失量的49.89%～75.19%、6.48%～12.77%、14.92%～31.31%，说明硝态氮是氮素淋溶的主要形态，其次是有机氮和铵态氮。

关键词：土壤；新型肥料；氮素淋失；地球化学响应

中图分类号 S158 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）08-16-05

Abstract：Nitrogen leaching is an important way of nitrogen loss，which makes it the dominant process accounting for nitrate pollution in groundwater. Therefore，it is of great significance to study the characteristics of nitrogen leaching in soil which may pave a way for groundwater nitrogen pollution prevention and control.In our study，soil column method was used to study nitrogen transport and leaching behavior of new emerging fertilizers in soil. Meanwhile，the geochemical responses of soil to nitrogen leaching were analyzed and the leaching amounts of main nitrogen species were determined.The results showed that nitrogen leaching losses were significantly different between new emerging fertilizers and traditional nitrogen fertilizers. Nitrogen leaching losses of urea，slow-release fertilizer and stabilized fertilizer were 208.66，131.95 and 125.24 kg·hm-2，respectively.The nitrogen leaching rates of slow-release fertilizer and stabilized fertilizer（32.98% and 31.31%）were lower than that of urea（52.16%），which indicated that slow-release fertilizer and stabilized fertilizer significantly reduced nitrogen losses.Nitrate，ammonium and dissolved organic nitrogen respectively accounted for 49.89%～75.19%，6.48%～12.77% and 14.92%～31.31% of the nitrogen leaching amount，which demonstrated that nitrate nitrogen was the main form of nitrogen leaching，followed by dissolved organic nitrogen and ammonium nitrogen.

Key words：Soil；New emerging fertilizers；Nitrogen leaching；Geochemical response

地下水是一种宝贵的自然资源，是人类生产生活中重要的供水水源之一，一旦被污染便难以治理[1-2]。近些年来，青岛市大沽河流域地下水污染日益严重，调查表明，大沽河地下水中硝态氮超标率为73.7%，最高浓度达到106mg·L-1，超标近10倍[3-4]。由此可见，大沽河地下水源地硝酸盐污染控制已经到了刻不容缓的地步。

氮素淋溶损失是农田氮素损失的重要途径，也是造成地下水氮素污染的重要原因之一[5]。大多数研究表明，铵态氮易被土壤胶体吸附和被转化为硝态氮，所以其淋失量很少[6-7]，只有当超过土壤吸附容量时才能通过淋溶进入地下水；而土壤胶体对硝态氮的吸附能力很弱，可以造成大量的硝态氮淋溶损失[8-9]。随着研究的不断深入，开始出现有关酰胺态氮淋溶的报道。Zhang等[10]指出，土壤淋溶液中不但包含硝态氮和铵态氮，也包括有机氮；赵营等[11]也发现，宁夏灌区设施番茄黄瓜轮作土壤淋溶液中有机氮占氮素淋失量的10%～27%。

目前土壤氮素淋失影响因素研究主要集中于施肥[12-13]、灌溉与降水[14-15]、土壤特性[16-17]等方面，而有关新型肥料类型（尤其是缓释和稳定性肥料）的研究还较少。杜建军等[18]研究了6种缓/控释肥料施入土壤后的氮淋溶情况，发现氮素淋溶量均低于尿素；胡斌等[19]也发现，控释肥料能有效控制氮素向下淋溶；俞巧钢等[20]研究发现，添加1%DMPP的稳定性肥料比单施尿素能有效抑制硝化反应的发生，明显降低硝态氮的淋溶风险。综上所述，缓释和稳定性肥料作为新型肥料类型，能够降低氮素淋失的风险[21]，因此研究其在土壤中的氮素淋失规律具有十分重要的意义。

本文以青岛市大沽河地下水源地为研究对象，采用室内土柱模拟试验，系统研究了间歇淋洗条件下缓释和稳定性肥料中硝态氮、铵态氮及有机氮的淋失规律，以期确定不同施肥处理条件下氮素淋失率和淋失氮素的形态构成，为地下水氮素污染评价、预测和防治提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料 淋溶试验供试土样采自于青岛市大沽河地下水源地中上游莱西市店埠镇东庄头村试验田，取样点位于北纬36°44′13″，东经120°21′04″，土壤类型为棕壤土。土壤样品按照0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm层次采集，自然风干过2mm筛后保存，同时用环刀法测定各层土壤容重。供试土壤剖面的基本理化性质见表1。供试肥料包括3个肥料类型：大颗粒尿素（Ur），含N量46%，中国石油天然气有限公司生产；硫包膜尿素（SCU），含N量36%，山东农大肥业科技有限公司生产；添加生化抑制剂尿素（NBPT+DMPP+Ur），含N量46%。

1.2 试验装置 模拟淋溶土柱为PVC管，高度为100cm、内径为6cm，底部用200目尼龙网包扎，垫上2cm洁净的石英砂，然后在石英砂和供试土壤间放上300目尼龙网。按照土壤原容重装柱，适当压实每层土壤边缘以防止发生水分侧漏。装入75cm高度土壤时均匀施入供试肥料，然后再覆盖5cm厚度土壤。PVC管表层土壤铺设2cm厚度粗砂以防止加水时扰动表层土壤，使水分能够均匀地向土柱中渗透。用塑料薄膜封住在PVC管顶端，并针扎若干小孔以保证通气和减少水分损失，然后进行室内培养。具体实验装置图如图1所示。

1.3 试验设计 试验共设计N0、N1、N2、N3 4个氮肥处理，N0处理为不施肥对照，N1处理为常用氮肥大颗粒尿素（Ur），N2处理为缓释肥料硫包膜尿素（SCU），N3处理为稳定性肥料（Ur+NBPT+DMPP）。各处理施氮量均为400kg·hm-2，即每个土柱施氮量为113.1mg，按照肥料含氮量计算各处理具体施肥量。脲酶抑制剂NBPT和硝化抑制剂DMPP添加量分别为施氮量的0.2%和1%。每个处理设3个重复。土柱先加入534mL蒸馏水淋洗使土壤湿润，调节土壤含水率与田间取样时相同，48h后开始第1次淋洗，每次每个土柱用水量为300mL，淋洗水总量相当于当地夏玉米种植一季的灌溉和降雨量的总和（530.8mm）。淋洗频率为每7d淋洗1次，从2015年12月29日开始淋洗，2016年1月30日淋洗结束。

1.4 测定方法 待不再有淋溶液流出时量取淋溶液体积，电导率和pH值分别用电导率仪和酸度计测定，淋溶液中的氨氮、硝酸盐氮、有机氮和总氮含量分别采用纳氏试剂分光光度法、紫外分光光度法、对二甲氨基苯甲醛分光光度法及碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。淋溶试验结束后，各土柱按照20cm层次采集土样，新鲜土样用2mol·L-1的KCl溶液浸提后（水土比为5∶1），采用紫外分光光度法、靛酚蓝比色法测定铵态氮和硝态氮含量。同时，用烘干法测定各层土壤含水量。

1.5 数据处理 氮素累积淋失量（，kg·hm-2）和土壤剖面无机氮残留量（，kg·hm-2）分别采用式（1）和式（2）计算：

式中，模拟土柱横截面积，cm2；为各次淋溶液NO3--N（或NH4+-N、TN）浓度，mg·L-1；为各次淋溶液体积，mL；为土层厚度，=20cm；为各层土壤容重，g·cm-3；为土壤中NO3--N或NH4+-N含量，mg·kg-1。

试验数据采用Excel2013软件处理和分析，通过Origin9.1软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥条件下氮素淋溶特征 不同施肥处理淋溶出的氮素形态主要包括铵态氮、硝态氮和有机氮。各处理淋溶液中NH4+-N均保持较低水平（图2a），因为NH4+-N容易被土壤胶体吸附，只有超过土壤吸附容量时才能被淋溶出来。随着淋溶次数的增加，不施肥处理N0淋溶出的NH4+-N浓度逐渐降低，而3个施肥处理N1、N2、N3均呈现先升高后降低的变化趋势。经过2次淋溶，N1处理的NH4+-N浓度达到最大值8.54mg·L-1，说明此时大部分尿素已经转化为NH4+-N，之后随着硝化作用的进行，NH4+-N淋溶浓度开始降低。N2、N3处理的尿素水解速度比N1缓慢，均在第3次淋溶后达到峰值，分别为6.25mg·L-1、8.13mg·L-1，这是因为缓释肥料控制了氮素的释放速度，稳定性肥料抑制了尿素的水解作用。

因为硝态氮和土壤胶体带电相同，所以在灌水时硝态氮极易随水分迁移，造成大量的淋溶损失（图2b）。不同施肥条件下第1次淋溶出的NO3--N浓度差异不大，说明淋溶初期NO3--N主要为土壤的自身残留；此后施肥处理淋溶液NO3--N浓度均高于不施肥处理，说明淋溶后期NO3--N主要来源于施入的氮素。第2次淋溶后，N1处理中的NO3--N水平高于N2和N3，说明少量NH4+-N开始向NO3--N转化，随着硝化速率的加快，第4次淋溶时N1处理NO3--N浓度达到70.07mg·L-1，此后逐渐降低。N2处理NO3--N淋溶浓度低于N1处理，且随着淋溶次数的增加NO3--N缓慢增长。3个施肥处理中N3的NO3--N淋溶浓度最低，平均浓度为86.93mg·L-1，仅为N1处理的48.4%。

随淋洗次数的增加，各处理有机氮的淋溶浓度均逐渐降低（图2c）。N1处理第1次淋溶出的DON浓度高达25.53mg·L-1，此时尿素在土壤中主要以有机氮存在，遇到大量灌水时随水分发生迁移。随着尿素的水解，有机氮逐渐转化为铵态氮，淋溶出的DON浓度开始逐渐降低。第1、2次淋溶后，N3处理的DON浓度分别为26.96mg·L-1、11.77mg·L-1，高于N1和N2处理，这是因为NBPT抑制了尿素的水解作用，造成有机氮的淋溶损失。N2处理的DON淋溶浓度在3.59～5.89mg·L-1范围内，说明其缓释性能较好，仅造成少量有机氮淋溶损失。

2.2 不同施肥处理氮素淋溶的地球化学响应 施入土壤中的尿素在脲酶作用下发生水解产生NH4+，NH4+易被土壤胶体吸附，可以将土壤中的Ca2+、Mg2+交换下来，同时NH4+在硝化细菌的作用下生成NO3-，土壤中离子成分的改变会造成淋溶液电导率和pH值发生变化（图3a）。第1次淋洗后，N0、N1、N2和N3处理条件下淋溶液电导率均较高，分别为1.71、2.06、1.91、1.87mS·cm-1，主要是由土壤自身NO3--N淋溶引起的。第2次淋溶后，N1处理的电导率高于其它处理，这是因为尿素水解产生的NH4+-N使土壤吸附的Ca2+、Mg2+发生溶解被淋洗出来，导致电导率升高[22]。淋溶后期随着硝态氮浓度的升高，电导率逐渐变大，3个施肥处理的电导率大小顺序为N1>N3>N2。

不同施肥处理的土壤淋溶液pH值均呈现先升高后降低的变化趋势（图3b）。在淋溶初期，施肥处理淋溶液pH值比不施肥处理高出0.7～1.0个单位，且呈上升趋势，这可能是因为氮肥施入土壤后发生水解，需要消耗土壤中的H+，产生NH4+，所以导致土壤pH值在短期内迅速提升。从第3次淋洗开始，N1和N3处理淋溶液的pH值开始缓慢下降，因为NH4+在亚硝化细菌作用下发生硝化反应，产生H+，导致土壤pH值下降，淋溶液的pH值随之下降。与N1和N3处理不同，N2处理pH值升高幅度不大，这主要是因为缓释肥料在淋溶后期尿素水解和硝化作用同时进行，所以pH值变化不明显。

2.3 土壤剖面氮素残留量的分布 土壤中无机氮的主要存在形态为硝态氮和铵态氮，不同施肥处理条件下土壤硝态氮和铵态氮含量存在一定的差异。图4a为淋溶后0～80cm土层NO3--N残留量分布，处理N1、N2和N30～20cm土层NO3--N含量为17.93、28.39、26.10mg·kg-1，分别是淋溶前的1.6、2.5、2.3倍，说明施肥可显著提高土壤表层的NO3--N水平。不同施肥处理土壤剖面NO3--N含量的大小为N2>N3>N1，说明与常规尿素相比，缓释和稳定性肥料可以提高土壤中NO3--N含量。

间歇淋溶后不同施肥处理土壤剖面NH4+-N分布如图4b所示，可以看出，NH4+-N含量明显低于NO3--N，说明NO3--N是土壤无机氮的主要成分。与不施肥处理相比，3个施肥处理的NH4+-N含量均随着土壤深度的增加而减小，0～20cm土层NH4+-N含量最高，说明施肥可显著增加0～20cm土层NH4+-N含量。其中N1、N2、N3处理NH4+-N浓度分别为10.71、17.14、17.42mg·kg-1，N1处理的NH4+-N水平明显低于N2和N3处理，说明缓释和稳定性肥料较常规尿素可提高土壤表层NH4+-N浓度，有利于作物的吸收利用。

2.4 不同肥料类型的氮素淋失量 氮素淋溶损失主要来源于以下2部分，一是土壤自身残留的氮素，二是施入的氮素。假设施肥与不施肥处理来自土壤自身残留氮素的淋失量相同，根据两者的氮素淋失量差值计算施入肥料的氮素淋失率，结果如表2所示。研究表明，夏玉米90%以上的根系分布在0～80cm土层，作物很难吸收利用80cm以下土层的氮素，因此可以认为淋溶出0～80cm土层的氮素会造成地下水污染。由表2可知：经过5次淋溶过程，3个施肥处理氮素淋溶量差异显著，其中N1最高，N2次之，N3最小，分别为208.66、131.95、125.24kg·hm-2。N2和N3处理的氮素淋失率分别为32.98%、31.31%，比N1处理低19.15%、20.85%，说明缓释和稳定性肥料与常规尿素相比可以显著减少氮素的淋失。氮素淋溶的主要形态除铵态氮、硝态氮外，还包括有机氮。N1处理中硝态氮、铵态氮、有机氮占淋失量的比例分别为74.29%、6.48%、19.23%，说明硝态氮和有机氮是其氮素淋溶的主要形态。N2处理的氮淋失率为32.98%，其中硝态氮、铵态氮、有机氮各占75.19%、9.89%、14.92%，说明缓释肥料主要发生硝态氮和铵态氮淋溶。N3处理硝态氮、铵态氮、有机氮淋失量分别占总淋失量的49.89%、12.77%、31.31%，说明稳定性肥料会造成硝态氮和有机氮淋溶损失。总之，不同类型肥料的氮素淋溶形态差异较大，硝态氮是氮素淋溶的主要形态，其次是有机氮和铵态氮。

3 结论

（1）淋溶初期，硝态氮和铵态氮主要来源于土壤自身残留，而有机氮来源于施入的尿素。随着淋溶次数的增加，有机氮浓度逐渐降低而铵态氮浓度开始升高，此后随着硝化速率的加快，铵态氮逐渐转化为硝态氮，导致硝态氮浓度快速增长。

（2）本实验条件下，尿素、缓释肥料、稳定性肥料处理氮素淋溶量差异显著，分别为208.66、131.95、125.24kg·hm-2，缓释和稳定性肥料的氮素淋失率分别为32.98%、31.31%，比尿素低19.15%、20.85%，说明缓释和稳定性肥料可以显著减少氮素的淋失。

（3）尿素、缓释和稳定肥料淋失的氮素中，硝态氮、铵态氮、有机氮所占比例分别为49.89%～75.19%、6.48%～12.77%、14.92%～31.31%范围内，说明硝态氮是氮素淋溶的主要形态，其次是有机氮和铵态氮。

参考文献

[1]彭丽杰，王继华.我国地下水污染现状及微生物修复：首届全国地下水开发利用与污染防治技术交流研讨会[C].2009.

[2]南海龙，邓鑫.浅析地下水污染及其防治措施[J].地下水，2013，25（2）：41-43.

[3]Krishnan K.Chapter 1-Introduction to Big Data[M]//Krishnan K.Data Warehousing in the Age of Big Data.Boston：Morgan Kaufmann，2013：3-14.

[4]王成见，王琳，于询鹏，等.浅析青岛市城市供水水源地水质污染成因及防治措施[J].治淮，2011（12）：96-97.

[5]刘宏斌，张云贵，李志宏，等.北京市平原农区深层地下水硝态氮污染状况研究[J].土壤学报，2005，42（3）：411-418.

[6]Smith S J.Soluble organic nitrogen losses associated with recovery of mineralized nitrogen[J].Soil Sci SOC AM J，1987，51：1191-1194.

[7]习金根，周建斌，赵满兴，等.滴灌施肥条件下不同种类氮肥在土壤中迁移转化特性的研究[J].植物营养与肥料学报，2004（04）：337-342.

[8]姚建武，艾绍英，周修冲，等.热带亚热带多雨湿润区旱地土壤氮肥淋溶损失模拟研究[J].土壤与环境，1999（04）：314-315.

[9]夏天翔，李文朝.抚仙湖北岸有机与常规种植菜地土壤氮、磷流失及累积特征[J].中国生态农业学报，2008（03）：560-564.

[10]Zhang X，Davidson E A，Mauzerall D L，et al.Managing nitrogen for sustainable development[J].NATURE，2015，528（7580）：51-59.

[11]赵营，张学军，罗健航，等.施肥对设施番茄-黄瓜养分利用与土壤氮素淋失的影响[J].植物营养与肥料学报，2011（02）：374-383.

[12]杨莉琳，胡春胜.施肥对华北高产区土壤NO3--N淋失与作物NO3--N含量及产量的影响[J].应用与环境生物学报，2003，9（5）：501-505.

[13]商放泽，杨培岭，李云开，等.不同施氮水平对深层包气带土壤氮素淋溶累积的影响[J].农业工程学报，2012（07）：103-110.

[14]李桂花，张艳萍，胡克林.不同降雨和灌溉模式对作物产量及农田氮素淋失的影响[J].中国农业科学，2013（03）：545-554.

[15]王琦，李锋瑞，张智慧.灌溉与施氮对黑河中游新垦沙地农田土壤硝态氮动态的影响[J].环境科学，2008（07）：2037-2045.

[16]高茹，李裕元，杨蕊，等.亚热带主要耕作土壤硝态氮淋失特征试验研究[J].植物营养与肥料学报，2012（04）：839-852.

[17]王荣萍，黄建国，袁玲，等.重庆市主要土壤类型硝态氮淋失及其影响因素[J].水土保持学报，2004（05）：35-38.

[18]杜建军，毋永龙，田吉林，等.控/缓释肥料减少氨挥发和氮淋溶的效果研究[J].水土保持学报，2007（02）：49-52.

[19]胡斌，李絮花，闫童，等.控释氮肥对土体中无机氮淋溶分布及夏玉米产量的影响[J].水土保持学报，2014（04）：110-114.

[20]Yu Q，Chen Y，Zhang Q，et al.Effect of DMPP on inorganic nitrogen transformation and leaching in vertical flow of simulated soil column[J].Journal of Environmental Sciences，2007，28（4）：813-818.

[21]Trenkel M E.Controlled-Release fertilizer in Agriculture[M].Paris：International fertilizer industry association，1997.

[22]王东胜.氮迁移转化对地下水硬度升高的影响[J].现代地质，1998（03）：138-143.

（责编：张宏民）