杜國強(qiáng)++陳秀琴++牟守國++楊德軍++黃成江

摘要：為提高氮肥利用率，解決如何施用氮肥能夠減少由于降雨造成的肥料損失與環(huán)境污染，采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)的方法，研究了向土柱中施入硝酸鈉和尿素2種不同肥料的條件下，氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，土壤中氮素的遷移轉(zhuǎn)化與土壤含水率、肥料種類有著密切的聯(lián)系，在試驗(yàn)過程中，含水率高的土壤層能明顯提高氮素的遷移轉(zhuǎn)化速率；土壤對硝態(tài)氮的吸附量較小，底部總氮含量較高，大部分硝態(tài)氮隨降雨入滲到土壤底部，土壤對尿素態(tài)氮的吸附量較大，底部總氮含量低；對比不同施肥情況下的氮素含量情況，發(fā)現(xiàn)施加尿素后，土壤底部的氮素含量明顯比施入硝酸鈉的低，且隨時(shí)間的波動變化較小。由此可知，施尿素比施硝酸鈉作為氮肥對氮素的利用率要高，且不易發(fā)生淋溶現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：硝酸鈉；尿素；土壤含水率；遷移轉(zhuǎn)化；總氮；淋溶

中圖分類號： S158文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0436-04

收稿日期：2015-10-29

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”項(xiàng)目）（編號：2013CB227904）；國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：2014FY110800）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：U1361214）。

作者簡介：杜國強(qiáng)（1989—），男，山西朔州人，碩士研究生，主要從事環(huán)境工程等方面研究。E-mail：dgq0722@163.com。

通信作者：牟守國，碩士，副教授，主要從事土地管理、礦區(qū)生態(tài)、土地復(fù)墾和生態(tài)重建等方面的研究。E-mail：mushouguo@163com。

氮素是作物生長不可缺少的營養(yǎng)元素，施用氮肥已經(jīng)成為作物生產(chǎn)不可或缺的技術(shù)措施，但不合理的施用氮肥不僅會造成浪費(fèi)，還會對水環(huán)境造成污染[1]。據(jù)《世界資源報(bào)告》[2]中的報(bào)道，由于農(nóng)田氮肥施用量的增加，世界范圍內(nèi)地表水和地下水中氮化合物的含量都呈不同程度增加的趨勢[3]。目前，我國氮肥年生產(chǎn)量、進(jìn)口量和使用量均已躍居世界首位[4]，由此造成的農(nóng)業(yè)污染問題也比較突出，解決氮肥不合理利用引發(fā)的污染問題迫在眉睫。

水環(huán)境中氮污染問題一直是科研工作者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題[5]。Gunter等通過模擬地下水中氮的運(yùn)移和淋失，得出氮的運(yùn)移距離、滲流量的分布以及滲流液中氮的濃度有明顯的空間差異性的結(jié)論[6]。胡昱欣等通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究表明，在同一剖面中，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量達(dá)到峰值時(shí)，它們所在的土壤剖面深隨灌施時(shí)間的延長逐漸向下遷移，在氮素的遷移過程中，銨態(tài)氮的穩(wěn)定性要高于硝態(tài)氮[7]。隋娟等通過研究滴灌條件下水肥耦合對土壤水分和氮素運(yùn)移的影響，得出硝態(tài)氮和氨態(tài)氮在土壤中的分布和運(yùn)移明顯受灌溉制度、施肥量以及水分耦合效應(yīng)的影響[8]。趙斌等通過研究片麻巖新成土中不同肥料、不同施氮量對氮素垂直運(yùn)移的影響，得出隨著施氮量增加，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋溶濃度增大，氮素淋失量增多[9]。高茹等通過研究土壤氮素累積與硝態(tài)氮遷移的動態(tài)特征，得出土壤硝態(tài)氮含量是影響硝態(tài)氮淋失強(qiáng)度的決定因素[10]。商放澤等通過田間小區(qū)試驗(yàn)研究不同水氮處理對土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮遷移累積的影響，得出層狀包氣帶土壤的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)對水分、硝態(tài)氮和總氮在土層中的分布均有顯著影響，而土壤結(jié)構(gòu)只對銨態(tài)氮有顯著影響[11]。此外，Coelho等分析了滴灌管理中點(diǎn)源水分運(yùn)動和溶質(zhì)的利用問題[12]；Pier等研究了滴灌的水分和氮素耦合問題[13]；葉玉適等研究了節(jié)水灌溉與控釋肥施用對太湖地區(qū)稻田土壤氮素滲漏流失的影響[14]；杜軍等分析了農(nóng)田系統(tǒng)中水量平衡和氮素平衡及典型區(qū)域內(nèi)農(nóng)田系統(tǒng)中氮素隨水分遷移的規(guī)律[15]；張曉龍等研究了不同施肥模式對旱地土壤氮磷鉀徑流流失的影響[16]；閆建梅等研究了紫色土坡耕地“冬小麥—夏玉米”種植模式，在不同施肥制度和耕作模式下，由降雨而引發(fā)的水土流失特征及氮素流失規(guī)律[17]；薛亮等對不同水、氮輸入量對土壤氮素平衡和運(yùn)移的影響做了研究[18]。上述研究都基本圍繞土壤中氮肥的施用量和施肥方法，以及對作物產(chǎn)量和環(huán)境造成的影響，而對降雨條件下施用不同肥料后，土壤中氮素運(yùn)移的對比研究較少。本研究基于室內(nèi)模擬降雨條件下，以徐州高莊農(nóng)田土壤為試驗(yàn)材料，研究模擬降雨條件下施用不同肥料后，氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及降雨入滲產(chǎn)生的淋溶現(xiàn)象及對比研究，為提高氮肥利用率，減少由于降雨造成的肥料損失與環(huán)境污染提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

土壤主要取自江蘇省徐州市高莊農(nóng)田土壤，該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫄夂騾^(qū)，地貌主要以平原為主，水面較少，屬于蘇北黃泛沖積平原典型的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。降雨多集中在7—9月份，年平均氣溫14.5 ℃，常年主導(dǎo)風(fēng)為東北偏東風(fēng)，年平均風(fēng)速2.5 m/s，平均年日照2 220.9 h左右，年平均無霜期 287 d 左右，年平均降水量831.7 mm，年平均蒸發(fā)量 1 795 mm，年平均相對濕度69%。土壤采集深度0～30 cm。常施用的氮肥品種為硝酸鈉（NaNO3）和尿素[CO（NH2）2]等。供試土壤含有機(jī)質(zhì)1%～1.5%、全氮0.1%～0.15%、全磷0.035%～0.048%、速效磷10～20 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

先去除土壤表面的雜草和石礫，采集0～30 cm深度的均勻土壤。將土壤樣品置于陰涼通風(fēng)處晾干，之后用粉碎機(jī)粉碎過0.5 mm篩，均勻混合后裝入土柱中，放置2周使土壤盡量恢復(fù)自然特征，向土柱中加水，使得水逐漸潤濕整個土柱，整個過程周期為15 d，土壤處理完成。

試驗(yàn)裝置由土柱、降雨器、稱重平臺、自動負(fù)壓泵、基質(zhì)傳感器等主要部分組成，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)土柱的一側(cè)，豎直方向開設(shè)5個取樣口，5個剖面深度分別為：15、30、45、65、90 cm。自動負(fù)壓泵通過土柱底部陶土板將溶液抽取到采樣瓶中，用于采集土壤水的水樣。土柱放置在稱重平臺上，可測量質(zhì)量的變化。

第1組：向土柱內(nèi)施入硝酸鈉（NaNO3）300 mg，模擬降雨14 mm，在此過程中，每隔48 h取樣1次，測量剖面5個取樣口土壤含水率和總氮含量，多次取樣測量，取平均值。

第2組：向土柱內(nèi)施入尿素[CO（NH2）2]300 mg，模擬降雨14 mm，因施尿素后總氮含量波動較小，所以縮短了取樣時(shí)間間隔，每隔24 h取樣1次，測量剖面5個取樣口土壤含水率和總氮含量，多次取樣測量，取平均值。

主要測量的物理量為土壤含水率和總氮含量，土壤含水率主要采用SDI-12總線傳輸，通過HYDRA土壤多參數(shù)傳感器獲得。土壤中總氮（TN）的測定采用GB11894—1989堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定吸光度值，再根據(jù)總氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算除待測溶液的總氮含量。

2結(jié)果與分析

2.1土壤含水率的變化研究

（1）試驗(yàn)預(yù)處理階段，土壤含水率的變化情況如圖1所示。圖1顯示了預(yù)處理階段土壤中含水率隨時(shí)間的變化情況。由圖1可以看出，隨著不斷向土壤中補(bǔ)充水分，土壤含水率一直增加，到最后各層土壤含水率從上到下分別為0.505、0.520、0.468、0.467、0.457 cm3/cm3。此時(shí)，土壤各層水分達(dá)到飽和，之后土壤含水率會趨于穩(wěn)定，基本維持在一定的范圍內(nèi)。從圖1還可得知，隨著不斷向土柱中加水，在土壤水分達(dá)到飽和后的入滲過程中，上層土壤的含水率比下層要高，其中第2層土壤含水率要比第1層稍高，下邊第3、4、5層土壤的含水率差別不大。由此可得出，土壤含水率受土表環(huán)境、土壤孔隙、土壤密實(shí)等情況影響。

[TPDGQ1.tif]

（2）處理過的土柱，放置一段時(shí)間，待整個土柱系統(tǒng)穩(wěn)定后，開始第1組試驗(yàn)。首先向土壤中加入硝酸鈉溶液，模擬降雨14 mm，觀察試驗(yàn)過程中土壤含水率的變化情況。如圖2所示，在降雨條件下，土壤中第1層和第4層的含水率變化幅度不大，第2、3、5層土壤的含水率變化比較明顯。第1層土壤，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤中水分一部分下滲到土壤下層，還有一部分受土表蒸發(fā)作用的影響而損失，使得第1層土壤的含水率逐漸下降，到最后低于第2層土壤的含水率。第2層土壤在開始時(shí)，上層水分的滲入速率要比水分滲入到下層的速率快，所以含水率逐漸增加，到2 d時(shí)含水率達(dá)到最大（052 cm3/cm3），隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，上層入滲的水分逐漸減少，而水分在持續(xù)下滲，含水率開始下降。第3層土壤的含水率情況與第2層的比較相似，也呈現(xiàn)先增長后下降的情況。第4層土壤由上層滲入的水分和滲入到下層的水分基本等量，所以在整個入滲過程中含水率基本保持在一個固定值。第5層土壤隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，水分逐漸減少，加上上層土壤的壓實(shí)作用，土壤下層的孔隙減小，水分的入滲速率降低，含水率一直都比較低，隨著水分下滲，含水率不斷降低，最后達(dá)到最低值0.421 cm3/cm3。

[FK（W10][TPDGQ2.tif]

（3）第2組試驗(yàn)，向土柱表層加入尿素溶液，在室內(nèi)模擬降雨14 mm，觀察降雨條件下土壤含水率的變化情況。由圖3可見，降雨條件下，土壤含水率的整體趨勢與初始時(shí)刻大致相似。第1、2層土壤的含水率變化幅度較明顯，第3、4、5層土壤的含水率變化不大，基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。其中，第1層土壤的含水率受表層影響大，在試驗(yàn)開始階段，由于降雨的直接補(bǔ)給，使得其含水率達(dá)到最高，之后隨著補(bǔ)給水的停止、水分的下滲以及表土的蒸發(fā)作用，含水率開始下降，到最后含水率低于第2層土壤的含水率。在此過程中，第2層的土壤也出現(xiàn)前期增長、后期下降的現(xiàn)象，在2 d時(shí)含水率達(dá)到最大（0.509 cm3/cm3），從圖3可以看出，[JP2]相比于第1層土壤，第2層土壤的含水率變化的幅度較小。由于上層土壤的緩沖壓實(shí)作用，下層土壤比較密實(shí)，水分隨著深度的增大入滲難度增大，這樣就使第3、4層土壤水分基本維持在一個動態(tài)平衡下，含水率基本上保持在一定范圍內(nèi)，變化幅度微小。第5層土壤受上層土壤水分入滲的影響，含水率會出現(xiàn)先增加后減少的情況，在3 d時(shí)含水率最低，為0.423 cm3/cm3。

[TPDGQ3.tif]

2.2施不同肥料后總氮的遷移轉(zhuǎn)化情況

（1）在施入硝酸鈉情況下，土壤中總氮的變化情況如圖4所示。結(jié)合土壤含水率變化情況分析可知，土壤水中總氮的遷移轉(zhuǎn)化受土壤含水率的影響。如圖4所示，在整個試驗(yàn)過程中，土壤中的總氮含量隨著土壤深度的增加而降低。在試驗(yàn)初始階段，各個采樣口土壤水中的總氮含量都很低，施入硝酸鈉后，總氮的含量開始迅速增長，到2 d時(shí)，第1、2層土壤的總氮含量達(dá)到最大值20.1、10.9 mg/L，之后隨時(shí)間延長開始降低。第1層土壤受表土環(huán)境的影響較多，但由于水分以及硝酸鈉的直接補(bǔ)給，總氮含量增長最快，2 d之后，因?yàn)橥寥赖暮瘦^大，能夠促進(jìn)硝態(tài)氮遷移，第1層土壤的總氮含量會迅速下降。第2層土壤在各個時(shí)間段的含水率都最大，但總氮含量的變化幅度較第1層小，分析原因可能是第2層土壤受外界環(huán)境影響小，土壤比第1層要密實(shí)，對水分和總氮的遷移起到緩沖作用，所以第2層土壤的總氮含量下降幅度較第1層土壤的要小。第3層土壤受含水率的影響較大，遷移到其中的硝態(tài)氮較少，2 d之后總氮含量只是小幅度增長。第4、5層土壤受土壤壓實(shí)作用較大，在接受了上層土壤遷移的硝態(tài)氮后，總氮含量會出現(xiàn)小幅度增長，之后可能由于深層土壤具有反硝化作用，總氮含量會有小幅度的降低。在整個過程中，上層土壤的總氮含量變化波動較大。4 d時(shí)的含氮量自上而下分別為14.4、8.4、5.7、3.1、2.5 mg/L。

[TPDGQ4.tif]

（2）尿素態(tài)氮和硝態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化方式有所不同，施入土壤中的尿素在有水分情況下首先以分子態(tài)形式隨水分遷移，另一方面，尿素在遷移過程中也進(jìn)行著分解作用，轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[19]。施入尿素的情況下，土壤中總氮的遷移轉(zhuǎn)化情況如圖5所示。

由圖5可見，施入尿素后，土壤的總氮含量隨著剖面深度的增加，總體呈現(xiàn)遞減趨勢。其中，第1、2、3層土壤的總氮含量變化較大，第2層的總氮含量變化最大，第4、5層的總氮含量變化相對較小。結(jié)合土壤的含水率變化情況分析可知，在試驗(yàn)開始階段，第1層土壤的總氮含量隨著降雨量的增加而增加，原因在于，施入土柱中的尿素隨著降雨滲進(jìn)土壤內(nèi)部，使第1層土壤的總氮含量迅速增加，在 1 d 時(shí)達(dá)到最高（8.8 mg/L），之后尿素分子隨著土壤水分的下移慢慢遷移到土壤下部，之后隨著土壤水分含量逐漸降低，尿素分子的遷移逐漸變慢，總氮含量降低趨勢逐漸變緩。第2層土壤總氮含量在1 d時(shí)達(dá)到6.8 mg/L，之后便迅速下降，到2 d下降速度逐漸變緩。分析其原因，第2層土壤受上層土壤入滲的水分和尿素相對較多，總氮含量開始會增加，2 d之后，上層土壤的入滲量減少，此時(shí)，第2層土壤的含水率較大，能夠促進(jìn)尿素分子的遷移速率，使得第2層土壤的總氮含量下降幅度較大。第3層土壤由于入滲下來的水分和尿素量逐漸減少，總氮含量會逐漸降低。第4、5層土壤含水率和總氮含量都比較低，加上土壤的壓實(shí)作用，土壤間孔隙較小，增加了氮素遷移難度，使得總氮含量剛開始下降，之后緩慢上升，最后逐漸趨于穩(wěn)定，總體變化幅度較小。在整個過程中，總氮[JP3]含量的變化幅度較施硝酸鈉作為氮肥的情況要小，到4 d時(shí)土壤各層的總氮含量自上而下為5.7、1.6、1.4、15、0.7 mg/L。

[TPDGQ5.tif]

2.3硝態(tài)氮與尿素態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化情況對比

對比施硝酸鈉和尿素，總氮的遷移轉(zhuǎn)化情況以及4 d的總氮含量，可以發(fā)現(xiàn)，在施硝酸鈉作為氮肥的試驗(yàn)中，總氮的主要形式是硝態(tài)氮（NO3--N）為主。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，上層土壤總氮含量的變化幅度很大，在施入硝酸鈉后，總氮含量迅速上升，之后又快速下降，在各層土壤測得的總氮含量都較高。在施尿素的試驗(yàn)中，由于尿素在遷移過程中會分解為銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N），因此在施尿素情況下總氮主要形式包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。在試驗(yàn)過程中，由于土壤膠體顆粒帶負(fù)電荷，而銨根離子帶正電荷，土壤膠體顆粒對銨態(tài)氮有較好的吸附作用，所以在上層土壤氮素的遷移過程中，有一部分銨態(tài)氮被土壤顆粒吸附，而遷移的氮素主要是硝態(tài)氮部分，這樣就使下層的遷移氮量較少，總氮的含量變化幅度較平穩(wěn)，波動較小，在各層測得的總氮含量也較施硝酸鈉的情況偏低。這樣造成在同等情況下，施硝酸鈉作為氮肥比施尿素作為氮肥更容易發(fā)生氮的淋溶，造成附近環(huán)境的污染，而施尿素作為氮肥在一定程度上能夠避免此類情況的發(fā)生。

3結(jié)論

（1）在試驗(yàn)初始階段，隨著不斷向土柱中加水，各層土壤的含水率達(dá)到飽和后會趨于穩(wěn)定。

（2）向土壤中施入硝酸鈉之后，隨著降雨的發(fā)生，硝態(tài)氮隨水分入滲進(jìn)入土壤內(nèi)部，此過程中，土壤中的總氮含量隨時(shí)[JP3]間波動比較大，下層的總氮含量較高，硝態(tài)氮被土壤吸附的量較小，很大一部分硝態(tài)氮隨降雨入滲進(jìn)入土壤底部，形成氮的淋溶。

（3）向土壤中施入尿素后，土柱中總氮含量總體變化趨勢與施硝酸鈉的大體相似，都是自上而下逐漸降低。對比得知施尿素后的總氮含量隨時(shí)間變化波動較小，土柱下層的總氮量較低，主要原因在于銨態(tài)氮容易為土壤中的膠體顆粒吸附，一部分銨態(tài)氮得以儲存于土壤中。

（4）對比土壤中施硝酸鈉和尿素后總氮的遷移轉(zhuǎn)化情況可知，在施尿素的情況下，土壤中可溶性氮素由上向下運(yùn)移過程中，有一部分的銨態(tài)氮被土壤中的膠體顆粒所吸附，只有土壤中吸附的銨態(tài)氮量達(dá)到飽和后，多余的銨態(tài)氮才會和硝態(tài)氮繼續(xù)向下運(yùn)移，相比而言，土壤中硝態(tài)氮更容易淋失。

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