北京地區(qū)冬小麥夏玉米輪作中的氮淋失

北京地區(qū)冬小麥夏玉米輪作中的氮淋失

no-3-n的氮侵蝕不僅降低了肥料的利用率，而且還可能導(dǎo)致地表水和地下水的污染，這可能會影響水生生態(tài)環(huán)境。在過去的20年里，中國越來越重視對耕地氮侵蝕的研究，開展了大量工作。這些工作包括對no-3-n侵蝕環(huán)境的評估，土壤中氮和養(yǎng)分含量的計(jì)算，以及對水和氮結(jié)合的運(yùn)移模擬。關(guān)于氮素侵蝕的研究通常采用干擾土壤樣本的靜態(tài)模擬，并在相對平坦的區(qū)域（約1m）下模擬短段。以前，關(guān)于北方干旱地區(qū)氮素侵蝕的研究很少，尤其是長期觀測試驗(yàn)，對no-3-n的滲透規(guī)律了解不多。農(nóng)田氮肥的使用及其滲漏損失有其地域的特點(diǎn),土壤特性、氣候因子、作物種植制度、水肥管理等因素相互作用,形成了區(qū)域農(nóng)田NO-3-N的淋失特征.我國華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作已經(jīng)非常普遍,氮肥的投入越來越高,但是,高氮的投入,并未取得增產(chǎn)效應(yīng).過量施用氮肥可能造成NO-3-N的淋失,因此,從1998年—2000年,利用土壤溶液提取器,對北京地區(qū)典型輪作制度(冬小麥-夏玉米)和管理措施下的0—2m土體NO-3-N濃度動態(tài)進(jìn)行了研究;同時(shí),為了討論方便,假定地下水位為2m,采用大型原狀土柱原位測定了上述典型農(nóng)作條件下2m深處的NO-3-N淋失量.目的是通過長期定位的觀測試驗(yàn),確定該地區(qū)降雨特征、土壤特性、施肥、作物輪作與NO-3-N淋溶遷移的關(guān)系,為協(xié)調(diào)區(qū)域農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展和水資源保護(hù),建立最佳水肥管理措施提供依據(jù).1材料和方法1.1氣候、土壤條件試驗(yàn)地位于中國農(nóng)大科學(xué)園水氮滲漏試驗(yàn)區(qū),地處東經(jīng)116.3度,北緯39.95度.為暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫11.5℃,年平均降水量為640mm左右,70%—80%的降雨集中在夏季.地貌屬華北平原山前沖積平原區(qū),地下水深約14m.土壤類型為壤質(zhì)夾粘草甸褐土,粘土層出現(xiàn)在65—140cm,100cm左右深處土壤飽和導(dǎo)水率低;試驗(yàn)土壤肥力高,如表1.1.2大型原狀土柱試驗(yàn)1.2.1施氮水處理nf和地面施氮土柱試驗(yàn)裝置是1997年完成的.兩個(gè)大型有機(jī)玻璃筒,內(nèi)徑0.48m,有效高度2m,埋置在科學(xué)園區(qū)冬小麥-夏玉米種植區(qū)2.5m深的地下坑內(nèi),上端與地面齊平.筒內(nèi)為取自該種植區(qū)的原狀圓型土芯,土芯直徑0.48m,高2m.土芯與圓筒內(nèi)壁緊密接觸.下端有濾液出口,與收集濾液的塑料瓶密封連接.利用土壤溶液提取系統(tǒng)收集土壤溶液.1997年10月分別在兩土柱的50、100、190cm深處安裝了陶土頭,1999年4月初又重新在土柱剖面20、40、60、80、100、140、190cm處安裝了陶土頭,以加強(qiáng)對土壤水分和養(yǎng)分淋溶滲漏的觀測.本試驗(yàn)于1997年10月至2000年9月連續(xù)進(jìn)行.對土柱編碼,對照土柱(CK)不施氮肥;施氮處理(NF)土柱施用氮肥,水平為240kg/hm2,相當(dāng)于北京地區(qū)常規(guī)施氮量(表2).兩土柱的其它管理相同,1997年10月5日播種冬小麥“農(nóng)大101”、1998年6月21日播種夏玉米“白糯3號”;1998年10月5日播種“農(nóng)大518”、1999年6月13日播種夏玉米“農(nóng)大80”;1999年10月8日播種冬小麥“農(nóng)大5761”,2000年6月18日播種夏玉米“農(nóng)大80”.冬小麥種植密度按基本苗104?株/hm2,苗穗數(shù)為104?株/hm2左右折算種植.夏玉米種植密度按65000株/hm2折算種植.磷鉀肥作為基肥施入,保證作物生長需要.水分灌溉情況如下,1998度冬小麥播種前灌水50mm,施拔節(jié)肥后灌水40mm.1999度冬小麥播前灌水75mm,施拔節(jié)肥后灌水75mm,夏玉米生長期間于1999年6月29日和7月29日分別灌水40mm和60mm.2000度2000年4月7日冬小麥追肥后灌水75mm,5月12日灌水75mm,夏玉米播前灌水75mm.1.2.2土壤溶液含量測定在降雨或灌溉之后幾小時(shí)內(nèi),抽壓到大約-8.106×106?Pa,12h后收取土壤溶液.定期收集土柱底部滲出液,測定滲出液體積,并以兩土柱滲出液量的平均值為時(shí)段滲出液體量.水樣送回試驗(yàn)室冷藏保存,采用美國Dohrmamn公司生產(chǎn)的DN-1900測氮分析儀測定NO-3-N濃度.2結(jié)果和討論2.1no-3-n濃度測定結(jié)果與分析施氮土柱對土土壤剖面中NO-3的存在和水分的垂向運(yùn)動是影響土壤溶液NO-3-N濃度分布的兩個(gè)主要因子,氮肥施用和降雨(灌溉)分別增加土壤剖面中NO-3和水分含量,它們共同影響土壤中NO-3-N的遷移和累積.1998—2000年對照與施氮土柱剖面的土壤溶液NO-3-N濃度動態(tài)過程(圖1)表明,通過提取土壤溶液獲取的土壤溶液NO-3-N濃度數(shù)據(jù)大都集中在夏玉米季,施氮土柱剖面NO-3-N濃度高于對照土柱.由于背景肥力高,1998年的對照和施氮處理剖面NO-3-N濃度都比較高.1999年施氮土柱夏玉米十葉期未追肥,NO-3-N濃度明顯低于2000年同期施氮處理.2000年三葉期追肥后有較強(qiáng)的降雨,剖面NO-3-N濃度峰值很明顯;而1999年夏玉米三葉期追肥后降雨強(qiáng)度低,加上十葉期沒有追肥,剖面未出現(xiàn)追肥后NO-3-N濃度峰值移動的現(xiàn)象.2000年三葉期和十葉期追肥后土柱剖面存在NO-3-N的“波浪式”移動現(xiàn)象,但后者較弱,主要是十葉期追肥后很長時(shí)間才出現(xiàn)較大的降雨,延遲了NO-3的淋溶而造成的(圖1(b)).2000年夏玉米季兩次追肥后,土壤NO-3-N濃度的變化表明在施氮和降雨的作用下,從表層到100cm土體NO-3的淋溶活躍.2.2土柱底部出流特征一般地,灌溉和降水對硝態(tài)氮的淋失作用是一致的,但本試驗(yàn)采用直接倒灌,未見灌溉與土柱底部出流之間存在直接的聯(lián)系(1999年4月7日冬小麥追肥澆水和7月29日夏玉米澆水后第二天土柱底部有出流現(xiàn)象).可能是倒灌導(dǎo)致土壤孔隙空氣不能排出,同時(shí)灌溉多在久旱蒸發(fā)量大的時(shí)期,土壤剖面淺層水分的蒸散強(qiáng)烈阻礙了水分的迅速下滲.因此,下面主要討論降雨與土柱底部滲漏出流和硝態(tài)氮淋溶的關(guān)系.不同年份的降雨有不同的特點(diǎn),土柱底部滲漏出流也表現(xiàn)出相應(yīng)的規(guī)律(圖2).首先,從年降雨量和滲漏量看,豐水年,土柱底部滲出液多;反之,滲出液少.1998年3月—9月降雨589.3mm,屬正常降雨年分,土柱滲出液體積為86.8mm;1999年4月—9月降雨332mm(3月份降雨極少,未計(jì)入);2000年3月—9月份降雨441.2mm,1999年和2000年降雨偏少,這兩年滲出液體積分別為16.6mm和7.2mm(表3).CK:對照處理(土柱);NF:施氮處理(土柱).其次,年內(nèi)降雨分布不均勻,土柱底部的出流基本上發(fā)生在降雨集中的月份.1998年降雨主要集中在6月底和7月,分別為182.5mm和286.4mm;該年度土柱水分滲漏出流發(fā)生在玉米季,主要在7月份,達(dá)85.8mm.1999年降雨比較均勻地分散在4—9月份.該年度土柱底部滲漏強(qiáng)度弱但時(shí)間跨度長.冬小麥越冬期間土柱底部存在滲漏出流現(xiàn)象,滲出液體積達(dá)7.2mm,占全年滲出液的43%;這不全是4月7日澆水造成的,試驗(yàn)土壤持水能力較大(表1),1998年夏季降雨可使深層土壤保持較高的含水量,以及1998年10月19日降雨(圖1未標(biāo)出)和播前灌水都可促成冬小麥越冬期水分滲漏.2000年降雨主要集中在7、8月份,分別為134和197mm.該年度滲漏出流發(fā)生時(shí)間較晚,第一次出流發(fā)生在6月29日降雨23.4mm之后.本年度滲漏出流持續(xù)時(shí)間短,集中在降雨較多的7、8月,分別為3.1、4.1mm.2.3土柱滲漏液no-3-n的變化以每次取樣測定的NO-3-N濃度作為該時(shí)段各土柱滲出液NO-3-N的平均濃度,1998—2000年土柱底部滲出液NO-3-N濃度變化如圖3;以各土柱底部滲出液體積為權(quán)重,求得土柱滲漏液年均NO-3-N濃度如表3.1998—2000年土柱滲出液的NO-3-N平均濃度,對照處理為35.0mg/L,常量施氮土柱為55.6mg/L.在不施肥情形下,仍存在NO-3-N的淋失和滲出液NO-3-N濃度回升現(xiàn)象.施氮土柱滲出液NO-3-N濃度高于對照處理;施氮增加了剖面土壤溶液NO-3-N濃度,也增大了NO-3-N淋失的風(fēng)險(xiǎn)性.2.3.1試驗(yàn)前土壤背景階段滲透液的影響1998年夏玉米季滲出液NO-3-N濃度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,第一次滲出液NO-3-N平均濃度為62.9mg/L,最后一次為14.7mg/L,始終高于10mg/L,這是因?yàn)槎←溤囼?yàn)前土壤長期施用氮肥使土體殘留了一定的無機(jī)氮,但主要是過量施加有機(jī)肥使土體有機(jī)氮儲量較為豐富,有機(jī)質(zhì)礦化分解形成NO-3發(fā)生淋溶的緣故.試驗(yàn)前土壤背景肥力的影響在1999年冬小麥越冬期仍有所表現(xiàn),整個(gè)越冬期滲出液NO-3-N濃度平均為13.9mg/L,以后下降到6mg/L以下;至7月夏玉米季又回升到7mg/L以上,該年度最后一次出流液NO-3-N濃度達(dá)9mg/L.2000年度夏玉米季,滲出液NO-3-N平均濃度,第一次高達(dá)24.9mg/L,其余的都低于20mg/L,但都大于10mg/L,比1999年都高.這一現(xiàn)象的形成原因,除了土壤有機(jī)氮礦化或干濕沉降外,是否還有其它因素的作用,有待進(jìn)一步的觀測和分析.2.3.2no-3-n濃度的變化考慮到土壤背景肥力高,1998年冬小麥?zhǔn)┓仕綖?50kg(N)/hm2,夏玉米沒有施氮肥,由于作物的吸收,滲出液NO-3-N濃度明顯下降,從三葉期的80.4mg/L下降到玉米成孰期的29.8mg/L,但是,滲出液NO-3-N濃度仍然多在40mg/L以上.1999年6月前的滲出液NO-3-N濃度較為均勻,在32—38mg/L之間.冬小麥生長后期,滲出液NO-3-N濃度下降至20mg/L左右;夏玉米季三葉期追肥后,上升到27mg/L.隨后,十葉期沒有追肥,NO-3-N濃度顯著下降,接近10mg/L,與前面分析的土壤剖面未出現(xiàn)NO-3-N濃度峰值移動的現(xiàn)象一致.2000年施氮水平為240kg(N)/hm2,全年施肥達(dá)480kg/hm2.土柱底部第一次滲漏出流是在夏玉米的三葉期追肥前后,NO-3-N濃度高達(dá)84.4mg/L,這應(yīng)該是三葉期追肥和冬小麥季土體殘留NO-3-共同作用的結(jié)果;8月份,滲出液NO-3-N濃度都在40mg/L以上,變幅不大,但都高于1999年同期水平,說明十葉期追肥對滲出液NO-3-N濃度的影響是很顯著的.2.4施氮土柱的淋失量土壤背景肥力高,NO-3-N的淋失也強(qiáng).1998年對照處理NO-3-N淋失量高達(dá)36kg/hm2,隨后兩年,土壤肥力下降,NO-3-N的淋失也減弱.施氮對NO-3-N淋失量的影響非常顯著,施氮土柱每階段NO-3-N淋失量都大于對照土柱(圖4),其年淋失累積量也大于對照(表3).同時(shí),1998年對照土柱冬小麥籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和總生物產(chǎn)量分別為4800、600、10800kg/hm2,施肥土柱冬小麥籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和總生物產(chǎn)量分別為4819、6970、11789kg/hm2,施氮沒有明顯的增產(chǎn)效果,因此,當(dāng)供試土壤含氮量很高時(shí),可能增大施入氮肥在土壤剖面的累積和淋失.1999年度滲出液NO-3-N濃度小于2000年度,但兩年的滲出液量相反,1999年NO-3-N淋失反而大于2000年度.如果滲出液量和NO-3-N濃度都高,則NO-3-N的淋失也就越多,1998年施肥土柱NO-3-N淋失高達(dá)50.7kg/hm2,在三年中最多.從1998—2000年,NO-3-N淋失通量,對照處理為1.3g?/(m2·a),常量施氮土柱為2.0g/(m2·a).將施氮土柱與對照土柱的NO-3-N淋失量差值作為氮肥的表觀淋失量,三年的氮肥表觀淋失量分別為1.5g/m2、0.31g/m2、0.26g/m2,氮肥的表觀淋失百分?jǐn)?shù)分別為10%、0.86%、0.54%.年際之間,氮肥的表觀淋失量和表觀淋失百分?jǐn)?shù)變化大,主要與年降雨有關(guān).除了降雨量的原因,與選擇地表以下1m或2m作為NO-3-N的淋失界面也有很大關(guān)系,因?yàn)樵?m以上水分垂直運(yùn)動較為強(qiáng)烈,土體NO-3的遷移淋溶比1m以下更為活躍;1m深處土壤導(dǎo)水率很小,對減弱土壤水分與NO-3的遷移淋失也有一定的作用.3-3-n的淋失損失1)在華北地區(qū)冬小麥—夏玉米連作條件下,降雨對NO-3-N淋失的影響首先反映在水分滲漏和NO-3-N淋失量的年際差別上;其