铵态氮的运移规律

土壤中铵态氮的运移摘要：随着农业的发展氮素化肥的使用量越来越大，然而由于施肥方法或管理不当，不仅导致氮素损失而且造成了环境污染。氮素化肥施入土壤中主要分解为铵态氮，铵态氮的去向主要有氨挥发、硝化、淋失、土壤吸附、植物吸收等。在此，对国内外氮素运移及转化机理与模型研究的现状做了介绍，并简单讨论了铵态氮在土壤中的运移及转化。关键词：铵态氮、运移规律、转化机理、研究现状前言：氮素是作物生长所必需的大量营养元素之一，也是旱地土壤最为缺乏的营养元素。土壤中氮素的丰缺及供给状况直接影响着农作物的生长水平。为提高土壤的氮素水平，人们在农业生产中广泛使用大量的氮素化肥。目前中国已成为世界上氮肥年用量最多的国家之一，单位面积的使用了也高于世界平均水平。然而，由于施肥方法或农业管理措施不当，导致氮素损失加剧，严重影响了氮肥利用率，中国氮肥利用率仅为30%-50%。氮肥施入土壤后主要形成铵态氮（NH4+-N），这些铵态氮（NH4+-N）除了部分发生氨挥发、生物吸收和土壤吸附等作用被消耗和滞留外，还有相当部分发生硝化作用形成硝态氮随载体淋滤进入深部，由此引发土壤和地下水氮污染。近几十年来的监测结果显示，地下水硝酸盐的浓度正在逐年增加。对于氮素污染问题的研究，已在国际上引起广泛重视，氮素在土壤中的运移及转化行为，也已成为国内外环境科学和土壤科学研究的热点问题。一、国外氮素运移、转化规律及模型研究现状。1.1溶质运移理论的研究进展。对氮素运移、转化规律的研究是随着土壤溶质运移理论研究的不断深入而发展起来的，国外对土壤溶质运移问题的研究，已有五十年的历史。20世纪50年代初，Lapidus和Amundson提出了一个类似于对流-弥散方程（CDE）的模拟模型，从此揭开了溶质运移研究的序幕。随后，为了搞清溶质运移的客观规律，国外学者开展了大量的室内外试验。如美国的Jury教授（1971）在砂土中拌盐用灌水入渗淋溶试验观测溶质在均质土壤中的迁移规律；澳大利亚的Ross（1971）在室内一维土柱上进行了溶质运移的试验研究，并测了穿透曲线；美国VanGenuchten教授，在进行了一系列室内土柱试验后，系统地论述了室内土柱试验的初边值条件等问题；Bevel和Germane（1982）对土壤中的优势流进行了研究，结果表明，优势流是土壤中普遍存在的现象，他的存在降低了水和养分的可利用性，同时，由于它同土壤基质接触面积小，使得许多污染物来不及降解就开始向下运移，从而增加地下水污染；美国的Ellsworth（1996）在露天试验场进行了2mX2m的微区试验，研究了NO3-随水流在非饱和土壤中的运移规律等。国外对土壤NO3--N淋失已进行了较长时间的研究，在土壤硝化作用、NO3-N淋失条件、NO3--N移动力学与数学模型以及NO3-N淋失的防治和对策等方面都进行了系统的研究。为了定量描述溶质运移规律，国外许多学者提出了溶质运移的定量计算模型，总体上可分为确定性模型和随机模型。早期的研究多采用以CDE为控制方程的确定性模型来模拟土壤中的溶质运移，且取得了不少成果（如Warriek等，1971；Bresler，1973；Tarry，1988）。对于CDE求解的关键参数的确定，国外学者也提出了各自的方法，如美国的Wagne（1986）提出了溶质运移参数的估计方法，以色列Bresler（1987）提出用极大拟然法进行溶质运移参数估计，日本的Yamaguchi（1989）提出用穿透曲线估计水动力弥散系数的方法等。后来，随着随机理论的发展，开始用随机过程的方程来研究溶质运移的数量特征，Jury（1982）提出了模拟非饱和土体溶质运移过程的随机传递函数模型（transferfunctionmodel，TFM），该模型对土壤溶质运移的机理没有任何限制，通过研究溶质从土壤表面运移到土壤某一深度所需时间的概率分布，来推求溶质平均浓度与时间和土壤深度的关系，并以此来模拟溶质在土壤中的运移。对TFM进行简化，提出采用研究入渗条件下土壤盐分的对流运移的传递函数修正模型。此外，研究土壤中溶质运移的随机方法还采用蒙特卡洛方法，谱分析法，矩分析法等。1.2氮素运移模型及软件的开发研究。在过去的几十年里，国外研究工作者建立了大量的模拟土壤中水分和氮素行为的联合模型，如美国盐土实验室开发的用于模拟非饱和介质中一维水分、热和溶质运移过程的HydrusTD水氮联合模型；美国康乃尔大学研究开发的LEACHM(LeachingEstimationAndChemistryModel)数学模型，能够描述土壤中水分、氮素及农药迁移转化的物理化学过程，对土壤水中的氮素运移，LEACHM模型采用对流-扩散方程解；美国国家盐土实验室开发的模拟饱和-非饱和介质中水分和溶质迁移的二维数值模SWMS-2D等。此外，还有模拟氮素在土壤中运移、转化机理的DRAINMOD模型、CREAMS模型等。但这些模型分别在不同的试验条件下提出，在模型构成和过程考虑上各有侧重，具有严格的适用范围和限定条件。软件开发方面，1991年，美国国家盐改中心的Kool和VanGenuchter教授共同研制了一维饱和流的溶质运移模拟软件：HYDRUSVersion3.31；1992年，美国衣阿华州大学P-Singh博士开发了根区水质模型软件：RZWQM(RootZoneWaterQualityModel)0国外针对土壤水分渗漏和氮素淋失的研究，也提出了很多模型，其中常见的有简单的平衡模型，比较复杂的动力学模型等。二、国内氮素运移、转化机理及模型研究现状。2.1国内氮素运移、转化理论研究现状国内有关氮素运移、转化规律的研究开始于20世纪70年代，早期的研究主要集中在氮素去向及有效利用率研究，如周祖澄等(1982)用15N示踪、盆栽法及微区法研究了固体氮肥施入旱田的去向。近年来，注意到国外溶质运移研究的动向，国内土壤物理学者及农学者开展了一些室内、室外的溶质运移试验研究。叶自桐、黄康乐(1987)分别对饱和-非饱和土壤溶质运移进行了试验研究及数值模拟；武晓峰等(1996)对冬小麦田间根层氮素迁移转化规律进行了研究；冯绍元等(1996)较系统地综述了农田氮素的转化与损失及其对水环境的影响等。此外，随着节水灌溉的普及，国内学者对节水灌溉条件下氮素运移规律进行了研究。冯绍元等(1997)研究表明，喷灌条件下不同深度土层中硝态氮含量与施肥量呈正相关关系，但与灌水量的相关关系不明显。武晓峰等(1998)的研究也得出了以上结论。李久生等(2000)利用室内试验，对滴灌点源施肥灌溉条件下硝态氮和铵态氮的分布规律进行了研究，研究结果表明，硝态氮在距滴头一定范围内呈均匀分布，在湿润边界上硝态氮产生累积。王康、沈荣开(2002)对节水条件下氮素的环境影响效应进行了研究，建立了节水条件下土壤氮素损失和环境评价概念型模型。对土壤氮素、特别是硝态氮淋失的研究表明，土壤氮素的淋失量与土壤质地、耕作方式、氮肥类型、作物种类、生长密度、降雨以及地下水位都有很大的关系。刘春增等(1994)、李晓欣(1997)分别针对不同施肥处理对土壤中硝态氮累积的影响进行了研究。结果表明，长期大量且单一施用氮肥是导致土壤中NO3-N累积的重要原因。余贵芬(1997)利用渗漏池研究了在旱作小麦生育期内氮肥品种、用量对不同紫色土中NO3--N的移动和淋洗的影响。郭胜利等(1998)对黄土高原沟壑区不同施肥条件下土壤剖面中矿质氮的分布特征进行了研究，结果表明，长期不同施肥处理NH4+-N含量和分布保持相对稳定，但对NO3-N含量分布影响显著。李世清等(1998年)利用渗漏池法对降水、施肥量、氮肥品种、土层深度、休闲等对硝态氮淋失的影响进行了研究。陈清等(2000)研究了水分和氮素供应对露地秋菠菜的NO3-N累积的影响。赵允格等(2000)对不同施肥方法NO3--N的迁移深度进行了研究。郭大应等(2001)对灌溉土壤硝态氮运移与土壤湿度的关系进行了研究，结果表明灌溉土壤硝态氮的运移与土壤湿度有良好的相关关系。王少平等(2002)利用渗漏池对上海青紫泥土壤氮素淋溶及其对水环境影响进行了研究。2.2氮素运移、转化模型研究及应用现状。中国在该领域的研究还只处于野外和室内实验室测定，没有上升到独立建立机理模型的高度，也未见有大型的机理性的农业生态系统氮循环模拟模型发表。中国学者应用溶质运移理论和土壤水动力学原理，对土壤中氮素运移转化的动力学模式进行了研究。张瑜芳等（1994）以溶质运移理论为基础，建立了淹水稻田中氨态氮（NH4+-N）运移、转化的数学模型，并以室内土柱试验进行了验证。黄元仿等（1995）将土壤氮素、水和热运移联合研究，选用描述土壤溶质运移的对流-弥散模型，建立了田间条件下土壤氮素运移的数值模拟模型，并将土壤氮素转化和作物根系吸收也考虑在模型的源汇项中。冯绍元等（1995）采用二维饱和-非饱和土壤氮素转化运移模型进行了旱作大田排水条件下化肥流失计算，由于需要较小的时间步长，应用于长时间氮素流失计算，将耗费大量机时，尚有一定困难。武晓峰等（1996）在田间试验的基础上建立了土壤-作物系统中水分运动及不同形态氮素迁移转化的数学模型，模型考虑了有机氮的矿化、铵氮的硝化与挥发、硝态氮的反硝化以及土壤吸附、作物吸收等多种影响因素，利用一维溶质扩散-对流方程模拟了冬小麦生长期田间水分、铵氮、硝态氮含量及其分布的变化。刘培斌等（1999）建立并验证了排水条件下田间一维饱和-非饱和土壤中NH4+-N和NO3-N运移与转化的耦合模型，模型中考虑了有机质的矿化、氮素的吸附、硝化、反硝化、氨气挥发及作物根系吸氮等氮素转化作用过程，同时也考虑了土壤温度和湿度对氮素转化的影响。为了定量分析氮素在非饱和土壤中的运移与转化过程及其主要影响因素，沈荣开、杨诗秀（1988）考虑了对流、弥散、吸附、降解和硝化作用，对氮素在非饱和土壤中的运移进行了探讨，建立并验证了一个排水条件下田间一维饱和一非饱和土壤中NH4+-N和NO3-N运移与转化的耦合模型，模型中考虑了有机质矿化、氮素吸附、硝化、反硝化、氮气挥发及作物根系吸氮等作用过程。冯绍元等（1996）在室内试验的基础上，根据土壤水动力学原理，运用多孔介质中溶质运移理论，对一维非饱和土壤中氮素运移与转化过程进行了数值模拟，并初步分析和探讨了非饱和土壤中NH4+-N运移与转化过程的主要影响因素。崔剑波等（1997）运用随机过程马尔可夫过程（MarkovProcess）的理论，对田间非饱和流条件下土壤硝态氮运移进行了模拟，并用微区试验对该模型运行效果进行了验证。在模型应用研究方面，曹巧红等将Hydrus-1D水氮联合模型用于模拟非饱和介质中一维水分、热和溶质运移过程，取得了较好的效果。张思聪等在长期田间试验的基础上，应用LEACHM数学模型，对灌溉施肥条件下氮素在土壤中的迁移转化，尤其是对根区以下硝态氮的渗漏损失及其影响因素进行了分析研究。杜恩昊等对SWMS-2D模型进行了初步研究和验证，结果表明，由于田间土壤结构的巨大空间变异性，以及模型输入参数的相对均一性，该模型在对田间土壤各空间点的硝态氮含量在特定时间点的模拟无法做到非常精确。叶自桐（1990）对传输函数模型（TFM）进行了简化。任理等（2000）运用TFM对灌溉入渗一重分布条件下非饱和土壤中硝态氮的运移进行了数学模拟，获得了实验条件下土壤中硝态氮迁移时间的概率密度函数和中值与均值迁移时间及运移体积分数，仿真了实验期间硝态氮的出流浓度动态，估算了硝态氮的累积淋洗量。对于氮素行为大尺度的研究，国内学者也进行了一些尝试。黄元仿等（2001）尝试将土壤水、热、氮联合模拟模型与地理信息系统（GIS）相结合，应用于区域农田土壤水、氮素行为的模拟计算，但他们的研究只是初步的，还局限于探索过程模型与GIS相结合来研究区域问题的方法论，对GIS也仅仅用到了其图形处理功能。三、氨挥发机理与影响因素及模型研究现状氨挥发是氮肥气态损失的重要途径。研究表明，我国北方潮土上种植的水稻、玉米和小麦施肥后的氨挥发损失率分别为30%-39%、11%-48%和1%-20%。尿素表施方式下的氨挥发损失率最高达46%，在欧洲施肥（动物肥和无机肥）过程中的氨挥发量占氨气总排放量的90%。李慧琳等指出太湖地区水稻生育期施用普通尿素的氨挥发损失达施入氮量的29%-35%；焦平金等研究发现，反硝化和氨挥发在苜蓿作物生长条件下污灌土地处理系统中占氮素损失的85%以上。进入大气中的氨可随降水或干沉降重新进入农田和自然生态系统，引起自然土壤和水体氮素富营养化、土壤酸化，甚至导致植物种类更替和部分物种灭绝。3.1不同施肥土壤对氨挥发的影响影响氨挥发的土壤特性主要有：有机质、CEC、粘粒、pH、CaCO3和全盐量，前三者与挥发负相关，后三者正相关。通过对挥发量与各土壤特性相关分析表明，与有机质达到极显著相关(-0.847)，与pH相关系数为0.625。由于有机质在分解过程中，产生大量有机酸和形成腐殖质，使土壤pH值下降并增大土壤的吸附能力,而使它具有显著的抑制氨挥发作用。段争虎等通过对不同土壤统计分析认为，在土壤特性当中，由于CEC、粘粒含量、CaCO3含量几乎人工无法改变，提高有机质是降低氨挥发唯一有效途径。长期采用不同施肥方式处理土壤,使土壤肥力和土壤理化性质相差较大，即使在施用等量的尿素条件下,不同处理土壤的氨挥发损失出现明显差异。长期施用尿素土壤能够促进氮肥的转化，缩短氨挥发时间3〜4d,显著降低氨挥发损失量；磷肥配合氮肥施用土壤,也能明显减少尿素氨挥发；而NPK配合施用土壤NP配合施用土壤的肥料氨挥发略有增加。3.2氨挥发模型研究现状由于氨挥发作用在氮素转化中所占比例较大，研究氨挥发机理和转化模式对于田间氮素循环的分析具有重要意义。国外建立了各种不同类型的模型计算氨挥发，如Logistic经验模型、ALFAM经验模型、PLOCHL经验模型/Wu和Beuning分别建立的氨挥发机理模型等。国内氮素模型单独考虑氨挥发较少，处理较为粗略，较多的采用动力反应方程计算。目前经验模型种类较多，但每种模型适用条件十分有限；机理模型需要测量