北京地区冬小麦夏玉米轮作中的氮淋失

北京地区冬小麦夏玉米轮作中的氮淋失

no-3-n的氮侵蚀不仅降低了肥料的利用率，而且还可能导致地表水和地下水的污染，这可能会影响水生生态环境。在过去的20年里，中国越来越重视对耕地氮侵蚀的研究，开展了大量工作。这些工作包括对no-3-n侵蚀环境的评估，土壤中氮和养分含量的计算，以及对水和氮结合的运移模拟。关于氮素侵蚀的研究通常采用干扰土壤样本的静态模拟，并在相对平坦的区域（约1m）下模拟短段。以前，关于北方干旱地区氮素侵蚀的研究很少，尤其是长期观测试验，对no-3-n的渗透规律了解不多。农田氮肥的使用及其渗漏损失有其地域的特点,土壤特性、气候因子、作物种植制度、水肥管理等因素相互作用,形成了区域农田NO-3-N的淋失特征.我国华北地区冬小麦-夏玉米轮作已经非常普遍,氮肥的投入越来越高,但是,高氮的投入,并未取得增产效应.过量施用氮肥可能造成NO-3-N的淋失,因此,从1998年—2000年,利用土壤溶液提取器,对北京地区典型轮作制度(冬小麦-夏玉米)和管理措施下的0—2m土体NO-3-N浓度动态进行了研究;同时,为了讨论方便,假定地下水位为2m,采用大型原状土柱原位测定了上述典型农作条件下2m深处的NO-3-N淋失量.目的是通过长期定位的观测试验,确定该地区降雨特征、土壤特性、施肥、作物轮作与NO-3-N淋溶迁移的关系,为协调区域农业持续发展和水资源保护,建立最佳水肥管理措施提供依据.1材料和方法1.1气候、土壤条件试验地位于中国农大科学园水氮渗漏试验区,地处东经116.3度,北纬39.95度.为暖温带半湿润大陆季风气候区,年均气温11.5℃,年平均降水量为640mm左右,70%—80%的降雨集中在夏季.地貌属华北平原山前冲积平原区,地下水深约14m.土壤类型为壤质夹粘草甸褐土,粘土层出现在65—140cm,100cm左右深处土壤饱和导水率低;试验土壤肥力高,如表1.1.2大型原状土柱试验1.2.1施氮水处理nf和地面施氮土柱试验装置是1997年完成的.两个大型有机玻璃筒,内径0.48m,有效高度2m,埋置在科学园区冬小麦-夏玉米种植区2.5m深的地下坑内,上端与地面齐平.筒内为取自该种植区的原状圆型土芯,土芯直径0.48m,高2m.土芯与圆筒内壁紧密接触.下端有滤液出口,与收集滤液的塑料瓶密封连接.利用土壤溶液提取系统收集土壤溶液.1997年10月分别在两土柱的50、100、190cm深处安装了陶土头,1999年4月初又重新在土柱剖面20、40、60、80、100、140、190cm处安装了陶土头,以加强对土壤水分和养分淋溶渗漏的观测.本试验于1997年10月至2000年9月连续进行.对土柱编码,对照土柱(CK)不施氮肥;施氮处理(NF)土柱施用氮肥,水平为240kg/hm2,相当于北京地区常规施氮量(表2).两土柱的其它管理相同,1997年10月5日播种冬小麦“农大101”、1998年6月21日播种夏玉米“白糯3号”;1998年10月5日播种“农大518”、1999年6月13日播种夏玉米“农大80”;1999年10月8日播种冬小麦“农大5761”,2000年6月18日播种夏玉米“农大80”.冬小麦种植密度按基本苗104?株/hm2,苗穗数为104?株/hm2左右折算种植.夏玉米种植密度按65000株/hm2折算种植.磷钾肥作为基肥施入,保证作物生长需要.水分灌溉情况如下,1998度冬小麦播种前灌水50mm,施拔节肥后灌水40mm.1999度冬小麦播前灌水75mm,施拔节肥后灌水75mm,夏玉米生长期间于1999年6月29日和7月29日分别灌水40mm和60mm.2000度2000年4月7日冬小麦追肥后灌水75mm,5月12日灌水75mm,夏玉米播前灌水75mm.1.2.2土壤溶液含量测定在降雨或灌溉之后几小时内,抽压到大约-8.106×106?Pa,12h后收取土壤溶液.定期收集土柱底部渗出液,测定渗出液体积,并以两土柱渗出液量的平均值为时段渗出液体量.水样送回试验室冷藏保存,采用美国Dohrmamn公司生产的DN-1900测氮分析仪测定NO-3-N浓度.2结果和讨论2.1no-3-n浓度测定结果与分析施氮土柱对土土壤剖面中NO-3的存在和水分的垂向运动是影响土壤溶液NO-3-N浓度分布的两个主要因子,氮肥施用和降雨(灌溉)分别增加土壤剖面中NO-3和水分含量,它们共同影响土壤中NO-3-N的迁移和累积.1998—2000年对照与施氮土柱剖面的土壤溶液NO-3-N浓度动态过程(图1)表明,通过提取土壤溶液获取的土壤溶液NO-3-N浓度数据大都集中在夏玉米季,施氮土柱剖面NO-3-N浓度高于对照土柱.由于背景肥力高,1998年的对照和施氮处理剖面NO-3-N浓度都比较高.1999年施氮土柱夏玉米十叶期未追肥,NO-3-N浓度明显低于2000年同期施氮处理.2000年三叶期追肥后有较强的降雨,剖面NO-3-N浓度峰值很明显;而1999年夏玉米三叶期追肥后降雨强度低,加上十叶期没有追肥,剖面未出现追肥后NO-3-N浓度峰值移动的现象.2000年三叶期和十叶期追肥后土柱剖面存在NO-3-N的“波浪式”移动现象,但后者较弱,主要是十叶期追肥后很长时间才出现较大的降雨,延迟了NO-3的淋溶而造成的(图1(b)).2000年夏玉米季两次追肥后,土壤NO-3-N浓度的变化表明在施氮和降雨的作用下,从表层到100cm土体NO-3的淋溶活跃.2.2土柱底部出流特征一般地,灌溉和降水对硝态氮的淋失作用是一致的,但本试验采用直接倒灌,未见灌溉与土柱底部出流之间存在直接的联系(1999年4月7日冬小麦追肥浇水和7月29日夏玉米浇水后第二天土柱底部有出流现象).可能是倒灌导致土壤孔隙空气不能排出,同时灌溉多在久旱蒸发量大的时期,土壤剖面浅层水分的蒸散强烈阻碍了水分的迅速下渗.因此,下面主要讨论降雨与土柱底部渗漏出流和硝态氮淋溶的关系.不同年份的降雨有不同的特点,土柱底部渗漏出流也表现出相应的规律(图2).首先,从年降雨量和渗漏量看,丰水年,土柱底部渗出液多;反之,渗出液少.1998年3月—9月降雨589.3mm,属正常降雨年分,土柱渗出液体积为86.8mm;1999年4月—9月降雨332mm(3月份降雨极少,未计入);2000年3月—9月份降雨441.2mm,1999年和2000年降雨偏少,这两年渗出液体积分别为16.6mm和7.2mm(表3).CK:对照处理(土柱);NF:施氮处理(土柱).其次,年内降雨分布不均匀,土柱底部的出流基本上发生在降雨集中的月份.1998年降雨主要集中在6月底和7月,分别为182.5mm和286.4mm;该年度土柱水分渗漏出流发生在玉米季,主要在7月份,达85.8mm.1999年降雨比较均匀地分散在4—9月份.该年度土柱底部渗漏强度弱但时间跨度长.冬小麦越冬期间土柱底部存在渗漏出流现象,渗出液体积达7.2mm,占全年渗出液的43%;这不全是4月7日浇水造成的,试验土壤持水能力较大(表1),1998年夏季降雨可使深层土壤保持较高的含水量,以及1998年10月19日降雨(图1未标出)和播前灌水都可促成冬小麦越冬期水分渗漏.2000年降雨主要集中在7、8月份,分别为134和197mm.该年度渗漏出流发生时间较晚,第一次出流发生在6月29日降雨23.4mm之后.本年度渗漏出流持续时间短,集中在降雨较多的7、8月,分别为3.1、4.1mm.2.3土柱渗漏液no-3-n的变化以每次取样测定的NO-3-N浓度作为该时段各土柱渗出液NO-3-N的平均浓度,1998—2000年土柱底部渗出液NO-3-N浓度变化如图3;以各土柱底部渗出液体积为权重,求得土柱渗漏液年均NO-3-N浓度如表3.1998—2000年土柱渗出液的NO-3-N平均浓度,对照处理为35.0mg/L,常量施氮土柱为55.6mg/L.在不施肥情形下,仍存在NO-3-N的淋失和渗出液NO-3-N浓度回升现象.施氮土柱渗出液NO-3-N浓度高于对照处理;施氮增加了剖面土壤溶液NO-3-N浓度,也增大了NO-3-N淋失的风险性.2.3.1试验前土壤背景阶段渗透液的影响1998年夏玉米季渗出液NO-3-N浓度呈现明显的下降趋势,第一次渗出液NO-3-N平均浓度为62.9mg/L,最后一次为14.7mg/L,始终高于10mg/L,这是因为冬小麦试验前土壤长期施用氮肥使土体残留了一定的无机氮,但主要是过量施加有机肥使土体有机氮储量较为丰富,有机质矿化分解形成NO-3发生淋溶的缘故.试验前土壤背景肥力的影响在1999年冬小麦越冬期仍有所表现,整个越冬期渗出液NO-3-N浓度平均为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,该年度最后一次出流液NO-3-N浓度达9mg/L.2000年度夏玉米季,渗出液NO-3-N平均浓度,第一次高达24.9mg/L,其余的都低于20mg/L,但都大于10mg/L,比1999年都高.这一现象的形成原因,除了土壤有机氮矿化或干湿沉降外,是否还有其它因素的作用,有待进一步的观测和分析.2.3.2no-3-n浓度的变化考虑到土壤背景肥力高,1998年冬小麦施肥水平为150kg(N)/hm2,夏玉米没有施氮肥,由于作物的吸收,渗出液NO-3-N浓度明显下降,从三叶期的80.4mg/L下降到玉米成孰期的29.8mg/L,但是,渗出液NO-3-N浓度仍然多在40mg/L以上.1999年6月前的渗出液NO-3-N浓度较为均匀,在32—38mg/L之间.冬小麦生长后期,渗出液NO-3-N浓度下降至20mg/L左右;夏玉米季三叶期追肥后,上升到27mg/L.随后,十叶期没有追肥,NO-3-N浓度显著下降,接近10mg/L,与前面分析的土壤剖面未出现NO-3-N浓度峰值移动的现象一致.2000年施氮水平为240kg(N)/hm2,全年施肥达480kg/hm2.土柱底部第一次渗漏出流是在夏玉米的三叶期追肥前后,NO-3-N浓度高达84.4mg/L,这应该是三叶期追肥和冬小麦季土体残留NO-3-共同作用的结果;8月份,渗出液NO-3-N浓度都在40mg/L以上,变幅不大,但都高于1999年同期水平,说明十叶期追肥对渗出液NO-3-N浓度的影响是很显著的.2.4施氮土柱的淋失量土壤背景肥力高,NO-3-N的淋失也强.1998年对照处理NO-3-N淋失量高达36kg/hm2,随后两年,土壤肥力下降,NO-3-N的淋失也减弱.施氮对NO-3-N淋失量的影响非常显著,施氮土柱每阶段NO-3-N淋失量都大于对照土柱(图4),其年淋失累积量也大于对照(表3).同时,1998年对照土柱冬小麦籽粒产量、秸秆产量和总生物产量分别为4800、600、10800kg/hm2,施肥土柱冬小麦籽粒产量、秸秆产量和总生物产量分别为4819、6970、11789kg/hm2,施氮没有明显的增产效果,因此,当供试土壤含氮量很高时,可能增大施入氮肥在土壤剖面的累积和淋失.1999年度渗出液NO-3-N浓度小于2000年度,但两年的渗出液量相反,1999年NO-3-N淋失反而大于2000年度.如果渗出液量和NO-3-N浓度都高,则NO-3-N的淋失也就越多,1998年施肥土柱NO-3-N淋失高达50.7kg/hm2,在三年中最多.从1998—2000年,NO-3-N淋失通量,对照处理为1.3g?/(m2·a),常量施氮土柱为2.0g/(m2·a).将施氮土柱与对照土柱的NO-3-N淋失量差值作为氮肥的表观淋失量,三年的氮肥表观淋失量分别为1.5g/m2、0.31g/m2、0.26g/m2,氮肥的表观淋失百分数分别为10%、0.86%、0.54%.年际之间,氮肥的表观淋失量和表观淋失百分数变化大,主要与年降雨有关.除了降雨量的原因,与选择地表以下1m或2m作为NO-3-N的淋失界面也有很大关系,因为在1m以上水分垂直运动较为强烈,土体NO-3的迁移淋溶比1m以下更为活跃;1m深处土壤导水率很小,对减弱土壤水分与NO-3的迁移淋失也有一定的作用.3-3-n的淋失损失1)在华北地区冬小麦—夏玉米连作条件下,降雨对NO-3-N淋失的影响首先反映在水分渗漏和NO-3-N淋失量的年际差别上;其