农业化肥氮肥的大量施用在增加农作物产量的同时,也引起了地下水的硝态氮污染问题。目前, 世界上很多国家都发现农业区的地下水中常含有过量的硝态氮(
NO-3-N),这表明,农业的 发展在一定程度上已引起了农业环境的污染。地下水是很多国家主要的供水水源之一,它的污染势 必造成对人类健康的危害。国际卫生组织规定,饮用水中NO-3-N的含量不能超过10mg/ L。随着越来越多的资料显示地下水中硝态氮(NO-3-N)含量超标,氮肥对地下水的污染问 题亦愈来愈引起了人们的关注。氮肥施加到土壤中后,经历许多复杂的物理、化学、生物过程,最 终是保留在根作区为作物所利用,还是淋移到根作区以下形成污染潜势,受许多因素如灌水(
降水 )量、灌水(降水)时间、耕作方式、施肥方式、肥料类型、地下水埋深、土壤质地等影响。对特 定农业区域采用最优的田间管理措施,可使氮肥对地下水的污染潜势控制到最小。为达到这一目标 ,研究者们进行了大量的研究,从农业耕作措施、
氮肥管理、水管理等田间管理措施对土壤硝态氮 迁移影响的研究现状着手进行综述,并指出研究中存在的问题与发展趋势。1 耕作措施对硝态氮 迁移的影响80年代以来,许多国家开始推广减少耕作或免耕的耕作措施。这种耕作措施的兴起主 要源于人们认为它可减少地表径流及其所引起的土壤侵蚀,同时增加灌水(降水)在土壤中的蓄存 量,改善土壤结构,并提高土壤的生产率。但从农业环境的角度来看,人们又担心更多的入渗水量 会将土壤中大量的氮素淋移到根区以下,对地下水形成污染潜势。在免耕和传统耕作区都发现了不 同程度NO-3-N污染的地下水,于是研究者在耕作(免耕及传统耕作)对土壤中NO-3-N 运移的影响方面开展了大量工作,但不同的研究者在各自特定的条件下得出的结论有所不同。Ka nwar和Baker(1988)<1>一次将175kgN/hm2施入田间,然后连续3年 收集122cm深度处的排水。结果表明,第1年耕作对NO-3淋移无影响,而后2年明显表现 为免耕土壤排水中NO-3浓度比传统耕作下排水中NO-3-N浓度低,但免耕土壤中由于大孔 隙的形成,排水总量要比传统耕作的多,这就造成免耕区排水中总的NO-3-N淋失量多。此外 ,传统耕作上部土层中的大孔隙大多在耕作时被破坏,矿化速率高,于是更多的NO-3-N积累 在上部土层中,而在免耕体系中,整个土壤剖面中大孔隙易于形成,且上下连通,土壤中27残留 的NO-3-N量与传统耕作体系相比较少<2>。Shipitalo<3>认为在免耕条件下 ,溶质主要通过大孔隙随水流动,而传统耕作体系中,溶质与水通过土壤介质进行缓慢的移动,所 以在生长季节初期,免耕系统中,NO-3-N淋失量多。虽然溶质在这2种耕作土壤中的运移机 理不同,但随着时间的延续,NO-3-N的淋失总量并没有显著差异。同时作者指出,传统耕作 使NO-3-N在土壤中存留时间延长,若土壤中种有作物,则有利于作物吸收利用及进行反硝化 ,从而使免耕系统中淋失的NO-3-N量多。此外还有一些学者的研究也支持以上观点。这些研 究均认为免耕土壤中NO-3-N较易淋失。另一些研究则持有不同的观点。Levanon和C odling(1993)<4>研究表明,由于各自的耕作特点,免耕土壤近地表处有机碳和有 机氮含量较高,因而有利于将施用于土表的NH4NO3固定起来,而传统耕作土壤中有机质与无 机质混合充分,土壤团聚体内氧化条件好,以至传统耕作土壤具有较高的矿化率。所以免耕土壤中 可供淋洗的易于迁移的NO-3-N远远少于传统耕作土壤,最终导致免耕土壤中淋失的NO-3 -N量少。再者,免耕土壤具有较高的反硝化率,且生长于免耕土壤中的作物产量及作物中的氮含 量较多,即作物从土壤中吸收了更多的氮,这亦使得免耕土壤中NO-3-N的淋失量少<5>。 Kanwar和Baker在1985年的研究也得出同样的结论,此研究结果显示,在免耕土壤 中,降水12.7cm后仍有40%的NO-3-N保留在土表30cm土层内,而在传统耕作土 壤中同样条件下只有19%NO-3-N保留于土表30cm土层内<6>。以上这些研究均认为 免耕不利于NO-3-N向下淋移。长期野外试验中观测到,溶质施用后几小时下雨,则免耕比传 统耕作土壤向地下水淋滤的溶质多<7>。在耕作前的春季试验中,Starr和Glotfel ty发现溶质在2种耕作下的淋移无差异。此结论与Starr在此试验点得出的入渗率随季节变 化的结论一致,即淋滤事件(降水或灌溉)发生的季节很重要。在耕作后的春季到夏季之间,耕作 措施的不同将引起入渗率的明显差异,因而会影响溶质运移;而秋季入渗率无差异,溶质淋移表现 为相同。从以上这些有关耕作措施对硝态氮(NO-3-N)迁移影响的研究可以看出,每种结论 都是在特定条件下得出的,即使同一研究者(如Kanuar和Baker)在不同的条件下得出 的结论也不一致。原因在于不同耕作措施下土壤结构特点的形成需要较长的时间,而耕作措施对溶 质迁移的影响是一个长期、复杂的过程。此外,施加氮肥的类型亦影响着各耕作措施下氮的存在形 态和迁移。所以这些结论并不具有可比性,并不能由此得出哪种耕作措施更不利于NO-3-N淋 失,而是需要做更广泛、长期的研究工作,从机理上探明各自条件下所适用的耕作措施。2 氮肥 管理对硝态氮迁移的影响为了减缓氮肥对农业环境的污染,需要水、肥协调管理,即根据土壤中残 留的氮素状况及作物的需求,采用较好的施肥方法,将不易于淋移的肥源适时、适量施用于田间。 2.1 氮肥施用量Angle和Gross(1993)<5>研究显示随NH4NO3施用量 增加,作物产量及谷物中氮含量增加,且土壤中NO-3-N浓度也随之增加,形成了一定的淋失 潜势。当氮肥施用量超过一定用量时,土壤中将有大量的NO-3-N在作物生长期从根区淋失, 该研究建议氮肥施用量为180kgN/hm2。Bergstrom和NilsBrink(1 986)<8>的研究则显示当重粘土中氮肥施用量超过100kgN/hm2时,地下水就有严 重污染的危险,这可能与该研究中采用的氮肥是CaNO3有关。很多研究都强调氮肥用量高会引 起生长季节土壤中将残留过多NO-3-N,在随后的秋、冬、春季,由于作物根系吸收终止或很 弱,又有大量降水时,很易造成NO-3-N大量淋失<9>。Martin和Watts(19 82)<10>报导了在不同施肥量下,用含有不同NO-3浓度的地下水进行灌溉,对地下水水 质变化的影响。研究结果显示对NO-3-N浓度<20ppm的灌溉水应根据作物需求及土壤水 分状况适时适量灌水,并应根据灌水中NO-3-N浓度来确定施氮量;当灌溉水中NO-3-N 浓度>20ppm,通过氮肥管理可使已污染的地下水得到一定程度的改善,但如继续过量施肥, 地下水污染将恶化。此研究说明,在合理的肥料用量下,NO-3-N污染的地下水灌于田间后, 通过植物吸收利用可净化地下水。2.2 氮肥施用方法Kanwar和Baker(1985) <11>对KNO3撒播于地表及撒播后翻入土中2种情况下NO-3-N的运移进行了研究。相 比之下,在12.7cm的降水后,撒播中较多的NO-3-N不知去向,最可能的原因是氮肥溶 解于灌水37后,沿土壤中的大孔隙淋移到土壤深处。此外还有研究表明,灌施和撒施及带施相比 ,引起的NO-3-N淋失量要多,主要原因在于灌施化肥时,有更多的氮肥随水流沿优势路径流 失,而对另2种施肥方法来说,氮肥获得优势路径的可能性要小得多。国内许多研究表明氮肥深施 (穴施、沟施)可增加氮肥利用率,减少地面挥发损失,但对NO-3-N的淋失潜力问题缺少研 究<12>。此外,在作物生长季节,将氮肥少量多次施用于田间,可减少土壤中NO-3-N的 残留和对地下水的污染,同时作物产量不受影响<1,2>。国外对各种类型氮肥的淋失潜力也做 了大量分析。总的来说,各种氮肥的淋失潜力表现为:硝态氮肥>铵态氮肥>尿素。因氮肥本身在 土壤中变化的复杂性,增加了对氮肥管理研究的困难,国外在农业环境污染方面研究较多,但还处 于通过大量田间试验探寻影响因素的过程中,且大都局限于定性分析。国内对氮肥管理的研究主要 侧重于增产,增加氮素利用率,减少地面挥发损失,而对农业环境污染(NO-3-N淋失)方面 研究较少。3 水管理对硝态氮迁移的影响3.1 灌水管理灌溉的目的是为了保证土壤具有一定 的含水量以满足作物正常生长的需要。而灌水量超过或低于作物正常生长的需求时,往往会对作物 正常生长造成不利影响。灌水量过多时,还会造成深层渗漏,以及渗漏水对土壤中氮素的淋洗而引 起地下水污染。Smika和Heermann(1977)报导了3个灌水水平(降水加灌水: 62.2,60.0,71.1cm)下施加到土壤中氮肥的淋失情况。结果表明,在3个灌水水 平下,籽粒产量相同,但较低的2个灌水水平下作物的总干物质产量明显高;在71.1cm灌水 水平下,深层渗漏水量最多,达10.2%(1.50m以下),且得出这样的结论:土壤中淋失 的NO-3-N量与土壤中的NO-3-N浓度及渗漏水量成比例,即当土壤中NO-3-N量一 定时,NO-3-N的淋失量与渗漏水量成比例。Timmons和Dylla(1981)也得 出类似结论,其5年的研究表明,2.5cm灌水水平与5cm灌水水平相比,NO-3-N淋失 量少了31%,但玉米并没减产。这个研究说明,灌水量与作物产量并不成正相关关系,在保证作 物产量的情况下,灌水量可适当减少,从而减少地下水污染。Ghuman和Verma通过室内均质土柱试验证明10cm灌水水平下溶质锋面运移的深度是5cm灌水水平的2倍,这进一步说明灌水量与溶质运移深度的关系。灌水强度对土壤中NO-3-N的运移也有一定的影响。Chuman和Verma<13>报导了室内扰动土柱中相同灌水量下灌水强度对溶质运移的影响。研
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