稻田土壤氮素流失机制研究

稻田土壤氮素流失机制研究

摘要：本文通过查阅大量文献，总结了稻田土壤中氮素流失的过程机制和影响因素，并进一步探究了抑制或减缓稻田土壤氮素流失的方法，为稻田氮素流失的相关研究提供基础资料。

关键词：稻田；氮素流失；机制

Study on the mechanism of soil nitrogen

losing in paddy field

Abstract:Through consulting a large number of documents, this article summarizes the process of soil nitrogen losing mechanism and the influencing factors in the paddy fields, then explore the methods to inhibit or slow the nitrogen losing in the paddy fields; the goal is to providing a basic material for related research.

Key words: paddy field; nitrogen losing; mechanism

氮素是动植物生长所需的主要元素。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[1]。随着世界人口的日益增加, 对粮食的需求量也越来越大, 该元素在维持农业系统的可持续性和经济活力中扮演着重要的角色。由于其易于以气体形式挥发, 易于淋失和迁移, 因此氮素会大量流失, 进而影响水和空气的质量[2]。

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[3]，单位面积的施用量也高于世界平均水平。由于施肥方法或农业管理措施不当，导致氮素损失加剧[4]，严重影响了氮肥利用率，中国氮肥利用率仅为30% ～50%[5]。研究表明，农田中氮素损失的途径主要包括：氨的挥发、反硝化脱氮、铵的固定、径流冲刷和硝态氮的淋失等。其中，硝态氮的淋失是损失的重要方面[6]，淋失量可达5%～41.9%[7]。

水稻是我国南方的主要粮食作物之一, 同时也是消耗氮素较多, 流失

氮素较多的作物[8]。稻田排水中流失的氮磷在河湖汇集,严重污染附近水体, 加重周边环境负荷。农田氮素的流失是目前日益严重的非点源污染的源泉之一[9], 水体生态环境的恶化很大程度上归因于农业面源氮等营养型污染物[10]。对于稻田氮素污染问题的研究,已经引起广泛重视, 也已成为国内外环境科学和土壤生态科学领域研究的热点。

1. 氮素流失的机理

稻田氮素流失一般包括地面径流损失、气体损失及地下淋溶渗漏损失。

地表径流流失,主要是降雨和烤田期排水所致。氮磷肥料施入田间需要转变为可溶态的形式才易于作物吸收利用,因此排水条件下, 氮素容易随径流而损失。不管是可溶的还是以颗粒存在的,会随径流而去[11]。大量研究表明[12,13], 施肥后7天内是肥料保持利用的关键期, 这段时间内不宜排水。此时田间地表水、土壤水中以铵态氮为主。在地表水中其浓度先增加逐渐减少,土壤水中则逐渐增加。因带正电的NH4+-N极易为土壤胶体所吸附。

气态损失主要是指氨的挥发和反硝化反应。氮在土壤中满足一定条件经过反硝化作用可产生氨氮,田间水中的铵也可直接气化挥发。刘培斌等[14]认为水稻生长期间,氮肥损失的主要途径是气体损失。研究表明,氮素气体损失与多种因素有关,包括温度、大气压强、土壤含水率及田表水pH值等,其中pH值的影响尤为明显。Vymazal等[15]指出,如果pH值

<7.5, 则NH3从淹没土壤和沉积物中通过挥发损失是不显著的；而pH值<

8.0时并不严重；在pH值为9.3时,氨和铵离子的比例是1：1,通过挥发造成的氨氮损失开始变得显著。pH值升高,气体损失越大。

氮素的淋洗损失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下,从而不能被作物根系吸收所造成的氮素损失。硝态氮肥以NO3--N为主,占淋失氮总量的94.9%；铵态氮肥以NH4+-N为主,占淋失氮总量的

79.1%；酰铵态氮肥以尿素态氮为主,占淋失氮总量的84.8 %[16]。因但是, (1)淋洗作用是一种累进过程,在当季未被淋失的氮,以后可继续下移而损失；(2)已淋失的氮(特别是硝态氮)在此后的旱季中又可随水分的向上移动而重新进人根系活动层供作物吸收。因此,准确确定淋洗损失的量是比较困难的。淋洗损失的氮包括来源于土壤的氮和残留的肥料氮,以及当季施人的肥料氮。淋洗损失受到进人土壤的水量和水流强度、土壤特性、轮作制度、施肥制度、氮肥种类、氮肥施用量和施用方法等的强烈

影响,因而具有很大的变幅。国内外研究氮素的淋溶损失主要集中于控制排水研究，通过控制排水,可以减少排水量,增加作物对地下水的利用,降低排水中可溶性氮的浓度,改善农田环境。

2. 稻田氮素流失的影响因素

2.1氮肥种类

不同氮肥品种对氮的流失量影响程度不同。硝酸铵最易增加径流中氮的含量, 施用尿素较碳铵显著降低径流中氮的流失量。在普通氮肥中配施脲酶抑制剂、硝化抑制剂可明显延缓氮在土壤中的转化,降低土壤中硝态氮含量,减轻硝态氮的流失。温室盆栽淋洗试验表明,与对照比较,氮肥配施元素硫和双氰胺(DCD)可降低土壤NO3--N淋失量83 %～86 % [17]。近年来,缓/控释氮肥的研制得到进一步重视,包膜控释肥料能明显降低氮肥的淋失量, 缓释性的脲甲醛、IBDU(异丁叉二脲)、聚烯烃树脂包膜尿素、热固性树脂包膜肥料等均能较普通氮肥明显降低土壤中的氮素淋失量[18]。

2.2氮肥用量

氮肥的施用量影响氮素在土壤中的移动能力和淋洗潜力,是决定氮素淋失的最主要因素。北京郊区及太湖地区的研究表明,在施低氮量时,NO3--N 残留量很低；在施高氮量时,残留氮除以有机态、微生物态氮形式存在外,以NO3--N形式存在的比例相当高。

2.3灌溉模式

水稻是喜水作物,泡田期、返青期及分蘖前期田面需要保持一定的水深以利于水稻生长。且此时期正是南方梅雨季节, 因此传统灌水方式蓄水较多排雨水多,灌水利用效率通常不高, 且经常将氮肥随雨水一齐排出。薄露灌溉是保持水层较浅( 一般20cm以下) , 表土经常露出的灌水技术。较薄的水层有利于通过大气向表层水输送更多氧, 有利于表层土壤及土壤与水相界面保持相对平衡的氧化还原状态,加速硝化作用; 同时增大了稻田蓄积雨水的能力, 提高水的利用效率。

2.4耕作制度

不同的耕作制度对土壤氮素的流失也有明显影响。秸秆覆盖可显著减少肥料氮的流失, 且覆盖量愈大, 保肥效果愈显著。这是因为秸秆覆盖对土壤侵蚀过程中随径流和泥沙流失的矿质氮有双重影响。其一, 可使侵蚀量显著减少, 尤其减沙效应十分明显, 相应也减少了氮养分流失量；

其二, 可使坡面径流流速减弱, 明显减少了总的矿质氮径流流失量[19]。

除以上影响因素外,尚有很多其他因素影响氮素的流失,如土壤特性、水位管理措施及肥料特点等。此外,大田的气候条件(如温度、大气压等)及稻田水的酸碱性(pH值)对氮素的损失( 尤其是氨氮的挥发) 温度越高,pH值越大,稻田氨挥发损失越大。

3.控制稻田土壤氮素流失的方法

3.1合理排灌

薄露灌溉、控制灌排、水位管理相结合。优化灌水方式, 控制排水,尤其是暴雨后不立即排水。Yoon等人[20]指出稻田控制排水可以显著减少氮素损失和排水量；尹娟等[21]发现,在下渗水流的驱动下, NO3--N的下移深度明显大于NH4+-N。不同排水处理中, 土壤剖面NH4+-N浓度呈现随深度增加逐渐降低的趋势, NO3--N浓度在地面以下100cm内随深度增加逐渐升高,超过100cm之后逐渐降低。每次施肥后, 不同处理的排水中NO3--N和NH4+-N浓度均表现为短期内迅速上升。在这一特殊时期加强水肥管理, 可以减少氮素淋失。

3.2确定水稻适宜的氮素施用量

大量研究表明[22,23],在水稻产量潜力范围内, 产量随着施氮量的增加而增加；但当超过一定限度, 增加氮肥用量, 产量反而下降。因此,最高产量所需要的施肥量往往不是最适宜的经济的施肥量, 若在生产中盲目追求高产而增加施肥量,结果只能造成肥料浪费, 减产减收, 污染环境[24]。加强水肥管理,因土施氮。保水保肥能力差的沙质土, 肥施用应掌握在多施有机肥的基础上, 采取少量多次的原则,一次施肥量不宜过大, 注意壮尾肥的施用；反之, 对于保肥力强的沙土则应前重后轻,防止后期贪青。

3.3运用新技术提高氮素利用率

浙江大学与国际水稻研究所(IRRI) 合作,实施“集约水稻系统生产力优化研究”( 1997～2004) , 将西方近年来发展起来的精确农业原理应用于亚洲水稻生产系统, 率先在浙江省金华市双季稻区设立试验区。通过6年的艰苦研究,发展和创立了集约水稻系统适地养分综合管理新技术(SSNM)。SSNM的发展综合考虑到了土壤固有养分供应能力( INuS) , 当地特定的气候条件、季节、品种、以及合理的目标产量及其养分需求量, 养分平衡及养分利用效率, 以及社会经济效益等诸多重要因素。

SSNM新途径在金华试验区获得了成功,深受当地试验农户的欢迎[25]。与农民常规养分管理实践相比较, 可以平均减少N肥用量约30%, 使氮肥农业利用率提高5.7kg/ kgN, 氮肥吸收利用率提高12个百分点, 水稻产量提高7%, 平均提高经济效益11%[26]。可见,SSNM在全国广大稻区具有推广前景[27], 可望成为提高水稻氮肥利用率、控制氮肥污染的新途径。

3.4构建模型研究农田氮素流失规律

现代信息技术已经广泛应用于农田氮素流失规律的研究,如GIS、全球定位系统( GPS)、新的计算机软件以及改善的感应技术可以用来鉴定特定样点氮的预算和农田中氮的流失, 记录土壤氮素循环的时空变异。改进的感应技术能用来评价氮素状况和更好地调整氮素的施用。改进的感应技术可以成功地鉴定低氮区或氮素缺乏区。运用带间参照和一系列算法, 能更接近地量化氮素的需要。计算机模型可潜在地评价最佳管理措施对氮素利用率和氮素流失的影响, 以及计算管理措施区氮的预算和流失量。氮素模型可轻易地通过互联网在全国建立NO3--N的淋失指标。该指标能利用数据库迅速计算NO3--N流失的潜在性, 还可在GIS软件的基础上分步进行详细地模拟处理当地特定样点的信息。通过互联网利用模型可对氮流失和潜在的管理方案进行评价和定量化[2]。

4总结

总结以上的讨论,可以认为：在我国的农业生产中,减少氮肥损失、提高氮肥利用率和增产效果的潜力虽然很大,但是,难度也很大。实际上,这一问题并不限于我国,而是世界性的。国内外近几年来对于土壤溶质运移的机理以及模型研究方面已开展了大量的试验与研究工作，比如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型SWMS - 2D，模拟氮素在土壤中运移、转化机理的DRAINMOD 模型、CREAMS 模型等，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，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。

对于稻田而言，做好水分管理是减少氮素流失的最好手段，如果有一套完整的、合适的稻田水分管理方案的实施，这将对于稻田氮素流失

以及减少CH4的排放有重大的意义；另一方面，减少农田氮素流失归根结底是提高氮素利用率，只要提高了氮素利用率，那么氮素流失问题就迎刃而解了。

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