模拟降水量对土壤水氮运移及氨挥发特性的影响

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

氮肥是提高作物产量不可缺少的物质元素，但是氮肥的不合理利用致使大部分氮肥淋失和氨挥发损失，给生态环境带来严重污染[1-2]。灌施肥后的一定时间内，若遇强降雨则会造成氮素的深层淋失，不仅使氮肥利用率降低，且污染地下水。而氮肥在湿度及温度作用下易水解产生氨挥发[3]。研究表明，我国农田土壤的氨挥发量占农业生态系统中氨挥发量的10%[4]。农业源氨排放是大气氨的主要来源[5]。有研究表明尿素深施可以显著降低氨挥发[6]。硝态氮的运移规律是“盐随水来，盐随水走”[7]。降水量影响土壤含水率，进而影响氮素分布。冯绍元等[8]研究了相同土壤质地下降雨和施肥对土壤中硝态氮分布的影响，结果表明，土壤中硝态氮浓度随雨强的增加而增大,当雨强达到40～70mm/h时，硝态氮则被淋溶到土壤剖面110cm以下。张艳萍[9]的研究表明随机降雨条件下，相同生长条件下的冬小麦，不在需水高峰期内的一次灌溉量或降水量大于40mm，则易引起水氮渗漏淋失；作物产量与降雨量线性相关。彭石磊等[10]的研究结果表明降雨后土壤中硝态氮和铵态氮含量减少最为显著。付伟章等[11]研究了人工降雨条件下施肥对氮素流失的影响，结果表明雨强和施肥量影响一致,氮素流失量顺序为：碳酸氢铵>氮尿素>控释尿素。目前对于降水(模拟一次降水)径流氮流失的研究较多且成果显著[12-15]。目前，农业节水灌溉虽基本普及，但仍有部分地区以大水漫灌为主，为此模拟灌施肥后不同降水量对土壤水氮分布及氮素氨挥发的影响具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所需原土取自山西省太谷县北洗村，土壤质地为砂质壤土，后经混合、晾晒、风干、碾碎等处理措施使土样充分混合均匀作为本次试验用土，通过称重夯实法实现土壤容重为1.4g/cm3。试验肥料采用尿素。土样颗粒级配及基本理化性质见表1、表2。

表1 试验土样颗粒级配

表2 试验土样基本理化性质

1.2 试验方法

选用内径14cm、柱高100cm的有机玻璃土筒的土柱作为试验装置。土筒底盖密布内径为1mm的圆孔以便于通风。装土前底部放置纱网以防止土的流失。用夯实法以5cm厚度分层装土，土深90cm。试验以马氏筒作为恒定供水装置，入渗水头为5cm。

模拟降水前土柱的初始灌水量均为1.8L，施入尿素1.26g。把灌施后无降水的土柱作为参照。灌施肥液后采用简易双层海绵法收集氨挥发量[16]。距土面5cm处放置海绵，上层海绵与管顶部齐平。上下层海绵均需用15mL磷酸甘油泡制，厚度均为2cm。上层海绵的作用是防止外部氨气和杂质进入，下层海绵则用来吸收土柱挥发出的氨气。三种处理分别以灌后遇到暴雨、大雨、中雨确定，模拟降水量分别为0.9L(58mm)、0.6L(39mm)、0.3L(19mm)。每个处理均做3次重复试验。

灌后1天模拟降水，降水后第1天、第5天、第9天利用土钻取样。取样点为：先取表层0～5cm，以下则以10cm为步长取样至湿润峰处。参照土柱灌后第2天、第6天、第10天取样。

1.3 指标测定

用烘干法测土壤重量含水率，用流动分析仪测铵态氮、硝态氮以及氨挥发值。

2 模拟降水量对土壤水氮时空分布及淋溶的影响

2.1 模拟降水量对土壤水分分布的影响

图1表示模拟降水后1天、5天、9天水分在土壤中的垂向分布图。由图1可以看出，模拟降水后土壤含水率均大于参照土柱的土壤含水率。同一土层处，降水量越大土壤含水率越高。降水量对土壤剖面中含水率分布的影响较小，不同降水量下土壤含水率的分布规律一致。由于灌后第2天就降水，表层土壤还没有完全释水，接着又有水分入渗，所以降水后1天表层土壤含水率基本接近饱和状态。模拟降水后水分再分布的9天内，土柱上层土壤含水率随时间的增加而减小，下层土壤含水率随时间的增加而增大，因为水分再分布过程中，水分在重力作用下继续向土壤下层运移，所以土壤剖面中的水分含量呈现沿程减小的分布规律。

图1 土壤含水率分布

2.2 模拟降水量对土壤氮素分布的影响

2.2.1 模拟降水量对土壤铵态氮空间分布的影响

图2为不同模拟降水量下土壤铵态氮垂向分布曲线。由图2可以看出，灌施肥液后参照土柱5cm深度处土壤铵态氮含量较高，为193.246mg/kg，随着土层深度的增加逐渐降低至14.374mg/kg。不同模拟降水量下土壤铵态氮含量分布趋势是先增大后减小。不同降水条件下同一层深处，0～35cm土层深度范围内，降

图2 降水前后土壤铵态氮含量分布曲线

水量越大铵态氮浓度越低；35cm以下反之。降水量越大铵态氮分布范围越大，浓度峰运移距离越大，基本累积在15～25cm土层范围内。土壤中带有负电荷的土壤胶体易吸附带有正电荷的铵态氮，阻碍铵态氮向下迁移。铵态氮只有在土壤水分接近饱和或者没有多余胶粒吸附后，才能在下渗流的驱动下被水分带到土壤下层。模拟降水后土柱上层土壤含水量基本饱和，水分在重力势作用下向下运移的同时把一部分铵态氮冲刷到下层，15～35cm土层范围内的含水率降低，土壤对铵态氮的吸附作用变强，使铵态氮在此范围内积聚。降水量越大，土壤含水量就越大，水分对铵态氮的冲刷作用越强，土壤吸附的铵态氮含量越小，铵态氮运移距离就会越大，下层土壤铵态氮含量就会相应增大，铵态氮在土壤剖面中的分布就会更加均匀。一定量的降水能够降低表层土壤的铵态氮含量，这对降低氨挥发有一定作用。但降水量过大就易造成铵态氮的淋失。

2.2.2 不同模拟降水量下土壤铵态氮随时间的转化关系

图3为不同模拟降水量下土壤铵态氮随时间的变化曲线。土壤铵态氮峰值随时间增加而减小。同一层深处，0～35cm范围内，土壤铵态氮含量随着时间的增加逐渐降低，铵态氮浓度峰下移；35cm以下铵态氮含量增大。这是由于铵态氮随着水分的再分布而不断向下层运移，导致上层铵态氮含量减小，下层的含量增大。还有可能是由于一部分铵态氮在土壤脲酶作用下发生硝化作用转变成硝态氮的缘故，其中氨挥发也是铵态氮损失的重要途径之一，这些都会导致铵态氮含量降低。

图3 土壤铵态氮随时间的变化曲线

2.3 模拟降水量对土壤硝态氮空间分布及淋溶的影响

图4为不同模拟降水量条件下降水后1天、5天、9天硝态氮在土壤剖面中的垂向分布曲线。湿润体内的土壤硝态氮浓度均小于土壤本底值65.503mg/kg。湿润锋处硝态氮含量遵循“盐随水走”的规律，硝态氮的浓度锋与土壤水分湿润锋一致，水分入渗过程中把原有的硝态氮淋洗到土壤湿润锋附近；还可能是由于土壤含水量较高，导致土壤通气性变差，氮素经过反硝化作用而损失掉。降水后5天、9天，模拟降水0.3L的土柱湿润峰处的硝态氮含量大于其他两个处理。因为硝态氮含量与氮素的硝化、反硝化作用有关。降水量越低的土柱，水分经过一定时间的再分布，土壤含水率分布渐趋平缓，土壤通气性越好，越有利于氮素的硝化。硝态氮和土壤胶粒都带有负电荷，硝态氮不易被土壤吸附，因此降水水分入渗是对土壤硝态氮的冲刷淋洗过程，降水量越大硝态氮浓度峰推移距离越大，越易造成土壤中硝态氮的淋溶损失。

3 不同模拟降水量下土壤氨挥发特性分析

图5、图6为不同降水量下的土壤氨挥发速率和氨挥发累积量。以降水后连续采样8天的氨挥发进行比较分析可以看出，模拟降水量0.3L、0.6L以及参照土柱

图4 不同降水量下土壤中硝态氮含量分布曲线

的氨挥发速率趋势呈波形变化曲线；模拟降水量0.9L的土柱氨挥发速率曲线平缓，差异较小。均是降水后第一天的氨挥发速率最大。参照(灌施后无降水)土柱的氨挥发速率最大，8天内的氨挥发累积量为6.386mg。氨挥发量与表层土壤铵态氮含量呈正相关。三种降水条件下的氨挥发累积量相比较，模拟降水0.6L>降水0.3L>降水0.9L。模拟降水0.3L、0.6L、0.9L与无降水的参照土柱相比分别降低了51.71%、45.83%、58.24%的氨挥发损失。模拟降水量0.9L的土柱土壤氨挥发累积量最小，因为降水量较大，造成了氮素的深层淋失。灌后一天降水能使土壤表层氮素随

图5 氨挥发速率

图6 土壤氨挥发累积量

水迁移到土壤下层，有效降低土壤氨挥发，能够提高氮肥利用率，但灌后降水量过大易造成氮素的深层渗漏。

4 结 论

a.地面灌溉后模拟降水条件下，降水后土壤含水率均大于参照土柱的土壤含水率；同一土层处模拟降水量越大，土壤含水率越高；不同降水量下土壤含水率的分布规律一致；土壤含水率、湿润深度随灌后模拟降水量的增加而增大。

b.地面灌溉后模拟降水条件下，降水后再分布9天内，降水后土壤铵态氮的垂向分布规律是先增大再减小的单峰曲线，在垂向15～35cm范围内出现铵态氮峰值。不同降水条件下同一层深处，0～35cm土层深度范围内，降水量越大铵态氮浓度越低；35cm以下反之。降水量越大铵态氮分布范围越大。湿润体内的土壤硝态氮浓度均小于土壤初始值，硝态氮积聚在湿润锋处。降水量越大，湿润锋处硝态氮的浓度越大，硝态氮淋溶损失的风险越大。

c.不同模拟降水量下均是第一天的氨挥发速率最大。与参照土柱相比，模拟降水0.3L、0.6L、0.9L的土柱分别降低了51.71%、45.83%、58.24%的氨挥发损失量。灌后一天适宜的降水量能有效降低氨挥发和氮的淋溶损失。

d.室内模拟降水量对砂质壤土水氮的影响，可为山西晋中南及我国其他砂质壤土分布地区的灌溉施肥提供一定的理论参考资料。