不同灌溉方式對稻田土中NH4+-N遷移轉化途徑的影響

鄧秋宏,李 佳

(四川職業技術學院 能源化工與環境學院,四川 遂寧 629000)

化肥中氮素成分的流失是水體污染的主要來源.尿素作為我國水稻種植過程中的常用化肥,施用量大但利用率低,僅有30%～35%的尿素能被作物吸收[1],氮素損失嚴重.尿素為速溶性化肥,在土壤中的直接水解產物為NH4+-N,因此施尿素后土壤環境中的氮素損失主要來源于NH4+-N的遷移轉化.水分是土壤中氮素遷移轉化的主要驅動力[2].對于水生作物水稻而言,種植過程中需多次灌溉,而施肥后7 d內為氮素損失高峰期[3-4],因此探討此階段內不同灌溉方式下土壤中NH4+-N的遷移轉化途徑可為制定合理的灌溉措施提供依據.目前,前人研究多是將施肥量及施肥方式、降雨強度、溫度等因素對稻田土壤氮素遷移轉化的影響進行研究,而針對不同灌溉方式下土壤中氮素遷移轉化途徑的對比研究較少.本研究以綿陽涪城區水稻試驗基地稻田土壤為研究對象,通過自制裝置模擬稻田,探究不同灌溉方式下水分驅動NH4+-N遷移轉化情況,以期為探明不同灌溉方式下稻田土中NH4+-N遷移轉化規律提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗基地位于四川省綿陽市涪城區,該區域屬于北亞熱帶山地濕潤季風氣候區,受地貌影響,降水豐沛,年均降水量為825.8～1417 mm.試驗基地稻田土壤為紫色土,土壤的理化指標如表1所示.

表1 原狀土土壤理化指標

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 模擬田塊設計

采用高50 cm、上口內徑45 cm、下口內徑39 cm的塑料桶盛裝處理過的供試土壤作為實驗模擬田塊,在桶體底部中心開孔,插入橡膠軟管導流,采集滲濾液,并在桶體上方搭建雨棚以減少外界降雨對試驗的干擾;共設置2組試驗模擬田塊系統,分別為常規淹灌和濕潤灌溉.

供試土壤:取自綿陽市涪城區青義鎮稻田紫色土.

填充土壤:供試土壤按稻田原狀土容重分層(0～20 cm、20～40 cm)取出,經過風干過篩后按照稻田原狀土容重分層回填至各模擬田塊中.其中每個模擬田塊0～20 cm共填充土體約39 kg,20～40 cm共填充土體約42 kg.

1.2.2 實驗方法

試驗于2021年8月-9月在四川省西南科技大學水處理與污染控制中心實踐教學基地進行.通過測定施肥后1～15 d內兩種灌溉方式下氮素的損失量,定性定量分析施肥后淹灌狀態和濕潤狀態下施肥后稻田氮素流失情況.

水分管理:

①常規淹灌條件下水分管理:填充完土壤后,緩慢灌水至土體濕潤并達到水分飽和,后續實驗過程中按需補水使土體表面水層維持在4～5 cm,此時表層水體積約為8 L.

②濕潤灌溉條件下水分管理:填充完土壤后,緩慢灌水至土體濕潤狀態,后續實驗過程中按需補水使土壤測定含水率維持在60%～100%.

施肥管理:

①肥料種類:氮肥為尿素顆粒,純N含量為464 g/kg.

②施肥量:參照當地水稻種植常規施肥量,氮肥用量為150 kg/hm2(以純N計).根據所施尿素純N含量及每個模擬田塊填充土壤的表面面積0.138 m2可計算出,每個模擬田塊系統中尿素施用量為4460 mg.

③施肥方式:施肥方式采用表面撒施方式,土壤經過濕潤處理后將尿素一次性均勻撒至土壤表層,再按照上述兩種水分管理方式分別進行灌水處理.

1.3 樣品采集與測定

樣品采集:

①滲濾液水樣采集:常規淹灌、濕潤灌溉處理組在施肥后第1～15 d每天測定滲濾液水樣中的NH4+-N濃度,采樣時間與采集表層水樣同時進行,為方便后期定量計算,每次收集滲濾液的時長為2h,所得濾液用量筒量取體積.

②氨揮發量采集:每隔2 d取樣測定氨揮發量.

③土壤樣品采集:實驗結束后分層(0～20 cm、20～40 cm)取樣測定土壤中全氮、硝態氮、銨態氮和亞硝態氮的含量.

樣品測定:

①水樣樣品測定方法:NH4+-N的測定采用納氏試劑分光光度法[5];pH采用pHS-320型酸度計測定.

②土壤樣品測定方法[6]:土壤全氮的測定采用半微量開氏法;土壤銨態氮的測定采用KCl浸提-靛酚藍比色法;土壤硝態氮的測定采用紫外分光光度法;土壤亞硝態氮的測定采用磺胺/鹽酸萘乙二胺-分光光度法.

③氨揮發測定方法:采用通氣式氨揮發測定法[7].通氣裝置由內徑16 cm、高10 cm的聚氯乙烯硬質塑料管制成,測定過程中分別將2塊厚度為2 cm、直徑16 cm的海綿均勻浸入20 mL磷酸甘油混合液并固定于管內,下層海綿置于距管底5 cm處,上層海綿與管頂部相平.

④土壤水分測定方法:采用便攜式土壤水分測定儀測定.

2 結果與分析

2.1 稻田土壤中NH4+-N的遷移轉化途徑

施肥后土壤中NH4+-N的遷移轉化途徑主要包括作物吸收、淋溶和徑流損失、氨揮發、發生硝化反應[8].

① 作物吸收

水稻吸收的氮素形態主要為NH4+-N和NO3--N[9].研究表明,農田長期大量施用氮肥會造成土壤氮素的大量盈余[10-11],而水稻吸收利用土壤氮素的比例高于肥料[12],大大降低了氮肥利用率,因此施肥后土壤中的氮素以其他途徑損失的風險較大.

由于本實驗中未種植作物,因此作物吸收NH4+-N的損失量可忽略不計.

② 淋溶和徑流損失

淋溶和徑流損失是土壤中氮素損失的主要途徑之一[13],通過降雨、灌溉等水分驅動,土壤溶液中的氮素隨水分遷移至地表水和地下水.由于土壤氮素遷移與土壤水分含量緊密相關,因此不同灌溉方式下,氮素淋溶、徑流損失也有所差異.

由于本實驗灌溉過程中不存在徑流,故只考慮不同灌溉方式下NH4+-N的淋溶損失.

③ 氨揮發

氨揮發受土壤水分含量的影響較大,主要體現在兩方面[14]:一是土壤水分影響尿素溶解及水解速度;二是土壤水分影響NH3在土壤表面及土層的擴散,部分擴散出的NH3還可能被土壤水分溶解.因此不同灌溉方式對氨揮發存在一定影響.

④ 硝化反硝化反應

無外源輸入前提下,土壤中增加的NO2--N、NO3--N含量主要來源于NH4+-N的硝化作用[15].土壤中NH4+-N發生硝化反硝化反應的反應式如下[16](土壤呈酸性):

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+

2NO2-+O2→2NO3-

2NH4++4O2→2NO3-+2H2O+4H+

根據反應式可知,硝化反應為需氧反應.由于土壤中的氧氣主要存在于未被土壤水分占據的土壤孔隙中,土壤水分在很大程度上決定土壤孔隙度和孔隙大小分布[17],因此土壤水分含量會影響氧氣在土壤中的擴散,從而影響硝化反應的進行,故本實驗過程中需探討不同灌溉方式對NH4+-N發生硝化反應的過程的影響.

綜上所述,在本實驗研究條件下,土壤中NH4+-N的遷移轉化途徑主要包括淋溶損失、氨揮發以及發生硝化反應.通過分析上述各遷移轉化途徑中NH4+-N的損失量,可探究不同灌溉方式對稻田土壤中NH4+-N遷移轉化途徑的影響.

2.2 不同灌溉方式下NH4+-N遷移轉化途徑中的損失量

2.2.1 淋溶損失

施肥后1～15 d內常規淹灌和濕潤灌溉方式下淋溶液中NH4+-N濃度如圖1所示.

由圖1可知,常規淹灌方式下,淋溶液NH4+-N濃度維持在1.32～14.65 mg/L,淋溶液體積維持在1.63～3.66 L;濕潤灌溉方式下,淋溶液NH4+-N濃度維持在0.36～6.47 mg/L,淋溶液體積維持在0.29～0.75 L.經淋溶液NH4+-N濃度和淋溶液體積計算可得,施肥后1～15 d內常規淹灌和濕潤灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量如表2所示.

表2 不同灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量計算表

由表2計算可得,常規淹灌方式下,施肥后1～15 d內累計NH4+-N淋溶損失總量可達到250.43 mg;濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內累計NH4+-N淋溶損失總量僅為15.18 mg.分析可知,常規淹灌方式下施肥后1～15 d內累計NH4+-N淋溶損失總量約為濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內累計NH4+-N淋溶損失總量的16.5倍.

2.2.2 氨揮發損失

施肥后1～15 d內常規淹灌和濕潤灌溉方式下氨揮發量如圖2所示.

由圖2計算可知,常規淹灌方式下,施肥后1～15 d內累計氨揮發量可達到15.55 kg/hm2;濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內累計氨揮發量可達到42.62 kg/hm2.根據模擬土塊土壤表面面積0.138 m2計算可得,常規淹灌、濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內累計氨揮發量分別為214.59mg、588.16mg.由此可知,施肥后1～15 d內濕潤灌溉產生的氨揮發量約為常規淹灌產生氨揮發量的2.7倍.

2.2.3 硝化損失

常規淹灌和濕潤灌溉方式下,土壤本底氮素含量和施肥后第15 d土壤中各氮素的含量如表3所示.

表3 不同灌溉方式下土壤施肥前后各氮素含量變化

由表3計算可知,常規淹灌方式下,施肥后1～15 d內土壤全氮增加量為2.79 g;NH4+-N增加量為1018.92 mg;NO3--N增加量為81.93 mg;NO2--N減少量為25.8 mg.濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內土壤全氮增加量為2.43 g;NH4+-N增加量為861.39 mg;NO3--N增加量為141.78 mg;NO2--N減少量為43.44 mg.

(1)參與水解的尿素含量

① 無機氮

無機氮包括NH4+-N、NO3--N、NO2--N三種氮素形態.其中常規淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內土壤無機氮增加總量分別為1075.05mg、959.73 mg.

② 有機氮

土壤全氮包括有機氮和無機氮兩種形態,根據表3數據計算可得,常規淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內土壤有機氮增加總量分別為1714.95 mg、1470.27 mg.由于施肥時未輸入其他有機態氮源,故施肥后第15 d土壤中增加的有機氮含量可視為殘余土壤中的尿素分子.

由于每個模擬田塊系統中尿素施用量均為4460 mg,綜上計算可得,常規淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內發生水解并參與氮素遷移轉化的尿素分子含量分別為2745.05 mg、2989.73mg.

(2)NH4+-N硝化損失量

尿素施入土壤后水解生成NH4+-N的反應式如下:

CO(NH2)2+2H2O+H+→2NH4++HCO3-

根據該方程式和發生水解并參與氮素遷移轉化的尿素分子含量計算可知,常規淹灌、濕潤灌溉方式下施肥后1～15 d內尿素水解產生的NH4+-N含量分別為1647.03 mg、1793.84 mg.結合上述分析中尿素水解產生的NH4+-N的損失途徑,以及不同灌溉方式下以氨揮發、滲流流失方式損失的NH4+-N量可分別計算得到NH4+-N硝化損失量.經計算可得,不同灌溉方式下各損失途徑中NH4+-N損失量如表4所示.

表4 不同灌溉方式下各損失途徑中NH4+-N損失量

由表4可看出,常規淹灌方式下,施肥后1～15 d內累計NH4+-N硝化損失量約為163.09 mg;濕潤灌溉方式下,施肥后1～15 d內累計NH4+-N硝化損失量約為329.11 mg,約為常規淹灌方式下NH4+-N硝化損失量的2.02倍.

根據2.1中稻田土壤NH4+-N的損失途徑分析,結合表4可分析得出,不同的灌溉方式會對施肥后稻田土壤中的NH4+-N損失量產生影響.常規淹灌方式下,施肥后15 d內累計NH4+-N損失總量達到628.11 mg,其中,以氨揮發、淋溶以及發生硝化反應損失的NH4+-N量分別占總損失的34.16%、39.87%、25.97%;濕潤灌溉方式下,施肥后15 d內累計NH4+-N損失總量為932.45 mg,其中以氨揮發、淋溶以及發生硝化反應損失的NH4+-N量分別占總損失的63.08%、1.63%、35.30%.

3 討論

3.1 不同灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量對比

NH4+-N易被土壤膠體吸附截留[18].常規淹灌方式下,由于土壤水分達到飽和形成壤中流[19],土壤吸附的NH4+-N不斷溶入土壤溶液中并隨之下滲,導致NH4+-N淋溶損失量較高;濕潤灌溉方式下,土壤水分未達到飽和,非飽和土壤溶液中NH4+-N濃度的運移大大受阻于土壤對NH4+-N的吸附作用[20],導致大部分NH4+-N殘留在土壤中,因此相較于常規淹灌,濕潤灌溉方式下NH4+-N淋溶損失量較低.

3.2 不同灌溉方式下氨揮發損失量對比

氨揮發主要來源于土壤溶液中的NH4+-N.濕潤灌溉方式下,尿素施入濕潤土壤后,充足的水分促進了尿素的溶解,尿素溶液滲入土壤后,一部分尿素分子在土壤脲酶作用下水解生成NH4+-N并進入土壤間隙液中,最終通過遷移在土壤表層進行氨揮發.

相較于濕潤灌溉方式,常規淹灌方式下土壤表層始終維持一定厚度的水層,導致土壤間隙液中的游離氨無法直接揮發至大氣中[21],大大阻礙了氨氣外逸;此外,研究表明[22],稻田氨揮發排放量與土壤溶液NH4+-N濃度呈極顯著正相關,在相同施肥量條件下,常規淹灌方式下土壤表層的水層大大稀釋了土壤溶液中的NH4+-N濃度,致使氨揮發量相較濕潤灌溉方式大大降低.

3.3 不同灌溉方式下NH4+-N硝化損失量對比

常規淹灌方式下,由于土壤表面保持淹水層,土壤孔隙被水分填充呈水飽和狀態,限制了氧氣擴散,使土壤內部形成嫌氣環境[23],導致土壤中硝化反應作用微弱,NH4+-N硝化損失量低;濕潤灌溉方式下,土壤顆粒間存在一定量的氧氣,此時土壤內部形成好氧或缺氧環境.在好氧、缺氧狀態下,NH4+-N是自養細菌繁殖的電子供體,因此土壤中NH4+易被硝化細菌氧化為NO3-[24],NH4+-N硝化損失量高.

4 結論

常規淹灌方式下,施肥后15 d內以淋溶途徑損失的NH4+-N量約為濕潤灌溉方式下的2.7倍;濕潤灌溉方式下,施肥后15 d內以氨揮發、硝化反應途徑損失的NH4+-N量分別約為常規淹灌方式下的16.5倍和2.02倍.

常規淹灌方式下,施肥后15 d內NH4+-N主要以淋溶途徑進行遷移轉化,該過程中NH4+-N損失量可達到總損失量的39.87%;濕潤灌溉方式下,施肥后15 d內NH4+-N的遷移轉化途徑主要為氨揮發,其NH4+-N損失量可達到總損失量的63.08%.