2017, Vol. 37
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土壤养分积累引起的氮素(N)淋失是导致农田地下水污染的重要原因(焦军霞等, 2015), 也是农业非点源污染的重要途径(Davis, 2014).硝态氮(NO3--N)作为氮素形态的一种, 因其为非吸附性离子, 不易被土壤胶体所吸附, 极易发生渗漏损失(刘希玉等, 2014).且诸多研究表明, NO3--N为土壤主要氮素形态, 其淋失被认为是旱地农田氮素损失的主要途径(Edilene et al., 2016).降雨是非点源污染发生的源动力(Adhikari et al., 2013), 也是土壤氮素淋失的主要驱动因子之一(Xu et al., 2013).较大的降雨形成的土壤下渗水流为氮素的迁移提供了载体(Adhikari et al., 2013), 不同降雨类型对于氮素流失有影响(李桂花等, 2013).此外, 土壤质地(杨荣等, 2012)、施肥(Elena et al., 2016)和耕作方式(Myrbeck et al., 2014)也是影响土壤氮素淋失的重要因素, 作为增加产量而被广泛使用的覆膜耕作能够改善土壤水热条件(Wang et al., 2015；李廷亮等, 2011), 并通过调节土壤氮素的矿化过程影响土壤氮素积累(Zhang et al., 2012), 进而影响土壤氮素流失.已有研究表明, 覆膜可以降低土壤中矿质氮的淋失量(Haraguchi et al., 2004), 然而, 以往的研究多集中在覆膜或降雨单因素对土壤氮素(N)淋失的影响(Wang et al., 2015；Xu et al., 2013), 在我国实际农业生产中, 常见作物生长过程受自然降雨与田间耕作方式的双重影响, 因而有必要探究降雨和覆膜对氮素淋失的复合影响机制, 以深化对农田氮素流失机理的理解.
丹江口水库是我国南水北调中线工程的水源地, 五龙池小流域为丹江口库区小流域综合治理的典型示范小流域, 由于坡耕地较多, 由水土流失引发的农业非点源污染问题仍较突出(王伟等, 2016).本研究以丹江口库区青塘河五龙池小流域横垄耕作的黄棕壤为例, 利用田间小区观测实验, 研究自然降雨和覆膜双重条件下对土壤水分及NO3--N淋失的影响, 以深化耕作方式对农田土壤氮素流失影响机理的研究, 并为本区农业非点源污染防控提供科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况五龙池小流域位于湖北省丹江口市习家店镇五龙池村(32°45′N, 110°13′E)(图 1), 面积约192 hm2.研究区属北亚热带半湿润季风气候, 年平均气温为16.1 ℃, 年平均降水量为797.6 mm, 年降水分布不均匀, 降雨主要集中在4—10月, 约占全年降雨的84.5%.区内海拔高度为278~402 m, 相对高差在50 m以内, 地势北高南低, 以丘陵和岗地为主, 为典型黄棕壤丘陵区.流域内主要的土壤类型为黄棕壤和紫色土, 地质构造较为发育, 存在褶皱断裂带, 岩体类型以红砂岩、泥沙岩和石灰岩为主.土地利用类型以耕地和林地为主, 主要的种植作物有玉米(Zea mays L.)、油菜(Brassica campestris L.)、花生(Arachis hypogaea Linn.)等, 流域内设有丹江口水库面源污染实验观测基地.
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| 图 1 研究区地理位置示意图 Fig. 1 Location of the study area |
选择研究区内黄棕壤(表 1), 播种前按照当地耕作方式一次性施脲铵氮肥1212 kg·hm-2(含TN≥30%, NH4+-N=15%, HG/T 4214-2011), 然后整地形成垄沟结构, 其中, 垄长1.2 m, 垄宽40 cm, 垄高10 cm, 垄沟宽20 cm, 垄向与等高线平行(图 2).实验设无覆膜(CK)和覆膜(T1)2种处理, 3次重复, 共6个实验小区, 各小区面积1.2 m×10 m, 坡度8°.在各小区两端边缘和相邻小区垄沟中间位置插入30 cm高的铝塑板, 插入土中20 cm, 外露10 cm, 以防小区间相互干扰.
| 表 1 样地土壤基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of yellow brown soil in Danjiangkou Reservoir Area |
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| 图 2 实验小区示意图 Fig. 2 Diagram of experimental plot |
用阴、阳离子树脂吸附法测田间0~10、10~20和20~30 cm土壤NO3--N淋失量.淋失装置包括：铝合金管(管径6 cm, 管高分别为15、25和35 cm), 装有阴、阳离子交换树脂各13 g的树脂袋, 滤纸(GB/T 1914—2007, 可避免树脂袋与土壤和珍珠岩袋直接接触)和珍珠岩袋.实验时, 将铝合金管均在垄顶垂直打入土壤拔出后去掉管底5 cm处土壤, 依次放入滤纸-树脂袋-滤纸-珍珠岩袋, 然后将其放回初次打入的位置培养, 以测土壤NO3--N淋失量.
2.3 样品采集淋失装置于玉米播种日布设, 以3 d为周期(若遇到降雨, 则顺延至雨后1~2 d)取样, 将铝合金管中树脂袋送回实验室.取样当天将装置重新布设回小区进行原位培养, 以供下一周期取样.
玉米于2016年4月1日在垄顶点播, 株距30 cm, 后用薄膜将覆膜小区的垄覆盖, 玉米出苗后, 在发芽处开孔, 至8月6日收获.根据玉米生长状况, 将其划分为4个生长阶段：4月1日—5月19日为苗期, 5月20日—6月22日为拔节期, 6月23日—7月17日为抽穗期, 7月18日—8月6日为成熟期.
按照气象部门采用的标准(表 2)划分降雨类型(李瑞玲等, 2010).玉米整个生长期内降雨情况如图 3所示, 共监测到27场降雨, 玉米苗期、拔节期、抽穗期和成熟期分别监测到6、8、6和7场降雨.4个生长阶段降雨总量依次为52、80、134和153 mm.因玉米同一生长阶段的内外界环境、植物营养生长状况较一致, 所以选取同一生长阶段进行分析.玉米拔节期内降雨类型相对较多且与取样日期相吻合, 故选取拔节期内3场不同类型的降雨进行分析(表 3).
| 表 2 降雨类型划分标准 Table 2 Division standard of rainfall patterns |
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| 图 3 玉米生长期内降雨量的变化 (注：图中虚线为小雨、中雨、大雨的分界线) Fig. 3 The rainfall in maize growth period |
| 表 3 玉米拔节期内3场降雨情况 Table 3 The strength of rainfalls in maize jointing stage |
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阴、阳离子交换树脂袋送回实验基地实验室后立即用150 mL 2 mol·L-1 KCl溶液浸提, 然后用0.45 μm滤膜过滤.NO3--N浸提液采用双波长系数法(张韫, 2011)通过紫外可见分光光度计(UV-1200)测定.土壤含水量用烘干法(105 ℃, 24 h)测量.降雨量由五龙池小流域内的气象监测站观测记录.
土壤NO3--N淋失量计算公式：
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(1) |
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式中, L表示土壤NO3--N淋失量(mg·kg-1)；C表示树脂中所测得淋失量(mg)；m表示所取土重(kg)；ρ表示各层土壤容重(g·cm-3)；S表示矿化管底面积(cm2)；H表示所取土层的厚度(cm).
2.5 统计方法实验数据均采用SPSS 22.0和Excel 2016进行方差、相关性分析和制图.
3 结果与分析(Results and discussion) 3.1 覆膜与降雨对土壤含水量的双重影响 3.1.1 覆膜与降雨对土壤含水量的方差分析运用双因素(two-way ANOVA)方差分析, 分析覆膜与降雨对0~30 cm土壤含水量的影响(表 4).结果表明, 覆膜与降雨均显著影响0~30 cm土壤含水量, 二者的交互作用也显著影响0~30 cm土壤含水量(R2=0.998).
| 表 4 覆膜与降雨对0~30 cm土壤含水量的双因素方差分析 Table 4 Two-way ANOVA on the effects of film mulching and rainfall on soil moisture content in 0~30 cm |
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为便于分析覆膜对土壤含水量的影响, 排除降雨因素的干扰, 选取实验期间无降雨较长的时段(6月10日—6月22日, 属拔节期), 分析覆膜与无覆膜处理在该时段内土壤含水量的变化(图 4).可以看出, 覆膜使0~10、10~20、20~30 cm土层中的含水量分别降低17.96%、7.17%和10.04%, 6月13日后, 两处理土壤含水量均随深度增加呈明显增加的趋势, 且两处理各土层含水量均随时间呈逐渐降低的趋势.
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| 图 4 无降雨时覆膜与无覆膜土壤含水量的动态变化及平均值 (图中不同小写字母表示同土层不同处理间差异显著(p＜0.05)) Fig. 4 Dynamic change and average of soil moisture content in plastic film mulching and no mulching under no rain condition |
杨建房等(2012)也指出覆膜条件下表层土壤(10 cm)含水量低于无覆膜, 其原因可能是覆膜能够改善土壤的水热状况, 促进根系的生长, 根系吸水大于无覆膜的情况, 导致其土壤含水量低；而在20 cm及40 cm深度, 覆膜土壤含水量高于无覆膜, 这与本研究结果不一致, 原因可能是10~20、20~30 cm处的土壤仍受作物生长耗水的影响.6月13日前两处理10~20 cm土壤含水量略大于20~30 cm的原因可能是6月7日降雨的影响还未消除.另有研究表明, 表层土(0~40 cm)覆膜比无覆膜的土壤含水量略高(Wang et al., 2016).
3.1.3 降雨类型对覆膜土壤含水量的影响不同降雨类型下覆膜土壤的含水量状况如图 5所示.结果表明, 中雨条件下的土壤含水量随深度的变化趋势与无降雨时相近, 中雨条件下的土壤含水量具体表现为, 10~20比0~10 cm、20~30比10~20 cm高50.80%、6.62%, 0~10 cm显著低于10~20和20~30 cm.小雨时3层的含水量均呈显著差异, 含水量随土壤深度的增加急剧增加, 增幅分别为128.88%和77.77%.暴雨时含水量随土层深度的加深增幅较小, 分别为25.83%和5.23%.
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| 图 5 不同雨型下覆膜土壤含水量 (图中不同小写字母表示同雨型不同土层间差异显著(p＜0.05)) Fig. 5 Soil moisture content of film mulching in different tapes of rainfall |
覆膜条件下3种不同降雨类型中土壤含水量均随土壤深度的增加而增加, 且土层越深差异越小.不同降雨类型下土壤含水量变化幅度不同的原因可能是, 雨量较小时, 覆膜可阻挡雨水下渗(Wang et al., 2015), 使表层土含水量显著低于更深层.而随雨量的增大, 土壤中下层产生径流(Peng et al., 2012), 使3层含水量之间的差异变小.也有研究表明, 作物生长后期发生降雨和灌溉后, 垄作覆膜会增加0~1 m处的土壤含水量(Gu et al., 2016).
用线性回归方程分别拟合3层土壤含水量与降雨量之间的关系, 决定系数分别为0.87、0.69和0.15(图 6).土层越深线性拟合效果越差, 土壤含水量受降雨的影响越小.土壤含水量受降雨和剧烈蒸发的影响较大, 降雨和蒸散发对更深层次土壤水分的影响相对较弱(王燕培等, 2014).
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| 图 6 覆膜条件下各层土壤含水量随降雨量的变化 (图中不同小写字母表示覆膜条件下不同雨型间差异显著(p＜0.05)) Fig. 6 Change of soil moisture content under different rainfall conditions with mulching in each soil layer |
运用双因素方差(two-way ANOVA)分析, 分析覆膜与降雨对0~30 cm土壤NO3--N淋失量的影响(表 5).结果表明, 覆膜与降雨均显著影响0~30 cm淋失量, 二者的交互作用也显著影响0~30 cm淋失量(R2=0.998).
| 表 5 覆膜与降雨对0~30 cm土壤NO3--N淋失量的双因素方差分析 Table 5 Two-way ANOVA on the effects of film mulching and rainfall on soil leaching of NO3--N in 0~30 cm |
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为便于分析覆膜对NO3--N淋失的影响, 排除降雨因素的干扰, 选取实验期间无降雨较长的时段(6月10日—22日, 属拔节期), 分析覆膜与无覆膜处理在该时段内土壤NO3--N淋失的变化(图 7).结果表明, 覆膜可降低0~10、10~20 cm土层中的NO3--N淋失量, 分别降低40.74%、24.48%, 但会加剧20~30 cm的淋失.6月13日后, 两处理土壤NO3--N淋失量均随深度增加呈明显增长的趋势.
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| 图 7 无降雨时覆膜与无覆膜土壤NO3--N淋失量的动态变化及平均值 (图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(p＜0.05)) Fig. 7 Dynamic change and average of soil leaching of NO3--N in plastic film mulching and no mulching under no rain condition |
覆膜条件下0~10 cm土层中NO3--N浓度最高, 具有表聚现象(张仙梅等, 2011), 覆膜能增加表层土壤N含量, 减缓土壤中NO3--N向下运移(Wang et al., 2016), 降低土壤中N素淋失的风险(Zhang et al., 2012).周茂娟等(2009)认为覆膜可显著降低耕作层(0~20 cm)土壤NO3--N含量, 且随着土层深度的增加, NO3--N含量显著降低, 这与本研究结果存在差异, 原因可能是不同作物根系分布及生长习性不同.
3.2.3 降雨对覆膜土壤NO3--N淋失的影响不同降雨类型下覆膜土壤NO3--N淋失量如图 8所示.可以看出, 小雨条件下的土壤NO3--N淋失量随深度变化趋势与无降雨时相近, 均随土壤深度的增加淋失量增多.小雨条件下的NO3--N淋失量具体表现为, 10~20比0~10 cm高25.93%, 20~30比10~20 cm高870.59%, 0~10、10~20 cm显著低于20~30 cm.中雨时, 0~10、20~30 cm NO3--N淋失量均高于10~20 cm, 分别为其1.75、8.41倍.暴雨时, 0~10、20~30 cm分别比10~20 cm低18.97%和60.69%, 且三层之间无显著差异.
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| 图 8 不同降雨类型下覆膜土壤NO3--N淋失量 (图中不同小写字母表示覆膜条件下同雨型不同土层间差异显著(p＜0.05)) Fig. 8 Soil leaching of NO3--N of film mulching in different tapes of rainfall |
不同降雨类型对覆膜土壤中NO3--N淋失量的影响主要与其NO3--N含量及水分有关(Tan et al., 2013).小雨及中雨条件下, 垄作覆膜能够通过集水、抑蒸作用(Myrbeck et al., 2014), 促进沟内土壤NO3--N随水分向深层入渗.暴雨时, 由于短时间内的强降雨产生较大径流(Peng et al., 2012), 积累的NO3--N随径流流失, NO3--N的淋失减少.
3.3 土壤水分与NO3--N淋失的关系选取玉米生长期内每次取样时测得的土壤含水量与NO3--N淋失量的值进行相关分析(表 6).结果表明, 两处理0~10 cm土壤含水量与NO3--N淋失量的相关性均达到显著水平(p＜0.01)；10~20 cm两者相关性均达显著水平(p＜0.05)；CK的20~30 cm两者相关性达显著水平(p＜0.05), 但T1的两者相关性未达到显著水平(p>0.05).由此可见, 土壤中NO3--N的淋失受土壤含水量的影响, 且随土壤深度的增加含水量对淋失的影响减弱.
| 表 6 土壤含水量与NO3--N淋失量的相关关系 Table 6 Correlation between soil moisture content and leaching of NO3--N |
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有研究表明, 降雨强度是影响营养盐淋失的关键因素之一, 在不出现径流的情况下, 降雨强度越大, 水分下渗速率和NO3--N淋失速率也越快(高海鹰等, 2008).原因是在土壤体系中, 水是养分运移的载体, 所以土壤供水量越高, 土体NO3--N的淋失量越大(Adhikari et al., 2013).水的重力作用是NO3--N淋失的驱动力(Xu et al., 2013), 土壤水分与NO3--N淋失量呈显著正相关, 随着土壤表层含水量升高, NO3--N淋失增多(张学军等, 2014).王珍等(2013)运用三维Copula函数, 得出田间尺度砂壤土的NO3--N淋失率与饱和导水率和初始含水率均呈显著正相关关系.NO3--N淋失量也与灌水强度呈正相关, 灌水水平直接决定NO3--N淋失量, 影响其淋失深度(Ji et al., 2014).可见, 前人对不同水处理下土壤NO3--N含量影响的研究结果基本一致, 这些研究结论在本实验中也得到了验证.
4 结论(Conclusions)1) 土壤含水量与NO3--N淋失量均随土层加深呈明显增长的趋势.与无覆膜相比覆膜可降低0~10、10~20、20~30 cm土层中的含水量, 也会降低0~10、10~20 cm土层中的NO3--N淋失量, 但会加剧20~30 cm淋失NO3--N的淋失量.
2) 不同降雨类型对覆膜土壤含水量和NO3--N淋失的影响有区别.土层越深土壤含水量受降雨的影响越小.小雨及中雨时, 垄作覆膜能促进沟内土壤NO3--N随水分向深层入渗；暴雨时, 由于短时间内的强降雨产生较大径流, 积累的NO3--N随径流流失, 减少NO3--N的淋失.
3) 对该流域土壤含水量与NO3--N淋失量的关系进行进一步研究, 结果表明, 土壤中NO3--N淋失受土壤含水量的影响, 且随土层加深含水量对NO3--N淋失的影响减弱.
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