华北潮褐土区露地菜地氮磷淋溶特征及阻控措施研究

摘要

农业生产中氮肥不合理施用是造成面源污染的主要原因之一，蔬菜种植地由于水肥投入不合理引起的土壤氮素淋溶问题更为严重。为研究华北地区典型露地菜地不同水氮管理措施下氮素淋溶特征及不同的阻控措施对减少氮淋溶的效果，在华北露地菜地（黄瓜-白菜1年两作）设置了不同氮肥水平、控制灌溉量、配施有机肥、以及在减氮20％基础上添加氮肥增效剂（脲酶抑制剂和硝化抑制剂、生物炭）和秸秆还田等阻控措施，研究不同水氮管理措施下的氮素淋溶特征，并对关键处理的磷素淋溶也进行了监测。淋溶测定采用渗漏池法（80cm深度），并在土壤剖面不同深度安装了陶土头监测不同深度土壤溶液中硝态氮的浓度变化。此外，分析测定了河北清苑、河南栾川和北京昌平三个代表性地区露地菜地土样的磷素淋溶临界值，确定该地区磷素淋溶阈值。本文得出的主要结论如下: (1)不同形态氮素淋溶特征:黄瓜-白菜生长期间，淋溶的氮素以硝态氮为主，占80cm土体全年总氮淋溶量的86.9％-94.1％;其次是有机氮，占淋溶量的6.3％-14.6％;淋溶的氮素中，铵态氮最少，占全年总氮淋溶量不到1％。 (2)不同措施总氮淋溶特征:在农民常规施肥水平（780kgN/ha/season）下，全年淋洗出80cm土体的全氮为585.3kgN/ha，占施氮量的37.5％，总氮淋失量和施氮量呈显著线性关系;其中黄瓜季、瓜菜过渡季以及白菜季的氮淋溶分别占27.8％、20.0％和52.2％。在常规施氮量上减氮20％和50％，全年总氮淋溶量可分别减少18.3％和43.0％。在减氮基础上添加双抑制剂(N2I)、生物炭(N2B)和秸秆还田(N2S)，总氮淋洗量分别比N2处理减少23.5％、15.3％和7.1％。减氮20％基础上减少灌溉量20％(N2LW)可使80cm土体总氮淋溶量降低38.4％。由于基肥施肥方式为种植行上小高畦开沟施肥并覆土，有机肥和无机肥配施对减少氮淋溶量未显示显著影响。 (3)不同措施淋溶液中硝态氮浓度特征:土壤80cm深处淋溶液中硝态氮浓度在春黄瓜种植期间为在4.8-88.6mg/L之间，白菜季种植期间在14.0-114.8mg/L之间，硝态氮浓度随着施肥量增加而明显增加;减氮20％(N2)和减氮50％(N3)分别减少全年平均淋溶液硝态氮浓度20.3％和46.7％。不同阻控措施(N2I、N2B、N2S、N2LW)对降低淋溶液中硝态氮浓度也有一定效果（降低1.6％-18.9％）。 (4)不同深度土壤淋溶液硝态氮浓度特征:20cm、50cm和80cm深度土壤溶液中硝态氮浓度在黄瓜季分别在28.1-257.8mg/L、16.1-73.8mg/L和9.4-55.0mg/L之间，总体趋势是处理N3＞N2＞N2LW;N3处理50cm和20cm处淋溶液的硝态氮平均浓度分别是80cm处浓度的1.5倍和4.8倍。在整个黄瓜季土壤溶液硝态氮浓度明显随着深度的增加而降低，表层20cm处浓度远远高于深层，特别是在最后两次追肥阶段。白菜季50cm、80cm、100cm各层土壤溶液硝态氮浓度分别在10.0-241.7mg/L、47.2-167.5mg/L和10.8-138.0mg/L之间，农民常规施肥处理(N3)在基肥和两次追肥阶段，土壤淋溶液中的硝态氮浓度都是随着深度的增加而显著线性减少;N3处理50cm和20cm处淋溶液的硝态氮浓度分别是80cm处浓度的1.7倍和2.2倍。 (5)土壤剖面硝态氮积累动态及特征:蔬菜生长期间，土壤剖面0-20cm、20-40cm、40-60cm各层次土壤硝态氮含量随时间和追肥进程呈逐渐升高趋势，黄瓜季含量分别在3.6-191.6kgN/ha、6.3-145.2kgN/ha和2.7-114.7kgN/ha之间。土壤剖面硝态氮含量随着深度的增加而明显降低，农民常规施肥处理N3整个生长季土壤0-20cm和20-40cm层次的平均含量分别是40-60cm的1.6倍和1.3倍。蔬菜收获后农民常规施肥处理N3土壤0-80cm中无机氮(Nmin)含量在黄瓜季和白菜季分别为327.6kgN/ha、354.9kgN/ha。相比N2处理，减少施肥量(处理N1、N2)后土壤无机氮含量降低，在减氮20％基础上添加增效剂（双抑制剂、生物炭）和秸秆还田、减少灌溉都增加了两季蔬菜的土壤无机氮含量。 (6)淋溶液中磷的淋失:80cm深度土壤淋溶液中磷的含量很低，在整个蔬菜季，淋溶液中全磷浓度均＜1mg/L，各处理在整个蔬菜季平均总磷淋溶量为1.28kg P2O5/ha，占施磷量的0.16％。添加生物炭和秸秆还田对减少磷淋溶有一定的作用。三个不同质地褐土中，河南栾川菜地Olsen-P淋溶临界值为114.9mg/kg;河北清苑菜地Olsen-P淋溶临界值为105.3mg/kg;北京昌平菜地磷素淋溶临界值为117.3mg/kg，其临界值与土壤本身的特性（如钙、铝、铁等含量）有关。 (7)作物产量及吸氮量:相比常规施肥处理，除了减氮50％处理(N1)降低了蔬菜产量外，其余施肥处理对蔬菜产量都没有显著影响。各处理间除了黄瓜季N1处理吸氮量显著低于其它施氮处理外，其余施氮处理之间吸氮量无显著差异。黄瓜季各施肥处理间氮肥利用率在12.3％-18.1％之间，白菜季氮肥利用率在10.7％-22.9％之间。施氮量的增加在一定程度上增加了P、K养分的吸收量和养分利用率，添加双抑制剂和生物炭处理效果最为明显。 (8)氮素表观平衡:若氮素损失仅考虑淋溶损失来计算氮平衡，用“N输入-N输出-N素淋溶=N平衡”公式来计算两季蔬菜的氮素表观平衡，黄瓜季除了对照不施肥处理，其余施肥处理土壤中氮素都有不同程度的盈余;白菜季各处理各有盈缺，农民常规施肥处理土壤氮素盈余最多，其余阻控措施各有盈缺，其中在减氮20％上秸秆还田处理氮素盈余量最接近平衡。其它途径的损失（如氨挥发、硝化反硝化等）也需同时关注，以更全面评估施肥策略。