不同灌溉量與施氮量下稻田裸地氮素運(yùn)移規(guī)律

馬艷寶，童菊秀，馬 越，劉 聰

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083）

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)尿素的需求量不斷增長(zhǎng)，但研究發(fā)現(xiàn)過(guò)多的尿素投入并不會(huì)提高農(nóng)作物的品質(zhì)，還會(huì)造成資源浪費(fèi)與環(huán)境污染等問(wèn)題[1,2]。且我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨水資源供求矛盾的挑戰(zhàn)，灌溉水利用率較低[3,4]。近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越重視施氮量與灌溉量對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響，有學(xué)者研究了不同灌溉方式與施氮量時(shí)，土壤中無(wú)機(jī)氮及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度分布[5]。在中國(guó)江漢平原，減少氮肥施用量能顯著降低總氮（TN）與總磷（TP）的淋失，并維持或提高水稻產(chǎn)量[6]。有人基于15N 示蹤方法，分析了不同水肥處理下氮素在稻田中的時(shí)空分布、運(yùn)移、揮發(fā)及淋溶損失規(guī)律[7]，但其取樣間隔時(shí)間太長(zhǎng)，沒有詳細(xì)地分析氮素分布規(guī)律。已有的研究大多分析不同水氮處理對(duì)作物產(chǎn)量、氮素利用及經(jīng)濟(jì)效益的影響[8-12]，較少對(duì)土壤水與地表水中氮素的分布規(guī)律以及氮素運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述。因此，本文選取不同灌溉水量與不同施氮量時(shí)的5塊裸田，在每次施氮后進(jìn)行密集取樣，詳細(xì)分析不同田塊中地表水與土壤水中氮素濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律，并根據(jù)水稻的對(duì)氮素吸收的特性，在種植水稻前選定了適宜當(dāng)?shù)氐乃使芾砟Ｊ?，此研究可為?dāng)?shù)毓?jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)面源污染防治提供一定的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概括

試驗(yàn)于2020年10-12月在湖北省荊門市武漢大學(xué)農(nóng)谷試驗(yàn)研究基地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于東經(jīng)112°47′～112°58′、北緯30°42′～31°05′之間的鄂中地區(qū)，地勢(shì)東北高、西南低，該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.3 ℃，平均降雨量為1 112.4 mm，溫暖多雨，相對(duì)濕度為77%，全年日照時(shí)數(shù)約為1 873.2 h，全年蒸發(fā)量1 339.2 mm 左右，試驗(yàn)區(qū)基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 為試驗(yàn)區(qū)5 塊農(nóng)田的總體布置圖，田中均未種植水稻，每塊田塊大小為15 m×7 m，試驗(yàn)田間用混凝土隔開，田埂高20 cm，氮肥種類為尿素（總氮含量＞46%）。田1 與田5采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民推薦的田間施氮量（613.2 kg/hm2），其余三塊田則減少30%的施氮量（429.3 kg/ hm2）。田1～田3 采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)灌溉量（約11 139 m3/hm2），田4 與田5 采用干濕交替節(jié)水式灌溉，灌水量較常規(guī)式灌溉約減少22.9%（約8 587.5 m3/hm2）。除了田2 的兩次施肥比為8∶2 外，其余四塊田均為6：4，試驗(yàn)田第一次施氮肥時(shí)間為2020年10月3日，第二次施氮肥時(shí)間為2020年10月19日，在地面無(wú)積水后施氮肥，施氮量及灌溉總量見表2，試驗(yàn)期間平均溫度與各田塊補(bǔ)給水量隨時(shí)間的變化見圖2。試驗(yàn)從第一次施氮肥灌水后的第1 d 開始，在曬田前田塊1～田3 一直處于淹水狀態(tài)，田塊4 至田5 處于干濕交替的狀態(tài)，田塊1～田5 從第23 d 開始曬田，曬田后都采用干濕交替灌溉。根據(jù)水稻根系分布特征，本研究在0～30 cm處取土壤水樣，分3層為0～10、10～20和20～30 cm[13,14]。

表2 各田塊施氮量及灌溉總量

1.3 水樣的收集與測(cè)量

田間地表水樣用60 mL注射器進(jìn)行抽取，土壤水樣用PVC取樣管A、B 和陶土頭取樣裝置獲取，具體構(gòu)造見圖3，取樣時(shí)間間隔在曬田前為1～2 d，曬田后為7～10 d，所取水樣為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要在24 h 內(nèi)測(cè)定完，測(cè)定前通過(guò)真空抽濾裝置用孔徑為0.45μm 的濾膜將水樣中的懸浮物雜質(zhì)濾除，再添加相應(yīng)化學(xué)試劑進(jìn)行測(cè)量，水樣檢測(cè)方法見表3。

表3 水樣檢測(cè)方法

PVC 取樣管A 與B 結(jié)構(gòu)一致，分別在各田塊中的位置不同。在圖3（a）中，PVC 取樣管頂部與底部均帶有堵帽，防止管底水與雨水滲漏進(jìn)去，上堵帽處鉆有直徑6 mm 的小孔，將6 mm 粗的軟管深入PVC 管內(nèi)，一直延伸到底部，在距PVC管底部約5～8 cm 的管壁上均勻鉆取三排直徑約為3 mm 的小孔，取樣時(shí)通過(guò)使用60 mm 注射器抽取軟管來(lái)抽取進(jìn)入PVC管內(nèi)的土壤水。圖3（b）中的陶土頭是一種專業(yè)的取土壤水裝置，通過(guò)壓力泵使負(fù)壓瓶?jī)?nèi)形成負(fù)壓，從而使土壤水通過(guò)陶土頭進(jìn)入負(fù)壓瓶中，在試驗(yàn)開始的前一周時(shí)將PVC 自制管與陶土頭預(yù)埋到田間相應(yīng)的位置，之后田內(nèi)保持自然狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表水三氮濃度變化規(guī)律

在第一次施氮肥后的16 d 進(jìn)行第二次施氮肥，第二次施氮肥1 d 后地表水濃度就明顯增大，第3 d 時(shí)達(dá)到峰值，隨后開始下降。田2 由于第二次施氮量很小，故地表水濃度增加較小，在第二次施氮肥后減少灌溉量，田1～田5 地表水中濃度都比第一次施氮肥要高。田5 中地表水濃度依然大于田1，雖然田3 灌溉量大于田4，但田3 的濃度在第17 d 與18 d 卻高于田4，這是田4 在這兩天的硝化作用比田3強(qiáng)而導(dǎo)致的。

由圖4（b）可見，在第一次施氮肥后3 d 內(nèi)，田1～田5 中地表水濃度沒有明顯變化，遠(yuǎn)低于此時(shí)地表水濃度，隨后濃度不斷增大，在第7 d 達(dá)到峰值，之后開始下降，在第15 d的時(shí)候田1～田5的地表水濃度下降變慢，這是由于12 d 與14 d 灌水量減小，減小了氮素的稀釋與淋溶作用，同時(shí)增強(qiáng)了硝化作用。田4 與田5 灌溉量小，降低了的淋溶作用，同時(shí)地表水濃度較高，田間的干濕交替狀態(tài)導(dǎo)致硝化作用強(qiáng)烈，所以地表水濃度較高，同理田4 地表水濃度高于田3。田1 與田2 中地表水濃度較小，田塊大多時(shí)候處于淹水狀態(tài)，不利于硝化作用，因此地表水濃度較小。

由圖4（c）可見，在第一次施氮肥后5 d 內(nèi)，由于地表水濃度較小，地表水和未分解的有機(jī)氮占總氮的大部分，隨著氮素的流失，各田塊地表水TN 的濃度不斷降低，接著由于地表水濃度快速增大，各田塊地表水TN濃度略增大，之后隨著地表水與濃度的不斷降低，各田塊地表水TN 的濃度也不斷降低。第二次施氮肥由于減少了灌溉量，各田塊地表水TN 濃度急劇增高，田2 施氮量最少灌溉量最多導(dǎo)致濃度上升的很小，各田塊峰值出現(xiàn)的時(shí)間與地表水出現(xiàn)的峰值較為接近，隨后濃度不斷降低。在曬田后，各田塊地表水的濃度很低，地表水TN主要由組成，故灌水后地表水TN 濃度增大，田5 地表水濃度最高，因此其地表水TN濃度也最高。

2.2 土壤水三氮濃度變化規(guī)律

2.2.1

2.2.2

2.2.3 TN

各田塊不同深度土壤水TN 濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示。在圖7（a）中，第一次施氮肥后23 d 進(jìn)行曬田，之后各田塊10 cm 深度處土壤水TN 濃度與濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律相似，在曬田后田5 土壤10 cm 處的TN 濃度大于田4，在大約40 d 后，田4 中土壤10 cm 處TN 濃度又大于田5，這與田4～田5 在10 cm 深度處的濃度變化一致，可見曬田后，含量在TN 中占主要部分。由圖7（b）～圖7（c）所示，在23 d 曬田前，各田塊20 cm 與30 cm 深度處的TN 和濃度變化的總體趨勢(shì)一致，每次施氮肥后濃度都會(huì)增加，不同的是，田5 在20 cm 深度處的TN 濃度要大于田1，而濃度卻低于田1，濃度差別不大，可能是田5中含有較多的有機(jī)氮。在曬田后，土壤吸附的轉(zhuǎn)化為，因此增加了土壤水中的TN 濃度，在曬田后減少灌溉量后，TN 下降趨勢(shì)變緩，甚至田3～田5 中20 cm 和30 cm 處的TN 濃度略微增加，可見各田塊在曬田后20 cm 和30 cm 處的TN與濃度變化趨勢(shì)大致上相似。

3 結(jié)論

（3）在曬田前，各田塊20 cm 和30 cm 深度處土壤水的TN濃度變化趨勢(shì)與相似，是TN 的主要成分。在曬田后，各田塊地表水與不同深度土壤水中濃度較低，土壤水與地表水的TN 的變化趨勢(shì)與相似，是TN的主要成分。

（4）在進(jìn)行施氮肥灌水時(shí)應(yīng)盡量避開強(qiáng)降雨天氣，在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行稻田種植時(shí)，預(yù)期田4的水肥模式是最好的處理方式。