荒漠绿洲井灌农田砂质土壤氮素淋失规律研究
梁浩1，胡克林1，李保国1，张源沛2
( 1． 中国农业大学资源与环境学院，农业部华北耕地保育重点实验室，北京100193; 2． 宁夏农林科学院农业生物技术中心，银川750002)
提要: 应用土壤－ 作物系统模型模拟分析了内蒙古阿拉善地区不同水肥管理模式( 传统和改进) 下的土壤水分动态、氮素淋失以及春玉米生长过程。结果表明，当前农民传统水肥管理的水分渗漏量和氮素淋失量非常大，分别达到了303mm 和179kgN/hm2 ，而改进处理的水分渗漏量和氮素淋失量约是传统处理的一半。两种管理模式的水分利用效率差别不大，而氮素利用效率差异较大，分别为25.3 和32.5kg /( kg N) ，改进模式要明显好于传统模式。
关键词: 荒漠绿洲；砂质土壤; 氮素模型; 硝酸盐淋失; 水肥优化
绿洲是干旱地区人民生存和生产的载体。阿拉善左旗为典型的干旱荒漠区绿洲之一，目前该地区面临着水资源严重短缺和地下水硝酸盐污染的问题。该地区土质普遍偏砂，保水保肥性差，加上化肥施用过量，氮素淋失十分严重，已造成了部分地下水硝酸盐含量超过100mg N/L，远远超过了国家规定的饮用水标准，严重威胁着当地人畜的安全。国外有关农田氮素淋失规律的定量化研究很多，在这里不再详细叙述，可参考有关文献［1，2］。我国从20 世纪90 年代初期才开始应用数学模型开展土壤氮素淋失规律的研究。黄元仿等［3］应用土壤水热氮联合运移模型对北京郊区一块冬小麦地的硝酸盐淋失进行了研究。李平等［4］定量化研究了再生水灌溉对春玉米地氮素运移的影响。王欢元等［5］应用WNMM 模型分析了不同水氮管理模式下的氮素淋失特征。王相平等［6］将土壤水氮迁移转化与作物生长过程耦合，对北京通州区冬小麦季的氮素淋失进行了分析。Wang 等［7］使用SWAT 评估了白洋淀地区集约化种植模式下的硝酸盐淋失风险。李晓鹏等［8］应用DNDC模型模拟了天然文岩渠流域的农田水分渗漏与硝酸盐淋失。Li 等［9］研究了封丘县域尺度下的氮素淋失特征。高海鹰等［10］采用LEACHM 模型研究了不同降雨强度下菜地土壤氮素的淋失规律。另外一些学者对淹水条件下南方稻田土壤氮素的流失规律进行了研究［11 － 13］。
综上所述，当前我国有关农田氮素淋失规律的研究主要集中在华北平原小麦－ 玉米轮作区和南方稻麦轮作区，而在我国西北荒漠绿洲区的研究还很少见。因此，文中以内蒙古阿拉善左旗荒漠绿洲作为研究对象，研究该地区单季作物( 春玉米) 种植条件下砂质土壤氮素的淋失规律，为揭示荒漠绿洲地区浅层地下水硝酸盐富集的主要来源提供科学依据，对于该地区水土资源可持续利用及环境保护均具有十分重要的现实意义。
1 材料与方法
1． 1 研究区概况
阿拉善左旗位于内蒙古东南部，东经103°21' － 106°51'，北纬37°24' － 41°52'。全旗总面积8.04 万km2。总地势东南高、西北低，平均海拔800 － 1500m。该区属温带干旱荒漠区，以风沙大、干旱少雨、日照充足、蒸发强烈为主要特点。多年平均降雨110mm，年平均蒸发量3100mm，年均日照时数3316h，年均气温7． 2℃，主要作物春玉米占到了播种面积的70%。
1． 2 试验设计
供试作物为春玉米，2005 年播种日期为4 月20 日，株行距为30cm × 40cm，5 月10 日出苗，9 月26 日收获。试验田设计了两种水肥处理: 传统处理( T1) 根据当地农民习惯来进行灌溉施肥。改进处理( T2) 的灌溉和施肥量根据当地环境条件结合专家的经验来决定。
灌溉处理: 灌溉方式均为畦灌，灌水日期分别为6 月3 日、6 月21 日、7 月11 日、8 月5 日和8 月29日。T1 处理的每次灌水量均为165mm; T2 处理的5 次灌水量分别为105、135、135、135 和120mm。施肥处理: 两个处理均在4 月15 日施基肥磷酸二225kg /hm2 ( 40． 5kg N/hm2 ) ; T1 处理仅在第一次灌溉时追施尿素300kg /hm2。由于该区地下水中硝酸盐含量高达26． 5mg N/L，T2 处理减少了灌水量，必然会导致随水带入的氮大量减少，为了不影响作物产量，因此，T2 处理分别在第一次和第三次灌水时追施尿素300kg /hm2。每个处理5 次重复，共10 个小区，小区面积为20m × 20m，采用随机区组设计。
1． 3 测定项目和方法
试验前开挖了土壤剖面，取样测定了土壤剖面各层基本理化性质。每个小区均埋设了时域反射仪( TDＲ) 测管，剖面水分测定间隔为10cm，每4 － 7 天测定一次; 分别在5 月1 日、6 月30 日、8 月5 日和9 月26 日取剖面土样( 0 － 180cm) ，用1mol /l KCl 浸提，采用流动分析仪测定土壤无机氮含量。同时观测了作物主要生育期的叶面积指数、地上部干物质重、植物全氮、根长并测产。每次灌溉时取水样测定硝态氮含量。逐日气象资料来源于阿拉善左旗吉兰泰气象站。
1． 4 WHCNS 模型简介
本研究所采用的模型是农田生态系统水热碳氮过程耦合模型( WHCNS，soil Water Heat Carbon and Nitrogen
Simulation) ，该模型可以用来模拟土壤水分运动及碳氮循环的关键过程，包括地表径流、土面蒸发和作物蒸腾、水分动态、土壤温度、氮素迁移与转化、作物生长过程以及农田管理措施等，模型详细原理见参考文献［14］。
1． 5 模型参数
1． 5． 1 土壤水力学和溶质运移参数
水分特征曲线，θ( h) 和非饱和导水率k( h) 分别使用van Genuchten 和Mualem 模型来描述，拟合的模型参数值( 表1) 。铵态氮和硝态氮在自由水中的扩散系数均取值为1． 2cm2 /d; 0 － 40cm 土层纵向弥散系数取值2． 0cm，40 －180cm 取值10cm。
1． 5． 2 土壤碳氮转化参数
氮素各转化参数参考Daisy 模型默认值，并根据实际情况进行了校准，最大硝化速率V*n,设置为10g /( m3 d) ，硝化半饱和常数Kn 设置为50g /m3，Kd经验常数代表土壤可反硝化的硝态氮占总硝态氮的比例，设为0． 1，反硝化经验常数α*d设置为0． 1。本研究有机质库的分解速率和各个有机质库分配系数主要来源于参考文献［14］。
1． 5． 3 作物参数
根据相关研究［15］，春玉米前期、中期和后期的作物系数分别为0． 45、1． 25 和0． 8。春玉米生长发育所需积温为1850℃，上下限温度分别为35℃和10℃，叶片生长发育所需积温为1100℃，其最大和最小叶比叶面积分别为32和12m2 /kg，消光系数为0． 6。参考有关文献［16］给出了春玉米同化物向根、茎、叶、穗各个功能器官的转化效率及各器官的维持呼吸速率，以及不同生育期同化物向各器官的分配系数。
2 结果与分析
2． 1 模型验证
模型模拟计算时段为4月18 日～ 9 月30 日，先用T1处理的实测土壤和作物资料来率定土壤水分和氮素转化与运移参数，再用T2 处理的实测数据来验证模型。图1给出了T2 处理土壤含水量和硝酸盐含量的模拟值与实测值的对比图。土壤剖面土壤含水量和硝态氮含量模拟的相关系数分别为0． 618 和0．725，模拟值与实测值有较好的相关性。
从图2 可以看出，模型模拟计算的总干物重、叶面积指数和作物吸氮量与实测值也均比较满意，它们的均方根误差分别为2011kg /hm2、0． 49m2 /m2 和58． 6kg N/hm2，另外，三者的一致性指数［14］均在0． 93 以上，说明模型模拟结果比较满意。因此，该模型可用来分析该地区的水分渗漏、氮素淋失和作物生长发育过程。
2． 2 土体水分渗漏和硝酸盐淋失动态
图3 是传统和改进处理下的水分渗漏和硝酸盐淋失动态过程。由图可知，180cm土体的水分渗漏和硝酸盐淋失主要发生在5 次灌溉后，其中第二次灌溉后T1 和T2 处理的水分渗漏量最大，分别达到105mm 和48mm，占到了总渗漏量34． 6% 和34． 5%;T1 和T2 处理的硝酸盐淋失分别为51 和27kg N/hm2，分别占到了硝酸盐淋失总量的28． 7% 和30．9%，其主要原因是土壤前期比较干燥，第一次灌溉主要补充了土体的水分，第二次灌溉时( 6 月21日) 作物处于苗期，对水分和养分的需求比较少，故灌溉后很容易发生渗漏。而到了抽雄期( 7 月15 日) 以后，春玉米生长旺盛，根系下扎深，对水分和养分的需求也较大，故后3 次灌溉后渗漏量明显减少。另外，硝酸盐淋失和水分渗漏几乎同时发生，这与灌溉水中含有高浓度的硝酸盐有关。
2． 3 土壤水氮平衡分析
从水分平衡的结果来看( 表2) ，作物需水量主要靠灌溉来满足。蒸散量是水分的主要消耗项，水分渗漏量差异较大，T1 处理的渗漏量达到了303mm，大约是T2 处理的两倍，分别占到了来水总量的32． 7%和19． 1%。它们的水分利用效率( WUE) 分别为2． 1 和2．2kg /m3，相对于华北平原来说，还是比较高的［5］。
如表2，农田氮素的收入项主要有施肥、灌溉和降雨带入的氮素，施肥和灌溉是土壤氮素的主要来源。作物吸收是氮素的主要支出项，T1 和T2 处理的作物吸氮量差别不大，分别为258 和256kg N/hm2。通过氨挥发和反硝化损失的氮素非常少，主要的损失途径是硝酸盐淋失，T1 和T2 处理的硝酸盐淋失量分别达到了179 和86kg N/hm2，占各自总氮来源35． 3% 和14． 6%。改进处理的氮素利用效率( NUE) 比传统处理提高了约30%。
3 讨论
大多数研究表明，水分渗漏和硝酸盐淋失主要与降雨、灌水量、灌溉方式、施肥量、施肥方式土壤性质及种植制度
等因素有关［5 － 13］。本研究仅仅考虑了灌溉和施肥量的不同，发现该地区的水分渗漏和硝酸盐淋失量远大于华北平原和南方一些地区［5，7 － 12］，这与该荒漠绿洲地区降雨量很少( 94mm) ，主要依靠地下水灌溉有关，当地农民的灌水量高达830mm，远远高于华北平原一年两作的400 － 500mm 灌水量［13，14］，水分渗漏量大导致硝酸盐的淋洗量也大。另外，与该地区土壤质地偏砂有关，砂土的持水能力很差，但导水能力强，很容易导致水分渗漏和硝酸盐淋失，这与其它一些砂质土壤上所得到的硝酸盐淋失规律是一致的［17，18］。另外，本研究发现氮素淋失量和水分渗漏呈现抛物线关系，其主要原因也与土壤质地偏砂有关，同时灌溉水中富含高浓度的氮素，随渗漏水几乎同时进入到地下水，这也是导致该地区地下水硝酸盐含量很高的主要原因［18］。
一些研究指出农民习惯的水氮投入如果能减少30 － 60%，氮素淋失损失最大能减少50% 以上［5，17 － 18］。优化的水氮管理可以显著减少氮素淋失，特别是考虑作物需求的氮肥管理措施有助于提高氮素利用效率和减少氮素淋失［5，11 － 13，17，18］。本研究发现当灌水量从农民习惯的830mm 减少到改进处理的625mm 时，硝酸盐淋失量从179kg N/hm2 减少到86kg N/hm2，这与上述的报导是一致的。由于本研究所设置的两个处理的灌水量和施肥量均超过了作物的需求量，因此，该地区的水肥优化管理还需要进一步深入研究。
4 结论
文中应用模型对荒漠绿洲地区不同水肥管理措施下的土壤水分动态、氮素淋失以及作物生长过程进行了模拟分析，结果表明农民传统水肥管理的水分渗漏量和氮素淋失量非常大，分别达到了303mm 和179kgN /hm2，而改进处理的水分渗漏量和氮素淋失量分别下降到138mm 和86kgN /hm2，远远小于传统水肥管理，并且其水氮利用效率均有不同程度的提高。
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