旱地硝态氮淋失阻控措施研究进展

汪兆辉，张友良，冯绍元

（扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225000）

0 引 言

随着农业经济的发展，农业生产中对自然系统的氮素投入量在不断增加，过量输入的氮素投入引发一系列环境问题［1］。氮素平衡已经成为评价农业可持续发展和环境效益的重要指标［2］。农作物对氮素吸收效率低下以及土壤氮素大量残留，会导致氮素通过淋失和径流流失到地下水和河湖中［1，3］。据统计，在全世界不同程度退化的12亿耕地中约有12%是由农业面源污染引起的，而农田氮、磷流失是农业面源污染的主要原因［4］。农田氮素淋失，会不断提高地下水中硝态氮含量，对地下水造成污染，并且很难进行处理。大量研究表明硝态氮为氮素淋失的主要形态［5］。水、肥是影响硝态氮淋失最重要的两个因素［6］。同样也有学者认为氮、磷淋溶损失主导因素是气候或土壤变化，应因地制宜选择养分类型［7］。

硝态氮的淋失主要发生在旱作期间［8］。据估算，2011年全国农田总氮淋溶损失量为179.74 万t，其中，旱地总氮淋失损失量为164.19 万t［9］。全国水田总氮淋溶损失率为3.39%，旱地总氮淋溶损失率为9.98%［10］。由于旱地氮素淋失量大、淋溶损失率高，并且对地下水污染危害性大，旱地硝态氮淋失阻控措施研究受到了广泛的关注。

本文介绍了农田硝态氮淋失的基本过程，以及近年来旱地硝态氮淋失阻控措施的研究成果，并对研究中存在的问题加以总结，对未来旱地硝态氮淋失阻控措施研究方向进行展望。

1 农田土壤氮素淋失过程

氮素进入土壤后有着复杂的转化过程（图1），通过矿化吸附作用，有机态氮被转化为铵态氮，大部分铵态氮被土壤吸附，小部分被作物根系吸收；通过固化过程，化合和非化合的氮被作物固化；通过硝化作用，硝化细菌将铵态氮氧化为硝态氮；通过反硝化作用，硝态氮通过反硝化作用被还原成气态氮，挥发到大气中去［11］。

硝态氮是氮素淋失的主要贡献者［12］，大部分来源于硝化作用，主要有3 个去向，分别为作物吸收、土壤残留与氮素损失。土壤对于铵态氮具有明显吸附作用，铵态氮随着灌溉水入渗进土壤后，大部分被土壤固定，不易造成淋失。硝酸盐带负电荷，易溶于水，有较强的移动能力，又与土壤中同样有负电荷的矿质胶体及腐殖质相排斥。刘健等［13］通过室内土柱对3种质地的土壤进行模拟淋溶，发现3 种土壤硝态氮淋溶量占全氮淋溶量的60%以上，而铵态氮的淋溶量占全氮淋溶量不到15%。当土壤中存在积累的硝酸盐遇到下渗的水流时，就会造成硝态氮的淋失。

2 硝态氮淋失的阻控措施

2.1 灌溉施肥制度优化

土壤存在向下运移的水流和土壤剖面硝态氮积累都是造成硝态氮淋失的必要条件。硝态氮易溶于水，氮素淋失很大程度上受到灌水与降雨的影响。随着降雨量加大、灌水充分，土壤中水分增加，土壤硝态氮淋失量增加，硝态氮积累峰位置逐渐下移［15］；当灌水和降雨减少，土壤表面水分蒸发，硝态氮随着土壤水在毛管力的作用下向土壤表层运移。施氮量也是硝态氮淋溶的重要影响因素［16］，且施氮量与土壤硝态氮的积累量呈线性关系［17］。

增加灌水会使土壤浅层硝态氮浓度下降，深层硝态氮浓度上升［18］，过量灌水会导致深层渗漏，且灌水量越大，深层土壤硝态氮浓度越高。减少灌水量或者提高灌水频率都可以明显减少硝态氮淋失量。有研究表明减少灌溉用水量可以明显提高水分生产效率，使土壤硝态氮大部分存在于0～30 cm 耕作层，利于作物吸收，使深层渗漏与硝态氮的损失减小［19，20］。ANDRASKI 等［21］在威斯康星州的阿灵顿建立了4 个作物粪肥管理系统，发现灌水量减少15%可以减少17%的N素的泄漏。FANG等［22］认为较高的土壤水分会导致高排水量，使得高水分条件下的土壤NO3-N淋失量显著高于低水分条件。叶优良等［23］以甘肃省河西走廊灌区为试验地点，3种氮水平和高、低灌水量处理下，对3次灌水前、后0～200 cm 土壤硝态氮含量进行测定，发现灌水明显影响土壤硝态氮累积量，随灌水次数增加，土壤硝态氮累积量降低，而且在高灌水条件下土壤硝态氮累积量变化比低灌水量时大。

在同样的灌水量下，提高灌水频率可以减少土壤硝态氮累积淋失量。郭鹏飞等［24］在北方寒旱地区对不同滴灌频率处理下温室西葫芦土壤硝态氮分布进行研究，发现高频滴灌使土壤0～40 cm 的硝酸盐含量保持在一个相对合适的水平，40～80 cm土层中的硝酸盐含量相较低频灌水较低，可以降低氮的淋失风险。张志云等［25］发现硝态氮淋失与水分的深层渗漏具有近似同步的特征，高频灌水处理少量多次灌水，可以使土壤水分状况与作物需水规律较好吻合，有效地减少深层渗漏。

过量的施用氮肥会显著增加土壤剖面硝态氮累积量，无法被作物吸收利用的硝态氮向下运移，加重土壤硝态氮淋失。减量施氮可以在保证作物较高产量的前提下，实现硝态氮淋失的有效阻控。胡晓东等［26］研究温室滴灌黄瓜高、中、低3个施氮量水平对土壤硝态氮分布的影响，发现高氮处理的土壤硝态氮含量显著高于中、低氮处理，且40～80 cm 土层硝态氮有显著积累，而两个季度黄瓜产量高氮和中氮间处理均无显著性差异。茹淑华等［27］通过用数学模型对8 个周期小麦-玉米轮作田间小区的施氮量与土壤硝态氮累积量模拟，发现二者符合线性关系，施氮量（y）与土壤硝态氮累积量（x）的回归方程为y=1.34x+75.58（R2=0.84**），综合考虑施氮量对土壤硝态氮淋失与作物产量影响，提出华北平原区小麦-玉米轮作周期总施氮量应该控制在225～400 kg/hm2。

在农业生产中，将氮肥直接撒施在土壤表面是最常见的施肥方式。这种施肥方式下氮肥与土壤接触面积有限，氮素不能很好地被土壤吸附，肥料利用效率低下。在严格控制氮肥的施入量后，还需通过高效的施氮方式，将氮肥精准的施入作物根系土壤。QUIÑONES 等［28］以15N 标记的硝酸钾为试验肥料，对比漫灌施肥与滴灌施肥两种施肥方式下柑橘生长以及土壤硝态氮分布，发现滴灌施肥下柑橘树氮素利用效率（75.1%）显著高于漫灌施肥条件下（62.7%），漫灌施肥下土壤硝态氮含量显著高于滴灌施肥下，滴灌施肥可以提高作物氮素吸收效率以及减少潜在的土壤硝态氮淋失。王丽等［29］对滴灌水肥一体化（DIF）、微喷灌水肥一体化（MIF）和漫灌撒施（FIBF）下冬小麦土壤硝态氮含量进行比较，发现不同滴灌施肥处理下冬小麦生育期中土壤0～20 cm 硝态氮含量变化差异显著，小麦生育前期DIF 处理土壤表层硝态氮含量显著高于MIF、FIBF，不同灌水方式冬小麦各时期土壤硝态氮主要集中在0～60 cm，表现为DIF＞MIF＞FIBF，而土壤60～160 cm硝态氮含量FIBF处理最大。

综上，在满足作物生长所需水、需肥量的前提下，采用滴灌、喷灌等水肥一体化灌溉方式，实施少量高频灌水以及减量施肥，可以在获得作物较高产量的前提下，提高水分及肥料利用效率，同时减少硝态氮淋失量。

2.2 氮肥种类优选

合理的配制施用肥料种类，可以有效地调控土壤氮素平衡，减少氮素损失。土壤硝态氮主要来源于氮肥的施入，但是氮肥的种类繁多，且不同的种类氮肥施入下土壤硝态氮的积累量截然不同。尿素、铵态氮肥和硝态氮肥是灌溉施肥中经常使用的无机氮肥种类，施入土壤后的迁移和转化各不相同，土壤硝态氮淋失量差异显著，其中硝酸钾肥料氮素淋失率最高，显著高于尿素、硫酸铵和碳铵［30］。习金根等［31］采用室内土柱模拟的方法对不同种类氮肥在土壤中的迁移、淋溶和转化特征进行研究，发现3 种氮肥在2 种质地土壤中的淋失量均是硝态氮肥＞尿素＞铵态氮肥。

钾、氮、磷存在互作效应，氮、磷、钾配施可显著提高作物产量，增加干物质积累以及养分吸收，明显提高氮、磷和钾的利用率［32］，进而减少硝态氮淋失量。石健等［33］研究发现氮、磷、钾全量平衡施肥处理的大葱生长量及氮、磷、钾吸收量均显著高于其他施肥处理，不同施肥处理大葱对氮、磷、钾的吸收比例显著不同。薛晓辉等［34］通过长期肥料定位试验，发现单独施用磷肥对硝态氮积累没有显著影响，氮、磷配施可以显著减少土壤硝态氮的积累量，过量施氮即便配施磷肥，硝态氮也会发生淋失。张云贵等［35］试验发现氮磷或氮磷钾肥配施时，硝态氮峰值出现深度上移30～40 cm，根区和根区外土壤硝态氮累积量均大幅降低，淋失风险明显减弱，在氮磷或氮磷钾肥基础上适量施用有机肥时，硝态氮峰值出现深度进一步上移至根区土壤，深层土壤硝态氮累积量显著下降。

施用有机肥可以增加土壤有机质含量，改善土壤理化性质，提高土壤保水能力，提升土壤持续供肥能力，土壤有机质含量的高低直接影响着硝化作用的强弱。有研究表明，土壤有机质含量与全氮含量具有极显著的正相关性，并能在一定程度上减缓硝态氮的下移［36，37］。与纯施化肥相比有机肥代替部分化肥配施，可以提高作物产量，提高氮素利用效率，有效减少土壤硝态氮淋溶［38-41］。也有研究发现，灌区稻田常规施肥基础上增施有机肥，能够减少硝态氮向深层淋失，但60 cm 土层处硝态氮淋失量增加，为硝态氮的深层淋失提供了基础［42］。由于土壤质地、降雨和作物特性等条件的不同，有机肥种类及有机肥投入比例有不同要求。杨修一等［43］发现小麦田30%～50%有机肥替代化肥氮素，配合控释尿素施用，可以减少60～100 cm 土壤硝态氮淋溶，提高小麦氮素利用率和籽粒产量。吕凤莲等［44］也有类似的发现，经过小麦-玉米两个轮作年，有机肥代替75%化肥氮可以提高作物产量和氮效率，增加年经济效益，同时有效减少土壤硝态氮的残留量。

缓（控）释肥料（SRF）是一种新型的低碳经济增值肥料，被誉为21 世纪肥料工业的重要发展。缓（控）释肥料（SRF）有物理类型、化学类型以及综合型，SRF的物理类型使用半透水性涂层，隔绝肥料与土壤的直接接触，可以减缓肥料溶解到土壤中速度；SRF的化学类型可以减缓肥料的酶促水解速度，可以有效阻控土壤硝态氮的淋溶下移，减少下层土壤硝态氮的累积［45］。卢艳丽等［46］发现小麦地施用缓（控）释肥料可以在保证产量的情况下，减少土壤中硝态氮含量；玉米地施减量20%的缓（控）释肥料处理较常量施肥处理，肥料利用率与玉米产量显著提高。吴三鼎等［47］发现春玉米混施50%缓（控）释肥料与50%普通尿素，可使淋溶至深层的土壤硝态氮最少，对土壤硝态氮的淋溶阻控效果最佳。

2.3 改良土壤

土壤是一种非常复杂的、固、液、气互相作用的多相分散系统，这导致硝态氮在土壤中的运移也非常复杂。通过改变土壤含水率、孔隙度、扩散速率等土壤特性，改变土壤透气性、含水量及其有机质的含量，影响到氮素在土壤中的转化与运移速率。通过增加土壤中黏粒、粉细砂含量、添加外源添加剂和添加有机质等措施，可以提高土壤微小孔隙的比例，减低水分入渗能力，减少硝态氮淋失量。

土壤黏、粉粒含量显著影响氮素的淋溶，土壤硝态氮含量与黏、粉粒含量呈显著正相关［48，49］。土壤中粉粒含量越多，有机质越多，硝态氮越不容易淋失。土壤质地粗大、空隙越多，土壤剖面中互相连通的大孔隙通道就越多，硝态氮淋溶损失就越大。不同质地土壤相比，粘壤土根际及非根际土可溶性有机氮、游离氨基酸及硝态氮、铵态氮的含量均高于相应砂质壤土［50］。马革新等［51］发现一定施氮量下，壤土硝态氮分布的均匀性优于砂土，在20～40 cm土层硝态氮量高于砂土。同延安等［52］对硝酸盐淋失与土壤剖面粘粒含量的关系进行分析，发现粘粒较少的黄绵土，氮肥施入土壤后硝化作用速度快，氮素以硝态氮的形式积累在土壤中，当有过量灌水或者降雨，易引起硝酸盐淋失。

近年来，进行了越来越多的研究来寻找合适的外源性添加剂作为增强土壤氮吸收能力的改良剂［53］。新型节水保水材料（SAP）可以通过自身的吸水供水，形成的土壤团粒结构提高土壤黏粒含量，降低土壤容重，提高土壤微小孔隙比例，降低水分入渗能力，减少硝态氮淋溶量，提高氮的利用率［54］。付晨星等［55］发现施加水溶性高分子聚合物（PAM）和SAP 增加了根系层的持水和保肥能力，降低泥沙中总氮淋溶量达37.96%。

生物炭可以提高土壤持水能力，同时会增加土壤有机质含量和微生物的生物量，改变土壤细菌群落结构，从而减少硝态氮的淋失量，并且在一定范围内添加生物炭量与减少硝态氮淋失量正相关。Xu 等［56］通过土柱实验研究对比生物炭处理之后土壤氮素含量，发现施用质量比为2%、4%和8%生物炭，总浸出氮的累积量分别减少18.8%、19.5%和20.2%（P＜0.05），且总氮浸出90%以上以硝酸盐形式存在。但生物炭对硝态氮淋失的阻控效果受到使用年限的影响较大。LIU等［57］发现在土壤中添加新鲜生物炭后，土壤中的溶解有机质含量明显增加，生物炭老化后效果大大减弱。NGUYEN 等［58］发现生物炭对土壤氮素的吸附作用的有效期仅为1年，施入后的第一个月效果作为显著。

2.4 配施硝化抑制剂

除了肥料对土壤输入硝态氮外，土壤中大部分的硝态氮来源于铵态氮的硝化作用。向土壤中添加硝化抑制剂，可以减少硝态氮积累。硝化反应分为NH4+氧化成NO2-、NO2-氧化成NO3-两个过程，其中氨氧化过程被认为是硝化过程中的限速步骤。氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）是旱地土壤氨氧化过程中关键微生物，对环境干扰非常敏感。通过影响土壤氨氧化细菌、硝化细菌活性可以降低硝化作用的强度，抑制土壤中铵态氮向硝态氮转化，使土壤氮素长时间以铵态氮形式存在，避免土壤剖面硝态氮大量积累，减小硝态氮的淋失风险。尹兴等［59］研究田间条件下氮肥与硝化抑制剂双氰胺配施对番茄生长以及氮损失的影响，发现氮肥与双氰胺（DCD）配施提高了温室番茄产量、氮肥农学效率和氮肥偏生产力，减少了土壤硝态氮在0～100 cm 土层的累积。硝化抑制剂效果同样受环境因素以及材质的影响。油伦成等［60］发现，湿润地区pH 较低的酸性土壤上，使用N+CP（吡啶）或N+CP+N-guard、N+CP+DCD（二氰二胺）组合，可以获得较好的硝化抑制效果且持续时间长。在干旱半干旱的碱性土壤上，N+CP+DCD 组合的硝化抑制效果较好和持续时间长。随着新型材料的不断发现，更多优质的硝化抑制剂也在不断开发。KIRTI等［61］将丙烯酸和膨润土合成的纳米黏土聚合物复合材料（NCPC）配施氮肥与双氰胺和苦楝油配施氮肥处理相比，NCPCs 可以有效地抑制硝化作用（30%～87%），并且NCPC 使土壤柱5 cm 深度处硝酸盐运移量降低78.5%。

2.5 耕作与农艺措施

土壤耕作会影响土壤质地，影响土壤含水率、孔隙率、温度等，对土壤原有结构造成破坏，增加土壤比表面积，缩短弥散路径，使硝态氮易借助水分运动向下淋失。研究表明，免耕可以增加土壤团聚体和土壤表面的养分含量［62］。HALVORSON等［63］发现在春小麦休耕制度下，与常规耕作和少耕耕作相比，免耕可以提高水分利用效率，减少硝态氮流失出根区。而旋耕、深松也被证实可以提高较大粒级微团聚体中（0.05～0.25和0.01～0.05 mm）有机碳及全氮含量［64］。胡立峰等［65］通过对不同土壤耕法下玉米生育期硝态氮迁移研究，发现相较于翻耕、旋耕，免耕模式可以明显减小0～180 cm 硝态氮含量，并且无明显累积锋。耕作方式同样对作物根系产生影响，进而影响作物对养分的吸收能力。WANG 等［66］发现深耕条带旋耕会促进小麦对于0～60 cm 土层中硝态氮的吸收，使得硝态氮积累要低于条带旋耕和旋耕。

覆膜可以改变土壤温度和含水率，促进作物的生长，提高作物对于氮素的吸收能力，从而减少硝态氮的积累量。但也有学者认为覆膜会提高土壤温度与含水率，使土壤有机氮矿化速率加快，硝态氮积累量增加。王秀康等［67］发现覆膜可以显著提高表层土壤含水量以及玉米产量，减缓硝态氮向深层迁移速度，降低氮素表观损失量，提高氮肥利用率。谢永春等［68］发现覆膜种植可以减少硝态氮残留量，其效果与施肥水平和种植方式有关，采用优化施肥配合全膜双垄沟播可以提高氮素利用效率，减少土壤硝态氮下层淋溶，降低因高施氮导致的土壤硝态氮累积。

充气灌溉可以增加土壤的氧含量，提高土壤脲酶和过氧化氢酶活性，增强作物对土壤氮素的吸收能力，减少了氮肥施用量［69］。但有学者［70］发现根区注气会增加菌门和硝化螺旋菌门的丰度，提高硝化作用强度。杨宏光等［71］将水肥气耦合滴灌与常规滴灌施肥下的土壤微生物、土壤硝态氮含量相比较，发现滴灌曝气处理会增加温室番茄地AOA（土壤氨氧化古菌）数量，但曝气滴灌也促进作物根系对养分的吸收，会加快土壤硝态氮含量的降低速度。雷宏军等［72］通过温室番茄水肥气耦合试验，同样发现曝气滴灌下土壤硝态氮和铵态氮量较常规滴灌平均降低21.4%和15.5%（P＜0.05）。

作物根系在土壤中的分布特征存在差异，因此不同作物对土壤中氮素的吸收能力存在差异。在生长的过程中，根系吸收土壤中的水分和养分，根系附近的土壤水分和养分向根系表面迁移，对土壤水分和硝态氮的分布产生影响。宋海星等［73］发现玉米根系发育及水分供应状况明显影响硝态氮的迁移及分布，硝态氮作为溶质会随着植物吸水向上迁移。间作利用两作物根系在土壤剖面的不同的分布和根系形态，影响土壤无机氮的累积和分布。间作体系下土壤无机氮积累量受作物类型、种间相互作用强度以及土壤环境条件影响［74］。赵薇等［75］发现与单作相比，马铃薯间作可以降低土壤溶解性总氮，降低土壤中AOA、AOB 基因丰度，显著降低土壤硝态氮含量。李秋祝等［74］将大麦、小麦、蚕豆分别与玉米进行间作，却发现与玉米间作的大麦、小麦、蚕豆同相应的单作大麦、小麦、蚕豆相比，根区土壤无机氮积累量没有差异，并且与蚕豆间作的玉米根区无机氮积累量显著高于与小麦、大麦间作玉米以及单作玉米。这可能是豆科作物具有生物固氮能力，减少对土壤氮素的消耗，使得土壤硝态氮积累量增加。刘宇等［76］同样发现甘蔗-大豆间作会使大豆固氮效率下降，不同施氮水平和种植模式对氮素淋溶量无显著影响。也有研究发现将豆科与禾本科间作可以提高豆科植物固氮比例，从而可以减少人为向农业生态系统提供氮素［77，78］。

3 结论与展望

近年来，大量的研究都针对减少硝态氮淋失，提出优化田间灌溉施肥制度、优选肥料种类、改良土壤特性、配施硝化抑制剂以及采用免耕、覆膜、间作等农艺措施，这些措施大体上都可以很好的对阻控硝态氮淋失，但也有个别措施表现出硝态氮淋失阻控效果不佳，同时大部分研究少见考虑农民所关心的经济效益问题。

要实现对旱田硝态氮淋失的有效阻控，做出经济效益与生态效益二者间平衡的最优化决策，必定是一个对土壤、气候、灌溉、施肥与种植制度等多方位考虑的田间管理综合方案。根据田间环境和农艺措施的不同，不同阻控措施方案理应有所区别，为了更加合理选择阻控措施或者将多种阻控措施相结合，进一步研究各种阻控措施的最佳适用条件是必要的。同时对多个阻控措施结合的阻控组合方案进行研究，并比较其与单阻控措施阻控效果的差异，给出考虑经济效益后的可行性。大量的研究证明这些措施大体上对硝态氮淋失阻控的良好效果，但是多为较小范围的研究，大范围的应用效果如何尚未见报道。阻控措施与遥感等现代信息管理技术结合的作物氮素管理方法，或许可以为优化灌溉施肥、减少硝态氮淋失的方案较大尺度推广应用提供可能。□