康 露，朱靖蓉，楊 濤，牛新湘，馬紅紅，李 磐，蒲勝海，馬興旺*

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830091）

新疆是我國最大的棉花種植區(qū)，據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局統(tǒng)計，2018 年新疆棉花種植面積達到247 萬hm2，占全國棉花種植面積的80%，在國家棉花產(chǎn)業(yè)中占有重要的戰(zhàn)略地位［1］。氮素是有機體的主要組成之一，也是生物地球化學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵元素之一，氮素直接參與植物的光合作用、有機質(zhì)的分解、同化產(chǎn)物的分配［2］。根據(jù)湯明堯等［3］的調(diào)查數(shù)據(jù)，南疆棉田氮肥用量約為（N）312.78 kg·hm-2；與北疆棉田相比，南疆化肥、氮肥施肥量分別高108.92、72.77 kg·hm-2，雖然南疆棉花的單產(chǎn)高于北疆，但化肥利用率低于北疆。

氮肥施用是確保作物產(chǎn)量穩(wěn)定增長的重要措施，然而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中過量施入氮素肥料，且低利用率造成氮素大量損失，不利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展［3］。同時，農(nóng)田氮素的淋洗損失、氨揮發(fā)損失等帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染［4-5］。在農(nóng)田土壤中施入氮肥后，氮素在土壤中的去向大致可分為3 種：一是經(jīng)化學(xué)作用，部分氮素轉(zhuǎn)變?yōu)橛行юB(yǎng)分被作物吸收利用；二是經(jīng)土壤理化作用，部分氮素被固定在土壤礦物晶格中，從而殘留于土壤中；三是經(jīng)淋洗、硝化和反硝化等方式損失掉［6］。氮肥的施用被認(rèn)為是提高農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量的重要途徑。然而，過量使用氮肥不僅會導(dǎo)致作物倒伏、營養(yǎng)生長時間過長、病害易感性增加，而且還會帶來地下水污染、河流湖泊富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題［7］。

為明確不同施肥方式下新疆棉田氮素淋溶損失特征，參照南北疆氮肥施用量現(xiàn)狀，在南疆312.78 kg·hm-2的施肥基礎(chǔ)上，設(shè)置不施肥、常規(guī)施肥、優(yōu)化施肥和增量施氮處理，探討優(yōu)化施肥處理減少單次施肥量和增加追肥次數(shù)對氮素?fù)p失的影響。本研究以地面灌下棉田為研究對象，以常規(guī)灌不施肥為對照，根據(jù)設(shè)計的灌水量和施肥量開展小區(qū)試驗，根據(jù)滲漏收集不同灌溉及施肥處理的氮素流失負(fù)荷，研究灌溉量和施肥量在削減氮素流失負(fù)荷方面的成效，為減少氮素流失和降低農(nóng)田面源污染等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗設(shè)于新疆庫爾勒市包頭湖農(nóng)場新疆棉田面源污染監(jiān)測研究基地（41°41′N，85°52′E）。試驗區(qū)屬于典型干旱氣候，年平均降水量56.2 mm，年平均蒸發(fā)量2497.4 mm，年均日照2878 h，≥10℃的積溫4252.2℃，無霜期205 d，地下水位6.5 m。供試土壤為灌耕棕漠土，耕層土壤0～30 cm，pH 為8.4，土壤有機質(zhì)含量為8.1 g·kg-1，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為43.2、19.9 和129 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為長期定位小區(qū)試驗。設(shè)4 個施肥方式處理，分別是不施肥（CK）、按農(nóng)民習(xí)慣施肥總量和基追肥量的常規(guī)施肥（CON，357 kg·hm-2，分2 次追施）、根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量和土壤肥力對施肥總量和基追肥量進行設(shè)計的優(yōu)化施肥（OPT，360 kg·hm-2，分3 次追施）、在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上增加50%施氮量的增量施氮（OPT+N，562.5 kg·hm-2，分3 次追施），每個處理3 次重復(fù)，共12 個監(jiān)測小區(qū)，每個小區(qū)面積為4.5 m×7.4 m=33.3 m2。灌水量和灌水時間均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進行，灌溉方式為畦灌，用水表控制灌水量。施肥灌溉方案見表1。供試作物為棉花新陸早22，監(jiān)測點每年4 月播種，10 月收獲。氮肥、磷肥和鉀肥分別是尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。

表1 試驗處理施肥灌溉方案

1.3 樣品采集與測定

試驗從2008 年開始，布設(shè)淋溶盤式氮淋溶液原位采集裝置，2012 年更換為滲濾池式氮淋溶液原位采集裝置（圖1）。該裝置通過分層挖土形成一個90 cm 深垂直土坑，土坑底部向中心形成一個15°左右的圓錐形，在圓錐中心向下挖出一個坑放入特制的淋溶液采集桶后，在土坑壁上鋪上完好的20 mm 厚的塑料膜，然后分層回填土壤，與其他特制配件一起形成一個滲濾池的地下淋溶原位收集裝置。分別在春灌后、苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期等幾個棉花重要的生育期灌水后采集土壤90 cm 深度淋溶水樣，并對淋溶水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮等指標(biāo)采用流動注射分析法［8-9］進行測定。本文使用2013～2017 年的數(shù)據(jù)進行分析，2013～2017 年灌溉日期如表2 所示。

表2 2013～2017 年試驗灌溉日期

1.4 數(shù)據(jù)處理

淋溶流失的氮素分年度進行統(tǒng)計，計算方法為一年之中每次淋溶液中氮素濃度與體積乘積的總和。

計算公式如下：

式中：P 表示氮素流失量（kg·hm-2）；Ci表示某次淋溶液的氮濃度（kg·L-1·hm-2）；Vi表示某次淋溶液的體積（L）。

氮素流失系數(shù)的計算公式見參考文獻［10］。計算公式如下：

氮素流失系數(shù)（%）=（氮素流失量-對照處理氮素流失量）/氮素施用量×100

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥方式下棉田總氮淋溶量變化

圖2a、2b、2c、2d、2e 分別為2013、2014、2015、2016、2017 年不同施肥方式棉花各生育期淋溶水中總氮流失量的變化。其中2013 年吐絮期樣品未測定。根據(jù)5 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，地面灌下春灌后淋溶水中的總氮含量顯著高于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期，由此可以看出，氮素的淋溶關(guān)鍵時期主要發(fā)生在春灌后。由圖2f 可以看出，2013 年至2017 年期間，地面灌不施肥對照處理淋溶水中的總氮含量呈增加趨勢。根據(jù)5 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，與常規(guī)施肥處理相比，優(yōu)化施肥處理的氮流失負(fù)荷減少0.18%～11.58%；增量施氮處理的氮流失負(fù)荷增加0.36%～14.08%；這說明氮肥分多次施入在一定程度上能減少氮流失。隨著苗期、蕾期、花鈴期棉花植株對氮素的需求量逐漸增加，氮流失負(fù)荷有減少的趨勢。在保證棉田生長所需的氮肥后，控制氮肥施用量是減少氮流失的主要途徑之一。

2.2 不同施肥方式下棉田硝態(tài)氮淋溶量變化

圖3a、3b、3c、3d、3e 分別為2013、2014、2015、2016、2017 年不同處理棉花各生育期淋溶水中硝態(tài)氮流失量變化。硝態(tài)氮流失量與總氮流失量的變化規(guī)律相同，春灌后淋溶水中硝態(tài)氮流失量顯著高于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期的硝態(tài)氮流失量，由此可以看出，硝態(tài)氮的淋溶關(guān)鍵時期也主要發(fā)生在春灌后。由圖3f 可以看出，從2013 年至2017 年5 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，常規(guī)施肥處理硝態(tài)氮的流失量占總氮流失量的24.78%～29.79%，優(yōu)化施肥處理硝態(tài)氮的流失量占總氮流失量的23.76%～30.58%，增量施氮處理硝態(tài)氮流失量占總氮流失量的23.61%～37.24%。

與銨態(tài)氮流失量相比，常規(guī)施肥處理中硝態(tài)氮流失量與銨態(tài)氮流失量的比值為8.17～15.65；優(yōu)化施肥處理中硝態(tài)氮流失量與銨態(tài)氮流失量的比值為8.64～16.15；增量施氮處理中硝態(tài)氮流失量與銨態(tài)氮流失量的比值為7.62～23.95。與常規(guī)施肥處理相比，優(yōu)化施肥處理硝態(tài)氮的流失負(fù)荷削減3.09%～15.48%；而增量施氮處理硝態(tài)氮的流失負(fù)荷增加6.65%～25.42%。為減少氮肥過量施用帶來的氮淋溶風(fēng)險，在棉花生產(chǎn)中施肥應(yīng)按照優(yōu)化施肥處理方式進行施用。

2.3 不同施肥方式下銨態(tài)氮淋溶量變化

圖4a、4b、4c、4d、4e 分別為2013、2014、2015、2016、2017 年不同施肥處理棉花各生育期淋溶水中銨態(tài)氮的流失量變化。銨態(tài)氮的流失量與總氮流失量的變化規(guī)律相同，春灌后淋溶水中的銨態(tài)氮流失量顯著高于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期銨態(tài)氮流失量，銨態(tài)氮流失量的淋溶關(guān)鍵時期與總氮流失量的淋溶關(guān)鍵期相同。由圖4f 可以看出，在2013 至2017 年期間，常規(guī)施肥處理中銨態(tài)氮流失量占總氮流失量的1.72%～3.33%，優(yōu)化施肥處理銨態(tài)氮的流失量占總氮流失量的1.49%～2.98%，增量施氮處理銨態(tài)氮的流失量占總氮流失量的1.55%～3.20%。與常規(guī)施肥處理相比，優(yōu)化施肥處理銨態(tài)氮流失負(fù)荷削減8.30%～19.80%；而增量施氮處理銨態(tài)氮流失負(fù)荷增加16.10%～42.44%。

2.4 不同施肥方式下棉田總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失量變化

圖5a、5b、5c 分別為2013～2017 年不同施肥方式下棉田總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失量箱型圖。2013～2017 年間，常規(guī)施肥方式、優(yōu)化施肥方式和增量施氮方式總氮累計流失量分別為26.73、26.69、27.61 kg·hm-2，硝態(tài)氮累計流失量分別為7.32、7.02、7.69 kg·hm-2，分別占總氮流失量的27.38%、26.30%、27.85%；銨態(tài)氮累計流失量分別為0.63、0.58、0.70 kg·hm-2，分別占總氮流失量的2.36%、2.18%、2.54%。土壤中的氮素在灌溉水的作用下主要是以硝態(tài)氮的形式發(fā)生淋溶損失。

2.5 棉田不同施肥處理氮流失系數(shù)變化

2013～2017 年不同施肥處理棉田氮流失系數(shù)如圖6 所示。除2014 年外，增量施氮處理的氮流失系數(shù)均高于常規(guī)施肥和優(yōu)化施肥處理，與常規(guī)施肥處理相比，優(yōu)化施肥處理的氮流失削減22.37%～56.12%；增量施氮處理的氮流失系數(shù)增加4.81%～297.55%。由此看出，減少氮肥用量和改進氮肥施用方法后，可以有效減少棉田土壤總氮流失量。不同施肥方式下棉田淋溶水的氮流失系數(shù)如圖7 所示。常規(guī)施肥方式、優(yōu)化施肥方式和增量施氮方式氮流失系數(shù)分別為5.49%、4.92%、7.79%，與常規(guī)施肥方式相比，優(yōu)化施肥方式能減少氮流失。

3 討論

3.1 不同施肥方式下棉田氮素流失機理

國內(nèi)外有關(guān)土壤氮素淋溶的特征研究進行了大量報道，化肥中氮素主要以無機態(tài)氮存在，遇水極易轉(zhuǎn)化為可溶性氮而流失［11］，因此在徑流試驗前會造成水溶性氮素大量流失［12］。對不同作物，如西南紫色土坡耕地玉米生育期氮素流失特征也進行了報道［13］。馬彥等［14］對甘肅省8 個農(nóng)田土壤地下淋溶監(jiān)測點淋溶水中氮磷含量進行了測定分析，初步得出了甘肅省農(nóng)田土壤地下淋溶氮流失系數(shù)，總氮流失系數(shù)為0.19%～153.3%。常規(guī)處理淋溶條件下，總氮流失主要以硝態(tài)氮為主，這與本研究的結(jié)論相一致。本文研究結(jié)果表明3 個施肥處理中，優(yōu)化施肥處理能有效降低土壤氮素流失，即N 360 kg·hm-2，施肥方式為基肥40%＋追肥25%＋追肥20%＋追肥15%；灌溉量5250 m3·hm-2，分4 次灌水。灌水棉田氮素淋溶損失主要發(fā)生在春灌后，可能的原因是由于播種前春灌的灌水量為2250～3000 m3·hm-2，而生育期每次灌水量為900～1350 m3·hm-2，灌水量較大是氮素淋溶量大的主要原因之一；此外在棉花苗期地表裸露且苗期棉花吸收利用土壤中的養(yǎng)分較少，使得施入的肥料（如基肥）大量累積于表層土壤，隨著灌溉水的作用，土壤中氮素尤其是硝態(tài)氮具有較強的向下淋溶遷移能力，地塊閑置期的氮素淋溶損失應(yīng)值得關(guān)注，在此期間通過減少基肥施用量來減少氮流失。

不同施肥處理土壤中的氮素在灌溉水的作用下主要是以硝態(tài)氮的形式發(fā)生淋溶損失，可能的原因為是NO3-較NH4+具有較強的向下淋溶能力［15］。從棉田流失的氮素主要以硝態(tài)氮為主，其次是顆粒態(tài)氮（用差減法得到顆粒態(tài)氮含量），而銨態(tài)氮很少［16］；從銨態(tài)氮流失量占總氮流失量的比值可以看出，銨態(tài)氮不是氮素淋溶損失的主要形式，其中主要原因是NH4+容易被帶有負(fù)電荷的土壤膠體吸附，使農(nóng)田土壤中NH4+較難發(fā)生淋溶損失。硝態(tài)氮占總氮含量的26.30%～27.85%，銨態(tài)氮占總氮含量的2.18%～2.54%；這與馬林等［17］報道的研究結(jié)果相符，農(nóng)田淋溶相關(guān)的“三氮”（游離態(tài)的氨或銨離子等形式存在的氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮）是最主要的污染源，本文中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮由流動注射儀分別進行測定，未采用差減法進行計算；據(jù)文獻［18］報道，氮肥的損失途徑主要為氨揮發(fā)及N2O 排放，氨揮發(fā)主要受土壤氨濃度影響，N2O 主要產(chǎn)生于硝化-反硝化作用，剩余的氮素可能以有機氮或亞硝態(tài)氮的形態(tài)存在。

3.2 不同施肥方式下降低棉田氮素的措施

關(guān)于棉田最佳施肥量和灌溉量一直是學(xué)術(shù)界關(guān)切的問題，如張燕等［19］進行水肥耦合對棉花產(chǎn)量和氮累積利用的影響研究結(jié)果表明，灌水量在380 mm、施肥量（N-P2O5-K2O）為250-100-50 kg·hm-2時，可以獲得低于最高產(chǎn)量6%的籽棉產(chǎn)量，并節(jié)省15%的灌水量和16.7%施肥量。根據(jù)趙愛琴［20］大尺度水肥耦合模型的估算結(jié)果，南疆最佳灌溉和氮肥施用量分別為604 mm 和325 kg·hm-2，相應(yīng)產(chǎn)量潛力為6773 kg·hm-2；北疆最佳灌溉和氮肥施用量分別為552 mm 和354 kg·hm-2，相應(yīng)產(chǎn)量潛力為5961 kg·hm-2。韋高玲等［21］對不同施肥水平下菜地耕層土壤中氮磷淋溶損失特征結(jié)果表明，城郊菜地耕層土壤中氮素和磷素養(yǎng)分存在一定的淋失風(fēng)險，減量施肥措施能有效降低菜地耕層土壤中氮素的淋溶損失，是降低耕層土壤氮淋失風(fēng)險的有效措施。據(jù)報道花鈴期是棉花全生育期內(nèi)干物質(zhì)及氮、磷、鉀養(yǎng)分含量吸收最旺盛的時期［22］；在盛花期增加施氮比例能提高棉花干物質(zhì)和皮棉產(chǎn)量［23］；棉花初花期對氮肥的需求量占全生育期棉花吸收全氮量的46%［24］。減少氮肥用量和改進氮肥施用方法可有效減少棉田土壤總氮流失量，這與黃麗華等［25］基于養(yǎng)分平衡管理的滴灌施肥技術(shù)在控制農(nóng)田氮素流失中積極作用的研究結(jié)論一致。本研究中常規(guī)施肥處理的氮流失量為4.9～6.4 kg·hm-2，推薦施肥處理的氮流失量均比常規(guī)處理降低2.90%～9.22%，減少氮流失的機理為在棉花花期施氮量的追肥量有所增加，棉花對氮素的需求有所增加，大部分氮素被棉花吸收，從而減少氮素的流失。

在控制農(nóng)田氮素流失方面，主要從氮素污染源控制以及氮素流失途徑等兩方面來減少氮素?fù)p失［26］。在旱地農(nóng)田系統(tǒng)，20 t·hm-2膨潤土-腐植酸與120 kg·hm-2氮肥配合施用能增加農(nóng)作物產(chǎn)量和減少無機氮淋溶損失［27］。施氮量30%～50%以包膜尿素和生物炭基氮肥做基肥，以速效氮肥做追肥，滴灌下的農(nóng)民習(xí)慣灌溉減量30%，增加番茄產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥利用效率，進一步減少氮素向下層土壤遷移［28］。不同年際間相同施肥方式氮流失系數(shù)存在差異，這與段小麗等［16］對2008 和2009 年農(nóng)民習(xí)慣施肥處理的氮流失量分別是36.14和89.52 kg·hm-2的研究結(jié)果相一致，可能的原因是隨著年際施肥量的增加，土壤剖面中氮素不斷累積，未被棉花吸收的氮素隨灌水淋溶出土體。對照無氮肥投入處理，其2015～2017 年總氮流失與其他處理差異并不大，可能的原因是：第一，本研究采集淋溶水的深度為90 cm 以下，棉花的耕作層在40 cm 左右，氮素隨著灌水向下移動，大部分氮素已經(jīng)被棉花吸收；第二，施肥方式為撒施，施肥深度較淺［16］，在每次灌水前，部分氮肥已經(jīng)通過氨揮發(fā)的方式損失一部分。從2013～2017 年地面灌不施肥對照處理淋溶水中的總氮含量呈增加趨勢，2013～2017 年灌溉水中的總氮含量分別為2.85、2.86、2.75、2.81、2.51 mg·L-1，淋溶水中的總氮含量與灌溉水中總氮含量無關(guān)；因試驗區(qū)年降水量小于40 mm，可忽略大氣降水來源；而大氣降塵可能是主要的來源之一［29］。因此在初蕾期、盛蕾期、花期和鈴期可以根據(jù)降塵中氮素的含量相應(yīng)地減少氮肥施用量，而在吐絮期應(yīng)適量增加氮肥施用量。

4 結(jié)論

利用田間滲濾池采集不同施肥方式下棉田耕層土壤的淋溶液體，測定了總氮、銨態(tài)氮以及硝態(tài)氮的含量水平，旨在研究畦灌下不同施肥方式棉田耕層土壤中氮素的淋溶特征。結(jié)果表明：（1）連續(xù)5年的定位試驗顯示，在新疆棉田常規(guī)地面灌溉制度下，農(nóng)民常規(guī)施肥、測土配方優(yōu)化施肥、優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上增加50%施氮量時淋溶到90 cm 以下的總氮量分別為5.35、5.34、5.52 kg·hm-2·年-1，氮流失系數(shù)分別為5.49%、4.92%、7.79%。（2）氮淋溶以硝態(tài)氮為主，占總氮流失量的26.30%～27.85%，銨態(tài)氮流失量較少，僅2.18%～2.54%。（3）每次施肥灌水都會引起氮淋溶，但是春灌引起的淋溶量是生育期每次灌水后的3～5 倍。（4）減少氮肥施用量和由棉花需要優(yōu)化每次追肥量，均可以減少氮淋溶損失。