農業系統溶解性有機態氮淋濾損失及影響因素研究進展

摘要：農田土壤氮素的淋溶影響農田土壤和水環境質量的演變，是農業非點源污染的重要過程。農業系統中傳統觀念認為氮滲漏由硝酸鹽控制。過去人們認為土壤淋失過程中，進入水中的主要是無機態氮，計算氮均衡時經常忽視有機態氮。但是近年來人們發現土壤有機態氮淋失現象可能比無機態氮淋失更為嚴重，有機態氮滲漏進入河流和飲用水源地導致富營養化和酸化，對人類健康帶來很大的風險。從有機態氮的分類和定義、收集溶解性有機態氮（DON）的方法及其提取方法、對農業系統有機態氮淋濾損失及其控制因素研究進行了評述，闡明了農業系統中影響有機態氮淋濾損失的因素，以及它將給人類健康和環境帶來風險的程度。如何定量研究農業系統DON淋濾損失是未來研究的方向。

關鍵詞：溶解性有機態氮（DON）；淋濾損失；農業系統；影響因素

中圖分類號：S143.1；X71 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）13-3265-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.001

土壤氮淋溶是指土壤中的氮素隨水分滲入到地底或是由徑流流入到江河中所造成的氮素損失[1]。土壤氮素淋溶的研究已成為農業和環境科學關注的熱點和重點。過去人們認為土壤淋失過程中，進入水中的主要是無機態氮。但是近年來，人們發現土壤有機態氮淋失現象可能比無機氮淋失更為嚴重。溶解性有機態氮（DON）是一個在農業系統氮損失中被忽視的途徑[2]。傳統觀點認為農業系統中的氮滲漏由硝酸鹽控制，雖然發現有機態氮滲入地下水已經有100多年的歷史，但當計算氮均衡時DON經常被忽視。缺乏對農業系統中DON關注的一種可能的解釋是因為一般認為NO3-是農業土壤中植物可獲取氮的主要形式。氮肥不管是否經過氧化作用還是還原作用，最終都將以NO3- 存在于土壤中。同樣，當有機態氮修復時，有機態氮將隨礦化和硝化作用大量轉化成NO3-，使NO3- 成為農業系統可溶性氮的主要形式。由于NO3- 在土壤中的高度可溶性和溶解氮，導致傳統的觀點認為氮滲漏損失主要以NO3- 形式存在。

DON滲漏進入河流和飲用水源地導致富營養化和酸化，對人類健康帶來很大的風險[3，4]。由于尿素的運用，每年從農業系統草地損失的DON變化很大（從0.3 kg/hm2到127 kg/hm2）。每年草地DON滲漏損失平均值和中位數值分別為12.7 kg/hm2和 4.0 kg/hm2。平均而言，DON損失占總溶解氮（NO3-與DON之和）損失的26%，平均值為19%。DON的滲漏成為農業系統氮損失的主要路徑[5]。森林生態系統研究結果表明DON是一個循環的重要組成部分，農業生產中人們對DON作為損失的一個潛在途徑仍然了解很少，需要引起關注[6]。本文主要從有機態氮的分類和定義、有機態氮提取方法、對農業系統中有機態氮淋濾控制因素進行分析，以確定農業系統中DON的損失以及它可能會給人類健康和環境帶來多大程度的風險。

1 有機態氮的分類與定義

可溶性有機態氮（SON）和溶解有機態氮（DON）在土壤生態系統中扮演重要角色，SON和DON一起能更好地對土壤氮素水平進行評估[7]。SON在氮素營養中起樞紐作用，既能被部分植物直接吸收[8]，也能在土壤中轉化為SON從而被植物體吸收[9]。SON主要來源于分解的中間產物、施入的有機肥料和作物秸稈、微生物和根系的代謝產物及分泌物等[6]。

必須注意區分SON和DON[10]。SON是通過水、KCl、K2SO4、CaCl2電超濾法或其他萃取劑從土壤中提取出來的有機態氮，DON是SON的一部分。在文獻里，SON和DON交替使用，指出這兩種可溶的土壤氮的化學成分，DON和SON并不相似，可能在量和質的方面有所區別[10]。雖然對溶解有機態氮（DON）的形成機制了解很有限，但有研究證明它已成為農業系統影響土壤氮運動的指示劑。由于季節變化，它強調樣品需要每年同一時間采集，要具有比較性。

2 農業系統收集DON的方法

農田土壤中的DON，即流動于土壤孔隙以及附著于土壤微孔及土壤團塊內土壤溶液所溶解的有機態氮。近年來，國際上有關DON淋溶研究的方法主要有排水采用多孔杯、多孔板、毛細管，地中蒸滲儀[11]，焦點集中在氮素的遷移過程。每種方法都各有優缺點。

若要估算土壤中有機質的淋失量或動態變化，通常需要對某一試驗地進行長期的研究，通常用地中蒸滲儀法。地中蒸滲儀是按不同的土壤類別剖取一定深度的原狀土柱或人工配制填裝的土體，裝入一個4周和底部封閉但裝有特制排水、供水系統的圓柱捅內，在桶底須事先墊以一定厚度的反濾層，再吊裝安放在觀測場內。地中蒸滲儀的缺點在于當測量總體的DON滲漏時，DON來源于側向水和被排除溶質通量，而且垂直邊界能夠出現邊界流效應和優先流路徑。Weihermueller等[12]發現取孔隙水樣很困難，而且取樣過程中土壤孔隙水會有擾動[13]。這個方法的主要缺點是耗費大量的人力物力。一旦排水系統建成，地下管道需要進行長期維護。通過測量流量速率計算氮流量的損失，定期分析水中DON的濃度[14]。然而管道系統也可導致總DON損失的低估。

3 影響DON測試的因素

關于DON的提取具有多種方法，萃取溫度、過濾、振蕩時間、土壤溶液配比、土壤儲存時間、土壤樣品密度、季節、樣品儲存都可能對提取土壤中DON產生影響。比較不同的因素對DON的影響。

1）土壤萃取溫度。對DON量的影響不大；過濾對DON的量無顯著影響。

2）振蕩時間。0～15 min振蕩時間DON的恢復量為24 h振蕩時間的（45%±8%），蒸餾水萃取DON的量低于土壤溶液的1/2。

3）土壤篩分和存儲時間。篩分土壤（<2 mm或 <1 mm）導致蒸餾水萃取DON的量顯著增加，對NH4+ 無改變，對NO3- 有大的增加；干燥土壤萃取獲得的DON量比濕潤土壤萃取所得高3～10倍。

4）季節性。DON濃度具有顯著的季節性變化，降雨或灌溉及其頻率是導致農業土壤中DON滲漏的最大驅動力。即使大量的DON在土壤表層累積，沒有大的降雨和灌溉，滲漏很難發生，而且通過滲漏發生DON損失的可能性不大。在夏季多雨季節，DON滲漏濃度高，在冬季少雨季節，DON滲漏濃度低。

5）樣品儲存。反復冷凍冰柜儲存的提取液融化造成的DON聚集在溶液中生成棕色非晶態不溶性物質（即顆粒有機物）。這種現象在土壤萃取液中特別明顯，在氯化鉀提取物和蒸餾水提取物中很少觀察到。結果分析表明，DON的60%可以通過凍融誘導析出丟失。

6）萃取劑。K2SO4浸提出的DON含量最高，其次是純水，CaC12浸提的DON含量最低，說明K2SO4對DON的浸提能力強，而0.01 mol/L CaC12對DON的浸提能力弱。

4 農業系統DON的滲漏

通過ISI Web of Science檢索在農業系統中DON滲漏損失的文獻，發現對森林生態系統中DON滲漏損失研究較多[12，10]。對于農業系統中的DON滲漏損失只有少量田間試驗研究，例如每公頃農田DON的年均滲漏損失。雖然Lawes等[15]的研究不包括在ISI-Web of Science數據庫中，但這個研究的最終結果包括在里面，總共有16組研究報道了每公頃DON和硝酸鹽年均損失。這個研究表明除去Lawes等[15]的研究，其他所有的研究都在2000年發表。這可能是在20世紀人們忽視很多農業系統中對DON的研究。然而，研究結果表明在20世紀對農田系統的DON損失關注度非常低。農田系統中的有機態氮源豐富，但缺乏有效的定量方法，無法明確這部分氮素導致的環境效應，而這一點對區域環境保護政策的制定影響很大[5，16]。

通過所有的農業系統分析表明，NO3- 滲漏損失高于DON，因為NO3- 是高溶解性的，而且不會與黏土礦物結合，例如NH4+。而且，DON的礦化導致生成NO3-，隨著NH4+ 向NO3- 轉化更快速。DON損失占總溶解氮的26%，平均值為19%。換句話說，農業系統的DON滲漏的氮損失大概占硝酸鹽損失的1/3。

DON的滲漏占總氮的23%到56%，平均DON和硝酸鹽損失分別為27 kg/hm2和30 kg/hm2。通過這個試驗很難預測通過農業活動進入地下水中的營養鹽[17]。然而，在控制滲漏研究中相比于硝酸鹽損失DON損失是非常重要的。很多生物化學模型在農業中被用于預測氮滲漏損失集中于單獨考慮硝酸鹽滲漏[11，18]。從這個研究中，很明顯農田中DON滲漏損失占總N損失中非常重要的組分。因此，在計算氮均衡時DON不能被忽視。當生物地球化學模型用于預測氮損失時，建議氮模擬時需要加入計算DON損失的模塊[19]。

國內大部分研究是在實驗室內完成的，田間原位條件下的研究相對較少。對不同施肥土壤氮素的淋溶多集中在硝態氮方面，對其他形態氮素（DON）在氮素淋失方面的作用的研究更是鮮見報道。土壤滲漏水氮素研究多集中在水田作物中，如水稻、菱白等[2]，在旱生植物中由于滲漏水收集較困難，因此研究較少，在茶園中更是未曾見過報道。

4.1 影響農業系統DON遷移過程的因素

土壤溶液中DON主要來自于植物凋落物、植物根系分泌物、微生物的新陳代謝以及土壤中腐殖質的分解[14]。DON與無機態氮的最大差別就在于植物根系可以直接吸收NH4+ 和NO3-，只有在貧瘠的土壤中NO3--N濃度很低時，植物才有可能直接吸收某些小分子的氨基酸類物質，或者可以通過菌根間接吸收利用有機態氮。DON控制主要受以下因素影響。

4.1.1 降雨或灌溉及其頻率 DON發生滲漏，當土壤排水通過土壤剖面，加重了水流的大小及其持續時間以及自上次時間內土壤被沖刷之后的預排水持續時間[20]。因此，降雨或灌溉及其頻率可能是導致農業土壤中DON滲漏的最大驅動力。即使大量的DON在土壤表層累積，沒有大量的降雨和較長的灌溉時間，滲漏不可能發生，而且通過滲漏發生的DON損失不可能或很少發生。重新濕潤的土壤在一個干旱期之后，當土壤含水量太低阻止礦化和硝化作用發生時，可以導致DON和DOC的濃度增加。農業土壤中主要的DON來源是作物秸稈和土壤有機質，DON形成是分解過程的一部分。DON形成多少取決于大量的農業管理措施。很少有研究對農作物種類或輪作對DON濃度影響進行分析[21]。然而，Oelmann等[22]發現不同物種對DON損失影響很小，可是豆類的出現導致DON損失增加。

4.1.2 不同的土地利用方式和施肥量 隨著作物秸稈的量增加或者改變從夏季休閑到連續種植系統可以增加有機碳[23]，這將同時增加DON，也將導致在一次降雨后DON滲漏的增加。當種植玉米收獲時每年總DON滲漏損失從4.7 kg/hm2增加到9.2 kg/hm2[10]。隨著家禽糞便使用不僅是顆粒污泥導致高DON損失，而且有機添加物會導致更高的DON損失。運用非有機肥N（每年40 kg/hm2），一種牧草組成的單一的草或16個不同草種導致DON損失增加，可是如果物種數量繼續增加的話，DON會減少[15]。這是可能隨著物種數量的增加，它可能已按比例增加植物材料的輸入而成為DON的來源。多個物種存在時也可能是物種間的差異和植物組成對DON滲漏的影響。不同的草本植物根系物理特性不一樣可能會導致滲漏率不一樣。

4.1.3 生物的影響 有趣的是蚯蚓的增加會導致DON損失的增加[18]。隨著每平方米增加100條蚯蚓，DON和NO3-滲漏會明顯增加。作為蚯蚓形成半永久性的垂直深的洞穴，優先滲漏通道的出現可能導致DON滲漏的增加。

4.1.4 土壤顆粒組成 研究表明，大部分DON滲漏出現在輕質土壤。作為輕質土壤，沙土被認為容易受到高氮淋溶損失。不同的研究結果表明，氮淋溶損失與各種土壤的質地均具有相關性，沙質土壤比黏質土壤更容易遭受淋溶損失[10，12]。

4.2 DON流失途徑的控制

農田生態系統屬于人工濕地系統，具有吸納、降解不同來源的氮素和有機物等污染物的能力。通過節水灌溉、控制排水措施和作物輪作，可充分發揮稻田的濕地功能。節水灌溉措施由于不同灌溉模式的具體淹水、露田、落干時期與程度不同，在選擇合適的節水灌溉模式時，應根據土壤質地與肥力、地勢、地下水位、氣象情況以及水源條件等因地制宜地選用?？刂婆潘胧┛梢越⑥r田阻隔氮素流失的“緩沖帶”。在農田與水體之間存在的植被緩沖帶有將農田與水體隔開的作用，設置緩沖帶可以有效地截留來自農田地表徑流中的固體顆粒物、氮、磷和其他污染物。

目前農田生態系統的氮循環研究大多集中在土壤無機養分轉化和損失方面以及有機肥輸入對土壤無機氮轉化和遷移的影響，對區域DON的遷移過程研究較少。多數研究將DON視為整體，對土壤溶液或提取液中的DON進行籠統的測定，分析DON轉化過程的最終結果，即DON的凈生成/殘留量以及凈轉化率，而沒有準確分析DON產生和分解各個過程的速率[14]。可以深入研究土壤溶液和水體中DON的來源及其轉化和土壤剖面遷移途徑， 為評價DON的環境效應、提出調控措施提供依據。

5 結論

雖然對農業系統中DON損失研究的報道較少，但農業系統中DON損失的研究結果表明，隨著農業系統中氮的損失DON也會損失。特別是尿素投放之后或者當有機態氮與無機氮比率很高時，DON損失非常重要。目前區域尺度農田氮素循環研究缺乏對農田有機態氮遷移的研究。而在一些人口密集和養殖業發達的區域，農田系統中有機態氮源豐富，需要確定有機源的硝態氮以及DON的遷移量，評價其環境效應，提出調控措施。國際上的大多數非點源污染模型很少考慮DON的區域遷移過程。因此，針對農業系統中DON遷移過程的影響因素，應將有機態氮監測方法和區域氮素遷移模型結合起來，發展區域氮素遷移的定量評價方法，從而明確區域尺度上農田系統中氮素污染的來源以及不同來源的貢獻率，進而評價氮素遷移的環境效應，提出調控對策。

參考文獻：

[1] 陳曉芬，李忠佩，劉 明，等.不同施肥處理對紅壤水稻土團聚體有機碳、氮分布和微生物生物量的影響[J].中國農業科學，2013（5）：950-960.

[2] 宣巖芳.茭白田氮素流失特征及減量化施氮技術研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[3] 徐世宏，郎 寧，李如平，等.連續免耕拋秧對稻田土壤理化性狀的影響[J].雜交水稻，2006（S1）：134-136.

[4] 孫 波，宋 歌.區域土壤有機氮遷移的研究進展[J].農業環境科學學報，2006（3）：549-553.

[5] 劉 艷，周國逸，劉菊秀.陸地生態系統可溶性有機氮研究進展[J].生態學雜志，2005（5）：573-577.

[6] 周建斌，陳竹君，鄭險峰.土壤可溶性有機氮及其在氮素供應及轉化中的作用[J].土壤通報，2005（2）：244-248.

[7] CHEN B，ZHU A. Application of electrodialysis pretreatment to enable direct analysis of dissolved organic nitrogen（DON） in water[J].Abstracts of Papers of the American Chemical Society，2014，248：123-128.

[8] LEPRINCE A，SAVOURE A.Lipid signaling pathways in plants and their roles in response to water constraints[J].Biologie Aujourd'hui，2010，204（1）：11-19.

[9] 王 晶，張旭東，解宏圖，等.現代土壤有機質研究中新的量化指標概述[J].應用生態學報，2003（10）：1809-1812.

[10] CHAPMAN P J，EDWARDS A C. Inorganic and organic losses of nitrogen from upland regions of Britain： Concentrations and fluxes.[J]. The Scientific World Journal，2001，12（Suppl）：589-596.

[11] FARAHBAKHSHAZAD N，DINNES D L，LI C，et al. Modeling biogeochemical impacts of alternative management practices for a row-crop field in Iowa[J]. Agriculture Ecosystems Environment，2008，123（1-3）：30-48.

[12] WEIHERMUELLER L，SIEMENS J，DEURER M，et al. In situ soil water extraction： A review[J]. Journal of Environmental Quality，2007，36（6）：1735-1748.

[13] VINTHER F P，HANSEN E M，ERIKSEN J. Leaching of soil organic carbon and nitrogen in sandy soils after cultivating grass-clover swards[J]. Biology and Fertility of Soils，2006， 43（1）：12-19.

[14] PERAKIS S S， HEDIN L O. Nitrogen loss from unpolluted South American forests mainly via dissolved organic compounds[J]. Nature，2002，415：416-419.

[15] LAWES J B，GILBERT J H，WARINGTON R. On the amount and composition of the rain and drainage-waters collected at Rothamsted： Part II. The amount and composition of the drainage waters from unmanured fallow land[J].Royal Agricultural Society of England Journal，1981，17：311-350.

[16] BARTON K， FENWICK J. Geophysical investigations at the Ancient Royal Site of Rathcroghan， County Roscommon， Ireland[J]. Archaeological Prospection，2005，12（1）：3-18.

[17] JIAO Y，LU Y， XIAO C. Experimental research on transition and flow separation of laminar airfoil[J]. Advanced Measurement and Test，2011，301（1-3）：937-942.

[18] MCDOWELL W H， MAGILL A H， AITKENHEAD-PETERSON J A， et al. Effects of chronic nitrogen amendment on dissolved organic matter and inorganic nitrogen in soil solution[J]. Forest Ecology and Management，2004，196（1）：29-41.

[19] KORSAETH A. Relations between nitrogen leaching and food productivity in organic and conventional cropping systems in a long-term field study[J]. Agriculture Ecosystems Environment，2008，127（3-4）：177-188.

[20] COOPER R， THOSS V， WATSON H. Factors influencing the release of dissolved organic carbon and dissolved forms of nitrogen from a small upland headwater during autumn runoff events[J]. Hydrological Processes，2007，21（5）：622-633.

[21] CHANTIGNY M H， ANGERS D A， ROCHETTE P， et al. Evidencing overwinter loss of residual organic and clay-fixed nitrogen from spring-applied， N-15-labelled pig slurry[J]. Canadian Journal of Soil Science，2014，94（1）：1-8.

[22] OELMANN Y， VOGEL A，WEGENER F， et al. Management intensity modifies plant diversity effects on N yield and mineral N in soil[J]. Soil Science Society of America Journa，2015，79（2）：559-568.

[23] BOND T， HUANG J， GRAHAM N J D， et al. Examining the interrelationship between DOC， bromide and chlorine dose on DBP formation in drinking water-A case study[J]. Science of the Total Environment，2014，470：469-479.