畦灌下不同施肥方式新疆棉田氮素淋溶損失特征

康 露，朱靖蓉，楊 濤，牛新湘，馬紅紅，李 磐，蒲勝海，馬興旺*

（1.新疆農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；3.農業農村部西北綠洲農業環境重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830091）

新疆是我國最大的棉花種植區，據新疆維吾爾自治區統計局統計，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%，在國家棉花產業中占有重要的戰略地位［1］。氮素是有機體的主要組成之一，也是生物地球化學系統的關鍵元素之一，氮素直接參與植物的光合作用、有機質的分解、同化產物的分配［2］。根據湯明堯等［3］的調查數據，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高于北疆，但化肥利用率低于北疆。

氮肥施用是確保作物產量穩定增長的重要措施，然而農田生態系統中過量施入氮素肥料，且低利用率造成氮素大量損失，不利于現代農業生產的發展［3］。同時，農田氮素的淋洗損失、氨揮發損失等帶來嚴重的環境污染［4-5］。在農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：一是經化學作用，部分氮素轉變為有效養分被作物吸收利用；二是經土壤理化作用，部分氮素被固定在土壤礦物晶格中，從而殘留于土壤中；三是經淋洗、硝化和反硝化等方式損失掉［6］。氮肥的施用被認為是提高農業作物產量的重要途徑。然而，過量使用氮肥不僅會導致作物倒伏、營養生長時間過長、病害易感性增加，而且還會帶來地下水污染、河流湖泊富營養化等一系列環境問題［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狀，在南疆312.78 kg·hm-2的施肥基礎上，設置不施肥、常規施肥、優化施肥和增量施氮處理，探討優化施肥處理減少單次施肥量和增加追肥次數對氮素損失的影響。本研究以地面灌下棉田為研究對象，以常規灌不施肥為對照，根據設計的灌水量和施肥量開展小區試驗，根據滲漏收集不同灌溉及施肥處理的氮素流失負荷，研究灌溉量和施肥量在削減氮素流失負荷方面的成效，為減少氮素流失和降低農田面源污染等方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗設于新疆庫爾勒市包頭湖農場新疆棉田面源污染監測研究基地（41°41′N，85°52′E）。試驗區屬于典型干旱氣候，年平均降水量56.2 mm，年平均蒸發量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 試驗設計

試驗為長期定位小區試驗。設4 個施肥方式處理，分別是不施肥（CK）、按農民習慣施肥總量和基追肥量的常規施肥（CON，357 kg·hm-2，分2 次追施）、根據目標產量和土壤肥力對施肥總量和基追肥量進行設計的優化施肥（OPT，360 kg·hm-2，分3 次追施）、在優化施肥基礎上增加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，共12 個監測小區，每個小區面積為4.5 m×7.4 m=33.3 m2。灌水量和灌水時間均按當地農民習慣進行，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，并對淋溶水中銨態氮、硝態氮、總氮等指標采用流動注射分析法［8-9］進行測定。本文使用2013～2017 年的數據進行分析，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 數據處理

淋溶流失的氮素分年度進行統計，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）。

氮素流失系數的計算公式見參考文獻［10］。計算公式如下：

氮素流失系數（%）=（氮素流失量-對照處理氮素流失量）/氮素施用量×100

2 結果與分析

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5 年的統計數據可以看出，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，氮素的淋溶關鍵時期主要發生在春灌后。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5 年的統計數據，與常規施肥處理相比，優化施肥處理的氮流失負荷減少0.18%～11.58%；增量施氮處理的氮流失負荷增加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氮流失量變化。硝態氮流失量與總氮流失量的變化規律相同，春灌后淋溶水中硝態氮流失量顯著高于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期的硝態氮流失量，由此可以看出，硝態氮的淋溶關鍵時期也主要發生在春灌后。由圖3f 可以看出，從2013 年至2017 年5 年的統計數據可以看出，常規施肥處理硝態氮的流失量占總氮流失量的24.78%～29.79%，優化施肥處理硝態氮的流失量占總氮流失量的23.76%～30.58%，增量施氮處理硝態氮流失量占總氮流失量的23.61%～37.24%。

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

2.3 不同施肥方式下銨態氮淋溶量變化

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氮的流失量變化。銨態氮的流失量與總氮流失量的變化規律相同，春灌后淋溶水中的銨態氮流失量顯著高于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期銨態氮流失量，銨態氮流失量的淋溶關鍵時期與總氮流失量的淋溶關鍵期相同。由圖4f 可以看出，在2013 至2017 年期間，常規施肥處理中銨態氮流失量占總氮流失量的1.72%～3.33%，優化施肥處理銨態氮的流失量占總氮流失量的1.49%～2.98%，增量施氮處理銨態氮的流失量占總氮流失量的1.55%～3.20%。與常規施肥處理相比，優化施肥處理銨態氮流失負荷削減8.30%～19.80%；而增量施氮處理銨態氮流失負荷增加16.10%～42.44%。

2.4 不同施肥方式下棉田總氮、硝態氮和銨態氮流失量變化

圖5a、5b、5c 分別為2013～2017 年不同施肥方式下棉田總氮、硝態氮和銨態氮流失量箱型圖。2013～2017 年間，常規施肥方式、優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氮的形式發生淋溶損失。

2.5 棉田不同施肥處理氮流失系數變化

2013～2017 年不同施肥處理棉田氮流失系數如圖6 所示。除2014 年外，增量施氮處理的氮流失系數均高于常規施肥和優化施肥處理，與常規施肥處理相比，優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如圖7 所示。常規施肥方式、優化施肥方式和增量施氮方式氮流失系數分別為5.49%、4.92%、7.79%，與常規施肥方式相比，優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

國內外有關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氮存在，遇水極易轉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 個農田土壤地下淋溶監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田土壤地下淋溶氮流失系數，總氮流失系數為0.19%～153.3%。常規處理淋溶條件下，總氮流失主要以硝態氮為主，這與本研究的結論相一致。本文研究結果表明3 個施肥處理中，優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值得關注，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氮的形式發生淋溶損失，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氮為主，其次是顆粒態氮（用差減法得到顆粒態氮含量），而銨態氮很少［16］；從銨態氮流失量占總氮流失量的比值可以看出，銨態氮不是氮素淋溶損失的主要形式，其中主要原因是NH4+容易被帶有負電荷的土壤膠體吸附，使農田土壤中NH4+較難發生淋溶損失。硝態氮占總氮含量的26.30%～27.85%，銨態氮占總氮含量的2.18%～2.54%；這與馬林等［17］報道的研究結果相符，農田淋溶相關的“三氮”（游離態的氨或銨離子等形式存在的氨氮、亞硝態氮、硝態氮）是最主要的污染源，本文中硝態氮和銨態氮由流動注射儀分別進行測定，未采用差減法進行計算；據文獻［18］報道，氮肥的損失途徑主要為氨揮發及N2O 排放，氨揮發主要受土壤氨濃度影響，N2O 主要產生于硝化-反硝化作用，剩余的氮素可能以有機氮或亞硝態氮的形態存在。

3.2 不同施肥方式下降低棉田氮素的措施

關于棉田最佳施肥量和灌溉量一直是學術界關切的問題，如張燕等［19］進行水肥耦合對棉花產量和氮累積利用的影響研究結果表明，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量6%的籽棉產量，并節省15%的灌水量和16.7%施肥量。根據趙愛琴［20］大尺度水肥耦合模型的估算結果，南疆最佳灌溉和氮肥施用量分別為604 mm 和325 kg·hm-2，相應產量潛力為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，相應產量潛力為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果表明，城郊菜地耕層土壤中氮素和磷素養分存在一定的淋失風險，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險的有效措施。據報道花鈴期是棉花全生育期內干物質及氮、磷、鉀養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和皮棉產量［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］基于養分平衡管理的滴灌施肥技術在控制農田氮素流失中積極作用的研究結論一致。本研究中常規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損失［26］。在旱地農田系統，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作物產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，滴灌下的農民習慣灌溉減量30%，增加番茄產量、品質和氮肥利用效率，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存在差異，這與段小麗等［16］對2008 和2009 年農民習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，部分氮肥已經通過氨揮發的方式損失一部分。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；因試驗區年降水量小于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降塵中氮素的含量相應地減少氮肥施用量，而在吐絮期應適量增加氮肥施用量。

4 結論

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、銨態氮以及硝態氮的含量水平，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。結果表明：（1）連續5年的定位試驗顯示，在新疆棉田常規地面灌溉制度下，農民常規施肥、測土配方優化施肥、優化施肥基礎上增加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，氮流失系數分別為5.49%、4.92%、7.79%。（2）氮淋溶以硝態氮為主，占總氮流失量的26.30%～27.85%，銨態氮流失量較少，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化每次追肥量，均可以減少氮淋溶損失。