土壤氮素淋失

农田土壤氮素淋失
摘要：农田氮素的流失，不仅造成化肥的利用率降低，农业生产成本上升，还对水环境造成污染，引起水体富营养化。

氮肥进人土壤后，其损失途径主要是氨挥发和反硝化。

本文讨论了农田氮流失对水体富营养化的贡献、农田氮流失途径及影响因素，并且提出了如何防止氮素淋失、控制水体富营养化的措施。

关键词：氮；淋失；富营养化；措施
Nitrogen leaching In farmland
Abstract:Nitrogen leaching in farmland results in the low availability of fertilizer and the pollution of water invironment, eventually cause eutrophic. After applying nitrogenous fertilizer,its main loss ways are ammonia volatilization and denitrification. In this article , we report the contribution of nitrogen leaching to the eutrophic and leaching ways and its influence factors,and propose the measures to prevent nitrogen leaching and eutrophic.
Key words: nitrogen;leaching; eutrophic.;measures
氮素是人类提高粮食产量的巨大动力。

自六十年代“绿色革命”以来,大量的化肥进入农田，肥料提供了植物生长必需的营养元素，对保持作物高产稳产起了重要的作用，但是由施肥不当或过量施肥带来的环境污染问题也越来越突出，加上不合理的农业管理措施，导致作物利用率降低,氮素损失加剧，其中淋失作用被认为是氮素损失的重要途径之一，且农田氮流失引起的水体富营养化问题目前已受到人们的普遍关注。

氮是构成生命的要素之一，但过量的吸收也会危及生命。

四十年代就报道了饮水中的NO3-可以引起婴儿高铁血红蛋白症，俗称氰紫症[1]，后来被证实是由NO2-氧化血红蛋白所致。

因此，WHO规定饮水中的NO3-最大允许含量（按纯N计）为10㎎/㎏，我国生活饮用水卫生标准规定为20㎎/㎏[2]。

化肥（尿素和硝铵）使用对浅层地下水污染的发展起始于本世纪六十年代。

进人七十年代，一些农学家已建议限制化肥使用量，提高氮肥利用率[3]。

近二十年来，全球氮素淋失有增无减。

如美国中北和东北部的“玉米带”以及西部和东南部的灌溉农业区[4]、英格兰中、东部石灰岩和砂岩地区[5]、我国北京郊县[6]和太湖流域[7]的研究都表明了化肥使用与浅层地下水浓度升高的明显相关性，当前我国面临着提高粮食产量和保护水、大气环境的双重挑战，迎接挑战的有效方法就是深入了解土壤氮素淋滤迁移的机理，以及气候、土壤和水肥管理措施对氮素淋失的影响。

1 农田氮素循环
农业生态系统中的氮素循环是指，氮素通过不同途径进入农业生态系统，再经过许多相互联系的转化和移动过程后，又不同程度地离开这一系统，这一循环是开放性的，它与大气和水体等外界环境进行着复杂的交换[8]。

1.1农业生态系统的氮素输入
1.1．1 大气氮沉降大气氮沉降包括干湿沉降两种，干沉降主要以气态NO，N2O，NH3以及(NH4)2SO4粒子和吸附在其它粒子上的氮，其沉降速率取决于气象条件，其过程取决于风速、空气动力阻力和大气中气体与颗粒的化学、物理性质有关的表面性质等因素；湿沉降主
要是NO3－和NH4+，以及少量的可溶性有机氮。

氮沉降来源除大气中N2外，工农业生产活动，化石燃料（特别是煤、石油）燃烧所排放的大量氮氧化物，起了巨大的作用。

大气氮沉
降会对生态系统产生一定的环境影响效应。

大量的氮沉降会增加NO3-和其它营养元素的淋失，会导致营养失衡、土壤酸化和生态系统退化等一系列的生态环境问题。

1.1.2化肥（包括粪肥）氮素输入通过施肥输入的氮素是农业生态系统最主要的氮源，化
肥中水溶性氮占很高的比例。

作物主要吸收氨和硝态氮，施用氨态氮后，在土壤中很快成为NO3－。

随着人口增长对粮食增产的迫切需要，单位面积平均氮肥输入量基本上是逐年增加的。

1998年我国化肥平均施用量已超过N225 kg/hm2；而北欧等国家施用要相对低一些，挪
威东南农田氮肥施用量为N 110 kg/hm2[9]。

另外，施用粪肥也是农田氮素输入的重要途径。

1.1.3生物固氮生物固氮（将氮气还原为氨）是农业生态系统另一个重要的氮源，也是地
球化学中氮素循环的一个重要的环节，以豆科植物和根瘤菌的共生固氮为主，可占生物固氮
量的1/2[10]。

Galloway[11]等估计了全球陆地生态中的生物固氮量为N 90~130 Tg/a。

1987年，我国生物固氮量达到N 1.17 Tg/a[12]。

王毅勇[13]等通过模拟，估计了三江平原大豆田固氮为160 kg/hm2。

1.1.4 秸秆还田作物根茬以及还田秸干归还的氮是土壤中有机质的重要来源，归还量的计算是根系生物量及还田秸秆生物量各自乘以它们的氮素含量，然后各部分相加。

1.2农业生态系统的氮素输出
1.2.1氮的淋失氮淋失是指土壤中的氮随水向下移动至根系活动层以下，从而不能被作物
根系吸收所造成的氮素损失，它是一种累进过程，淋失的氮主要包括来源于土壤的氮和残留
的肥料氮，以及当季施入的肥料氮[14]。

氮淋失对于农业生态系统显得格外重要，农业生态
系统中氮素淋失主要因素有：降水，灌溉、施肥，土壤特性，植被以及耕作等。

1.2.2氮的流失氮的流失，是溶解于径流中的矿质氮，或吸附于泥沙颗粒表面以无机态和有机质形式存在的氮随径流流失。

降雨、径流、土壤性质（土壤种类、土壤结构、土壤质地等）、坡面坡度、以及土地植被覆盖情况是影响氮素流失的因素。

降雨和径流是土壤氮素流失的主要驱动因素。

当降雨强度超过土壤下渗速度时产生径流并逐渐汇集，形成地表径流冲刷与沟蚀，与表层土壤发生作用，主要表现在浸提和冲洗两种方式。

在土壤与径流的相互作用过程中，土壤抗冲性和抗蚀性的强弱决定土壤氮素流失的多寡，其影响程度现在研究的较少[15]。

1.2.3农田氮素气态输出硝化－反硝化作用在其生物化学过程中产生NO，NO2，N2O等氮氧化物，导致农田氮的损失。

它们受多种因素的影响，如土壤温度、土壤湿度、土壤容氧量、土壤类型、结构、空隙、pH值，以及耕地管理方式如施用化肥的种类和数量、耕种技术、作物系统和灌溉等。

硝化作用是在通气条件下由土壤微生物把氨气和某些胺化合物氧化为硝态氮化合物的过程。

硝化作用的进行必须在一定的NH4+浓度水平下，当土壤pH在5.8～8.0时，硝化速率随pH值增加而增加。

硝化作用的最适宜的温度为25～35 ℃，最适宜的土壤水分含量为最大持水量的50%～70%。

反硝化作用包括化学反硝化和生物反硝化作用。

反硝化作用潜力与土壤总有机碳含量有一定的相关关系，尤其与土壤水溶性碳相关密切。

反硝化最适宜的温度为30～67 ℃，最适宜的pH为7～8。

氨挥发是农田氮素气态损失的一个重要途径,影响氨挥发的因素主要有3类，即土壤性质、气象条件和农业技术措施，主要包括土壤阳离子交换量、土壤pH和CaCO3含量、温度、风速和换气频率、农田水分状况，铵的不同去向之间竞争等[16]。

有研究表明，在有利于氨
挥发的条件下，氨损失率可高达施氮质量的40%～50%[17]。

1.2.4 作物收获氮素输出作物收获输出的氮量与生物量、作物体氮素含量有直接关系，也
与秸秆还田率有直接的关系，它应该是作物收获量乘以作物的氮含量。

2 水体富营养化
2.1水体富营养化的表现及形成原因
水体富营养化通常是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性的水体，以及某些滞留( 流速<1米/ 分钟) 河流水体内的氮、磷和碳等营养元素的富集，导致某些特征性藻类( 主要是蓝藻、绿藻等) 的异常增殖，致使水体透明度下降，溶解氧降低，水生生物随之大批死亡，水味变得腥臭难闻。

引起水体富营养化起关键作用的元素是氮和磷。

研究表明，对于湖泊、水库等封闭性水域，当水体内无机态总氮含量大于0. 2mg/ L, PO43- -P的浓度达到0.02mg/L时，就有可能引起藻华现象的发生。

过量施肥、施肥结构不合理、农田排水直接进入河流等一系列因素，加剧了水体富营养化的发生。

由水体富营养化引起的水质恶化、水源紧缺、生态环境破坏，严重制约着国民经济的健康持续发展。

因此，减少农田氮磷流失，控制水环境污染成为世界各国学者所面临的最重要研究课题之一。

2．2农田氮流失对水体富营养化的贡献
各种形态的氮肥施入土壤后，在微生物作用下，通过硝化作用形成NO3 –N，因土壤胶体对NO3 -的吸附甚微，易于遭雨水或灌溉水淋洗而进入地下水或通过径流、侵蚀等汇入地表水，对水源造成污染；土壤颗粒和土壤胶体对NH4+具有很强的吸附作用，使得大部分的可交换态铵得以保存在土壤中，但是，当土壤对NH4+ 的吸附量达到最大值时，亦即土壤对NH4+ 的吸附达到饱和时，在入渗水流的作用下NH4+还是可能被淋失出土体。

在土壤作物系统中，氮素的作物利用率仅为20-35%，大部分被土壤吸附，逐渐供作物吸收利用，有5-10%挥发到大气中。

随降水径流和渗漏排出农田的氮素中有20-25%是当季施用的氮素化肥[18]。

就地表水( 湖泊等) 硝态氮的污染而论，氮素化肥占了50%以上[19]。

2.3 影响农田氮流失的因素
农田氮损失程度取决于当地的降雨情况( 降雨强度、降雨时间和降雨分布)、施肥状况( 种类、时间、数量)、地形地貌特点、植被覆盖条件、土壤条件和人为管理措施等多种因素。

3 控制农田氮流失的措施和方法
3.1 经济合理施肥，严防过量施肥
应根据作物种类、需肥习性和现状水平，结合土壤肥力特点，做到适时适量、科学合理
施肥。

土壤专家给出了本地区作物施肥量，生产中要严格按标准施肥。

3.2 改进施肥方法，提高肥料利用率
农田生态系统中肥料利用率的高低是决定农田氮流失量的一个重要因素。

提高肥料利用率，不仅可以提高经济效益，而且可以减轻对水环境的污染。

按作物生育期需要分次施用，
深施，施用缓效氮肥。

同时，使用硝化抑制剂、脲酶抑制剂对降低土壤中NO3--N的含量都有
较好的效果。

3．3加强水肥管理，实施控水灌溉
减少田面水的排出是降低农田氮、磷流失的关键。

大水漫灌、田埂渗漏使氮磷肥料还没有来得及被作物吸收或被土壤固定就被水冲跑了，使灌溉回归水中溶有大量化肥等物质，污染了地表水，恶化了水质。

通过加强田间水浆管理，采用浅水勤灌，干湿交替，减少排水量，可有效地降低农田氮排出负荷。

3. 4采用适宜的土地利用方式，防止土壤溶出和侵蚀。

从宏观角度看，农业面源污染主要来源于土壤的溶出和侵蚀。

科学地进行农业土地区划，采用适宜的土地利用方式是控制农业面源污染的首要环节。

如从环境角度考虑，将不宜植稻区改植旱作，可大大减少土壤氮损失。

在一些面源污染的敏感区推行合理的轮作制度，则农业面源污染可大为减轻。

另外少耕或免耕、丘陵地区营造梯田、保持良好植被等措施均应大力推广。

3.5人工湿地在农业面源污染控制中的应用
由漂浮植物池、沉水植物池、挺水植物池以及草滤带组成的人工湿地，对氮、磷、泥砂以及有机物有较好的吸收、吸附以及物理沉降作用，可以控制农田径流污染，具有工艺简洁，运行管理方便，生态效益显著，投资少等优点，是控制农业面源污染的实用工程技术。

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