茶園乾溼氣候對硝態氮的淋失影響

2022-09-29由安根農技發表于歷史

茶園生態化建設模式，涵蓋茶葉品種、栽培、土壤、生物、植保、肥料等領域。秉承以人類為中心的理性生態倫理學思想，為復興茶產業而努力。

農業生產中過度的肥料施用使得土壤中大量營養元素透過地表徑流和淋洗等途徑進入水體，導致水體富營養化、土壤質量退化、地下水汙染等一系列生態環境問題。硝態氮（NO3——N）淋失作為面源氮素流失的重要形式，是導致地表、地下水體硝酸鹽濃度升高的主要原因。由於NO3——N淋失對地下水和人類健康的影響，近年來NO3——N淋失成為土壤科學和環境科學的研究熱點。

1 季節性乾旱/溼潤對土壤NO3——N淋失的影響

NO3——N的淋失容易發生在降雨集中的季節和乾旱之後的雨期。倪玉雪對我國農田降雨量和土壤NO3——N淋失量的關係研究發現，當降雨量小於400mm時，土壤中NO3——N主要以累積為主，隨著降雨量的增多，NO3——N的淋失量也不斷增加，並在降雨量600~800mm時達到最大；馮紹元等對華北平原夏玉米土壤NO3——N的分佈研究發現雨季0~50cm土層NO3——N含量顯著下降，而50~110cm以下土層NO3——N急劇增加，表明降雨是NO3——N淋失發生的重要原因。夏夢潔等對我國黃土高原乾旱區NO3——N與降雨的關係研究發現，乾旱地區一旦遇到高強度降雨將會導致NO3——N大量淋失。

本研究中，正常情景下模擬年NO3——N的淋失通量高於季節性乾旱的所有情景但低於季節性溼潤的所有情景，溼潤季節越多NO3——N淋失通量越大，反之則越小。具體季節而言，秋季乾旱對NO3——N的累積淋失通量影響最大，這可能是受10月底施肥的影響，NO3——N濃度高，使得正常秋季的NO3——N淋失通量較大，但秋季乾旱導致土壤水滲漏通量和NO3——N的淋失通量相對正常的秋季大幅減少。此外，秋季或冬季乾旱時，NO3——N的淋失通量在後續季節均有明顯增加。這主要是因為秋、冬季植被對氮素的吸收減緩，土壤NO3——N逐漸累積，後續季節發生降雨會促進NO3——N的淋失。

NO3——N在土壤中的累積是淋失損失的基礎。一般來說，土壤中NO3——N的累積量和淋失量隨著施氮量的增加而增加。有研究發現，冬小麥施氮量小於150kg/hm2時不發生淋失，但當施氮量在225~300kg/hm2時NO3——N淋失量增加。也有研究顯示當施氮量由150kg/hm2增加到225kg/hm2、300kg/hm2和375kg/hm2時，土壤中NO3——N含量分別增加了1。9、2。6和13。9倍。本研究中，春季溼潤時NO3——N淋失通量較高，這是春季施肥和降雨雙重作用的結果；而夏季溼潤時NO3——N淋失通量並未大幅增加，原因是植被生長消耗大量的氮素。秋季溼潤對NO3——N的累積淋失通量影響微弱，主要是因為本研究秋季溼潤的情景下，降雨主要集中在10月份，而施肥時間為10月底，雨肥不同期導致了NO3——N淋失量增加不明顯。

NO3——N淋失容易發生在NO3——N濃度升高且土壤水分過剩的情況下。土壤水分有助於肥料的溶解以及礦化。如果沒有充足的水分，NO3——N很難被植物吸收利用，從而大量累積在土壤中。但如果土壤中的水分超過田間持水量時，則會引起NO3——N的淋失。吳海卿等利用15N示蹤技術研究了土壤水分對氮素有效性的影響，發現土壤水分在田間持水量45%~90%時，氮素利用率隨著土壤水分的增加而提高。Sadras對氮肥和降水互動作用的研究發現，在降雨較多的年份適量增施氮肥會增加小麥的產量，但在乾旱的年份，增施氮肥不僅會使小麥產量較低，還會造成NO3——N大量殘留累積。因此，施肥後如果遇到乾旱天氣，應該適當補充灌水，促進植物對氮素的吸收利用，減少NO3——N的累積。而在降雨豐富的季節，應該適量減少氮肥的施入量，或者少量多次施肥。

2 NO3——N淋失的滯後/提前效應

NO3——N淋失的滯後效應是指在乾旱狀況下，由於土壤缺乏水文連通性，使得植物根系和土壤微生物對氮的吸收減少，導致其累積在土壤中。當乾燥土壤再次溼潤時，往往會加速氮的分解和礦化作用，此時土壤中累積的NO3——N隨水分迅速移動。本文中，季節性乾旱情景下，NO3——N淋失存在滯後效應，對後續季節和年的NO3——N淋失影響較大，但持續時間較短。

正常情景下模擬年和後續年NO3——N累積淋失通量無明顯差異，季節性乾旱情景下模擬年和後續年NO3——N的累積淋失通量差異較大。乾旱季節越多，兩個年份的差異越明顯，尤其是秋、冬季乾旱時，NO3——N淋失的滯後表現將會持續到來年的夏季。這可能是由於秋季施肥時降雨較少，而且秋冬季節植被生長需氮量較少，土體表層往往有較高的土壤氮素累積，等到來年春季和夏季氣溫升高，降雨增多，土壤有機質的礦化分解加快，從而導致NO3——N的大量淋失。Klaus等對德國東南部集約管理的草地進行研究發現，施肥可以緩衝乾旱導致的產量損失，但是施肥和乾旱的相互作用導致土壤再溼潤後NO3——N淋失風險劇增（>300%），這與本文的研究結果一致。

由此可知，季節性乾旱時，NO3——N淋失量小，如果遇到施肥，NO3——N累積在土壤中，雖然當下NO3——N淋失量較小，而後期如果遇到較大降雨，土壤中累積的NO3——N將大量流失。NO3——N淋失的提前效應是指由於降雨增強改變了土壤水分格局，增加了滲漏，促進微生物氮礦化和植物氮吸收，進而加快了NO3——N的淋失速率，使得土壤中的NO3——N相較常規情況提前淋失。

本文中，季節性溼潤情景下，NO3——N淋失存在提前效應，對後續年NO3——N的淋失影響較小，但持續時間較長。具體來看，溼潤季節越多，模擬年和後續年NO3——N累積淋失通量的差異越明顯。降雨增多使得壤中產流增加，而且研究區土壤礫石含量較高，降雨條件下土壤水分運動活躍，使得原本儲存在土壤中的養分提前淋失。因此季節性溼潤情景下後續年NO3——N淋失通量相比正常情景有所減少。其中，夏季溼潤時，NO3——N淋失的提前效應最為顯著，這主要是由於夏季經常出現高強度降雨所致。

3 模型模擬的不確定性分析

DNDC模擬的精度雖然在之前的研究中表現良好，但其在模擬土壤水分運動時無法很好地捕捉到坡面土壤儲水量的瞬時變化，其模擬的土壤水分滲漏通量對降雨的響應則過於迅速，沒有表現出應有的滯後現象，這與實際情形不符。降雨是影響NO3——N淋失的關鍵因素，因此NO3——N淋失的模擬也存在響應過快的特點，在短時間的模擬上存在一定的高估。

DNDC模擬的時間步長為天，輸入的氣象資料為逐日資料，因此NO3——N淋失通量的模擬結果也是逐日資料，雨量在季節內的分配對NO3——N的淋失影響很大。但本文結果分析以季節來進行討論，若詳細考慮逐日降雨資料的變化，可能會產生較大的差異。例如，即便保持降雨量不變，但若調整降雨的時間使其與施肥時間重合，將會造成NO3——N的大量淋失。相關的研究在未來需要進一步深化。

NO3——N的淋失容易發生在降雨集中的季節、施肥之後的雨期或乾旱之後的雨期。

溼潤潤季節越多NO3——N淋失通量越大，反之則越小。春季和秋季乾旱時NO3——N淋失通量大幅減小；秋季和冬季乾旱時，如果後續季節遇到降雨，NO3——N在後續季節的淋失通量明顯增加。春季溼潤會導致NO3——N淋失通量大幅增加；而秋季溼潤對NO3——N淋失通量無明顯影響。季節性乾旱情景下，NO3——N淋失存在滯後效應，對後續季節NO3——N的淋失影響顯著，到來年夏季結束。季節性溼潤情景下，NO3——N淋失存在提前效應，對後續季節NO3——N的淋失影響相對較小，到來年秋季結束。