全 文 ：半干旱地区农田生态系统中硝态氮的淋失 3
李世清 3 3 　李生秀　(西北农业大学资源与环境科学系 ,陕西杨陵 712100)
【摘要】　在不同深度的渗漏池 ,连续 6 年 (11 季作物)研究了半干旱地区农田生态系统中硝态氮的淋失. 结果表
明 ,在半干旱地区 ,硝态氮的淋失仍可发生. 淋失量和降水量有密切关系 :降水多 ,淋失量大 ,不同降水年际间表
现出显著差异. 氮肥用量决定着淋失量的大小 ,而尿素和碳酸氢铵的淋失量却无本质差别. 不同深度的土壤有
着不同的贮水量 ,因而也有着不同的淋失量. 实行夏季休闲 ,会增加硝态氮淋失的潜在危险.
关键词 　硝态氮 　淋失 　半干旱地区
Leaching loss of nitrate from semiarid area agroecosystem. L I Shiqing and Li Shengxiu ( Depart ment of N atural Re2
sources and Envi ronment Science , Northwestern A gricultural U niversity , Yangling 712100 ) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2000 ,11 (2) :240～242.
A 6 years lysimeter experiment shows that an obvious nitrate leaching even occurred in semiarid area agroecosystem.
The leaching loss was positively related to precipitation ,and had a signficant difference among years with different pre2
cipitation. The application rate of N fertilizers determined the amount of leaching loss ,but no obvious difference was
found between urea and ammonium bicarbonate. Different depth of soil had different water storage ,and therefore , had
different leached amounts. Summer fallowing could increase the potential nitrate leaching loss.
Key words 　Nitrate nitrogen ,Leaching loss , Semiarid area.
　　3 国家自然科学基金资助项目 (39770425 和 39970151) .
　　3 3 通讯联系人.
　　1998 - 09 - 14 收稿 ,1998 - 11 - 06 接受.
1 　引 　　言
早在 1905 年 ,英国科学家 Robert Warrington〔11〕
就指出土壤中硝态氮的淋失是导致土壤肥力降低的重
要因子. 但是过去的研究大多着眼于对氮肥肥效和土
壤肥力的影响. 近年来农田硝态氮对地表水和地下水
的污染引起了人们的极大关注〔4 ,7〕. 由于对环境问题
的关心 ,促使农业科学家和环境科学家为解释、监测或
预测田间土壤硝态氮的持留和移动进行了深入研
究〔4〕. 研究农田硝态氮淋失有多种方法〔1 ,3 ,8 ,12〕,其中
最主要的有渗漏池法. 这一方法既可以测定淋出的水
量 ,也可以测定其中硝态氮浓度 ,对淋失的硝态氮能做
出较为可靠的估计. 在半干旱地区农田生态系统中硝
态氮能否淋失 ,淋失的数量有多少 ,与降水量、施肥量、
肥料品种、土层深度、休闲等有无关系 ,迄今严格的试
验资料并不多见. 本文根据渗漏池 6 年的试验结果和
部分田间试验结果对此进行论述.
2 　材料与方法
211 　渗漏池情况
供试渗漏池建于 1979 年 ,有 100、120、140 和 200cm4 种深
度 ,各 10 个 ,共 40 个. 内径 1m ,面积 01785m2 . 渗漏池中的土壤
按原层填装. 池内土壤为红油土 ,耕层容重约 1135g·cm - 3 ,下
层约 1140g·cm - 3 ,有机质 1015g·kg - 1 ,全氮 0189g·kg - 1 ,p H 为
810 ,质地为粘壤 ,前茬冬小麦.
212 　试验设计
21211 试验 1 　从 1989 年 6 月开始在夏玉米上进行. 各深度渗
漏池上均设未施肥 ,每公顷分别施与 105kgN 相当的尿素和碳
酸氨铵 3 个处理. 当年玉米收后 (9 月) 休闲 ,到翌年 (6 月) 又种
玉米 ;玉米收后 ,接种小麦. 1991 年小麦收后 ,改变试验方案 ,新
方案设不施肥和分别施尿素和碳酸氨铵 2 种肥料 ,每种肥料均
设施 N18715kg 和 37510kg·hm - 2 2 个水平 ,共 5 个处理 ,2 次重
复.试验期间共播 5 季作物 (表 1) . 氮肥分配在前 2 季作物上 ,
其中 60 %施在第 1 季玉米拔节期 (7 月 2 日追施) ,40 %施在第
2 季上 (1/ 2 作种肥 ,1/ 2 在 1992 年 4 月 6 日追施) .
　　第2季小麦深追施 ( 1992年4月11日 ) 、第4季小麦作种
表 1 　各季作物的播、收时期
Table 1 Seeding and harvesting date of every crop
供试作物
Crop
播　期
Seeding date
收获期
Harvesting date
试验 1 　Experiment 1
夏玉米　Maize 1991 - 06 - 21 1991 - 09 - 10
冬小麦　Wheat 1991 - 10 - 14 1992 - 06 - 15
夏玉米　Maize 1992 - 06 - 15 1992 - 10 - 02
冬小麦　Wheat 1992 - 10 - 14 1993 - 06 - 07
夏玉米　Maize 1993 - 06 - 07 1993 - 09 - 13
试验 2 　Experiment 2
冬小麦　Wheat 1993 - 10 - 03 1994 - 05 - 29
夏玉米　Maize 1994 - 06 - 15 1994 - 09 - 26
冬小麦　Wheat 1994 - 10 - 07 1995 - 05 - 18
夏玉米　Maize 1995 - 06 - 04 1995 - 09 - 20
冬小麦　Wheat 1995 - 10 - 07 1996 - 06 - 10
夏玉米　Maize 1996 - 06 - 10 1996 - 09 - 29
注 :试验 1 期间共降水 126715mm ;试验 2 期间共降水 107417mm.
Note : The precipitation was 1267. 5mm in the experiment 1 , and 1074. 7
mm in the experiment 2.
应 用 生 态 学 报 　2000 年 4 月 　第 11 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2000 ,11 (2)∶240～242
肥共施普通过磷酸钙 750kg·hm - 2 ;3 季玉米均未施磷肥.
　　各季作物播种、收获期见表 1. 夏玉米用陕单 9 号 ,每池 6
穴 (第 1 料)或 4 穴 (后 2 料) . 冬小麦第 2 季品种为小偃 107 ,第
4 季为 504 ,播量为 150kg·hm - 2 ,条播 ,行距为 20cm.
21212 试验 2 　试验 1 经过 5 季后 ,各渗漏液中的 NO -3 2N 含量
甚微 ,近乎为零. 因此 ,又进行了第二次试验. 本次试验在每一
深度均设 5 个施氮水平 :不施氮和分别施 N 60、120、180 和
240kg·hm - 2 ,氮肥用尿素 ,重复 2 次.播前 1 周灌水 ,灌至各池均
有水渗出为限.待土表干到能作业时 ,施肥播种.试验期间共播 6
季作物 (表 1) . 氮肥仅施在第 1 季上 ,各季均施普通过磷酸钙
1500kg·hm - 2作肥底.供试冬小麦品种分别为 504 (第 1、3 作) 和
676 (第 5 作) ,播量 153kg·hm - 2 ;夏玉米品种分别为陕丹 9 号 (第
2、4 作)和掖单 13 号 (第 6 作) ,播量为 4 穴/ 池.
213 　化学分析
用塑料桶接收渗漏水. 在每次收到渗漏水后 ,将其充分混
匀 ,测量体积并取分析水样 ,用连续流动分析仪测定 NO -3 2
N〔2〕,由渗水量和 NO -3 2N 浓度计算每次 NO -3 2N 淋失量 ,每次
淋失量相加得累计淋失量. 用差减法计算肥料氮的淋失量.
3 　结果与讨论
311 　降水对硝态氮淋失的影响.
硝态氮的淋失取决于降水 (或灌水) 和 NO3- 2N 浓
度两个因子〔5〕. 浓度高 ,下渗到根区以下水量大时 ,
NO3- 2N 的淋失严重 ,某一因子受到限制 ,NO3- 2N 的淋
失量就会明显减少. 在湿润和半湿润地区 ,NO3- 2N 通
常累积在心土层 ,进而逐渐淋失进入地下水 (即活塞理
论〔10〕) . 在半干旱地区情况如何 ? 硝态氮是否也会脱
离这一土层深度 ? 为了阐明这一问题 ,从 1991 年开始
进行了 2 次 11 季作物的试验. 结果表明 ,降水不同 ,渗
漏池渗漏的水量不同 ,淋溶损失的肥料氮所占比例也
明显不同 (表 2) ,第 1 次试验期间 ,每季作物平均降水
25315mm ,累计降水 126715mm (前 3 季 90310mm) ,大
雨次数多 ,4 种深度渗漏池平均渗漏水 29918mm ,前 3
季 26018mm ,淋失肥料氮占施 N 量的 37185 % ;第 2
次试验期间 ,每季作物平均降水 17911mm ,累计降水
107414mm(前 3 季为 48913mm) ,大雨次数少 ,4 种渗
漏池平均渗漏水 10514mm ,前 3 季仅 3719mm ,淋失肥
料氮只占施 N 量的 2143 %. 第 1 次试验前 3 季渗漏水
和全试验期肥料中 NO3- 2N 的淋失率 (淋失肥料氮占
施 N 量的百分数)分别是第 2 次试验的 616 倍和 1516
倍 ,其中 95 %以上的淋失主要发生前 3 季作物上. 可
以看出 ,在半干旱地区 ,降水是决定 NO3- 2N 淋失与否
及多少的关键因子. 因此 ,评价半干旱地区农田生态系
统中 NO3- 2N 的淋失 ,仅靠 1、2 季作物的试验结果 ,难
以反映不同降水年型下的淋失量和变异性 ,应从多年
试验结果进行评价.
表 2 　降水量对肥料 NO 3- 2N淋失率的影响
Table 2 Effect of precipitation on the fertilizer NO -3 - N
深度 (m)
Depth of
lysimeter
渗漏水 (mm)
Percolating water
第 1 次
First
第 2 次
Second
淋失 N 占施氮量百分率
Leached N/ applied N ( %)
第 1 次
First
第 2 次
Second
110 366188 159141 5412 414
112 339150 143155 5515 214
114 285122 91100 3310 113
210 207166 27155 910 116
312 　施肥量对硝态氮淋失的影响
氮肥施用量影响着土壤中 NO3- 2N 的浓度 ,因而
直接影响着氮素的淋失. 第 1 次试验中 ,从两种氮肥和
4 种深度的平均值看 (表 3) ,施氮量低 ( 18715kg·
hm - 2) 时 , 淋 失 量 为 9812kg ·hm - 2 , 施 N 量 高
(37510kg·hm - 2)时 ,淋失量为 17518kg·hm - 2 ,用差减
法计算 ,在这两种施肥量下损失的肥料氮分别占施氮
量的 3612 %和 3818 % ,相差不大 ,但高施 N 量时的淋
失绝对量几乎为低施 N 量的 1 倍. 在第 2 次试验中 ,
淋失的氮素与施肥量仍呈高度正相关关系 : y淋失 =
01032 + 01028x施氮量 (r = 0. 966 3 3 ,n = 5) ,施 N 量为 60、
120、180、240kg·hm - 2时 ,由肥料中淋失的氮分别为
1112、2181、3156 和 7109kg·hm - 2 . 显然 ,不考虑作物的
需要量而盲目地提高施 N 量 ,会增加氮素的淋失.
313 　氮肥品种对硝态氮淋失的影响
　　两种主要氮肥 (即尿素和碳酸氢铵) 的N素淋失
表 3 　施肥对 NO 3- 2N渗漏的影响
Table 3 Effect of fertilization on NO -3 2N leaching( kg·hm - 2)
深度 Depth
of lysimeter
(m)
第 1 次试验 First experiment
不施
Control
尿素
Urea
碳酸氢铵
Ammonium bicarbonate
0 18715 37510 18715 37510 第 2 次试验 Second experiment0 60 120 180 240
110 1314 11911 22814 10412 21113 0155 1188 4101 4130 18151
112 1517 10618 25316 11716 20819 0149 1193 2180 5101 6130
114 2016 8419 14314 9018 13319 0141 2108 2117 2139 2186
210 7117 8119 11112 8010 11511 0132 0133 4101 4112 2145
从肥料中淋失的 NO 3- 2N 量　Amount of nitrate nitrogen leached from fertilizer N
110 10517 21510 9018 19719 1133 3146 3175 17196
112 9111 23810 10119 19312 1144 2131 4152 5181
114 6413 12219 7013 11313 1167 1176 1198 2145
210 1011 3915 813 4314 0101 3169 3180 2113
1422 期 　　　　　　　　　　　　　　　李世清等 :半干旱地区农田生态系统中硝态氮的淋失 　　　　　　　　　
有无显著差异 ? 在第 1 次试验中对这两种肥料进行了
比较试验.旱地土壤 ,不论施入酰胺态氮肥的尿素 ,还是
铵态氮肥的碳酸氢铵 ,最后都将转化成 NO3- 2N〔6〕. 由于
渗漏池面积较小 ,土壤又是非均一介质 ,因此 ,即使同样
降水 ,在相同处理渗漏中每次淋出的水量及其 NO3- 2N
浓度也有较大差异 ,由此而计算的 NO -3 淋失量也不相
同.但 3 年淋出的 NO3- 2N 累积量却有非常明确的规律
性 (表 3) :从 4 种渗漏池平均值看 ,不施氮肥时 ,淋失
3014kg·hm - 2 ;施用尿素 (2 种用量平均) ,淋失 13612kg·
hm - 2 ,施用碳酸氢铵 ,淋失 13218kg·hm - 2 . 施用氮肥是
补充土壤无机氮的主要来源 ,也是 N 素淋失的主要源
泉.施用氮肥后 ,虽然会大大增加 N 素的淋失量 ,但两种
形态氮肥中 N 素的淋失量无本质差别.
314 　土层深度对硝态氮淋失量的影响
不同深度的土层容纳水量不同 ,因而同一降水量
条件下 ,从不同深度土壤中渗出的水量也不同. 第 1 次
试验中 ,就 5 个处理的平均值看 ,深度增加 ,淋失的肥
料氮减少 :1m 深度的渗漏池渗出的水量 36619mm ,未
施肥池淋出 N 素 1314kg·hm - 2 ,施肥后淋出 16518kg·
hm - 2 ,淋失的肥料氮相当于施 N 量的 5412 % ; 112m
深度的渗漏池渗出水量 33915mm ,未施肥时淋失 N 素
1517kg·hm - 2 ,施肥后淋失 17117kg·hm - 2 ,淋失的肥
料氮占施 N 量的 5515 % ;114m 深度的渗漏池渗出水
量为 28512mm ,未施肥时淋失 N 素 2016kg·hm - 2 ,施
肥后淋失 N 素 11313kg·hm - 2 ,淋失的肥料氮占施 N
量的 3310 % ; 210m 深度的渗漏池渗漏出水量为
20717mm ,未施肥时淋失的 N 素为 3717kg·hm - 2 ,施
肥后 ,淋失 9711kg·hm - 2 ,淋失的肥料氮占施 N 量的
910 %.第 2 次试验中 ,随着深度增加 ,淋失的 N 素也
显著减少 ,在高施 N 量下更为明显 :施肥量为 240kg·
hm - 2时 ,从 1m 池中淋失的 N 素为 1815kg·hm - 2 ,而
从 2m 池淋失 215kg·hm - 2 .
315 　休闲对硝态氮淋失的影响
一般认为 ,在旱地小麦收获后实行夏季休闲 ,由于
增加了土壤贮水量和土壤有效养分 ,特别是 NO3- 2N
的累积〔9〕,有利于下季作物生长 ,但这一阶段土壤水
分和 NO3- 2N 含量的增加 ,是否也会对 NO3- 2N 淋失造
成潜在危险 ? 以渗漏池和部分田间小区试验结果为例
对此进行讨论. 1989 年 8、9 月两个月的渗漏池试验结
果表明 ,从 2m 池中淋失的水量仅为 54mm ,但休闲池
淋出的 NO3- 2N (1317kg·hm - 2) 比种植玉米池 (6153kg
·hm - 2)多 7117kg·hm - 2 ,前者是后者的 1 倍多. 田间
试验表明 (表 4) ,休闲会显著增加深层 NO3- 2N 的累积
量 . 与播前相比 ,玉米收获后80～120cm土层累积
表 4 　夏季休闲土壤 NO 3- 2N累积量的影响
Table 4 Effect of summer fallowing on the cumulation of NO -3 2N( kg·
hm - 2)
土层
Layer
(cm)
休闲 (8 个小区平均)
Fallowing
(Average of 8 plots)
A B C
种玉米 (8 个小区平均)
Growth of maize
(Average of 8 plots)
D E C
0～20 1516 1814 218 618 1616 918
20～40 1314 1710 316 710 1418 718
40～60 1016 1814 718 516 1218 712
60～80 812 1516 710 414 916 512
80～100 912 1418 516 518 514 - 012
100～120 516 1612 1016 216 016 - 210
总和 Total 6216 10014 3714 3212 5918 2716
A. 休闲前 Before fallowing ,B. 休闲后After fallowing ,C. 净增加量 Net in2
crease ,D. 播种前 Before seeding ,E. 收获后 After harvesting.
NO3- 2N 量下降 ,但休闲小区 ,这一土层 NO3- 2N 显著增
加 ;玉米收获后 0 ～ 120cm 土层累积的 NO 3- 2N 为
5918kg·hm - 2 ,而休闲小区高达 10014kg·hm - 2 ,与试
验起始相比 ,休闲条件下 NO3- 2N 累积量的净增加量
比种植玉米的多 10kg·hm - 2 . 这些结果表明 ,夏季休
闲会增加 NO3- 2N 淋失的潜在危险.
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作者简介 　李世清 ,男 ,35 岁 ,博士 ,副教授. 现在兰州大学干旱
农业生态国家重点实验室进行博士后研究工作. 主要从事于氮
素在旱地土壤2作物系统中的内循环特征研究 ,发表相关学术
论文 30 余篇. E2mail :Lisq @public. xa. sn. cn
242 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11 卷