氮肥对促进作物生长和提高作物产量发挥重要作用，在农业生产中具有不可替代的地位。但大量不合理地施用氮肥导致肥料利用率和经济效益降低，造成农田土壤硝态氮过度累积、土壤质量下降以及水体污染等问题^{[1, 2]}。我国禾谷类作物的氮肥利用率仅28%~41%^[3]，大部分氮素通过各种途径损失掉，而土壤氮素淋洗是重要的损失途径之一^{[4, 5]}。农田土壤氮素累积与淋洗损失受到灌水与降水、土壤质地、轮作制度、肥料种类、施用量和施用方法等多种因素影响^[6]，具有较大的变幅。冯兆忠等^[7]对内蒙古河套灌区不同农田氮素淋失研究表明：作物结构多样性有助于抑制氮素淋洗损失，不同农田NO₃^--N 淋失量为小麦地跃白菜地跃玉米地跃葵花地跃小麦-玉米地。在华北露地蔬菜轮作的研究发现，传统灌溉管理都能造成不同施氮处理下土壤氮素的淋洗损失，淋洗土层深度达到150~180 cm^[8]。Jackson^[9]连续种植两茬莴苣的氮示踪研究表明，施肥2 周后的¹⁵NO₃-N 主要累积分布在10~30 cm 土层，79.3%的施入肥料氮淋洗出0~30 cm土层，淋失量达146 kg·hm^-2。在我国山东省惠民县的设施蔬菜种植体系中（n=18），由于大量的施肥造成淋洗进入地下水中硝态氮含量达9~274 mg N·L^-1，99%的超过了10 mg N·L^-1[10]。过量施肥造成集约化农田土壤氮素累积和地下水硝态氮污染的研究已成为广泛关注的课题。

宁夏引黄灌区（宁夏灌区）农田类型包括设施菜地、水田和旱地等，其与内蒙古河套灌区农田类型有类似之处，年度内不同季节间农田系统氮素淋失差异较大，时空变异受灌区内地下水引水和农田排水的影响较大^[11]。随着宁夏灌区种植业结构的调整，农田类型多样化和集约化程度的不断提高，农田地下淋溶成为氮素流失的又一个重要途径，由施肥造成的农业面源污染也将加剧^{[12, 13]}。已有研究发现，稻田和设施菜田的氮素淋失是对宁夏灌区农田地下水环境产生负面影响的主要途径^{[14, 15]}。大多数农田土壤氮素累积与淋洗的研究集中在集约化菜地，而在宁夏灌区引黄灌溉导致地下水埋深变化的条件下，不同类型农田土壤剖面氮素累积与迁移特征，及其迁移过程对地下水体污染的综合研究依然缺乏定量或定性观测。因此，本文在宁夏灌区选择设施菜田和水旱轮作玉米地2 种典型农田，研究了土壤剖面不同形态氮素的累积与分布特点，探讨浅层地下水埋深动态变化规律以及各形态氮素含量特征，为该地区不同类型农田氮素淋失污染控制提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验于2011年4月至12月在宁夏灌区的银川市掌政镇和永宁县王太堡进行，调查农田分布于东经106°14′~106°21′、北纬38°14′~38°26′范围，平均海拔1076 m，调查区域主要气候特点是干旱少雨，年均降水量200 mm，蒸发量2000 mm 以上，年均气温8~9℃，是典型的灌溉农业区。该灌区主要农田类型包括水田（水稻）、旱地（玉米和小麦）、日光温室农田等，土壤类型以灌淤土为主。选择不同施氮水平的集约化农田：设施菜田（种植年限15~17 年）和常年水旱轮作大田，研究设施蔬菜和春玉米等不同作物收获时期土壤剖面全氮（Total N,TN）、溶解性总氮（Total soluble N,TSN）、溶解性有机氮（Soluble organic N,SON）、NO₃^--N和NH₄⁺-N 的累积与分布特点，评价其对浅层地下水的环境效应。不同类型农田的概况如表 1 所示。2 种类型农田都采用引黄河水灌溉，设施蔬菜采用畦灌方式，全生育期追肥灌水4~6 次；大田玉米采用大水漫灌方式，全生育期追肥灌水3~4 次。

表 1 不同类型农田概况 Table 1 Introduction of the different farmlands

表选项

土壤采集：在设施番茄、芫荽和小油菜收获后，大田玉米9 月下旬收获后，每种农田类型设4 个点位，用土钻多点采集0~5、5~20、20~40、40~60、60~100、100~150 cm土层土样，每层采集5点混合，土壤分为2份，其中1份风干测定其TN含量，另1份为新鲜土样，带回实验室冷冻保存，测定其TSN、NO₃^--N 和NH₄⁺-N含量，SON（mg·kg^-1）=TSN-（NO₃^--N）-（NH₄⁺-N）。

浅层地下水采集：在设施蔬菜和大田玉米的各个生育期间，利用埋置的380 cm 深的PVC 管观测井，定期测定农田地下水埋深，作物收获后，分别采集农田地下水样约500 mL，样品于-20 益冰柜中保存待测，测试前解冻，测定其TSN、NO₃^--N 和NH₄⁺-N 含量，SON（mg·kg^-1）=TSN-（NO₃^--N）-（NH₄⁺-N）。 1.3 测定项目与方法

风干土壤采用浓硫酸消煮，半微量凯氏定氮法测定TN含量。新鲜土样首先按4:1水土比用1mol·L^-1KCl溶液浸提30 min^{[17, 18]}，定性滤纸过滤。土壤浸提液和地下水样采用德国DeChem-Tech. GmbH公司生产的全自动间断分析仪Cleverchem 200 测定土壤NO₃^--N 和NH₄⁺-N 含量；土壤浸提液和地下水样用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定其TSN 含量。 1.4 数据统计与分析

数据和图表处理用Excel 2003 及SPSS 11.0 进行统计分析，多重比较采用LSD法检验，显著水平为5%。 2 结果与分析 2.1 不同类型农田土壤剖面氮素累积与分布 2.1.1 不同类型农田土壤剖面TN 累积与分布

从图 1 可以看出，GF和OF农田土壤TN 含量都是随着剖面深度的增加而呈降低趋势，表层土壤0~5cm 和5~20 cm 含量最高，GF 农田表层土壤TN 含量分别达1.25~2.05 g·kg^-1和1.18~1.69 g·kg^-1，高于OF农田的0.94~1.04 g·kg^-1和0.91~1.04 g·kg^-1。而2 种类型农田20 ~150 cm 各层土壤TN 含量变化都不大，分别在0.29~0.83 g·kg^-1和0.51~0.83 g·kg^-1之间。

图 1 设施菜田（GF）和大田（OF）0~150 cm各层土壤TN 含量 Figure 1 Total N（TN）content in 0~150 cm soil profile in greenhouse（GF）and open（OF）fields

图选项

图 2 结果表明，GF 农田土壤剖面TSN 平均含量都高于OF农田，尤其是表层土壤0~5 cm 和5~20 cm更为显著，前者含量最高分别达278.1 mg·kg^-1和184.7 mg·kg^-1。值得注意的是，OF农田以化肥投入为主，不同地块农田土壤TSN 在土壤剖面的累积峰各有差异，但都主要累积在40~100 cm土体范围。GF农田的TSN 都主要累积在0~5 cm 和5~20 cm 表层土壤，这可能是由于GF农田大量有机肥和化肥表施。

图 2 设施菜田（GF）和大田（OF）0~150 cm各层土壤TSN含量 Figure 2 Total soluble N（TSN）content in 0~150 cm soil profile in greenhouse（GF）and open（OF）fields

图选项

图 3 显示，GF 和OF 农田的NO₃^--N 累积峰值存在差异，前者主要在表层土壤0~5 cm 和5~20 cm，后者主要在40~100 cm 范围内。GF 农田各个田块在20~100 cm 都有较高的累积量，总体在7.8~30.1 mg·kg^-1之间。由于OF农田追肥时期和追肥量的不同，造成不同地块间剖面土壤NO₃^--N 累积峰存在较大差异，OF2 农田累积峰值明显高于其他大田田块，60~100 cm 土壤NO₃^--N 含量达35.2 mg·kg^-1，这与该田块大量施用氮肥密切相关（见表 1）。

图 3 设施菜田（GF）和大田（OF）0~150 cm 各层土壤NO3--N 含量 Figure 3 Nitrate（NO3--N）content in 0~150 cm soil profile in greenhouse（GF）and open（OF）fields

图选项

由图 4可知，无论是GF，还是OF农田，其0~150cm 各剖面NH₄⁺-N 含量很小，分别在0.14~2.08 mg·kg^-1和0.20~2.32 mg·kg^-1之间。考虑到灌溉黄河水中NH₄⁺-N 含量，农田土壤剖面中累积的NH₄⁺-N 会更小。因此，就旱地土壤而言，2 种类型农田NH₄⁺-N 在土壤剖面累积量很有限，而且其在土壤剖面累积和分布并没有明显的规律性。

图 4 设施菜田（GF）和大田（OF）0~150 cm 各层土壤NH4+-N 含量 Figure 4 Ammonium N（NH4+-N）content in 0~150 cm soil profile in greenhouse（GF）and open（OF）fields

图选项

图 5 结果表明，GF 农田各个土壤剖面SON 含量都高于OF 农田，尤其是0~5 cm 和5~20 cm 表层土壤，前者最高含量分别为218.8 mg·kg-1和134.7 mg·kg^-1，而后者分别仅为11.0 mg·kg^-1和11.1 mg·kg^-1，主要可能是GF 农田表层施入大量的有机肥成为SON的重要来源，而OF农田SON 向深层土壤淋洗移动的较为明显，但GF农田20 cm 以下各剖面的SON 含量差异并不大。

图 5 设施菜田（GF）和大田（OF）0~150 cm 各层土壤SON含量 Figure 5 ASoluble organic N（SON）content in 0~150 cm soil profile in greenhouse（GF）and open（OF）fields

图选项

GF 和OF 农田0~150 cm 各层土壤剖面TSN、NO₃^--N 和SON 等主要溶解性氮素平均含量比较分别如图 6（a）、（b）、（c）所示。可以看出，GF 农田0~5、5~20、20~40、40~60、60~100 cm 和100~150 cm 土层的TSN、NO₃^--N 和SON 等溶解性氮素平均含量都显著高于OF农田。GF农田各个土壤剖面的TSN、NO₃^--N和SON 平均含量分别是OF 农田的1.5~5.6、1.5~3.4倍和1.6~9.8 倍，由此可见，GF农田的氮素淋洗风险较高。

图 6 设施菜地（GF）和大田（OF）不同土壤剖面TSN（a）、NO3--N（b）、SON（c）平均含量 Figure 6 The average contents of（a）TSN，（b ）NO3--N,and（c）SON in 0~150 cm soil between GF and OF fields

图选项

表 2 结果表明，不同类型农田土壤剖面氮素累积形态有很大差异。GF 农田土壤剖面TSN/TN 的比例在5.4%~11.5%之间，而OF 农田TSN/TN 为2.2%~4.9%，显然GF 农田的TSN/TN 比例明显高于OF 农田，因此其发生淋溶损失的风险也越高。值得注意的是，GF 农田SON/TSN 的比例最高，达54.5%~70.2%，其次是NO₃^--N/TSN，为29.1%~43.1%；而OF 农田是NO₃^--N/TSN 比例最高，达44.9%~73.6%，其次是SON/TSN，为22.4%~49.8%。2种农田NH₄⁺-N/TSN比例都最低，GF和OF农田分别为0.7%~2.7%和3.4%~5.9%。

表 2 设施菜田（GF）和大田（OF）土壤剖面氮素形态分析（%） Table 2 Analysis of the different N forms in soil profile in greenhouse（GF）and open（OF）fields（%）

表选项

OF 和GF 2种类型农田的浅层地下水埋深都呈动态变化（见图 7）。GF农田7—12 月的变幅在130~230 cm 范围，其埋深在7—10 月间逐渐降低，受10月底和11月初灌区农田冬灌的影响，地下水埋深又上升。OF农田4—10 月（春玉米全生育期间）的地下水埋深变幅在86~240 cm 之间，不同田块的变化趋势差异较大，OF4 田块在4 月下旬的埋深最浅，之后埋深不断降低；OF1、OF2、OF3 田块最浅埋深分别出现在6 月和7 月下旬，之后随着农田灌水减少，地下水埋深都不断降低。

图 7 设施菜田（GF）和大田（OF）浅层地下水埋深动态 Figure 7 Dynamics of the shallow groundwater depth in greenhouse（GF）and open（OF）fields

图选项

表 3 结果可知，GF 农田浅层地下水中TSN、NO₃^--N 和SON 含量都明显高于OF农田，其含量分别达14.31~50.67、10.86~46.12 mg·L^-1 和2.02~5.89mg·L^-1。可以看出，GF 农田地下水NO₃^--N 含量都在10 mg·L^-1以上，已经超过了WHO 的饮用水标准。因此，GF 农田下，NO₃^--N 成为浅层地下水污染的主要氮素形态，占TSN 比例达75.9%~91.0%，SON 对浅层地下水影响也不容忽视，其占TSN 比例为9.0%~23.6%。OF农田下，NO₃^--N 也是浅层地下水污染的主要氮素形态，占TSN 比例达56.3%~66.5%，其次是NH₄⁺-N 和SON。

表 3 设施菜田（GF）和大田（OF）浅层地下水氮素平均含量（mg·L^-1） Table 3 The average N concentration in the shallow groundwater in greenhouse（GF）and open（OF）fields（mg·L^-1）

表选项

图 8 可以看出，OF 和GF 2种类型农田主要溶解性氮素都存在显著差异，GF 农田地下水TSN、NO₃^--N和SON 平均含量分别为22.74、19.84 mg·L^-1 和2.83mg·L^-1，都显著高于OF 农田的2.39、1.43 mg·L^-1 和0.41 mg·L^-1，前者分别是后者的9.5、13.8 倍和7.0 倍，进一步证实设施菜田溶解性氮素淋失风险大，且对地下水污染严重。

图 8 设施菜田（GF）和大田（OF）浅层地下水TSN、NO3--N 和SON平均含量 Figure 8 The average concentrations of TSN,NO3--N,and SON in groundwater in greenhouse（GF）and open（OF）fields

图选项

本试验中设施菜田0~150 cm土壤剖面的NO₃^--N平均含量是大田的1.5~3.4 倍，以往研究也发现集约化程度较高的蔬菜、果园体系相比大田可以累积更多的硝态氮^[19]。本文研究还发现，大田土壤的氮素主要累积在40~100 cm深度，而设施菜田土壤氮素主要累积在0~5 cm 和5~20 cm 土层，造成该差异的原因可能为禾谷类作物，如小麦和玉米等具有较深的根系（根深可达2 m），但蔬菜类作物，如叶菜类作物根系主要分布在0~30 cm 土层^[20]，由此造成不同类型农田作物对土壤氮素的累积与利用不同。

本研究中0~150 cm各层土壤剖面中TSN、NO₃^--N和SON 含量都显著高于大田，其原因为与大田作物种植相比，由于高频率、高强度的施肥和灌水管理，设施菜田土壤氮素累积较多^{[5, 21]}。设施菜田地下水中NO₃^--N 含量均超过了WHO 的标准10 mg·L^-1，说明设施菜田的氮素较大田淋失更为严重。以往研究发现，陕西关中平原菜地土壤硝态氮向下淋洗迁移程度明显高于粮田，而且可能造成2 m以下土层累积大量硝态氮；57%的菜地（n=14）井水硝酸盐浓度超过了10 mg N·L^-1，而大田（n=84）井水硝酸盐浓度超标率仅为7%^[22]。证实集约化程度较高的设施菜田的氮素淋失风险较大，其对地下水的污染风险加大。本研究中设施蔬菜多属于移栽或叶菜类蔬菜，其根系也比较浅，对深层累积的氮素很难利用上，受宁夏灌区农田引黄灌溉抬升地下水位的影响，其更易造成大量深层累积的氮素淋洗出根层。

本试验观测结果表明，大田土壤SON 占溶解性总氮比例为10.5%~69.5%，但其在0~150 cm 土体的含量仅为1.5~15.2 mg·kg^-1，远低于设施菜田的14.1~218.8 mg·kg^-1，说明不同类型农田氮素累积与淋洗形态也各有差异。有研究表明，溶解性有机氮（SON）是仅次于硝态氮的累积与淋洗形态^[23]。有机肥是设施蔬菜生产中重要的氮肥来源，也是SON 的主要来源^[24]。森林土壤和有机农业土壤中溶解性有机氮是主要的氮素累积形态^[25]，本研究中设施菜田由于大量投入有机肥和化肥，其土壤剖面中SON 是主要累积与淋洗形态。Matlou 等^[26]报道农业用地上SON 占总氮比例在17%~32%范围，但如果没有有机肥施用的情况下，NO₃^--N 淋失占总氮98%以上，只有痕量的NH₄⁺-N和NO₂^--N 能检测到^[5]。在宁夏灌区设施菜田和水旱轮作大田中，土壤SON累积与淋洗都占据重要地位，其迁移过程和淋洗对地下水水质如何产生影响以及其与NO₃^--N、NH₄⁺-N 的相互转化关系还需进一步深入研究。 4 结论 4.1 宁夏灌区不同类型农田土壤氮素累积与分布

设施菜田和水旱轮作大田2 种类型农田土壤全氮（TN）含量都随着土壤剖面深度增加而呈降低趋势；而设施菜田土壤剖面主要溶解性氮素含量都显著高于水旱轮作大田。由于设施菜田（GF）氮肥投入强度和水平较高，其在各土壤剖面的溶解性总氮（TSN）、NO₃^--N 和SON平均含量分别是大田（OF）的1.5~5.6、1.5~3.4 倍和1.6~9.8 倍，设施菜田主要溶解性氮素主要累积在0~5 cm 和5~20 cm 表层土壤，水旱轮作农田主要累积在40~100 cm 土体，设施菜田的氮素淋洗风险较高。 4.2 宁夏灌区不同类型农田土壤氮素累积形态

设施菜田和水旱轮作大田土壤剖面TSN/TN 的比例分别在5.4%~11.5%和2.2%~4.9%之间，设施菜田溶解性氮素的比例较高，其发生淋溶损失的风险也越高。溶解性氮素累积形态方面，设施菜田为SON跃NO₃^--N跃NH₄⁺-N，大田为NO₃^--N跃SON跃NH₄⁺-N。NO₃^--N 和SON 都是2 种类型农田溶解性氮素累积的重要形态。 4.3 宁夏灌区不同类型农田地下水氮素含量

设施菜田和水旱轮作大田的浅层地下水埋深变幅分别在130~230 cm 和86~240 cm 之间，受灌区水稻种植和农田灌溉影响较大。设施菜田主要溶解性氮素都显著高于水旱轮作大田，设施菜田地下水TSN、NO₃^--N 和SON 平均含量分别是大田的9.5、13.8 倍和7.0 倍。设施菜田地下水中NO₃^--N 和SON 含量分别达10.86~46.12 mg·L^-1（>10.0 mg·L^-1）和2.02~5.89mg·L^-1，水旱轮作农田分别为1.19~1.86 mg·L^-1 和0.19~0.50 mg·L^-1。证实了设施菜田溶解性氮素淋失风险大，且对地下水污染严重。NO₃^--N 和SON 都可能是农田地下水污染的重要来源。