宁夏引黄灌区地处我国西北内陆，有着2 000多年的灌溉历史，自古以来就是重要的粮食基地。由于农业生产水平日益提高，农田尤其是稻田化肥过量施用导致的退水污染正在成为影响黄河水质的重要原因。长期以来，“大肥大水”促高产是农民追逐高产的主导思想，宁夏引黄灌区化肥的投入处于较高水平，加上大水漫灌等不合理灌溉方式，导致养分损失严重。宁夏引黄灌区近年来化肥平均施用量为1 400～1 500 kg·hm^-2，其中纯N施用量为300～360 kg·hm^{-2 [1, 2]}。研究结果表明，宁夏引黄灌区每年氮素流失超过30万t，施入农田的氮肥有20%～65%流失进入黄河水体，来源于水稻作物的总氮负荷占的比例最大，约为72%，通过对稻田氮素平衡特征进行计算，氮素当季的利用率仅为28%，土体内残留量在23%，当地的表观损失量约为49%^[3]。宁夏引黄灌区土壤类型为灌淤土，是人为灌溉耕作条件下形成的土壤类型，灌淤层厚度一般可达30～70 cm^[1]。该地区地下水位较浅，水源充沛，排水条件较差，有次生盐渍化现象，因此农户长期养成了大水漫灌洗盐的习惯^[4]。该区的灌溉制度一般分为春灌、秋灌和冬灌，每年灌溉时期一般从4月开始^[5]，旱地作物整个生育期灌溉次数在3～5次，而水稻整个生育期灌水次数一般均超过10次，且每次的灌水量都较大^[6]。

氮素在土壤中的迁移受到灌溉的显著影响，随着水分运移淋失是导致各种环境问题产生的直接原因^{[7, 8]}。目前针对不同土壤类型、肥料种类和环境条件下土壤中氮素淋洗特征的报道已经很多^{[9, 10, 11]}，但灌淤土由于其成土条件的特殊性，有机质含量低，质地偏砂土，养分淋溶作用强烈，氮素淋失特征也与其他类型土壤不同^{[12, 13]}。受到有机质含量和粘粒的影响，灌淤土中各土层硝态氮穿透曲线差异较大，硝态氮迁移与水分湿润锋运移有较高的一致性，且容易在水分运动的湿润锋处累积^[13]。因此，本研究利用室内土柱模拟实验，模拟水稻整个生育期灌水定额，研究不同施氮强度条件下氮素的淋失动态和形态特征，旨在了解引黄灌区灌淤土中氮素淋洗损失特征及规律，为氮肥的合理施用和保护水环境安全提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 供试材料

土柱淋洗模拟试验供试土样采自位于宁夏引黄灌区的银川市灵武农场三队，取样点位于东经106°17′58″，北纬38°07′33″，土壤类型为灌淤土。土壤样品按照0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm层次采集，自然风干后过2 mm筛。同时用环刀采集土样测定容重，0~100 cm各土层土壤容重依次为1.47、1.62、1.57、1.46 g·cm^-3和1.43 g·cm^-3。

土样采集后，一部分放置于4 ℃左右的冰箱内，用于土壤水分等指标的测定。另一部分经自然风干后，用于常规理化指标的测定，供试土壤各层次基本理化性状见表 1。

表 1 供试土壤的基本物理化学性状 Table 1 Basic physicochemical properties of test soil

表选项

模拟土柱用PVC管材加工而成，土柱高度为120 cm、内径为6 cm，底部垫上2层无纺布，再用300目尼龙网包扎，垫上约2 cm厚度洗净的石英砂。以20 cm为一个土层按照容重计算装填的土量，各层土壤装填时压实边缘土壤防止侧渗发生。肥料与0~20 cm土层土壤混匀后一次性装入管中，然后在PVC管表层土壤铺上2 cm厚的细砂，防止灌水时扰动耕层土壤。用保鲜膜封住PVC管顶部，用针扎一些小孔，保障水分正常入渗又能防止大量蒸发。土柱放在实验室内进行淋洗模拟，室内温度保持在23～28 ℃之间。 1.3 试验设计

试验设计5个施氮水平，分别为对照处理不施氮肥（N0）、常规氮肥水平300 kg·hm^-2 （N300）、优化氮肥水平（N240）、2倍常规氮肥水平（N600）、2倍优化氮肥水平（N480）。P₂O₅用量为90 kg·hm^-2、K₂O用量为75 kg·hm^-2，氮肥用尿素（N含量46.0%），磷肥用重过磷酸钙（P₂O₅含量26%），钾用氯化钾（K₂O含量60%），各处理均重复3次。肥料在土柱装填时与0～20 cm耕层土壤混匀，以常规施肥N300为例，尿素用量为0.103 2 g，重过磷酸钙用量为0.031 2 g，氯化钾用量为0.019 8 g，其他施肥处理肥料用量以此类推。开始时土柱先加入350 mL蒸馏水淋洗使土壤湿润，调节土柱中土壤持水量与田间取样时相同，第2 d开始第1次淋洗，单个土柱每次用224 mL蒸馏水，共淋洗10次（模拟引黄灌区水稻生育期灌水10次左右），灌溉水总量相当于引黄灌区水稻田一季的灌溉量（900 m³·666.7 m^-2）。 1.4 样品采集和测定

土柱淋洗模拟试验在2012年5月—10月间开展，淋洗频率为间隔10 d淋洗1次，渗滤液用烧杯承接，每次不再有渗滤液流出时，用量筒量取渗滤液体积。土柱模拟试验总共淋洗10次，并在样品采集完的当天进行各项指标测定。水样总氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，硝态氮和铵态氮用流动注射分析仪测定^[14]，数据和图表处理用Excel软件，回归方程和显著性检验用SPSS软件。 2 结果与分析 2.1 不同施氮水平对硝态氮淋洗特征的影响 2.1.1 不同施氮水平对硝态氮淋洗浓度的影响

从图 1可以看出，随着淋洗次数的逐渐增加，N0处理淋洗液中NO₃^--N浓度表现出逐渐降低的趋势，而各施氮处理淋洗液中NO₃^--N的浓度均表现出先升高后降低的变化趋势。前2次淋洗结束后，各施氮处理淋洗液中NO₃^--N的浓度没有显著高于对照（N0）处理，由施肥导致的NO₃^--N转化和迁移速度较慢，没有淋洗出100 cm深度的土层，可能是高灌水量导致土壤湿度较大，微生物的活性下降导致了土壤的硝化能力降低，反硝化能力反而得到增强，土体中的NO₃^--N通过反硝化作用损失^[10]，这与林清火等^[15]的研究结果相似。随着施氮量增加，淋洗液中NO₃^--N浓度峰值出现的时间向后推移，表明淋洗液中的NO₃^--N主要来自于上层土体中的向下迁移，NO₃^--N的产生源为施入的氮肥。N240处理NO₃^--N浓度峰值出现在第5次淋洗后，而N300、N480和N600处理淋洗液中NO₃^--N浓度峰值在第6次淋洗后出现。在10次淋洗结束后，各施肥处理淋洗液中NO₃^--N浓度均在20.0 mg·L^-1以上。N480和N600处理淋洗液中NO₃^--N浓度峰值更是高达114.98 mg·L^-1和124.56 mg·L^-1。水稻作物对养分的吸收利用深度在100 cm范围以内，淋洗到100 cm深度以下的养分很难被作物吸收，继续向下迁移将进入到地下水体^[16]，因此在引黄灌区大水大肥的条件下，过量施用氮肥导致NO₃^--N淋洗出100 cm深度土层并通过淋洗和侧渗进入地下和地表水体，给黄河水质带来潜在威胁。

图 1 施肥处理对淋洗液中NO3--N浓度的影响 Figure 1 Effects of different fertilization treatments on NO3--Nconcentration

图选项

从NO₃^--N的累计淋失量变化（图 2）可以看出，各处理前3次累计淋失量斜率变化比较平缓，原因是施肥转化而成的NO₃^--N短时间内很难淋洗到出100 cm深度的土层。从第4次开始，各施肥处理NO₃^--N的累计淋失量迅速增加，并且随着施肥量的提高而增加，第4～5次是曲线斜率迅速变陡，此段时期尿素溶解和转化较快，因而NO₃^--N淋洗量迅速增加，之后变得平缓。各施肥处理的NO₃^--N淋失量与N0处理的差值可视为施肥导致的NO₃^--N损失^[17]，N240、N300、N480和N600处理的NO₃^--N累计淋失量分别为68.37、86.22、146.26 kg·hm^-2和170.68 kg·hm^-2，占施氮量的比例则分别为28.49%、28.74%、30.47%和28.45%。可见，施入土体中的氮肥有30%左右以NO₃^--N的形式淋洗损失掉，在引黄灌区水稻种植中，氮肥以NO₃^--N形态淋洗损失是氮肥利用率较低的原因之一^[18]。

图 2 施肥处理对NO3--N累计淋失量的影响 Figure 2 Effects of different fertilization treatments on NO3--Ncumulative leaching amount

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从图 3可以看出，淋洗液中NH₄⁺-N浓度变化趋势与NO₃^--N有所不同，NH₄⁺-N浓度在第2次淋洗时浓度便显著高于第1次，之后浓度迅速提高。对照（N0）处理NH₄⁺-N浓度随着淋洗次数增加逐渐降低，而各施肥处理淋洗液中NH₄⁺-N浓度在淋洗第4次或第5次达到峰值，且浓度峰值跟施氮量显著相关，随着施氮量增加而变大。各施肥处理N240、N300、N480和N600处理淋洗液中NH₄⁺-N峰值分别为4.50、5.49、8.41 mg·L^-1和9.55 mg·L^-1，10次淋洗结束时，各施肥处理NH₄⁺-N浓度在1.09～2.56 mg·L^-1之间。由于土柱模拟实验连续灌水，土柱中土壤含水量一直高于田间饱和持水量，降低土壤的通透性，同时也不利于硝化作用，使得NH₄⁺-N在土柱中较长时间存在，造成淋洗液中NH₄⁺-N浓度较高；另外施入的尿素开始水解产生的NH₄⁺-N容易被土壤胶体所吸附，随着尿素的进一步水解和土壤胶体对NH₄⁺-N的吸附趋向饱和，更多的NH₄⁺-N被交换出来淋洗到下层土体也是造成淋洗液中NH₄⁺-N浓度较高原因之一。在宁夏引黄灌区水稻种植集约化条件下，土壤中NH₄⁺-N随着农田灌溉水向下淋洗损失，也会对农田退水和浅层地下水质带来负面影响。

图 3 不同施肥处理对淋洗液中NH4+-N浓度的影响 Figure 3 Effects of different fertilization treatments on NH4+-Nconcentration

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从图 4可以看出，除对照（N0）处理NH₄⁺-N累计淋失量变化比较平稳外，各施肥处理NH₄⁺-N累计淋失量前期（2～4次）斜率均较陡，说明前期NH₄⁺-N淋失量增加较快，第5次淋洗后斜率逐渐变缓，说明NH₄⁺-N淋失量后期逐渐变慢，且随着施氮量增加显著提高。NH₄⁺-N淋洗损失主要发生在前期，在第4次淋洗结束后，N240、N300、N480和N600处理NH₄⁺-N淋失量占到全部10次NH₄⁺-N累计淋失量的比例均在80%以上，避免NH₄⁺-N前期淋洗损失是提高肥料利用率和减少养分淋失的关键。试验结束后，N240、N300、N480和N600处理100 cm处的NH₄⁺-N累计淋失量分别为18.60、25.07、37.77 kg·hm^-2和45.96 kg·hm^-2，占施肥量的比例则分别为7.75%、8.36%、7.87%和7.66%。林清火等^[15]在研究结果表明，淋洗液中的NH₄⁺-N来源主要为土壤，受到施肥量的影响不大，施入土柱中的尿素在75 d之内淋洗到120 cm以下的土层量较少，往下淋失的NH₄⁺-N很容易被土壤吸附。本研究结果表明NH₄⁺-N淋失比例可以占施肥量的8%左右，高于前人的研究结果^[19]，原因可能是因为灌淤土为砂质土质地，土壤有机质含量较低，对NH₄⁺-N的吸附能力较低，加上灌溉强度较大，从而加剧了NH₄⁺-N淋失量。

图 4 不同施肥处理对NH4+-N累计淋失量的影响 Figure 4 Effects of different fertilization treatments on NH4+-Ncumulative leaching amount

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从图 5可以看出，对照（N0）处理TN浓度峰值出现在第2次淋洗，因为没有氮肥施入，淋洗出的TN主要来源于土壤，随着淋洗进程慢慢降低。随着施氮量的增加，TN浓度峰值出现的时间逐渐向后推移，N240和N300处理TN浓度峰值出现在第6次淋洗后，淋洗液中的TN浓度为114.78 mg·L^-1和130.32 mg·L^-1，N480和N600处理TN浓度峰值则出现在第5次淋洗后，淋洗液中的TN浓度分别高达193.56 mg·L^-1和223.47 mg·L^-1。在淋失结束时N480和N600处理淋洗液中的TN浓度依然保持在较高水平，N240和N300处理淋洗液中的TN浓度则降低到50 mg·L^-1以下。不同施肥处理间比较，淋洗液中的TN浓度随着施氮量增加显著提升，且TN浓度峰/值出现的时间随着施氮量增加向后推迟，在淋失结束后，淋洗液中TN浓度依然保持较高水平，对地下水环境安全构成威胁。

图 5 不同施肥处理对淋洗液中TN浓度的影响 Figure 5 Effects of different fertilization treatments on TN concentration

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从图 6可以看出，在不施氮肥的条件下，氮素淋洗到100 cm以下的总量很小，只有不到40 kg·hm^-2。随着施氮量提高TN的淋失量显著增加，N240、N300、N480和N600处理TN淋洗到100 cm以下的累计淋失量分别高达94.53、128.02、222.06 kg·hm^-2和268.6 kg·hm^-2，分别占到施氮量的39.38%、42.67%、46.26%和44.77%。也就是说，施入到稻田土壤中的氮肥，有39.38%～46.26%的比例通过淋洗途径损失，进入到排水沟和地下水体，给当地水环境带来严重威胁，研究结果与林清火等^[15]（氮素的淋失量占到施肥量的3.6%～52.3%）相一致。由于氮素损失以NO₃^--N形态为主，因此TN的淋失动态特征与NO₃^--N相似。在前5次淋失结束以后，N240、N300、N480和N600处理TN淋失量占总累计淋失量的比例分别为78.01%、74.24%、75.87%和85.78%，而对照（N0）处理前5次TN淋失量更是占到总累计淋失量85.17%。可见引黄灌区灌淤土中氮素淋洗损失较为严重，也是导致肥料利用率较低和水环境质量较差的重要原因。

图 6 不同施肥处理对TN累计淋失量的影响 Figure 6 Effects of different fertilization treatments on TN cumulative leaching amount

图选项

分别用指数方程、直线方程、幂函数方程和对数方程对TN的累计淋失量Y_t与淋洗时间t（d）进行拟合，拟合的结果如表 2所示。幂函数方程和对数方程的复相关系数均达到了极显著水平，说明其可以准确地模拟灌淤土中施入的氮素以TN形态淋失量与淋洗时间的动态变化过程。比较各模拟方程R²值的大小，对照（N0）处理以lnY_t =a+blnt（幂函数方程）的拟合效果最好，而各施肥处理则均以Y_t =a+blnt（对数方程）的拟合效果最好。在对数方程Y_t =a+blnt中，a代表第1次各处理的TN淋失量，b则表示淋失量变化速率，从各施肥处理的b值大小来看，b值随着施氮量的增加逐渐变大，说明土柱中TN的淋失速率随着施氮量的增加逐渐变快，增加的幅度也随之变大，导致TN累计淋失量较高。

表 2 不同处理TN淋失量Y_t（kg N）与时间t（d）的拟合方程 Table 2 The modeling equation between times and leaching amounts of TN in different treatments

表选项

从表 3可以看出，氮素淋洗损失量与施氮量显著相关，NO₃^--N、NH₄⁺-N和TN的淋失量均随着施氮量增加表现出升高的趋势。在宁夏引黄灌区灌淤土上，稻田当季施用的化肥较容易淋洗到100 cm 以下土层损失，成为退水和地下水潜在的污染源^{[20, 21]}。氮素流失主要是以NO₃^--N形态存在^[12]，本试验条件下对照（N0）处理NO₃^--N形态淋失的量为26.15 kg·hm^-2，远高于以NH₄⁺-N形态淋失的3.87 kg·hm^-2，各施肥处理间也表现出类似的特征，氮素淋失形态以NO₃^--N为主，而以NH₄⁺-N形态淋失的比例则较小。NO₃^--N淋失量占施氮比例的28.49%～30.47%，而NH₄⁺-N淋失量则仅占施氮比例7.66%～8.36%，可见预防氮素以NO₃^--N形态淋失是提高引黄灌区氮素利用率的关键。N240、N300、N480和N600处理的NO₃^--N累计淋失量占TN淋失量的比例分别为66.87%、64.27%、64.12%和62.40%，而NH₄⁺-N的比例分别为15.90%、16.55%、15.45%和15.88%。无机氮（NO₃^--N+NH₄⁺-N）累计淋失量占TN流失量在78.28%～82.77%之间，约有20%左右的氮素是以有机态的形态淋失掉^[22]，与前人研究结果相类似^{[15, 23]}。

表 3 各处理氮素累计淋失量 Table 3 Accumulative leaching loss amounts of nitrogen in different treatments

表选项

宁夏引黄灌区地处我国西北内陆，多年平均降水量在200 mm左右，是典型的干旱地区，已经有2 000多年的自流灌溉历史，有着“天下黄河富宁夏”的美誉。当地农业用水90%以上来自黄河自流灌溉^[3]，年排水引水比例约为50%，通过排水沟和渗漏回到黄河中的退水量约40亿m³。引黄灌区作物单季氮肥施用量高达300 kg·hm^-2以上^[1]，有大水漫灌的驱动因素，加上过量施用氮肥，同时有驱动的源和流失的库，导致氮素通过淋洗途径大量的损失，造成灌区氮肥利用率相对偏低^[1]和损失严重。水稻是引黄灌区种植面积最大的作物品种，研究表明稻田单季氮素的损失率在20%～65%之间^[5]，退水污染源解析则表明源于水稻作物的氮素负荷约为72%，稻田氮素的损失途径主要为淋洗损失^[3]和气态挥发损失^[2]，因此由稻田氮素淋洗损失引起的退水中营养物质超标对引黄灌区水体造成的污染成为近年来研究的热点。

国内关于氮素在土壤中淋失的模拟研究主要集中在南方水稻土^[23]和北方旱地土壤上^[21]，本实验则通过模拟水稻整个生育期内灌溉量和灌溉次数，利用土柱实验研究氮素在引黄灌区灌淤土中的淋失形态和特征。实验结果表明NO₃^--N仍然是氮素淋失的主要形态，淋失量占到施氮量的30%左右，与NO₃^--N不易被土壤吸附在氮素形态转化过程中较活跃的特性有关^[22]，跟王永生^[12]和陈伟伟等^[7]的研究结果一致。由于尿素在分解过程中的最先的形态是NH₄⁺-N，因此NH₄⁺-N淋失主要发生在前期，而在水稻种植过程中为促进水稻分蘖，大量灌水和施肥往往集中在秧苗刚移栽后的2周内，这段时期内超过土壤吸附能力的NH₄⁺-N较容易随水淋失，做好水稻插秧后的水肥管理是控制NH₄⁺-N淋失的关键节点^[23]。张晴雯等^[3]在青铜峡灌区的研究结果表明常规施肥条件下（300 kg N·hm^-2）单季稻田损失的氮素高达146.37 kg·hm^-2，损失的氮主要以NO₃^--N的形态随着灌溉向下层土壤迁移逐渐进入地下水，但有多大比例进入地下水体还需要进一步研究。本实验研究结果表明，氮素淋失量随着施肥量的提高逐渐增加，施入灌淤土的氮肥有39.38%～46.26%通过淋洗损失，对退水和地下水环境构成了严重威胁。控制农田化肥投入量，降低氮素淋洗损失进而减少农业面源污染物排放系数^{[24, 25]}，是引黄灌区面源污染防控工作的重点。研究中还发现NO₃^--N和NH₄⁺-N占到总氮流失量比例的80%左右，说明约有20%左右的氮素是以有机氮的形态淋洗损失，这部分氮素损失形态是今后研究中需要重点关注的对象。 4 结论

（1）淋洗液中各施肥处理NO₃^--N浓度随着淋洗次数的推移呈现先上升后降低的趋势，施肥量越大出现峰值的时间越晚，以NO₃^--N形态的淋失是氮素损失的主要途径。NH₄⁺-N浓度在淋洗3～4次时达到峰值，流失主要集中在前期。

（2）各施肥处理由肥料引起的TN淋失量占施氮量的比例在39.38%～46.26%之间。将TN各次的累计淋失量Y_t与淋洗时间t（d）用方程进行拟合，N0处理以幂函数方程lnY_t =a+blnt的拟合效果最好，各施肥处理则以对数方程Y_t =a+blnt的R²的拟合效果最好。