长江三角洲农田地下水反硝化对硝酸盐的去除作用

第56卷第2期Vol.56，No.2Mar.，20192019年3月土壤学报ACTAPEDOLOGICASINICAhttp：//pedologica.issas.ac.cnDOI：10.11766/trxb201809050445长江三角洲农田地下水反硝化对硝酸盐的去除作用*颜晓元周伟（土壤与农业可持续发展国家重点实验室（中国科学院南京土壤研究所），南京210008）摘要长江三角洲（简称“长三角”）农田氮素投入量高，但是否像其他高氮投入农田一样在土壤剖面累积了大量硝酸盐尚不清楚。通过连续两年的野外观测结合室内培养实验，发现长三角地区3种不同类型的高氮投入农田1～4m地下水硝态氮（NO3--N）剖面分布特征存在明显差异，水稻田地下水NO3--N浓度始终很低（<1mg·L-1），不同深度之间无差异。蔬菜地和葡萄园1m处地下水NO3--N年平均浓度分别为5.6和17.5mg·L-1，但是地下水NO3--N浓度随着深度增加急剧下降，至4m处，NO3--N浓度降至小于1mg·L-1，与水稻田无差异。蔬菜地和葡萄园地下水高浓度NO3--N仅出现在施肥期间，非施肥期地下水NO3--N浓度较低，这表明长三角农田不存在明显的NO3--N累积。原状土柱培养实验结果表明，0～4m土壤均存在较强的反硝化活性。通过对地下水中反硝化产物N2及N2O的直接定量测定，发现反硝化对地下水NO3--N的去除效率随着深度而增加，至4m处，反硝化对地下水NO3--N的去除效率分别为86%（水稻田）、93%（蔬菜地）和89%（葡萄园）。这表明反硝化能有效去除地下水NO3--N，是长三角地区农田土壤剖面未产生NO3--N累积的重要原因。反硝化产生的溶解性气态氮主要通过地下水流入临近水域，对于蔬菜地和葡萄园而言，溶解性气态氮流失量与NO3--N淋溶损失量相当，是一个重要的氮素去向，值得关注。关键词地下水反硝化；硝酸盐去除；气态氮流失；种植模式；N2直接定量法中图分类号S153.1文献标识码A长江三角洲（简称“长三角”）地区是我国主要的粮食生产区之一，也是氮肥施用量最高的地区之一，由此造成的地下水硝态氮（NO3--N）污染问题早有报道［1］，但关于该地区农田地下水NO3--N的研究多集中于稻麦轮作稻田。近年来，随着城市化的发展，长三角地区越来越多的水稻田转变为蔬菜地和果园［2］，已有的研究发现，蔬菜地和果园表层土壤存在明显的NO3--N累积［3-4］。由于NO3--N容易随水扩散，累积在表层土壤中的NO3--N会随降水或灌溉水淋洗出作物根层，直至进入地下水，或者累积于深层土壤［5］。例如，Zhou等［6］研究表明，中国北方半干旱农田土壤剖面普遍存在明显的NO3--N累积，其中最高值出现在果园土壤，在0～4m土壤剖面NO3--N累积量高达2155kg·hm-2（以N计，下同），即便是累积量最小的小麦土壤，NO3--N累积量也高达453kg·hm-2。长三角地区降水充沛，地下水水位浅，表层土壤中的NO3--N极易随降水淋溶至地下水中。但迄今为止，关于蔬菜地和果园地下水NO3--N的研究较少［7］，已有的研究多集中于根层（0～1m），缺乏根层以下（>1m）土壤和地下水NO3--N浓度分布特征的研究［4］。因此，虽然现有的研究表明长*国家重点研发计划项目（2017YFD0200100）、国家自然科学基金项目（41425005）和中德合作研究项目（GZ1262）资助SupportedbytheNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina（No.2017YFD0200100），theNationalNaturalScienceFoundationofChina（No.41425005），andtheJointSino-GermanResearchProject（No.GZ1262）作者简介：颜晓元（1970—），男，湖南衡南人，博士，研究员，主要研究领域：农业温室气体、土壤碳氮循环、面源污染。E-mail：yanxy@issas.ac.cn收稿日期：2018-09-05；收到修改稿日期：2018-11-07；优先数字出版日期（www.cnki.net）：2018-11-16http：//pedologica.issas.ac.cn351颜晓元等：长江三角洲农田地下水反硝化对硝酸盐的去除作用2期三角地区菜地和果园表层土壤存在NO3--N累积，但不同土地利用方式下NO3--N剖面分布特征并不清楚，对于根层以下土壤或地下水中是否存在NO3--N累积尚不明确。土壤及地下水中高浓度NO3--N可通过物理、化学和生物的手段降低其浓度，其中，反硝化作用能够将NO3--N转化成N2返回大气氮库，是NO3--N自然去除的主要途径［8］。近年来，长三角地