研究：增强的降水导致美国中西部非免耕农业系统中的硝酸盐淋失增多

导  读

本研究要点结论：

1.   降水的增强使非免耕种植农田的硝酸盐淋失更严重

2.   降水的增强对免耕系统上的硝酸盐淋失没有影响

3.   降水的增强会影响表层土壤的硝酸盐，但不会影响作物含氮量。

4.   免耕可以缓解种植系统的氮流失。

引用文章：Hess, L.J.T., et al., Rainfall intensification increases nitrateleaching from tilled but not no-till cropping systems in the U.S. Midwest.Agriculture, Ecosystems & Environment, 2020.

中文编译：鞠邦珉、韩明会、张丹、李颖（大自然保护协会）

研究摘要

随着全球地表温度升高，许多地区（包括主要农业地区美国中西部）极端天气造成降水量正在增多。众所周知，施用过量的氮肥会给非农业生态系统带来损害，但降雨强度对农田氮素损失的影响尚不确定。该研究进行了234天的田间试验，评估了降雨强度对中西部免耕与非免耕农田系统中氮素淋失、土壤氮转化和作物氮含量的影响。

尽管模型中降雨加剧使耕作和免耕系统中的水渗透增加到1.2 m，但仅使耕作系统中的硝酸盐浸出增加。无论如何耕作管理，降雨期间暴露于强降雨的表层土壤中可提取的土壤硝酸盐浓度平均高32％。在夏季两周内测得的原位氮矿化和硝化速率显示，不同降雨处理或不同耕作系统之间无显着差异。免耕土壤中的无机氮池（0-1.2m深度）比耕作土壤高43％，并且不受降雨强度的影响，作物的氮浓度和总氮同样不受影响。结果表明，耕作系统中降雨的加剧将增加氮向地下水的淋失，从而对经济和环境造成危害。免耕管理使系统免受硝酸盐流失加剧的影响。

前言

氮（尤其是硝酸盐-氮）的淋失是作物系统中最重要的氮素损失途径之一。渗出的硝酸盐会污染地下水，导致河口和沿海生态系统富营养化，并增加一氧化二氮（一种重要的温室气体）的排放。

虽然一些模型研究已经评估了降雨强度对N淋失的影响（例如Gu和Riley，2010年; Congreves等人，2016年），但尚无类似的野外实验。我们报告了第一个有记录的测试，具体测试是：（1）中西部种植系统中降雨事件的频率和大小（而不是总降雨量）的变化如何影响氮淋失； （2）耕作与降雨对N淋失的交互作用。我们利用凯洛格生物站（KBS）长期生态研究（LTER）站点的主要种植系统实验（MCSE）进行这项工作。那里已经对氮的长期淋洗速率进行了表征，这表明与免耕种植系统相比，耕作后的氮淋失率更高（Syswerda等，2011）。我们进行了234天的田间试验，在该试验中，我们模拟了不同降雨模式并测量了耕作和免耕种植系统中的氮淋失，土壤无机氮库，土壤氮转化和作物氮。我们将耕作系统置于控制性降雨处理之下，该降雨处理具有该地区历史上相对较小的频繁降雨事件，而强化降雨处理则具有相同的总降雨量。

实验方法

1、地点

KBS位于美国北部玉米带（85°24′W，42°24'N）。 该地点海拔288 m，年平均降水量为100 cm，冬季大约下降17％，其余部分在春季，夏季和秋季平均分配（Robertson和Hamilton，2015）。年平均气温为10.1°C（Robertsonand Hamilton，2015）。 现场的土壤系列是卡拉马祖（Kalamazoo），这是很好的沃土，而奥什特莫（Oshtemo）是粗糙的沃土。

2、实验设计

主要耕作系统实验（MCSE）由大约1公顷（81×105 m）大小的地块组成，这些地块分配给一个完整的随机区组设计（n = 6个重复区）（图1），用于不同的耕作系统类型。 在该实验中，设计了常规和免耕种植系统，种植大豆、冬小麦和玉米轮作。常规地块使用常规投入物（化肥和农药）和耕作。免耕地块也使用常规化学品投入，自1988年以来，就一直进行免耕管理。

图1.研究地点和防雨棚设计。a）凯洛格生物站（KBS）长期生态研究（LTER）站点的主要种植系统实验（MCSE）图；b）在每个降雨区都安装了防雨棚和其他仪器。在每个降雨区的中部，在土壤深度1.2 m处安装了张力测力计。连接到测渗仪的管子埋在从降雨地带到MCSE地带边界向北延伸的沟槽中。转载自Hess等。（2018）。

实验结果

1、硝酸盐浸出

降雨处理和耕作对硝酸盐浸出的影响是相互的（图2）。 在耕作系统中，集约耕作中的硝酸盐淋失量高于对照样地。在免耕种植系统中，降雨处理之间没有统计学差异，尽管集约耕作中的硝态氮淋失量比对照样地略高。

图2.在降雨和耕作处理过程中，实验期间沥出的硝酸盐累积估算值。蓝线表示平均的硝酸盐累积浸出量，带阴影的包络线表示±1 SE（n = 4个重复图）。灰色阴影表示2015年6月13日至7月6日期间所有降雨区均接收到环境降雨的时间段。字母表示仅在耕作系统中的降雨处理之间沥出的总硝酸盐有显着差异（p = 0.002）

2、表层土壤氮动力学

与对照样地相比，集约化地表的土壤硝酸盐浓度平均高32％；与耕作样地相比，免耕法的地表土壤硝酸盐浓度更高（图3）。与硝酸盐浓度相比，地表土壤铵盐浓度较低，并且不受降雨处理或耕作的影响。用土壤表层原位试验结果表明表层土壤净氮矿化和硝化速率没有显着差异。

图3. 2015年耕作（a和c）和免耕（b和d）耕作系统中表土（0 – 0.2 m）中可交换的无机氮浓度，在集约化极端降雨事件发生前一天进行测量。a）耕作系统中的硝酸盐浓度；b）免耕种植系统中的硝酸盐浓度；c）耕作系统中的铵浓度；d）免耕种植系统中的铵浓度。平均值代表整个实验期间的平均值，误差线代表±1 SE（n = 4个重复图）。与对照降雨处理相比，在加强降雨处理下的土壤中，硝酸盐的平均浓度在试验期间要高（p <0.001），而免耕土壤则比耕种土壤的平均硝酸盐浓度高（p = 0.01）。降雨或肥料处理之间铵盐浓度无显着差异。在面板c和d中，控制图的平均点落后于增强图的平均点

3、土壤无机氮库

采样至1.2 m的土层中总无机N平均为43，与耕作耕地相比，免耕耕地的耕地面积高（图4），而且在试验初期（暴露于降雨处理两周后）差异明显。总无机氮不受降雨处理的影响。大多数土壤无机氮以硝酸盐形式存在（75％）而不是铵，尤其是在表层以下。虽然没有进行统计分析来确定时间对土壤无机氮的影响至1.2m，但观察到总体上呈下降趋势（在所有处理中平均从22减少到9kg N·ha^-1）。

图4.在实验期间土壤中的总无机氮（0-1.2 m）。显示的点是每种耕作处理的平均值，误差线表示±1 SE（n = 8个重复样点）。

结论

到本世纪末，包括中西部在内的美国各地，极端降水的频率预计都会增加。本研究结果表明，降雨的加剧可能增加耕作系统中活性N的淋失，并且免耕管理可能会缓解这些损失。

在较大空间范围内，土壤类型和结构、气候和农艺措施的变化可能会影响种植系统对降雨强度的响应方式。如在土壤排水不好的地方，降雨强度加大可以减少土壤入渗并增加陆上水流，从而减少深层渗滤及氮的淋失。在玉米等农作物的耕作过程中，肥料的施用和土壤无机氮的大量扰动可能使耕作系统更容易受到降雨强度的影响，特别是在施用肥料后不久发生极端事件的情况下。

评估降雨强度对作物系统养分浸出的影响尚处于起步阶段。建模研究发现与降雨加剧相关的硝酸盐淋失增加，然而实地研究很少。研究结果表明，大孔流量可能是耕作和免耕种植系统对降雨集约化响应差异的原因。另外，需要在更长的时间范围内和更多的地方进行进一步的研究，开发出更强大的模型框架体系，以了解降雨的强度增加总体对农业养分流失的可能影响。

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