秸稈還田氮肥不同配施比例在土壤中的淋失研究

田路園　鄒雨坤　李光義　侯憲文　趙鳳亮　李勤奮

摘 要 通過室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)，研究秸稈還田配施不同比例的氮肥比對土壤氮素淋失的影響。不同處理的碳氮比例為15 ∶ 1、20 ∶ 1、25 ∶ 1、30 ∶ 1、35 ∶ 1、CK。結(jié)果表明，秸稈還田配施氮肥對于氮素的淋失有良好的抑制作用，硝態(tài)氮共淋出129.57 、123.68、103.02、122.59、100.12、96.11 mg，占總氮淋溶量的11.05%、13.68%、10.89%、14.75%、15.15%、22.14%，處理組淋溶損失比例均小于對照組，又以碳氮比例為25 ∶ 1的效果最好；銨態(tài)氮共淋出21.33、18.61、9.57、12.30、5.59、7.57 mg，占總氮淋溶量的1.82%、2.06%、1.01%、1.48%、0.85%、1.74%，碳氮比例為25 ∶ 1和35 ∶ 1時(shí)淋淋損失比例較小。綜合考慮，配施氮肥時(shí)以碳氮比例25 ∶ 1淋失損失最少。

關(guān)鍵詞 秸稈還田；碳氮比；淋溶液；氮素淋失

中圖分類號 S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Abstract The leaching of nitrogen in different nitrogen to straw returned ratio was studied through indoor soil column leaching experiment. Different treatments of carbon and nitrogen ratio were 15 ∶ 1， 20 ∶ 1， 25 ∶ 1， 30 ∶ 1， 35 ∶ 1， CK. The results showed that the straw returned had a good inhibitory effect on nitrogen leaching. The nitrate nitrogen leaching was 129.57、 123.68、 103.02、122.59、100.12、 96.11 mg， respectively， accounting for 11.05%， 13.68%， 10.89%， 14.75%， 15.15%， 22.14% of the total amount of nitrogen leaching. The leaching loss proportion of the treatment was less than the control， and the best was found in the treatment of carbon to nitrogen ratio 25 ∶ 1. The ammonium nitrogen leaching was 21.33、 18.61、 9.57、 12.30、5.59、7.57 mg， respectively， accounting for 1.82%，2.06%，1.01%，1.48%，0.85%，1.74% of the total amount of nitrogen leaching. Less leaching rates were found in the treatment of carbon to nitrogen ratio of 25 ∶ 1 and 35 ∶ 1. The carbon to nitrogen ratio 25 ∶ 1 is recommended in fertilizing application.

Key words Traw returned；Carbon and nitrogen ratio；Aching solution；Nitrogen loss

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.07.004

氮素是影響作物生長的重要因素之一，為了增加作物的產(chǎn)量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人們一味的提高氮肥的使用量，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，中國氮肥施用量遠(yuǎn)超出世界平均水平[1-2]。氮素化肥被大量施用時(shí)，不能被作物全部吸收利用，而土壤膠體不能吸附易溶性的硝酸根離子，引起淋失[3]。研究表明，全世界施入土壤的氮肥約10% 經(jīng)淋溶而進(jìn)入地下水[4-5]。當(dāng)降雨或灌溉超過田間飽和持水量時(shí)即發(fā)生NO3--N隨水向下淋失[6-7]。目前農(nóng)田土壤硝酸鹽的淋失被認(rèn)為是造成地下水硝酸鹽污染的主要原因[8]。

秸稈中含有作物生長需要的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，可以作為重要的肥料資源[9-10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國每年生產(chǎn)約7億t的秸稈，其肥量相當(dāng)于 350多萬t 氮肥，但中國秸稈還田率不足50%[11-13]。稈還田可培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀，提高土壤保水保肥能力，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[14-17]。

秸稈施入農(nóng)田后，其降解主要依賴于微生物，土壤微生物在分解秸稈過程中需要同化土壤碳素和吸收速效氮素，以合成新的細(xì)胞體。碳氮比高的秸稈施用后，雖然能夠提供豐富的碳素來源，但缺乏氮素會限制微生物的活性，因此，在秸稈還田后施入一定量的氮肥能夠通過促進(jìn)微生物的繁殖來加快秸稈腐解[18]。而不同秸稈的碳氮比差異較大，在很大程度上影響了其分解效率[19]。對于特定還田秸稈來說，通過施氮來協(xié)調(diào)碳、氮比例，可滿足微生物降解秸稈時(shí)對氮素的需求，維持和增加微生物活性和數(shù)量，改善土壤作物之間的氮素轉(zhuǎn)化，提高氮肥和秸稈的利用率[20-22]。

目前，關(guān)于秸稈還田時(shí)配施氮肥效應(yīng)的研究有很多，但主要集中在作物產(chǎn)量、土壤肥力、土壤水分、土壤微生物等[23-25]，關(guān)于配施氮肥時(shí)，不同碳氮比對土壤淋溶液中氮素流失影響的研究少有報(bào)道。基于此，本研究通過室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，探究秸稈還田時(shí)配施不同比例的氮肥對于土壤淋溶液中氮素流失的影響，為合理利用秸稈資源、合理配施氮肥、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用土壤采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院儋州試驗(yàn)基地（中壤），過5 mm篩，每個土柱中土壤重6.5 kg；還田秸稈采用腐熟過的甘蔗葉，其中C含量為40.39%，N含量為1.40%，試驗(yàn)取2～3 cm的小段，每個處理均按照0.75 kg/m2還田量折算添加。試驗(yàn)用氮素為尿素。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本試驗(yàn)采用室內(nèi)土柱模擬實(shí)驗(yàn)，使用直徑為16 cm、橫截面積為0.020 1 m2的PVC管，分裝土壤深度為30 cm，秸稈埋深約15 cm。

試驗(yàn)于2013年12月在海南省儋州市進(jìn)行，共設(shè)6個處理（表1），按照秸稈還田時(shí)配施氮肥的碳氮比例分為15 ∶ 1（處理一）、20 ∶ 1（處理二）、25 ∶ 1（處理三）、30 ∶ 1（處理四）、35 ∶ 1（處理五）、CK（對照組）處理，對照組不施入秸稈及尿素，碳源選用腐熟甘蔗葉，氮源選用尿素。

1.2.2 測定方法 取樣前澆水，前3次取樣前澆水1 100 mL，從第4次取樣開始，取樣前澆水1 300 mL。取樣時(shí)測量淋溶液的體積，樣品測量其總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的濃度，其中總氮用總有機(jī)碳分析儀直接測定，硝態(tài)氮用紫外分光光度法測定，銨態(tài)氮用靛酚藍(lán)比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析使用Excel和SPSS 19.0軟件，各處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析法（one-way ANOVA），顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下總氮濃度和淋失量的變化

每一組處理的總氮濃度呈先下降后上升的趨勢，不同處理之間的總氮濃度有所差異，總的趨勢是總氮的濃度隨著施入氮肥量的減少而降低；5 d取樣時(shí)，各個處理間總氮濃度差異顯著（p=0.011），濃度的大小順序?yàn)?5 ∶ 1>30 ∶ 1>25 ∶ 1>20 ∶ 1>35 ∶ 1>CK，其中各個處理的濃度比對照組多165.15%，101.33%，128.44%，157.84%，83.06%；120 d時(shí)，各處理的總氮濃度均達(dá)到最低值，CK的降幅最大，120 d后，各處理的總氮濃度開始緩緩升高，其中CK的增幅要大于其他處理；第120天時(shí)，各處理之間差異顯著（p=0.024），20 ∶ 1>15 ∶ 1>25 ∶ 1>30 ∶ 1>CK>35 ∶ 1，其中處理二（15 ∶ 1）、處理一（15 ∶ 1）、處理三（25 ∶ 1）、處理四（30 ∶ 1）比對照組高209.43%，248.33%，49.80%，18.88%，而處理五（35 ∶ 1）比對照組低3.12%，第240天時(shí)，各處理之間差異不顯著（p=0.157）（圖1-A）。

總氮的淋溶量變化趨勢與濃度的變化趨勢相似，呈先下降后上升趨勢，5～120 d取樣時(shí)，處理組的淋溶量均高于對照組，120 d后，處理組的淋溶量低于對照組。這可能是因?yàn)?20 d前，處理組施入的氮肥，部分隨水淋出，120 d后，處理組的氮素和水分的流失都得到了良好的抑制，其中又以處理三（25 ∶ 1）的效果最好（圖1-B）。

2.2 不同處理下硝態(tài)氮濃度和淋失量的變化

除90 d和120 d外，各處理之間的硝態(tài)氮濃度變化相差不大，各處理的總體趨勢為先下降，然后略微上升，接著又下降，120 d時(shí)達(dá)到最低，而后開始顯著上升，且趨于平穩(wěn)，但平穩(wěn)之后的濃度略高于5 d取樣時(shí)的濃度。5 d時(shí)，各處理之間差異不顯著（p=0.192），各處理的濃度均高于對照組。120 d時(shí)，各處理之間差異顯著（p=0.001），各處理均大于對照組，分別高出84.01%、83.89%、49.28%、49.45%、14.11%。240 d時(shí)，各處理之間差異不顯著（p=0.056）（見圖2-A）。

秸稈還田明顯抑制了硝態(tài)氮的流失，120 d后，各處理組硝態(tài)氮的淋失量均低于對照組，不同處理組之間比較時(shí)，碳氮比例為25 ∶ 1（處理三）的抑制效果最好（圖2-B）。

2.3 不同處理下銨態(tài)氮濃度和淋失量的變化

各處理的銨態(tài)氮濃度呈現(xiàn)上升→下降→上升→下降的趨勢，5～120 d取樣時(shí)，碳氮比小的銨態(tài)氮濃度更高一些。5 d時(shí)，各處理之間的銨態(tài)氮濃度差異不顯著（p=0.098），其中以處理一的濃度最高，為2.565 mg/L；對照組濃度最低，為0.735 mg/L。15 d時(shí)，處理一和處理二的銨態(tài)氮濃度達(dá)到峰值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他處理的濃度，其中處理一的濃度為8.585 mg/L，是對照組（0.257 mg/L）的33.44倍，處理二的濃度為9.115 mg/L，是對照組的35.51倍。30 d時(shí)處理三和處理四達(dá)到峰值，處理三、處理四的濃度分別為 4.510 mg/L、5.670 mg/L，是對照組（0.150 mg/L）的30.07和37.80倍。120 d時(shí)各處理之間差異顯著（p=0.021），處理三的濃度最高，為0.715 mg/L，處理五濃度最低，為0.130 mg/L，對照組的濃度為0.250 mg/L，處理一、處理三、處理四的濃度就高于對照組，分別高出129.79%，204.26%，87.23%，而處理二和處理五比對照組低14.63%，44.68%。180 d時(shí)，各處理之間差異顯著（p< 0.05），其中對照組>處理二>處理五>處理一>處理三>處理四，濃度最高的對照組為6.487 mg/L，達(dá)到峰值，最低的處理四為1.307 mg/L，對照組是處理四的4.96倍。240 d時(shí)，各處理之間差異不顯著（p= 0.589）（圖3-A）。

120 d前，處理組增加了銨態(tài)氮的淋失量，120 d后，處理組有效的減少了銨態(tài)氮的淋失量，抑制銨態(tài)氮的流失（圖3-B）。

2.4 不同處理對淋溶液體積的影響

不同處理的淋溶液體積整體呈先先增大后降低的趨勢，不同處理間比較時(shí)略顯差異，除5 d取樣時(shí)，處理三淋溶體積最高，其他時(shí)間取樣時(shí)，均為對照組的淋溶體積最高。5 d取樣時(shí)，各處理之間差異不顯著（p>0.05），處理三的淋溶體積最大，為891 mL；處理二的淋溶體積最小，為796 mL；對照組的體積為869 mL。處理三的體積比對照組高2.53%，而處理二的淋溶體積比對照組低8.40%。120 d取樣時(shí)，各處理之間差異顯著（p<0.05），對照組的淋溶體積最高，為1 210 mL，處理三淋溶體積最低，為560 mL，最高與最低之間相差2.16倍。240 d時(shí)，各處理之間差異顯著（p< 0.05），對照組的淋溶體積最大為990 mL，處理一的體積最小，為680 mL，比對照組低31.31% 。試驗(yàn)中，處理組有效的減少土壤水分的流失，其中處理三（25 ∶ 1）的效果最好（圖4）。

2.5 不同處理對淋溶氮累計(jì)量的影響

各處理的淋溶氮累計(jì)量逐步下降，這與秸稈還田時(shí)配施氮肥的量有關(guān)，淋溶氮累計(jì)量和配施氮肥的量呈正相關(guān)。取樣結(jié)束時(shí)，各處理淋溶液的總氮累計(jì)量分別為1 172.30、904.15、945.96、831.33、660.62、434.08 mg，其中處理一總量最高，對照組總量最少，處理一比對照組高170.07%，各處理之間差異顯著（p<0.05）。硝態(tài)氮分別為129.57、123.68、103.02、122.59、100.12、96.11 mg，占總氮淋溶量11.05%、13.68%、10.89%、14.75%、15.15%、22.14%，其中處理三的硝態(tài)氮淋失比例最小，對照組的淋失比例最高，各處理之間差異顯著（p<0.05）。銨態(tài)氮分別為21.33、18.61、9.57、12.30、5.59、7.57 mg，占總氮淋溶量1.82%、2.06%、1.01%、1.48%、0.85%、1.74%，其中處理三、處理四、處理五的淋失比例均小于對照組，處理一和處理二高于對照組，又以處理五的淋失比例最低，處理二最高，各處理之間差異顯著（p<0.05）（圖5）。

120 d后各處理的淋溶總氮為164.21、175.08、138.29、141.88、170.51、158.99 mg，其中處理二的最高，處理三的最低。淋溶的硝態(tài)氮為59.74、60.08、40.59、58.73、45.76、41.99 mg，占總氮含量的36.38%、34.32%、29.35%、41.39%、26.84%、26.41%。淋溶的銨態(tài)氮為5.33、5.79、2.60、3.43、3.52、5.65 mg，占總氮含量的3.25%、3.31%、1.88%、2.41%、2.07%、3.56%，處理三的淋溶損失最少。

3 討論與結(jié)論

有機(jī)肥中碳、氮、磷等元素是被微生物固定或是釋放至土壤中供植物利用，很大程度上取決于有機(jī)肥的碳氮比[26-27]。有研究表明當(dāng)碳氮比例高于35 ∶ 1時(shí)，微生物必須經(jīng)過多次生命循環(huán)，氧化過量的碳，達(dá)到一個合適的碳氮比，供其新陳代謝，因而碳氮比如果過高，會降低微生物降解秸稈的速度[28]，而秸稈的碳氮比一般較高，還田后秸稈雖然能夠?yàn)槲⑸锾峁┴S富的碳來源，但氮素的缺乏限制了微生物的活性。因此，在秸稈還田后施入一定量的氮肥能夠通過促進(jìn)微生物的繁殖來加快秸稈的降解[18]。由于施入氮肥的量不同，各處理組中微生物數(shù)量也有所差異，而微生物數(shù)量上的差異又進(jìn)一步影響秸稈降解的速度，120 d后，微生物降解秸稈的作用開始突顯。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田對于氮素的淋失有良好的抑制作用。周江敏等[29]研究結(jié)果表明秸稈腐解增加了土壤氮素的固定，這與本研究得到的結(jié)論一致。而秸稈還田時(shí)，配施一定比例的氮肥可以更好地抑制氮素的淋失。碳氮比例為25 ∶ 1時(shí)，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的淋失抑制效果都達(dá)到最佳。一般認(rèn)為，碳氮比范圍在25 ∶ 1～30 ∶ 1內(nèi)時(shí)，是適宜土壤微生物分解有機(jī)物質(zhì)的范圍，這與本研究得出的結(jié)論是一致的。

秸稈還田后配施一定的氮肥，短時(shí)間內(nèi)會增加淋溶液中氮素的濃度，增加農(nóng)用氮肥污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)，但長遠(yuǎn)來看會對淋溶液氮素的流失起抑制作用，有效的減少硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的淋失。本試驗(yàn)結(jié)果表明，對于中壤來說，以腐熟的甘蔗葉為還田所用秸稈時(shí)，建議以25 ∶ 1的碳氮比例施入氮肥，能有效的促進(jìn)秸稈的降解，減少氮素的淋失，減少由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的硝態(tài)氮污染。在不影響作物產(chǎn)量的前提下，合理施肥，既可以減少對環(huán)境的污染，也可以節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

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