豬場廢水灌溉對土壤氮素時空變化與氮平衡的影響

杜臻杰 齊學(xué)斌 李 平 黃仲冬 高 青 胡艷玲

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所， 新鄉(xiāng) 453003； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站, 新鄉(xiāng) 453003；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源安全高效利用重點開放實驗室， 新鄉(xiāng) 453003)

豬場廢水灌溉對土壤氮素時空變化與氮平衡的影響

杜臻杰1,2齊學(xué)斌1,2李 平1,3黃仲冬1,3高 青1胡艷玲1

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所， 新鄉(xiāng) 453003； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站, 新鄉(xiāng) 453003；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源安全高效利用重點開放實驗室， 新鄉(xiāng) 453003)

利用地中滲透儀測坑開展了田間灌溉試驗，研究了豬場廢水和等氮投入清水處理土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在時間、剖面上的變化規(guī)律，根據(jù)氮平衡原理對不同處理氮輸入和氮輸出項進行對比分析，估算了不同處理的氮礦化量。結(jié)果表明：各處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在時間上的變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為追肥期出現(xiàn)峰值，隨后下降的趨勢；土壤銨態(tài)氮含量隨土層深度的增加而迅速下降，土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的增加變化規(guī)律不明顯，且易淋移至下層土壤并累積。PWH(豬場廢水高氮)處理土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在追肥期出現(xiàn)峰值后下降的幅度較慢，而CKH(清水高氮)處理下降的幅度較快。豬場廢水高氮處理PWH作物吸氮量及氮礦化量比等氮清水處理CKH分別高6.91%和21.29%，表明該處理有利于土壤有機氮的礦化,但同時硝態(tài)氮深層淋溶量也較大，比CKH 高出11.82%。

豬場廢水； 灌溉； 銨態(tài)氮； 硝態(tài)氮； 氮平衡； 氮礦化

引言

水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及作物生長極為重要的限制因素[1]，我國水資源時空分布不均，而且隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，工業(yè)耗水量激增，使得農(nóng)業(yè)用水緊缺問題日趨嚴(yán)重，許多地區(qū)只能利用污水或超采地下水來進行灌溉[2-3]。其中，污水再生利用方面的研究成為廣大學(xué)者關(guān)注的熱點[4-6]。

養(yǎng)殖廢水作為替代性水源，一方面，由于含有較高濃度的氮素[7]和豐富的營養(yǎng)成分，用于灌溉能夠為植物生長提供重要的養(yǎng)分，提高土壤肥力和生產(chǎn)力水平[8]；另一方面，如果不經(jīng)過處理直接進行農(nóng)田灌溉，也會導(dǎo)致土壤氮素深層淋失及污染物的輸入，給土壤-作物-地下水系統(tǒng)帶來威脅，污染環(huán)境。國內(nèi)外關(guān)于養(yǎng)殖廢水資源化利用方面的研究主要集中在養(yǎng)殖廢水灌溉對作物生長和品質(zhì)的影響[9]、對土壤養(yǎng)分含量和重金屬、有機污染物負(fù)荷的影響[10-13]、對土壤微生態(tài)環(huán)境的影響[14-15]等方面。

氮素是極為重要的生命元素，植物需要的氮有50%～80%來自于土壤。但是，土壤中的氮素大部分以有機態(tài)形式存在，而植物能夠吸收利用的是礦質(zhì)態(tài)氮和少量水溶性有機氮[16]。其他有機氮只有在土壤動物和微生物的作用下轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)態(tài)氮才能被植物吸收利用，這一過程稱為土壤氮的礦化，能夠反映土壤的供氮能力。研究表明[17-18]，利用城市再生水灌溉可以促進表層土壤微生物數(shù)量的增加及其生物活性的提高，促進土壤有機氮素的釋放。筆者前期研究也表明，豬場廢水相比城市再生水，氮磷含量高，營養(yǎng)元素豐富，用來灌溉會改變土壤微生態(tài)環(huán)境，進而影響土壤氮庫的轉(zhuǎn)化[19]。然而，目前針對豬場廢水灌溉條件下土壤氮素的時空變化及礦化特征的研究極少，且氮礦化方面的研究主要以室內(nèi)培養(yǎng)試驗為主。鑒于此，本文選擇華北平原典型潮土為研究對象，利用地中滲透儀的測坑平臺，研究田間狀況下豬場廢水灌溉土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在時間、空間上的變化特征，探討豬場廢水與等氮投入的清水對照處理相比土壤氮輸入及輸出項的差異特征，通過氮平衡公式，計算田間狀態(tài)下各處理的氮礦化量，以期為安全高效利用豬場廢水、提高氮素利用效率及防止面源污染提供科學(xué)依據(jù)，也為推進化肥減量提效及實現(xiàn)2020年零增長目標(biāo)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間試驗在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站地中滲透儀的測坑內(nèi)進行，該地區(qū)地理位置為北緯35°19′、東經(jīng)113°53′，海拔高度73.2 m，多年平均氣溫14.1℃，無霜期210 d，日照時數(shù)2 398.8 h，多年平均降水量588.8 mm(豐水年與枯水年可相差3～4 倍)，7—9月份降水量占全年降水量的70%左右，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm。田間試驗為夏玉米、冬小麥輪作體系，試驗自2013年開始至2015年收獲(冬小麥于每年的2013年10月份播種，次年6月份收獲，夏玉米為每年6月份播種，當(dāng)年10月份收獲)。試驗前，以整個試驗地為對象，按五點混合法分別采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 4層土樣，對供試土壤的基本理化性狀進行測定(表1)。本文數(shù)據(jù)來源于2014年10月—2015年6月的冬小麥季試驗(品種為豫麥18，2014年10月10日播種，2015年6月15日收獲)。豬場廢水取自新鄉(xiāng)市盛達牧業(yè)有限公司，公司建有大型微生物厭氧發(fā)酵處理系統(tǒng)，試驗用水為豬場原水發(fā)酵后的產(chǎn)物，相比清水，其氨氮、COD及全磷等養(yǎng)分含量較高，能夠為作物提供必要的養(yǎng)分元素。廢水pH值偏低，礦化度較高(表2)，廢水中抗生素以四環(huán)素(0.36～0.40 μg/L)、土霉素(2.93～3.38 μg/L)及金霉素(3.86～4.07 μg/L)為主，Cd(0.011～0.014 mg/L)、Pb(0.018～0.071 mg/L)含量較低。灌溉前與清水按比例進行混合稀釋。

試驗設(shè)計2種灌溉水質(zhì)(經(jīng)過處理的豬場廢水和清水)，豬場廢水設(shè)置2種濃度PWH(原液稀釋1/5)、PWL(原液稀釋1/10)；每次灌水時，清水對照處理對應(yīng)追施與豬場廢水等氮量的氮肥CKH、CKL；灌水制度參照表3，即灌水方式為畦灌，灌水定額900 m3/hm2，廢水灌溉時期選擇：返青水(3月8日)、拔節(jié)-抽穗水(4月15日)。底肥參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，氮肥在播前施入75 kg/hm2(以純氮計)，高氮組施氮量共計291 kg/hm2，低氮組施氮量共計183 kg/hm2；磷、鉀肥為磷酸二氫鉀作為底肥一次性施入150 kg/hm2(P2O578 kg/hm2、K2O 51 kg/hm2)。其余田間管理按一般高產(chǎn)田進行。本試驗共設(shè)4個處理，每個處理重復(fù)3次，共12個處理。試驗設(shè)計見表3，土壤基本理化性質(zhì)見表1。2013—2015年試驗區(qū)降水量見圖1。

表1 試驗前土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic properties of soil before test

表2 灌溉用水水質(zhì)成分Tab.2 Composition of irrigation water

表3 冬小麥試驗設(shè)計Tab.3 Experiment design of winter wheat

注：PW為Piggery wastewater縮寫,CK為清水對照；H表示高氮處理，L表示低氮處理。

圖1 試驗期間(2013—2015年)月降水量Fig.1 Monthly precipitation amount during experiment period of 2013—2015

1.2 試驗方法

冬小麥生育期間，分別在2015年3月8日(返青—拔節(jié)期、第1次灌水追肥日)、3月10日(拔節(jié)期)、3月15日(拔節(jié)期)、4月6日(拔節(jié)期)、4月15日(拔節(jié)—抽穗期、第二次灌水追肥日)、4月20日(拔節(jié)—抽穗期)、5月8日(抽穗—揚花期)、5月19日(灌漿期)及6月10日(收獲)按小區(qū)采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 4層土樣，測定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。

6月10日(小麥?zhǔn)斋@日)，利用地中滲透儀在測坑中不同埋深(1.0～5.3 m)的土壤溶液收集裝置土壤溶液監(jiān)測1 m以下土層硝態(tài)氮的累積量。植株樣品干燥后稱量計算地上部干物質(zhì)質(zhì)量，粉碎過篩后用常規(guī)方法(凱氏法消煮-蒸餾定氮)測定植株含氮量，進而計算植物吸氮量。

土壤容重的測定：環(huán)刀法；土壤含水率測定：負(fù)壓計和烘干法；土壤質(zhì)地測定：吸管法(國際單位制標(biāo)準(zhǔn))；土壤pH值測定：pH計電位法(PHBJ-260型便攜式pH計，上海雷磁，0.01級)；土壤有機質(zhì)測定：重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮、全磷的測定：連續(xù)流動分析儀法(Auto Analyzer 3型，德國BRAN LUEBBE，靈敏度0.001 AUFS)。水中pH值的測定：玻璃電極法(GB/T 6920—1986)；化學(xué)需氧量的測定：重鉻酸鹽法 (GB/T 11914—1989)；總氮的測定：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB/T 11894—1989)；銨的測定：納氏試劑比色法(GB/T 7479—1987)，硝酸鹽氮的測定紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)；總磷的測定鉬酸銨分光光度法 (GB/T 11893—1989)。鉛、鎘等重金屬的測定：原子吸收分光光度法；四環(huán)素、土霉素、金霉素等抗生素采用超高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-MS/MS) 進行分析。

1.3 氮礦化量的計算

本試驗條件下，各處理土壤氮礦化量[20-21]根據(jù)氮平衡公式推算

Nm=Nc+Na+Nl-Nf-Ni

(1)

式中Nm——氮礦化量Nc——收獲后作物吸氮量Na——土壤淺層(0～80 cm)礦質(zhì)氮累積量Nl——土壤深層(80～530 cm)礦質(zhì)氮累積量Nf——施入氮肥量(化肥、有機肥)Ni——測坑中土壤初始無機氮量(0～530 cm)

土壤剖面中各土層礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮或銨態(tài)氮)累積量(Nmin，kg/hm2)計算式為

Nmin=0.1dPbC

(2)

式中d——土層厚度，cmPb——土壤容重，g/cm3C——某土層中礦質(zhì)氮含量，mg/kg

0～80 cm累積量按20 cm的平均礦質(zhì)氮含量計算，80～530 cm按50 cm平均礦質(zhì)氮含量計算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 17.0進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤氮素時空變化特征

2.1.1 土壤銨態(tài)氮含量在冬小麥生育期內(nèi)的動態(tài)變化

圖2 2015年不同時期各處理土壤銨態(tài)氮在剖面上的變化Fig.2 Changes of -N content in soil profile of each treatment at different growth stages in 2015

不同處理相同土層銨態(tài)氮含量(質(zhì)量比)隨時間變化規(guī)律基本一致(圖2)。各處理 0～20 cm、20～40 cm土層銨態(tài)氮含量均在3月10日、4月16日出現(xiàn)2個波峰，這是由于3月8日、4月15日為灌水追肥日。整個生育期內(nèi)，各處理0～20 cm、20～40 cm土層銨態(tài)氮含量以兩波峰為頂點，呈M型的趨勢分布，5月8日即灌漿期后，銨態(tài)氮下降平緩并維持在10 mg/kg以下，這可能是由于2015年5月份降水量相對較小(圖1)，旱地土壤環(huán)境土壤硝化作用強烈，使銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮所致。豬場廢水高氮處理PWH 0～20 cm土壤銨態(tài)氮含量在2.36～119.73 mg/kg之間，清水高氮處理CKH土壤銨態(tài)氮含量在1.03～125.36 mg/kg之間，豬場沼液低氮處理PWL銨態(tài)氮含量在1.53～63.95 mg/kg之間，清水低氮處理CKL銨態(tài)氮含量在0.07～68.32 mg/kg之間。豬場廢水處理組相比清水處理組，0～20 cm、20～40 cm土層銨態(tài)氮含量出現(xiàn)峰值后隨時間下降幅度較為平緩，后者出現(xiàn)峰值后隨時間下降幅度較為陡急。這是由于豬場廢水處理有利于土壤有機氮礦化所致(表1)，因為厭氧發(fā)酵后的豬場廢水中含有氨氮、氨基酸等高濃度氮素(表2)，加上隨廢水施入土壤中的沼渣還含有大量有機質(zhì)和腐殖酸，這些官能團能夠使土壤膠體固持銨態(tài)氮的能力增強，而且氮源和碳源的增加為土壤微生物提供了必要的養(yǎng)分和能量，進而促進土壤有機氮的釋放，提高土壤礦質(zhì)氮的含量[19]。

相同處理土壤銨態(tài)氮含量均隨土層深度的增加而減小。相比而言，豬場廢水處理從0～20 cm至20～40 cm土層銨態(tài)氮下降幅度較小，清水對照處理銨態(tài)氮下降幅度較大。各處理從20～40 cm至40～60 cm土層土壤銨態(tài)氮含量開始急劇下降，尤其是4月16日豬場廢水高氮處理20～40 cm至40～60 cm土層銨態(tài)氮含量降幅達91.01%。這是由于銨態(tài)氮攜帶正電荷，極易被帶負(fù)電荷的土壤膠體吸附固持，向下淋移能力較弱。

2.1.2 土壤硝態(tài)氮含量在冬小麥生育期內(nèi)的動態(tài)變化

不同處理相同土層硝態(tài)氮隨時間變化規(guī)律比較相似(圖3)。各處理 0～20 cm、20～40 cm土層硝態(tài)氮含量在3月10日、4月16日左右出現(xiàn)2個波峰，這同樣是由于3月8日、4月15日為灌水追肥日所致。整個生育期內(nèi)，各處理0～20 cm土層硝態(tài)氮含量以兩波峰為頂點，呈不規(guī)則的 M 型趨勢分布，5月8日即灌漿期后，硝態(tài)氮含量變化逐漸平緩，基本維持在10～30 mg/kg范圍內(nèi)。不同處理20 cm以下土層的硝態(tài)氮含量隨時間變化規(guī)律不明顯，波動性較強，如圖3所示豬場廢水高氮處理PWH 40～60 cm土層出現(xiàn)多次波峰，本試驗條件下，豬場廢水中高濃度的氮素、腐殖酸及其他礦質(zhì)養(yǎng)料為微生物生長和繁殖提供了豐富的營養(yǎng)來源，有利于土壤中微生物的生長，土壤酶活性升高[18]，進而激發(fā)土壤有機氮庫釋放礦質(zhì)氮，而在旱地土壤大部分銨態(tài)氮都會最終轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，隨著灌溉和降水淋移到下層土壤(表4), 故PWH處理下層土壤硝態(tài)氮含量隨時間延長會出現(xiàn)多次波峰。各處理0～20 cm土層硝態(tài)氮含量隨時間的變化趨勢一致。均在施肥期出現(xiàn)波峰后下降，豬場廢水處理相比等氮投入的淡水處理，硝態(tài)氮含量出現(xiàn)波峰后下降的坡度較為平緩。而且6月10日冬小麥?zhǔn)斋@后廢水處理組土壤硝態(tài)氮殘留量要高于清水對照處理，增加了淋溶風(fēng)險，這可能是由于豬場廢水處理能夠礦化更多的土壤有機氮所致(表4)。豬場廢水高氮處理0～20 cm土壤硝態(tài)氮含量在17.30 ～176.06 mg/kg之間，清水對照高氮處理0～20 cm土壤硝態(tài)氮含量在11.94～184.15 mg/kg之間，豬場沼液低氮處理土壤硝態(tài)氮含量在14.26～61.95 mg/kg之間，清水低氮處理硝態(tài)氮含量在9.65～71.26 mg/kg之間。

各處理土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度變化的規(guī)律較為復(fù)雜。在2015年5月份之前，各處理土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度加大呈下降的趨勢。相比清水對照處理，豬場廢水處理土壤硝態(tài)氮含量下降幅度相對較小，這是由于該時間段為追肥期(3月10日、4月16日)，且降水量較小，硝態(tài)氮向下淋移速度相對緩慢。此外，豬場廢水所攜帶的腐殖酸含有羥基、羧基等親水基團，會使土壤親水能力增強[19]，而在一定程度上減緩?fù)寥老鯌B(tài)氮向深層淋失。2015年5月份以后，各處理(尤其是清水對照處理CKH、CKL)土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度增加呈逐漸上升的趨勢。如圖3所示，5月8日豬場廢水高氮處理土壤硝態(tài)氮含量由大到小表現(xiàn)為：40～60 cm、0～20 cm、60～80 cm、20～40 cm土層。6月10日清水對照處理CKH、CKL土壤硝態(tài)氮含量由大到小表現(xiàn)為：60～80 cm、20～40 cm、40～60 cm、0～20 cm土層，這是由于2015年5—6月降水量增大，而硝態(tài)氮本身帶負(fù)電荷不易被土壤膠體吸附，便隨著降水向下淋移累積，因此，在高氮肥料的處理條件下，應(yīng)注重水肥的合理運籌，遵循作物的需氮節(jié)律，以免造成氮素的損失甚至地下水的面源污染。

圖3 2015年不同時期各處理土壤硝態(tài)氮在剖面上的變化Fig.3 Changes of -N content in soil profile of each treatment at different growth stages in 2015

處理施氮量(0～20cm)播前初始氮含量(0～530cm)收獲作物吸氮量氮殘留累積量(0～80cm)硝態(tài)氮深層淋失量(80～530cm)氮礦化量PWH291218.35±10.52a269.57±10.28a240.66±11.58b163.85±9.17a164.73±14.37aCKH291221.65±11.07a252.14±9.43b249.79±17.91a146.53±11.36b135.81±10.16bPWL183214.91±12.18a212.46±7.36c196.02±13.14c78.74±7.06c89.31±9.04cCKL183204.95±12.36a223.28±15.16c196.36±9.17c66.41±6.37d98.09±11.12c

注：同列數(shù)值后不同小寫字母表示處理間差異性顯著(LSD法，P<0.05)。

2.2 不同處理對土壤氮平衡及氮礦化量的影響

農(nóng)田系統(tǒng)中氮輸入量與氮輸出量是相等的。氮輸入量包括施入氮肥、土壤無機氮和氮礦化3 項，而氮輸出量包括作物吸收、殘留無機氮和氮表觀損失3項[20]。北方旱地土壤硝化作用較強，氮表觀損失主要來自硝態(tài)氮的深層淋失，氮排放損失量所占比例很低。吳得峰等[22]和郝小雨等[23]通過北方旱作土壤氧化亞氮和氨揮發(fā)的試驗發(fā)現(xiàn)，黃土高原農(nóng)田氧化亞氮年均量排放量在0.089～2.016 kg/hm2之間，華北平原有機無機肥料配施處理潮土氨揮發(fā)周年累積量在2.5～3.8 kg/hm2之間，可見，氮排放對于表觀損失量(氮輸出量)的貢獻比較小，而等氮處理間的氮排放差異對于氮平衡的影響幾乎可以忽略不計。

由表4可知，6月10日冬小麥?zhǔn)斋@后，各處理在氮輸出方面表現(xiàn)了如下規(guī)律：作物吸氮量在212.46～269.57 kg/hm2之間，吸氮量由大到小依次為：PWH、CKH、CKL、PWL，不同施氮水平條件下，高氮組處理(施氮量291 kg/hm2)PWH、CKH顯著大于低氮組處理(施氮量183 kg/hm2)PWL、CKL，等氮投入的豬場廢水PWH處理與清水CKH處理相比，作物吸氮量顯著高出6.91%，而等氮投入的豬場廢水PWL處理與清水CKL處理相比差異不顯著。土壤殘留氮累積量(0～80 cm)為196.02～249.79 kg/hm2，不同處理殘留氮累積量由大到小依次為：CKH、PWH、CKL、PWL，不同施氮水平條件下，高氮組處理PWH、CKH顯著大于低氮組處理PWL、CKL，等氮投入的豬場廢水PWH處理與清水CKH處理相比，土壤殘留氮累積量顯著低了3.79%，而等氮投入的豬場廢水PWL處理與清水CKL處理相比差異不顯著。土壤硝態(tài)氮深層累積量(80～530 cm)在66.41～163.85 kg/hm2之間，不同處理由大到小依次為：PWH、CKH、PWL、CKL，各處理均存在顯著性差異。不同施氮水平條件下，豬場廢水高氮處理PWH硝態(tài)氮深層累積量顯著高出低氮處理PWL 108.09%，清水高氮CKH處理硝態(tài)氮深層累積量顯著高出低氮CKL處理 120.64%，這說明隨著施氮量的增加，氮素深層淋失量隨之增加，而且化肥的大量施用更容易發(fā)生氮素的深層淋失。等氮投入的豬場廢水PWH處理與清水CKH處理相比，土壤硝態(tài)氮深層累積量顯著高出11.82%，等氮投入的豬場廢水PWL處理與清水CKL處理相比，土壤硝態(tài)氮深層累積量顯著高出18.57%。

在氮輸入方面各處理表現(xiàn)為如下規(guī)律：施氮量方面，高施氮組PWH和CKH大于低施氮組CKL和PWL；播前初始氮無顯著性差異；土壤氮礦化量為89.31～164.73 kg/hm2，不同處理土壤氮礦化量由大到小依次為：PWH、CKH、CKL、PWL。不同施氮水平條件下，高氮組處理PWH、CKH土壤氮礦化量顯著高出低氮處理PWL、CKL，這說明氮素的礦化量隨著外源礦質(zhì)氮的增加而增加。等氮投入的豬場廢水PWH處理與清水CKH處理相比，土壤氮礦化量顯著高出21.29%，作物吸氮量高出6.91%，土壤深層淋失量也增加了11.82%；等氮投入的豬場廢水PWL處理與清水CKL處理相比土壤氮礦化量差異不顯著，土壤深層淋失量也增加了18.57%。這說明豬場廢水適宜的水氮組合模式(豬場廢水原液稀釋1/5左右，配以施氮量75 kg/hm2的底肥，在返青期、拔節(jié)期分別進行定額為900 m3/hm2灌水)有利于氮礦化量的增加，也更有利于作物吸氮量的增加，這是作物產(chǎn)量、品質(zhì)提高的重要原因。但該模式增加了土壤硝態(tài)氮深層累積量，增加了地下水面源污染的風(fēng)險，這有待于進一步研究。

氮素利用效率問題一直是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵問題之一[24]。劉學(xué)軍等[20]研究表明，長期大量施用有機氮肥和化學(xué)氮肥有利于土壤的培肥，而且培肥土壤不基施或適當(dāng)降低基肥用量不影響冬小麥的產(chǎn)量，對作物吸氮量的影響也相對有限，并指出殘留無機氮是作物不減產(chǎn)的主要因素。豬場廢水和氮肥的適宜組合PWH(即豬場原液稀釋1/5，在返青期、拔節(jié)期進行定額為900 m3/hm2的灌水處理)氮素殘留量較大，而且還有利于激發(fā)氮素的礦化和作物吸氮量的提高，因此該處理雖然底肥施用量較少，但并未減產(chǎn)。郭天財?shù)萚25]研究指出，施氮量較低時土壤殘留氮保持在較低水平，氮肥表觀損失量也很低，而施氮量過多，土壤中氮素殘留量和氮損失量均顯著增加。盡管種植作物能改變土壤剖面硝態(tài)氮向深層遷移及淋洗狀態(tài)，但當(dāng)?shù)爻^作物需求時，施肥仍會導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮累積，且積累量隨施氮量的增加而增加。本試驗中，PWH處理冬小麥?zhǔn)斋@后土壤殘留無機氮及深層淋失量都比較大，這會給地下水污染造成潛在的威脅，有必要進一步優(yōu)化豬場廢水灌溉條件下的水氮組合模式，兼顧減施氮肥、保證作物產(chǎn)量、保護地下水環(huán)境。同時，養(yǎng)殖肥水中含有較高的養(yǎng)分和水溶性有機質(zhì)[26-27]，可作為能源為土壤微生物利用，提高作物根際土壤微生物數(shù)量和酶活性[28-29]，促進養(yǎng)分向有效態(tài)轉(zhuǎn)化，當(dāng)作物需氮量增加時，微生物群體釋放出所固定的氮素供作物生長所需，有利于作物對氮吸收和利用[30-31]。有必要對豬場廢水灌溉后土壤理化特性及氮轉(zhuǎn)化相關(guān)指標(biāo)的響應(yīng)特征進行監(jiān)測分析，深入挖掘氮礦化的激發(fā)因子及驅(qū)動機理。

3 結(jié)論

(1)各處理土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在時間上的變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為追肥期出現(xiàn)峰值，隨后下降的趨勢；土壤銨態(tài)氮隨土層的增加而迅速下降，土壤硝態(tài)氮隨土層的增加變化規(guī)律不明顯，且易淋移至下層土壤并累積。

(2)豬場廢水高氮處理PWH作物吸氮量及氮礦化量均顯著高于等氮投入的清水處理CKH；豬場廢水低氮處理PWL硝態(tài)氮深層淋溶量顯著高于等氮投入的清水處理CKL，其他氮輸入和氮輸出項無顯著性差異。

(3)本試驗條件下，豬場廢水高氮處理PWH(即豬場原液稀釋1/5，在返青期，拔節(jié)期進行定額為900 m3/hm2的灌水處理)有利于土壤有機氮的礦化和釋放，故該處理土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量出現(xiàn)峰值后下降的幅度相對較為平緩，而清水高氮處理CKH下降的幅度較為陡急。然而，該處理土壤硝態(tài)氮深層淋溶量也較大，應(yīng)當(dāng)注意土壤釋氮與作物需氮時期的同步性，避免氮素的損失和浪費。

1 武陽, 趙智, 王偉, 等. 調(diào)虧灌溉和灌溉方式對香梨樹吸收根系重分布的影響[J/OL].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2017,48(5):244-250,257.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170530&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.030. WU Yang, ZHAO Zhi, WANG Wei,et al. Effect of regulated deficit irrigation and irrigation mode on fine roots redistribution of fragrant pear trees [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017,48(5):244-250,257.(in Chinese)

2 王全九, 單魚洋. 微咸水灌溉與土壤水鹽調(diào)控研究進展[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2015, 46(12): 117-126. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20151217&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.12.017. WANG Quanjiu，SHAN Yuyang. Review of research development on water and soil regulation with brackish water irrigation[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(12): 117-126. (in Chinese)

3 沈榮開, 王康, 張瑜芳. 水肥耦合條件下作物產(chǎn)量、水分利用和根系吸氮的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2001,17(5):35-38. SHEN Rongkai, WANG Kang, ZHANG Yufang. Field test and study on yield, water use and N uptake under varied irrigation and fertilizer in crops[J]. Transactions of the CSAE, 2001,17(5):35-38. (in Chinese)

4 LOPEZ A,POLLICE A, LONIGRO A, et al. Agricultural wastewater reuse in southern Italy[J]. Desalination, 2006,187(1-3):323-334.

5 彭致功, 楊培嶺, 任樹梅, 等. 再生水灌溉對草坪草生長速率、葉綠素及類胡蘿卜素的影響特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(10):105-108. PENG Zhigong, YANG Peiling, REN Shumei, et al. Impact characteristics of reclaimed water irrigation on the growth rate, chlorophyll and cartenoids contents of lawn grasses[J].Transactions of the CSAE, 2006,22(10):105-108. (in Chinese)

6 MAPANDA F, MANGWAYANA E N, NYAMANGARA J, et al. The effect of long-term irrigation using wastewater on heavy metal contents of soils under vegetables in Harare, Zimbabwe [J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2005,107(2-3):151-165.

7 許振成, 諶建宇, 曾雁湘, 等. 集約化豬場廢水強化生化處理工藝試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2007, 23(10):204-209. XU Zhencheng, ZHAN Jianyu, ZENG Yanxiang, et al.Experimental research on piggery farm wastewater treatment by enhanced biological process[J].Transactions of the CSAE, 2007,23(10):204-209. (in Chinese)

8 JOTHI G, PUGALENDHI S, POORNIMA K. Management of root-knot nematode in tomato with biogas slurry[J]. Bioresource Technology, 2003,89(2):169-170.

9 GUPTA R K, SHARMA V R, SHRMA K N. Increase the yield of paddy and wheat with the application of biogas slurry[J]. Progressive Farming,2002,39:22-24.

10 CAI G X, CHEN D L, DING H,et al. Nitrogen losses from fertilizers applied to maize, wheat and rice in the North China Plain[J].Nutrient Cycling in Agroecosyslcms,2002,63(2):187-195.

11 CHARY N S, KAMALA C T, RAJ D S S. Assessing risk of heavy metals from consuming food grown on sewage irrigated soils and food chain transfer[J]. Ecotoxicology and Environmental Safely,2008, 69(3):513-524.

12 BITTMAN S, MIKKCLSEN R. Ammonia emissions from agricultural operations:livestock[J].Belter Crops with Plant Food,2009,93(1): 28-31.

13 FANGUEIRO D, SENBAYRAN M, TRINDADE H, et al. Cattle slurry treatment by screw press separation and chemically enhanced settling: effect on greenhouse gas emissions after laud spreading and grass yield[J]. Bioresource Tcchnology,2008,99(15):7132-7142.

14 NDAYEGAMIYE A, COTE D. Effect of long-term pig slurry and solid cattle manure application on soil chemical and biological properties [J]. Canadian Journal of Soil Science, 1989, 69(1):39-47.

15 RAMOS I, PéREZ R, REINOSO M, et al. Microaerobic digestion of sewage sludge on an industrial-pilot scale: the efficiency of biogas desulphurisation under different configurations and the impact of O2on the microbial communities[J]. Bioresource Technology, 2014, 164: 338-346.

16 BURTON J, CHEN C R, XU Z, et al. Gross nitrogen transformations in adjacent native and plantation forests of subtropical Australia [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(2): 426-433.

17 龔雪, 王繼華, 關(guān)健飛, 等. 再生水灌溉對土壤化學(xué)性質(zhì)及可培養(yǎng)微生物的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(9): 3572-3579. GONG Xue, WANG Jihua, GUAN Jianfei, et al. Impact of reclaimed water irrigation on soil chemical properties and culturable microorganisms [J]. Environmental Science, 2014, 35(9): 3572-3579. (in Chinese)

18 潘能, 侯振安, 陳衛(wèi)平, 等. 綠地再生水灌溉土壤微生物量碳及酶活性效應(yīng)研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(12): 4081-4087. PAN Neng, HOU Zhen’an, CHEN Weiping, et al. Study on soil enzyme activities and microbial biomass carbon in greenland irrigated with reclaimed water[J]. Environmental Science,2012,33(12):4081-4087. (in Chinese)

19 杜臻杰，樊向陽，吳海卿,等. 生物質(zhì)炭和豬場沼液施用對潮土團聚體及氮素形態(tài)影響研究[J].灌溉排水學(xué)報,2015,34(9):20-23. DU Zhenjie, FAN Xiangyang, WU Haiqing, et al. Effect of biochar and piggery biogas slurry on distribution of nitrogen pools in different sizes of aquatic soil aggregates[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2015,34(9):20-23. (in Chinese)

20 劉學(xué)軍, 趙紫娟, 巨曉棠,等. 基施氮肥對冬小麥產(chǎn)量、氮肥利用率及氮平衡的影響[J].生態(tài)學(xué)報, 2002, 22(7): 1122-1128. LIU Xuejun, ZHAO Zijuan, JU Xiaotang, et al. Effect of N application as basal fertilizer on grain yield of winter wheat, fertilizer N recovery and N balance[J].Acta Ecologica Sinica, 2002,22(7):1122-1128.(in Chinese)

21 巨曉棠,劉學(xué)軍,張福鎖.冬小麥/夏玉米輪作體系中土壤氮素礦化及預(yù)測[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2003, 14(12):2241-2245. JU Xiaotang,LIU Xuejun, ZHANG Fusuo. Soil nitrogen mineralization and its prediction in winter wheat-summer maize rotation system[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2003, 14(12):2241-2245.(in Chinese)

22 吳得峰, 姜繼韶, 高兵. 添加DCD對雨養(yǎng)區(qū)春玉米產(chǎn)量、氧化亞氮排放及硝態(tài)氮殘留的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2016, 22(1): 30-39. WU Defeng, JIANG Jishao, GAO Bing, et al. Effects of DCD addition on grain yield，N2O emission and residual nitrate-N of spring maize in rain-fed agriculture[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2016, 22(1): 30-39.(in Chinese)

23 郝小雨, 高偉, 王玉軍, 等. 有機無機肥料配合施用對日光溫室土壤氨揮發(fā)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,45(21):4403-4414. HAO Xiaoyu, GAO Wei, WANG Yujun, et al. Effects of combined application of organic manure and chemical fertilizers on ammonia volatilization from greenhouse vegetable soil [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(21): 4403-4414.(in Chinese)

24 ZHANG Q C, WANG G H, XIE W X. Soil organic N forms and N supply as affected by fertilization under intensive rice cropping system[J]. Pedosphere, 2006,16(3):345-353.

25 郭天財, 宋曉, 馮偉,等. 高產(chǎn)麥田氮素利用、氮平衡及適宜施氮量[J].作物學(xué)報, 2008, 34(5): 886-892. GUO Tiancai, SONG Xiao, FENG Wei, et al. Utilization and balance of nitrogen and proper application amount of nitrogen fertilizer in winter wheat in high-yielding regions[J]. Agronomica Sinica, 2008, 34(5): 886-892.(in Chinese)

27 靳紅梅，常志州，葉小梅，等. 江蘇省大型沼氣工程沼液理化特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,27(1):291-296. JIN Hongmei, CHANG Zhizhou, YE Xiaomei, et al. Physical and chemical characteristics of an aerobically digested slurry from large-scale biogas project in Jiangsu Province[J].Transactions of the CSAE,2010,27(1):291-296.(in Chinese)

28 ABUBAKER J, CEDERLUND H, ARTHURSON V, et al. Bacterial community structure and microbial activity in different soils amended with biogas residues and cattle slurry[J]. Applied Soil Ecology, 2013,72(7):171-180.

29 馮偉，管濤，王曉宇，等. 沼液與化肥配施對冬小麥根際土壤微生物數(shù)量和酶活性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(4):1007-1012. FENG Wei，GUAN Tao，WANG Xiaoyu, et al. Effects of combined application of biogas slurry and chemical fertilizer on winter wheat rhizosphere soil microorganism sand enzyme activities[J]. Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(4):1007-1012.(in Chinese)

30 CHRISTOPH M, RONALD J L, PETER C, et al. Effects of repeated fertilizer and cattle slurry applications over 38 years on N dynamics in a temperate grassland soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(6):1362-1371.

31 NANNEN D U, HERRMANN A, LOGES R, et al. Recovery of mineral fertilizer N and slurry N in continuous silage maize using the15N and difference methods[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2011, 89(2): 269-280.

Effect of Piggery Wastewater Irrigation on Temporal-spatial Variation and Balance of Nitrogen

DU Zhenjie1,2QI Xuebin1,2LI Ping1,3HUANG Zhongdong1,3GAO Qing1HU Yanling1

(1.FarmlandIrrigationResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Xinxiang453003,China2.AgricultureWaterandSoilEnvironmentalFieldScienceResearchStationofXinxiangCityofHenanProvince,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Xinxiang453003,China3.KeyLaboratoryofHighEfficientandSafeUtilizationofAgricultureWaterResources,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Xinxiang453003,China)

piggery wastewater; irrigation; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen; nitrogen balance; nitrogen mineralization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.030

2017-05-12

2017-05-31

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0800703、2016YFD0800704)、中央級科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目(FIRI2017-12)和國家自然科學(xué)基金項目(51209209、51679241、51479201)

杜臻杰(1982—)，男，助理研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水資源與水環(huán)境研究，E-mail: imdzj11@163.com

齊學(xué)斌(1963—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置與調(diào)控研究，E-mail: qxb6301@sina.cn

S156.4+3; X71

A

1000-1298(2017)08-0262-08