自然耕作條件下典型有機肥氮素原位徑流流失特征分析

夏紅霞，朱啟紅，劉希東，李 強，丁武泉，楊志敏，陳玉成

(1.重慶文理學(xué)院 重慶市環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重點實驗室，重慶 402168；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715)

有機肥是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的傳統(tǒng)肥料，在我國已有3 000多年的歷史[1]。施用有機肥不僅可以改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)作物生長，還可以提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，一直被認(rèn)為是安全可靠的[2]。國外學(xué)者也開始鼓勵在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用有機肥，以減少土壤養(yǎng)分流失。相關(guān)研究表明，化肥是導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失、水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。但也有研究表明，施用有機肥也會造成養(yǎng)分流失[3]，尤其是施用后短時間內(nèi)遭受暴雨沖刷或持續(xù)降雨造成的養(yǎng)分流失十分嚴(yán)重[4]。SMITH et al.[5]的研究結(jié)果顯示，施用有機肥易造成土壤面源污染。王麗等[6]的研究表明，有機肥養(yǎng)分在高原黑壚土中流失嚴(yán)重，并與土壤坡度關(guān)系密切。郭智等[7]的研究也發(fā)現(xiàn)，施用有機肥顯著增加了土壤磷素流失。由此表明，在農(nóng)田土壤中施用有機肥也會造成養(yǎng)分流失，形成面源污染。但國內(nèi)外學(xué)者對這方面的研究較少，尤其缺乏對有機肥在紫色土中流失機理的研究。為此，本研究擬通過比較試驗，對比分析典型有機肥、化肥在紫色土徑流液中的氮素流失量與流失形態(tài)，進(jìn)而揭示典型有機肥在紫色土中的氮素流失特征，以期為在紫色土中合理施用有機肥提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 供試材料與地點

供試地點：原位徑流試驗區(qū)位于重慶市江津區(qū)雙福鎮(zhèn)破石村3社，地處三峽庫區(qū)庫尾，多年平均降水量1 200 mm，且降水多集中在6—8月。試驗區(qū)土壤主要為砂頁巖發(fā)育形成的紫色土，土壤中總氮(TN)含量為1.91 g/kg。

供試肥料：根據(jù)試驗區(qū)農(nóng)業(yè)耕作習(xí)慣，選用干牛糞、沼液、油枯和有機-無機復(fù)混肥為供試有機肥，磷酸氫二銨為供試化肥。其中，干牛糞代表動物性固態(tài)有機肥，油枯代表植物性固態(tài)有機肥，沼液代表液態(tài)發(fā)酵有機肥，有機-無機復(fù)混肥代表工業(yè)化有機肥，磷酸氫二銨代表普通化肥。牛糞、沼液采自重慶某奶牛養(yǎng)殖基地，磷酸氫二銨、有機-無機復(fù)混肥和油枯購買自重慶市北碚區(qū)某農(nóng)貿(mào)市場。經(jīng)測試，供試干牛糞、沼液、油枯、有機-無機復(fù)混肥和磷酸氫二銨中TN含量分別為24.56、1.92、41.57、142.72和185.16 g/kg。

供試植物：豇豆和高粱。

1.2 試驗設(shè)計

圖1 徑流小區(qū)示意

徑流試驗小區(qū)構(gòu)建在坡度為10°的耕地上，順坡設(shè)置(圖1)。徑流試驗小區(qū)規(guī)格為8 m×4 m，下部設(shè)置有長2 m、寬0.8 m、深1 m的徑流收集池，徑流小區(qū)和徑流收集池通過PVC管連接。徑流小區(qū)四周用水泥墻與外界分隔，水泥墻體高1 m，其中0.5 m埋于地下，以防止小區(qū)間的土壤水和徑流液相互滲透。徑流收集池用水泥澆筑，上部設(shè)有蓋子以防雨水滲入。收集完徑流液后，利用收集池底部的排水管將多余的徑流液排出。

1.3 試驗方法

根據(jù)當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣，所有供試肥料均作為底肥一次性施入各徑流小區(qū)。根據(jù)供試肥料中TN含量以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)慣，供試干牛糞、沼液、油枯、有機-無機復(fù)混肥和磷酸氫二銨施用量分別為12 000、15 000、3 000、1 500和750 kg/hm2。徑流試驗分兩個雨季連續(xù)進(jìn)行：在第1年5月種植豇豆，8月豇豆收藤后試驗結(jié)束，期間共收集到5次徑流；豇豆收獲后場地閑置，在第2年6月移栽高粱幼苗，待9月高粱成熟收獲后結(jié)束原位徑流試驗，期間共收集到5次徑流。徑流試驗期間不再增施肥料和噴灑農(nóng)藥，其余均按當(dāng)?shù)剞r(nóng)事習(xí)慣進(jìn)行管理。試驗時每個處理均重復(fù)3次，以施用化肥為對照。

作物種植期間原位徑流試驗降雨量統(tǒng)計如下：第1季徑流試驗中5次降雨量分別為20.1、51.2、15.6、38.7和17.3 mm；第2季徑流試驗中5次降雨量分別為31.5、110.0、26.7、14.0和90.3 mm。

1.4 樣品采集與測定

將收集的徑流液帶回實驗室進(jìn)行氮素形態(tài)含量分析。徑流液TN含量采用過硫酸鉀消解法直接測試；徑流液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后分別測試濾液中的可溶態(tài)氮(TDN)、硝態(tài)氮(NO3--N)和銨態(tài)氮(NH4+-N)含量，徑流液中的懸浮顆粒態(tài)氮(PN)利用差減法計算獲得。試驗所獲得的數(shù)據(jù)用SPSS和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 原位徑流TN流失量比較

雷沛等[8]研究發(fā)現(xiàn)，徑流流失是土壤養(yǎng)分流失的主要途徑之一，徑流流失的氮素可占氮素流失總量的40%[9]。以化肥作為對照，各有機肥在紫色土中的原位徑流TN流失結(jié)果見圖2。由圖2可知，第1季徑流試驗中，干牛糞、油枯、沼液和有機-無機復(fù)混肥在紫色土中的TN流失量與化肥相比存在較大差異。在徑流試驗第1、第2和第3場次中，干牛糞、沼液和有機-無機復(fù)混肥徑流中TN流失量均低于化肥；但隨著豇豆種植時間增加，各有機肥徑流TN流失量與化肥間的差異逐漸減小，并在徑流試驗后期高于化肥(除沼液外)，尤其是干牛糞和有機-無機復(fù)混肥，在徑流試驗第5場次中顯著高于化肥(p<0.05)。油枯在第1季徑流試驗中，僅在第2、第3場次低于化肥，其余各場次均高于化肥。各供試有機肥第1季徑流試驗TN流失量統(tǒng)計結(jié)果顯示，供試有機肥徑流TN流失量是化肥的72.98%～141.97%。由此表明，在紫色土中施用有機肥也會存在氮素徑流流失，且其流失量可能會超過化肥。

圖2 各有機肥處理的原位徑流TN流失對比

試驗結(jié)果還顯示，第2季徑流試驗中各供試有機肥TN流失量與化肥相比也存在明顯差異。在第2季第1場次中，各供試有機肥TN流失量均低于化肥，尤其是油枯顯著低于化肥(p<0.05)；但在其他徑流場次中，僅有機-無機復(fù)混肥在第2、第4場次中低于化肥，其余徑流場次中各供試有機肥均高于化肥，尤其是在第5場次中各供試有機肥TN流失量均顯著高于化肥(p<0.05)。對第2季徑流試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)有機肥TN流失量是化肥流失量的56.91%～145.15%。由此進(jìn)一步說明，在原位條件下施用有機肥仍然會造成氮素流失，并可能會超過化肥，這與本研究所獲得的室內(nèi)模擬試驗結(jié)果是一致的[9]。

2.2 原位徑流氮流失形態(tài)比較

圖3 原位徑流氮流失形態(tài)的比較

為研究供試肥料原位徑流氮素流失特征，試驗中對徑流液中TDN、PN、NH4+-N和NO3--N的含量進(jìn)行了分離測試。供試肥料原位徑流氮流失形態(tài)分析結(jié)果見圖3。由圖3可知，不同供試肥料在紫色土原位徑流中的氮素流失形態(tài)差異較大?；试诘?季徑流試驗前期主要以TDN流失為主，TDN中又以NH4+-N為主，以NO3--N形態(tài)流失的比例較低，在徑流試驗后期以PN流失的比例明顯增加；在第2季徑流試驗中，第1、第4場次中化肥氮素流失形態(tài)以TDN為主，其余場次均以PN為主。供試有機肥在第1季徑流試驗前期主要以TDN流失(油枯除外)，但在試驗后期PN流失量顯著增加，且在部分徑流場次中流失的PN超過TDN；在第2季徑流試驗前期，有機肥主要以PN流失為主，在徑流試驗中期TDN流失率明顯增加，但在試驗后期TDN流失量明顯低于PN流失量。由此表明，供試化肥和供試有機肥氮素在紫色土原位徑流中以不同形態(tài)流失。

徑流試驗結(jié)果還顯示，在紫色土徑流中，不同形態(tài)的氮素流失量之間存在較大差異。在第1季徑流試驗前期，干牛糞、沼液和有機-無機復(fù)混肥徑流液中TDN含量明顯高于PN含量，且差異顯著(p<0.01)；但在徑流試驗后期，干牛糞、沼液、油枯和有機-無機復(fù)混肥徑流液中PN含量明顯增加，且在部分徑流場次中高于TDN含量。在第2季徑流試驗中，PN流失比例增加，且在部分徑流場次中PN含量顯著高于TDN含量(p<0.01),各供試肥料具有較為一致的流失規(guī)律。

2.3 分 析

徑流試驗結(jié)果顯示，供試有機肥氮素徑流流失總量在試驗前期低于化肥，但隨著施用時間延長，供試有機肥氮素徑流流失總量逐漸增加，并可能會超過化肥。試驗結(jié)果還顯示，化肥和有機肥氮素流失形態(tài)在徑流試驗前期以TDN為主，但在試驗后期PN流失量顯著增加；TDN中又以NH4+-N為主，以NO3--N形態(tài)流失的比例較低。由此表明，在紫色土中施用有機肥仍然會造成氮素徑流流失，且其流失量可能會超過化肥，但其流失形態(tài)存在一定差異，這主要是因為不同肥料中氮的存在形態(tài)不同[10-11]?；手械刂饕詿o機態(tài)氮存在，遇水極易轉(zhuǎn)化為可溶性氮而流失[12]，因此在徑流試驗前期會造成水溶性氮素大量流失；而有機肥中的氮素主要以有機態(tài)氮形式存在，有機態(tài)氮只有在微生物的礦質(zhì)化作用下才能轉(zhuǎn)化成容易遷移或被植物吸收的礦物氮[13]而流失，故在徑流試驗前期化肥徑流液中TDN、NH4+-N和NO3--N濃度會高于有機肥。

隨著有機肥的施用，大量微生物生長所需要的碳源進(jìn)入土壤[14]，促進(jìn)了土壤微生物的生長繁殖，進(jìn)而促進(jìn)了有機態(tài)氮的礦質(zhì)化進(jìn)程[15]，提高了土壤中的氮素流失量。此外，隨著有機質(zhì)進(jìn)入土壤的大量有益微生物，也會促進(jìn)有機態(tài)氮的礦質(zhì)化，進(jìn)而提高可溶性氮的流失量[16]。因此，隨著施用時間增加，施用有機肥的土壤徑流氮素流失量不斷增加，并可能會超過施用化肥的土壤。但是，隨著有機肥的施用，有機質(zhì)對土壤質(zhì)地的改良作用逐漸顯現(xiàn)。施用有機肥明顯改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤團聚體含量[17]，增強了土壤膠體對正電荷離子的吸持作用[18]，因此，NH4+-N流失的比例逐漸減少。NO3--N屬于陰離子型氮，很難被土壤陽離子吸附[19]，故而會在降雨的作用下迅速流失，因此在地表徑流中的含量逐漸減少[19-21]。此外，有機肥自身的C/N值也會影響土壤氮素的礦質(zhì)化進(jìn)程，進(jìn)而影響有機肥中氮素的流失量及其流失形態(tài)。肖本木等[22]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥對土壤氮素的轉(zhuǎn)化與有機肥自身C/N值有關(guān)，C/N值低的豆粕可明顯提高土壤NO3--N含量，C/N值高的菇渣可明顯降低土壤NO3--N含量。

3 結(jié) 論

(1)原位徑流試驗結(jié)果表明，在紫色土中施用有機肥也會造成土壤氮素隨徑流流失，且有機肥氮素徑流流失量還可能超過化肥。

(2)在紫色土徑流中，不同形態(tài)氮素流失量之間存在較大差異。在徑流試驗前期，化肥和有機肥均以TDN流失為主，試驗后期PN流失量顯著增加，TDN中又以NH4+-N為主。

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