典型有機肥氮素淋溶流失特征分析

夏紅霞，朱啟紅，李 強，王書敏，丁武泉，楊志敏，陳玉成*

(1.重慶市環(huán)境材料與修復技術(shù)重點實驗室，重慶文理學院，重慶 永川 402160；2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室/西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716)

【研究意義】自英國人L.B.Ross在1838年研制出世界上第一種化學肥料以來，化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛使用，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)做出了巨大貢獻。但與此同時，因大量施用化肥帶來的水體污染、土壤污染等也日益突出。過量施用化肥，極易導致土壤耕作質(zhì)量下降，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低，并顯著提高養(yǎng)分流失量，進而加劇了水體富營養(yǎng)化。相關(guān)研究表明，不合理施用化肥已成為引起水體富營養(yǎng)化的重要原因之一[1-2]。陳永高等[3]研究發(fā)現(xiàn)，化肥的大量施用是引起太湖流域氮磷污染的直接原因。

有機肥是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的傳統(tǒng)肥料，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用有機肥已有三千多年的歷史[4]。施用有機肥不僅可以增加土壤有機質(zhì)含量、改善土壤質(zhì)地、提高耕作性能，還可以增強土壤保水保肥能力，并有效提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量[5]，所以施用有機肥被認為是安全可靠的。為減少農(nóng)田養(yǎng)分流失對水體的污染，已有發(fā)達國家也開始鼓勵農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用有機肥代替化肥[6]。但是，多數(shù)國家未制定有機肥施用的相關(guān)標準，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)戶大多憑經(jīng)驗施肥，這會對土壤環(huán)境及周邊水體環(huán)境造成潛在威脅[7]?！厩叭搜芯窟M展】Sherwood等[8]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥會造成養(yǎng)分流失。Siemens & Kaupenjohann的研究表明，施用有機肥淋失的氮素量比施用礦質(zhì)態(tài)氮肥更高[9]。杜曉玉等通過田間原位模擬降雨試驗研究表明：滲漏液中全氮、可溶態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度隨著單位面積施入的畜禽有機肥的增加而增加，徑流水中全氮、可溶態(tài)氮流失量也隨之增加[10]。郭智等[11]研究也發(fā)現(xiàn)，在菜地中施用雞糞和復合肥也會造成氮素流失?！颈狙芯壳腥朦c】為深入研究有機肥農(nóng)用帶來的養(yǎng)分流失特征，本研究擬通過向紫色土中施用典型有機肥和化肥，對比研究典型肥料在紫色土中的流失特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以揭示有機肥對水體富營養(yǎng)化的貢獻，為合理施用有機肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試有機肥：根據(jù)重慶地區(qū)農(nóng)業(yè)施肥習慣，選用干牛糞、沼液、油枯以及有機無機復混肥為供試有機肥。經(jīng)測試，供試干牛糞、沼液、油枯和有機無機復混肥中TN分別為24.561.37、41.57和142.72 g/kg?；?磷酸氫二銨)中TN含量為185.16 g/kg。

1.2 實驗設(shè)計

實驗采用模擬淋溶實驗(圖1)。淋溶試驗裝置利用高100 cm、內(nèi)徑為20 cm的圓形PVC管自制。PVC管底部密封，在距PVC管底部10 cm處設(shè)置有可控出水口，用于采集淋溶液。為保證出水效果，在淋溶裝置底部分別填充20 cm厚的礫石層和石英砂層，石英砂層上部鋪設(shè)一張尼龍網(wǎng)后再填充土壤。

淋溶實驗前，先分別采集上中下3層(每20 cm為1層)土壤帶回實驗室，將各層土壤充分混勻后填充于淋溶裝置。填充土壤時，以每5 cm為1層填裝土樣，在填裝上層土料之前抓毛下層土壤表面，以防土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。土壤填裝后，于人工降雨前1周將供試肥料與表層土壤充分混合，塑料薄膜覆蓋后待用。待土壤和肥料充分作用后，開始進行降雨試驗。根據(jù)重慶市近幾年的平均降雨量，淋溶試驗降雨強度設(shè)置為25、50、75和100 mm/h。淋溶試驗采用完全隨機設(shè)計，每次降雨歷時60 min。試驗中以化肥為對照，每個處理重復3次，具體試驗設(shè)計見表1所示。

1.3 樣品采集與分析

將收集的淋溶液帶回實驗室進行分析測試。水體總氮含量直接測試，用0.45 μm濾膜過濾后測試水體中的可溶態(tài)氮(TDN)、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度，懸浮顆粒態(tài)氮(PN)利用差減法計算得出。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤養(yǎng)分流失率按下列公式進行計算：

有機肥總氮相對流失率(%)=

其中，C有表示有機肥處理總氮濃度；C化表示化肥處理總氮濃度；C空表示空白處理總氮濃度。

實驗數(shù)據(jù)用SPSS和Excell進行統(tǒng)計分析。

圖1 淋溶土柱裝置Fig.1 Device of leaching soil column

試驗因素淋溶場次12345678施肥量(kg N/hm2)450450450450300300300300降雨強度(mm/h)255075100255075100

2 結(jié)果與分析

2.1 淋溶氮流失率

淋溶流失是土壤氮素損失的重要途徑之一[12]。Insaf[13]研究表明，約有10 %～40 %的氮素是通過淋溶流失途徑進入地下水體。因此，氮素淋溶流失是造成水體氮素富集的重要途徑之一。為了解供試肥料在紫色土中的淋溶流失，及其對水體富營養(yǎng)化的貢獻率，本實驗中選取干牛糞、沼液、油枯以及有機無機復混肥進行模擬試驗，以化肥作為對照，對比研究有機肥/化肥氮素在紫色土中的淋溶流失。

由圖2可見，施氮為450 kg N/hm2時，有機肥淋溶氮流失量為化肥氮流失量的79.80 %～135.73 %；施氮為300 kg N/hm2時，有機肥淋溶氮流失量為化肥氮流失量的92.08 %～115.72 %。由此表明，施用有機肥仍舊會造成紫色土中氮素淋溶流失，且有機肥氮素在紫色土中的淋溶流失量可能會超過化肥，這與趙滿興等[14]的研究結(jié)果相似。王紅霞等[15]研究也顯示，施用有機肥和化肥均顯著增加了土壤總氮、銨態(tài)氮以及硝態(tài)氮的淋溶流失，且有機肥的淋溶流失量顯著高于化肥。王紅霞等[15]認為這主要是因為有機肥中的氮素主要以硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮等可溶性氮存在,而土壤顆粒對這些可溶性氮的吸附能力較弱[16]，故向土壤中施用有機肥會顯著增加土壤可溶性氮含量[10]，進而引起土壤氮素淋溶流失量顯著增加。此外，向土壤中施用有機肥可能會增大土壤顆粒間的孔隙度[17]，從而增加氮素隨水下移的可行性。

2.2 淋溶總氮流失因素分析

由表2可知，在紫色土中，供試肥料氮素淋溶流失量(y)與降雨強度(x1)、施肥水平(x2)兩因素間的回歸系數(shù)P均小于0.05。由此表明，供試肥料氮素淋溶流失量(y)與降雨強度(x1)、施肥水平(x2)間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即降雨強度越大、施肥水平越高，有機肥中氮素在紫色土中的淋溶流失量越多，這與Cox等[18]研究結(jié)果一致。趙亮等[19]研究也顯示，降雨強度和施肥水平是引起土壤氮素淋溶流失的重要因素。回歸分析結(jié)果還顯示，偏回歸系數(shù)b2明顯大于b1。由此表明，在引起紫色土氮素淋溶流失的降雨強度(x1)、施肥水平(x2)兩因素間，施肥水平對氮素淋溶流失的影響更為明顯。

圖2 有機肥相對化肥的氮素淋溶流失率Fig.2 Leaching TN loss rates of organic fertilizers related with chemical fertilizer

Sogbedj[20]研究表明，氮素在土壤中淋溶流失必須具備2個條件：氮素必須以易移動的可溶態(tài)存在，且必須存在水分運動?；?磷酸氫二銨)是一種易溶于水的高濃度速效肥料；而有機肥中氮素主要以硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、氨基酸態(tài)氮、氨基糖態(tài)氮等可溶態(tài)存在[21]，這為氮素淋溶流失提供了前提條件。當存在降雨時，會顯著增加土壤中的水分運動，進而加快氮素淋溶流失的速度和總量。此外，當土壤水分含量達到一定限值，尤其是當土壤水分含量超過田間持水量后，土壤顆粒間的空隙顯著增加，土壤顆粒對可溶氮素的吸附能力顯著減弱，進而使氮素加速淋溶流失。劉健等[22]研究表明，砂土、壤土以及粘土氮素淋溶流失量均隨施肥量、降雨強度增加而增加。Tafteh[23]研究也表明，增加施肥量和灌水量均會增加土壤氮素淋溶流失。降雨極易使土壤水分含量增加到田間持水量，加速土壤氮素淋溶流失；而增加施肥量，可在短時間內(nèi)顯著增加土壤剖面氮素含量，進而顯著增加土壤氮素流失的幾率。王輝等[24]對黃土高原土壤氮素淋溶流失試驗研究也表明，黃土高原土壤氮素淋溶流失量、流失深度與降雨量呈正相關(guān)，每增加4 mm降雨量可使氮素流失量、流失深度發(fā)生明顯變化。商放澤等[25]研究表明，高施肥量處理土壤氮素流失量明顯高于低施肥量處理。由此可見，增加施肥量或者增加降雨量均會加速土壤氮素流失。

表2 供試肥料氮素淋溶流失回歸分析

圖3 供試肥料氮素淋溶流失形態(tài)分析Fig.3 Comparison of each nitrogen forms in leaching simulation

2.3 淋溶氮流失形態(tài)分析

由圖3可見，與不施化肥相比，供試肥料淋溶液中可溶態(tài)氮(TDN)、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度以及顆粒態(tài)氮(PN)含量均顯著增加，且與對照相比差異顯著(P<0.05)，尤其是淋溶液中可溶態(tài)氮(TDN)、硝態(tài)氮含量與不施肥相比差異極其顯著(P<0.01)。由此表明，施用化肥或有機肥均顯著增加了土壤氮素淋溶流失。這可能是因為施用氮肥顯著增加了土壤氮素含量，進而增加了土壤氮素淋溶流失的幾率。

供試有機肥淋溶液氮素含量與化肥淋溶液氮素含量間存在較大區(qū)別。供試有機肥在第1、8場模擬淋溶試驗淋溶液中可溶態(tài)氮(TDN)、硝態(tài)氮以及可溶態(tài)氮(TDN)含量高于化肥；第2、7模擬淋溶試驗有機肥淋溶液中可溶態(tài)氮(TDN)、銨態(tài)氮以及可溶態(tài)氮(TDN)含量低于化肥；而其他場次出現(xiàn)無規(guī)則變化，但與化肥相比均差異不顯著(P>0.05)。由此表明，在紫色土中施用有機肥仍然會增加土壤氮素淋溶流失，且可能會超過化肥氮素淋溶流失量。化肥中的氮素主要以可溶性無機態(tài)存在，施用到土壤后可迅速溶解于水，隨降雨極易發(fā)生淋溶流失。有機肥中的氮主要以有機態(tài)氮形式存在，在土壤中不易發(fā)生流失。但是，隨著有機肥施用時間延長，有機肥中的碳素促進了微生物的生長繁殖[26]，進而促進了有機氮的礦質(zhì)化過程，從而促進了有機氮淋溶流失[27]。此外，隨著降雨土壤含水量明顯增加，土壤顆粒對氮素的吸附能力降低，進一步促進了氮素淋溶流失。

在氮素淋溶流失量中，可溶態(tài)氮(TDN)流失量占總氮含量的65.17 %～99.07 %，硝態(tài)氮占43.17 %～69.26 %，而銨態(tài)氮僅占淋溶流失總氮含量的7.83 %～29.85 %。由此表明，可溶態(tài)氮(TDN)是化肥/有機肥淋溶流失的主要形式，且以硝態(tài)氮為主，這可能與化肥/有機肥中氮的存在形態(tài)有關(guān)。此外，不同形態(tài)氮素自身的電荷特性也會影響氮素的淋溶流失。硝態(tài)氮帶負電荷，不易被同帶負電荷的土壤膠體或有機質(zhì)所吸附，故易隨土壤水分淋溶滲漏[28]；而銨態(tài)氮帶正電荷，易被帶負電荷的土壤膠體或有機質(zhì)吸附、固定[29]，故不易淋溶流失。但是，在微生物作用下，銨態(tài)氮易被硝化細菌硝化成硝態(tài)氮，從而增加了硝態(tài)氮的淋溶流失[30]。因此，土壤氮素的淋溶流失以硝態(tài)氮為主。但是，當土壤顆粒吸附的銨態(tài)氮達到飽和時，過量的銨態(tài)氮也極易隨水發(fā)生淋溶流失[31]。

3 結(jié) 論

(1)模擬淋溶實驗結(jié)果表明，在紫色土中施用牛糞、沼液、油枯、有機無機復混肥等有機肥一樣會造成氮素淋溶流失，且在一定條件下有機肥在紫色土中的氮素淋溶流失量超過化肥。

(2)供試肥料在紫色土中氮淋溶流失率與降雨強度、施肥量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且施肥量對氮素淋溶流失的影響大于降雨強度。

(3)在模擬淋溶條件下，可溶態(tài)氮(TDN)是化肥/有機肥淋溶流失的主要形式，且以硝態(tài)氮為主，這可能與化肥/有機肥中氮的存在形態(tài)有關(guān)。