不同施肥對蔬菜地氮磷垂直淋移影響的研究

謝國雄,胡康贏,王 忠,樓 玲,章秀梅

(1.浙江省杭州市植保土肥總站,浙江 杭州 310020;2.浙江省杭州市余杭區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)與植物保護管理總站,浙江 杭州 311100)

氮、磷是農(nóng)作物生長的必需元素,對提高農(nóng)作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)起著十分重要的作用。施入農(nóng)田中的氮與磷除發(fā)生生物吸收、土壤吸附和氨揮發(fā)等作用被消耗和滯留外,還有相當部分隨地表徑流或下滲水流進入地表水體和地下水體,對水環(huán)境產(chǎn)生污染[1,2]。近年來,隨著肥料施用量的增加,蔬菜地氮、磷流失呈增加的趨勢,由此引發(fā)的環(huán)境問題受到了人們的廣泛關(guān)注[1,3～7]。據(jù)報道,農(nóng)田氮、磷流失與肥料施用量、農(nóng)田水分學特性及土壤性質(zhì)等有關(guān),在空間上可有較大的變異[8～12]。許多研究[13～14]表明,不同肥料中養(yǎng)分存在的形態(tài)及其生物有效性存在較大的差異,有機肥料中的有機物質(zhì)可影響土壤性狀從而改變進入土壤養(yǎng)分的化學形態(tài)和行為,因此化肥與有機肥中的養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化與遷移也有較大的不同。近年來,中國推行化肥的有機替代,這一方面改善了土壤有機質(zhì)狀況,同時也在一定程度上改變了土壤中養(yǎng)分的循環(huán)。青紫泥田是浙江省水網(wǎng)平原[包括杭(州)嘉(興)湖(州)平原、寧(波)紹(興)平原和溫(州)黃(巖)平原]重要的土壤資源,其分布區(qū)地勢低洼(海拔多在3～5 m)、地下水埋藏淺(多小于0.5 m);而平原也是浙江省肥料用量相對集中的區(qū)域。地下水埋藏淺和肥料施用強度大使青紫泥田蔬菜地的地下水受施肥污染風險極大。本文采用土柱淋洗法模擬研究了在種植蔬菜情況下施用不同量化肥和有機肥時氮、磷的垂直遷移的特點。

1 材料與方法

1.1 研究土壤

研究土壤(青紫泥田)屬水稻土土類、脫潛型水稻土亞類,采自浙江省杭州市。通過挖掘剖面,按土壤發(fā)生層,從上至下分別采集耕作層(A)、犁底層(Ap)和脫潛層(Gw),采樣深度分別為0～15、15～25和25～40 cm;同時用容重圈法測定容重?？紤]到40 cm以下水稻根系很少,當養(yǎng)分移至40 cm以下時基本上可以認為養(yǎng)分已淋失,而40 cm深度已基本達到地下水位,因此將采樣的總深度定為40 cm。采集的土壤樣品在室內(nèi)風干,過5 mm土篩,用于土柱淋洗試驗;取少量過5 mm土篩的土樣，將其進一步磨細，過2 mm和0.125 mm土篩,供土壤理化分析之用。土壤基本性質(zhì)用常規(guī)方法[15,16]測定,結(jié)果列于表1。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)

1.2 土柱設計

共設3類不同高度的土柱:第一類只含有A層(下稱A土柱),土柱高度為15 cm,淋洗管為25 cm長、內(nèi)徑為10.4 cm的PVC管;第二類由A+Ap兩個土層構(gòu)成(下稱A+Ap土柱),土柱高度為25 cm,淋洗管為35 cm長、內(nèi)徑為10.4 cm的PVC管;第三類由A+Ap+Gw三個土層構(gòu)成(下稱A+Ap+Gw土柱),土柱高度為40 cm,淋洗管為50 cm長、內(nèi)徑為10.4 cm的PVC管。在裝土前,每個PVC管底部用100目的尼龍網(wǎng)封好,外套1個口徑為12 cm的多孔塑料籃作為底座進行加固；在裝入2 cm厚的酸洗石英砂后,由下至上按順序裝入過5 mm篩的各層土壤,每層土壤進行適當鎮(zhèn)壓使容重與田間一致,裝入土層的厚度也與田間相同。全部土層裝好后,再在上面覆1層2 cm厚的酸洗石英砂。每個處理重復3個土柱。

1.3 肥料處理

試驗共設有機肥和化肥等2類肥料處理,每類肥料各設4個用肥量等級。有機肥為豬糞,采自某一集約化養(yǎng)殖場,系干濕分離池分離的腐熟豬糞,其pH值為7.53,全N含量為35.43 g/kg(以干糞為基準),全P含量為20.03 g/kg(以干糞為基準)。4個肥料用量處理的有機肥施用量分別為0、4.23、7.06和9.88 t/hm2,相當于N用量分別為0、150、250和350 kg/hm2; P用量分別為0、85、141和198 kg/hm2。化肥處理的化肥由尿素和過磷酸鈣組成(兩者一并施用),也設4個等級處理,其N、P用量與以上有機肥處理一致,其N用量分別為0、150、250和350 kg/hm2，P用量分別為0、85、141和198 kg/hm2。淋洗試驗在裝土前,將肥料施入表層土壤,并混勻。表2為各肥料處理的N、P施用量,以土柱橫截面積折算出每個土柱的施肥量。

1.4 淋洗試驗

采用間歇式模擬降雨模擬旱作地土壤氮、磷淋洗。在淋洗前,向每一土柱中緩慢加入去離子水,避免下滲水漏出土柱,逐漸使土壤保持近飽和狀態(tài),放置3 d后開始進行淋洗試驗。淋洗試驗共持續(xù)7個星期,每星期淋洗1次,每次加入水量為50 mm,并控制淋洗速率,使土柱表面不形成水層；共淋洗7次,累計加水量為350 mm,相當于當?shù)赜昙臼卟说赝寥榔骄霛B量。用酸洗塑料容器接納滲漏液,并測量滲漏液體積,測定其中的N和P的濃度。

表2 試驗各處理的肥料施用量 kg/hm2

水樣過0.45 μm濾膜后,分為2份,用于可溶性總N(DTN)、可溶性總P(DTP)、NO3-N、NH4-N和無機P濃度的測定。其中一份水樣經(jīng)過硫酸鉀消化后,用紫外分光光度計法測定DTN,用鉬藍比色法測定DTP;另一份水樣,直接用納氏試劑光度法測定NH4-N,用紫外分光光度計法測定NO3-N,用鉬藍比色法測定無機P。有機態(tài)N(OM-N)用DTN與NO3-N及NH4-N差值計算,有機P用DTP與無機P差值計算。每一土柱7次淋洗淋出的各養(yǎng)分總量用滲漏液體積與相應養(yǎng)分濃度進行計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤氮淋失濃度的影響

無論是施用有機肥還是化肥均可顯著提高滲漏液中NO3-N的濃度(圖1)。滲漏液中NO3-N濃度隨肥料用量的增加而顯著增加。化肥處理的滲漏液中NO3-N濃度最高峰出現(xiàn)在第2～4次淋洗過程中,這可能與尿素轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4-N,再進一步在硝化細菌的作用下氧化為NO3-N需要一定的時間有關(guān)。第4次淋洗后,滲漏液中NO3-N濃度逐漸趨向下降。而有機肥處理的滲漏液中NO3-N濃度在開始時逐漸增加,至第3次淋洗后NO3-N濃度變化較為平緩,顯然與有機肥中N礦化需要較長的時間、其養(yǎng)分釋放較慢有關(guān)?；侍幚淼臐B漏液中NO3-N濃度明顯高于有機肥處理,這在NO3-N釋放高峰期(第2～5次淋洗)尤為明顯,且NO3-N濃度多在10 mg/L以上,對水環(huán)境有較大的影響?；侍幚淼牟煌愋屯林a(chǎn)生的滲漏液中NO3-N濃度也有一定的差異,表現(xiàn)為A+Ap土柱>A土柱>A+Ap+Gw土柱,這可能是因為:從A層淋出的滲漏液進入Ap層后,其中的NH4-N進一步氧化為NO3-N,使從Ap層淋出的滲漏液中NO3-N濃度略有提升；而當移至Gw層后,有少量的NO3-N被土壤吸持或轉(zhuǎn)化成其它形態(tài)的N,使Gw淋出的NO3-N濃度有所下降。而對于有機肥處理,從上層至下層土壤淋出的滲漏液中NO3-N濃度略呈下降的趨勢。

圖1 不同施肥處理對土壤NO3-N淋失濃度的影響

施肥對滲漏液中NH4-N濃度也有明顯的影響(圖2),隨著N肥用量的增加,滲漏液中NH4-N濃度也呈明顯的增加。對于化肥處理,滲漏液中NH4-N濃度明顯低于NO3-N,這可能與土壤對NH4-N有較強的吸附能力及NH4-N不穩(wěn)定、在轉(zhuǎn)移過程中易氧化為NO3-N等有關(guān)。而對于有機肥處理,滲漏液中NH4-N濃度與NO3-N濃度大致相當。化肥處理的滲漏液中NH4-N最高濃度出現(xiàn)在第3次的淋洗過程中,之后逐漸下降;而對于有機肥處理,滲漏液中NH4-N的濃度與NO3-N相似,隨淋洗次數(shù)的增加變化較為平緩,也證明了有機肥N的礦化較慢,可持續(xù)較長的時間。與NO3-N相似,化肥處理滲漏液中NH4-N濃度也明顯高于有機肥處理。從3類土柱中淋出的滲漏液NH4-N濃度變化可知,從上至下,相同肥料處理的滲漏液中NH4-N呈明顯的下降,從A土柱至A+Ap土柱,滲漏液中NH4-N濃度約下降了1/2;從A+Ap土柱至A+Ap+Gw土柱,滲漏液中NH4-N濃度又下降了1/3～1/2,說明了土壤對NH4-N有較強的吸附作用。

圖2 不同施肥處理對土壤NH4-N淋失濃度的影響

滲漏液中有機態(tài)N(OM-N)濃度的變化與NO3-N和NH4-N有明顯的差異(圖3),有機肥處理明顯高于化肥處理,并隨有機肥用量增加而明顯增加。對于A土柱,有機肥處理淋出的滲漏液中OM-N濃度隨淋洗次數(shù)的增加而迅速下降,從開始時的15～35 mg/L下降至第3次淋洗后的12 mg/L以下;而化肥處理滲漏液中OM-N濃度始終在5 mg/L以下,隨淋洗次數(shù)的增加變化不明顯。A+Ap土柱和A+Ap+Gw土柱淋出的滲漏液中OM-N濃度明顯低于A土柱,說明土壤對OM-N有一定的吸持作用或OM-N在遷移過程中發(fā)生降解轉(zhuǎn)變成了其它形態(tài)的N。從A+Ap+Gw土柱產(chǎn)生的滲漏液中OM-N濃度:有機肥處理的基本上在7 mg/L以下,而化肥處理的基本上在3.5 mg/L以下。

圖3 不同施肥處理對土壤有機N(OM-N)淋失濃度的影響

化肥處理與有機肥處理的滲漏液中可溶性總N(DTN)濃度變化不同,且前者高于后者(圖4)?；侍幚淼腄TN濃度隨淋洗次數(shù)的增加呈先上升再下降的變化特點,與NO3-N濃度的變化相似。不同土柱滲漏液中DTN濃度表現(xiàn)為A土柱>A+Ap土柱> A+Ap+Gw土柱,但下降幅度較小,從A土柱至A+Ap土柱,下降15%左右；從A+Ap土柱至A+Ap+Gw土柱,下降20%左右。在有機肥處理中,A土柱產(chǎn)生的滲漏液DTN濃度隨淋洗次數(shù)增加趨向平緩；A+Ap土柱和A+Ap+Gw土柱產(chǎn)生的滲漏液DTN濃度隨淋洗次數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后下降的變化特點,但變化幅度明顯小于化肥處理。

2.2 不同施肥處理對土壤磷淋失濃度的影響

無論是有機肥處理還是化肥處理,滲漏液中P濃度明顯低于N(圖5),這主要是由于土壤與磷之間發(fā)生了劇烈的反應，土壤吸附P的容量很大，P素較難在土壤中遷移。但與對照比較,磷肥的施用仍可促進滲漏液中TP濃度的提升。從圖5還可知,有機肥處理滲漏液中TP濃度明顯高于化肥處理,這與有機P比無機P難固定、易發(fā)生垂直遷移有關(guān)。從A土柱產(chǎn)生的滲漏液中TP濃度隨淋洗次數(shù)增加而逐漸下降,有機肥處理的從0.8～3.0 mg/L下降至0.3～1.1 mg/L;而化肥處理的則從0.3～1.5 mg/L下降至0.15～0.6 mg/L。由于土壤對P的強烈固定,滲漏液中TP濃度從上層至下層呈明顯的下降趨勢,從A土柱至A+Ap土柱,下降幅度達2/3左右,而從A+Ap土柱至A+Ap+Gw土柱,下降幅度也達2/3～3/4,這表明由于肥料主要施入A層,雖然從A層淋出的滲漏液中含有較高濃度的TP,但通過Ap和Gw后,滲漏液中TP濃度已達到了較低的水平。

圖4 不同施肥處理對土壤可溶性總N(DTN)淋失濃度的影響

圖5 不同施肥處理對土壤可溶性總P(DTP)淋失濃度的影響

從表3可以看出：對照處理和化肥處理滲漏液中TP主要為無機態(tài)P,后者平均占TP的80%以上;相反,有機肥處理的滲漏液中TP主要為有機態(tài)P,無機態(tài)P平均約占TP的50%以下。

表3 滲漏液中無機態(tài)P占總可溶態(tài)磷(DTP)的比例 %

2.3 不同施肥處理對土柱累計氮、磷淋失量的影響

表4為根據(jù)滲漏液體積與養(yǎng)分濃度計算的7次淋洗累計養(yǎng)分淋失量。結(jié)果表明,施肥顯著增加了土壤中養(yǎng)分的淋失。在相同N施用量的情況下,化肥處理的N累計淋失量明顯高于有機肥處理,其中NO3-N和NH4-N的淋失尤為明顯。施用有機肥可大大減弱NO3-N和NH4-N的淋失,但顯著增加了有機N(OM-N)的淋失。而有機肥的施用增加了TP的淋失,并以有機P為主,這可能與有機肥的施用增加了有機小分子化合物、減弱了土壤對磷的吸附有關(guān)。Ap和Gw層可顯著減弱養(yǎng)分的淋失,其中對P和有機N的影響尤為突出,對NH4-N也有較大的阻攔作用,但對NO3-N的阻攔能力較弱。從A+Ap+Gw土柱中產(chǎn)生的滲漏液中的養(yǎng)分是真正從土壤中損失的養(yǎng)分,與對照比較,處理CF1、CF2、CF3、OM1、OM2和OM3的NO3-N淋失量增加率分別達227%、449%、822%、19%、38%和158%,NH4-N淋失量增加率分別達147%、310%、838%、44%、131%和528%,DTN淋失量增加率分別達158%、294%、551%、32%、31%和222%,且施用化肥的增幅明顯高于有機肥。而CF1、CF2、CF3、OM1、OM2和OM3等處理較對照增加的DTP淋失量分別達12%、59%、106%、35%、76%和141%,施用有機肥處理的增幅高于化肥處理。

表4 7次淋洗過程中各形態(tài)N和P的累計淋出量 mg/柱

淋出量隨施肥量的增加而增加,對于N素,當用量超過250 kg/hm2時,其淋失損失的強度(圖6中曲線的斜率)呈增加的趨勢。而P素的淋失基本上隨P用量的增加而呈直線增加。在P用量低于150 kg/hm2時,施用有機肥處理的P淋失量比施用化肥處理更大;而當P用量超過200 kg/hm2時,施用化肥處理的P流失量比施用有機肥處理大。

圖6 從A+Ap+Gw土柱淋出的養(yǎng)分量與施肥量的關(guān)系

表5為在不同肥料施用量條件下肥料N和P的淋失比例(已扣除對照土壤中淋失的N和P量)。從表5中可知,從A層淋出的N占肥料N的24.01%～40.06%,且化肥處理高于有機肥處理,并隨肥料用量增加,淋失比例有增加的趨勢。從A層土柱至A+Ap+Gw土柱,淋出的N的比例顯著降低,其中以施用有機肥處理的降幅更為明顯。因此,從A+Ap+Gw淋失N的比例：化肥為18.76%～26.66%;有機肥在3.31%～11.01%之間。

肥料P的淋失比例較低,從A層土柱淋失的比例：化肥為0.43%～1.32%,有機肥為0.84%～2.43%,即有機肥處理高于化肥處理。從A+Ap+Gw層土柱淋失的P的比例:化肥為0.07%～0.13%,有機肥為0.10%～0.17%。

表5 土柱中養(yǎng)分淋出量占施肥量的比例 %

3 小結(jié)

土柱淋洗試驗的結(jié)果表明,不同用量化肥和有機肥對青紫泥田蔬菜地土壤氮、磷垂直淋移有明顯的影響。淋出液中氮和磷的濃度及氮、磷的淋失量隨化肥和有機肥用量的增加而增加;在相同氮和磷施用量的條件下,化肥氮素淋失量高于有機肥,而有機肥磷的淋失量高于化肥。施肥對滲漏液中P濃度的影響明顯低于對N濃度的影響。從15 cm深的土層(大致相當于耕作層)淋出的N占肥料N的24.01%～40.06%,且化肥處理高于有機肥處理,并淋失比例隨肥料用量的增加有增加的趨勢。P淋失的比例,化肥為0.43%～1.32%,有機肥為0.84%～2.43%,有機肥的高于化肥。從40 cm深土層淋出的N(大致相當于進入地下水的量)占肥料N的比例:化肥為18.76%～26.66%,有機肥為3.31%～11.01%。肥料P的淋失比例:化肥為0.07%～0.13%,有機肥為0.10%～0.17%?；侍幚頋B漏液中TP主要為無機態(tài)P,后者平均占TP的80%以上;有機肥處理的滲漏液中TP主要為有機態(tài)P,無機態(tài)P平均約占TP的50%以下。由于本研究是在非作物生長條件下進行的,因此田間實際N和P淋失量可能會低于以上研究結(jié)果。