模擬徑流試驗(yàn)條件下紫色土有機(jī)肥氮素流失特征研究

夏紅霞，朱啟紅，劉希東，李 強(qiáng)，王書(shū)敏，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 永川 402160；2.西南大學(xué)/三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 北碚 400716)

紫色土是三峽庫(kù)區(qū)最主要的土壤類(lèi)型，其礦質(zhì)養(yǎng)分豐富、肥力較高，農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?；但質(zhì)地松軟、土層淺薄、易于崩解，加之庫(kù)區(qū)雨量充沛、降雨集中，且區(qū)域內(nèi)人口密度大，農(nóng)業(yè)墾殖指數(shù)和復(fù)種指數(shù)高等，極易造成水土流失[1]。據(jù)資料顯示，在自然、人為因素共同作用下，庫(kù)區(qū)紫色土已成為長(zhǎng)江上游水土流失最嚴(yán)重的土壤類(lèi)型[2]，每年流失的表土量已達(dá)3.77億t[3]，由此引發(fā)的庫(kù)區(qū)水環(huán)境污染問(wèn)題也日益凸顯[4]。

化肥具有養(yǎng)分含量高、肥效快等優(yōu)點(diǎn)，可顯著增加糧食產(chǎn)量。我國(guó)之所以能用占世界7%的耕地養(yǎng)活占世界22%的人口，化肥起著至關(guān)重要的作用。但據(jù)張福鎖等[5]研究結(jié)果和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部[6]制定的《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》顯示，當(dāng)化肥施用量達(dá)到一定水平后，化肥的增產(chǎn)效應(yīng)顯著降低，土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯降低，并引起土壤酸化、板結(jié)以及養(yǎng)分流失嚴(yán)重等諸多問(wèn)題。有機(jī)肥是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)肥料，施用有機(jī)肥不僅可以增加土壤養(yǎng)分，改善土壤環(huán)境，還可以提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，一直以來(lái)被認(rèn)為是當(dāng)前農(nóng)業(yè)面源污染防控措施中“化肥減控”的最佳替代品。國(guó)外學(xué)者也提倡在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中合理施用有機(jī)肥，以避免因施用化肥帶來(lái)的氮、磷流失。但SMITH等[7]研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥也會(huì)造成大面積的面源污染，尤其是在有機(jī)肥施用后的短時(shí)間內(nèi)遇到暴雨沖刷或持續(xù)降雨，更容易增加土壤養(yǎng)分流失。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了相關(guān)研究，杜曉玉等[8]研究了雞糞、豬糞、牛糞以及鴨糞對(duì)砂質(zhì)潮土氮流失的影響，發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可造成土壤可礦化氮含量增加，增加農(nóng)田土壤氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。姚娜等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田土壤中施用有機(jī)肥造成土壤氮、磷流失量明顯增加。由此可見(jiàn)，施用有機(jī)肥同樣會(huì)引起土壤養(yǎng)分的流失。農(nóng)田氮流失會(huì)受地形地貌、氣候氣象、土壤條件、土地利用、農(nóng)田管理措施等多種因素的影響[10]，其中，施肥是氮素流失的物質(zhì)基礎(chǔ)，降雨是產(chǎn)生氮流失的先決條件，坡度能直接支配地表徑流，是土壤氮素流失最重要的地形因素[11]。因此，本研究擬通過(guò)向紫色土中施用不同類(lèi)型有機(jī)肥，研究其在模擬不同用量、坡度和雨量條件下對(duì)紫色土氮流失的影響，以揭示施用有機(jī)肥對(duì)紫色土氮素流失的影響機(jī)制，以期為紫色土區(qū)域水體富營(yíng)養(yǎng)化研究和農(nóng)業(yè)管理部門(mén)指導(dǎo)農(nóng)民合理施用有機(jī)肥提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 材料

供試土壤取自重慶市北碚區(qū)某紫色土坡耕地，經(jīng)測(cè)，0～20 cm供試土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值6.82、有機(jī)質(zhì)含量26.03 g/kg、全氮含量1.91 g/kg、容重1.12 g/cm3；20～40 cm供試土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值6.82、有機(jī)質(zhì)含量24.76 g/kg、全氮含量1.73 g/kg、容重1.26 g/cm3。

根據(jù)重慶地區(qū)農(nóng)業(yè)施肥習(xí)慣，有機(jī)肥選用干牛糞、沼液、油枯(又稱(chēng)菜餅，是油菜籽經(jīng)壓榨除油后的殘?jiān)?以及有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥，化肥為磷酸氫二銨。其中，牛糞代表動(dòng)物性固態(tài)有機(jī)肥、油枯代表植物性固態(tài)有機(jī)肥、沼液代表液態(tài)發(fā)酵有機(jī)肥、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥代表工業(yè)化有機(jī)肥。牛糞和沼液均采自重慶市天友集團(tuán)北碚區(qū)奶牛養(yǎng)殖基地，磷酸氫二銨、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥以及油枯購(gòu)買(mǎi)自重慶市北碚區(qū)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。經(jīng)測(cè)試，供試牛糞(SM)、沼液(BS)、油枯(OC)、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥(OF)和磷酸氫二銨中的總氮含量分別為24.56、1.37、41.57、142.72、185.16 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

紫色土氮素流失研究采用徑流試驗(yàn)，在西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院人工降雨實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)用Norton Veejet 80100型噴嘴式人工降雨機(jī)。徑流試驗(yàn)裝置如圖1所示，徑流槽采用鐵質(zhì)土槽，規(guī)格為1 m×0.6 m×0.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。根據(jù)庫(kù)區(qū)紫色土耕地坡度以及耕作層土壤厚度，徑流槽傾斜坡度設(shè)置為5°、15°。徑流槽一端與高度調(diào)節(jié)支架鏈接，通過(guò)高度調(diào)節(jié)支架來(lái)調(diào)節(jié)徑流槽的傾斜度，徑流槽另外一端與徑流收集桶和出水管相連。

圖1 徑流試驗(yàn)裝置Fig.1 Device of runoff experiment

為提高模擬試驗(yàn)與實(shí)際耕作層土壤的相似性，分別采集0～20、20～40 cm土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，將各層土壤充分混勻后依次填充于徑流槽。填充土壤時(shí)，以每5 cm為1層填充土樣，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。根據(jù)前期獲取的土壤容重?cái)?shù)值，0～20 cm層土壤容重設(shè)置為1.12 g/cm3、20～40 cm層土壤容重設(shè)置為1.26 g/cm3。土壤填充后，根據(jù)徑流槽大小計(jì)算出各種肥料施用量，將牛糞、油枯、有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥等供試肥料于人工降雨前一周與表層土壤充分混合(根據(jù)農(nóng)事習(xí)慣，所有肥料直接施用，未經(jīng)發(fā)酵)，用去離子水將土壤水分含量調(diào)節(jié)至樣品采集時(shí)獲取的測(cè)定值，用塑料薄膜覆蓋后待用，期間適當(dāng)補(bǔ)充水分以保證土壤含水量。因沼液(BS)含有大量水分，將每次所需沼液分2次均勻鋪施于表土，不再另行澆水。

徑流試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理均重復(fù)3次。以施化肥(磷酸氫二銨)為對(duì)照(CF)，不施肥為空白(CK)，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。徑流試驗(yàn)時(shí)，首先分別將5種肥料(3種有機(jī)肥、1種有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥、1種化肥)與徑流槽中的土壤充分混合后放置1周，以不施肥為空白(裝填土壤后仍需放置1周)，每一處理均重復(fù)3次，合計(jì)18個(gè)徑流槽。然后每次選用6個(gè)靜置1周后的徑流槽進(jìn)行徑流試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后更換為備用的6個(gè)徑流槽，經(jīng)過(guò)3輪完成18個(gè)徑流槽的徑流試驗(yàn)。在整個(gè)徑流試驗(yàn)過(guò)程中，人工降雨裝置的雨量、噴灑角度、噴灑高度等均保持一致。

試驗(yàn)中主要考察施肥量、降雨強(qiáng)度以及坡度對(duì)氮素流失的影響。根據(jù)重慶市近幾年的暴雨降雨強(qiáng)度及發(fā)生頻率，將徑流試驗(yàn)降雨強(qiáng)度設(shè)置為83、104 mm/h，每次降雨60 min。根據(jù)庫(kù)區(qū)有機(jī)肥施肥情況，徑流試驗(yàn)中供試肥料施肥量設(shè)置為300、450 kg/hm2(以N計(jì))。

表1 模擬徑流試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design of runoff simulation test

1.3 樣品采集與分析

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤養(yǎng)分流失率按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Ca表示有機(jī)肥處理總氮含量；Cb表示化肥處理總氮含量；Ck表示空白總氮含量。

試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)用SPSS和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流液中的TN流失

各處理各徑流場(chǎng)次徑流液中TN含量如圖2所示。在供試條件下施肥處理徑流液中TN含量均極顯著(P<0.01)高于不施肥的空白，為空白的3.4～9.1倍；而供試有機(jī)肥處理徑流液中TN含量與化肥處理相比差異不顯著(P>0.05)。利用1.4中給出的公式計(jì)算各有機(jī)肥相對(duì)化肥的徑流TN流失率如圖3所示，在相同條件下，有機(jī)肥相較于化肥TN流失率存在較大差別。牛糞在第2～6場(chǎng)徑流中相對(duì)化肥總氮流失率介于4.00%～37.29%，其余場(chǎng)次則介于-2.38%～-9.85%，且在不同場(chǎng)次中差別較大。沼液在第1、4、6、7、8場(chǎng)徑流中相對(duì)化肥TN流失率介于-1.07%～-24.38%，在第2、3、5場(chǎng)徑流中相對(duì)化肥TN流失率介于2.54%～15.84%。油枯在第1、4、6、7、8次徑流中相對(duì)化肥TN流失率介于-3.22%～-22.91%，在第2、3、5場(chǎng)徑流中相對(duì)化肥TN流失率介于1.69%～12.87%。有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥在第2～5場(chǎng)徑流中相對(duì)化肥TN流失率介于6.78%～19.28%，在第1、6、7、8場(chǎng)徑流中相對(duì)化肥TN流失率介于-6.00%～-23.81%。對(duì)有機(jī)肥相對(duì)化肥TN流失率進(jìn)行Duncan′s多重比較，結(jié)果顯示，供試肥料相對(duì)化肥TN流失率大小順序?yàn)榕＜S>有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥>沼液>油枯。由此表明，在紫色土中施用有機(jī)肥一樣會(huì)造成氮素徑流流失。

圖2 徑流液中TN含量Fig.2 TN content in runoff fluid

圖3 有機(jī)肥相對(duì)化肥TN流失率Fig.3 TN loss rates of organic fertilizers relative to chemical fertilizer

2.2 徑流液中TN流失的影響因素分析

陳永高等[12]、王麗等[13]研究表明，土壤養(yǎng)分流失主要受地形地貌(坡度)、降雨強(qiáng)度、肥料品種、施肥量、植被覆蓋程度、土壤性質(zhì)以及管理方式等因素的綜合影響。為分析氮素在紫色土中的流失特征，試驗(yàn)中選取降雨強(qiáng)度、施肥量和坡度3個(gè)因素進(jìn)行多元線性回歸分析，建立徑流液TN含量與降雨強(qiáng)度、施肥量、坡度三因素間的回歸模型，回歸分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，各處理回歸系數(shù)均為正數(shù)，且回歸顯著性P<0.05。由此表明，在本試驗(yàn)條件下，施用的化肥與有機(jī)肥徑流液TN含量與降雨強(qiáng)度、施肥量、坡度三因素之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即在供試紫色土中，降雨強(qiáng)度越大、施肥量越高、土壤坡度越大，施用肥料氮素的流失量越多，這與陳維梁等[14]的研究結(jié)果相似。馮小杰等[2]研究也發(fā)現(xiàn)，紫色土丘陵區(qū)土壤氮素流失隨降雨量增加而增大。本試驗(yàn)結(jié)果還顯示，在各偏回歸系數(shù)中，b3>b2>b1。由此表明，在本試驗(yàn)條件下坡度是引起氮素流失最主要的因素，施肥量次之，降雨強(qiáng)度最小。

表2 模擬徑流液中TN含量的回歸分析Tab.2 Regression analysis of TN content in runoff simulation

2.3 徑流液中氮流失的形態(tài)分析

圖4 徑流液中各形態(tài)氮含量Fig.4 Content of each nitrogen form in runoff fluid

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)所用的化肥(磷酸氫二銨)是一種易溶于水的無(wú)機(jī)化合物，施用到土壤中易被植物吸收利用或隨水土流失而流失，尤其是在施用初期受到雨水沖刷時(shí)流失更為明顯。有機(jī)肥是一種來(lái)源于植物或動(dòng)物殘?bào)w，為植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有機(jī)質(zhì)，其氮素主要以有機(jī)態(tài)存在，故在施用初期不易造成氮素流失。但是，有機(jī)肥中含有大量碳素，可為土壤微生物提供比化肥更多的碳源，利于土壤微生物的生長(zhǎng)與繁殖[15]，隨著有機(jī)肥施用時(shí)間延長(zhǎng)，土壤微生物活性將會(huì)得到增強(qiáng)，促進(jìn)了土壤和有機(jī)肥中氮素的礦化過(guò)程[16]，進(jìn)而增加了有機(jī)肥中氮的流失[17]。閆麗珍等[18]研究表明，在整個(gè)太湖流域農(nóng)田徑流流失中的氮素80%來(lái)自于有機(jī)肥。但隨著微生物對(duì)氮素的礦化進(jìn)程，土壤中可被礦化的氮素逐漸減少，且有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的改良作用逐漸凸顯，土壤團(tuán)聚體逐漸增多，從而提高了土壤的保水保肥能力，降低了土壤中氮素的流失。在施氮量以及其他試驗(yàn)條件相同的情況下，有機(jī)肥相對(duì)化肥TN流失率存在差異，這主要是因?yàn)椴煌袡C(jī)肥對(duì)土壤和有機(jī)質(zhì)中氮素的礦化過(guò)程不同，增加土壤中可溶態(tài)氮含量[19]，再加上有機(jī)肥自身含有不同量的可溶性有機(jī)氮，故在相同條件下氮素流失量不同。

降雨強(qiáng)度是地表產(chǎn)生徑流以及土壤養(yǎng)分發(fā)生流失的關(guān)鍵因素，只有降雨強(qiáng)度超過(guò)土壤的入滲速率時(shí)才會(huì)產(chǎn)生地表徑流，形成地表沖刷和土壤侵蝕[20]，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失。相關(guān)研究也表明[21-22]，土壤養(yǎng)分流失主要發(fā)生在降雨強(qiáng)度較大的陣雨中。這是因?yàn)殡S著降雨強(qiáng)度增加，雨滴對(duì)地表的沖刷作用增強(qiáng)，極易改變地表土壤形貌，進(jìn)而形成較大的地表徑流，從而增加地表養(yǎng)分流失[23-24]?；艉榻萚25]研究發(fā)現(xiàn)，在陣雨集中的月份，紫色土地表徑流氮素流失量與降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。薛鵬程等[26]研究也發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田徑流主要受降雨強(qiáng)度控制，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到(20±2)mm時(shí)才會(huì)產(chǎn)生徑流，且降雨量越大，地表徑流的增長(zhǎng)速度越快，平穩(wěn)后的徑流量也越大，氮素的流失速度越快。

坡度也是影響地表氮素流失的主要因素之一[27]。坡度是形成地表其他形貌的前提[28]，在有坡度存在的前提下才會(huì)形成坡長(zhǎng)、坡形。坡度大小直接影響到雨滴對(duì)地面的沖刷角度以及沖刷力度，也會(huì)影響降雨在地表的入滲時(shí)間和入滲量，對(duì)地表徑流的產(chǎn)生具有十分明顯的作用[29]。KOULOURI等[30]、王麗等[13]研究表明，隨著坡度增加，地表徑流量明顯增加，水土流失也越嚴(yán)重，徑流溶質(zhì)含量也越高，從而導(dǎo)致地表流失的氮素顯著增加。陳正維等[31]研究也發(fā)現(xiàn)，在降雨過(guò)程中，地表氮素流失總量均隨著坡度增大而增加，且坡度越大氮素徑流含量穩(wěn)定時(shí)間越短。

此外，施肥種類(lèi)與施肥量也是影響土壤養(yǎng)分流失的主要因素之一[32]。司友斌等[33]研究表明，地表氮素流失量與施氮量密切相關(guān)，在一定施氮量的基礎(chǔ)上每增施1 kg/hm2氮素，通過(guò)徑流損失的氮素就會(huì)增加0.56～0.72 kg/hm2。在本試驗(yàn)中，化肥的偏回歸系數(shù)最高，達(dá)3.548；有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥次之，為3.412；而牛糞的偏回歸系數(shù)最低，僅2.433。由此表明，在相同條件下，化肥施用對(duì)氮素流失的影響高于有機(jī)肥；且施肥量對(duì)不同有機(jī)肥氮素流失量的影響存在差別，這可能與肥料自身特性有關(guān)。侯朋福等[34]經(jīng)過(guò)近3 a的定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同肥料在稻田徑流易發(fā)期氮素流失中差異較大，緩控釋肥氮素流失量低于化肥，有機(jī)肥氮素流失量低于緩控釋肥。付偉章[35]研究也發(fā)現(xiàn)，在降雨強(qiáng)度和施肥量一致的條件下，速效氮肥(碳酸氫銨)引起的氮素流失量最大，尿素次之，控釋尿素最低。田發(fā)祥等[36]研究了不同緩控釋肥料對(duì)雙季稻稻田氮素流失的影響，發(fā)現(xiàn)膜包衣尿素TN徑流損失較尿素減少26.3%～29.0%。

通過(guò)在模擬降雨條件下研究有機(jī)肥施用于紫色土的試驗(yàn)表明，在紫色土中施用有機(jī)肥一樣會(huì)造成土壤氮素徑流流失，且在本試驗(yàn)條件下，有機(jī)肥相對(duì)化肥TN流失率大小順序?yàn)榕＜S>有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥>沼液>油枯，這主要與供試肥料中氮素的存在形態(tài)有關(guān)，PN是供試肥料在紫色土中的主要流失形態(tài)。在本試驗(yàn)條件下，供試肥料在紫色土中的徑流液TN含量與降雨強(qiáng)度、施肥量、坡度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即在供試條件下，降雨強(qiáng)度越大、施肥量越高、土壤坡度越大，供試肥料氮素的流失量越多；且坡度是引起氮素流失最主要的因素，施肥量次之，降雨強(qiáng)度最小。因此，應(yīng)該盡量減少在紫色土區(qū)坡度較高區(qū)域從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并盡可能施用沼液、油枯等氮素流失率較低的有機(jī)肥，從而降低三峽庫(kù)區(qū)紫色土氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境的影響。