秦雪超,潘君廷,郭樹(shù)芳,翟麗梅*,王洪媛,武淑霞,劉宏斌
(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081;2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,昆明650201)
化肥對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng),保證作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用[1]。中國(guó)是世界上最大的化肥生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),在2013年,我國(guó)農(nóng)用化肥消耗量達(dá)到了5 911.9萬(wàn)t,超過(guò)世界化肥消耗總量的1/3。2014 年,我國(guó)耕地化肥施用量為447.2 kg·hm-2,遠(yuǎn)超過(guò)僅為125.5 kg·hm-2的世界平均化肥施用量[2]。我國(guó)每年氮肥施用量為3 360 萬(wàn)t,占全球的33%,導(dǎo)致農(nóng)田氮盈余量已達(dá)到175 kg·hm-2[3]。大量化肥投入造成土壤氮盈余,這不僅污染大氣和水體,也造成資源浪費(fèi)。
在我國(guó)華北平原小麥-玉米輪作體系中,每年氮肥投入量為588 kg·hm-2,遠(yuǎn)高于其他國(guó)家氮肥施用量[4]。有研究指出,對(duì)高化肥投入量的農(nóng)田,適量的減施化肥不會(huì)影響作物產(chǎn)量[5],且能顯著減少土壤氮盈余[6]。趙亞南等[6]研究指出,在氮肥用量從180 kg·hm-2減為96 kg·hm-2時(shí),小麥產(chǎn)量并未減產(chǎn),且提高了肥料利用率。另外,畜禽糞便中含有豐富的氮資源。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)2015 年畜禽糞尿中氮產(chǎn)生量為1 229 萬(wàn)t[7]。與單施化肥相比,有機(jī)肥能提高土壤微生物多樣性,提高微生物和酶活性,降低土壤容重,改善土壤結(jié)構(gòu),活化土壤養(yǎng)分等[8-9]。畜禽糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣可作為能源物質(zhì),沼液可作為一種液體有機(jī)肥還田再利用。有研究表明單施化肥與50%的沼液替代相比對(duì)玉米產(chǎn)量并無(wú)顯著差異[10],而王桂良等[11]研究指出小麥產(chǎn)量在50%的沼液替代時(shí)產(chǎn)量最高。沼液和化肥合理配施能提高作物產(chǎn)量,增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤氮、磷、鉀等速效養(yǎng)分含量[11-13]。目前的研究大多只是單獨(dú)研究化肥減量或者有機(jī)無(wú)機(jī)配施,而化肥減量與沼液配施相結(jié)合對(duì)于大田作物生長(zhǎng)和環(huán)境影響特征的研究相對(duì)較少。
華北平原屬于暖溫帶季風(fēng)氣候,冬季干燥寒冷,夏季高溫多雨,年降水量為500~900 mm,但區(qū)域間差異大,如在河北省中南部降雨量<500 mm。施肥和降水是影響農(nóng)田氮流失的主要因素。農(nóng)田地下淋溶和地表徑流是氮素進(jìn)入水體的主要方式。在旱地作物中,氮淋溶流失量要高于徑流流失量。段然等[5]研究指出,土壤氮素徑流流失量低于0.70 kg?hm-2,而氮素淋失量卻遠(yuǎn)高于此[14-15]。有研究表明大量施用氮肥必將導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮大量淋失[16]。與單施化肥相比,有機(jī)無(wú)機(jī)配施能降低農(nóng)田總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮淋失量[17-18]。有機(jī)肥能夠改善土壤理化性質(zhì),增加土壤孔隙度,增強(qiáng)滲透性,提高土壤容納雨水能力,減少氮素流失[19]。
本研究為了保證華北平原小麥、玉米產(chǎn)量的可持續(xù)性,探討了在減施化肥條件下,單施化肥和部分有機(jī)替代對(duì)于作物產(chǎn)量和氮流失的影響,以期為化肥合理減施提供科學(xué)依據(jù)。
本試驗(yàn)地位于河北省正定縣新安鎮(zhèn)(38°14.29′N(xiāo),114°34.52′E),土壤類(lèi)型為黃褐土,質(zhì)地為中壤。平均海拔為78 m,年平均氣溫為13.1 ℃,年平均降雨量為489 mm,屬于黃淮海半濕潤(rùn)平原,種植模式為冬小麥-夏玉米輪作。冬小麥生育期為每年10 月初到次年6 月初,夏玉米生育期為每年6 月中旬到10 月初。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)土壤(0~20 cm)基礎(chǔ)理化性質(zhì)為:土壤容重1.24 g·cm-3,pH 7.5,有機(jī)質(zhì)21.5 g·kg-1,總氮0.91 g·kg-1,總磷0.75 g·kg-1,有效磷24.1 mg·kg-1,硝態(tài)氮12.9 mg·kg-1,銨態(tài)氮0.74 mg·kg-1。
試驗(yàn)始于2014 年,設(shè)置3 個(gè)處理:(1)CON,常規(guī)施肥;(2)RF,化肥減量;(3)RFM,化肥減量替代(10%沼液+90%化肥減量)。沼液取自試驗(yàn)田附近養(yǎng)殖場(chǎng),年投入量為22.5 t·hm-2。各處理具體施肥量見(jiàn)表1。氮肥50%作基肥,50%作追肥施入農(nóng)田,磷、鉀肥和沼液于每年的10 月初玉米收獲后和小麥種植前一次性施入土壤。每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù),小區(qū)面積為36 m2(8 m×4.5 m)。根據(jù)小麥和玉米生長(zhǎng)狀況進(jìn)行灌溉,2015 年和2016 年小麥生育期灌溉2 次,分別在返青拔節(jié)期和灌漿乳熟期;玉米生長(zhǎng)期灌溉1 次,在出苗時(shí)期。2017 年小麥生育期灌溉3 次,分別在苗期、返青拔節(jié)期和灌漿乳熟期;玉米生長(zhǎng)期灌溉2 次,分別在出苗期和乳熟期。灌溉方式為溝灌,每次灌溉量均為125 mm。小麥、玉米品種分別為衡4399 和星碩F1。在小區(qū)地下90 cm 處安裝淋溶液收集桶,用于收集每次降雨或灌溉產(chǎn)流后的滲濾液。田間徑流水收集池長(zhǎng)4.5 m、寬1.0 m、深1.5 m,用于收集每次徑流產(chǎn)流水樣(圖1)。
表1 不同處理具體施肥量Table 1 Amount of fertilizer application under different treatments
圖1 田間淋溶水(a)和徑流水(b)收集裝置Figure 1 The collection devices of leaching(a)and runoff(b)in cropland
每年在玉米收獲后,用直徑5 cm 的土鉆在每個(gè)小區(qū)多點(diǎn)隨機(jī)采集0~100 cm 土樣,每20 cm 為一層,混勻并裝在密封的塑料袋中,用于進(jìn)一步分析。每年6 月和10 月小麥、玉米收獲時(shí)采集一定面積植株樣,風(fēng)干、脫粒,計(jì)算籽粒和秸稈干物質(zhì)量。在每次灌溉或降雨產(chǎn)流后測(cè)量滲濾液和徑流水體積,并取100 mL 水樣放置于-20 ℃冰箱中冷凍保存,用于進(jìn)一步分析。及時(shí)清空剩余的滲濾液和徑流水,避免干擾下一次采樣。
水樣中的總氮用紫外分光光度計(jì)測(cè)定,可溶性總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度用連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3)分析。土壤含水率采用烘干法,土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法,土壤全氮采用凱氏定氮法,土壤全磷采用H2SO4-HClO4消煮,有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法,硝態(tài)氮采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提,連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3)測(cè)定。作物收獲后,用H2SO4-H2O2消煮,凱氏定氮法測(cè)定小麥、玉米籽粒和秸稈中全氮含量[20]。
氮盈余(kg·hm-2)=施氮量+降雨氮輸入量+灌溉氮輸入量-(作物吸氮量+氮淋溶淋失量+氮徑流流失量)
氮表觀流失率(%)=氮淋失量(徑流流失量)/施氮量×100%
水體氮損失排放強(qiáng)度(kg N·Mg-1)=(氮淋失量+氮徑流流失量)/作物產(chǎn)量
氮淋失量計(jì)算公式:
式中:NL為總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮淋失總量,kg·hm-2;n為淋溶發(fā)生次數(shù);NLCi為總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮淋失濃度,mg·L-1;Vi為每次淋溶發(fā)生時(shí)淋溶水體積,L;1.2為淋溶收集面積,m2。
氮徑流流失量計(jì)算公式:
式中:NR為總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮徑流流失總量,kg·hm-2;n為徑流發(fā)生次數(shù);NRCi為總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮或銨態(tài)氮流失濃度,mg·L-1;Vi為每次徑流發(fā)生時(shí)徑流水體積,L;4.5為徑流池面積,m2。
運(yùn)用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和繪圖,運(yùn)用SPSS 22 單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),LSD法進(jìn)行均值比較。
根據(jù)3 a的試驗(yàn)結(jié)果,CON與RF、RFM 處理相比,小麥和玉米產(chǎn)量差異均不顯著(P>0.05)(圖2),CON、RF、RFM 3 個(gè)處理小麥年均產(chǎn)量分別為9 234、9 068、9 022 kg·hm-2,玉米年均產(chǎn)量為9 701、9 555、9 822 kg·hm-2。適當(dāng)減施化肥不會(huì)顯著降低作物產(chǎn)量,且配施沼液能提高玉米產(chǎn)量。
研究區(qū)域灌溉和降雨多發(fā)生在4—10 月,該時(shí)段是淋溶發(fā)生的主要時(shí)期。在此期間,CON、RF和RFM處理的氮素流失濃度隨月份增長(zhǎng)而先增加后降低,其中7 月和8 月是最高時(shí)期。CON、RF 和RFM 處理的總氮濃度變化范圍為2.00~109.64、3.35~70.55 mg·L-1和4.30~53.10 mg·L-1,平均值為33.70、23.10 mg·L-1和20.00 mg·L-1(圖3)。與CON處理相比,RF和RFM處理平均總氮淋失濃度分別降低了31.45%和40.65%??偟苋軡舛确逯党霈F(xiàn)在施肥后發(fā)生灌溉或連續(xù)降雨的時(shí)期。CON 處理淋溶水中總氮淋失濃度顯著高于RF和RFM處理(P<0.05),其中,RFM處理降低氮淋溶效果最佳。
圖2 不同年份各施肥處理小麥和玉米籽粒產(chǎn)量Figure 2 Grain yield of wheat and maize under different treatments in different years
不同處理總氮、可溶性總氮和NO-3-N 淋失濃度變化趨向一致(圖3)。全年間淋溶水總氮、可溶性總氮和NO-N呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。7月和8月是氮素淋溶濃度最高的時(shí)期,且氮素濃度波動(dòng)較大。7月,CON 處理總氮、可溶性總氮和NO-N 平均濃度分別為68.47、60.12 mg·L-1和52.37 mg·L-1,均顯著高于RF和RFM處理(P<0.05)。根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848—2017),僅有CON 處理7 月淋溶水NO-N 平均濃度超過(guò)30.00 mg·L-1,達(dá)到了Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),由此可見(jiàn),化肥減量和化肥減量替代能夠有效降低土壤NO-N淋失風(fēng)險(xiǎn)。
CON 處理總氮淋失量為22.01 kg·hm-2,顯著高于RF 和RFM 處理(P<0.05)(圖4),和CON 相比,RF 和RFM 處理總氮淋失量減少了30.58% 和43.39%。CON 處理的可溶性總氮和NO-N 淋失量均顯著高于RF 和RFM 處理,而RF 和RFM 處理間無(wú)顯著差異。和CON 處理相比,RF 和RFM 處理可溶性總氮淋失量分別降低了30.70%和42.46%,NO-N 淋失量分別降低了34.46%和45.95%。各處理NH-N 淋失量一直維持在一個(gè)較低的水平,且無(wú)顯著差異。常規(guī)施肥極大增加了氮素淋失量,相較于化肥減量,化肥減量替代能更有效地降低氮素淋失量。
圖3 不同月份淋溶水總氮、可溶性總氮和硝態(tài)氮濃度變化Figure 3 Dynamics of total nitrogen(TN),total dissolved nitrogen(TDN)and NO-N concentration in leachate water during the different months
圖4 總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮年均淋失量Figure 4 Average annual leaching of total nitrogen(TN),total dissolved nitrogen(TDN),NO-N and NH-N
3年研究期間地表徑流產(chǎn)流次數(shù)僅為2次。在產(chǎn)流前兩周內(nèi)分別有3 次和4 次降雨,多次的降雨導(dǎo)致土壤水處于飽和狀態(tài),促使徑流產(chǎn)生。在第一次產(chǎn)流時(shí),CON 處理總氮濃度顯著高于RF 和RFM 處理(P<0.05)。而在第二次產(chǎn)流時(shí),由于降雨量較小,且遠(yuǎn)離施肥期,各處理徑流水中總氮濃度無(wú)顯著差異。
全年僅有7 月產(chǎn)生了徑流,且氮素濃度波動(dòng)較大(圖5)。7月,CON 處理總氮、可溶性總氮和NO-3-N平均濃度分別為23.03、19.99 mg·L-1和17.60 mg·L-1,均高于RF 和RFM 處理。與CON 處理相比,RF 和RFM處理總氮、可溶性總氮和NO-3-N 平均濃度分別降低了32.90% 和45.50%、30.10% 和44.80%、30.50% 和47.00 %。
CON、RF 和RFM 處理總氮徑流損失量分別為0.10、0.07 kg·hm-2和0.05 kg·hm-2(圖6),化肥減量替代降低了總氮流失量。其中可溶性總氮、NO-3-N 和NH+4-N 分別占總氮流失量的86.60%、73.30% 和5.01%。NO-3-N是徑流水中氮素流失的主要形態(tài)。
圖5 不同月份徑流水中總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮濃度變化Figure 5 Dynamics of total nitrogen(TN),total dissolved nitrogen(TDN)and NO-N concentration in runoff water during the different months
CON、RF 和RFM 處理氮淋溶表觀流失率分別為4.19%、4.07%和3.32%(圖7),氮徑流表觀流失率分別為0.02%、0.02%和0.01%,化肥減量替代降低了氮素流失。氮淋溶和徑流表觀流失率分別為3.86%和0.02%,與徑流相比,淋溶是氮素流失的主要途徑。CON、RF 和RFM 處理水體氮排放強(qiáng)度分別為1.17、0.82 kg N·Mg-1和0.66 kg N·Mg-1(圖7)?;蕼p量和化肥減量替代顯著降低了水體氮排放強(qiáng)度,其中以化肥減量替代效果最為顯著,降低了43.59%。
圖6 土壤總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮年均徑流損失量Figure 6 Average annual runoff loss of total nitrogen(TN),total dissolved nitrogen(TDN),NO-N and NO-N in soil
圖7 不同處理淋溶、徑流氮表觀流失率和水體氮排放強(qiáng)度Figure 7 Apparent nitrogen loss ratio of leaching and runoff,and nitrogen emission intensity via(leaching and runoff)water of different treatments
化肥是農(nóng)田氮素輸入的主要來(lái)源,灌溉和降雨分別占農(nóng)田氮輸入的5.69%~12.74%和0.65%~7.46%(圖8)。作物吸氮量為296~396 kg·hm-2,是農(nóng)田氮素輸出的主要形式,占總氮輸入的54.95%~83.63%。氮淋溶占總氮輸出的1.21%~9.88%,而氮徑流流失最高占比僅為0.04%。作物攜出是農(nóng)田氮素主要輸出方式,但各處理間并無(wú)顯著差異。CON、RF和RFM處理年平均氮盈余量分別為218.06、72.56 kg·hm-2和96.20 kg·hm-2,CON 處理顯著增加了土壤氮盈余量。與CON 處理相比,RF和RFM 處理土壤氮盈余分別降低了66.72%和55.88%(P<0.05)(圖8)。相較于RF和RFM,CON處理呈現(xiàn)出更高的氮淋溶和徑流流失風(fēng)險(xiǎn)。
本研究中常規(guī)施肥處理與減量施肥處理相比,小麥和玉米產(chǎn)量并沒(méi)有顯著變化,但前者盈余量遠(yuǎn)高于后者。這一結(jié)果表明,區(qū)域施肥不合理?xiàng)l件下,適當(dāng)降低肥料投入可以保證作物產(chǎn)量,降低氮盈余量[6,21]。化肥的施用量遠(yuǎn)超作物需求量,不僅對(duì)作物產(chǎn)量增加無(wú)益處,還會(huì)大幅增加土壤中氮的盈余,造成氮資源浪費(fèi)[22]。本研究發(fā)現(xiàn),與單施化肥相比,沼液與化肥配施增加了玉米產(chǎn)量,但效果并不顯著,這與有機(jī)肥的替代比例有關(guān)[23]。王桂良等[11]研究指出,用沼液替代30%的化肥氮未能顯著提高小麥產(chǎn)量,且隨著沼液替代量的增加,小麥產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。也有研究表明[24]沼液替代50%化肥并未顯著增加作物產(chǎn)量。合適的有機(jī)肥替代量應(yīng)取決于土壤肥力,肥力較貧瘠的土壤,應(yīng)采用較低的有機(jī)替代比例,以滿足作物對(duì)養(yǎng)分的即時(shí)需求,減少微生物生長(zhǎng)繁殖所消耗的養(yǎng)分;肥力較高的土壤,可采用較高的有機(jī)肥替代比例,以提高土壤微生物活性,活化土壤養(yǎng)分,同步提高作物產(chǎn)量和土壤肥力[25]。
圖8 不同年份農(nóng)田氮素輸入和輸出量變化Figure 8 Changes of nitrogen input and output in cropland in different years
地表徑流和地下淋溶是農(nóng)田氮素流失的兩個(gè)主要途徑。灌溉和降雨是促使土壤產(chǎn)生淋溶和徑流的主要驅(qū)動(dòng)力,連續(xù)強(qiáng)降雨更易增加淋溶水中氮素濃度,加大氮素流失[26-28]。肥料氮是氮素流失的物質(zhì)基礎(chǔ),施肥量的高低是造成氮素流失量大小的重要因素[29-32]。例如,王立剛等[33]在山東桓臺(tái)的研究結(jié)果指出,當(dāng)?shù)释度肓扛哂?00 kg·hm-2時(shí)作物產(chǎn)量不再增加,但氮淋失量卻急劇升高。高施肥量引起氮素流失量增加主要是由于氮肥大量投入到農(nóng)田后,未被植物吸收利用的氮素殘留在土壤中,在干旱地區(qū)經(jīng)過(guò)硝化作用,使得殘留在土壤中的無(wú)機(jī)氮多以NO-3-N 的形式存在,極易隨土壤水向下遷移[16]。本研究在目前華北平原常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上,小麥和玉米季氮肥分別減施75 kg·hm-2下,實(shí)現(xiàn)了總氮淋失量降低30.58%,淋溶液和徑流水中的總氮濃度也分別顯著降低了31.45%和32.92%。本研究各處理間淋溶水量并無(wú)顯著差異,進(jìn)一步表明合理的施肥管理措施是降低氮淋失的主要途徑。
雖然地下淋溶和地表徑流是氮隨水流失的兩個(gè)主要途徑,但是由于本研究所處華北平原,研究區(qū)內(nèi)僅有2017 年作物生育期年降雨量超過(guò)了450 mm,且單次降雨強(qiáng)度較弱,因此區(qū)域內(nèi)地表徑流發(fā)生幾率較低[34-35]。研究期間,試驗(yàn)區(qū)3 年僅產(chǎn)生了2 次徑流,與徑流相比,淋溶是該地區(qū)氮素流失的主要途徑。常規(guī)施肥處理氮年均淋失量為22.01 kg·hm-2,表觀淋失率為4.19%,顯著高于徑流損失。Ju 等[36]的研究也得出了相似的結(jié)論,其指出華北平原小麥季氮素在1 m 土層中的淋失率約為2.7%,玉米季約為12.1%。
相較于化肥減量,化肥減量替代能進(jìn)一步有效降低總氮流失量[37-40]。已有研究表明,商品有機(jī)肥配施能顯著降低土壤總氮和硝態(tài)氮的淋失,且隨著有機(jī)肥配施比例的增加,土壤氮淋失量明顯下降[40]。這可能是由于有機(jī)肥中含有的微生物等在作物生長(zhǎng)初期可以固定施入土壤中的盈余氮素,并在作物生長(zhǎng)中后期通過(guò)礦化作用再將氮釋放,從而減少了硝態(tài)氮向深層土壤的淋失[41]。本研究使用的是沼肥,替代比例為10%,在此替代比例下,沼肥替代處理仍較等量化肥處理總氮淋失量減少了18.49%,表觀流失率降低了18.43%。沼肥施入土壤后,其所帶入的水分、銨態(tài)氮和總氮主要集中于0~5 cm 表層土壤,在深層土壤中并無(wú)顯著差異[42],且沼肥施入提高了生育期土壤固氮菌的數(shù)量,有助于減少氮流失[43]。Du 等[15]研究表明,沼液中含有大量的銨態(tài)氮和可以礦化為銨態(tài)氮的有機(jī)氮復(fù)合化合物,因此沼液替代化肥可減少土壤氮素淋失率,但不同的替代比例效果不同。由于沼液中氮的形態(tài)主要是銨態(tài)氮,沼液替代化肥施入農(nóng)田后,在降低氮淋溶的同時(shí)可能會(huì)提高農(nóng)田氨揮發(fā)的排放量[10],且沼液配施增加了土壤水分含量,可能對(duì)氮的反硝化有促進(jìn)作用[44]。如黃紅英等[45]研究指出,沼液全量替代提高了農(nóng)田N2O 排放量。此外還需注意沼液大量還田所帶入的抗生素以及重金屬污染等問(wèn)題[46]。
(1)淋溶是華北平原氮素流失的主要途徑。氮素流失的主要形態(tài)是硝態(tài)氮,分別占淋溶和徑流總氮流失量的66.31%和73.33%。
(2)根據(jù)作物氮素需求適當(dāng)降低化肥氮投入可以在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)顯著降低氮素流失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
(3)在一些養(yǎng)殖集中區(qū)域,在減施化肥的基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行化肥替代,可進(jìn)一步降低氮素流失造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。而合理的沼液替代比例是保證作物產(chǎn)量和管控環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵,也是未來(lái)進(jìn)一步探究的重點(diǎn)。