配施有機(jī)肥減少太湖地區(qū)稻田土壤硝態(tài)氮淋失的機(jī)理研究①

張 敏，姚元林，曾 科，李冰洋，田玉華，尹 斌*

(1 洛陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南洛陽 471023；2 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044；3 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；4 河南省煤炭地質(zhì)勘查研究總院，鄭州 450052)

稻田是我國最主要的農(nóng)業(yè)土地利用方式之一，我國65% 以上的人口都是以稻米為主食[1]。為了確保水稻最大生產(chǎn)力，農(nóng)民通常施用過量無機(jī)氮肥。未被作物吸收利用且超過土壤固定吸附的氮會通過氨揮發(fā)、淋溶、徑流和硝化-反硝化等途徑損失到環(huán)境中，引起環(huán)境質(zhì)量下降[2-3]。其中氮淋失是農(nóng)田氮素?fù)p失的重要途徑之一，我國農(nóng)田總氮平均表觀淋失率為2.2%[4]。土壤氮淋失不僅降低稻田氮肥利用率，還會危害周圍水體的環(huán)境質(zhì)量[5]。近年來隨著地表水和地下水質(zhì)的惡化，稻田氮淋溶損失也一直是世界所關(guān)注的問題。

無機(jī)氮肥過量施用是導(dǎo)致農(nóng)田土壤氮淋失的重要原因[6]。施入土壤的氮肥在土壤微生物的作用下，轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，因其不易被土壤所固定，且極易溶于水，因此易隨土壤水分的遷移而移動，向下滲漏產(chǎn)生氮淋失。硝酸鹽淋失是農(nóng)田土壤氮素淋失的主要形式[7]。據(jù)統(tǒng)計，水田中NO-N 的平均淋失量為6.3 kg/hm2[4]。土壤NO-N 淋失會引起地下水硝酸鹽污染，威脅人體健康[8]。潘田和張幼寬[9]對太湖流域淺層地下水硝酸鹽濃度和氮肥用量進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在正相關(guān)關(guān)系。過量NO-N 進(jìn)入人體后，能通過酶系統(tǒng)被還原為亞硝態(tài)氮，引發(fā)高鐵血紅蛋白病，尤其是嬰幼兒，對此更為敏感。因此減少農(nóng)田土壤NO-N 淋失對保障飲用水安全有著重要意義。

和無機(jī)肥相比，配施有機(jī)肥能夠促進(jìn)作物對氮的吸收，有效降低土壤氮淋失[10-11]。土壤氮淋失主要和田面水、土壤的氮含量有關(guān)。有研究認(rèn)為配施有機(jī)肥能夠降低田面水NO-N 濃度，從而降低土壤氮淋失[12]；也有研究認(rèn)為配施有機(jī)肥能提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加對NO-N 的固持作用，進(jìn)而阻礙了NO-N向下移動[13-14]。但是關(guān)于有機(jī)肥降低稻田氮淋失的具體作用機(jī)制還不甚清晰，因此還需進(jìn)一步的研究。太湖流域地處長江三角洲中心，是我國水稻種植的主要地區(qū)之一。該地區(qū)稻田高氮投入特征明顯，據(jù)統(tǒng)計，太湖流域單季水稻平均施氮量為300 kg/hm2[15]。過多氮肥投入以及不合理的施用方式導(dǎo)致大量氮素?fù)p失，威脅周圍環(huán)境質(zhì)量。潘田和張幼寬[9]對太湖流域長興縣43 個淺層地下水樣進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)硝酸鹽超標(biāo)率達(dá)16%，主要分布在農(nóng)業(yè)集中區(qū)。因此本研究在太湖地區(qū)開展田間試驗，探討配施有機(jī)肥對稻田土壤氮淋失的影響機(jī)制，為減少該地區(qū)土壤NO-N 淋失提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與土壤基本性狀

田間試驗于中國科學(xué)院常熟生態(tài)農(nóng)業(yè)實驗站(31°32′93″ N，120°41′88″ E)進(jìn)行。該站位于太湖地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.5℃，年平均降水量1 038 mm。供試土壤為湖積物發(fā)育的潛育型水稻土(烏柵土)，表層土(0 ～ 20 cm)基本性質(zhì)：pH 7.35，有機(jī)質(zhì) 35 g/kg，全氮 2.09 g/kg，全磷 0.93 g/kg，陽離子交換量 17.7 cmol/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗包括2014 年和2015 年兩個水稻季，設(shè)有5個處理，分別為：①對照(CK)；②常規(guī)施肥(CT)；③減氮處理(RT)；④常規(guī)配施有機(jī)肥(CT+M)；⑤減氮配施有機(jī)肥(RT+M)。氮肥以尿素(含N 460 g/kg)形式施入，基肥、分蘗肥、穗肥的施肥比例為4∶2∶4，對照不施氮肥。磷肥為過磷酸鈣(含P2O5120 g/kg)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 600 g/kg)，磷肥、鉀肥和有機(jī)肥均作為基肥一次性施入，具體施肥見表2。用于試驗的有機(jī)肥為腐熟的菜籽餅肥(菜子餅與水混合，厭氧發(fā)酵30 d)，含水率為70%，含氮量(干重)為60.7 g/kg，含磷(干重)8.8 g/kg，含鉀(干重)12.7 g/kg，有機(jī)碳(干重)含量為504 g/kg。

試驗采用的水稻為南粳 46，栽插株行間距為20 cm × 20 cm。試驗小區(qū)面積為42 m2(6 m × 7 m)，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3 次。小區(qū)之間設(shè)有田埂并用塑料薄膜包被，各小區(qū)設(shè)置獨立的排灌溝，以防止串水、串肥。所有處理肥料均為表層均勻撒施，雜草和病蟲害管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。除烤田外，田間始終保持3 ～ 5 cm 的田面水，直至收獲前一周左右。水稻收獲日期分別為2014 年11 月5 日和2015 年11 月9 日。

表1 稻季不同處理的施肥量(kg/hm2)Table 1 Fertilizer application under different treatments during rice season

1.3 水樣、植株樣和土樣采集、分析與數(shù)據(jù)處理

本研究利用陶瓷頭提取器法采集土壤水溶液[16]。陶瓷頭微孔直徑約為2 μm，主體為圓柱體，高5 cm，內(nèi)徑2 cm，管中插入抽取水樣的塑料軟管，PVC 管與土壤間灌入泥漿，以保證無縫隙。每個小區(qū)預(yù)先埋設(shè)一組多孔陶杯，深度分別為30 cm 和80 cm。水稻生育期內(nèi)，每隔10 ～ 20 d，利用真空泵采集不同深度的土壤水溶液1 次，然后貯存于-20 ℃ 的冰箱內(nèi)備測。通過土壤水分垂直滲漏量和土壤水溶液中的氮素濃度來估算土壤氮素淋溶損失量。在水稻生育期內(nèi)淹水條件下，土壤水分垂直滲漏速率平均為5 mm/d[17]。利用靛酚藍(lán)比色法測定土壤水溶液中NH-N 的濃度，紫外分光光度法測定土壤水溶液中NO-N 的濃度，堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定土壤水溶液中總氮濃度[18]。氮素滲漏量計算公式為：P=C×t×5×10-2，式中：P為氮素淋失量(kg/hm2)；C為30 cm 或80 cm 深度氮素淋失的平均濃度(mg/L)，t為水稻移栽至收獲之間的淹水天數(shù)(d)。

水稻成熟后，人工收割6 m2用以計產(chǎn)；另取一份考種樣，烘至恒重后粉碎，測定其總氮含量。植株吸氮量為植株干重與總氮含量之積。作物生長期間以及作物收獲后，利用對角線取樣法，每個小區(qū)人工采集0 ～ 20 cm 和20 ～ 40 cm 土層5 點，混為1 個樣品，之后貯存于 -20 ℃ 的冰箱內(nèi)備測。測樣時先將土樣解凍，然后去除土壤樣品中的植物根、石礫及其他雜質(zhì)后混勻，稱取6 ～ 10 g 鮮土，用50 ml 2 mol/L 氯化鉀溶液振蕩浸提1 h(振蕩機(jī)轉(zhuǎn)速＞150 r/min)，之后過濾，用靛酚藍(lán)比色法和紫外分光光度法分別測定土壤NH-N 和NO-N 含量，同時測定土壤含水率[18]。水稻收獲后的土樣風(fēng)干后，研磨過100 目篩，用以測定土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)和全氮(TN)。土壤SOM 和TN 含量的測定方法分別為重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法。

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS19.0 分析，Origin 9.1 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理的土壤氮淋失量

土壤氮淋失量隨土壤深度的增加而減少，30 cm處氮淋失量高于80 cm 處。土壤氮淋失以NO-N 為主，NO-N 淋失量占總氮淋失量的42% ～ 75%，而NH-N 僅占8% ～ 26%。就土壤NH-N 淋失而言，兩種深度下不同施肥處理間均沒有顯著差異。

表 2 不同土壤深度(30 cm 和80 cm)下不同處理的土壤氮淋失量(kg/hm2)Table 2 N leaching loss under different treatments at 30 cm and 80 cm depths

2.2 淋溶水NO -N 濃度與田面水NO -N 濃度之間的關(guān)系

圖1 2014 年和2015 年田面水NO-N 濃度和淋溶水NO-N 濃度之間的相關(guān)關(guān)系Fig. 1 Relationship between floodwater NO-N concentration and NO-N concentration in percolation water in rice seasons of 2014 and 2015

2.3 不同深度土壤NO-N 含量

水稻生育期，分別采集分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和收獲期(2015 年灌漿期土樣沒有采集，而增加了基肥期土樣采集)的土樣，不同深度土壤的NO-N 含量結(jié)果見圖2。兩年的結(jié)果類似，土壤NO-N含量隨土壤深度的增加而降低，0 ～ 20 cm 土層NO-N 含量高于20 ～ 40 cm 土層。

對于0 ～ 20 cm 土層，不同時期施肥處理的土壤NO-N 含量均高于空白處理；不同施肥處理下，配施有機(jī)肥處理的NO-N 含量明顯高于單施無機(jī)肥處理。但是20 ～ 40 cm 土層，不同時期配施有機(jī)肥處理和單施無機(jī)肥處理之間土壤NO-N 含量差異很小(圖2)。這表明配施有機(jī)肥可以減少NO-N 向土壤深層的遷移，提高土壤對NO-N 的吸附和固定，使得更多的NO-N 保存在土壤表層。

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量

水稻收獲后，不同處理土壤的SOM 含量見圖3。與CK 處理相比，兩年里配施有機(jī)肥均顯著提高了土壤SOM 含量(P＜0.05)；無機(jī)肥處理土壤的SOM 含量較CK 處理有增加的趨勢，但是二者之間的差異不顯著(P＞0.05)。兩年里CT+M 處理土壤的平均SOM 含量為38.0 g/kg，比CT 處理提高6.7%。

不同處理土壤的TN 含量變化趨勢和SOM 含量類似，結(jié)果見圖4。兩年里CT+M 處理土壤的平均TN 含量為2.26 g/kg，比CT 處理提高5.1%。

圖2 2014 年(左)和2015 年(右)不同處理0 ～ 20 cm 和20 ～ 40 cm 土層的NO-N 含量Fig. 2 Soil NO -N concentrations in 0-20 cm and 20-40 cm layers under different treatments in 2014 and 2015

圖3 2014年和2015年水稻收獲后不同處理土壤表層有機(jī)質(zhì)含量Fig. 3 Soil organic matter contents in 0-20 cm layer after rice harvest in 2014 and 2015

圖4 2014年和2015年水稻收獲后不同處理土壤表層全氮含量Fig. 4 Soil TN contents in 0-20 cm layer after rice harvest in 2014 and 2015

2.5 水稻產(chǎn)量和吸氮量

2014 年由于受到臺風(fēng)影響作物發(fā)生倒伏，導(dǎo)致該年不同施肥處理之間的水稻產(chǎn)量差異并不顯著(P＞ 0.05，表3)。與無機(jī)肥處理相比，2015 年配施有機(jī)肥處理顯著提高了水稻產(chǎn)量(P＜0.05)。RT+M 處理的平均水稻產(chǎn)量為9.3 t/hm2，較RT 處理顯著提高12%；CT+M 處理的水稻產(chǎn)量平均為9.6 t/hm2，較CT 處理顯著提高13%。

表 3 2014 年和2015 年不同處理的作物產(chǎn)量和吸氮量

Table 3 Rice yields and crop N uptake under different treatments during rice seasons of 2014 and 2015

處理 2014 年 2015 年產(chǎn)量(t/hm2) 吸氮量(kg/hm2) 產(chǎn)量(t/hm2) 吸氮量(kg/hm2)CK 4.88 b 78 c 4.71 c 67 c RT 7.80 a 141 b 8.80 b 141 b CT 7.96 a 148 b 8.99 b 155 b RT+M 8.29 a 155 a 10.4 a 182 a CT+M 8.49 a 159 a 10.7 a 187 a

兩年里，配施有機(jī)肥處理的吸氮量均顯著高于無機(jī)肥處理。RT+M 處理的吸氮量平均值為169 kg/hm2，較RT 處理提高19%；CT+M 處理的吸氮量平均值為173 kg/hm2，較CT 處理提高14%。

3 討論

施入土壤中的無機(jī)氮肥在脲酶的作用下很快發(fā)生水解，之后在硝化作用下產(chǎn)生NO-N，由于NO-N不易被土壤固定，在淹水條件下易隨水分向下滲漏[17]。在同等水分和土壤性質(zhì)條件下，施肥是影響氮素淋失的最重要因素。與無機(jī)肥相比，施用有機(jī)肥有助于降低深層土體的NO-N 淋失[19]。類似地，本研究中配施有機(jī)肥處理NO-N 淋失較無機(jī)肥處理降低了12% ～40%。

由于有機(jī)肥對土壤性質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響過程較為復(fù)雜，有機(jī)肥施用對土壤氮淋失的影響隨有機(jī)肥質(zhì)量和施用量的不同而不同。有研究表明，過量施用有機(jī)肥也可能增加養(yǎng)分淋洗損失[24-25]。例如，高懋芳等[25]認(rèn)為長期大量施用有機(jī)肥會提高稻田土壤氮素水平，容易造成NO-N 在土體中的累積，引發(fā)氮素向深層土體的淋失，且淋失濃度隨著施肥量的增加逐漸提高，威脅著地下水環(huán)境安全。本研究結(jié)果僅反映了配施有機(jī)肥對太湖地區(qū)稻田土壤氮淋失的影響，并且僅從水/土中氮素轉(zhuǎn)化和氮素吸收考慮配施有機(jī)肥對稻田土壤氮素淋失影響機(jī)制還有所欠缺，今后還需進(jìn)一步探討土壤微生物特性與氮素淋失之間的響應(yīng)。

4 結(jié)論