養(yǎng)殖肥液不同灌溉強(qiáng)度下硝化-脲酶抑制劑-生物炭聯(lián)合阻控氮淋溶的研究

楊涵博，羅艷麗，趙迪，賴睿特，張克強(qiáng)，梁軍鋒，沈豐菊，王風(fēng)*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830000）

隨著“種養(yǎng)結(jié)合”養(yǎng)分循環(huán)利用技術(shù)的發(fā)展，養(yǎng)殖糞便和肥液在種植業(yè)得以廣泛應(yīng)用。養(yǎng)殖肥液是畜禽糞污在厭氧微生物的作用下厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣后的液態(tài)副產(chǎn)品[1]，成分復(fù)雜，除了含有大量速效氮磷養(yǎng)分，還含有部分有機(jī)氮磷，以及微生物和植物所需的微量元素和生長(zhǎng)素[2]。研究表明施用養(yǎng)殖肥液可以提高作物產(chǎn)量[3]、改良土壤性質(zhì)、提高土壤肥力[4]。但長(zhǎng)期慣性地片面追求高產(chǎn)和“大水大肥”的管理模式造成了氮磷養(yǎng)分大量淋失，特別是設(shè)施蔬菜集中生產(chǎn)區(qū)域，地下水污染風(fēng)險(xiǎn)加劇[5-6]。研究表明，在灌溉作用下有30%～50% 的氮素通過(guò)淋溶的形式損失[7]。灌溉方式及強(qiáng)度、施肥類型用量及方式、種植模式等會(huì)直接影響氮素淋失[8]，硝化抑制劑[9-10]、脲酶抑制劑[11-12]和生物炭[13]也能阻控氮素淋失。硝化抑制劑可以通過(guò)抑制氨氧化細(xì)菌和亞硝酸氧化細(xì)菌等微生物活性來(lái)減緩NH+4-N向NO-3-N的轉(zhuǎn)化[14]；脲酶抑制劑主要是對(duì)土壤脲酶活性產(chǎn)生抑制作用，減緩氮素的轉(zhuǎn)化；生物炭由于自身比表面積大、吸附性能好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可以吸附NH+4-N[15]、硝酸鹽[16]等。硝化抑制劑、脲酶抑制劑和生物炭是在化肥施用條件下表現(xiàn)出了較好的抑制效果。

與傳統(tǒng)單一養(yǎng)分形態(tài)的化肥相比，養(yǎng)殖肥液中氮素形態(tài)包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機(jī)氮，各種形態(tài)氮素含量組成可能隨工程運(yùn)行而發(fā)生變化，因此比化肥養(yǎng)分形態(tài)、組成及含量復(fù)雜。氮素淋失也是養(yǎng)殖肥水農(nóng)田利用過(guò)程直接面對(duì)的問(wèn)題。課題組前期嘗試了配施硝化抑制劑[17]、硝化-脲酶抑制劑[18]、硝化-脲酶抑制劑-生物炭等[18]技術(shù)措施，發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)殖肥液滴灌和漫灌方式下對(duì)阻控氮素淋失效果顯著，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮淋失量分別比單施養(yǎng)殖肥液降低24.9%～27.2%、27.6%～35.7%、21.1%～45.9%，以上結(jié)論均在相同養(yǎng)殖肥水灌溉濃度和灌溉定額條件下獲得的。為了探求優(yōu)化的淋溶阻控技術(shù)在相同氮素輸入形態(tài)和數(shù)量條件下對(duì)不同灌溉強(qiáng)度的適應(yīng)性，以確定該技術(shù)模式的應(yīng)用前景，本試驗(yàn)通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)研究不同灌溉強(qiáng)度的養(yǎng)殖肥液對(duì)配施硝化-脲酶抑制劑-生物炭的土壤氮素淋失特征和阻控效果，為養(yǎng)殖肥液的科學(xué)合理還田提供技術(shù)措施。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土壤：取自天津市寧河區(qū)設(shè)施蔬菜大棚0～20 cm表層土壤，土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。新鮮土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，揀出作物殘根及石塊，過(guò)2 mm篩后混勻，備用。

養(yǎng)殖肥液：取自天津市益利來(lái)養(yǎng)殖有限公司常年運(yùn)轉(zhuǎn)的塞流式厭氧反應(yīng)器，原料為豬場(chǎng)糞污，養(yǎng)殖肥液pH 值7.91，NH+4-N 濃度395.1 mg·L-1，NO-3-N 濃度0.1 mg·L-1，TN濃度499.4 mg·L-1。

硝化抑制劑：2-氯-6-（三氯甲基）吡啶簡(jiǎn)稱為Nitrapyrin，生產(chǎn)廠家為浙江奧復(fù)托有限公司，24% 乳油劑型，純度98%。

脲酶抑制劑：N-丁基硫代磷酰三胺簡(jiǎn)稱NBPT，生產(chǎn)廠家為上海源葉生物科技有限公司，分析純，97%。

生物炭：以秸稈作為原料在800 ℃高溫下燒制4 h制備而成，生產(chǎn)廠家為科力澤華（北京）科技有限公司。

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有處理均按照1.28 g·cm-3的自然土壤容重填裝至長(zhǎng)25 cm、內(nèi)徑10 cm 的PVC 管裝置中，填裝時(shí)在管內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林減小邊緣效應(yīng)。將風(fēng)干過(guò)篩的土樣分兩層依次填裝壓實(shí)[19-20]，約20 cm 高，管內(nèi)上部空間用于灌溉。其中添加抑制劑的處理將Nitrapyrin、NBPT 分別按照設(shè)計(jì)添加量溶水后與土壤均勻噴施混合后一并填裝，添加生物炭的處理先將生物炭研磨過(guò)2 mm篩后與0～10 cm土壤混合均勻后填裝到裝置中。試驗(yàn)共6個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理抑制劑類型用量、肥液灌溉量及灌水定額見(jiàn)表2。除CK處理外，其他處理養(yǎng)殖肥液灌溉帶入的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮量均相同，分別為250、0.06、300 kg·hm-2。

1.2.2 淋溶模擬試驗(yàn)

淋溶模擬試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所溫室進(jìn)行，從2019年12月開(kāi)始至2020年1月結(jié)束，試驗(yàn)過(guò)程日間和夜間平均溫度分別為4 ℃和-3 ℃。土壤填裝完成后，先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，連續(xù)澆灌200 mL 去離子水3 d，使土壤達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，減少裝填造成的差異。48 h 后開(kāi)始第一次灌溉，按照表2 灌施相應(yīng)肥液或去離子水，收集淋溶液，每間隔3 d進(jìn)行一次灌溉，共5 個(gè)周期[17]。每次收集完淋溶液帶回實(shí)驗(yàn)室立即測(cè)定NH+4-N 和NO-3-N 濃度，試驗(yàn)結(jié)束后將土壤按照0～10 cm 和10～20 cm 兩層取出后浸提，分別測(cè)定土壤NH+4-N、NO-3-N含量。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

基礎(chǔ)土壤樣品pH用Mettler Toledo實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)定（水土比為5∶1），含水量用烘干法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定，土壤TN、NH+4-N、NO-3-N 含量采用全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀（FIA-6000+）測(cè)定[21]。

淋溶液TN 濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH+4-N 濃度用納氏試劑法，NO-3-N 濃度用紫 外 分 光 光 度 法 ，pH 用Mettler Toledo 實(shí) 驗(yàn) 室pH 計(jì)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2013 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。處理間差異顯著性采用單因素方差分析法（One-way ANOVA），顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋溶液體積變化特征

養(yǎng)殖肥液不同灌溉強(qiáng)度土壤淋溶液體積見(jiàn)圖1?？傮w來(lái)看，相同處理下單次灌溉收集的淋溶液體積變化不明顯。處理間淋溶液體積呈現(xiàn)F4＞F3＞F2＞F1、F、CK 趨勢(shì)，F(xiàn)4 處理平均比F3、F2 和CK 增加47.2、76.7 mL 和110.7 mL，處理間差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），淋溶液體積直接受灌水定額的影響；在前3 次灌溉過(guò)程中灌溉量相同的處理（F1、F、CK）淋溶液體沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）。

2.2 淋溶液NH+4-N濃度和累積淋失量變化特征

養(yǎng)殖肥液不同灌溉強(qiáng)度土壤淋溶液NH+4-N 濃度如圖2（a）。隨著灌溉次數(shù)的增加各處理淋溶液NH+4-N濃度先逐漸升高，至第3 次灌溉時(shí)均達(dá)到最大，隨后逐漸降低。同次灌溉淋溶液NH+4-N濃度總體呈現(xiàn)CK最低，濃度范圍為0.05～0.28 mg·L-1，F(xiàn)處理最高，濃度范圍為0.31～0.74 mg·L-1。硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術(shù)處理居中，并且隨灌溉強(qiáng)度增加淋溶液NH+4-N 濃度有所降低，F(xiàn)2、F3 和F4 處理比F1 處理NH+4-N 濃度平均減少了9.2%、24.7%、28.9%，與灌溉水氮素濃度直接相關(guān)。F1 比F 處理淋溶液NH+4-N 濃度平均減少了25.3%。處理間淋溶液NH+4-N 濃度差異隨灌溉次數(shù)增加差距縮小。不同灌溉強(qiáng)度淋溶液NH+4-N 累積淋失量如圖2（b）。隨灌溉次數(shù)增加各處理NH+4-N 累積淋失量逐漸增加。各處理NH+4-N 淋失量呈現(xiàn)F4＞F＞F3＞F2＞F1＞CK，F(xiàn)2 和F3 處理雖然比F增加30% 和60% 的灌水量，但灌溉結(jié)束后NH+4-N 累積淋失量比F處理降低13.3%和5.5%。5次灌溉結(jié)束之后F1 處理NH+4-N 累積淋失量比F 處理降低了34.5%，沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）。

圖1 淋溶液的體積變化Figure 1 Leaching solution volume

2.3 淋溶液NO-3-N濃度變化特征

養(yǎng)殖肥液不同灌溉強(qiáng)度土壤淋溶液NO-3-N 濃度見(jiàn)圖3（a）。隨灌溉次數(shù)增加各處理淋溶液NO-3-N 濃度逐漸降低至平穩(wěn)。同次灌溉F 處理淋溶液NO-3-N濃度最高，與其他處理相比差異顯著（P＜0.05）；CK 處理濃度最低；硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術(shù)處理居中，并且隨灌溉強(qiáng)度增加淋溶液NO-3-N 濃度略有降低，如F4 處理分別比F1 處理下降了0.41～1.93 mg·L-1，且在前幾次灌溉中差異顯著（P＜0.05）。處理間淋溶液NO-3-N 濃度差異隨灌溉次數(shù)增加差距縮小。不同灌溉強(qiáng)度土壤淋溶液NO-3-N 累積淋失量見(jiàn)圖3（b）。各處理NO-3-N 累積淋失量隨灌溉次數(shù)增加逐漸升高，呈現(xiàn)F＞F4、F3、F2、F1＞CK 的趨勢(shì)，處理間差異顯著（P＜0.05）。5次灌溉結(jié)束之后F1處理NO-3-N累積淋失量比F 處理顯著降低了61%（P＜0.05）；F2、F3 和F4 處理雖然比F 增加30%、60% 和100% 的灌水量，但NO-3-N累積淋失量比F處理顯著降低了59.3%、55.1% 和46.6%（P＜0.05）。隨灌溉強(qiáng)度增加NO-3-N 累積淋失風(fēng)險(xiǎn)增大，阻控技術(shù)明顯抑制淋溶液NO-3-N淋失，并且在灌水強(qiáng)度加倍的條件下效果仍然顯著。

2.4 淋溶液TN濃度變化特征

養(yǎng)殖肥液不同灌溉強(qiáng)度土壤淋溶液TN濃度見(jiàn)圖4（a）。隨著灌溉次數(shù)增加各處理淋溶液TN濃度逐漸降低至平穩(wěn)；同次灌溉呈現(xiàn)CK 處理TN 濃度最低、F處理最高，硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術(shù)處理居中，且隨灌溉強(qiáng)度增加淋溶液TN 濃度下降，F(xiàn)2、F3和F4 處理TN 濃度比F1 處理平均減少了19.8%、33.2%和39.4%；與F相比F1處理TN濃度平均減少了38.2%；處理間淋溶液TN 濃度差異隨灌溉次數(shù)增加差距縮小。不同灌溉強(qiáng)度土壤TN 累積淋失量見(jiàn)圖4（b）。各處理TN 累積淋失量隨灌溉次數(shù)增加逐漸升高，呈現(xiàn)F＞硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術(shù)處理＞CK的趨勢(shì)，處理間差異顯著（P＜0.05）。5次灌溉結(jié)束之后F1 處理TN 累積淋失量比F 處理顯著降低了38.6%（P＜0.05）；F2、F3 和F4 處理雖然比F 增加30%、60% 和100% 的灌水量，但TN 累積淋失量比F 處理顯著降低了31.7%、27.1%和15.4%（P＜0.05）。隨灌溉強(qiáng)度增加TN 累積淋失風(fēng)險(xiǎn)增大，阻控技術(shù)明顯抑制淋溶液TN 淋失，并且在灌水強(qiáng)度加倍的條件下效果仍然顯著（P＜0.05）。

圖3 淋溶液NO-3-N濃度和累積淋失量Figure 3 Concentration of NO-3-N and cumulative leaching loss

2.5 土壤中NH+4-N、NO-3-N的含量

3 討論

3.1 養(yǎng)殖肥液對(duì)土壤氮素淋失的影響

養(yǎng)殖肥液作為水肥資源雖有利于增加土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，但也提高了土壤氮素淋失的風(fēng)險(xiǎn)。養(yǎng)殖肥液中氮素以銨態(tài)氮為主[22]，進(jìn)入土壤后經(jīng)硝化作用被氨氧化細(xì)菌和硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，土壤膠體負(fù)電荷對(duì)NO-3的吸附作用弱而難以在土壤中固定[23]，在灌溉時(shí)硝態(tài)氮易隨灌溉水向下移動(dòng)，成為氮素淋失的主要形態(tài)。隨著灌溉進(jìn)行淋溶液硝態(tài)氮濃度越來(lái)越低，可能因?yàn)橥寥莱掷m(xù)飽和灌溉導(dǎo)致土壤氧化還原電位持續(xù)降低有關(guān)，前期的試驗(yàn)結(jié)果也得到了驗(yàn)證[17]。此外發(fā)現(xiàn)本次試驗(yàn)中硝態(tài)氮濃度整體較低，可能是由于本次試驗(yàn)環(huán)境溫度低造成的，之前幾次試驗(yàn)在夏秋季，本次試驗(yàn)在冬季，氣溫比夏季平均降低24 ℃。有研究表明溫度降低和土壤濕度持續(xù)增加會(huì)減弱土壤硝化作用[24-25]。而NH+4易被土壤顆粒吸附固定到土壤中，但是隨著養(yǎng)殖肥液灌溉的進(jìn)行，養(yǎng)殖肥液本身含有的銨態(tài)氮和生成的銨態(tài)氮使土壤中NH+4逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，會(huì)使多余的銨態(tài)氮向下淋失，所以銨態(tài)氮的濃度會(huì)在第3次灌溉時(shí)出現(xiàn)最大值（圖2），隨著灌溉的持續(xù)進(jìn)行導(dǎo)致土壤孔隙度增加，對(duì)NH+4-N 的吸附增大，所以NH+4-N 濃度略有下降。淋溶液中硝態(tài)氮濃度大于銨態(tài)氮濃度，說(shuō)明淋失主要以硝態(tài)氮為主，所以總氮的變化趨勢(shì)與硝態(tài)氮類似（圖3、圖4）。

3.2 硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術(shù)對(duì)土壤氮素淋失的影響

圖4 淋溶液TN濃度和累積淋失量Figure 4 Concentration of TN and cumulative leaching loss

圖5 土壤中NH+4-N、NO-3-N的含量Figure 5 The content of NH+4-N and NO-3-N in soil

3.3 不同灌溉強(qiáng)度對(duì)土壤氮素淋失的影響

土壤氮素淋失量由淋溶液的濃度和體積共同決定。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在相同養(yǎng)殖肥液添加量前提下，隨著灌溉強(qiáng)度增加土壤淋溶液-N、TN 濃度降低，但淋溶液體積增大，導(dǎo)致淋失量增加，即灌溉強(qiáng)度越大淋溶液-N、TN 淋失量越大，土壤中-N 含量越低，增加了氮素淋失的風(fēng)險(xiǎn)，眾多研究在化肥施用和清水灌溉條件下得到類似的結(jié)論[30-31]。

本試驗(yàn)應(yīng)用了硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術(shù)，即使在養(yǎng)殖肥液灌溉強(qiáng)度翻倍的條件下硝態(tài)氮和總氮的累積淋失量仍低于單施養(yǎng)殖肥液處理（F），說(shuō)明硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術(shù)在較大灌水強(qiáng)度時(shí)仍然對(duì)氮素淋失阻控有效。唐珧[30]以尿素為氮肥得到了類似結(jié)論，在施氮量相同、灌水量不同（200 mL 和400 mL）的條件下，添加硝化抑制劑雙氰胺和生物炭的處理硝態(tài)氮淋失量最小，抑制硝態(tài)氮淋失效果較好。一方面是因?yàn)橄趸种苿┖碗迕敢种苿?duì)氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程起到了抑制作用，另一方面是因?yàn)樯锾勘旧砜紫遁^大，有一定的吸水性，生物炭的加入增加了土壤的持水能力[32]，減少了淋溶液體積，從而減少了氮素的淋失量。

4 結(jié)論

（2）同一灌溉強(qiáng)度下，添加Nitrapyrin+NBPT+Biochar 使淋溶液中、TN 濃度降低了25.3%、53.6%、38.2%；N、TN 累積淋失量減少了34.5%、61%、38.6%；0～10 cm 土壤中NH+4-N、增加了76.89、0.15 mg·kg-1。

（3）不同灌溉強(qiáng)度下，添加Nitrapyrin+NBPT+Biochar 處理NH+4-N、NO-3-N、TN 累積淋失量隨灌溉強(qiáng)度的增大而增大，養(yǎng)殖肥液灌溉強(qiáng)度的增加會(huì)影響優(yōu)化組合模式的抑制效果。但是在本試驗(yàn)中增加30%、60% 和100% 的灌水量后對(duì)NO-3-N、TN 的淋失仍然有抑制效果，NO-3-N 累積淋失量分別減少了59.3%、55.1%、46.6%，TN 累積淋失量分別減少了31.7%、27.1%、15.4%。