季銨鹽改性秸稈阻控養(yǎng)殖肥液灌溉土壤氮淋失

張理勝，趙迪，薄錄吉，張克強，王風*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；2.山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟南 250100）

氮素是設(shè)施蔬菜生長所必需的營養(yǎng)元素之一，蔬菜種植過程常因大水大肥的生產(chǎn)方式而導致大量氮素通過淋溶進入地下水體，從而造成環(huán)境污染[1-2]。有效阻控種植過程中氮淋失，成為推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展亟需解決的突出問題[3-4]。

第二次污染源普查結(jié)果顯示，我國每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈8.05億t，除被用于制漿造紙、制作飼料外[5]，仍有大量秸稈被閑置浪費或燃燒。為促進秸稈資源化利用，實現(xiàn)“以廢治廢”的目標，將其用于水體陰離子的脫除是一種良好的途徑。但秸稈存在缺乏功能位點和吸附性能低的問題，通過改性可明顯提升其吸附性能[6-8]，改性秸稈吸附水體陰離子的機制主要是靜電吸引和離子交換作用。通過改性的方式不僅可以脫除水體中的陰離子，而且可同時回收有價值的元素。其中，季銨鹽改性方法由于吸附效率高、性能好等優(yōu)點而成為研究熱點，如WANG 等[9]用季銨鹽改性秸稈吸附廢水中的硝態(tài)氮，去除率高達82.4%；FAN等[10]以玉米秸稈為原料制備季銨鹽改性秸稈，試驗結(jié)果表明其對水體中硝態(tài)氮的最大吸附量達60.1 mg·g-1；張濤[11]的研究發(fā)現(xiàn)，在有其他陰離子干擾的情況下，改性秸稈對水體硝態(tài)氮仍有較好的吸附效果，吸附量可達51.7 mg·g-1；王林[12]的研究表明，pH在2～11范圍內(nèi)時，改性秸稈對硝態(tài)氮的吸附效果變化較小。以上研究均表明季銨鹽改性秸稈作為陰離子吸附劑，對水體硝態(tài)氮具有良好的吸附效果。但是，將其用于阻控土壤氮素損失的研究還鮮有報道。

養(yǎng)殖肥液因肥效高、易吸收等優(yōu)點而被廣泛用于蔬菜和大田作物[13]。養(yǎng)殖肥液施用后可通過硝化作用，使大量的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮向下遷移到土壤深層后就很難被作物利用[14-16]。阻控養(yǎng)殖肥液施用過程中的氮素損失十分重要。本研究通過溫室內(nèi)土柱淋溶模擬試驗，探究季銨鹽改性秸稈施用量和施用方式對養(yǎng)殖肥液灌溉后土壤氮素淋失的影響，以為高效阻控土壤硝態(tài)氮淋溶，促進養(yǎng)殖肥液安全利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

1.1.1 供試土壤及養(yǎng)殖肥液

供試土壤取自天津市東麗區(qū)大畢莊作物耕作0～20 cm土壤，土壤質(zhì)地為壤土。新鮮土樣經(jīng)自然風干，挑揀出肉眼可見的作物根莖及石塊，過2 mm 篩，混勻風干后備用。供試土壤基本理化性質(zhì)：pH 7.71、總氮（TN）含量為1.40 g·kg-1、硝態(tài)氮（NO-3-N）含量為3.01 mg·kg-1、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量為8.00 mg·kg-1、有機質(zhì)含量為24.35 g·kg-1。養(yǎng)殖肥液取自天津市益利來養(yǎng)殖有限公司常年運轉(zhuǎn)的塞流式厭氧反應(yīng)器，原料為豬糞。養(yǎng)殖肥液pH 7.92，TN 濃度為533.26 mg·L-1，NH+4-N 濃度為360.74 mg·L-1，NO-3-N 濃度為2.21 mg·L-1。

1.1.2 改性秸稈的制備

季銨鹽改性秸稈由山東省農(nóng)業(yè)科學院提供，制備過程如下：將8 g 秸稈分散于80 mL 乙醇中，依次加入6.0 mL 濃度為2%的NaOH 溶液和16.0 g 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨，將混合物于45 ℃水浴攪拌3 h，并將體系pH 調(diào)至中性（用冰醋酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液初始pH 值），抽濾，依次用甲醇和乙醇充分洗滌樣品，并于60 ℃烘干至恒質(zhì)量。

1.1.3 試驗裝置

土柱淋溶模擬裝置為PVC 材質(zhì)，內(nèi)徑為19 cm，高度為30 cm。試驗前在柱體內(nèi)壁涂抹一層凡士林以減少邊緣效應(yīng)，將改性秸稈與土樣按比例混合均勻填充至土柱中，土壤質(zhì)量約為7 kg，容重1.26 g·cm-3，裝好的土柱置于穩(wěn)定的鋼架上與地面保持垂直。柱體底部鋪設(shè)100目尼龍網(wǎng)及2 cm厚的石英砂，以防止底層土的流失，柱體出水管中塞滿脫脂棉花，以深度過濾水樣。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)6 個處理。處理1：養(yǎng)殖肥液（CK）；處理2：養(yǎng)殖肥液+1%改性秸稈，上部混合施用（0～10 cm，1%US）；處理3：養(yǎng)殖肥液+2%改性秸稈，上部混合施用（0～10 cm，2%US）；處理4：養(yǎng)殖肥液+4%改性秸稈，上部混合施用（0～10 cm，4%US）；處理5：養(yǎng)殖肥液+4%改性秸稈，全土層混合施用（0～20 cm，4%HS）；處理6：養(yǎng)殖肥液+4%改性秸稈，隔層施用（10 cm 隔層，4%GS）。每個處理設(shè)3 次重復，共18 個土柱。每隔3 d施用養(yǎng)殖肥液300 mL，共施用5次，施氮總量為300 kg·hm-2。

1.2.2 淋溶模擬試驗

試驗于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所溫室內(nèi)進行，試驗前土柱每日加去離子水800 mL 連續(xù)淋洗3 d，以減少由于裝土過程所造成的差異。之后每隔3 d 施用養(yǎng)殖肥液1 次，共施用5 次。隨后收集淋溶液，帶回實驗室立即進行各項指標的測定。施用試驗結(jié)束后，將土柱中的土壤按照0～10 cm 和10～20 cm 分層取樣，密封冰箱保鮮保存。

1.2.3 測定指標及方法

土壤pH 用pH 計測定（水土比為5∶1），含水量用烘干法測定，NH+4-N 和NO-3-N 含量用KCl 浸提-比色法測定[17]，養(yǎng)殖肥液及淋溶液TN 濃度采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法測定，NH+4-N 濃度采用全自動流動注射分析儀（FIA-6000+）測定；NO-3-N 濃度采用紫外分光光度法測定[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010、Origin 2017 和SPSS 19.0 軟件進行處理和統(tǒng)計分析。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TN濃度變化特征

季銨鹽改性秸稈施用下土壤淋溶液TN濃度變化特征如圖1 所示，各處理TN 濃度呈現(xiàn)CK＞1%US＞2%US＞4%HS＞4%GS＞4%US 的趨勢。隨灌溉次數(shù)的增加，各處理淋溶液TN 濃度逐漸降低，至第3 次或第4 次灌溉時濃度達到最低值，第5 次灌溉時濃度有所上升。施加季銨鹽改性秸稈處理淋溶液中TN濃度均顯著低于CK 處理（P＜0.05），與CK 處理相比，1%US、2%US 和4%US 處理淋溶液TN 濃度分別降低了14.7%、43.9%和76.3%，改性秸稈施加量越多，TN 淋失阻控效果越好。改性秸稈施加量相同的條件下，5次灌溉過程HS、GS 和US 處理相對于CK 處理的TN濃度減少了60.5%、63.9%和76.3%，3個處理間的差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 淋溶液NO-3-N濃度變化特征

2.3 淋溶液有機氮濃度變化特征

季銨鹽改性秸稈施用下土壤淋溶液有機氮濃度變化特征如圖3 所示。各處理土壤淋溶液有機氮濃度均呈先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢，對淋溶液有機氮的阻控效果大小順序為4%US＞4%GS＞4%HS＞2%US＞1%US。第1 次灌溉使有機氮濃度顯著降低，其中4%US處理有機氮濃度比其他兩個施加量（1%和2%）更低，不同施加方式中4%US、4%GS 和4%HS 處理較CK 處理分別顯著降低了75.4%、51.1%和34.4%（P＜0.05）。后4次灌溉過程中秸稈各處理與CK處理均無顯著差異（P＞0.05）。

2.4 氮素累積淋溶量

季銨鹽改性秸稈施用下淋溶液氮素累積淋失量如表1 所示，不同處理TN 淋失量為19.4～91.2 kg·hm-2，是施氮量的6.4%～30.3%。與CK 處理相比，1%US、2%US、4%US、4%HS 和4%GS 處理TN 累積淋失量分別降低了13.9%、47.1%、78.7%、77.9% 和78.5%，除1%US 處理外，其余處理均達到顯著水平；NO-3-N 累積淋失量分別顯著降低15.7%、51.8%、83.2%、83.1%和82.5%（P＜0.05）。TN 和NO-3-N 累積淋失量變化趨勢基本一致，均隨秸稈施加量的增加而降低。不同施加量及不同施加方式秸稈處理中NH+4-N 累積淋失量變化較小，均與CK 處理間差異不顯著（P＞0.05）。有機氮累積淋失量隨秸稈施加量的增加而降低，施用4%的季銨鹽改性秸稈能顯著降低其累積淋失量（P＜0.05），降幅達57.6%，不同施加方式下累積淋失量差異不顯著（P＞0.05）。

表1 各處理土壤淋溶液氮素累積淋失量（kg·hm-2）Table 1 The nitrogen accumulation in the leaching water（kg·hm-2）

2.5 土壤NO-3-N含量

2.6 土壤NH+4-N含量

4%US 處理與CK 處理相比，NH+4-N 含量顯著增加了505.4%（P＜0.05），其他處理與CK 處理相比雖然NH+4-N 含量有所增加，但處理間差異不顯著。10～20 cm 土層中，4%GS 處理NH+4-N 含量最高，與其他處理之間存在顯著差異（P＜0.05），其他各處理呈現(xiàn)4%US＞2%US＞CK＞1%US＞4%HS 的趨勢，但各處理之間差異不顯著。

3 討論

3.1 季銨鹽改性秸稈不同施加量和施用方式對淋溶液氮素濃度以及累積淋失量的影響

3.2 季銨鹽改性秸稈不同施加量和施加方式對土壤NO-3-N和NH+4-N含量的影響

4 結(jié)論

（1）季銨鹽改性秸稈對總氮淋失的阻控效率達13.9%～78.7%，且隨秸稈添加量的增加而升高，施加4%季銨鹽改性秸稈最有利于養(yǎng)殖肥液灌溉土壤氮素淋溶阻控。

（2）施加季銨鹽改性秸稈后，土壤NO-3-N 含量降低，秸稈的施用能夠有效降低NO-3-N淋溶。

（3）養(yǎng)殖肥液灌溉后氮素淋失以NO-3-N 為主，約占氮素總淋失量的70%。