奶牛養(yǎng)殖廢物還田氮營(yíng)養(yǎng)鹽運(yùn)移規(guī)律研究

美 英，劉玉琦，周 航，田彥鋒，臧 琛，李現(xiàn)華

（1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010000；2內(nèi)蒙古優(yōu)然牧業(yè)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010000；3內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境科學(xué)研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著中國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，2019年奶牛存欄量達(dá)到742萬(wàn)頭[1]。根據(jù)第一次全國(guó)污染普查公報(bào)顯示：規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖糞便產(chǎn)生量約為2.43億t，中國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢水排放量占全國(guó)各類廢水排放總量的41.9%，總氮(TN)占到其排放總量的21.7%，成為水體不可忽視的重要污染源[2]。奶牛養(yǎng)殖是畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的重要支柱，若處理后的養(yǎng)殖污染物不能被充分利用，排放到環(huán)境中對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，使得水體、土壤以及大氣等環(huán)境受到污染，造成農(nóng)田土壤及周邊地下水環(huán)境的污染問(wèn)題，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源[3]。改善畜牧業(yè)養(yǎng)分田間管理，對(duì)于發(fā)揮畜牧業(yè)最大的生產(chǎn)效能，改善環(huán)境衛(wèi)生，提高養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益均具有重要意義[4-6]。

中國(guó)奶牛養(yǎng)殖廢物作為有機(jī)肥料施入農(nóng)田土壤中，以有機(jī)肥逐步替代化肥，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)和循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展目標(biāo)的重要途徑[7-10]，但奶牛糞便具有含大量氮營(yíng)養(yǎng)鹽的特性，施入農(nóng)田土壤中可能導(dǎo)致土壤中氮飽和，使氮素通過(guò)水體徑流、大氣揮發(fā)、硝化-反硝化、滲漏流失等途徑產(chǎn)生損失[11-12]。李宗新等研究了不同施肥田間管理對(duì)玉米土壤氮素淋溶的影響，氮素淋溶損失主要以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮的淋失量隨施氮量的增加而增加[13]。Farneselli[14]、Simonne[15]等試驗(yàn)證明，灌溉施肥有助于實(shí)現(xiàn)氮可用性和作物需求之間更好的匹配，并縮短氮源與根系之間的距離。適量的氮肥施入不僅可以增加作物產(chǎn)量，還可以促進(jìn)氮平衡，從而減輕氮素盈余對(duì)環(huán)境的污染。

由于氮在土壤中的遷移與氣候（降雨、溫度等）、耕作方式、地表覆蓋、土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)等因素密切相關(guān)[16]，目前干旱半干旱地區(qū)石灰性土壤對(duì)規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖廢物中氮營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移規(guī)律及各形態(tài)分布還不太清楚，亟需進(jìn)行土壤、土壤水中各形態(tài)氮含量情況的實(shí)地監(jiān)測(cè)，揭示農(nóng)業(yè)面源污染隨時(shí)間空間的變化規(guī)律。本研究通過(guò)對(duì)規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場(chǎng)氧化塘廢水及發(fā)酵牛糞還田進(jìn)行11種田間管理，研究TN、NO-3-N、NH+4-N在農(nóng)田土壤環(huán)境和農(nóng)田土壤水環(huán)境中的運(yùn)移規(guī)律，為有機(jī)糞肥還田提供科學(xué)依據(jù)和合理建議，為“清潔養(yǎng)殖-畜禽糞便資源化處理-綠色種植”產(chǎn)業(yè)鏈提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018、2019年4—10月在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市土默特左旗哈沙圖村(40.572928°N，111.632565°E)進(jìn)行。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)事漫灌習(xí)慣，田間共設(shè)置了11種不同梯度的有機(jī)肥施肥田間管理，如表1所示。液肥來(lái)源于奶牛養(yǎng)殖廠三級(jí)氧化塘出水，固肥為發(fā)酵堆肥后的牛糞。試驗(yàn)選用玉米青貯1381作為供試作物，供試田為前期無(wú)施肥的空閑土壤，四周設(shè)有保護(hù)種植區(qū)。每種田間管理設(shè)3個(gè)平行，共33個(gè)面積為5.2 m× 5 m=26 m2的小區(qū)，各小區(qū)間隔1 m，區(qū)間鋪設(shè)1 m深的防滲膜，每個(gè)小區(qū)內(nèi)種植8行13列玉米，共104株?；视诿磕暧衩撞シN前一次性施用，追肥肥料于每年作物的大喇叭口期施入試驗(yàn)田。

表1 大田施肥田間管理措施 kg

1.2 采樣方案及測(cè)定方法

（1）土壤樣品采樣點(diǎn)使用五點(diǎn)法確定，于植物成熟收割時(shí)在1 m×1 m的區(qū)域中心處用土鉆鉆取深度為20、40、50、60、80 cm、的土壤樣品，銨態(tài)氮和硝酸鹽采用《土壤氨、氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測(cè)定(HJ 634—2012)》進(jìn)行檢測(cè)，全氮采用《土壤檢測(cè)第24部分：土壤全氮的測(cè)定自動(dòng)定氮儀法(NYT 1121.24—2012)》進(jìn)行檢測(cè)。

（2）土壤水樣品采樣點(diǎn)于每個(gè)小區(qū)第四行和第五行玉米之間，利用土壤水采樣器分別于超過(guò)10 mm降雨后12 h和施肥追肥后12 h內(nèi)采集，氨氮、硝氮、總氮采用SAN++SYSTEM連續(xù)流動(dòng)分析儀（荷蘭Skalar公司）進(jìn)行檢測(cè)。

（3）植物樣品于植物成熟后依次取每個(gè)小區(qū)內(nèi)一到五行玉米的整株植株，其余地上的雜草等植物使用五點(diǎn)法采集，樣品中全氮采用《植株全氮含量測(cè)定(NY/T 2419—2013)》進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 土壤氮平衡

根據(jù)韓瑩[17]、張歡[18]研究結(jié)果，建立農(nóng)田土壤氮平衡模型，如式(1)所示。

式中：Nb為單位面積氮平衡量，g/m2；Ni為氮的輸入量，g/m2；N0為氮的輸出量，g/m2；Nf為肥料施入的氮輸入量，g/m2；Nd為大氣沉降氮輸入量，g/m2；Nbnf為生物固氮氮輸入量，g/m2；Ns為種子氮輸入量，g/m2；Nc為玉米收獲氮輸出量，g/m2；Nv為氨揮發(fā)氮輸出量；g/m2；Nde為反硝化氮輸出量，g/m2；Nl為土壤淋失氮輸出量，g/m2。

呼和浩特地區(qū)為典型的干旱半干旱區(qū)域，雨水降落后很快滲入到農(nóng)田土壤中，因此計(jì)算氮平衡時(shí)忽略徑流產(chǎn)生的氮輸出項(xiàng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮剖面分布情況

試驗(yàn)前，由圖1、2可看出，土壤背景值TN、NH+4-N含量呈現(xiàn)隨著深度的增加而減小的波浪型變化趨勢(shì)，分別于地表下10～20、0～10 cm處含量最高；土壤背景值NO-3-N含量隨著深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，于地表下40～50 cm處含量最高。

第一年施肥后，由圖1可看出，Q100100、Q7575、Q2525和Q00田間管理在土壤深度為60 cm處TN含量低于背景值，這可能是因?yàn)?0～80 cm處為試驗(yàn)田的黏土層，氮素容易在該層進(jìn)行反硝化反應(yīng)，使得該層土壤中TN含量低于背景值；20～30 cm處土壤NO-3-N的含量小于背景值，這是因?yàn)?0～30 cm處土壤正是植物根部主要分布區(qū)域，而NO-3-N是最容易被植物利用吸收的氮素[19]；土壤NH+4-N含量均隨著深度的增加而減??；Q2525田間管理在40～100 cm處土壤NH+4-N含量略低于對(duì)照組Q00田間管理。

圖1 2018年收獲后土壤TN、NO-3-N、NH+4-N剖面分布

2年累計(jì)施肥后，各田間管理土壤中TN、NO-3-N、NH+4-N含量分別是第一年施肥后的1.06～1.44、1.14～2.30、1.2～3.8倍，連續(xù)多年施肥可能會(huì)導(dǎo)致土壤中累積大量的氮素，能夠有效增加土壤銨態(tài)氮的含量，同時(shí)大量的NO-3-N會(huì)產(chǎn)生氮淋洗的風(fēng)險(xiǎn)；由圖2可看出，各層土壤TN含量均高于背景值，并隨著深度的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；土壤NO-3-N含量占TN含量的5.69%；在施肥模式為基肥（液肥）+追肥（液肥）田間管理中NO-3-N含量隨著施加液肥比例增大而增大，其中Q00田間管理各層土壤中硝態(tài)氮的含量小于背景值，出現(xiàn)了土壤NO-3-N虧損的情況；土壤NH+4-N含量占TN含量的0.23%～0.61%；SQ7575田間管理NH+4-N含量較大；Q100100和Q7575田間管理土壤NH+4-N含量在0～60 cm處略低于背景值，說(shuō)明Q100100和Q7575田間管理不利于土壤中NH+4-N的積累。

圖2 2019年收獲后土壤TN、NO-3-N、NH+4-N剖面分布

2.2 土壤水溶液中總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮分布情況

由圖3可知，深度在40 cm處土壤水樣品中NO-3-N的含量高于其余3個(gè)深度，因?yàn)橛衩赘恐饕植荚?0～30 cm處，NO-3-N是植物可直接吸收利用的主要氮素[20]，因此，40 cm處土壤水溶液中含量較高的NO-3-N有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育；18年第二次降雨后土壤溶液中NO-3-N含量最大，這是由于18年三次降雨中第二次降雨量最大，隨著降雨量的增加土壤NO-3-N的浸出量越大[21]。土壤水溶液中NO-3-N含量是TN含量的68%～91%，說(shuō)明NO-3-N是土壤水溶液中氮素的主要形態(tài)。

圖3 施肥和降雨后土壤溶液中NO-3-N含量

由圖4可知，土壤水樣品中TN的含量在40 cm深度處最高，80 cm深度處含量最低。2019年施基肥后土壤水溶液中TN含量最大，這可能是因?yàn)槭┗蕰r(shí)肥料中TN含量最大導(dǎo)致的；土壤水溶液中NH+4-N的含量與深度之間沒(méi)有明顯變化規(guī)律。2019年第一次降雨后土壤水NH+4-N含量最大；SQ7575田間管理五次土壤水溶液中NH+4-N平均含量最小，SQ5075田間管理NH+4-N平均含量最大，為SQ7575田間管理的2.05倍。土壤水溶液中NH+4-N含量TN含量的0.55%～1.71%，這是因?yàn)橥寥滥z體帶負(fù)電，對(duì)帶正電的NH+4-N具有很強(qiáng)的吸附作用，使部分可交換銨態(tài)氮保存在土壤中轉(zhuǎn)變成固定態(tài)銨，暫時(shí)失去其生物有效性，當(dāng)土壤對(duì)NH+4-N的吸附量達(dá)到飽和時(shí)，在入滲水流的作用下，NH+4-N才可能被淋失出土體[22]。

圖4 施肥和降雨后土壤溶液中NH+4-N、TN含量

2.3 不同田間管理對(duì)農(nóng)田土壤氮平衡影響

不同田間管理對(duì)農(nóng)田土壤氮平衡影響如表2所示，計(jì)算方法參照公式(1)，表中生物固氮、大氣沉降、種子、反硝化等數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[23-24]。由表2可知，施肥是農(nóng)田氮輸入的主要來(lái)源，淋失是農(nóng)田土壤主要的氮輸出項(xiàng)目。

表2 連續(xù)2年施肥后土壤氮平衡狀況 mg/m2

SQ5025田間管理植物對(duì)氮的轉(zhuǎn)化率最高；SQ5075田間管理植物TN含量最高、淋失氮損失最大，占施氮量的14.73%；SQ7575田間管理淋失氮損失最小，占施氮量的4.19%；施氮量與淋失量之間沒(méi)有相關(guān)關(guān)系。在施肥模式為液肥+液肥田間管理中，淋失量、植物對(duì)氮素的吸收利用量均隨著施入液肥比例的減少而減少。經(jīng)過(guò)連續(xù)2年施肥后各田間管理氮盈余量為59.2～349.4 mg/m2，平均值為117.6 mg/m2，Q100100田間管理氮盈余量最大，試驗(yàn)對(duì)照組Q00田間管理氮盈余為-36.6 mg/m2，說(shuō)明僅靠生物固氮和大氣沉降作為氮輸入來(lái)源會(huì)造成土壤氮耗竭。

3 結(jié)論

（1）2年田間管理出現(xiàn)了氮素累加情況；不同深度各田間管理土壤TN平均含量隨著深度增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；施氮量與不同田間管理各深度土壤中NO-3-N平均含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

（2）NO-3-N是奶牛養(yǎng)殖廢物還田后土壤水溶液中氮素的主要形態(tài)；降雨量的大小直接影響土壤NO-3-N的浸出量。

（3）施肥是農(nóng)田氮輸入的主要來(lái)源，淋失是農(nóng)田氮輸出的主要項(xiàng)目；僅靠生物固氮和大氣沉降作為氮輸入來(lái)源會(huì)造成土壤的氮耗竭；在施肥模式為液肥+液肥的田間管理中，氮淋失量與液肥施入量成正相關(guān)關(guān)系。

（4）SQ5025田間管理植物對(duì)氮的轉(zhuǎn)化率最高；Q00田間管理措施出現(xiàn)了土壤NO-3-N虧損的情況；Q100100田間管理最易使土壤中氮含量過(guò)剩；SQ5075田間管理最容易產(chǎn)生氮淋失；SQ7575田間管理淋失氮損失最小、更有利于植物的生長(zhǎng)、有益于土壤中氮素的累積。

4 討論

經(jīng)過(guò)2年試驗(yàn)，農(nóng)田土壤中氮素含量總體呈現(xiàn)出隨著深度增加而逐漸降低的趨勢(shì)，僅施加液肥會(huì)增大農(nóng)田土壤氮素淋洗的風(fēng)險(xiǎn)，施加固液耦合肥更有利于農(nóng)田土壤中氮素的積累。氮素的積累與施氮量成正比關(guān)系，為保證農(nóng)田土壤氮營(yíng)養(yǎng)鹽充足，滿足植物、微生物等生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氮素的需求，需要施肥等措施對(duì)農(nóng)田土壤外加氮素。但農(nóng)耕區(qū)過(guò)多使用氮肥，其中約有12.5%～45%的氮從土壤中流失并污染地下水[25]，因此優(yōu)化施肥模式，按需進(jìn)行田間管理具有重要意義。試驗(yàn)田土壤中TN平均含氮量高于土壤水溶液中TN平均含氮量，11種田間管理各深度土壤中平均含量均高于背景值，SQ7575田間管理土壤TN平均含量最大，是對(duì)照組Q00的1.55倍，說(shuō)明SQ7575田間管理更有益于土壤中氮素的累積。

土壤中NO-3-N平均含量與施氮量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.681，這與Liu[26]等的研究結(jié)果一致。如表3所示，土壤水溶液中NO-3-N平均含量是土壤中NO-3-N平均含量的2.8～7.6倍。此外，NO-3-N為土壤水溶液中氮素的主要形態(tài)，也是進(jìn)入地下水最頻繁的污染物質(zhì)[27]。位于試驗(yàn)田土壤深度為50～80 cm處的黏土層，具有極易儲(chǔ)存水分而造成水淹環(huán)境的特點(diǎn)，降低了NO-3-N持續(xù)下移污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)，但當(dāng)累計(jì)施肥，氮素含量增大后，黏土層對(duì)NO-3-N的作用效果還需要進(jìn)一步研究。在11種田間管理中，Q100100田間管理土壤中NO-3-N平均含量最大，為對(duì)照組Q00的5.18倍，SQ5075田間管理土壤水溶液中TN、NO-3-N平均含量均最大，這兩種田間管理增大了硝態(tài)氮淋洗的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有益于土壤中硝態(tài)氮的累積，適用于管理喜硝作物種植，例如煙草[28]。

表3 不同田間管理各深度TN、NO-3-N和NH+4-N含量平均值

土壤及土壤水溶液中NH+4-N含量相對(duì)NO-3-N含量較少，NH+4-N在發(fā)生陽(yáng)離子交換時(shí)易被土壤膠體吸附，在土壤中對(duì)于硝態(tài)氮的移動(dòng)較小[29]，容易滯留在農(nóng)田土壤淺層中。表2中氮損失的主要部分為氨的揮發(fā)，中國(guó)農(nóng)田氮肥損失中氨揮發(fā)約為11%，在有利于氨揮發(fā)的條件下，損失率更可高達(dá)40%～50%[23]，大量的氨氣對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的空氣、水體、土壤以及當(dāng)?shù)胤N植人員的健康會(huì)造成不良影響。同時(shí)，氨也是一種溫室氣體，氨氣的氧化是大氣中氮氧化物的一個(gè)潛在源，因此，氨導(dǎo)致的溫室效應(yīng)也不容忽視[30]。