秸稈還田與施肥方式下淮河流域安徽段灰潮土氮素淋失特征

王慧， 高良敏*， 陳曉晴， 龐振東， 楊潔， 張金昕， 童榮榮， 王碩， 石闖， 陳旭東

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 淮南 232001； 2.淮南市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站， 淮南 232001； 3.常州市建筑科學(xué)研究院股份有限公司， 常州 213001)

淋溶損失是土壤中養(yǎng)分流失的主要方式之一[1]，土壤發(fā)生氮淋溶的影響因素包括降雨強(qiáng)度[2-3]、秸稈還田方式[4-6]、施肥方式[7-8]、灌溉方式[9]、耕作方式[10]等?；适亲魑锷L(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)的重要來源[11]，過度施肥產(chǎn)生的過量氮磷于降雨或灌溉條件下，將由徑流、土壤侵蝕及淋溶等途徑到達(dá)環(huán)境中，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染[12-13]，對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生了負(fù)面影響[14]。秸稈還田則是優(yōu)化水土環(huán)境、增長(zhǎng)農(nóng)作物生長(zhǎng)率的常用途徑[15-16]。很多研究學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)氮素淋溶特征方面的研究。有研究顯示，與單施尿素相比，將尿素替換為有機(jī)肥且在施肥時(shí)加入生物炭等能抑制氮素淋失[17]。Angela 等[18]研究顯示農(nóng)田土壤氮素淋失量年均達(dá)到156 kg/hm2；Yang等[19]研究表明，通過在適當(dāng)?shù)纳疃妊诼襁m量的秸稈，可以降低稻麥輪作中氮素的流失等。而前人對(duì)于氮素淋溶流失的研究多集中于單獨(dú)的化肥施用方式或秸稈還田方式，而關(guān)于化肥施用與秸稈還田相結(jié)合的研究較少，對(duì)于農(nóng)田灰潮土的氮素淋失特征更是鮮有報(bào)道。

淮河流域?yàn)橹袊?guó)三大商品糧種植基地及糧食增產(chǎn)計(jì)劃的核心地帶之一，糧食增產(chǎn)的需求及壓力會(huì)導(dǎo)致流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染加重[20]，因此，研究如何合理施肥及有效利用秸稈資源以減少農(nóng)田土壤氮素淋失所導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染具有重要意義。

以室內(nèi)試驗(yàn)槽為平臺(tái)，以淮河流域安徽段農(nóng)田灰潮土為試驗(yàn)用土，通過模擬土壤在降雨下的淋溶過程，綜合研究在不同施肥方式及不同秸稈還田方式下農(nóng)田灰潮土的氮素淋失特征，以期為合理施用化肥及有效實(shí)行秸稈還田提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為減少農(nóng)田灰潮土氮素淋失量及控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)土壤于2020年11月采自安徽省阜陽市阜南縣曹集鎮(zhèn)實(shí)際農(nóng)田(32°31′06″N，115°44′32″E)。分別取0～10、10～20、20～30 cm土層。區(qū)域地處華北平原南端，淮河上中游結(jié)合部北岸，為暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，陽光充裕。平均氣溫15 ℃，年均降雨量為885 mm，夏季降雨量最多，占年降雨量的46%以上。

供試土壤類型為灰潮土，其成土母質(zhì)為近代淮泛沖積物，是上游伏牛山等山脈的花崗巖等巖類在風(fēng)化、沖刷等作用下不斷沉積于淮河及其支流兩側(cè)的湖洼地區(qū)而形成。由于沉積物的歷史短暫，沉積與耕種利用交替進(jìn)行，各種養(yǎng)分消耗快而不易積累。土壤呈中性，平均孔隙度47.93%，平均有機(jī)質(zhì)為17.45 g/kg，平均容重為1.38 g/cm3，初始田間含水率為(8.00±1.50)%，總氮平均含量為0.84 g/kg，顆粒組成以砂粒(0.05～1.00 mm)和粗粉粒(0.01～0.05 mm)為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析測(cè)試

室內(nèi)淋溶實(shí)驗(yàn)采用試驗(yàn)槽模擬自然條件下不同設(shè)置條件氮素淋溶流失情況。試驗(yàn)槽為上方開口的箱體，長(zhǎng)、寬、高分別為80、40、34 cm，具體裝置如圖1所示。箱體底部均勻分布12個(gè)直徑為2 cm的孔，孔上接PVC管，PVC管放入桶中，用于盛接淋濾水樣，箱體底部平鋪尼龍布，防止土壤淋失。

圖1 淋溶裝置圖Fig.1 Leaching device diagram

將所采土樣按相應(yīng)土層順序(0～10、10～20、20～30 cm)依次填充至槽內(nèi)的上層、中層和底層，土壤厚度共為30 cm，參照采樣地區(qū)農(nóng)田平均坡度，將箱體一端墊起，使試驗(yàn)槽傾斜5°放置。試驗(yàn)共設(shè)6種處理：①無秸稈+不施肥(CK);②無秸稈+常規(guī)施肥(SF)；③秸稈破碎填埋10 cm+常規(guī)施肥(JGF)；④秸稈原狀覆蓋+不施肥(JG0)；⑤秸稈破碎填埋10 cm+不施肥(JG10)；⑥秸稈破碎填埋20 cm+不施肥(JG20)。每個(gè)處理重復(fù)三次。其中，常規(guī)施肥方式為復(fù)合肥(N15、P15、K15)+尿素(N46.4)，施肥量為復(fù)合肥750 kg/hm2，尿素150～225 kg/hm2，將肥料撒于土壤表面，與當(dāng)?shù)厥┓史绞奖３忠恢拢唤斩挒樗窘斩?，破碎方式為用剪刀將秸稈剪為長(zhǎng)1 cm左右的小段，填埋密度為0.74 kg/m2。淋溶總量模擬當(dāng)?shù)匾荒杲涤炅?885 mm)，經(jīng)計(jì)算所需水量約為288 L，淋溶試驗(yàn)設(shè)為80 d，隔十天一次，共進(jìn)行9次淋濾，一次淋濾水量為32 L。淋溶試驗(yàn)開始前，向試驗(yàn)槽中加入超純水至土壤達(dá)到飽和后將試驗(yàn)槽在自然條件下放置30 d，讓土壤自然下沉，使其恢復(fù)自然特性，包括達(dá)到自然條件下的土壤容重(經(jīng)測(cè)量，土壤容重為1.36 g/cm3，與野外實(shí)際土壤容重基本一致)。

1.3 分析測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

土壤中各形態(tài)氮累計(jì)淋失量計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：Qi表示第i個(gè)處理的某形態(tài)氮累積淋失量，kg/hm2；ci,j表示第i個(gè)處理第j次實(shí)驗(yàn)下某形態(tài)氮濃度，mg/L；Vi,j表示第i個(gè)處理第j次實(shí)驗(yàn)下淋溶液體積，L；S表示試驗(yàn)槽橫截面積，m2。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2019軟件處理與分析，使用SPSS 25和Origin 2021軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與繪圖，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行不同處理間的差異性檢驗(yàn)，多重比較采用最小顯著差異法(leas-significant difference,LSD)，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素濃度淋失特征

圖2 不同處理下氮素濃度變化曲線Fig.2 Variation curves of nitrogen concentration under different treatments

2.2 氮素累積淋失特征

不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)圖3 不同處理下不同時(shí)期氮素累積淋失量Fig.3 Cumulative leaching loss of nitrogen at different periods under different treatments

2.3 氮素淋溶形態(tài)特征

表1 不同處理下各氮素總淋失量占TN比例Table 1 Proportion of total leaching loss of nitrogen in TN under different treatments

圖4 各氮素淋失過程擬合曲線Fig.4 Fitting curve of nitrogen leaching process

3 結(jié)論

(2)不同時(shí)期下各氮素的累積淋失量均呈顯著性差異(P< 0.05)，不同處理下各形態(tài)氮素累積淋失量均在前期最大。秸稈配施化肥與單施化肥相比，在中后期能夠有效抑制氮素的淋失；不同秸稈還田深度對(duì)氮素前期淋失影響較大。