宁夏引黄灌区猪粪还田对稻作土壤硝态氮淋失的影响

杨世琦，王永生，谢晓军，韩瑞芸，杨正礼,*

(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,农业清洁流域团队，北京 100081；2. 农业部农业环境与气候变化重点开放实验室，北京 100081；3. 中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室，CERN综合研究中心, 北京 100101；4. 西北农林科技大学林学院， 杨凌 712100)

宁夏引黄灌区猪粪还田对稻作土壤硝态氮淋失的影响

杨世琦1,2，王永生3，谢晓军4，韩瑞芸1,2，杨正礼1,2,*

(1. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,农业清洁流域团队，北京 100081；2. 农业部农业环境与气候变化重点开放实验室，北京 100081；3. 中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室，CERN综合研究中心, 北京 100101；4. 西北农林科技大学林学院， 杨凌 712100)

以宁夏引黄灌区稻田为例，探索猪粪还田条件下稻田土壤硝态氮淋失规律。试验设置3个处理：常规施肥300 kg纯 N kg/hm2(CK)、常规施肥条件下施用4500kg/hm2(T1)和9000 kg/hm2(T2)猪粪。利用树脂芯法吸附稻田30cm、60cm和90cm土层的硝态氮流失量。结果表明：在常规施肥的基础上增施猪粪，可以减少稻田生育期内60cm与90cm处土壤硝态氮淋失量，与CK相比，T1、T2在两个土层处淋失量的减少比例分别为4.93%、13.92%与7.48%、13.77%。同一土层不同处理之间差异显著性比较看(P<0.05)，30cm 处T1、T2与CK相比没有达到显著性差异；60cm处，T1与CK未达到显著差异，T2与CK达到显著差异；90cm处，T1、T2与CK相比达到显著差异；60cm和90cm土层处的T2与T1之间均达到显著差异。T1和T2在30cm处的淋失量高于CK，但增加不明显，处理之间以及处理与对照相比差异不显著。稻田生育期内不同土层硝态氮淋失量在13.61—17.77 kg/hm2(纯N)。硝态氮淋失集中在插秧至分蘖期(5月中旬—6月下旬)，该阶段的硝态氮淋失量占生育期内总淋失量的61.62%—72.84%；后期淋失量明显减少。处理T1、T2的水稻产量增产率分别为15.86%与12.85%。由此可见，在引黄灌区稻田，一定数量的猪粪还田，不仅能够减少土壤硝态氮向深层淋失，防控地下水污染，还有利于水稻增产。

宁夏引黄灌区；猪粪还田；硝态氮；淋失；树脂芯

多数研究结果表明施用有机肥能够控制和减少硝态氮淋失，也有相反结论报道。土壤无机氮的垂直分布特征主要受制于土壤有机质的分布影响，表层土壤的有机质含量丰富，大约80%—97%的氮存在于有机质中，剖面下层土壤的有机质含量低，无机氮含量就较低[3]。有机肥施用可有效地控制土壤硝态氮的淋洗深度,有机农业土壤具有较高的反硝化效率和土壤微生物活性，化肥处理的年硝态氮流失是有机肥4.4—5.6倍，复合肥介于中间。施用堆肥均能降低硝态氮淋失[4]；林地施用有机肥7d截获铵态氮20%—70%[5]，施用鸡粪100—200kg/ hm2(纯氮)降低了硝态氮淋失量[6],稻田施用秸秆和秸秆堆肥能够降低田面水和10—20cm土层渗漏水硝态氮浓度[7]。施用氮同位素标记肥料试验表明，不同有机肥对30cm土层氮的去向影响不同，猪粪堆肥小区保留了25%的15N，废弃物堆肥小区保留了10%的15N，对照小区保留了不到10%的15N[8]。在设施菜地，适宜施用有机肥减少硝态氮的累积和土壤剖面硝态氮的垂直迁移；在同等施氮水平下，有机肥与化肥配施可减少硝态氮向深层土壤的淋溶迁移[9]。实验室培养条件下添加不同碳形态的有机质能够使土壤无机氮溶出量明显降低(无机氮以硝态氮为主，占无机氮的81.13%—97.62%)，其中小麦秸秆粉降低最多，锯末和褐煤粉的活性都较低[10]。对35条河流的可溶性有机物与硝态氮负相关结果表明，在区域尺度上农田碳不足将导致氮淋失严重增加[11]。过量有机肥的施用会直接导致硝态氮在土壤的大量积累,当施肥量60 t/hm2时,不仅对耕层土壤各土层都造成不同程度的积累,而且引起了硝态氮在深层土壤的轻微淋溶[12]。不排除大量施用有机肥产生的硝态氮淋失对地下水的潜在威胁，因此，欧盟提出了有机肥的限量指标，在硝酸盐敏感地区有机肥的年施用量不应超过175 kg N/hm2,而洛桑试验站则将 276 kg N/hm2作为有机肥的限量指标[13]。

采用树脂法研究土壤氮素流失，一般采用树脂袋、树脂芯及树脂膜法[14- 18]，过去研究主要针对森林和草原土壤氮素的净矿化速率及氮素有效性，深度限于20cm 土层以内。本研究采用改进树脂芯法，设置30、60和90cm土层深度，每层底部放置一定数量的树脂材料，吸附硝态氮淋失数量，揭示灌区稻田不同有机肥水平处理下的硝态氮淋失特征及淋失负荷。

1 研究方法

1.1 试验区概况

试验站位于宁夏灵武农场(106°17′52″E，38°07′26″N)，年均气温8.9℃，降水量193mm，蒸发量1763mm，无霜期150d。主要种植模式稻旱轮作，种植作物水稻、玉米和春小麦。土壤为灌淤土，肥力中等，0—30cm土层容重1.57 g/cm3，有机质含量14.47 g/kg，土壤全氮0.87 g/kg，速效氮96.33 mg/kg。地下水位深度1.5—2.0m。水稻全生育期的灌水量1.5—1.8×104m3/hm2。

1.2 试验设计

试验小区面积为200m2，水泥埂隔开，沿埂开沟深120cm，沟内压塑料膜，以防小区相互干扰。CK为灌区常规施肥，处理T1、T2是常规施肥下分别施入4500、9000kg/ hm2腐熟猪粪，先一年水稻收获后施入，3次重复。尿素(纯N)300 kg/ hm2、重过磷酸钙105 kg (P205)/ hm2、氯化钾60 kg(K2O)/ hm2。磷钾肥作基肥一次施入，尿素50%做基肥，剩余50%按照3∶1∶1的比例作追肥，分3次施入，分别在5月31日(苗期返青期)追施30%，6月25日(分蘖期)追施10%，7月26日(孕穗期)追施10%。2010年5月13日插秧，行距30cm，株距10cm，9月10日收获，大田生长期120d。

1.3 试验方法

树脂芯法在用于草原或者表层土壤氮矿化量的测定，与直接采集土壤或测定土壤渗漏水的结果基本一致[19- 23]。本试验采用改进的树脂芯法，由76mm(直径)×0.82mm(管壁厚度)的不锈钢管(高度根据需要调整)、60目尼龙网制作的8×8cm树脂袋(内装有15g氯型，强碱性阴离子树脂)和两片直径为74mm的铝塑板(铝塑板上打有13个直径为3mm的小孔)组成，装置见图1。树脂袋上下的两片铝塑板以防上下层土壤对树脂袋的污染，铝塑板设置小孔。为减少管内外土壤环境差异，管壁上打孔。把手的功能是方便树脂管提取。采用001×7型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。主要改进之处体现在一是取样深度增加，最深90cm；二是取样频次增加且不破坏土壤结构，基本上实现原为培养。

图1 改进的树脂芯装置图Fig.1 The improved device figure of the resin-core

试验开始时，先将长度为42、72、102cm(楔面长10cm)的树脂管垂直打入小区土壤中，管子上部与地面齐平，管子间隔2m，小区内沿对角线设置3个重复；然后利用把手将树脂管提出，用螺丝刀剔除管子底部2cm(楔面以上)厚的土壤，依次安装铝塑板、树脂袋、铝塑板、防滑轴，然后回填楔面土壤，再插回原处进行培养。一段时期后，取出树脂袋在冰箱保存(-4℃)；同时，放入新的树脂袋，继续下一阶段试验。水稻生育期树脂取样7次。

1.4 测定方法与计算方法

离子交换树脂吸附硝态氮用1mol/L KCl溶液浸提[22- 23]，硝态氮采用紫外分光光度法测定。不同土壤层次硝态氮淋失量用下面公式计算：

硝态氮淋失量(kg/ hm2)=树脂吸附硝态氮含量(kg)/树脂管面积(m2)×10000(m2)

2 结果与分析

2.1 硝态氮淋失总量

水稻大田期不同处理下的3个土层硝态氮淋失量如图2所示。结果表明，硝态氮(纯N)淋失量13.61—17.77 kg/hm2，占氮肥施用量的4.17%—5.88%。与对照相比，处理T1、T2在30cm土层的硝态氮淋失量增加4.64%、3.22%， 60cm土层减少4.93%、13.92%，90cm土层减少7.48%、13.77%。处理T1、T2与对照CK在60cm土层的硝态氮淋失量最小，处理小于CK，且处理T2小于处理T1；30cm土层，尽管处理T1、T2较对照淋失量增加，但在30cm以下与60cm以上的土层中得到储存，所以60cm土层的硝态氮淋失量减小。60cm与90cm土层淋失量大小均表现为CK>T1>T2，其中90cm土层的CK的淋失量最大。30cm 土层硝态氮淋失量，T1、T2与CK相比没有达到显著性差异(P<0.05，下同)；60cm土层，T1与CK未达到显著差异，T2与CK达到显著差异；90cm处，T1、T2与CK相比均达到显著差异；60cm和90cm土层处，T2与T1之间均达到显著差异。以上结果表明，增施猪粪可以减少了稻田深层土壤硝态氮淋失量，在小于9000kg/ hm2情况下，施用量增加，硝态氮淋失量减小。

图2 水稻生育期内硝态氮淋失总量Fig.2 The total leaching losses of nitrate nitrogen in the rice growth period

2.2 不同生育阶段硝态氮淋失量及变化特征

稻田不同时间段的硝态氮淋失量比例见表1。可以看出， 5月30日与6月12日的硝态氮淋失量比例明显高于其它时期，6月12日最高，8月23日与9月25日的淋失量比例明显低于其它时期。5月16日至6月12日是稻田硝态氮淋失关键时期，占总淋失量的50.11%—58.70%。主要原因是在水稻生长前期，对养分的需求较弱，但此时80%的肥料已经施入稻田，土壤氮素盈余较多，引起硝态氮淋失量增加；后期淋失量比例低的原因是土壤残留减少和晒田因素。

表1 不同土壤深度硝态氮淋失量比例/%

T1：常规施肥条件下施用4500kg/hm2Tradition fertilization with swine manure of 4500kg/hm2;T2：常规施肥条件下施用9000 kg/hm2Tradition fertilization with swine manure of 4500kg/hm2

稻田不同土层各处理的硝态氮淋失量变化情况见图3。在30cm土层，硝态氮峰值出现在分蘖前期(6月12日)；T1、T2的淋失量高于CK(P>0.05，下同)；泡田至缓苗期(5月30日)CK的淋失量明显高于T1、T2；分蘖初期、拔节、抽穗、灌浆期(6月12日至8月23日)硝态氮淋失量是T1、T2高于CK；从灌浆末期到收获期，3个处理间淋失量差异不明显。可以看出，前15d(5月30日之前)猪粪对减少硝态氮淋失发挥了作用，中间时期(6月12日至8月23日)却增加了流失量，后期(8月23日以后)失去作用，这种现象有待进一步研究。在60cm土层，硝态氮淋失高峰期出现在6月12日，与30cm土层表现一致；泡田至缓苗期， CK、T1、T2淋失量没有显著差异；分蘖期(6月12至26日)，CK的淋失量高于T1、T2；T2在6月26日淋失量高于T1外，其它均低于T1，反映T2对硝态氮的固持要好于T1；拔节孕穗至收获(7月25日至9月25日)T1、T2与CK淋失量无差异。在90cm土层，硝态氮淋失高峰期出现在6月12日，与30cm和60cm土层表现一致，CK 的淋失量高于T1、T2，但与T1没有显著差异，仅与T2达到显著差异；泡田期(5月16日)T1、T2大于CK；缓苗期(5月30日)CK大于T1、T2，但T1与CK未达到显著差异；分蘖期(6月26日)T1、T2与CK达到显著差异，T1、T2无明显差异；拔节至抽穗期(7月25日)T2明显低于CK与T1,但CK与T1没有显著差异；灌浆期(8月23日)，T1、T2明显高于CK，但T1、T2没有显著差异；烤田期(9月25日)T1、T2与CK达到显著差异。可以看出，整个生长期T1与T2硝态氮淋失有显著差异出现在分蘖前期与拔节抽穗期，T2低于T1,其主要原因可能是中后期有机肥发挥了作用。上述分析表明，硝态氮淋失关键期是5月30日至6月26日，该阶段T1、T2与CK相比，30cm土层淋失量增大，60cm和90cm土层淋失量减小，表明猪粪能够储存硝态氮，减少流失。

图3 不同土层中硝态氮淋失量的时间变化Fig.3 The variation of the nitrate nitrogen leaching loss in the different soil layer

2.3 生育期内硝态氮日平均淋失量

稻田硝态氮日平均淋失量见图4。可以看出，3个土层的硝态氮日平均淋失量的变化情况相似，硝态氮日平均淋失量均是在5月30日至6月26日最大，进一步表明该阶段是淋失关键期；30cm土层的日平均淋失量变幅最大，90cm次之，60cm最小，最大值与最小值差距约10倍。30cm土层日平均淋失量是T1、T2大于CK，60cm与90cm均为CK大于T1、T2。处理不同时段的硝态氮日平均淋失量差异显著性(P>0.05)证明了上述分析。淋失规律总体表现为前期多后期少，具体来说是：分蘖前期是淋失高峰期，泡田期、拔节、抽穗和灌浆是次要时期，收获期的淋失量最小。在不影响水稻对养分需求的前提下，建议采用减少前期施肥量、少量多次或施肥量适当后移等措施，能够控制和减少硝态氮淋失。

2.4 产量情况

从表2看，施用猪粪提高了水稻产量，与CK相比，增产效果明显(P>0.05)；T1、T2的增产率分别是15.86%、12.85%。T1谷草比的降低，T2谷草比升高，差异不显著(P>0.05)。T1、T2千粒重降低，与CK相比达到了显著差异，处理之间差异不明显。从产量构成因素分析，T1、T2增产的原因主要是亩穗数增加，后期的田间试验调查结果表明，对照28.6万穗，T1达到32.2万穗，T2达到31.5万穗。可见有机肥对提高水稻有效分蘖有很大贡献。

图4 不同土层硝态氮淋失量日平均变化情况Fig.4 The variation of the average daily nitrate nitrogen leaching losses in the different soil layer

处理Treatment谷草比Ratioofgraintostraw千粒重/g1000-grainweight产量/(kg/hm2)Yield增产率/%YieldincreaseCK1.58a12.85b7470aT11.53a11.24a8655b15.86T21.60a10.85a8430b12.85

3 讨论

试验结果表明，在宁夏黄灌区增施猪粪能够减少稻田土壤硝态氮向深层淋失，T1、T2在60cm土层淋失量减少了4.93%、13.92%；90cm土层减少了7.48%、13.77%；而30cm土层增加了4.22%、3.64%。土壤硝态氮淋失量减少的原因一般认为是施用猪粪后提升了土壤有机质，进而改善了土壤理化性状，提高粘粒及团聚体的含量，增强了对硝态氮束缚能力，从而减少了淋失量[23- 24]。本试验T1、T2在60cm和90cm土层内的储存了较多硝态氮，反映施用猪粪能够有效控制土壤硝态氮流失范围，或者降低淋失速率；同时由于试验施用猪粪C/N(50.3)较大，激发土壤微生物利用和固定无机态氮，减少硝态氮浓度，降低了淋失量。

有机肥(猪粪)能够提升土壤有机质水平，在一定程度上固持土壤中暂时盈余的氮素，相当于增大了土壤氮素的库容。在土壤有机质含量较低的情况下，对硝态氮的控制效果会更明显。许多研究表明，土壤氮素淋失的控制是一个碳氮平衡过程，合适的碳氮比例有利于减少氮素流失，提高无机氮的利用效率。有机农业也做不到完全避免硝态氮流失。尽管有机农业的土壤有机质含量明显较高，有较好的保肥性，可有效的减少氮素淋失，但仍存在淋失的可能性[25]。有机农业的硝态氮流失水平低，对地下水环境潜在的负面效应要远远低于集约农业。为了消除有机肥污染问题，美国科学家Adams指出畜禽粪便施用量应该小于11. 2t/ hm2[26]。欧洲的一些报道也表明地下水中硝态氮并非仅来自化学氮肥，还有有机氮矿化和秋季施于农田的家禽粪尿。

施用猪粪小区试验始于2008年，2010年测定土壤有机质(9次取样的平均值)结果表明，30cm土层的CK、T1和T2的有机质含量分别为11.53、13.08和13.64g/kg，处理与对照相比增加了13.4%和18.3%。依照传统认识，应该是30cm土层处理比对照的硝态氮流失量低，但结果却是差异不显著。由于土壤硝态氮流失是一个复杂过程，土壤性质、类型、水分状况等也是影响硝态氮流失的重要原因。宁夏银南灌区灌溉排水量控制不合理，在下渗水流驱动力作用下，易发生硝态氮淋失[27]。T1、T2与CK相比， 60cm和90cm土层的有机质增幅更加明显，最低17.4%，最高75.0%。宁夏引黄灌区土壤有机质偏低，施用有机肥和提升土壤有机质的空间较大，但需要在施用量以及施用年限等方面进一步研究。

树脂芯法在观测稻田土壤硝态氮淋失的主要优点是提高了试验重复性，尽最大可能降低了土壤的扰动，试验结果的准确度与精确度有较大提高，直接得到土层硝态氮淋失量，省去了估算环节。试验不足之处一是树脂材料与土壤存在界面差异，扰动了土壤水分及其溶质的运动过程，这一点与真空抽取法和渗漏计法有共同之处，目前还没有更的好办法克服；二是由于管壁打孔数目有限，形成管内外水分运动环境差异，对试验观测结果有影响；三是管子直径小，没有考虑到作物根系吸收硝态氮这一重要因素。

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Effect of nitrate nitrogen leaching of paddy field based on swing manure application in the Yellow River irrigation district of Ningxia

YANG Shiqi1,2, WANG Yongsheng3, XIE Xiaojun4,HAN Ruiyun1,2, YANG Zhengli1,2,*

1InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2KeyLaboratoryofAgro-EnvironmentandClimateChange，MinistryofAgricultural，Beijing100081,China3SynthesisResearchCenterofCERN,KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4CollegeofForestry,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

The Yellow River irrigation district of Ningxia is an important agricultural area in North China, where the nitrate leaching and water pollution have been an increasing problem in recent year. Water in a number of drainage ditches is of Inferior quality, in which the main pollutants are nitrate and ammonium nitrogen. The concentration of ammonium is usually 20—30mg/L and can be much higher up to 70 mg/L in extreme cases, so that downstream water quality is severely affected. The proportion of total nitrogen and ammonia nitrogen from field was up to 61%—66% and 76%—81%, respectively. The concentration of nitrate nitrogen in about half of shallow groundwater was more than 10 mg/L. Content of soil organic matter, ranging from 9.2 to 14.5g/kg with the mean of 10.2 g/kg, was low; consequently it facilitates the loss of soil nutrient nitrate nitrogen. In this study, we investigated the effect of swine manure application in management of nitrate nitrogen leaching and improvement of soil organic matter in this area. The characters of nitrate nitrogen leaching in paddy fields in the Yellow River irrigation district of Ningxia were explored in the condition of swine manure application. The field experiment was conducted with 3 treatments: tradition fertilization without swine manure (CK), tradition fertilization with swine manure of 4500kg/hm2(T1)and tradition fertilization with swine manure of 9000 kg/hm2(T2). Nitrate nitrogen leaching rates were measured for 30, 60, 90 cm depth soil layer with a resin core absorption method. The results are shown as follows: (1) The treatments with swine manure application reduced the nitrate nitrogen leaching loss at 60 and 90 cm depth soil layers in the paddy field during rice growth period. The decreases were 4.93% (60 cm) and 13.92% (90 cm) for T1 vs. CK and 7.48% (60 cm) and 13.77% (90 cm) for T2 vs. CK. (2) In comparisons of the statistical significance of nitrogen leaching loss at the same soil layer between different treatments (P<0.05), the variations among T1, T2and CK were not significant at 30 cm depth. In the soil samples from 60 cm depth, T1and CK were not significantly different, while T2was significantly different from CK. Compared to CK, both T1and T2caused a significant reduction in nitrogen loss at 90 cm depth. Meanwhile, the difference between T1and T2were significant at 60 and 90 cm depth. Although the nitrate nitrogen leaching loss of T1and T2were higher than that of CK at 30 cm depth, the difference did not reach statistical significance among CK and T1and T2. (3) The nitrate nitrogen leaching loss was 13.61—17.77 kg/hm2(pure nitrogen) in different soil layers during rice growth period. The major loss accounting for 61.62%—72.84% of the whole growth period occurred during the time from rice transplantation to tillering, corresponding to the season from middle May to end of June, and the loss was obviously alleviated at the late stage of rice growth. (4) The rice yield in T1and T2was increased by 15.86% and 12.85%, respectively. Taken together, our study suggests that swine manure application is effective to prevent nitrate nitrogen leaching loss in the Yellow River irrigation district of Ningxia and beneficial to rice production as well.

the Yellow River irrigation district of Ningxia; swine manure application; nitrate nitrogen; leaching; resin core

环保公益性行业科研专项经费(201009017)

2012- 12- 27; 网络出版日期:2014- 03- 04

10.5846/stxb201212271888

*通讯作者Corresponding author.E-mail: shiqiyang@126.com

杨世琦，王永生，谢晓军，韩瑞芸，杨正礼.宁夏引黄灌区猪粪还田对稻作土壤硝态氮淋失的影响.生态学报,2014,34(16):4572- 4579.

Yang S Q, Wang Y S, Xie X J, Han R Y, Yang Z L.Effect of nitrate nitrogen leaching of paddy field based on swing manure application in the Yellow River irrigation district of Ningxia.Acta Ecologica Sinica,2014,34(16):4572- 4579.