典型有机肥氮素淋溶流失特征分析

2018-10-19夏红霞朱启红王书敏丁武泉杨志敏陈玉成

西南农业学报 2018年9期

夏红霞，朱启红，李强，王书敏，丁武泉，杨志敏，陈玉成*

(1.重庆市环境材料与修复技术重点实验室，重庆文理学院，重庆永川 402160；2.三峡库区生态环境教育部重点实验室/西南大学资源环境学院，重庆 400716)

【研究意义】自英国人L.B.Ross在1838年研制出世界上第一种化学肥料以来，化肥在农业生产中得到广泛使用，为农业增产做出了巨大贡献。但与此同时，因大量施用化肥带来的水体污染、土壤污染等也日益突出。过量施用化肥，极易导致土壤耕作质量下降，农产品品质降低，并显著提高养分流失量，进而加剧了水体富营养化。相关研究表明，不合理施用化肥已成为引起水体富营养化的重要原因之一[1-2]。陈永高等[3]研究发现，化肥的大量施用是引起太湖流域氮磷污染的直接原因。

有机肥是我国农业生产中使用的传统肥料，在农业生产中施用有机肥已有三千多年的历史[4]。施用有机肥不仅可以增加土壤有机质含量、改善土壤质地、提高耕作性能，还可以增强土壤保水保肥能力，并有效提高农产品质量[5]，所以施用有机肥被认为是安全可靠的。为减少农田养分流失对水体的污染，已有发达国家也开始鼓励农民在农业生产中利用有机肥代替化肥[6]。但是，多数国家未制定有机肥施用的相关标准，在农业生产过程中农户大多凭经验施肥，这会对土壤环境及周边水体环境造成潜在威胁[7]。【前人研究进展】Sherwood等[8]研究发现，施用有机肥会造成养分流失。Siemens & Kaupenjohann的研究表明，施用有机肥淋失的氮素量比施用矿质态氮肥更高[9]。杜晓玉等通过田间原位模拟降雨试验研究表明：渗漏液中全氮、可溶态氮、硝态氮浓度随着单位面积施入的畜禽有机肥的增加而增加，径流水中全氮、可溶态氮流失量也随之增加[10]。郭智等[11]研究也发现，在菜地中施用鸡粪和复合肥也会造成氮素流失。【本研究切入点】为深入研究有机肥农用带来的养分流失特征，本研究拟通过向紫色土中施用典型有机肥和化肥，对比研究典型肥料在紫色土中的流失特征。【拟解决的关键问题】以揭示有机肥对水体富营养化的贡献，为合理施用有机肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试有机肥：根据重庆地区农业施肥习惯，选用干牛粪、沼液、油枯以及有机无机复混肥为供试有机肥。经测试，供试干牛粪、沼液、油枯和有机无机复混肥中TN分别为24.561.37、41.57和142.72 g/kg。化肥(磷酸氢二铵)中TN含量为185.16 g/kg。

1.2 实验设计

实验采用模拟淋溶实验(图1)。淋溶试验装置利用高100 cm、内径为20 cm的圆形PVC管自制。PVC管底部密封，在距PVC管底部10 cm处设置有可控出水口，用于采集淋溶液。为保证出水效果，在淋溶装置底部分别填充20 cm厚的砾石层和石英砂层，石英砂层上部铺设一张尼龙网后再填充土壤。

淋溶实验前，先分别采集上中下3层(每20 cm为1层)土壤带回实验室，将各层土壤充分混匀后填充于淋溶装置。填充土壤时，以每5 cm为1层填装土样，在填装上层土料之前抓毛下层土壤表面，以防土层之间出现分层现象。土壤填装后，于人工降雨前1周将供试肥料与表层土壤充分混合，塑料薄膜覆盖后待用。待土壤和肥料充分作用后，开始进行降雨试验。根据重庆市近几年的平均降雨量，淋溶试验降雨强度设置为25、50、75和100 mm/h。淋溶试验采用完全随机设计，每次降雨历时60 min。试验中以化肥为对照，每个处理重复3次，具体试验设计见表1所示。

1.3 样品采集与分析

将收集的淋溶液带回实验室进行分析测试。水体总氮含量直接测试，用0.45 μm滤膜过滤后测试水体中的可溶态氮(TDN)、硝态氮和铵态氮浓度，悬浮颗粒态氮(PN)利用差减法计算得出。

1.4 数据处理

土壤养分流失率按下列公式进行计算：

有机肥总氮相对流失率(%)=

其中，C有表示有机肥处理总氮浓度；C化表示化肥处理总氮浓度；C空表示空白处理总氮浓度。

实验数据用SPSS和Excell进行统计分析。

图1 淋溶土柱装置Fig.1 Device of leaching soil column

试验因素淋溶场次12345678施肥量(kg N/hm2)450450450450300300300300降雨强度(mm/h)255075100255075100

2 结果与分析

2.1 淋溶氮流失率

淋溶流失是土壤氮素损失的重要途径之一[12]。Insaf[13]研究表明，约有10 %～40 %的氮素是通过淋溶流失途径进入地下水体。因此，氮素淋溶流失是造成水体氮素富集的重要途径之一。为了解供试肥料在紫色土中的淋溶流失，及其对水体富营养化的贡献率，本实验中选取干牛粪、沼液、油枯以及有机无机复混肥进行模拟试验，以化肥作为对照，对比研究有机肥/化肥氮素在紫色土中的淋溶流失。

由图2可见，施氮为450 kg N/hm2时，有机肥淋溶氮流失量为化肥氮流失量的79.80 %～135.73 %；施氮为300 kg N/hm2时，有机肥淋溶氮流失量为化肥氮流失量的92.08 %～115.72 %。由此表明，施用有机肥仍旧会造成紫色土中氮素淋溶流失，且有机肥氮素在紫色土中的淋溶流失量可能会超过化肥，这与赵满兴等[14]的研究结果相似。王红霞等[15]研究也显示，施用有机肥和化肥均显著增加了土壤总氮、铵态氮以及硝态氮的淋溶流失，且有机肥的淋溶流失量显著高于化肥。王红霞等[15]认为这主要是因为有机肥中的氮素主要以硝态氮、氨态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮等可溶性氮存在,而土壤颗粒对这些可溶性氮的吸附能力较弱[16]，故向土壤中施用有机肥会显著增加土壤可溶性氮含量[10]，进而引起土壤氮素淋溶流失量显著增加。此外，向土壤中施用有机肥可能会增大土壤颗粒间的孔隙度[17]，从而增加氮素随水下移的可行性。

2.2 淋溶总氮流失因素分析

由表2可知，在紫色土中，供试肥料氮素淋溶流失量(y)与降雨强度(x1)、施肥水平(x2)两因素间的回归系数P均小于0.05。由此表明，供试肥料氮素淋溶流失量(y)与降雨强度(x1)、施肥水平(x2)间呈显著正相关关系，即降雨强度越大、施肥水平越高，有机肥中氮素在紫色土中的淋溶流失量越多，这与Cox等[18]研究结果一致。赵亮等[19]研究也显示，降雨强度和施肥水平是引起土壤氮素淋溶流失的重要因素。回归分析结果还显示，偏回归系数b2明显大于b1。由此表明，在引起紫色土氮素淋溶流失的降雨强度(x1)、施肥水平(x2)两因素间，施肥水平对氮素淋溶流失的影响更为明显。

图2 有机肥相对化肥的氮素淋溶流失率Fig.2 Leaching TN loss rates of organic fertilizers related with chemical fertilizer

Sogbedj[20]研究表明，氮素在土壤中淋溶流失必须具备2个条件：氮素必须以易移动的可溶态存在，且必须存在水分运动。化肥(磷酸氢二铵)是一种易溶于水的高浓度速效肥料；而有机肥中氮素主要以硝态氮、氨态氮、氨基酸态氮、氨基糖态氮等可溶态存在[21]，这为氮素淋溶流失提供了前提条件。当存在降雨时，会显著增加土壤中的水分运动，进而加快氮素淋溶流失的速度和总量。此外，当土壤水分含量达到一定限值，尤其是当土壤水分含量超过田间持水量后，土壤颗粒间的空隙显著增加，土壤颗粒对可溶氮素的吸附能力显著减弱，进而使氮素加速淋溶流失。刘健等[22]研究表明，砂土、壤土以及粘土氮素淋溶流失量均随施肥量、降雨强度增加而增加。Tafteh[23]研究也表明，增加施肥量和灌水量均会增加土壤氮素淋溶流失。降雨极易使土壤水分含量增加到田间持水量，加速土壤氮素淋溶流失；而增加施肥量，可在短时间内显著增加土壤剖面氮素含量，进而显著增加土壤氮素流失的几率。王辉等[24]对黄土高原土壤氮素淋溶流失试验研究也表明，黄土高原土壤氮素淋溶流失量、流失深度与降雨量呈正相关，每增加4 mm降雨量可使氮素流失量、流失深度发生明显变化。商放泽等[25]研究表明，高施肥量处理土壤氮素流失量明显高于低施肥量处理。由此可见，增加施肥量或者增加降雨量均会加速土壤氮素流失。

表2 供试肥料氮素淋溶流失回归分析

图3 供试肥料氮素淋溶流失形态分析Fig.3 Comparison of each nitrogen forms in leaching simulation

2.3 淋溶氮流失形态分析

由图3可见，与不施化肥相比，供试肥料淋溶液中可溶态氮(TDN)、硝态氮、铵态氮浓度以及颗粒态氮(PN)含量均显著增加，且与对照相比差异显著(P<0.05)，尤其是淋溶液中可溶态氮(TDN)、硝态氮含量与不施肥相比差异极其显著(P<0.01)。由此表明，施用化肥或有机肥均显著增加了土壤氮素淋溶流失。这可能是因为施用氮肥显著增加了土壤氮素含量，进而增加了土壤氮素淋溶流失的几率。

供试有机肥淋溶液氮素含量与化肥淋溶液氮素含量间存在较大区别。供试有机肥在第1、8场模拟淋溶试验淋溶液中可溶态氮(TDN)、硝态氮以及可溶态氮(TDN)含量高于化肥；第2、7模拟淋溶试验有机肥淋溶液中可溶态氮(TDN)、铵态氮以及可溶态氮(TDN)含量低于化肥；而其他场次出现无规则变化，但与化肥相比均差异不显著(P>0.05)。由此表明，在紫色土中施用有机肥仍然会增加土壤氮素淋溶流失，且可能会超过化肥氮素淋溶流失量。化肥中的氮素主要以可溶性无机态存在，施用到土壤后可迅速溶解于水，随降雨极易发生淋溶流失。有机肥中的氮主要以有机态氮形式存在，在土壤中不易发生流失。但是，随着有机肥施用时间延长，有机肥中的碳素促进了微生物的生长繁殖[26]，进而促进了有机氮的矿质化过程，从而促进了有机氮淋溶流失[27]。此外，随着降雨土壤含水量明显增加，土壤颗粒对氮素的吸附能力降低，进一步促进了氮素淋溶流失。

在氮素淋溶流失量中，可溶态氮(TDN)流失量占总氮含量的65.17 %～99.07 %，硝态氮占43.17 %～69.26 %，而铵态氮仅占淋溶流失总氮含量的7.83 %～29.85 %。由此表明，可溶态氮(TDN)是化肥/有机肥淋溶流失的主要形式，且以硝态氮为主，这可能与化肥/有机肥中氮的存在形态有关。此外，不同形态氮素自身的电荷特性也会影响氮素的淋溶流失。硝态氮带负电荷，不易被同带负电荷的土壤胶体或有机质所吸附，故易随土壤水分淋溶渗漏[28]；而铵态氮带正电荷，易被带负电荷的土壤胶体或有机质吸附、固定[29]，故不易淋溶流失。但是，在微生物作用下，铵态氮易被硝化细菌硝化成硝态氮，从而增加了硝态氮的淋溶流失[30]。因此，土壤氮素的淋溶流失以硝态氮为主。但是，当土壤颗粒吸附的铵态氮达到饱和时，过量的铵态氮也极易随水发生淋溶流失[31]。