沼肥还田下土壤硝态氮淋溶研究进展

王立国， 成剑波， 何腾兵1，*

(1.贵州大学 农学院， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 新农村发展研究院， 贵州 贵阳 550025； 3.贵州省山地畜禽养殖污染控制与资源化技术工程实验室， 贵州 贵阳 550025)

2006-2011年中国沼气工程数量增长迅速，年均增长率为35.51%；户用沼气池数量呈稳步增长趋势，年均增长率为12.97%[1]。预计在2020年，将建成大型畜禽养殖场沼气工程10 000座，户用沼气约8 000万户[2]。沼气工程与户用沼气产生大量沼肥被还田利用，还田比例高。调研显示，全国13个省份户用沼肥产量平均为8～9 t/a，沼肥还田总体比例为37%，四川西昌还田比例最高，为85%[3]。沼肥因富含养分且产生量大被还田利用，但施用不当可增加土壤硝态氮淋失的风险。邓榕等[4]研究证明，不同稀释倍数的沼液淋溶土壤后下渗水中总氮含量明显高于空白，且总氮含量与浇灌沼液浓度呈正相关关系。李彦超等[5]研究发现，随着沼液灌溉强度提高，渗滤液和盆栽土中硝态氮的含量呈升高趋势。熊飞等[6]研究发现，单施沼渣的氮素盈余量为68 kg/hm2，单施沼液的氮素盈余量为15 kg/hm2。随着沼肥施用量增加，作物收获后土壤残留无机氮含量呈直线增加趋势。另有不少研究证实，随着沼肥施用量增加土壤渗滤液中的总氮浓度呈升高趋势，其中硝态氮占比最高[7-10]。我国硝态氮淋失多发生在农业集中地区，致使饮用水硝态氮含量超标而危害人类健康。马洪斌等[11]分析认为，北方平原地区地下水硝态氮平均含量为7.14～10.33 mg/L，南方丘陵地区为28.3 mg/L，均超出WHO饮用水的标准[12]。鉴于此，对不同进料沼肥的特点、土壤硝态氮淋失影响因素、土壤硝态氮生化还原影响因素及沼肥硝态氮淋失防控措施等方面的研究进行综述，并对沼肥还田硝态氮淋溶的防控研究进行展望，以期为提高沼肥还田施用效果提供参考。

1 沼肥的特点

不同进料沼肥的全氮、有机质含量有所不同[13-22]。畜禽粪便沼渣全氮和有机质含量均高于沼液[15，18]。黄惠珠[15]研究发现，不同类型沼气工程和户用沼气的沼液中各种营养成分(有机质、腐植酸、粗纤维、VC和干物质含量)明显低于沼渣，沼液全氮和有机质含量分别为0.09～0.18 g/kg和0.20～2.00 g/kg，沼渣则分别为0.30～0.62 g/kg和2.09～8.32 g/kg；沼液的卫生指标明显优于沼渣。董志新等[17]研究结果表明，不同进料沼气肥有机质和养分含量存在差异。鸡粪沼液的有机质、全氮、全磷和全钾含量均高于猪粪沼液，秸秆沼液的有机质和全钾含量高于鸡粪和猪粪沼液。沼渣富含有机质，秸秆沼渣的有机质含量高于猪粪沼渣。猪粪沼渣全氮含量高于全磷和全钾，而秸秆沼渣全钾含量高于全氮和全磷；猪粪和秸秆沼渣的全磷中以有效磷含量占的比重最大。畜禽类沼肥全氮主要以氨氮形式保存，沼液氨氮占总氮的70%以上[7]，具DOC/TN较低的特点[23]。当进料为秸秆、青草等植物时，相对于畜禽类沼肥，植物类沼肥有机质含量高，全氮含量低，DOC/TN高[24]。

2 土壤硝态氮淋失的影响因素

硝态氮是土壤氮素淋失的主要形式[25-33]。陶虹蓉等[28]研究证实，硝态氮的淋失量占总氮淋失量的99.5%。韦高玲等[29]的研究结果表明，硝态氮淋失量最高可达氮淋失总量的99.3%。另有研究表明，硝态氮淋失量占氮淋失总量的90%以上[30-32]。硝态氮淋失主要影响因素有降水、灌溉、土壤质地和作物吸收等[14，33]。

2.1 降水和灌溉

降雨与灌溉影响下，土层累积的硝态氮向下移动，产生土壤硝态氮淋失[34-36]。传统漫灌方式下，0～40 cm土层硝态氮累积量随灌水量增加而降低；在土层60 cm及以下，硝态氮累积量随灌水量增加而增加[37-40]。灌溉方式影响硝态氮淋失。王肖娟等[41]研究发现，滴灌和漫灌硝态氮淋失量占肥料总氮比例分别为4.4%和8.8%，与漫灌相比，滴灌能显著降低硝态氮淋失量。降雨条件下，硝态氮淋失深度、累积量和降雨量呈正相关，每4 mm的降水量可使土壤硝态氮往下迁移1 cm[42-43]。硝态氮过度淋失导致地下径流硝态氮含量增加。陈启迪等[44]研究认为，地下径流量占降雨量的55.8%，地下径流硝态氮浓度为28.31～37.92 mg/L；在坡耕地中，硝态氮主要随壤中流淋失。朱波等[45]认为，壤中流的硝态氮含量为9.09～11.42 mg/L，最大占比可达61.4%；壤中流硝态氮含量随降雨量增加而下降。丁文峰等[46-47]研究表明，在模拟降雨条件下，随时间变化土壤中硝态氮含量显著降低。在此期间壤中流水样中硝态氮浓度持续降低。降水、灌溉时间也对硝态氮在土层中的迁移有影响。徐力刚等[48-50]研究发现，作物生长期对水和硝态氮的吸收均处于较高水平，此时灌溉或降雨量较大不会过多地增加硝态氮的淋失量。

2.2 土壤质地

土壤质地(粘粒、粉粒和砂粒)对硝态氮淋失有一定影响。粘粒含量与硝态氮含量呈显著正相关，即土壤粘粒含量越高，土壤对各种离子的吸附能力越强，硝态氮淋失量越低[51-55]。陈效民等[56]研究发现，硝态氮垂直迁移过程主要受土壤粘粒含量影响，随粘粒含量增加硝态氮淋出含量降低且时间延长。孙美等[57]研究发现，土壤粉粒与硝态氮含量的相关系数(r)大于0.9，土壤硝态氮含量随粉粒质量占比增加而增加。柴苗苗等[58]以拌沙改变土壤质地的研究中，复配土拌沙比例越高复配土的土壤硝态氮含量越低。刘辰琛[59]认为，硝态氮含量与砂粒含量呈显著负相关(r=-0.455)，而与粉粒、粘粒含量成正相关，相关系数(r)分别为0.452和0.754，说明砂粒含量越高，土壤含氮越低。土壤硝态氮主要来源于粉粒与粘粒且硝态氮主要累积在粘粒中。张保华等[60]通过分析山东聊城市污染普查数据发现，土壤质地(粘粒、粉粒和砂粒)对养分含量的影响有相同规律：土壤颗粒与其养分含量的相关系数达到显著性水平，其中粉粒、粘粒与养分含量为正相关，砂粒与养分含量为负相关。

2.3 作物吸收

作物对硝态氮有吸收作用。NIELSEN等[61]研究发现，甜菜、晚栽禾草、白三叶草及冬季谷类作物能提取硝态氮从而降低淋洗风险。不同类型作物对硝态氮吸收能力不同。王芝义等[62]研究结果表明，收获后0～60 cm土层土壤无机氮残留与各层根重均呈显著正相关，与各层根长均呈极显著负相关。THORUP-KRISTENSEN等[63]研究发现，根长2.2 m左右的冬小麦比根长只有1.1 m的春小麦在1～2.5 m土层内多吸收约81 kg/hm2的无机态氮。SINGH B等[64]研究认为，玉米、小麦对硝态氮的提取能力明显高于土豆和花生。不同植物轮作也能阻控硝态氮淋失。黑麦-高丹草轮作后0～2 m土层的硝态氮提取量约为229.7 kg/hm2，黑麦-甜高粱、黑麦-苋菜轮作后的吸收量约为206 kg/hm2。紫花苜蓿、苇状羊茅主要减少0～1 m土体硝态氮累积量，分别占0～2 m土体总消减量的77%和88%，黑麦-苋菜、黑麦-高丹草、黑麦-甜高粱轮作主要减少1～2 m深层土壤的硝态氮，约占总减少量的53%[65]。另外，春油菜-冬小麦轮作能显著减少氮素淋失，玉米与杂草轮作比玉米单作能多吸收硝态氮[66-68]。

3 土壤硝态氮生化还原的影响因素

反硝化作用又称脱氮作用，指反硝化微生物在一定条件下将NO2--N和硝态氮逐步还原，同时释放NO、N2O和N2[69-71]，此过程硝态氮的转化率为0.1%～52%[72]。另一种途径是硝态氮在微生物的作用下还原成NH4+-N，称为硝态氮异化还原成氨[73-75]。研究发现，硝态氮还原成氨在土壤氮素循环中起着重要作用，能转化农田生态系统中3.9%～25.4%的硝态氮[76-77]。森林生态系统中，硝态氮还原成氨过程甚至超过反硝化过程，占硝态氮总消耗量的98.4%～99.0%[78-79]。土壤硝态氮淋失能通过上述生化还原硝态氮过程得以延缓[80]。

3.1 环境温度

温度是影响土壤反硝化作用的一个重要因素，反硝化作用的适宜温度为5～75℃[81]。温度上升有利于反硝化过程中硝态氮的转化。徐亚同[82]研究发现，在pH和C/N一定的情况下，试验区域混合菌群反硝化速率在10～30℃平行地提高。也有研究显示[83]，在温度低于20℃时，随温度增加反硝化菌丰度逐渐增加，硝态氮转化率增加。马娟等[84]研究证明，温度为30℃时等浓度硝态氮完全转化所需时间最短，10℃需要的时间最长，低温对反硝化速率影响更显著。

硝酸盐异化还原为氨过程适宜温度范围尚无定值。EVERROAD R C等[85]研究证实，当温度大于84.4℃时，硝酸盐异化还原为氨过程受到抑制。不同试验已经证明硝酸盐异化还原为氨反应速率随温度升高而下降。韦宗敏[80]的研究中，硝酸盐异化还原为氨过程最佳温度为30℃，此时硝态氮转换率最高，为47.59%，随后硝态氮转换率随温度上升而下降。胡晓婷等[86]研究发现，温度为20℃和30℃时，硝酸盐异化还原为氨速率分别是0.09～0.23 μmol/(kg·h)和0.1～0.18 μmol/(kg·h)，均比10℃时降低4.2%。

3.2 土壤pH

土壤pH是影响反硝化、硝态氮异化还原过程的主要因素[87]。方婧等[88-91]的研究证实，土壤反硝化最适pH为6.0～8.0。张彦浩等[92]研究不同pH对反硝化的影响发现，当pH为7.2～8.7时，硝态氮在9 h内基本被还原；pH为6.3～6.7时反硝化速率明显降低，pH高于9.2时，反硝化受抑制。

陈韬等[93]证明在生物滞留系统土壤中，pH为5～7时，随着pH的增加硝酸盐异化还原为氨转化率呈上升趋势；在pH为7～9时，随着pH增加硝酸盐异化还原为氨转化率呈下降趋势。徐亚同[82]研究发现，当沉积物混合菌群pH为7.0时，产氨率最高可达25.71%。

3.3 土壤氧化还原电位

氧化和还原条件均能进行反硝化作用[94]。氧化还原电位为100～350 mV时，反硝化速率随着氧化还原电位值的增加而减小[95]。相较于还原条件，氧化条件下反硝化速率明显降低[96]。MASSCHELEYN等[97]研究发现，当土壤氧化还原电位值小于200 mV时，反硝化作用显著，而当土壤氧化还原电位值大于400 mV时，反硝化作用较弱。

强还原性有利于硝酸盐异化还原为氨过程的发生[98]。研究表明[99]，当氧化还原电位从-100 mV降至-340 mV时，硝酸盐异化还原为氨过程产生NH4+-N、有机-15N的数量明显增加；当氧化还原电位大于-100 mV时，硝酸盐异化还原为氨过程产生NH4+-N、有机-15N的增量明显低于氧化还原电位在-100～-340 mV时硝酸盐异化还原为氨过程产生NH4+-N、有机-15N的增量，即较强的还原条件有利于硝酸盐异化还原为氨过程进行。另有研究[100]表明，还原性较弱的环境中硝酸盐异化还原为氨过程也能进行。

3.4 碳源

土壤中碳源明显影响反硝化作用。郑兰香等[101]研究发现，C/N越高反硝化速率越强。张可方等[102]研究结果表明，C/N为3.3～10时，反硝化速率随C/N的增加而增加。葡萄糖作为有机碳源的研究[103-105]指出，添葡萄糖反硝化作用明显增强。不同碳源类型对反硝化速率影响不同，吴光学等[106]认为，不同碳源对反硝化速率的影响依次为葡萄糖>混合碳源>乙酸钠。

有机碳源作为电子受体，硝酸盐异化还原为氨菌株更易得到电子而提高硝态氮的转化率[107-108]。HERBERT[109]研究发现，在沉积物中硝酸盐异化还原为氨过程对硝态氮的去除率可达50%。TIEDJE[107]模拟珠江口沉积物硝酸盐异化还原为氨过程发现，当C/N为2～10时，硝酸盐异化还原为氨过程都会发生，碳源氧化状态越强，硝酸盐异化还原为氨过程所需要的适宜C/N越高；但碳源浓度过高会抑制硝酸盐异化还原为氨过程。邹子介[110]研究指出，低碳源初始浓度为50 mg/L和100 mg/L时，硝酸盐异化还原为氨作用随着碳源浓度的增加而增强，说明，一定浓度的碳源能促进硝酸盐发生硝酸盐异化还原为氨作用。初始碳源浓度为150 mg/L、200 mg/L和250 mg/L时，继续添加碳源硝酸盐异化还原为氨作用随着碳源浓度递增而减弱，说明，碳源浓度过高对硝酸盐异化还原为氨功能菌有抑制作用。与反硝化过程相同，不同碳源对硝酸盐异化还原为氨速率存在影响，草酸盐、柠檬酸盐、葡萄糖、乙酸盐和苹果酸盐等对硝酸盐异化还原为氨速率有不同影响[111]。谢丽等[112]研究证明，以葡萄糖等易发酵有机物为碳源时易发生硝酸盐异化还原为氨过程，以乙酸等不易发酵的有机物为碳源时难以发生硝酸盐异化还原为氨过程。

3.5 底物

硝酸盐是有利于硝酸盐异化还原为氨菌株生长和代谢的氮源[109]，是反硝化和硝酸盐异化还原为氨过程的共同反应底物[113]。在适宜条件下，通过施用氮肥，增加反应底物浓度可促进硝态氮异化还原过程。KETIL等[114-115]研究表明，在18个土样中连续2年施入71～132 μmol/L的硝态氮，反硝化和硝酸盐异化还原为氨过程在原有基础上分别提高11～16倍和6倍。表明，反硝化随硝态氮浓度升高而加强。王亚宜等[116]研究指出，硝态氮初始浓度为5～40 mg/L时，反硝化速率随硝态氮浓度增高而加强。

硝态氮浓度过低或过高都能抑制硝酸盐异化还原为氨的发生。汤丹娜[117]研究发现，硝态氮浓度低于(32.67±1.85)mg/L时，硝态氮浓度升高有利于硝酸盐异化还原为氨过程的发生。加入溶液中硝态氮浓度高于(32.67±1.85)mg/L时，硝态氮浓度的升高则抑制硝酸盐异化还原为氨反应。当盐沼沉积物的硝酸盐升高时可使硝酸盐异化还原为氨过程去除硝酸盐的效率由52%降至4%[118]。

4 沼肥硝态氮淋失的防控措施

4.1 合理利用沼肥

施用沼肥比施用化肥能降低土壤总氮和硝态氮淋失风险。王植等[119]研究指出，沼肥处理后地表经流水总氮浓度仅为同期同质化肥处理的76%，即6.3 mg/L；硝酸盐氮浓度为3 mg/L，是同期同质化肥处理的71%。化肥和沼肥的配合施用也能够明显降低硝态氮在土壤中的累积[120]，但过度提高施灌沼液的强度可阻碍作物生长，降低作物产量[121]。沼液还田用量应控制在适当范围。适当施氮强度下灌溉沼液能促进土壤微生物活动，维持较低氮淋失量[122]。所以，在农业生产中应遵循硝态氮含量阈值进行还田管理[73-75]。研究指出，华北小麦-玉米轮作收获后0～90 cm根层硝态氮应该维持在90～100 kg/hm2的临界范围内[123]。此外，利用仪器对作物需氮量进行测定，确立沼肥使用量及时间也是重要的管理手段。LI等[76]在保证作物产量较以往不变的情况下，借助Greenseeker确定氮肥施用量，减少施用305 kg/hm2。

4.2 补充碳源防控土壤硝态氮淋失

施肥时添加碳源能促进反硝化速率。RYDEN等[124-125]研究发现，菜田的反硝化转化率高达14%～52%，在加入葡萄糖后0～20 cm土层土壤的反硝化产物迅速增加。碳源添加量从30 mg/g增至120 mg/g时，水田土壤反硝化速率增加6倍[126]。HENDERSON等[127]用农作物残渣、葡萄糖作为添加碳源均能明显影响各反硝化基因的表达量以及反硝化速率。用长期覆盖秸杆的方式增加施入土壤中的碳源，土壤反硝化速率提高0.5%[128]，14.4%～39.5%的硝态氮经硝酸盐异化还原为氨过程还原成NH4+-N[129]。KRAMER等[130]研究证明，有机肥施用可以通过增加反硝化过程中的气态氮损失降低苹果园土壤的硝态氮淋失。WANG等[131]研究发现，有机肥施入可以增强异养微生物的活性，进而减少硝态氮在土壤中的累积，并减少硝态氮损失。土壤中高含量的有机质能够促进微生物的反硝化过程[132]。长期施用有机肥的土壤，其有机质含量明显增加，随之反硝化活性显著增强[133]。且无论是单施有机肥还是有机与无机配施，均能使土层中硝酸盐含量降低[121-122，134]。

4.3 考虑土壤矿物组成防控硝态氮淋失

2∶1型矿物的种类和含量是决定土壤中固定态铵含量的重要因子[135]。研究表明[129]，矿物组成以2∶1型黏土矿物为主的土壤比1∶1型黏土矿物的固铵能力强，能减缓NH4+-N向硝态氮的转化，从而减少土壤中的硝态氮含量，进而在一定程度上控制NO3--N的淋失程度。因此，对不同矿物组成的固氨能力强的土壤可以适当地增加沼肥施用强度。

4.4 培模填闲作物防控土壤硝态氮淋失

填闲作物每年可降低75%的土壤硝态氮淋失[136]。THOMSEN[137]提取深层土壤溶液发现，填闲作物大麦显著减少硝态氮淋失。任智慧等[138]利用土壤剖面观测法研究发现，闲填作物甜玉米能有效吸收0～60 cm土壤中残留氮素，阻控氮素向深层土壤淋失。不同闲填作物轮作也能降低硝态氮淋失风险。张永利等[65]研究指出，不同深根植物及其轮作模式可显著降低0～100 cm土层的硝态氮累积量；黑麦-苋菜、黑麦-高丹草、黑麦-甜高粱等轮作能显著降低100～200 cm土层的硝态氮累积量。

5 展望

为有效防控土壤硝态氮淋失，今后可从以下几方面进行深入研究与改进。1) 确定沼肥施用强度阈值，为硝态氮淋失的防控提供科学参考。2) 参考沼肥施用强度阈值，结合土壤质地、作物需氮量、降雨及灌溉等因素，实行沼肥施用量的差异化控制。3)探讨添加碳源或配施其他肥料等技术，促进土壤硝态氮还原过程(反硝化和硝酸盐异化还原为氨)。