硝化抑制剂阻控养殖肥液灌溉土壤氮素淋失

2019-08-26杨涵博赖睿特张克强沈丰菊李佳佳高文萱罗艳丽

农业环境科学学报 2019年8期

杨涵博，赖睿特，张克强，沈丰菊，李佳佳，高文萱，罗艳丽，王风*

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）

2016年我国设施蔬菜面积达到391.5万hm2，预计到2020年将稳定增长到410.5万hm2。设施蔬菜因高产量、高品质与高效益等特点，已经发展成为我国农业的主体产业[1]。但是，设施蔬菜因大水大肥的管理方式也造成了土壤养分大量淋失，在灌溉作用下约有30%～50%的氮素通过淋溶损失[2-4]。山东设施蔬菜集中生产区地下水硝态氮浓度为49.6～78.0 mg·L-1，超过国家地下水饮用标准[5]。

配施硝化抑制剂作为一种有效降低氮素损失的技术，已被广泛研究并得以实际应用[6-7]。硝化抑制剂通过抑制氮肥氨氧化作用和亚硝化作用[8]，降低亚硝化细菌和硝化细菌的活性，从而抑制土壤中的NH+4被氧化为NO-3，减少硝态氮在土壤中的生成和累积[9-10]，进而减少氮肥以硝态氮形式的淋溶损失及对生态环境的影响。目前应用最为广泛的硝化抑制剂是双氰胺（DCD）和氯甲基吡啶（Nitrapyrin）[11-12]。研究表明，DCD的施入对NH+4-N累积有一定效果，设施番茄配施DCD后0～30 cm土层NO-3-N含量降低了63.70%～80.53%[13]，而DCD施加量在施氮量的1%～5%时，氮素淋失量显著降低了23.68%～37.94%[14]。Owens发现施用Nitrapyrin可使土壤氮素淋溶损失减少13%[15]。也有研究发现DCD和Nitrapyrin均可显著抑制土壤铵态氮向硝态氮的转化，两种抑制剂处理的土壤铵态氮含量分别较不施加抑制剂处理增加了46.2～256.1 mg·kg-1和3.68～372.9 mg·kg-1[16]。

然而，国内外对硝化抑制剂阻控土壤氮素淋失的研究大多数是基于化肥施用条件下进行的，总体结论为硝化抑制剂有利于减少硝态氮的淋溶损失。但是以养殖肥液为主体的新型肥料在设施农业中得到越来越广泛的应用，而养殖肥液作为一种养分浓度比较高的有机态氮和无机态氮混合肥料，氮素的浓度及其形态的复杂程度远超过化肥。正因为养殖肥液具有以上特性，在农田灌溉过程中单独施用会加剧氮素的淋失[17]。因此，阻控养殖肥液灌溉土壤的氮素淋溶损失十分重要。本研究拟通过土柱模拟试验，研究两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤氮素淋失特征与效果，为养殖肥液在设施蔬菜上的安全利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

1.1.1 供试土壤

供试土壤采自天津市宁河区设施蔬菜大棚0～20 cm表层土壤，土壤质地类型为壤土。新鲜土样经自然风干后，拣出作物残根及石块，过2 mm筛后混匀，备用。土样pH值8.61，铵态氮（NH+4-N）含量7.40 mg·kg-1，硝态氮（NO-3-N）含量2.18 mg·kg-1，总氮（TN）含量0.71 g·kg-1，土壤有机质含量 22.81 g·kg-1。

1.1.2 供试硝化抑制剂及肥料

DCD生产厂家为上海麦克林生化科技有限公司，分析纯，纯度99%。Nitrapyrin生产厂家为北京百灵威科技有限公司，分析纯，纯度98%。尿素生产厂家为天津市津科精细化工研究所，分析纯，纯度99%。养殖肥液取自天津市益利来养殖有限公司常年运转的塞流式厌氧反应器，原料为猪场粪污，养殖肥液pH值8.30，NH+4-N浓度464.80 mg·L-1，NO-3-N浓度2.11 mg·L-1，TN浓度692.55 mg·L-1，溶解性有机碳（DOC）浓度100.18 mg·L-1。

1.1.3 土壤淋溶模拟装置与填装过程

淋溶模拟装置（图1）为PVC材质，内径19 cm，高40 cm。柱体内部下端铺有100目的尼龙网，起到初步过滤作用，柱体底部的出水管内装满脱脂棉花，深度过滤水样。将土柱固定在稳定的钢架上，所有土柱保持与地面垂直，柱体出水口处接有容器收集土壤淋溶液，收集容器与淋溶柱口紧密相连以隔绝空气。所有处理均按照1.26 g·cm-3的自然土壤容重模拟填装，同时将DCD和Nitrapyrin分别按照各处理设置伴施量溶水后与土壤均匀混合后一并填装。填装时在PVC管内壁均匀涂抹一层凡士林减小边缘效应，将风干过筛的土样分两层（每层高10 cm）依次填装压实、再填装压实[18]。土壤填装高度设计为20 cm，柱体上部空间用于灌溉。

图1 试验用土壤养分淋溶模拟装置Figure 1 Soil nutrients leaching simulator

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验设置8个处理，单施尿素、单施肥液、3个DCD施用水平、3个Nitrapyrin施用水平，DCD和Nitrapyrin的用量均为施氮量的百分比。其中单施尿素处理将尿素与水混匀，逐次灌溉。处理如下，处理1（CK1）：单施尿素，处理2（CK2）：单施肥液，处理 3（5%DCD）：5%DCD+肥液，处理4（10%DCD）：10%DCD+肥液，处理 5（15%DCD）：15%DCD+肥液，处理 6（0.25%Nitra）：0.25%Nitra+肥液，处理7（0.5%Nitra）：0.5%Nitra+肥液，处理8（1%Nitra）：1%Nitra+肥液。每个处理3次重复，共24个土柱。本试验所有处理的土柱单次施氮量和灌水量均为60 kg N·hm-2和250 mL，每间隔3 d进行一次灌溉，5个灌溉淋溶周期施氮量共300 kg·hm-2，灌水量共1250 mL。

1.2.2 淋溶模拟试验

对土柱进行预处理，每日早8：00用去离子水800 mL淋洗1次，连续淋洗3 d，以减少由于土柱装填所造成的差异。稳定2 d后开始试验，试验开始后，在第1 d早晨8：00灌施250 mL肥液或去离子水，每次灌水后收集淋溶液直到不再渗出为止，每次灌施完成后，在土柱顶部用保鲜膜封好，间隔3 d进行一次灌溉，一共5个周期。每次淋溶液收集结束后，立即带回实验室进行养分浓度测定。

1.2.3 测定指标与方法

基础土壤样品pH值用pH计测定（水土比为5∶1），含水量用烘干法测定，土壤总氮、NH+4-N、NO-3-N含量用比色法测定[19]。淋溶液总氮浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、NH+4-N浓度用纳氏试剂法、NO-3-N浓度用紫外分光光度法、pH值用pH计测定，DOC浓度用TOC仪测定，ORP用氧化还原电位计测定[20]。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行统计分析。处理间差异显著性采用单因素方差分析法（One-way ANOVA），显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 淋溶液铵态氮浓度变化特征

两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液铵态氮浓度见图2。如图所示，随尿素溶液灌溉次数增加，CK1淋溶液铵态氮浓度快速增加，在灌溉第5次浓度增加到14 mg·L-1。养殖肥液单施和两种硝化抑制剂伴施处理，随灌溉次数增加淋溶液铵态氮总体变化较小，基本在第3次灌溉时达到铵态氮浓度极大值，该数值在1.8～3.4 mg·L-1之间，随后铵态氮浓度降低。灌溉的第2至第5次，CK2和硝化抑制剂伴施处理与CK1处理相比铵态氮浓度均显著降低（P＜0.05）。虽然施用硝化抑制剂处理淋溶液中铵态氮浓度比CK2平均降低28.69%，但仅在第3次灌溉中10%DCD、15%DCD和0.25%Nitra 3个处理铵态氮浓度与CK2之间达到显著性水平（P＜0.05）。在灌溉的第1次、第3次和第5次DCD与氯甲基吡啶表现出显著差异（P＜0.05），DCD的抑制效果更好。

2.2 淋溶液硝态氮浓度变化特征

图2 两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液铵态氮浓度Figure 2 Ammonium nitrogen concentrations in leaching water

两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液硝态氮浓度见图3。如图所示，随灌溉次数增加CK1和CK2处理淋溶液硝态氮浓度快速降低，并从第3次灌溉起趋于平稳，随灌溉次数增加，硝化抑制剂伴施处理淋溶液硝态氮浓度先降低并均在第3次灌溉时达到极低值，随后浓度有增加趋势。在第3次灌溉前，CK2和硝化抑制剂伴施处理（除15%DCD处理外）淋溶液硝态氮浓度均比CK1显著降低（P＜0.05）。在第1次灌溉中，硝化抑制剂伴施处理淋溶液硝态氮浓度均比CK2降低了27.4%～78%，均达到显著水平（P＜0.05）。第2次灌溉过程中，两种硝化抑制剂不同施用量处理淋溶液硝态氮浓度比CK2处理降低了15.9%～78.9%，其中5%DCD处理达到显著水平（P＜0.05）。第1次和第2次灌溉中，淋溶液硝态氮浓度呈现5%DCD＜10%DCD＜15%DCD趋势，而0.5%Nitra处理硝态氮浓度比其他两个剂量更低。第3次灌溉中硝化抑制剂伴施处理与养殖肥液单施处理间差异不显著。

8个处理在5次灌溉过程中，土壤淋溶液硝态氮浓度与溶液ORP相关分析结果为：

y=2.324 9x-314.57（R2=0.602 8*，n=34）

土壤淋溶液硝态氮浓度与溶液氧化还原电位间存在显著相关关系（P＜0.05）。

2.3 淋溶液总氮浓度变化特征

两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液总氮浓度见图4。总氮浓度变化特征与硝态氮浓度相似，随灌溉次数的增加，各处理淋溶液总氮浓度逐渐下降，至第3次灌溉硝化抑制剂添加处理总氮浓度达到极小值，随后浓度略有增加，而CK1和CK2处理总氮浓度基本稳定直至整个灌溉过程。前2次灌溉中，CK2和硝化抑制剂伴施处理淋溶液总氮浓度比CK1显著降低（P＜0.05），施用硝化抑制剂处理淋溶液中总氮浓度比CK2平均降低47%，淋溶液总氮浓度呈现5%DCD＜10%DCD＜15%DCD趋势，而0.5%Nitra处理总氮浓度比其他两个剂量更低。

2.4 淋溶液DOC浓度变化特征

两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液DOC浓度见图5。如图所示，随灌溉次数的增加，各处理淋溶液DOC浓度逐渐下降，处理间DOC浓度总体呈现CK1＞CK2＞硝化抑制剂处理，CK2处理DOC浓度比CK1降低了19.3%～44.8%，硝化抑制剂处理DOC浓度比CK2降低了37.5%～66.35%，三大类处理间每次灌溉后淋溶液DOC浓度均达到5%显著水平。但是两种硝化抑制剂之间以及不同施用剂量间淋溶液DOC浓度差异不显著。

图3 两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液硝态氮浓度Figure 3 Nitrate nitrogen concentrations in leaching water

图4 两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液总氮浓度Figure 4 Total nitrogen concentrations in leaching water

2.5 不同处理养分淋失量

两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤养分淋失量见表1。不同处理总氮淋失量为220.62～570.16 kg·hm-2，除15%DCD和0.25%Nitra处理外，其余处理均显著低于CK1。5%DCD总氮淋失量比CK2处理降低了42%。施加养殖肥液和两种抑制剂伴施处理铵态氮淋失量比CK1显著减少（P＜0.05），但不同剂量的DCD和Nitra间差异不显著。5%DCD硝态氮淋失量比其他处理降低36%～73%。CK2处理DOC淋失量显著低于CK1处理，抑制剂伴施处理DOC淋失量比CK2处理显著降低（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤对淋溶液氮素浓度的影响

试验结果表明，尿素溶液连续灌溉导致淋溶液铵态氮浓度持续增加，而养殖肥液灌溉处理淋溶液铵态氮浓度保持在较低水平。主要原因是尿素溶液在土壤中易随饱和水分迁移至下部土层[21-22]，而存留在下部土层的尿素分子一般经过3～5 d就能在土壤脲酶作用下转化成铵态氮[18，23]，由于间歇性饱和水分灌溉使铵态氮淋溶出土层[21，24-25]，这也是试验过程随灌溉次数增加土壤淋溶液铵态氮浓度持续增加的原因。养殖肥液氮素形态以铵态氮和有机态氮素为主，其中铵态氮通常占总氮70%左右，灌溉后铵态氮可以被土体颗粒迅速吸附[26-27]，从而降低淋溶液中铵态氮浓度。

图5 两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤淋溶液DOC浓度Figure 5 DOC concentrations in leaching water

表1 不同处理养分淋失量（kg·hm-2）Table 1 Nutrient loss in different treatments（kg·hm-2）

所有处理淋溶液硝态氮和总氮浓度在前3次灌溉过程显著降低，伴施两种硝化抑制剂处理的后3次灌溉浓度普遍升高趋势，尿素单施和肥液单施处理的后3次灌溉浓度略有降低或基本稳定。随灌溉次数增加土壤淋溶液硝态氮浓度逐渐降低，因为尿素和养殖肥液中氮素主要形态均不是硝态氮，硝态氮是通过有机氮脲酶水解转化和铵态氮硝化作用形成的[23]，而在含水量饱和的土壤中氧化还原电位可能是控制铵态氮转化成硝态氮的关键因素，本研究表明土壤淋溶液硝态氮浓度与其氧化还原电位显著相关，且随饱和灌溉次数增加，淋溶液硝态氮浓度逐渐降低。长期淹水的稻田土壤中以铵态氮形态为主且硝态氮含量极低的现象[28]也侧面支持了试验结论。此外，本试验发现淋溶液中硝态氮浓度占总氮的70%以上，表明硝态氮仍然是淋溶氮素的主要形态，与化肥施用条件下研究结果一致[29]。同时也说明，养殖肥液灌溉条件下淋溶液中除速效氮形态外，仍然存在其他形态的氮素，如有机氮[30]，可能与养殖肥液中较高的有机氮浓度有关。

试验结果发现DCD和Nitrapyrin能够有效降低养殖肥液灌溉土壤淋溶液硝态氮、铵态氮和总氮浓度。同时5%DCD和0.25%Nitra剂量处理的淋溶液养分浓度较低，抑制效果最好。但是随灌溉过程持续的氮素投入，抑制剂的抑制效果有所降低。已有研究表明施加DCD和Nitrapyrin能显著抑制施肥条件下土壤中NH+4的氧化，减少硝酸盐的形成[31-32]，本试验证实硝化抑制剂在养殖肥液施用条件下仍然能够发挥抑制铵态氮氧化的作用，而且较低剂量的硝化抑制剂就能发挥较好的淋溶阻控效果。施加硝化抑制剂处理在第3次灌溉时淋溶液硝态氮浓度有升高的趋势，可能因为随着试验周期的增加，不同处理土壤硝化过程的底物累积差异导致其浓度不同，另一方面可能因为抑制剂溶水特征会随试验周期的增加抑制效果逐渐减弱[13]，所以在实际应用中应考虑及时追施抑制剂或者将抑制剂土壤施用改为与养殖肥液混合施用。

3.2 两种硝化抑制剂伴施养殖肥液灌溉土壤对淋溶液碳素浓度的影响

本试验表明尿素溶液灌溉淋溶液DOC浓度显著高于养殖肥液单施处理。尿素溶液灌溉淋溶液DOC浓度最高，主要因为尿素溶于水，尿素分子含有的碳元素会直接随尿素分子淋溶出土体，而此处理淋溶液DOC的来源也主要是尿素。灌溉养殖肥液增加了微生物生长所需的碳源和能源[33]，有研究表明施加沼液比施加尿素明显提高了土壤微生物数量和酶活性[34]，养殖肥液中有机碳可能被微生物截留而存在于土壤中，从而降低了DOC的淋失。

试验结果发现两种硝化抑制剂伴施养殖肥液淋溶液中DOC浓度削减显著，可能是硝化抑制剂影响了肥液施加的土壤碳氮循环，起到抑制有机碳分解的作用[35]。有研究表明，在同时含有有机碳和无机碳的石灰性土壤中加入硝化抑制剂后，土壤CO2释放量降低了11.0%～13.9%[35]。