不同施肥对蔬菜地氮磷垂直淋移影响的研究

谢国雄,胡康赢,王 忠,楼 玲,章秀梅

(1.浙江省杭州市植保土肥总站,浙江 杭州 310020;2.浙江省杭州市余杭区农业生态与植物保护管理总站,浙江 杭州 311100)

氮、磷是农作物生长的必需元素,对提高农作物产量、改善农产品品质起着十分重要的作用。施入农田中的氮与磷除发生生物吸收、土壤吸附和氨挥发等作用被消耗和滞留外,还有相当部分随地表径流或下渗水流进入地表水体和地下水体,对水环境产生污染[1,2]。近年来,随着肥料施用量的增加,蔬菜地氮、磷流失呈增加的趋势,由此引发的环境问题受到了人们的广泛关注[1,3～7]。据报道,农田氮、磷流失与肥料施用量、农田水分学特性及土壤性质等有关,在空间上可有较大的变异[8～12]。许多研究[13～14]表明,不同肥料中养分存在的形态及其生物有效性存在较大的差异,有机肥料中的有机物质可影响土壤性状从而改变进入土壤养分的化学形态和行为,因此化肥与有机肥中的养分在土壤中的转化与迁移也有较大的不同。近年来,中国推行化肥的有机替代,这一方面改善了土壤有机质状况,同时也在一定程度上改变了土壤中养分的循环。青紫泥田是浙江省水网平原[包括杭(州)嘉(兴)湖(州)平原、宁(波)绍(兴)平原和温(州)黄(岩)平原]重要的土壤资源,其分布区地势低洼(海拔多在3～5 m)、地下水埋藏浅(多小于0.5 m);而平原也是浙江省肥料用量相对集中的区域。地下水埋藏浅和肥料施用强度大使青紫泥田蔬菜地的地下水受施肥污染风险极大。本文采用土柱淋洗法模拟研究了在种植蔬菜情况下施用不同量化肥和有机肥时氮、磷的垂直迁移的特点。

1 材料与方法

1.1 研究土壤

研究土壤(青紫泥田)属水稻土土类、脱潜型水稻土亚类,采自浙江省杭州市。通过挖掘剖面,按土壤发生层,从上至下分别采集耕作层(A)、犁底层(Ap)和脱潜层(Gw),采样深度分别为0～15、15～25和25～40 cm;同时用容重圈法测定容重。考虑到40 cm以下水稻根系很少,当养分移至40 cm以下时基本上可以认为养分已淋失,而40 cm深度已基本达到地下水位,因此将采样的总深度定为40 cm。采集的土壤样品在室内风干,过5 mm土筛,用于土柱淋洗试验;取少量过5 mm土筛的土样，将其进一步磨细，过2 mm和0.125 mm土筛,供土壤理化分析之用。土壤基本性质用常规方法[15,16]测定,结果列于表1。

表1 供试土壤的基本性质

1.2 土柱设计

共设3类不同高度的土柱:第一类只含有A层(下称A土柱),土柱高度为15 cm,淋洗管为25 cm长、内径为10.4 cm的PVC管;第二类由A+Ap两个土层构成(下称A+Ap土柱),土柱高度为25 cm,淋洗管为35 cm长、内径为10.4 cm的PVC管;第三类由A+Ap+Gw三个土层构成(下称A+Ap+Gw土柱),土柱高度为40 cm,淋洗管为50 cm长、内径为10.4 cm的PVC管。在装土前,每个PVC管底部用100目的尼龙网封好,外套1个口径为12 cm的多孔塑料篮作为底座进行加固；在装入2 cm厚的酸洗石英砂后,由下至上按顺序装入过5 mm筛的各层土壤,每层土壤进行适当镇压使容重与田间一致,装入土层的厚度也与田间相同。全部土层装好后,再在上面覆1层2 cm厚的酸洗石英砂。每个处理重复3个土柱。

1.3 肥料处理

试验共设有机肥和化肥等2类肥料处理,每类肥料各设4个用肥量等级。有机肥为猪粪,采自某一集约化养殖场,系干湿分离池分离的腐熟猪粪,其pH值为7.53,全N含量为35.43 g/kg(以干粪为基准),全P含量为20.03 g/kg(以干粪为基准)。4个肥料用量处理的有机肥施用量分别为0、4.23、7.06和9.88 t/hm2,相当于N用量分别为0、150、250和350 kg/hm2; P用量分别为0、85、141和198 kg/hm2。化肥处理的化肥由尿素和过磷酸钙组成(两者一并施用),也设4个等级处理,其N、P用量与以上有机肥处理一致,其N用量分别为0、150、250和350 kg/hm2，P用量分别为0、85、141和198 kg/hm2。淋洗试验在装土前,将肥料施入表层土壤,并混匀。表2为各肥料处理的N、P施用量,以土柱横截面积折算出每个土柱的施肥量。

1.4 淋洗试验

采用间歇式模拟降雨模拟旱作地土壤氮、磷淋洗。在淋洗前,向每一土柱中缓慢加入去离子水,避免下渗水漏出土柱,逐渐使土壤保持近饱和状态,放置3 d后开始进行淋洗试验。淋洗试验共持续7个星期,每星期淋洗1次,每次加入水量为50 mm,并控制淋洗速率,使土柱表面不形成水层；共淋洗7次,累计加水量为350 mm,相当于当地雨季蔬菜地土壤平均入渗量。用酸洗塑料容器接纳渗漏液,并测量渗漏液体积,测定其中的N和P的浓度。

表2 试验各处理的肥料施用量 kg/hm2

水样过0.45 μm滤膜后,分为2份,用于可溶性总N(DTN)、可溶性总P(DTP)、NO3-N、NH4-N和无机P浓度的测定。其中一份水样经过硫酸钾消化后,用紫外分光光度计法测定DTN,用钼蓝比色法测定DTP;另一份水样,直接用纳氏试剂光度法测定NH4-N,用紫外分光光度计法测定NO3-N,用钼蓝比色法测定无机P。有机态N(OM-N)用DTN与NO3-N及NH4-N差值计算,有机P用DTP与无机P差值计算。每一土柱7次淋洗淋出的各养分总量用渗漏液体积与相应养分浓度进行计算。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤氮淋失浓度的影响

无论是施用有机肥还是化肥均可显著提高渗漏液中NO3-N的浓度(图1)。渗漏液中NO3-N浓度随肥料用量的增加而显著增加。化肥处理的渗漏液中NO3-N浓度最高峰出现在第2～4次淋洗过程中,这可能与尿素转变为NH4-N,再进一步在硝化细菌的作用下氧化为NO3-N需要一定的时间有关。第4次淋洗后,渗漏液中NO3-N浓度逐渐趋向下降。而有机肥处理的渗漏液中NO3-N浓度在开始时逐渐增加,至第3次淋洗后NO3-N浓度变化较为平缓,显然与有机肥中N矿化需要较长的时间、其养分释放较慢有关。化肥处理的渗漏液中NO3-N浓度明显高于有机肥处理,这在NO3-N释放高峰期(第2～5次淋洗)尤为明显,且NO3-N浓度多在10 mg/L以上,对水环境有较大的影响。化肥处理的不同类型土柱产生的渗漏液中NO3-N浓度也有一定的差异,表现为A+Ap土柱>A土柱>A+Ap+Gw土柱,这可能是因为:从A层淋出的渗漏液进入Ap层后,其中的NH4-N进一步氧化为NO3-N,使从Ap层淋出的渗漏液中NO3-N浓度略有提升；而当移至Gw层后,有少量的NO3-N被土壤吸持或转化成其它形态的N,使Gw淋出的NO3-N浓度有所下降。而对于有机肥处理,从上层至下层土壤淋出的渗漏液中NO3-N浓度略呈下降的趋势。

图1 不同施肥处理对土壤NO3-N淋失浓度的影响

施肥对渗漏液中NH4-N浓度也有明显的影响(图2),随着N肥用量的增加,渗漏液中NH4-N浓度也呈明显的增加。对于化肥处理,渗漏液中NH4-N浓度明显低于NO3-N,这可能与土壤对NH4-N有较强的吸附能力及NH4-N不稳定、在转移过程中易氧化为NO3-N等有关。而对于有机肥处理,渗漏液中NH4-N浓度与NO3-N浓度大致相当。化肥处理的渗漏液中NH4-N最高浓度出现在第3次的淋洗过程中,之后逐渐下降;而对于有机肥处理,渗漏液中NH4-N的浓度与NO3-N相似,随淋洗次数的增加变化较为平缓,也证明了有机肥N的矿化较慢,可持续较长的时间。与NO3-N相似,化肥处理渗漏液中NH4-N浓度也明显高于有机肥处理。从3类土柱中淋出的渗漏液NH4-N浓度变化可知,从上至下,相同肥料处理的渗漏液中NH4-N呈明显的下降,从A土柱至A+Ap土柱,渗漏液中NH4-N浓度约下降了1/2;从A+Ap土柱至A+Ap+Gw土柱,渗漏液中NH4-N浓度又下降了1/3～1/2,说明了土壤对NH4-N有较强的吸附作用。

图2 不同施肥处理对土壤NH4-N淋失浓度的影响

渗漏液中有机态N(OM-N)浓度的变化与NO3-N和NH4-N有明显的差异(图3),有机肥处理明显高于化肥处理,并随有机肥用量增加而明显增加。对于A土柱,有机肥处理淋出的渗漏液中OM-N浓度随淋洗次数的增加而迅速下降,从开始时的15～35 mg/L下降至第3次淋洗后的12 mg/L以下;而化肥处理渗漏液中OM-N浓度始终在5 mg/L以下,随淋洗次数的增加变化不明显。A+Ap土柱和A+Ap+Gw土柱淋出的渗漏液中OM-N浓度明显低于A土柱,说明土壤对OM-N有一定的吸持作用或OM-N在迁移过程中发生降解转变成了其它形态的N。从A+Ap+Gw土柱产生的渗漏液中OM-N浓度:有机肥处理的基本上在7 mg/L以下,而化肥处理的基本上在3.5 mg/L以下。

图3 不同施肥处理对土壤有机N(OM-N)淋失浓度的影响

化肥处理与有机肥处理的渗漏液中可溶性总N(DTN)浓度变化不同,且前者高于后者(图4)。化肥处理的DTN浓度随淋洗次数的增加呈先上升再下降的变化特点,与NO3-N浓度的变化相似。不同土柱渗漏液中DTN浓度表现为A土柱>A+Ap土柱> A+Ap+Gw土柱,但下降幅度较小,从A土柱至A+Ap土柱,下降15%左右；从A+Ap土柱至A+Ap+Gw土柱,下降20%左右。在有机肥处理中,A土柱产生的渗漏液DTN浓度随淋洗次数增加趋向平缓；A+Ap土柱和A+Ap+Gw土柱产生的渗漏液DTN浓度随淋洗次数的增加呈现先增加后下降的变化特点,但变化幅度明显小于化肥处理。

2.2 不同施肥处理对土壤磷淋失浓度的影响

无论是有机肥处理还是化肥处理,渗漏液中P浓度明显低于N(图5),这主要是由于土壤与磷之间发生了剧烈的反应，土壤吸附P的容量很大，P素较难在土壤中迁移。但与对照比较,磷肥的施用仍可促进渗漏液中TP浓度的提升。从图5还可知,有机肥处理渗漏液中TP浓度明显高于化肥处理,这与有机P比无机P难固定、易发生垂直迁移有关。从A土柱产生的渗漏液中TP浓度随淋洗次数增加而逐渐下降,有机肥处理的从0.8～3.0 mg/L下降至0.3～1.1 mg/L;而化肥处理的则从0.3～1.5 mg/L下降至0.15～0.6 mg/L。由于土壤对P的强烈固定,渗漏液中TP浓度从上层至下层呈明显的下降趋势,从A土柱至A+Ap土柱,下降幅度达2/3左右,而从A+Ap土柱至A+Ap+Gw土柱,下降幅度也达2/3～3/4,这表明由于肥料主要施入A层,虽然从A层淋出的渗漏液中含有较高浓度的TP,但通过Ap和Gw后,渗漏液中TP浓度已达到了较低的水平。

图4 不同施肥处理对土壤可溶性总N(DTN)淋失浓度的影响

图5 不同施肥处理对土壤可溶性总P(DTP)淋失浓度的影响

从表3可以看出：对照处理和化肥处理渗漏液中TP主要为无机态P,后者平均占TP的80%以上;相反,有机肥处理的渗漏液中TP主要为有机态P,无机态P平均约占TP的50%以下。

表3 渗漏液中无机态P占总可溶态磷(DTP)的比例 %

2.3 不同施肥处理对土柱累计氮、磷淋失量的影响

表4为根据渗漏液体积与养分浓度计算的7次淋洗累计养分淋失量。结果表明,施肥显著增加了土壤中养分的淋失。在相同N施用量的情况下,化肥处理的N累计淋失量明显高于有机肥处理,其中NO3-N和NH4-N的淋失尤为明显。施用有机肥可大大减弱NO3-N和NH4-N的淋失,但显著增加了有机N(OM-N)的淋失。而有机肥的施用增加了TP的淋失,并以有机P为主,这可能与有机肥的施用增加了有机小分子化合物、减弱了土壤对磷的吸附有关。Ap和Gw层可显著减弱养分的淋失,其中对P和有机N的影响尤为突出,对NH4-N也有较大的阻拦作用,但对NO3-N的阻拦能力较弱。从A+Ap+Gw土柱中产生的渗漏液中的养分是真正从土壤中损失的养分,与对照比较,处理CF1、CF2、CF3、OM1、OM2和OM3的NO3-N淋失量增加率分别达227%、449%、822%、19%、38%和158%,NH4-N淋失量增加率分别达147%、310%、838%、44%、131%和528%,DTN淋失量增加率分别达158%、294%、551%、32%、31%和222%,且施用化肥的增幅明显高于有机肥。而CF1、CF2、CF3、OM1、OM2和OM3等处理较对照增加的DTP淋失量分别达12%、59%、106%、35%、76%和141%,施用有机肥处理的增幅高于化肥处理。

表4 7次淋洗过程中各形态N和P的累计淋出量 mg/柱

淋出量随施肥量的增加而增加,对于N素,当用量超过250 kg/hm2时,其淋失损失的强度(图6中曲线的斜率)呈增加的趋势。而P素的淋失基本上随P用量的增加而呈直线增加。在P用量低于150 kg/hm2时,施用有机肥处理的P淋失量比施用化肥处理更大;而当P用量超过200 kg/hm2时,施用化肥处理的P流失量比施用有机肥处理大。

图6 从A+Ap+Gw土柱淋出的养分量与施肥量的关系

表5为在不同肥料施用量条件下肥料N和P的淋失比例(已扣除对照土壤中淋失的N和P量)。从表5中可知,从A层淋出的N占肥料N的24.01%～40.06%,且化肥处理高于有机肥处理,并随肥料用量增加,淋失比例有增加的趋势。从A层土柱至A+Ap+Gw土柱,淋出的N的比例显著降低,其中以施用有机肥处理的降幅更为明显。因此,从A+Ap+Gw淋失N的比例：化肥为18.76%～26.66%;有机肥在3.31%～11.01%之间。

肥料P的淋失比例较低,从A层土柱淋失的比例：化肥为0.43%～1.32%,有机肥为0.84%～2.43%,即有机肥处理高于化肥处理。从A+Ap+Gw层土柱淋失的P的比例:化肥为0.07%～0.13%,有机肥为0.10%～0.17%。

表5 土柱中养分淋出量占施肥量的比例 %

3 小结

土柱淋洗试验的结果表明,不同用量化肥和有机肥对青紫泥田蔬菜地土壤氮、磷垂直淋移有明显的影响。淋出液中氮和磷的浓度及氮、磷的淋失量随化肥和有机肥用量的增加而增加;在相同氮和磷施用量的条件下,化肥氮素淋失量高于有机肥,而有机肥磷的淋失量高于化肥。施肥对渗漏液中P浓度的影响明显低于对N浓度的影响。从15 cm深的土层(大致相当于耕作层)淋出的N占肥料N的24.01%～40.06%,且化肥处理高于有机肥处理,并淋失比例随肥料用量的增加有增加的趋势。P淋失的比例,化肥为0.43%～1.32%,有机肥为0.84%～2.43%,有机肥的高于化肥。从40 cm深土层淋出的N(大致相当于进入地下水的量)占肥料N的比例:化肥为18.76%～26.66%,有机肥为3.31%～11.01%。肥料P的淋失比例:化肥为0.07%～0.13%,有机肥为0.10%～0.17%。化肥处理渗漏液中TP主要为无机态P,后者平均占TP的80%以上;有机肥处理的渗漏液中TP主要为有机态P,无机态P平均约占TP的50%以下。由于本研究是在非作物生长条件下进行的,因此田间实际N和P淋失量可能会低于以上研究结果。