模拟径流试验条件下紫色土有机肥氮素流失特征研究

夏红霞，朱启红，刘希东，李 强，王书敏，丁武泉，杨志敏，陈玉成

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

紫色土是三峡库区最主要的土壤类型，其矿质养分丰富、肥力较高，农业发展潜力巨大；但质地松软、土层浅薄、易于崩解，加之库区雨量充沛、降雨集中，且区域内人口密度大，农业垦殖指数和复种指数高等，极易造成水土流失[1]。据资料显示，在自然、人为因素共同作用下，库区紫色土已成为长江上游水土流失最严重的土壤类型[2]，每年流失的表土量已达3.77亿t[3]，由此引发的库区水环境污染问题也日益凸显[4]。

化肥具有养分含量高、肥效快等优点，可显著增加粮食产量。我国之所以能用占世界7%的耕地养活占世界22%的人口，化肥起着至关重要的作用。但据张福锁等[5]研究结果和农业农村部[6]制定的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》显示，当化肥施用量达到一定水平后，化肥的增产效应显著降低，土壤有机质含量明显降低，并引起土壤酸化、板结以及养分流失严重等诸多问题。有机肥是我国农业生产的传统肥料，施用有机肥不仅可以增加土壤养分，改善土壤环境，还可以提高农产品质量，一直以来被认为是当前农业面源污染防控措施中“化肥减控”的最佳替代品。国外学者也提倡在现代农业生产过程中合理施用有机肥，以避免因施用化肥带来的氮、磷流失。但SMITH等[7]研究发现，施用有机肥也会造成大面积的面源污染，尤其是在有机肥施用后的短时间内遇到暴雨冲刷或持续降雨，更容易增加土壤养分流失。国内学者对此也进行了相关研究，杜晓玉等[8]研究了鸡粪、猪粪、牛粪以及鸭粪对砂质潮土氮流失的影响，发现施用有机肥可造成土壤可矿化氮含量增加，增加农田土壤氮素流失风险。姚娜等[9]研究发现，在农田土壤中施用有机肥造成土壤氮、磷流失量明显增加。由此可见，施用有机肥同样会引起土壤养分的流失。农田氮流失会受地形地貌、气候气象、土壤条件、土地利用、农田管理措施等多种因素的影响[10]，其中，施肥是氮素流失的物质基础，降雨是产生氮流失的先决条件，坡度能直接支配地表径流，是土壤氮素流失最重要的地形因素[11]。因此，本研究拟通过向紫色土中施用不同类型有机肥，研究其在模拟不同用量、坡度和雨量条件下对紫色土氮流失的影响，以揭示施用有机肥对紫色土氮素流失的影响机制，以期为紫色土区域水体富营养化研究和农业管理部门指导农民合理施用有机肥提供理论依据和数据支撑。

1 材料和方法

1.1 材料

供试土壤取自重庆市北碚区某紫色土坡耕地，经测，0～20 cm供试土壤基本理化性质如下：pH值6.82、有机质含量26.03 g/kg、全氮含量1.91 g/kg、容重1.12 g/cm3；20～40 cm供试土壤基本理化性质如下：pH值6.82、有机质含量24.76 g/kg、全氮含量1.73 g/kg、容重1.26 g/cm3。

根据重庆地区农业施肥习惯，有机肥选用干牛粪、沼液、油枯(又称菜饼，是油菜籽经压榨除油后的残渣)以及有机-无机复混肥，化肥为磷酸氢二铵。其中，牛粪代表动物性固态有机肥、油枯代表植物性固态有机肥、沼液代表液态发酵有机肥、有机-无机复混肥代表工业化有机肥。牛粪和沼液均采自重庆市天友集团北碚区奶牛养殖基地，磷酸氢二铵、有机-无机复混肥以及油枯购买自重庆市北碚区农贸市场。经测试，供试牛粪(SM)、沼液(BS)、油枯(OC)、有机-无机复混肥(OF)和磷酸氢二铵中的总氮含量分别为24.56、1.37、41.57、142.72、185.16 g/kg。

1.2 试验设计

紫色土氮素流失研究采用径流试验，在西南大学资源环境学院人工降雨实验室进行。试验用Norton Veejet 80100型喷嘴式人工降雨机。径流试验装置如图1所示，径流槽采用铁质土槽，规格为1 m×0.6 m×0.5 m(长×宽×高)。根据库区紫色土耕地坡度以及耕作层土壤厚度，径流槽倾斜坡度设置为5°、15°。径流槽一端与高度调节支架链接，通过高度调节支架来调节径流槽的倾斜度，径流槽另外一端与径流收集桶和出水管相连。

图1 径流试验装置Fig.1 Device of runoff experiment

为提高模拟试验与实际耕作层土壤的相似性，分别采集0～20、20～40 cm土壤带回实验室，将各层土壤充分混匀后依次填充于径流槽。填充土壤时，以每5 cm为1层填充土样，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。根据前期获取的土壤容重数值，0～20 cm层土壤容重设置为1.12 g/cm3、20～40 cm层土壤容重设置为1.26 g/cm3。土壤填充后，根据径流槽大小计算出各种肥料施用量，将牛粪、油枯、有机-无机复混肥等供试肥料于人工降雨前一周与表层土壤充分混合(根据农事习惯，所有肥料直接施用，未经发酵)，用去离子水将土壤水分含量调节至样品采集时获取的测定值，用塑料薄膜覆盖后待用，期间适当补充水分以保证土壤含水量。因沼液(BS)含有大量水分，将每次所需沼液分2次均匀铺施于表土，不再另行浇水。

径流试验采用完全随机设计，每个处理均重复3次。以施化肥(磷酸氢二铵)为对照(CF)，不施肥为空白(CK)，具体试验设计见表1。径流试验时，首先分别将5种肥料(3种有机肥、1种有机-无机复混肥、1种化肥)与径流槽中的土壤充分混合后放置1周，以不施肥为空白(装填土壤后仍需放置1周)，每一处理均重复3次，合计18个径流槽。然后每次选用6个静置1周后的径流槽进行径流试验，试验结束后更换为备用的6个径流槽，经过3轮完成18个径流槽的径流试验。在整个径流试验过程中，人工降雨装置的雨量、喷洒角度、喷洒高度等均保持一致。

试验中主要考察施肥量、降雨强度以及坡度对氮素流失的影响。根据重庆市近几年的暴雨降雨强度及发生频率，将径流试验降雨强度设置为83、104 mm/h，每次降雨60 min。根据库区有机肥施肥情况，径流试验中供试肥料施肥量设置为300、450 kg/hm2(以N计)。

表1 模拟径流试验设计Tab.1 Experimental design of runoff simulation test

1.3 样品采集与分析

1.4 数据处理

土壤养分流失率按下列公式进行计算：

式中，Ca表示有机肥处理总氮含量；Cb表示化肥处理总氮含量；Ck表示空白总氮含量。

试验所获得的数据用SPSS和Excel软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 径流液中的TN流失

各处理各径流场次径流液中TN含量如图2所示。在供试条件下施肥处理径流液中TN含量均极显著(P<0.01)高于不施肥的空白，为空白的3.4～9.1倍；而供试有机肥处理径流液中TN含量与化肥处理相比差异不显著(P>0.05)。利用1.4中给出的公式计算各有机肥相对化肥的径流TN流失率如图3所示，在相同条件下，有机肥相较于化肥TN流失率存在较大差别。牛粪在第2～6场径流中相对化肥总氮流失率介于4.00%～37.29%，其余场次则介于-2.38%～-9.85%，且在不同场次中差别较大。沼液在第1、4、6、7、8场径流中相对化肥TN流失率介于-1.07%～-24.38%，在第2、3、5场径流中相对化肥TN流失率介于2.54%～15.84%。油枯在第1、4、6、7、8次径流中相对化肥TN流失率介于-3.22%～-22.91%，在第2、3、5场径流中相对化肥TN流失率介于1.69%～12.87%。有机-无机复混肥在第2～5场径流中相对化肥TN流失率介于6.78%～19.28%，在第1、6、7、8场径流中相对化肥TN流失率介于-6.00%～-23.81%。对有机肥相对化肥TN流失率进行Duncan′s多重比较，结果显示，供试肥料相对化肥TN流失率大小顺序为牛粪>有机-无机复混肥>沼液>油枯。由此表明，在紫色土中施用有机肥一样会造成氮素径流流失。

图2 径流液中TN含量Fig.2 TN content in runoff fluid

图3 有机肥相对化肥TN流失率Fig.3 TN loss rates of organic fertilizers relative to chemical fertilizer

2.2 径流液中TN流失的影响因素分析

陈永高等[12]、王丽等[13]研究表明，土壤养分流失主要受地形地貌(坡度)、降雨强度、肥料品种、施肥量、植被覆盖程度、土壤性质以及管理方式等因素的综合影响。为分析氮素在紫色土中的流失特征，试验中选取降雨强度、施肥量和坡度3个因素进行多元线性回归分析，建立径流液TN含量与降雨强度、施肥量、坡度三因素间的回归模型，回归分析结果如表2所示。

由表2可知，各处理回归系数均为正数，且回归显著性P<0.05。由此表明，在本试验条件下，施用的化肥与有机肥径流液TN含量与降雨强度、施肥量、坡度三因素之间呈显著正相关关系，即在供试紫色土中，降雨强度越大、施肥量越高、土壤坡度越大，施用肥料氮素的流失量越多，这与陈维梁等[14]的研究结果相似。冯小杰等[2]研究也发现，紫色土丘陵区土壤氮素流失随降雨量增加而增大。本试验结果还显示，在各偏回归系数中，b3>b2>b1。由此表明，在本试验条件下坡度是引起氮素流失最主要的因素，施肥量次之，降雨强度最小。

表2 模拟径流液中TN含量的回归分析Tab.2 Regression analysis of TN content in runoff simulation

2.3 径流液中氮流失的形态分析

图4 径流液中各形态氮含量Fig.4 Content of each nitrogen form in runoff fluid

3 结论与讨论

本试验所用的化肥(磷酸氢二铵)是一种易溶于水的无机化合物，施用到土壤中易被植物吸收利用或随水土流失而流失，尤其是在施用初期受到雨水冲刷时流失更为明显。有机肥是一种来源于植物或动物残体，为植物生长提供营养物质的有机质，其氮素主要以有机态存在，故在施用初期不易造成氮素流失。但是，有机肥中含有大量碳素，可为土壤微生物提供比化肥更多的碳源，利于土壤微生物的生长与繁殖[15]，随着有机肥施用时间延长，土壤微生物活性将会得到增强，促进了土壤和有机肥中氮素的矿化过程[16]，进而增加了有机肥中氮的流失[17]。闫丽珍等[18]研究表明，在整个太湖流域农田径流流失中的氮素80%来自于有机肥。但随着微生物对氮素的矿化进程，土壤中可被矿化的氮素逐渐减少，且有机质对土壤物理结构的改良作用逐渐凸显，土壤团聚体逐渐增多，从而提高了土壤的保水保肥能力，降低了土壤中氮素的流失。在施氮量以及其他试验条件相同的情况下，有机肥相对化肥TN流失率存在差异，这主要是因为不同有机肥对土壤和有机质中氮素的矿化过程不同，增加土壤中可溶态氮含量[19]，再加上有机肥自身含有不同量的可溶性有机氮，故在相同条件下氮素流失量不同。

降雨强度是地表产生径流以及土壤养分发生流失的关键因素，只有降雨强度超过土壤的入渗速率时才会产生地表径流，形成地表冲刷和土壤侵蚀[20]，导致土壤养分流失。相关研究也表明[21-22]，土壤养分流失主要发生在降雨强度较大的阵雨中。这是因为随着降雨强度增加，雨滴对地表的冲刷作用增强，极易改变地表土壤形貌，进而形成较大的地表径流，从而增加地表养分流失[23-24]。霍洪江等[25]研究发现，在阵雨集中的月份，紫色土地表径流氮素流失量与降雨强度呈显著正相关关系。薛鹏程等[26]研究也发现，农田径流主要受降雨强度控制，当降雨强度达到(20±2)mm时才会产生径流，且降雨量越大，地表径流的增长速度越快，平稳后的径流量也越大，氮素的流失速度越快。

坡度也是影响地表氮素流失的主要因素之一[27]。坡度是形成地表其他形貌的前提[28]，在有坡度存在的前提下才会形成坡长、坡形。坡度大小直接影响到雨滴对地面的冲刷角度以及冲刷力度，也会影响降雨在地表的入渗时间和入渗量，对地表径流的产生具有十分明显的作用[29]。KOULOURI等[30]、王丽等[13]研究表明，随着坡度增加，地表径流量明显增加，水土流失也越严重，径流溶质含量也越高，从而导致地表流失的氮素显著增加。陈正维等[31]研究也发现，在降雨过程中，地表氮素流失总量均随着坡度增大而增加，且坡度越大氮素径流含量稳定时间越短。

此外，施肥种类与施肥量也是影响土壤养分流失的主要因素之一[32]。司友斌等[33]研究表明，地表氮素流失量与施氮量密切相关，在一定施氮量的基础上每增施1 kg/hm2氮素，通过径流损失的氮素就会增加0.56～0.72 kg/hm2。在本试验中，化肥的偏回归系数最高，达3.548；有机-无机复混肥次之，为3.412；而牛粪的偏回归系数最低，仅2.433。由此表明，在相同条件下，化肥施用对氮素流失的影响高于有机肥；且施肥量对不同有机肥氮素流失量的影响存在差别，这可能与肥料自身特性有关。侯朋福等[34]经过近3 a的定位监测试验发现，不同肥料在稻田径流易发期氮素流失中差异较大，缓控释肥氮素流失量低于化肥，有机肥氮素流失量低于缓控释肥。付伟章[35]研究也发现，在降雨强度和施肥量一致的条件下，速效氮肥(碳酸氢铵)引起的氮素流失量最大，尿素次之，控释尿素最低。田发祥等[36]研究了不同缓控释肥料对双季稻稻田氮素流失的影响，发现膜包衣尿素TN径流损失较尿素减少26.3%～29.0%。

通过在模拟降雨条件下研究有机肥施用于紫色土的试验表明，在紫色土中施用有机肥一样会造成土壤氮素径流流失，且在本试验条件下，有机肥相对化肥TN流失率大小顺序为牛粪>有机-无机复混肥>沼液>油枯，这主要与供试肥料中氮素的存在形态有关，PN是供试肥料在紫色土中的主要流失形态。在本试验条件下，供试肥料在紫色土中的径流液TN含量与降雨强度、施肥量、坡度呈显著正相关关系，即在供试条件下，降雨强度越大、施肥量越高、土壤坡度越大，供试肥料氮素的流失量越多；且坡度是引起氮素流失最主要的因素，施肥量次之，降雨强度最小。因此，应该尽量减少在紫色土区坡度较高区域从事农业生产，并尽可能施用沼液、油枯等氮素流失率较低的有机肥，从而降低三峡库区紫色土氮素流失的风险，减少农业生产对库区水环境的影响。