季铵盐改性秸秆阻控养殖肥液灌溉土壤氮淋失

2021-12-20张理胜赵迪薄录吉张克强王风

农业环境科学学报 2021年11期

张理胜，赵迪，薄录吉，张克强，王风*

（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，济南 250100）

氮素是设施蔬菜生长所必需的营养元素之一，蔬菜种植过程常因大水大肥的生产方式而导致大量氮素通过淋溶进入地下水体，从而造成环境污染[1-2]。有效阻控种植过程中氮淋失，成为推进农业绿色发展亟需解决的突出问题[3-4]。

第二次污染源普查结果显示，我国每年产生农作物秸秆8.05亿t，除被用于制浆造纸、制作饲料外[5]，仍有大量秸秆被闲置浪费或燃烧。为促进秸秆资源化利用，实现“以废治废”的目标，将其用于水体阴离子的脱除是一种良好的途径。但秸秆存在缺乏功能位点和吸附性能低的问题，通过改性可明显提升其吸附性能[6-8]，改性秸秆吸附水体阴离子的机制主要是静电吸引和离子交换作用。通过改性的方式不仅可以脱除水体中的阴离子，而且可同时回收有价值的元素。其中，季铵盐改性方法由于吸附效率高、性能好等优点而成为研究热点，如WANG 等[9]用季铵盐改性秸秆吸附废水中的硝态氮，去除率高达82.4%；FAN等[10]以玉米秸秆为原料制备季铵盐改性秸秆，试验结果表明其对水体中硝态氮的最大吸附量达60.1 mg·g-1；张涛[11]的研究发现，在有其他阴离子干扰的情况下，改性秸秆对水体硝态氮仍有较好的吸附效果，吸附量可达51.7 mg·g-1；王林[12]的研究表明，pH在2～11范围内时，改性秸秆对硝态氮的吸附效果变化较小。以上研究均表明季铵盐改性秸秆作为阴离子吸附剂，对水体硝态氮具有良好的吸附效果。但是，将其用于阻控土壤氮素损失的研究还鲜有报道。

养殖肥液因肥效高、易吸收等优点而被广泛用于蔬菜和大田作物[13]。养殖肥液施用后可通过硝化作用，使大量的铵态氮转化为硝态氮，硝态氮向下迁移到土壤深层后就很难被作物利用[14-16]。阻控养殖肥液施用过程中的氮素损失十分重要。本研究通过温室内土柱淋溶模拟试验，探究季铵盐改性秸秆施用量和施用方式对养殖肥液灌溉后土壤氮素淋失的影响，以为高效阻控土壤硝态氮淋溶，促进养殖肥液安全利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

1.1.1 供试土壤及养殖肥液

供试土壤取自天津市东丽区大毕庄作物耕作0～20 cm土壤，土壤质地为壤土。新鲜土样经自然风干，挑拣出肉眼可见的作物根茎及石块，过2 mm 筛，混匀风干后备用。供试土壤基本理化性质：pH 7.71、总氮（TN）含量为1.40 g·kg-1、硝态氮（NO-3-N）含量为3.01 mg·kg-1、铵态氮（NH+4-N）含量为8.00 mg·kg-1、有机质含量为24.35 g·kg-1。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，原料为猪粪。养殖肥液pH 7.92，TN 浓度为533.26 mg·L-1，NH+4-N 浓度为360.74 mg·L-1，NO-3-N 浓度为2.21 mg·L-1。

1.1.2 改性秸秆的制备

季铵盐改性秸秆由山东省农业科学院提供，制备过程如下：将8 g 秸秆分散于80 mL 乙醇中，依次加入6.0 mL 浓度为2%的NaOH 溶液和16.0 g 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，将混合物于45 ℃水浴搅拌3 h，并将体系pH 调至中性（用冰醋酸和氢氧化钠调节溶液初始pH 值），抽滤，依次用甲醇和乙醇充分洗涤样品，并于60 ℃烘干至恒质量。

1.1.3 试验装置

土柱淋溶模拟装置为PVC 材质，内径为19 cm，高度为30 cm。试验前在柱体内壁涂抹一层凡士林以减少边缘效应，将改性秸秆与土样按比例混合均匀填充至土柱中，土壤质量约为7 kg，容重1.26 g·cm-3，装好的土柱置于稳定的钢架上与地面保持垂直。柱体底部铺设100目尼龙网及2 cm厚的石英砂，以防止底层土的流失，柱体出水管中塞满脱脂棉花，以深度过滤水样。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验设6 个处理。处理1：养殖肥液（CK）；处理2：养殖肥液+1%改性秸秆，上部混合施用（0～10 cm，1%US）；处理3：养殖肥液+2%改性秸秆，上部混合施用（0～10 cm，2%US）；处理4：养殖肥液+4%改性秸秆，上部混合施用（0～10 cm，4%US）；处理5：养殖肥液+4%改性秸秆，全土层混合施用（0～20 cm，4%HS）；处理6：养殖肥液+4%改性秸秆，隔层施用（10 cm 隔层，4%GS）。每个处理设3 次重复，共18 个土柱。每隔3 d施用养殖肥液300 mL，共施用5次，施氮总量为300 kg·hm-2。

1.2.2 淋溶模拟试验

试验于农业农村部环境保护科研监测所温室内进行，试验前土柱每日加去离子水800 mL 连续淋洗3 d，以减少由于装土过程所造成的差异。之后每隔3 d 施用养殖肥液1 次，共施用5 次。随后收集淋溶液，带回实验室立即进行各项指标的测定。施用试验结束后，将土柱中的土壤按照0～10 cm 和10～20 cm 分层取样，密封冰箱保鲜保存。

1.2.3 测定指标及方法

土壤pH 用pH 计测定（水土比为5∶1），含水量用烘干法测定，NH+4-N 和NO-3-N 含量用KCl 浸提-比色法测定[17]，养殖肥液及淋溶液TN 浓度采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定，NH+4-N 浓度采用全自动流动注射分析仪（FIA-6000+）测定；NO-3-N 浓度采用紫外分光光度法测定[18]。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2010、Origin 2017 和SPSS 19.0 软件进行处理和统计分析。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TN浓度变化特征

季铵盐改性秸秆施用下土壤淋溶液TN浓度变化特征如图1 所示，各处理TN 浓度呈现CK＞1%US＞2%US＞4%HS＞4%GS＞4%US 的趋势。随灌溉次数的增加，各处理淋溶液TN 浓度逐渐降低，至第3 次或第4 次灌溉时浓度达到最低值，第5 次灌溉时浓度有所上升。施加季铵盐改性秸秆处理淋溶液中TN浓度均显著低于CK 处理（P＜0.05），与CK 处理相比，1%US、2%US 和4%US 处理淋溶液TN 浓度分别降低了14.7%、43.9%和76.3%，改性秸秆施加量越多，TN 淋失阻控效果越好。改性秸秆施加量相同的条件下，5次灌溉过程HS、GS 和US 处理相对于CK 处理的TN浓度减少了60.5%、63.9%和76.3%，3个处理间的差异不显著（P＞0.05）。

2.2 淋溶液NO-3-N浓度变化特征

2.3 淋溶液有机氮浓度变化特征

季铵盐改性秸秆施用下土壤淋溶液有机氮浓度变化特征如图3 所示。各处理土壤淋溶液有机氮浓度均呈先降低后趋于稳定的趋势，对淋溶液有机氮的阻控效果大小顺序为4%US＞4%GS＞4%HS＞2%US＞1%US。第1 次灌溉使有机氮浓度显著降低，其中4%US处理有机氮浓度比其他两个施加量（1%和2%）更低，不同施加方式中4%US、4%GS 和4%HS 处理较CK 处理分别显著降低了75.4%、51.1%和34.4%（P＜0.05）。后4次灌溉过程中秸秆各处理与CK处理均无显著差异（P＞0.05）。

2.4 氮素累积淋溶量

季铵盐改性秸秆施用下淋溶液氮素累积淋失量如表1 所示，不同处理TN 淋失量为19.4～91.2 kg·hm-2，是施氮量的6.4%～30.3%。与CK 处理相比，1%US、2%US、4%US、4%HS 和4%GS 处理TN 累积淋失量分别降低了13.9%、47.1%、78.7%、77.9% 和78.5%，除1%US 处理外，其余处理均达到显著水平；NO-3-N 累积淋失量分别显著降低15.7%、51.8%、83.2%、83.1%和82.5%（P＜0.05）。TN 和NO-3-N 累积淋失量变化趋势基本一致，均随秸秆施加量的增加而降低。不同施加量及不同施加方式秸秆处理中NH+4-N 累积淋失量变化较小，均与CK 处理间差异不显著（P＞0.05）。有机氮累积淋失量随秸秆施加量的增加而降低，施用4%的季铵盐改性秸秆能显著降低其累积淋失量（P＜0.05），降幅达57.6%，不同施加方式下累积淋失量差异不显著（P＞0.05）。

表1 各处理土壤淋溶液氮素累积淋失量（kg·hm-2）Table 1 The nitrogen accumulation in the leaching water（kg·hm-2）

2.5 土壤NO-3-N含量

2.6 土壤NH+4-N含量

4%US 处理与CK 处理相比，NH+4-N 含量显著增加了505.4%（P＜0.05），其他处理与CK 处理相比虽然NH+4-N 含量有所增加，但处理间差异不显著。10～20 cm 土层中，4%GS 处理NH+4-N 含量最高，与其他处理之间存在显著差异（P＜0.05），其他各处理呈现4%US＞2%US＞CK＞1%US＞4%HS 的趋势，但各处理之间差异不显著。