有机肥替代化肥对紫色土坡耕地氮素流失的影响*

2022-03-11胡冬妮董志新

中国生态农业学报(中英文) 2022年3期

胡冬妮,董志新,朱波**

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所/中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室成都 610041;2.中国科学院大学北京 100049)

氮是作物产量与质量的主要限制养分,氮肥施用可提高粮食作物单产55%～57%。多年来我国的氮肥用量逐年增加,2018年中国氮肥施用量为1980年的2.2 倍,为我国粮食增长做出了巨大贡献。同时,氮肥过量施用也导致环境中活性氮的累积,造成氮素损失与严重的面源污染等问题。2020年,国家提出了“化肥使用零增长”行动方案应对环境挑战,而通过有机肥替代化肥减少化肥氮用量,提高氮肥利用率,是当前农业绿色发展的重要途径之一。

近年来,有机肥替代化肥逐渐得到广泛的关注及应用。Radwan 等研究表明有机肥替代化肥不仅能增加土壤根际微生物量,也能促进作物生长,提高作物生物量。Michael也发现有机替代化肥能显著改善土壤理化性质。德国西北部的田间试验结果表明,有机替代化肥能减少土壤氮淋失量的50%。我国大量研究表明,有机氮部分替代无机氮施肥能在维持作物生产的基础上,提高作物氮吸收量及氮素利用率;韩笑等发现有机肥替代化肥模式能显著降低土壤径流水的总氮浓度;张康宁等也发现有机肥替代化肥能显著提高土壤肥力,同时减少农田土壤氮流失;宁建凤等的研究表明化肥减量配合有机肥替代化肥能显著促进作物生长,减少土壤氮盈余量,降低氮流失风险。但是大部分研究结果均基于短期(小于3年)施肥试验,施有机肥导致的土壤性质改变并不稳定,且大多数研究中有机肥带入氮并未计入施氮量,氮施用水平未保持一致,因此,有机肥替代化肥的农学与环境效应有待进一步评估。

四川盆地是紫色土集中分布区,面积约16 万km,是长江上游农业主产区。紫色土是紫色砂页岩形成的岩性土,质地粗、水分渗透能力强,壤中流发育,氮素流失严重,是长江上游面源污染的重点源区。谢军等发现,有机氮替代50%无机氮能增加玉米()的氮吸收量与表观利用率。汪涛等发现有机-无机配合施肥在一定程度上可提高作物产量,减少紫色土氮流失。此外,徐泰平等的研究也表明有机肥替代化肥能减少紫色土坡耕地的氮素流失。可见,这些研究也证实了紫色土有机肥替代化肥能减控氮流失,但大部分研究结果基于对地表径流氮流失的控制,对壤中流的氮流失减控效果研究不足,且现有研究结果并未阐明其氮流失减控的机制,有机肥替代化肥的农学与环境效应也有待深入。因此,本研究拟通过紫色土长期施肥试验平台,利用有机肥替代化肥处理,开展不同施肥方式下紫色土坡耕地土壤无机氮动态、作物产量、氮流失途径与总量等的定位监测与对比分析,系统评估紫色土有机肥替代化肥的农学与环境效应,为紫色土农田氮素养分管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于四川盆地中部的中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站(105°27′E,31°16′N)内,海拔460 m,气候属亚热带湿润季风气候,具有冬暖、春旱、夏热、秋雨的特点。年均气温17.3 ℃,极端最高气温40 ℃,极端最低气温-5.1 ℃;降雨分布不均,无霜期294 d。试验场地农作物以冬小麦()-夏玉米轮作为主,一年两熟。

1.2 试验土壤理化性质

试验土壤为发育于侏罗系蓬莱镇组紫色岩的石灰性紫色土,0～20 cm 表层土壤基础理化性质为:pH 8.2,黏粒、粉粒、砂粒含量分别为22.3%、34.6%、43.1%;有机质8.75 g·kg,全氮0.81 g·kg,全磷0.84 g·kg,全钾18.01 g·kg,碱解氮42.29 mg·kg,速效磷9.02 mg·kg,速效钾86.35 mg·kg,土壤容重1.34 g·cm。

1.3 试验小区设计

试验小区布设在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站内的坡度为6.5°的坡耕地养分循环长期定位试验样地。小区坡长8 m,宽4 m,面积为32 m,土层深度60 cm。试验小区依据授权专利技术(ZL2007 100640686)建造,周边封闭,为独立水系小区,该装置也称作Free-drain Lysimeter。地表径流按常规径流小区设置集流、汇流和收集槽,汇入固定测量池;壤中流测定模拟岩性土的岩石与土壤界面出流(包括渗漏水、土壤亚表层和岩石-土壤界面流),可视为小区的淋溶水,本试验壤中流集流槽构建于土层下60 cm 处,由导水管道收集小区壤中流汇入测量池。具体示意图如图1所示。

图1 试验小区设计示意图Fig.1 Sketch map of experimented plot

1.4 施肥处理

本研究依托紫色土长期定位施肥试验(始于2002年)中的5 种处理:单施氮肥(N)、猪厩肥(OM)、常规施肥(NPK)、猪厩肥配施氮磷钾(OMNPK)、秸秆还田配施氮磷钾(CRNPK),以不施肥(NF)为对照,试验采用随机完全区组设计,每个处理设置3 个重复。试验中氮肥施用总量保持同一水平,全年施氮量280 kg(N)·hm,小麦季施氮130 kg·hm,玉米季150 kg·hm。其中,猪厩肥(OM)处理以猪厩肥替代100%的化肥;猪厩肥-无机肥混施(OMNPK)处理以猪厩肥替代30%的化肥氮,其余养分要素与常规化肥相同;秸秆还田配施氮磷钾(CRNPK)处理以秸秆替代15%的化肥氮,其余养分要素与常规化肥相同;每季施肥前,实测猪厩肥和秸秆的氮素含量以确定猪厩肥和秸秆的用量,猪厩肥C/N 约为15∶1,小麦和玉米秸秆的C/N 分别为32∶1 与45∶1,秸秆采用常规施肥处理的上季作物秸秆,经剪碎后以覆土翻耕的形式还田。试验中化学氮肥为碳酸氢铵(纯N 17%);磷肥施用量为90 kg·hm,为过磷酸钙(含PO12%);钾肥为氯化钾(含KO 60%),钾肥施用量为36 kg·hm。小麦季与玉米季的施肥方式分别为撒施与穴施,施肥方式为翻耕播种时一次性施入,不再追肥。

经过10年长期施肥试验,施肥方式对土壤的影响均已稳定,因此本研究基于紫色土长期肥料试验平台,开展完整的小麦-玉米轮作周期(2012年11月-2013年11月)的定位监测,研究有机替代化肥的农学与环境效应。

1.5 样品采集与分析

试验期间,气温与土温的数据来自位于长期施肥养分场旁的气象观测站;每周两次随机3 个点位采集各小区的表层土壤样品(0～10 cm),利用氯化钾溶液(1 mol·L)以1∶5 的比例浸提后送入流动分析仪测定土壤中无机氮含量;每次降雨产流结束后,分别测量及记录地表与壤中流径流收集池水位。测量后,将每个小区径流池中水样混匀后用聚乙烯塑料瓶采集2 份地表径流与1 份壤中流水样。

采集的水样带回实验室,其中一份地表径流水样利用传统烘干法测定泥沙含量,烘干后收集泥沙包样,通过元素分析仪测定氮含量;另一份水样与壤中流水样同批次采用碱性过硫酸钾消解-AA3 流动分析仪(德国SEAL 公司)测定水样中总氮(TN)含量;再将这批水样原液经0.45 μm 针式滤头过滤后过AA3 流动分析仪测定铵态氮(AN)和硝态氮(NN)浓度。收获季时,利用样方法采集小区中的植株,烘干后称量其产量及生物量。各指标的具体测定方法参考《土壤农业化学分析方法》。

1.6 数据处理与计算

各处理不同路径下的径流量采用下式计算:

式中:为紫色土坡耕地各处理不同路径下的总径流量(mm),为各路径下历次径流量(mm)。

各处理泥沙量采用下式计算:

式中:为各处理地表流失的总泥沙量(g·m),为各处理历次泥沙量(g·m)。

总氮流失量采用下式计算:

式中:为紫色土坡耕地总氮素流失量(kg·hm),为径流中总氮浓度(mg·L),为历次径流量(L),为试验期内径流产流次数,为试验径流小区面积(m),100 为单位转换系数。

基于单位产量的氮流失系数采用下式计算:

式中:为各施肥处理基于单位产量的氮流失系数(kg·hm·t),为各施肥处理下的总氮流失量(kg·hm),为各施肥处理下的作物单位产量(t)。

采用Excel 2019 进行相关数据计算,Origin 9.1绘图,SPSS 16.0 进行均值比较与方差分析;Duncan多重比较分析各组间显著性差异。

2 结果与分析

2.1 环境因子变化

试验期间(2012年11月至2013年11月)的降雨量、气温及土壤温度(10 cm)如图2所示。整年降雨量为1248.5 mm,降雨及产流事件集中在玉米季,观测期间共发生9 次产流事件,单次最大降雨量事件(120.1 mm)发生在7月22日,小麦季未观测到径流产生。气温和土壤温度(10 cm)变化范围分别为0.4～30.5 ℃和3.3～34.4 ℃,二者变化趋势基本相同,冬季最低,春季温度逐渐回升至夏季达到峰值。

图2 试验期间常规试验小区的降雨、径流量、气温及表土温度(0～10 cm)Fig.2 Rainfall,runoff,air temperature and topsoil temperature(0-10 cm)in the regular plot during the experimental period

2.2 有机肥替代化肥对紫色土氮素流失的影响

本试验冬小麦-夏玉米轮作期间的土壤无机氮含量如图3所示。除NF 外,其他施肥方式的表层土硝态氮、铵态氮波动趋势基本一致。氮肥施入土壤后铵态氮在极短的时间内转化为硝态氮,其浓度快速到达峰值。因小麦季降雨少,表土的硝态氮难以下渗,表土硝态氮浓度峰值持续约2 周;而在玉米季,降雨丰富,特别是施肥后第1 d、4 d 和5 d 便出现降雨,表土中的硝态氮在降雨的作用下产生淋溶,硝态氮含量高峰期仅持续约1 周(图3)。有机肥替代化肥处理下的土壤无机氮含量低于常规施肥(NPK),与NPK 相比,有机肥替代化肥的OM、OMNPK、CRNPK 处理铵态氮峰值含量分别减少了88.8%、51.5%和43.6%,硝态氮峰值含量分别减少了42.4%、29.0%和53.3%。

图3 不同施肥方式下的紫色土表土(0～10 cm)无机氮含量变化Fig.3 Changes of topsoil(0-10 cm)inorganic nitrogen contents under different fertilization regimes on sloping cropland of purple soil

不同施肥方式下,紫色土坡耕地地表径流、壤中流流量和泥沙量有显著差异(图4)(＜0.05)。试验期间,总径流量为地表径流与壤中流径流量之和,其范围为292.3～476.5 mm,其中NF 的地表覆盖度最低,其总径流量最大。与常规化肥(NPK)相比,有机肥替代化肥(OM、OMNPK 和CRNPK)的总径流量减少了15.0%、3.0%和26.1%,其中OM、CRNPK与NPK 差异显著(＜0.05)。各施肥处理下壤中流流量占总径流量的54.5%～84.6%,是紫色土坡耕地雨季的主要产流方式。紫色土坡地产沙量呈NF＞N＞NPK＞OMNPK＞OM＞CRNPK 的趋势,有机肥替代化肥方式下的产沙量与NPK 相比均显著降低(＜0.05),OM、OMNPK、CRNPK 泥沙量分别减少71.2%、40.9%和88.1%(图4)。

图4 不同施肥方式下紫色土坡耕地的地表径流、壤中流流量和泥沙量Fig.4 Discharge of overland runoff,interflow and sediment yield under different fertilization regimes on sloping cropland of purple soil

紫色土坡耕地氮素流失主要通过地表径流、壤中流与泥沙流失3 个路径上。紫色土坡耕地氮素流失总量为18.26～87.50 kg(N)·hm,氮流失总量呈N＞NPK＞OMNPK＞CRNPK＞OM＞NF 的趋势。与NPK 相比较,OM、OMNPK 和CRNPK 处理的氮流失总量分别显著减少32.1%、27.5%和21.2%(＜0.05)(图5)。

紫色土坡耕地通过地表径流流失的氮素为1.12～3.52 kg(N)·hm,平均地表径流的氮流失量仅占氮流失总量的3.5%,与常规化肥(NPK)相比,OM、OMNPK 和CRNPK 均能减少地表径流的氮素流失,且CRNPK 处理达显著水平(＜0.05)。以泥沙为载体流失的氮通量为1.48～7.26 kg(N)·hm,占氮流失总量的5.9%。与常规施肥(NPK)相比,OM、OMNPK、CRNPK 处理下随泥沙流失的氮素分别减少33.8%、34.7%和58.0%,其中N 和CRNPK 与其他施肥方式的泥沙流失氮差异显著(＜0.05)。通过壤中流途径流失的氮通量为12.53～76.72 kg(N)·hm,占氮流失总量的90.6%,该结果证实了壤中流是紫色土坡耕地氮素径流损失的首要途径。与常规化肥(NPK)相比,有机肥替代化肥处理(OM、OMNPK、CRNPK)的壤中流淋失氮分别减少32.0%、26.7%和18.0%(图5)。

图5 不同施肥方式下紫色土坡耕地氮素流失路径与总量Fig.5 Nitrogen loss pathways and fluxes from sloping cropland of purple soil under different fertilization regimes

2.3 作物生物量、产量及基于单位产量的氮素流失系数

小麦-玉米轮作周期(2012-2013年)各处理的全年总生物量为5.63～18.35 t·hm,冬小麦与夏玉米季的生物量分别为2.19～7.82 t·hm与2.51～10.55 t·hm,生物量最高施肥处理分别为CRNPK(7.82 t·hm)与OM(10.55 t·hm),OM 和OMNPK 处理的全年总生物量较NPK 增加了16.7%和9.3%,但无显著差异(表1)。小麦年产量为0.81～2.74 t·hm,玉米年产量为1.84～7.21 t·hm,小麦-玉米系统的年产量为2.68～9.95 t·hm,作物年产量呈OM＞OMNPK＞CRNPK＞NPK＞N＞NF 的特征。冬小麦和夏玉米季产量最高的施肥方式均为OM(2.74 t·hm和7.21 t·hm)。与NPK年总产量相比,OM、OMNPK 和CRNPK 处理的年总产量分别增加了23.0%、17.8%和4.1%,但差异不显著。可见,长期有机肥替代化肥能维持小麦与玉米生产(表1)。

基于单位产量的氮流失系数指小麦-玉米轮作系统的作物生产一定产量下,坡耕地的氮流失总量,以综合评估农学效益(产量)与环境效益(氮流失),因此计算了紫色土小麦-玉米轮作系统基于单位产量的氮流失系数(表1)。不同施肥方式下的氮流失系数为5.38～21.66 kg·hm·t,其中单施氮肥处理(N)的单位产量氮流失系数最高,为其他施肥方式的2.22～4.02 倍,长期单施氮肥会导致紫色土氮素大量累积,增加氮流失风险。与常规施肥(NPK)相比,有机肥替代化肥(OM、OMNPK、CRNPK)基于单位产量的氮流失系数分别降低44.8%、38.5%和24.3%,相同产量下,有机肥替代化肥显著减少了紫色土坡耕地氮素流失。

表1 不同施肥方式下小麦-玉米轮作系统的作物生物量、产量、总氮流失量及氮流失系数(2012-2013年)Table 1 Biomass,crop yield,nitrogen loss and nitrogen loss coefficient of wheat-maize rotation system under different fertilization regimes(2012-2013)

3 讨论

3.1 紫色土地区是我国氮淋失的热点区域

紫色土地区氮素流失主要通过地表径流、泥沙和壤中流3 个途径。各施肥方式下通过地表及泥沙流失的氮素分别为1.12～3.52 kg(N)·hm及1.48～7.26 kg(N)·hm,而通过壤中流携带流失的氮素为12.53～76.72 kg(N)·hm,占氮素流失总量的90.6%(图5),以壤中流为介导的氮淋失是紫色土氮素流失的首要途径。紫色土由于强烈的硝化作用,铵态氮迅速转化为硝态氮(图3),并在小麦季大量积累。而紫色土土层浅,呈“上覆土壤,下伏岩石”的“岩土二元结构体”,雨水入渗到达土壤-岩石界面,并在紫色岩-土壤界面产生水分侧向流动,导致壤中流的形成与发育,紫色土特殊的水文机制与土壤强硝化作用叠加加速了紫色土硝酸盐淋溶,导致紫色土氮淋失量高。常规施肥(NPK)年氮素淋失量为72.72 kg(N)·hm,占氮肥施用量比例的26.91%,其淋失比例远高于华北平原黄褐土(4.19%)、淮河流域潮土(17.8%)及南方地区的红壤(9.1%～19.5%)。且壤中流是紫色土地区浅层地下水的主要来源,紫色土氮淋失可能导致地下水硝酸盐污染,已有监测表明,紫色土地区的浅层地下水中硝酸盐浓度很高,50%已超过饮用水标准。氮素淋失已造成了严重的面源污染,而且可能威胁当地群众的饮水安全,表明紫色土地区是我国的氮淋失的热点区域。

3.2 有机肥替代化肥对紫色土氮流失的减控机制

本研究OM、OMNPK 和CRNPK 施肥方式中有机肥分别替代100%、30%和15%的化肥氮,结果表明这3 种有机肥替代化肥方式均可显著降低紫色土氮流失(图5)。与常规化肥(NPK)相比,有机肥替代化肥处理土壤无机氮峰值持续时间短、含量低,特别是硝态氮峰值含量分别降低57.3%、52.7%和53.3%(图3)。可能因有机肥替代化肥降低了土壤硝化微生物活性,减弱了紫色土强烈的硝化作用,减少了土壤剖面硝酸盐的累积,紫色土氮淋失的底物减少;同时壤中流介导的氮淋失是紫色土氮流失的首要途径,有机肥替代化肥方式下壤中流径流量远低于常规施肥;可见,有机肥替代化肥的施肥方式从底物与流量两方面减控了紫色土坡耕地壤中流的氮淋失量,从而降低了氮流失风险。本研究还发现,有机肥替代化肥可在一定程度提高作物生物量与产量(表1),这是由于有机肥与秸秆中富含多种养分与生物酶,施入土壤后能丰富微生物的群落及结构,并增强作物对土壤氮素的吸收能力,提高作物氮肥利用能力。有机肥施用对土壤环境的改变需要较长时间,短期施用并不能有效改变土壤有机碳、微生物群落和土壤结构。许多短期有机肥施用的研究表明有机替代化肥能减少土壤氮流失,但产量效应不一致,说明短期施用有机肥的效应不稳定。此外,大多数有机肥试验中,有机氮并未计入施氮量,总氮施用水平不一致,与化肥处理比较,有机肥处理的有机氮的叠加效应导致的增产不言而喻,难以证实有机肥“减肥增效”。本研究确保各施肥方式的总氮施用水平一致,并设置了有机肥替代100%、30%和15%化肥的梯度,利用已持续10年的长期有机肥试验开展的研究,可以系统阐明有机肥替代化肥的农学与环境效应。另外,壤中流介导的氮流失是紫色土氮流失的首要途径,以往紫色土有机肥控制氮流失的研究结果主要表现在对地表径流的减控上,对氮淋失的减控效应不得而知,而本研究发现控制地表径流的氮流失仅能控制约10%的总氮流失,而土壤氮淋失控制才是紫色土氮损失控制的核心。总体而言,紫色土有机肥替代化肥有效地协调了作物氮素吸收与氮流失间的矛盾,在维持作物生产的基础上,显著降低了总氮流失量,与NPK 相比,有机肥替代化肥处理的基于单位产量的氮流失系数分别降低44.8%、38.5%与24.3%(表1),对于氮损失减控及维持作物产量均有显著效果,是紫色土地区氮肥资源高效利用的重要措施。