沼液和秸秆还田对土壤氮磷淋溶的影响

王志刚，韩雪，刘运平，李伟，宋潇，郭立月

（1北京大北农科技集团股份有限公司，北京 100095；2北京东方园林环境股份有限公司，北京 100015；3中国科学院植物研究所，北京 100093）

0 引言

中国每年的秸秆产生量约7亿t，但是综合利用率仅为32%，远低于美国68%和英国73%的利用率[1-2]。秸秆大量弃置不仅导致资源严重浪费，而且任意堆放造成水体富营养化及破坏土壤微生物结构，田间焚烧排放大量二氧化碳、硫化物和氮氧化物等，温室气体持续排放导致全球气温不断攀升[3-4]。同时，秸秆作为农业副产品含有丰富有机碳和植物生长所必需的氮、磷、钾及微量元素，其中碳、氮、磷、钾含量分别为40%、0.3%、0.1%、0.45%，是植物可直接利用的生物资源，通过秸秆还田提高土壤养分同时改良团粒结构和缓解酸化板结对促进农业绿色发展具有重要意义[5-7]。长期秸秆还田增加土壤有机质含量，例如河北潮土13年定位试验发现小麦秸秆还田土壤速效钾含量增加10.2%[8]；加拿大连续8年大麦—豌豆—小麦—油菜轮作秸秆还田0～15 cm土壤轻质有机质增加23.8%，轻质有机氮增加9.7%[9]。与传统耕作相比，连续11年秸秆还田小麦增产19.2%，干旱年份增产更高[10]；关中灌区秸秆粉碎还田与化肥配施增产5.4%～13.1%[11]。反之，秸秆还田不当容易造成作物减产，例如西北地区小麦播前还田秸秆9730 kg/hm2小麦减产5.6%[12]；英国粉质黏壤土秸秆还田小麦减产3.9%[13]；可能是秸秆还田造成土壤水分降低、紧实度差或碳氮比失调导致微生物群落失衡[14-16]。因此，优化秸秆还田技术有利于保障还田效果，具有一定技术创新和农业实践价值。沼液含有丰富营养成分、维生素和生长素等活性物质，作物容易吸收利用对促进氮代谢和根系发育具有良好效果[17-18]。另外，沼液可以改善土壤结构、提高氨氮氧化潜势及微生物碳氮含量[19-21]与酶活性，并调控细菌群落结构[22-24]。同时，沼液促进土壤碳氮矿化、减少温室气体排放、平衡营养组成和补充铜锌微量元素[23-25]。因此，沼液还田具有增加土壤生产能力和改善生态环境的显著效应。

但是，目前多数研究主要关注秸秆还田和单施沼液对土壤肥力的影响，对还田秸秆降解过程中与作物争夺氮素导致土壤速效氮营养供应不足的负面作用重视不够，而沼液中的速效氮是补充土壤氮素的重要来源[26-27]。同时，沼液具有高水低肥的双重特征，不合理施用导致利用率降低并造成地下水污染[28]。此外，养分浓度低且容易流失是制约沼液大面积还田利用的关键限制因子。与秸秆单独还田相比，沼液秸秆配施150 d后秸秆腐解率达到了79.2%[29]，而且土壤速效氮、有效磷和有效钾含量分别增加了5.4%、34.6%和72.6%[30-31]，沼液极大促进秸秆中有效养分释放，但是对土壤生态环境风险的影响尚无定论。因此，本研究通过沼液与秸秆同步还田试验，设置不同的施肥处理和施肥量，探索分析其对土壤氮磷淋溶的影响，为循环农作制度面源污染防控提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

沼液和秸秆还田试验2020—2022 年在河北省唐山市玉田县石臼窝镇大北农（玉田）生猪科学试验中心试验基地(117°42′E，39°41′N)进行，试验区属东部季风性大陆气候，年均气温11.2℃，年均降水量607 mm，无霜期190 d，年均日照时数2420 h，≥10℃年均积温4130℃。土壤类型为棕褐色粘土，0～20 cm 土壤理化性状见表1。2020 年10 月—2021 年9 月降水量625.5 mm，2021年10月—2022年9月降水量387.1 mm。

表1 试验地土壤基本理化性状

1.2 试验设计

试验设置4 个处理分别为空白对照(CK)，常规施氮(CON)代表当地农户习惯施肥情况，优化施氮(OPT)代表当地合理施氮量，秸秆粉碎与300 m3/（hm2·季）的沼液全量还田(SMB)不施用任何化学肥料。每个处理3 次重复，小区面积为40 m2，秸秆还田处理在作物收获后直接将秸秆粉碎全量还田（玉米秸秆每个小区为60 kg；小麦秸秆每个小区为30 kg），不还田处理收获后将秸秆移除。种植模式为冬小麦—夏玉米轮作，小麦和玉米品种分别为‘济麦22’和‘郑单958’。不同处理小麦季和玉米肥料施用量如表2 所示，氮磷钾肥分别为尿素、磷酸一铵和氯化钾。小麦和玉米季氮肥分为基肥和追肥，基追比4:6 分别在小麦和玉米拔节期追肥，磷钾肥作基肥播前施用。2020 年和2021 年10月10 日夏玉米收获后秸秆粉碎混入5～10 cm 土壤即沼液300 m3/hm2和秸秆15 t/hm2，冬小麦种植日期均为10月20日，收获日期均为6月24日。冬小麦和夏玉米收获均为沼液300 m3/hm2和还田秸秆15 t/hm2，夏玉米种植和收获分别为6月27日和10月10日，沼液和秸秆基本性状见表3和表4。

表2 不同处理冬小麦和夏玉米总施肥量 kg/hm2

表3 2020年和2021年沼液基本理化性状

表4 2020年和2021年玉米和小麦秸秆基本理化性状

1.3 样品采集及分析

2020—2022年作物收获时测产，每个试验小区小麦随机采集3个1 m双行样方、玉米随机采集1个5 m双行样方将植株样品带回实验室风干、脱粒、称重折算产量。样品粉碎H2SO4-H2O2消煮，全氮采用凯氏定氮法、全磷采用钒钼黄比色法和全钾采用原子吸收法测定。

每季作物收获后至下茬作物播种前采集土壤样品，每个小区按5 点取样法用土钻采集耕层土样剔除石砾和植物残根等杂物混合均匀装入自封袋，4℃保存带回实验室。自然风干研磨后过1 mm 和0.25 mm 筛测定土壤理化指标。作物收获后采集0～100 cm 土壤测定硝态氮含量，混合均匀称取过2 mm筛，新鲜土样10 g 装入200 mL 塑料瓶中加入0.01 mol/L CaCl2溶液100 ml 浸提，振荡1 h 静置10 min 过滤，滤液4℃低温保存。土样与浸提溶液比例为1:10，采用连续流动分析仪测定。

土壤总磷采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—钼锑抗比色法测定；无机磷分级采用CHANG 等方法[32]分别用0.5 mol/L NH4F溶液提取Al-P、0.1 mol/L的NaOH溶液提取Fe-P、0.3 mol/L柠檬酸钠和连二亚硫酸钠溶液提取O-P、0.5 mol/L H2SO4溶液提取Ca-P。有机磷分级采用Bowman-Cole 方法按照有机磷组分在不同浓度酸碱溶液中溶液度分别测定活性、中活性、中稳定性和高稳定性有机磷含量[33]；土壤含水量105℃烘干测定。

相关参数计算方法如式(1)～(4)所示。

养分吸收量(kg/hm2)=植株干物质量×养分含量……………………………………………………… (1)

农学效率(kg/kg)=(施肥产量-不施肥产量)/施肥量……………………………………………………… (2)

硝态氮和总磷淋失量的计算采用公式(5)计算。

式中F为淋失量(kg/hm2)，n为地下淋溶次数，vi为第i次产流水量(L)，ci为第i次产流硝态氮或总磷质量浓度(mg/L)，S为监测单元面积，f为由监测单元转化成公顷换算系数。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行统计分析，单因素(one-way ANOVA)和Duncan 法进行方差分析和多重比较(α=0.05)。利用Excel 2003 软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同处理作物生产力

不同施肥处理对冬小麦—夏玉米轮作产量影响显著（表5）。冬小麦产量OPT 处理最高，与CK 处理相比，CON、OPT 和SMB 处理产量增幅分别为114.1%～120.1%、122%～128.1%和111.6%～116%差异显著。冬小麦产量依次为OPT 处理最高，CON 处理次之，SMB处理最低，但是CON和SMB处理之间无差异；不同施肥处理夏玉米产量变化趋势与冬小麦相似。2年结果OPT 处理产量显著高于CON 和SMB 处理，CON 和SMB 处理没有差异。随着种植季增加第二年冬小麦和夏玉米产量呈增加趋势，说明秸秆和沼液同步还田与传统施氮效果相似，SMB处理养分供应能力满足作物高产养分需求。

表5 不同处理系统作物生产力水平 kg/hm2

2.2 不同处理作物氮磷吸收量

不同施肥处理对冬小麦-夏玉米轮作养分吸收量影响显著（表6）。冬小麦氮吸收量以OPT 处理最高，由表6 可知与CK 处理相比CON、OPT 和SMB 处理冬小麦氮吸收量分别提高63.5%～64.4%、85.7%～88.8%和37.9%～42.1%。整体上，OPT 处理冬小麦氮吸收量最高，CON处理次之，SMB处理最低，差异显著。夏玉米氮吸收量分别增加69.2%～71.5%、76.0%～79.2%和43.7%～44.7%；CON 处理夏玉米氮吸收量低于OPT 处理，两者均显著高于SMB 处理，但是仍以OPT 处理最高。类似地与CK 处理相比，CON、OPT 和SMB 处理小麦磷吸收量平均分别增加50.3%、55.0%和25.7%；夏玉米磷吸收量平均分别提高79.3%、87.4%和55.8%；CON 和OPT 处理冬小麦和夏玉米磷吸收量显著高于SMB处理。

表6 不同施肥处理系统氮磷吸收量 kg/hm2

2.3 不同处理氮磷农学效率

由表7可知第一年冬小麦CON、OPT和SMB处理氮素农学效率分别为12.5、17.8、39.4 kg/kg，第二年分别为12.5、17.8、39.8 kg/kg；SMB处理冬小麦氮素农学效率比CON 和OPT 处理显著高42.4%和217%；夏玉米氮素农学效率分别显著提高50.6%和90.6%；说明SMB 处理将更多氮供给作物从而减少土壤淋失。同样地，SMB 处理夏玉米磷素农学效率比CON 和OPT处理显著提高22.1%～30.5%和13.5%～17.4%有利于作物吸收降低土壤固定。4个作物季SMB处理氮磷农学效率显著高于CON和OPT处理，OPT高于CON处理。

表7 不同施肥处理系统氮磷农学效率 kg/kg

2.4 不同处理土壤硝态氮浓度

2021 年3 月25 日小麦返青期不同处理硝态氮浓度为53.5～116.7 mg/L，CON处理显著高于CK、OPT和SMB处理。2021年玉米季CON和OPT处理显著高于SMB 处理，SMB 处理比CON 和OPT 处理硝态氮平均浓度分别降低55.3%和26.3%。2022 年7 月11 日玉米季硝态氮浓度4个处理为57.2～146.8 mg/L。CON处理均显著高于CK、OPT和SMB处理。2022年4个处理分别为51.4、102.1、72.9、51.3 mg/L。不同施肥处理土壤硝态氮浓度差异较大，SMB处理明显降低。2022年分别比2021年降低10.3%、25%、11.6%和15.6%（图1）。

图1 不同处理土壤硝态氮浓度

2.5 不同处理土壤硝态氮淋溶量

第一年4个处理硝态氮淋溶量为10.4～76.8 kg/hm2（表8）。SMB 处理比CON 和OPT 处理分别降低83.6%和69.5% (P<0.05)。第二年硝态氮淋溶量为9.4～69.6 kg/hm2；SMB处理比CON和OPT处理分别降低81.1%和66.3%(P<0.05)。2年4个处理平均淋溶量分别为9.9、73.2、40.2、12.9 kg/hm2，SMB处理进一步降低。第一年和第二年硝态氮表观淋失系数分别为4.7%～12.2%和4.9%～11.1%，CON、OPT和SMB 3个处理2年平均为11.9%、8.7%和4.8%；随施肥量减少表观淋失系数显著降低。第二年硝态氮淋溶量CON 和OPT 处理比第一年降低6.8%，淋失系数平均降低4.9%。

表8 不同处理土壤硝态氮淋溶及表观淋失系数

2.6 不同处理土壤总磷淋溶量

结果表明4 个处理土壤淋溶液总磷浓度0.03～0.13 mg/L，差异显著（表9）。第一年总磷淋溶量0.04～0.12 kg/hm2，第二年为0.02～0.07 kg/hm2，差异显著，第1年总磷淋溶量总体高于第2年水平。2年结果4个处理总磷平均淋溶量分别为0.03、0.10、0.07、0.05 kg/hm2；表观淋失系数分别为4.2%～7.2%、3.6%～4.8%和4.6%～5.8%。

表9 不同处理土壤淋溶液总磷浓度及淋溶量

第二年4 个处理土壤无机磷含量在138.0～253.2 mg/kg（表10）。如图2 所示2 年4 季作物后土壤无机磷均以Fe-P和Ca-P为主，在无机磷中相对含量占比分别为28.5%～40.2%和30.2%～38.6%；Al-P 和O-P占比仅为10%～15.4%和11.9%～25.5%，平均为12.9%和17.5%显著低于Fe-P 和Ca-P 占比。与CON 和OPT处理相比，SMB处理Al-P、Fe-P、O-P和Ca-P含量分别显著下降39.7%和30.4%、28.1%和10.4%、14.0%和10.2%、20.8%和14.8%；整体上平均降低25.9%和12.8%。随着施磷量减少，与CON 和OPT 处理相比，SMB处理土壤Ca-P和Al-P占比明显下降，Fe-P和O-P含量占比上升(P<0.05)。CON、OPT 和SMB 处理各形态无机磷含量均高于CK处理，特别是Fe-P含量比CK高约40%，Al-P 含量比例下降约13%。土壤有机磷需要矿化为无机磷被植物吸收，与CK、CON和OPT处理相比，SMB处理显著提高土壤活性和中活性有机磷比例分别为13.1%～56.5%和71.4%～87.6%；中稳性和高稳定有机磷占比降低40.2%和28.3%(P<0.05)；因此，SMB处理有助于改善土壤有效磷的供应潜力。

图2 不同施肥处理土壤无机磷和有机磷形态及相对含量

表10 不同处理土壤无机磷含量及形态分布 mg/kg

3 讨论

本研究通过2年4季田间试验结果评价沼液和秸秆还田对冬小麦—夏玉米轮作产量和养分效应、淋溶损失及土壤磷形态的影响。结果表明：沼液和秸秆还田冬小麦和夏玉米产量比常规施氮和优化施氮处理低5.3%，与赵理等研究结果类似[29]，说明秸秆吸附和滞留作用，可以有效地降低氮磷流失有利于提高养分利用率。例如，江苏高邮沼液秸秆全量还田水稻产量比空白增加23.5%[34]，河南周口地区等量氮化肥与沼液施用小麦产量相当[35]，山东菏泽黄河冲积平原等氮量小麦秸秆配施沼液与施用化肥的梨树产量没有差异[36]。试验结果的差异性首先是秸秆和沼液类型及还田量不同，其次气候和土壤类型可能对试验一致性产生的影响。本试验区域土壤粘粒含量较多是沼液和秸秆还田氮磷淋溶较少原因之一。

沼液是有机无机营养和微生物及代谢产物混合体具有营养高、抑菌和抗逆功效[29]。研究表明沼液和秸秆还田对提升稻米品质和产量效果良好[37]。本研究沼液和秸秆氮磷利用率较高，随着氮磷用量减少，SMB处理氮磷农学效率最高，SMB处理冬小麦氮磷回收率最高两年结果趋势一致。通过沼液秸秆结合还田有效解决单独秸秆还田作物生长前期氮素供应不足，确保中后期营养充足供应从而建立稳定的生长条件。这与大多数学者报道沼液和秸秆还田增产同时提高养分利用效率的研究结果一致，主要是沼液还田有利于促进秸秆分解改善土壤结构、保持土壤水分、促进氮素矿化和提高植株叶片光合作用[38]。JIANG等[39]研究发现秸秆对沼液中PO4--P 和NH4+-N 吸附量达到30 mg/g 和105～146.4 mg/g；因此，秸秆和沼液还田作物产量增加可能是秸秆通过调控养分释放从而实现氮磷营养的高效利用。

此外，施肥量及灌溉量对土壤淋溶有较大影响[40]。冬小麦种植季降雨量较少，春季随追肥灌溉1次。第一年降雨量主要集中在7—10月比第二年降雨量高出250 mm导致第二年土壤硝态氮浓度总体上比第一年低10.3%～25%。除SMB 处理外，CK、CON 和OPT 处理第二年硝态氮淋溶量均低于第一年试验结果，表观淋失系数也相应降低，说明华北农田硝态氮淋溶主要受降雨量和土壤质地影响。这与冯绍元等[41]发现降雨强度和作物生长条件一致情况下不同层次土壤硝态氮残留量显著差异，主要是小麦和玉米95%根系生物量主要分布在0～40 cm 土层，植物根系很少吸收根系外围硝态氮造成淋溶损失，硝态氮污染特征与降水季节变化基本一致。通过土壤硝态氮残留结果可知，与CON处理相比，OPT和SMB处理残留量平均比CON 处理降低78.2%和72.7%，高施氮量可能造成较大的硝态氮淋溶风险。由于SMB处理施氮量比CON低50%，秸秆氮磷吸附量达到13 mg/kg和2.3 mg/kg导致残留量远低于CON 处理[42]。陆文龙等[43]研究重庆茶园暗棕壤秸秆还田发现氮磷吸附效果为生物炭＞粉碎秸秆＞腐熟秸秆，主要与秸秆表面粗糙与较大比表面积及孔隙数量有关。同样地，土壤淋溶磷浓度为0.03～0.13 mg/L，总磷淋溶量为0.02～0.12 kg/hm2，SMB处理总磷淋溶与胡宏祥等[44]室内模拟结果存在差异是单位土体水量不同所致。第一年磷淋溶量高于第2年原因是第一年降雨量大导致土壤含水量高，秸秆还田提高微生物矿化磷的能力导致淋溶风险增加[45]。

植物易吸收利用的Olsen P 含量是衡量土壤供磷能力关键指标[46]。本研究SMB 处理总施磷量约是CON 和OPT 处理50%，但是总无机磷浓度分别达到74.1%和87.2%，表明沼液和秸秆有利于解磷菌繁殖促进有机磷向无机磷转化从而增加Fe-P 和Ca-P 含量。施磷导致土壤pH 下降强化酸性物质与有机磷化学反应，随着施磷量增加土壤磷吸附的结合位点饱和造成了游离态磷的淋溶风险[47]。土壤水分促进SMB 处理有效磷活化系数提高，试验地铁铝离子含量较高导致Fe-P 和Ca-P 浓度增加，施磷引起Fe-P 和Al-P 占比增加；Ca-P 是作物最容易吸收组分导致占比下降[47]。施磷导致土壤稳定态有机磷比例增加，而SMB处理则促进活性有机磷向无机磷转化。因此，沼液和秸秆还田效果应考虑微生物对磷周转的潜在影响机制。

4 结论

本研究SMB 处理冬小麦—夏玉米轮作平均产量达到OPT 处理95%，氮磷农学效率提高20%。总体上，SMB处理硝态氮淋溶量比施氮处理降低77.3%，表观淋失系数仅4.83%；硝态氮残留量为施氮处理28.9%。SMB处理总磷淋溶量为0.045 kg/hm2，0～20 cm土壤无机磷浓度为常规施磷80.7%，Fe-P 和Ca-P 占无机磷总量比例达到80%以上；土壤活性和中活性有机磷占55.8%显著高于常规施磷34.2%，极大地促进了有效磷的周转效率。因此，沼液和秸秆同步还田提供的养分可有效地替代化肥施用。