尿素与不同添加剂对土壤氮素淋溶的影响

唐 珧 ，李丽君 ，张晓明 ，刘 平 ，白光洁 ，邹慧芳 ，梁亚宇

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031；3.山西省土壤环境与养分资源重点实验室，山西太原030031）

农业面源污染作为导致水体环境质量恶化的重要原因，目前已经引起世界各国的广泛关注。我国是农业大国，第一次污染源普查公报表明，总氮、总磷的排放主要来源于农业源污染物，排放量分别为270.46万，28.47万t，分别占排放总量的57.2%和67.4%[1]。其中，农业中的氮磷排放很大一部分来源于设施菜地。由于设施菜地施肥量大，未被利用的氮磷养分大量累积于表层土壤，因此灌溉时氮磷养分很容易发生淋溶损失。研究表明，施入土壤中的肥料氮素有30%～50%发生淋溶损失而进入地下水。这不仅造成了肥料的浪费，还使得地下水中硝态氮含量严重超标[2]。因此，如何减少设施菜地养分淋溶显得尤为重要。有研究表明，施用有机肥代替尿素[3-4]以及施肥时添加硝化抑制剂[5-6]、生物炭[7-9]等较单施尿素可有效减少氮素淋失。由此可见，这些均为效果较好的淋溶阻控措施，但是关于哪种措施在设施菜地中使用效果最好，目前尚未见报道。

本试验采用室内土柱淋溶试验研究添加尿素、有机肥、硝化抑制剂（DCD）和生物炭对氮淋溶的效果，以期寻找相对合适的措施，为减少设施菜地淋溶污染导致的地下水污染问题提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验时间、地点

试验于2017年3月28日至6月26日在山西省农业科学院资源与环境研究所实验室进行，室内温度基本保持在20～28℃。

1.2 试验材料

供试土壤取自山西省太原市小店区孙家寨现代农业工程技术中心，采集0～20，20～40，40～60 cm土层土壤，经自然风干后过2 mm筛，备用。不同土层土壤基本理化性质列于表1。

土柱材料为PVC管，长75 cm，内径为11 cm，共装土60 cm，下端接底盖，底盖钻孔，淋溶液经漏斗到收集瓶中。PVC管内底部采用2层0.074 mm的尼龙滤布，上铺3 cm厚的石英砂。石英砂上按容重1.21 g/cm3先分层均匀装土40 cm，每层装土2.3 kg，然后将表层20 cm的土与肥料和抑制剂/生物炭充分混匀，加入土柱，注意每层要压实土壤。特别注意边缘土壤压实，以减少管壁效应。

生物炭由山西省工霄商社生产，为玉米秸秆在700℃微氧条件下碳化而成，使用前研磨过2 mm筛。生物炭性质：pH值为10.22，EC为10.97 mS/cm，C含量369.87 g/kg，N含量6.56 g/kg。有机肥为干牛粪，N含量为1.80%，P含量为0.668%，K含量为1.57%。双氰胺（DCD）由天津市光复精细化工研究所提供。

1.3 试验方法

试验采取室内土柱淋溶模拟方法，设置5个处理，3次重复。各处理分别为：空白，不添加任何肥料（CK）；添加普通尿素（U）；添加有机肥（O）；添加尿素＋10%DCD（UD）；添加尿素＋4%生物炭（UB）。试验各处理氮素用量相同，为630 kg/hm2，依据设施菜地蔬菜目标产量需肥量[10]以及相关文献[11]确定，即每个土柱添加1.3 g尿素（CO（NH2）2）和33.33 g有机肥。其中，DCD的用量通过参考文献[12-14]推荐量确定，10%DCD指纯氮量的10%，即每土柱0.06 g。生物炭的用量通过已有研究结果[15]确定，4%生物炭指土壤总量的4%，即每土柱92 g，淋溶开始加一定体积的去离子水，使土壤水分达到饱和状态。根据孙家寨试验基地设施菜地实际用水量（444.44 m3/（hm2·次））分7次进行淋溶，每次灌水量为400 mL，间隔7 d。每次灌水后等淋溶液完全渗漏下去为一个完整的水样，待7次淋溶完后分层取土样。样品取出后要及时冷冻保存，供之后测定。

表1 供试土壤不同土层土壤基本理化性质

1.4 测定项目及方法

pH采用pH计测定[16]；EC采用电导率仪测定（水/土为5∶1）；土壤硝态氮、铵态氮采用0.01mol/L CaCl2浸提，间断化学分析仪测定[17]。

1.5 数据统计分析

采用Visio 2007作图；采用Microsoft Excel对数据进行整理和统计分析；采用SPSS 20.0进行单因子方差分析和相关分析，基于Duncan法对不同处理进行多重比较,显著性水平设定为α＝0.05。图表中数据为3个重复的平均数±标准偏差。

2 结果与分析

2.1 不同处理对淋溶液体积、pH和EC的影响

由图1可知，土柱中淋溶液体积由小到大依次为UB＜O＜U＜UD＜CK，CK处理的7次累积淋溶液体积为2 316 mL。相同施氮水平下，U处理累积淋溶液体积为2 290 mL，与U处理相比，UB，O处理分别降低8.0%，7.26%，且差异达显著水平（P＜0.05），UD处理与U处理间无显著差异（P＞0.05）。由此可见，添加生物炭或有机肥可显著降低淋溶液的体积。

从图2可以看出，土柱淋溶液的pH值随淋溶次数的增加呈先升高后降低的趋势，与CK相比，各处理没有显著的升高或降低趋势，相同施氮水平下，UB处理较U处理相比略微降低。不同处理淋溶液的电导率基本呈先下降后稳定的变化趋势，CK处理的EC值范围为568～3 133 μS/cm，U处理EC值范围为428～5 590 μS/cm，O处理的 EC值范围为451～4 190 μS/cm，UD处理的EC值范围为661～5 936 μS/cm，UB处理EC值范围为682～27 133 μS/cm。第1次淋溶完成后，各处理淋溶液的EC值达到峰值，不同处理表现为：UB＞UD＞U＞O＞CK，CK处理最低，相同施氮水平下，UB处理的EC值较U处理相比显著提高（P＜0.05），且UB处理的EC值是U处理的4.87倍。之后EC值不断下降，但第6，7次淋溶液EC值又有小幅度提高。

2.2 不同处理对淋溶液硝态氮及铵态氮浓度的影响

由图3可知，淋溶液中硝态氮浓度随淋溶次数的增加整体呈下降趋势，淋溶初期硝态氮浓度较大，第4次以后逐渐趋于平稳。其中，CK处理质量浓度为0.85～32.13 mg/L时，一直保持在较低水平，低于各处理。第1次淋溶完成后，不同处理浓度大小为：O＞U＞UD＞CK＞UB，第2次淋溶完成后，不同处理浓度大小为：U＞O＞UD＞UB＞CK，第3次淋溶完成后，不同处理浓度大小为：UB＞U＞O＞UD＞CK。可以看出，不同处理对氮淋溶的影响随淋溶次数变化不同，U处理的淋溶液浓度不断下降，与其他处理相比，处于较高水平；O处理最初淋溶液浓度最高，之后浓度不断降低；UD处理的淋溶液浓度不断降低，小于U处理；UB处理的淋溶液浓度低于CK处理，呈先增加后降低的趋势。说明淋溶前期，UB处理对降低淋溶液硝态氮浓度的作用最大；而O处理不仅不能降低硝态氮的浓度，反而增加了其浓度，到了淋溶后期，UB处理效果减弱，施用有机肥效果增加。

淋溶液中铵态氮浓度变化与硝态氮不同，随淋溶次数增加呈波浪式变化，这可能是因为土壤胶体对铵态氮吸附能力较强，当其吸附一定量铵态氮以后，随着土壤铵态氮浓度持续增加，胶体已经达到近似饱和状态，多余的铵态氮随水向下淋失，使得淋溶液中铵态氮浓度呈现出先升高后降低，降低后再次升高的变化趋势[11]。但整体上看，土壤中铵态氮浓度低于硝态氮，故淋溶液中铵态氮浓度保持较低水平。CK，U，O，UD，UB处理的铵态氮质量浓度范围分别为 0.058～0.215，0.053～1.843，0.073～0.725，0.117～1.456，0.077～2.595 mg/L。CK 和 O 处理保持在较低水平，CK，U，UD铵态氮质量浓度相对较高，峰值出现在第2次淋溶完成后。

2.3 不同处理对淋溶液硝态氮及铵态氮累积量的影响

由图4可知，淋溶液中的硝态氮淋溶量随淋溶次数增加先增加后趋于稳定，淋溶量累积主要集中在前3次，不同处理淋溶累积量不同，第1次淋溶完成后，硝态氮累积量为：U＞O＞UD＞CK＞UB，之后均为U＞O＞UD＞UB＞CK，淋溶完成之后，CK处理的硝态氮累积量为25.16 mg，各处理硝态氮累积量均大于CK，说明施肥是造成硝态氮淋溶的直接原因。而在相同的施氮水平下，U处理的硝态氮淋失量为191.12 mg，与U处理相比，其他处理硝态氮淋溶累积量有不同程度减少，O，UD，UB处理较U处理分别减少18.78%，25.65%，81.54%，且各处理间差异显著（P＜0.05）。

淋溶液铵态氮累积量主要集中在前5次，淋溶完成后，不同处理淋溶累积量不同，表现为UB＞UD＞U＞O＞CK。CK的铵态氮累积量达0.313 mg，U处理的铵态氮累积量为1.38 mg，与U处理相比，O处理下降了68.87%，且差异显著（P＜0.05）；UD和UB处理分别上升了23.86%，42.88%，且差异均显著（P＜0.05）。说明施用有机肥可以减少铵态氮的累积，而添加硝化抑制剂和生物炭则可增加铵态氮的累积。

2.4 不同处理对土壤性质和氮素的影响

表2 不同土层土壤pH值、EC及铵态氮、硝态氮含量

由表2可知，淋溶后不同土层pH值、EC及铵态氮、硝态氮含量存在差异。对于土壤pH值，0～20cm土层表现为：CK＞UB＞O＞U＞UD，其中，O和UB处理较U处理显著上升（P＜0.05）；20～40 cm土层各处理与U处理相比无显著差异；40～60 cm土层O，UD处理与U处理相比显著上升（P＜0.05），UB处理显著下降。对于土壤EC，与U处理相比，UB处理各土层均有显著升高（P＜0.05），0～20，20～40，40～60cm 土层分别上升9.46%，19.23%，11.00%。对于土壤硝态氮，0～20 cm土层，O，UD和UB处理较U处理相比分别降低73.23%，56.15%，24.60%，且差异显著（P＜0.05），但都高于CK处理。20～40 cm土层，O处理较 U处理相比降低31.75%，且差异显著（P＜0.05），UD和UB处理较U处理相比分别增加3.25%和537%，且UB处理与U处理间差异显著（P＜0.05）。40～60 cm土层，UD处理较U处理相比降低41.12%，且差异显著（P＜0.05）；UB处理较U处理增加63.24%，且差异达显著水平（P＜0.05）。对于土壤铵态氮，各处理不同土层中无明显规律。

3 讨论

3.1 不同处理对淋溶液体积、pH和EC的影响

本研究结果表明，施用有机肥或添加生物炭可以显著减少淋溶液的体积，这主要与这二者的性质有关。本试验所用有机肥为干牛粪，因其与尿素相比氮素含量低，故施用量大，而干牛粪进入后可以吸收一定的水分；另外，牛粪可以增加土壤有机质含量，特别是活性有机碳含量，它的增加可促进微生物的代谢活动，消耗水分，因此，可以减少水分下渗[18]。而生物炭一方面由于其孔隙结构较大，具有一定的吸水性[19]；另一方面生物质炭施入土壤后可提高土壤表面积和孔隙度，抑制土壤溶液的迁移，提高土壤的持水能力[7]，从而降低土壤的入渗能力，进而减少淋溶液体积[20]。一些研究认为[21]，生物炭可以加强生物活性尤其是细菌和真菌数量，其与菌丝形成的根系系统有直接联系，因此，加入生物炭将会通过促进土壤团聚体的形成而增加土壤稳定性，减少淋溶，这与王冰等[22]的研究结果一致。对于淋溶液pH，本试验结果显示，各处理对其影响并不显著，说明各处理并不会改变土壤淋溶液的pH。但值得注意的是，添加生物炭处理淋溶液的pH并没有因此升高，反而略微降低，这与之前的研究结果[22]存在差异，原因可能与所用生物炭种类有关，也可能是微生物活动分泌了一些酸性物质，具体原因尚待进一步研究。对于淋溶液的EC，可以看到生物炭处理明显提高，这与CHINTALA等[23]，LIANG等[24]的研究结果基本一致，可能是因为Ca2+，Mg2+，K+等离子在淋洗过程中随水下渗[22]；除此之外，生物炭除含有较高的盐基离子外，其表面附带的负电荷，对于砂壤土的电导率也具有一定的影响[24]。

3.2 不同处理对淋溶液硝态氮及铵态氮的影响

淋溶量由淋溶液体积和淋溶液浓度共同决定。与尿素处理相比，各处理均能显著减小淋溶液硝态氮的浓度及累积量，阻控作用表现为：生物炭＞DCD＞有机肥。对铵态氮的阻控作用表现为：有机肥＞尿素＞DCD＞生物炭。相比各处理，添加生物炭的处理在初始阶段阻止硝态氮淋溶的作用非常明显，这与其性质有关，在淋溶初始阶段，添加生物炭对氮素的吸持作用比较明显，延长了氮素的滞留时间，一方面生物炭的比表面积大、孔隙性多，提高了土壤持水性；另一方面是生物炭在保水的同时，保持了土壤中的有效养分，提高了土壤中的C/N；但在持续水量长时间的作用下，生物炭的保水保肥性能减弱，这与王凡等[25]的研究结果一致。而关于生物炭对铵态氮淋溶的影响前人研究结果存在争议，一些研究认为，生物炭可以吸附硝态氮和铵态氮，从而减少淋失[26]；另一些研究表明，生物炭添加量大于4%时，铵态氮浓度高[27]，本试验结果与后者相同，这可能与生物炭中含有更多的阳离子、不能有效吸附土壤中的NH4+有关。施用有机肥可以有效降低淋溶液中硝态氮及铵态氮浓度，原因是一方面有机肥的施用激发土壤微生物量的增加，土壤微生物吸收会固定部分氮素；另一方面有机肥对土壤中氮素的硝化有抑制作用[28]。添加DCD处理可以显著降低硝态氮累积量，提高铵态氮累积量，这与刘瑜等[29]、杨剑波等[14]的研究结果一致，原因可能与其可延缓土壤铵态氮向硝态氮转化、提高氮肥的利用效率，从而减少土壤中氮素的淋失有关[14，29]。

3.3 不同处理对土壤硝态氮及铵态氮的影响

不同土层淋溶后，EC、硝态氮、pH、铵态氮含量发生了不同的变化，其中，0～20，20～40 cm土层，各处理与CK相比pH下降，EC上升。说明施肥可以造成土壤酸度上升，各处理中施用有机肥上升幅度最小，这与娄庭等[30]的研究结果相似。生物炭处理电导率升高最显著。从不同土层的硝态氮含量来看，生物炭处理的土层高，说明生物炭可以有效地将土壤中的氮素截留，减少淋溶损失。综合几种处理比较，生物炭处理效果最佳。

4 结论

添加有机肥、DCD及生物炭与尿素相比，有机肥和生物炭能显著降低淋溶液体积，降低幅度分别达8.0%，7.26%。各处理对其淋溶液pH值均不会产生显著影响，但施用生物炭会显著提高淋溶液的电导率，是尿素处理的4.87倍；添加DCD及生物炭与尿素相比，可以明显降低淋溶液中的硝态氮累积量，降低幅度表现为生物炭＞DCD＞有机肥；有机肥处理较尿素可显著降低淋溶液中的铵态氮含量，而DCD及生物炭则增加了铵态氮的累积量；各土层中生物炭处理的氮素含量最高，0～20，20～40，40～60 cm土层分别是尿素处理的2.85倍、6.37倍和1.63倍。从减少氮素淋失的角度考虑，添加生物炭效果最佳。本研究结论仅是在室内模拟淋溶试验条件下得到的，至于这种作用在大田中的效果及作用如何，尚需进行更多的研究才能判定。