猪粪还田对土壤硝态氮淋失的影响研究——以黄灌区稻旱轮作制为例

杨世琦,韩瑞芸,王永生, 刘汝亮,谢晓军,杨正礼*(.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 0008；2.农业部农业环境与气候变化重点开放实验室,北京 0008；.中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室,CERN综合研究中心,北京 000；.宁夏农林科学院,宁夏 银川 70002；.西北农林科技大学林学院,陕西 杨凌 7200)



猪粪还田对土壤硝态氮淋失的影响研究——以黄灌区稻旱轮作制为例

杨世琦1,2,韩瑞芸1,王永生3, 刘汝亮4,谢晓军5,杨正礼1,2*(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081；2.农业部农业环境与气候变化重点开放实验室,北京 100081；3.中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室,CERN综合研究中心,北京 100101；4.宁夏农林科学院,宁夏 银川 750002；5.西北农林科技大学林学院,陕西 杨凌 712100)

摘要：宁夏引黄灌区是水污染严重地区之一,大部分排水沟水质属于劣五类,主要污染物是硝态氮与铵态氮.猪粪还田试验共有3个处理:传统施肥+空白(CK)、传统施肥+猪粪还田4500kg/h m2(T1)和传统施肥+猪粪还田9000kg/hm2(T2).采用树脂芯法测定了30,60,90cm土层的硝态氮淋失量.结果表明,30cm土层处,猪粪还田没有明显增加土壤硝态氮淋失.与对照(15.96±0.41) kg/hm2相比,T1(16.85±0.40)kg/hm2与T2(17.01±0.46) kg/hm2没有达到显著差异(P>0.05);60cm土层处理与对照也没有达到显著差异;90cm土层处的猪粪处理与对照达到显著差异,处理之间没有差异.猪粪还田有利于土壤有机质和总氮提高,30cm土层,与对照相比,T1和T2的有机质增加0.95g/kg和1.41g/kg,分别提高7.50％和11.13％;总氮增加0.06和0.16g/kg,分别提高7.72％和22.04％.猪粪还田提高了作物产量,水稻增产12.26％～11.56％,冬小麦产量提高9.32％～12.52％.

关键词：黄灌区；稻旱轮作制；猪粪还田；土壤硝态氮；淋失

∗ 责任作者, 副研究员, yangshiqi@caas.cn

《2014年中国环境状况公报》表明针对全国423条主要河流、62座重点湖泊(水库)的968个国控地表水监测断面(点位)的水质监测显示,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水质断面分别占3.4％、30.4％、29.3％、20.9％、6.5％、9.2％,主要污染指标为化学需氧量、总磷和五日生化需氧量[1].在4896个地下水监测点位中,水质优良级的监测点比例为10.8％,良好级的监测点比例为25.9％,较好级的监测点比例为18％,较差级的监测点比例为45.4％,极差级的监测点比例为16.1％[1].美国1990年的调查表明,农业面源污染约占总污染量的2/3,其中农业面源污染占面源污染总量的68％～83％,导致50％～70％的地面水体受污染或受影响;2006再次调查表明农业面源污染面积比1990年减少了65％[2].宁夏黄灌区是我国北方重要的灌区,同时也是黄河上游农田退水导致氮素流失与水污染的重灾区,区内排水沟NH4+-N浓度20～30mg/L,最高70mg/L,断面水质达标率仅为38.3％;抽样表明灌区将近一半的浅层地下水NO3--N浓度超过10mg/L[3].在华北地区14个县的调查结果表明有一半地下水硝酸盐含量超过10mg/L[4].

农田施用有机物料减少有机氮在短时间内释放,从而能够减少土壤硝态氮流失,畜禽粪便替代部分化学氮肥能够调节土壤氮素代谢释放速率.欧盟国家的畜禽粪便施用量110～140kg/ hm2,能够显著降低土壤硝态氮流失[5].日本岐阜县各務原1970～2000年关于有机肥、合理施肥和施用缓释肥对比试验表明,有机肥能够提高土壤吸肥力,在硝态氮流失控制方面具有重要作用.对有机物料进行堆肥处理,能够使有机肥的矿化速率降低,增加有机肥的稳定性,对施肥后减少NO3--N的淋失有积极作用[6-7],传统施肥的土壤硝态氮流失是有机肥的4.4～ 5.6倍,有机无机混施介于中间[8].Mamo等[9]连续观测发现,蔬菜田有机肥替代化学氮肥能够有效的降低硝态氮流失.Brinton[10]研究发现,玉米田施用腐熟堆肥比未腐熟堆肥的硝态氮流失的少.施用有机物料能够促进微生物氮形成,降低土壤无机氮浓度[11].有机肥长期大量的施用也会引起土壤中硝态氮的累积和淋溶.禽粪施用量超过11.2t/(hm2⋅a)会产生淋溶[12].出于降低土壤硝态氮流失的需要,在硝酸盐敏感地区的农田有机肥施用不应超过175N kg/hm2[13].日本流域调查中发现可溶性有机碳与硝态氮浓度表现典型的负相关,土壤有效氮富余总是与碳源亏空紧密相关[14].一般都认为,施用有机肥减少土壤硝态氮淋失的主要原因是通过增加土壤有机质含量而改善土壤理化性状和提高黏粒及团聚体的含量,增强土壤束缚硝态氮性能,进而限制硝态氮垂直移动和减少了淋失量.宁夏引黄灌区农田土壤有机质9.2～14.5g/kg,平均10.2g/kg,最高19.04g/kg,含量15g/kg以下的比例占到了95％,保水保肥性较差也是导致土壤养分流失的重要原因;灌区农田氮肥施用量301kg/hm2,是全国平均的1.6倍;地表水来自农田总氮与硝氮的流失量占到总量的61％～66％和76.5％～81％[15].树脂芯法被认为是测定土壤氮素矿化速率最优的方法,在借鉴离子交换树脂研究硝态氮流失方法的基础上[16-17],试验采用改进树脂芯法,研究秸秆还田对土壤氮素流失的影响,通过观测不同阶段树脂吸附硝态氮量,以估算农田不同土层的硝态氮单位面积淋失负荷.

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

试验区位于黄河上游灌区宁夏灵武市(106°17′52″E,38°07′26″N),属于温带干旱区,无霜期150～163d,干旱少雨,降水量193mm,蒸发量1763mm.雨季7～9月,占全年降雨的70％,冬季少雪.年均温8.9℃.土壤类型灌淤土,养分含量低,表层土易积盐,pH值高.主要种植作物水稻、玉米和春小麦,种植模式以稻旱轮作为主.试验区农田土壤主要理化性状见表1.

表1　土壤主要理化性状Table 1 The trail soil Physical and chemical properties

1.2 试验设计

试验田小区采用水泥埂隔开,沿埂开沟深120cm(地上高40cm,地下深80cm),沟内压塑料膜,以防小区相互干扰.试验3个处理,CK为无秸秆还田,T1为半量秸秆还田(4500kg/hm2)、T2全量秸秆还田(9000kg/hm2).常规施肥处理,3次重复.小区面积200m2.水稻秸秆切碎5～10cm还田,翻深30cm.试验期2009～2013年.水稻试验施肥:尿素(纯N)300kg/hm2、磷酸钙P2O5105kg/hm2、氯化钾肥(K2O)60kg/hm2;全部的磷钾肥与50％尿素做基肥于一次施入,剩余50％氮肥按3:1:1比例做追肥,分3次分别于苗期(5月下旬)、分蘖期(6月下旬)和孕穗期(7月下旬)施入.水稻行距30cm,株距10cm.水稻5月中旬插秧,9月下旬收获,大田生长期约120d.全生育期灌水量15000m3/hm2,8月中旬停止灌水.2010～2011年小麦试验的施肥:尿素(纯N)225kg/hm2、磷酸钙(P2O5)150kg/hm2、氯化钾肥(K2O)90kg/hm2;全部的磷钾肥与50％尿素做基肥于一次施入,剩余的50％氮肥按3:1:1比例做追肥,分3次分别于苗期(3月上旬)、拔节期(5月上旬)和孕穗期(6月上旬)施入.冬小麦生长期冬灌1350m3/hm2(10月下旬)、返青水900m3(3月下旬),拔节期1050m3(5月中旬)、抽穗期1,050m3(6月上旬).播种10月4 日,收获6月29日,全生育期269d.

1.3 研究方法

树脂芯法在用于草原或者表层土壤氮矿化量的测定,与直接采集土壤或测定土壤渗漏水的结果基本一致[18-19].本试验采用改进的树脂芯法, 由76mm(直径)×0.82mm(管壁厚度)的不锈钢管(高度根据需要调整)、60目尼龙网制作的8×8cm树脂袋(内装有15g氯型,强碱性阴离子树脂)和两片直径为74mm的铝塑板(铝塑板上打有13个直径为3mm的小孔)组成,装置见图2.树脂袋上下的两片铝塑板以防上下层土壤对树脂袋的污染,铝塑板设置小孔.为减少管内外土壤环境差异,管壁上打孔.把手的功能是方便树脂管提取.采用717#型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂,离子交换树脂预处理方法采用GB/T5476-1996[20].主要改进之处体现在一是取样深度增加,最深90cm;二是取样频次增加且不破坏土壤结构,基本上实现原位培养.树脂管长度有42、72和102cm共5个型号,分别用于收集30、60和90cm土层的硝态氮淋失量.树脂管成直线排列,间隔2m,每个小区沿对角线3组重复.树脂管下端锲型面10cm长,铝塑板通过防滑轴固定与高于锲面2cm处,盖子与把手方便放置和提取树脂管.试验开始,先将树脂管打入土壤,再提出去掉锲面及锲面上2cm的土壤(收集起来回填),三是放入铝塑板和树脂袋(16g)并固定好,四是将树脂管原位放入土壤中,五是培养一段时间后提出树脂管,取出树脂袋送回实验室冰箱保存,并放入新的树脂袋开始下一阶段培养.

图1　树脂管装置示意Fig.1 A device of resin-core for soil nitrate loss determination

离子交换树脂吸附硝态氮用1mol/l KCL溶液浸提,硝态氮采用紫外分光光度法测定.不同土壤层次硝态氮淋失量用下面公式计算:

试验数据处理采用SPSS 19和Excel2010,显著性检验(α=0.05)采用单向方差分析法(ANOVA).

2 结果

2.1 土壤硝态氮淋失量

土壤硝态氮流失见表2.30cm土层的稻田淋失量是16.95～17.50kg/hm2,冬麦田13.91kg/hm2,两者达到显著差异(P<0.05,以下同,不再注明).30cm土层的硝态氮淋失量,处理与对照没有达到显著差异;60cm土层,T2与对照达到显著差异(2010和2013年),T1与对照达到显著差异(2013年);T2与T1只有在2010年达到显著差异.90cm土层,T2与对照,T1与对照在2010、2012 和2013年达到显著差异,T2与T1只有在2012年达到显著差异;稻田与冬麦田达到显著差异.90cm和60cm土层,与30cm相比,硝态氮流失量达到显著差异;但T2与T1没有达到显著差异. 图2中反映的硝态氮淋失趋势:在试验期内,淋失量随土壤深度变化而降低,冬麦田低于稻田;3年稻田试验结果接近,但2013年最低.

表2　不同土层与不同处理的土壤硝态氮淋失量Table 2 Nitrate leaching losses at different soil layers and treatments in the trail period

图2　土壤硝态氮淋失趋势Fig.2 The trends of nitrate leaching during 4years

2.2 土壤硝态氮淋失特征

不同阶段土壤硝态氮淋失比例见图3.30cm土层的稻田6月下旬前(45～50d/130～140d 生育期)的硝态氮淋失占全年的70％左右(图4a.),30cm土层以下差不多占68％～75％.冬麦田的各个土层的硝态氮淋失量在6月下旬之前接近70％～85％(Fig. 4: b.),水稻的主要淋失期发生在分蘖期之前(6月下旬),冬小麦发生在抽穗期之前(6月上旬).

图3　不同阶段土壤硝态氮淋失比例Fig.3 The ratio of nitrate leaching loss during the whole growth period

3 讨论

3.1 土壤硝态氮浓度

从表3可以看出,4月中旬的稻田土壤硝态氮浓度低于5月与6月下旬,至生育期结束逐渐降低.4月中旬与5月下旬的土壤硝态氮浓度差异不显著,5月下旬与6月下旬,以及8月下旬与9月上旬也是不显著.T2与CK除了5月与6月下旬均达到了显著差异;T1与CK没有达到显著差异;T2与CK除了5月与6月下旬均达到显著差异.在作物生长前期,土壤硝态氮浓度较高,水稻移栽前与生长后期较低.在冬麦田,5月下旬土壤硝态氮浓度高于其他阶段且达到显著差异,6月下旬达到最低值.T2与CK在四月中旬与5月下旬达到显著差异,T1与CK只有在4月中旬达到显著差异,T2与T1只有在5月下旬达到显著差异.冬麦田土壤硝态氮浓度高于稻田,可能的原因或许是旱田条件下没有淋失条件所致. 畜禽粪肥会逐步积累硝态氮与铵态氮,在发酵情况下30d就能达到最大值,农田直接施入情况下可能会推迟[21].过量投入畜禽粪便可能导致土壤硝态氮浓度升高,导致淋失风险增加[22].与施用化肥比较,施用畜禽粪便处理土壤微生物显著提高了对胺类、碳水化合物类和氨基酸类碳源的利用能力,降低无机氮淋失风险[23].不同畜禽粪便的氮素淋失有差异,猪粪的氮素损失高,其次是牛粪与鸡粪[24].施用畜禽粪便比化肥更有利于提高人为扰动土壤中总有机碳和活性有机碳含量及土壤团聚体稳定性,有助于保持土壤无机态氮,减少淋失[25].表层土壤累积硝态氮浓度导致200cm以下土层硝态氮明显累积[5],桃园土壤硝态氮浓度累积与作物类型、施肥量及耕作措施等有关,峰值通常出现在100～120cm土层[26],设施菜地由于过量施用畜禽粪肥导致土壤剖面硝态氮浓度很大,峰值通产在0～40cm[27-28].土壤随有机物碳氮比提高,微生物固定矿化氮增多,土壤硝态氮浓度下降,淋失减少[29].化肥减量、改善施肥方法和提高肥效能够减少土壤硝态氮累积与淋失[30].

表3　土壤30cm土层硝态氮浓度(mg/kg)Table 3 Soil nitrate concentration at 30cm layer (mg/kg)

3.2 土壤渗滤液

土壤渗滤液每年取4次(稻田),结果见表4.30cm土层,T1与CK在6月上旬与下旬达到显著差异,T2与T1也是如此,T1与CK没有达到显著差异.渗滤液的硝态氮浓度在5月下旬与6月上旬没有达到显著差异,但是在6月上旬、6月下旬与7月下旬之间达到显著差异.5月下旬与6月上旬由于取样间隔较短,渗滤液硝态氮浓度非常接近,然而6月下旬硝态氮浓度也不低,这与土壤硝态氮浓度吻合.7月下旬渗滤液的硝态氮浓度显著下降.60cm土层,处理与对照在5月下旬达到显著差异,其中T1最大;T1与CK只有在6月上旬达到显著差异,T2与CK没有达到显著差异,而且CK要高于T2.处理与对照在6月与7月下旬没有达到显著差异. 5月与6月下旬,60cm土层差异性要大于30cm土层,渗漏液硝态氮浓度在6月与7月下旬显著下降.90cm土层的处理与对照相比,达到显著差异(除7月下旬的T1外),差不多全部处理都高于对照.鸡粪还田后土壤渗滤液的硝态氮与铵态氮浓度提升很多[31].在连续淹水模拟试验情况下,畜禽粪便施用量越低,土壤氮的淋溶越高,不同畜种粪便有淋失量差异,其中猪粪最大,其次是牛粪与鸡粪[32].这表明,过高的畜禽粪便用量,并不能促进氮素释放,作物也不能充分吸收利用,加大了农业面源污染的潜在风险,因此适量施用畜禽粪便也非常重要.作物生长季节土壤硝态氮通过淋失进入浅层地下水(生长季地下水位高150～200cm),监测表明,90cm土层处渗漏液硝态氮浓度3.5～3.9mg/L,硝态氮淋失量8～8.69N kg/hm2,渗漏水量 100～120mm.多数情况下硝态氮浓度超过10mg/L,大棚的地下的浅层地下水硝态氮与有机氮浓度甚至高达11.85～46.12mg/L与0.64～5.89mg/L;普通农田0.12～4.97与0.03～1.00mg/L;其中,硝态氮是氮素淋失的主要形态,占总TN的57.3％～92.0％,其次是可溶性有机氮占7.8％～42.5％,亚硝酸氮仅占1％[33].类似情况在山东省惠民与寿光县出现,蔬菜大棚的地下水硝态氮浓度9～274mg/L,0～ 100cm土壤硝态氮浓度147～5038kg /hm2,99％的地下水硝态氮浓度超过10mg/L[34-35].化肥氮的大量使用导致地下水硝态氮污染在很早就已经认识到了[36].

表4　稻田土壤渗滤液硝态氮浓度(mg/L)Table 4 Nitrate concentration of soil leachate in rice field (mg/L)

3.3 畜禽粪便还田与TN及SOM

30cm土层CK、T1和T2的TN是0.72、0.78 和0.88g/kg,T1、T2分别提高了7.72％和22.04％; 30～60cm土层的CK、T1和T2的TN是0.42、0.41和0.45g/kg,T1、T2分别提高-1.26％和6.01％; 60～90cm土层的CK、T1和T2的TN是0.27、 0.32和0.31g/kg,T1、T2分别提高21.39和16.46％.这个结果表明土壤氮向深层淋失并最终进入地下水.施用越多,淋失量也越多.与对照的土壤有机质12.67g/kg,30cm土层的T1和T2分别增加0.95和1.41g/kg,分别提高7.50％和11.13％(2013 年10月),因此,猪粪还田能够增加土壤有机质,很多试验结果都支持这个结果.畜禽粪便还田增加了耕作层与犁底层的有机碳、TN、TP、TK,土壤孔隙度增加11％,团聚体的水稳性增加,微生物碳与微生物氮分别增加2.1和1.5倍[37].

另外,施肥方式与种植模式对土壤硝态氮有很大影响.传统的施肥方式在早期施肥量大超过作物的需求,采用氮肥后移施肥方法,减少前期用量和增加中后期用量(总量不变),有效的减少了硝态氮前期淋失[38].灌区采用冬小麦-水稻、春小麦-大白菜、青贮玉米、冬小麦-油葵等复种模式能够有效降低土壤硝态氮残留[39];而传统的稻旱轮作制的休闲期从10月上旬—下年3月上旬或5月中旬,约150或220d的土壤硝态氮淋失量0.69～0.81kg/hm2[40].农林系统能够减少土壤氮素进入地下水主要原因是林果根系吸收利用了上层淋失到深层土壤氮素[41].菜地的硝态氮淋失大于普通农作物主要原因是施肥量大,在粮食作物一季的氮肥施用量不要超过200kg/hm2,小麦-玉米两熟情况下有机氮与无机氮施用量不要超过400kg/hm2情况下,土壤硝态氮淋失明显减少[5].

4 结论

在宁夏引黄灌区,农田施用猪粪6000～ 9000kg/hm2,没有明显增加土壤硝态氮淋失;土壤硝态氮淋失量稻田大于旱田;猪粪还田水稻产量增加12.26％～11.55％,冬小麦产量增加9.32％～ 12.52％.农田长期施用畜禽粪便,为化肥氮减量还田及土壤硝态氮淋失控制提供了可能.

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Effect of swine manure application to soil nitrate leaching of paddy-upland rotation-A case study in the Yellow River irrigation area.

YANG Shi-qi1,2, HAN Rui-Yun1,2, WANG Yong-sheng3, LI Ru-liang4, XIE Xiao-jun5, YANG

Zheng-li1,2*(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China；2.Key Laboratory of Agro-Environment and Climate Change, Ministry of Agricultural, Beijing 100081, China；3.Synthesis Research Center of Chinese Ecosystem Research Network, Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；4.Institute of Agricultural Resources and Environment, Ningxia Academy of Agro-Forestry Science, Yinchuan 750002；5.College of Agronomy, Northwest A and F University, Yangling 712100, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：492～499

Abstract：Water pollution is severe in Ningxia irrigation zone and water quality is classified as Inferior Category V in many of drainage ditches. The main pollutants are nitrate and ammonium. A 5-year swine manure application trial and nitrate leaching losses have been conducted. There are 3 treatments: traditional without manure (CK), traditional matched manure 4500kg/hm2(T1) and traditional matched manure 9000kg/hm2(T2). Nitrate nitrogen leaching losses at 30, 60, 90cm soil layers have been measured by resin core method. The results indicate that swine manure application cannot obviously increase soil nitrate leaching losses at 30cm layer. Contrasting with CK (15.96±0.41) kg/hm2, T1 (16.85±0.40) kg/hm2and T2 (17.01±0.46) kg/hm2do not reach significant differences (P<0.05), the same result as at the 60cm layer. However there are significant differences between treatments and CK and no significant differences between T1 and T2 at 90cm layer. Manure application can increase soil organic matter and total nitrogen. SOM of T1 and T2 are increased 0.95 and 1.41g/kg, which are improved 7.50％ and 11.13％. TN of T1 and T2 are increased 0.06 and 0.16 g/kg at 0～30cm layer, which are improved 7.72％ and 22.04％. Manure application can increase crop yield, rice yield is increasedbook=493,ebook=17612.26％～11.55％, but also winter wheat yield is increased 9.32％～12.52％.

Key words：the yellow River irrigation area；paddy-upland rotation；swine manure application；soil nitrate；leaching

作者简介：杨世琦(1970-),男,陕西旬邑人,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,主要从事农田土壤氮流失控制研究.

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07201-009)

收稿日期：2015-06-12

中图分类号：X53

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)02-0492-08