秸秆还田氮肥不同配施比例在土壤中的淋失研究

田路园　邹雨坤　李光义　侯宪文　赵凤亮　李勤奋

摘 要 通过室内土柱淋溶试验，研究秸秆还田配施不同比例的氮肥比对土壤氮素淋失的影响。不同处理的碳氮比例为15 ∶ 1、20 ∶ 1、25 ∶ 1、30 ∶ 1、35 ∶ 1、CK。结果表明，秸秆还田配施氮肥对于氮素的淋失有良好的抑制作用，硝态氮共淋出129.57 、123.68、103.02、122.59、100.12、96.11 mg，占总氮淋溶量的11.05%、13.68%、10.89%、14.75%、15.15%、22.14%，处理组淋溶损失比例均小于对照组，又以碳氮比例为25 ∶ 1的效果最好；铵态氮共淋出21.33、18.61、9.57、12.30、5.59、7.57 mg，占总氮淋溶量的1.82%、2.06%、1.01%、1.48%、0.85%、1.74%，碳氮比例为25 ∶ 1和35 ∶ 1时淋淋损失比例较小。综合考虑，配施氮肥时以碳氮比例25 ∶ 1淋失损失最少。

关键词 秸秆还田；碳氮比；淋溶液；氮素淋失

中图分类号 S566.1 文献标识码 A

Abstract The leaching of nitrogen in different nitrogen to straw returned ratio was studied through indoor soil column leaching experiment. Different treatments of carbon and nitrogen ratio were 15 ∶ 1， 20 ∶ 1， 25 ∶ 1， 30 ∶ 1， 35 ∶ 1， CK. The results showed that the straw returned had a good inhibitory effect on nitrogen leaching. The nitrate nitrogen leaching was 129.57、 123.68、 103.02、122.59、100.12、 96.11 mg， respectively， accounting for 11.05%， 13.68%， 10.89%， 14.75%， 15.15%， 22.14% of the total amount of nitrogen leaching. The leaching loss proportion of the treatment was less than the control， and the best was found in the treatment of carbon to nitrogen ratio 25 ∶ 1. The ammonium nitrogen leaching was 21.33、 18.61、 9.57、 12.30、5.59、7.57 mg， respectively， accounting for 1.82%，2.06%，1.01%，1.48%，0.85%，1.74% of the total amount of nitrogen leaching. Less leaching rates were found in the treatment of carbon to nitrogen ratio of 25 ∶ 1 and 35 ∶ 1. The carbon to nitrogen ratio 25 ∶ 1 is recommended in fertilizing application.

Key words Traw returned；Carbon and nitrogen ratio；Aching solution；Nitrogen loss

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.07.004

氮素是影响作物生长的重要因素之一，为了增加作物的产量，在农业生产中人们一味的提高氮肥的使用量，造成了严重的资源浪费和环境污染，中国氮肥施用量远超出世界平均水平[1-2]。氮素化肥被大量施用时，不能被作物全部吸收利用，而土壤胶体不能吸附易溶性的硝酸根离子，引起淋失[3]。研究表明，全世界施入土壤的氮肥约10% 经淋溶而进入地下水[4-5]。当降雨或灌溉超过田间饱和持水量时即发生NO3--N随水向下淋失[6-7]。目前农田土壤硝酸盐的淋失被认为是造成地下水硝酸盐污染的主要原因[8]。

秸秆中含有作物生长需要的氮、磷、钾等营养元素，可以作为重要的肥料资源[9-10]。据统计，目前中国每年生产约7亿t的秸秆，其肥量相当于 350多万t 氮肥，但中国秸秆还田率不足50%[11-13]。秆还田可培肥地力，改善土壤结构和理化性状，提高土壤保水保肥能力，优化农田生态环境[14-17]。

秸秆施入农田后，其降解主要依赖于微生物，土壤微生物在分解秸秆过程中需要同化土壤碳素和吸收速效氮素，以合成新的细胞体。碳氮比高的秸秆施用后，虽然能够提供丰富的碳素来源，但缺乏氮素会限制微生物的活性，因此，在秸秆还田后施入一定量的氮肥能够通过促进微生物的繁殖来加快秸秆腐解[18]。而不同秸秆的碳氮比差异较大，在很大程度上影响了其分解效率[19]。对于特定还田秸秆来说，通过施氮来协调碳、氮比例，可满足微生物降解秸秆时对氮素的需求，维持和增加微生物活性和数量，改善土壤作物之间的氮素转化，提高氮肥和秸秆的利用率[20-22]。

目前，关于秸秆还田时配施氮肥效应的研究有很多，但主要集中在作物产量、土壤肥力、土壤水分、土壤微生物等[23-25]，关于配施氮肥时，不同碳氮比对土壤淋溶液中氮素流失影响的研究少有报道。基于此，本研究通过室内土柱模拟试验，探究秸秆还田时配施不同比例的氮肥对于土壤淋溶液中氮素流失的影响，为合理利用秸秆资源、合理配施氮肥、保护生态环境提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用土壤采自中国热带农业科学院儋州试验基地（中壤），过5 mm筛，每个土柱中土壤重6.5 kg；还田秸秆采用腐熟过的甘蔗叶，其中C含量为40.39%，N含量为1.40%，试验取2～3 cm的小段，每个处理均按照0.75 kg/m2还田量折算添加。试验用氮素为尿素。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 本试验采用室内土柱模拟实验，使用直径为16 cm、横截面积为0.020 1 m2的PVC管，分装土壤深度为30 cm，秸秆埋深约15 cm。

试验于2013年12月在海南省儋州市进行，共设6个处理（表1），按照秸秆还田时配施氮肥的碳氮比例分为15 ∶ 1（处理一）、20 ∶ 1（处理二）、25 ∶ 1（处理三）、30 ∶ 1（处理四）、35 ∶ 1（处理五）、CK（对照组）处理，对照组不施入秸秆及尿素，碳源选用腐熟甘蔗叶，氮源选用尿素。

1.2.2 测定方法 取样前浇水，前3次取样前浇水1 100 mL，从第4次取样开始，取样前浇水1 300 mL。取样时测量淋溶液的体积，样品测量其总氮、硝态氮、铵态氮的浓度，其中总氮用总有机碳分析仪直接测定，硝态氮用紫外分光光度法测定，铵态氮用靛酚蓝比色法测定。

1.3 数据处理

试验数据的统计分析使用Excel和SPSS 19.0软件，各处理之间的显著性差异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 不同处理下总氮浓度和淋失量的变化

每一组处理的总氮浓度呈先下降后上升的趋势，不同处理之间的总氮浓度有所差异，总的趋势是总氮的浓度随着施入氮肥量的减少而降低；5 d取样时，各个处理间总氮浓度差异显著（p=0.011），浓度的大小顺序为15 ∶ 1>30 ∶ 1>25 ∶ 1>20 ∶ 1>35 ∶ 1>CK，其中各个处理的浓度比对照组多165.15%，101.33%，128.44%，157.84%，83.06%；120 d时，各处理的总氮浓度均达到最低值，CK的降幅最大，120 d后，各处理的总氮浓度开始缓缓升高，其中CK的增幅要大于其他处理；第120天时，各处理之间差异显著（p=0.024），20 ∶ 1>15 ∶ 1>25 ∶ 1>30 ∶ 1>CK>35 ∶ 1，其中处理二（15 ∶ 1）、处理一（15 ∶ 1）、处理三（25 ∶ 1）、处理四（30 ∶ 1）比对照组高209.43%，248.33%，49.80%，18.88%，而处理五（35 ∶ 1）比对照组低3.12%，第240天时，各处理之间差异不显著（p=0.157）（图1-A）。

总氮的淋溶量变化趋势与浓度的变化趋势相似，呈先下降后上升趋势，5～120 d取样时，处理组的淋溶量均高于对照组，120 d后，处理组的淋溶量低于对照组。这可能是因为120 d前，处理组施入的氮肥，部分随水淋出，120 d后，处理组的氮素和水分的流失都得到了良好的抑制，其中又以处理三（25 ∶ 1）的效果最好（图1-B）。

2.2 不同处理下硝态氮浓度和淋失量的变化

除90 d和120 d外，各处理之间的硝态氮浓度变化相差不大，各处理的总体趋势为先下降，然后略微上升，接着又下降，120 d时达到最低，而后开始显著上升，且趋于平稳，但平稳之后的浓度略高于5 d取样时的浓度。5 d时，各处理之间差异不显著（p=0.192），各处理的浓度均高于对照组。120 d时，各处理之间差异显著（p=0.001），各处理均大于对照组，分别高出84.01%、83.89%、49.28%、49.45%、14.11%。240 d时，各处理之间差异不显著（p=0.056）（见图2-A）。

秸秆还田明显抑制了硝态氮的流失，120 d后，各处理组硝态氮的淋失量均低于对照组，不同处理组之间比较时，碳氮比例为25 ∶ 1（处理三）的抑制效果最好（图2-B）。

2.3 不同处理下铵态氮浓度和淋失量的变化

各处理的铵态氮浓度呈现上升→下降→上升→下降的趋势，5～120 d取样时，碳氮比小的铵态氮浓度更高一些。5 d时，各处理之间的铵态氮浓度差异不显著（p=0.098），其中以处理一的浓度最高，为2.565 mg/L；对照组浓度最低，为0.735 mg/L。15 d时，处理一和处理二的铵态氮浓度达到峰值，远远高于其他处理的浓度，其中处理一的浓度为8.585 mg/L，是对照组（0.257 mg/L）的33.44倍，处理二的浓度为9.115 mg/L，是对照组的35.51倍。30 d时处理三和处理四达到峰值，处理三、处理四的浓度分别为 4.510 mg/L、5.670 mg/L，是对照组（0.150 mg/L）的30.07和37.80倍。120 d时各处理之间差异显著（p=0.021），处理三的浓度最高，为0.715 mg/L，处理五浓度最低，为0.130 mg/L，对照组的浓度为0.250 mg/L，处理一、处理三、处理四的浓度就高于对照组，分别高出129.79%，204.26%，87.23%，而处理二和处理五比对照组低14.63%，44.68%。180 d时，各处理之间差异显著（p< 0.05），其中对照组>处理二>处理五>处理一>处理三>处理四，浓度最高的对照组为6.487 mg/L，达到峰值，最低的处理四为1.307 mg/L，对照组是处理四的4.96倍。240 d时，各处理之间差异不显著（p= 0.589）（图3-A）。

120 d前，处理组增加了铵态氮的淋失量，120 d后，处理组有效的减少了铵态氮的淋失量，抑制铵态氮的流失（图3-B）。

2.4 不同处理对淋溶液体积的影响

不同处理的淋溶液体积整体呈先先增大后降低的趋势，不同处理间比较时略显差异，除5 d取样时，处理三淋溶体积最高，其他时间取样时，均为对照组的淋溶体积最高。5 d取样时，各处理之间差异不显著（p>0.05），处理三的淋溶体积最大，为891 mL；处理二的淋溶体积最小，为796 mL；对照组的体积为869 mL。处理三的体积比对照组高2.53%，而处理二的淋溶体积比对照组低8.40%。120 d取样时，各处理之间差异显著（p<0.05），对照组的淋溶体积最高，为1 210 mL，处理三淋溶体积最低，为560 mL，最高与最低之间相差2.16倍。240 d时，各处理之间差异显著（p< 0.05），对照组的淋溶体积最大为990 mL，处理一的体积最小，为680 mL，比对照组低31.31% 。试验中，处理组有效的减少土壤水分的流失，其中处理三（25 ∶ 1）的效果最好（图4）。

2.5 不同处理对淋溶氮累计量的影响

各处理的淋溶氮累计量逐步下降，这与秸秆还田时配施氮肥的量有关，淋溶氮累计量和配施氮肥的量呈正相关。取样结束时，各处理淋溶液的总氮累计量分别为1 172.30、904.15、945.96、831.33、660.62、434.08 mg，其中处理一总量最高，对照组总量最少，处理一比对照组高170.07%，各处理之间差异显著（p<0.05）。硝态氮分别为129.57、123.68、103.02、122.59、100.12、96.11 mg，占总氮淋溶量11.05%、13.68%、10.89%、14.75%、15.15%、22.14%，其中处理三的硝态氮淋失比例最小，对照组的淋失比例最高，各处理之间差异显著（p<0.05）。铵态氮分别为21.33、18.61、9.57、12.30、5.59、7.57 mg，占总氮淋溶量1.82%、2.06%、1.01%、1.48%、0.85%、1.74%，其中处理三、处理四、处理五的淋失比例均小于对照组，处理一和处理二高于对照组，又以处理五的淋失比例最低，处理二最高，各处理之间差异显著（p<0.05）（图5）。

120 d后各处理的淋溶总氮为164.21、175.08、138.29、141.88、170.51、158.99 mg，其中处理二的最高，处理三的最低。淋溶的硝态氮为59.74、60.08、40.59、58.73、45.76、41.99 mg，占总氮含量的36.38%、34.32%、29.35%、41.39%、26.84%、26.41%。淋溶的铵态氮为5.33、5.79、2.60、3.43、3.52、5.65 mg，占总氮含量的3.25%、3.31%、1.88%、2.41%、2.07%、3.56%，处理三的淋溶损失最少。

3 讨论与结论

有机肥中碳、氮、磷等元素是被微生物固定或是释放至土壤中供植物利用，很大程度上取决于有机肥的碳氮比[26-27]。有研究表明当碳氮比例高于35 ∶ 1时，微生物必须经过多次生命循环，氧化过量的碳，达到一个合适的碳氮比，供其新陈代谢，因而碳氮比如果过高，会降低微生物降解秸秆的速度[28]，而秸秆的碳氮比一般较高，还田后秸秆虽然能够为微生物提供丰富的碳来源，但氮素的缺乏限制了微生物的活性。因此，在秸秆还田后施入一定量的氮肥能够通过促进微生物的繁殖来加快秸秆的降解[18]。由于施入氮肥的量不同，各处理组中微生物数量也有所差异，而微生物数量上的差异又进一步影响秸秆降解的速度，120 d后，微生物降解秸秆的作用开始突显。

本试验结果表明，秸秆还田对于氮素的淋失有良好的抑制作用。周江敏等[29]研究结果表明秸秆腐解增加了土壤氮素的固定，这与本研究得到的结论一致。而秸秆还田时，配施一定比例的氮肥可以更好地抑制氮素的淋失。碳氮比例为25 ∶ 1时，硝态氮和铵态氮的淋失抑制效果都达到最佳。一般认为，碳氮比范围在25 ∶ 1～30 ∶ 1内时，是适宜土壤微生物分解有机物质的范围，这与本研究得出的结论是一致的。

秸秆还田后配施一定的氮肥，短时间内会增加淋溶液中氮素的浓度，增加农用氮肥污染地下水的风险，但长远来看会对淋溶液氮素的流失起抑制作用，有效的减少硝态氮和铵态氮的淋失。本试验结果表明，对于中壤来说，以腐熟的甘蔗叶为还田所用秸秆时，建议以25 ∶ 1的碳氮比例施入氮肥，能有效的促进秸秆的降解，减少氮素的淋失，减少由农业生产引起的硝态氮污染。在不影响作物产量的前提下，合理施肥，既可以减少对环境的污染，也可以节约资源，降低生产成本，增加经济效益。

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