自然耕作条件下典型有机肥氮素原位径流流失特征分析

夏红霞，朱启红，刘希东，李 强，丁武泉，杨志敏，陈玉成

(1.重庆文理学院 重庆市环境材料与修复技术重点实验室，重庆 402168；2.西南大学 资源环境学院 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715)

有机肥是我国农业生产中的传统肥料，在我国已有3 000多年的历史[1]。施用有机肥不仅可以改善土壤质量，促进作物生长，还可以提高农产品质量，一直被认为是安全可靠的[2]。国外学者也开始鼓励在农业生产中施用有机肥，以减少土壤养分流失。相关研究表明，化肥是导致土壤养分流失、水体富营养化的关键因素。但也有研究表明，施用有机肥也会造成养分流失[3]，尤其是施用后短时间内遭受暴雨冲刷或持续降雨造成的养分流失十分严重[4]。SMITH et al.[5]的研究结果显示，施用有机肥易造成土壤面源污染。王丽等[6]的研究表明，有机肥养分在高原黑垆土中流失严重，并与土壤坡度关系密切。郭智等[7]的研究也发现，施用有机肥显著增加了土壤磷素流失。由此表明，在农田土壤中施用有机肥也会造成养分流失，形成面源污染。但国内外学者对这方面的研究较少，尤其缺乏对有机肥在紫色土中流失机理的研究。为此，本研究拟通过比较试验，对比分析典型有机肥、化肥在紫色土径流液中的氮素流失量与流失形态，进而揭示典型有机肥在紫色土中的氮素流失特征，以期为在紫色土中合理施用有机肥提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料与地点

供试地点：原位径流试验区位于重庆市江津区双福镇破石村3社，地处三峡库区库尾，多年平均降水量1 200 mm，且降水多集中在6—8月。试验区土壤主要为砂页岩发育形成的紫色土，土壤中总氮(TN)含量为1.91 g/kg。

供试肥料：根据试验区农业耕作习惯，选用干牛粪、沼液、油枯和有机-无机复混肥为供试有机肥，磷酸氢二铵为供试化肥。其中，干牛粪代表动物性固态有机肥，油枯代表植物性固态有机肥，沼液代表液态发酵有机肥，有机-无机复混肥代表工业化有机肥，磷酸氢二铵代表普通化肥。牛粪、沼液采自重庆某奶牛养殖基地，磷酸氢二铵、有机-无机复混肥和油枯购买自重庆市北碚区某农贸市场。经测试，供试干牛粪、沼液、油枯、有机-无机复混肥和磷酸氢二铵中TN含量分别为24.56、1.92、41.57、142.72和185.16 g/kg。

供试植物：豇豆和高粱。

1.2 试验设计

图1 径流小区示意

径流试验小区构建在坡度为10°的耕地上，顺坡设置(图1)。径流试验小区规格为8 m×4 m，下部设置有长2 m、宽0.8 m、深1 m的径流收集池，径流小区和径流收集池通过PVC管连接。径流小区四周用水泥墙与外界分隔，水泥墙体高1 m，其中0.5 m埋于地下，以防止小区间的土壤水和径流液相互渗透。径流收集池用水泥浇筑，上部设有盖子以防雨水渗入。收集完径流液后，利用收集池底部的排水管将多余的径流液排出。

1.3 试验方法

根据当地耕作习惯，所有供试肥料均作为底肥一次性施入各径流小区。根据供试肥料中TN含量以及当地农事习惯，供试干牛粪、沼液、油枯、有机-无机复混肥和磷酸氢二铵施用量分别为12 000、15 000、3 000、1 500和750 kg/hm2。径流试验分两个雨季连续进行：在第1年5月种植豇豆，8月豇豆收藤后试验结束，期间共收集到5次径流；豇豆收获后场地闲置，在第2年6月移栽高粱幼苗，待9月高粱成熟收获后结束原位径流试验，期间共收集到5次径流。径流试验期间不再增施肥料和喷洒农药，其余均按当地农事习惯进行管理。试验时每个处理均重复3次，以施用化肥为对照。

作物种植期间原位径流试验降雨量统计如下：第1季径流试验中5次降雨量分别为20.1、51.2、15.6、38.7和17.3 mm；第2季径流试验中5次降雨量分别为31.5、110.0、26.7、14.0和90.3 mm。

1.4 样品采集与测定

将收集的径流液带回实验室进行氮素形态含量分析。径流液TN含量采用过硫酸钾消解法直接测试；径流液经0.45 μm滤膜过滤后分别测试滤液中的可溶态氮(TDN)、硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)含量，径流液中的悬浮颗粒态氮(PN)利用差减法计算获得。试验所获得的数据用SPSS和Excel软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 原位径流TN流失量比较

雷沛等[8]研究发现，径流流失是土壤养分流失的主要途径之一，径流流失的氮素可占氮素流失总量的40%[9]。以化肥作为对照，各有机肥在紫色土中的原位径流TN流失结果见图2。由图2可知，第1季径流试验中，干牛粪、油枯、沼液和有机-无机复混肥在紫色土中的TN流失量与化肥相比存在较大差异。在径流试验第1、第2和第3场次中，干牛粪、沼液和有机-无机复混肥径流中TN流失量均低于化肥；但随着豇豆种植时间增加，各有机肥径流TN流失量与化肥间的差异逐渐减小，并在径流试验后期高于化肥(除沼液外)，尤其是干牛粪和有机-无机复混肥，在径流试验第5场次中显著高于化肥(p<0.05)。油枯在第1季径流试验中，仅在第2、第3场次低于化肥，其余各场次均高于化肥。各供试有机肥第1季径流试验TN流失量统计结果显示，供试有机肥径流TN流失量是化肥的72.98%～141.97%。由此表明，在紫色土中施用有机肥也会存在氮素径流流失，且其流失量可能会超过化肥。

图2 各有机肥处理的原位径流TN流失对比

试验结果还显示，第2季径流试验中各供试有机肥TN流失量与化肥相比也存在明显差异。在第2季第1场次中，各供试有机肥TN流失量均低于化肥，尤其是油枯显著低于化肥(p<0.05)；但在其他径流场次中，仅有机-无机复混肥在第2、第4场次中低于化肥，其余径流场次中各供试有机肥均高于化肥，尤其是在第5场次中各供试有机肥TN流失量均显著高于化肥(p<0.05)。对第2季径流试验结果进行统计，发现有机肥TN流失量是化肥流失量的56.91%～145.15%。由此进一步说明，在原位条件下施用有机肥仍然会造成氮素流失，并可能会超过化肥，这与本研究所获得的室内模拟试验结果是一致的[9]。

2.2 原位径流氮流失形态比较

图3 原位径流氮流失形态的比较

为研究供试肥料原位径流氮素流失特征，试验中对径流液中TDN、PN、NH4+-N和NO3--N的含量进行了分离测试。供试肥料原位径流氮流失形态分析结果见图3。由图3可知，不同供试肥料在紫色土原位径流中的氮素流失形态差异较大。化肥在第1季径流试验前期主要以TDN流失为主，TDN中又以NH4+-N为主，以NO3--N形态流失的比例较低，在径流试验后期以PN流失的比例明显增加；在第2季径流试验中，第1、第4场次中化肥氮素流失形态以TDN为主，其余场次均以PN为主。供试有机肥在第1季径流试验前期主要以TDN流失(油枯除外)，但在试验后期PN流失量显著增加，且在部分径流场次中流失的PN超过TDN；在第2季径流试验前期，有机肥主要以PN流失为主，在径流试验中期TDN流失率明显增加，但在试验后期TDN流失量明显低于PN流失量。由此表明，供试化肥和供试有机肥氮素在紫色土原位径流中以不同形态流失。

径流试验结果还显示，在紫色土径流中，不同形态的氮素流失量之间存在较大差异。在第1季径流试验前期，干牛粪、沼液和有机-无机复混肥径流液中TDN含量明显高于PN含量，且差异显著(p<0.01)；但在径流试验后期，干牛粪、沼液、油枯和有机-无机复混肥径流液中PN含量明显增加，且在部分径流场次中高于TDN含量。在第2季径流试验中，PN流失比例增加，且在部分径流场次中PN含量显著高于TDN含量(p<0.01),各供试肥料具有较为一致的流失规律。

2.3 分 析

径流试验结果显示，供试有机肥氮素径流流失总量在试验前期低于化肥，但随着施用时间延长，供试有机肥氮素径流流失总量逐渐增加，并可能会超过化肥。试验结果还显示，化肥和有机肥氮素流失形态在径流试验前期以TDN为主，但在试验后期PN流失量显著增加；TDN中又以NH4+-N为主，以NO3--N形态流失的比例较低。由此表明，在紫色土中施用有机肥仍然会造成氮素径流流失，且其流失量可能会超过化肥，但其流失形态存在一定差异，这主要是因为不同肥料中氮的存在形态不同[10-11]。化肥中氮素主要以无机态氮存在，遇水极易转化为可溶性氮而流失[12]，因此在径流试验前期会造成水溶性氮素大量流失；而有机肥中的氮素主要以有机态氮形式存在，有机态氮只有在微生物的矿质化作用下才能转化成容易迁移或被植物吸收的矿物氮[13]而流失，故在径流试验前期化肥径流液中TDN、NH4+-N和NO3--N浓度会高于有机肥。

随着有机肥的施用，大量微生物生长所需要的碳源进入土壤[14]，促进了土壤微生物的生长繁殖，进而促进了有机态氮的矿质化进程[15]，提高了土壤中的氮素流失量。此外，随着有机质进入土壤的大量有益微生物，也会促进有机态氮的矿质化，进而提高可溶性氮的流失量[16]。因此，随着施用时间增加，施用有机肥的土壤径流氮素流失量不断增加，并可能会超过施用化肥的土壤。但是，随着有机肥的施用，有机质对土壤质地的改良作用逐渐显现。施用有机肥明显改善了土壤结构，增加了土壤团聚体含量[17]，增强了土壤胶体对正电荷离子的吸持作用[18]，因此，NH4+-N流失的比例逐渐减少。NO3--N属于阴离子型氮，很难被土壤阳离子吸附[19]，故而会在降雨的作用下迅速流失，因此在地表径流中的含量逐渐减少[19-21]。此外，有机肥自身的C/N值也会影响土壤氮素的矿质化进程，进而影响有机肥中氮素的流失量及其流失形态。肖本木等[22]研究发现，有机肥对土壤氮素的转化与有机肥自身C/N值有关，C/N值低的豆粕可明显提高土壤NO3--N含量，C/N值高的菇渣可明显降低土壤NO3--N含量。

3 结 论

(1)原位径流试验结果表明，在紫色土中施用有机肥也会造成土壤氮素随径流流失，且有机肥氮素径流流失量还可能超过化肥。

(2)在紫色土径流中，不同形态氮素流失量之间存在较大差异。在径流试验前期，化肥和有机肥均以TDN流失为主，试验后期PN流失量显著增加，TDN中又以NH4+-N为主。

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