配施有机肥减少太湖地区稻田土壤硝态氮淋失的机理研究①

张 敏，姚元林，曾 科，李冰洋，田玉华，尹 斌*

(1 洛阳师范学院生命科学学院，河南洛阳 471023；2 南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044；3 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；4 河南省煤炭地质勘查研究总院，郑州 450052)

稻田是我国最主要的农业土地利用方式之一，我国65% 以上的人口都是以稻米为主食[1]。为了确保水稻最大生产力，农民通常施用过量无机氮肥。未被作物吸收利用且超过土壤固定吸附的氮会通过氨挥发、淋溶、径流和硝化-反硝化等途径损失到环境中，引起环境质量下降[2-3]。其中氮淋失是农田氮素损失的重要途径之一，我国农田总氮平均表观淋失率为2.2%[4]。土壤氮淋失不仅降低稻田氮肥利用率，还会危害周围水体的环境质量[5]。近年来随着地表水和地下水质的恶化，稻田氮淋溶损失也一直是世界所关注的问题。

无机氮肥过量施用是导致农田土壤氮淋失的重要原因[6]。施入土壤的氮肥在土壤微生物的作用下，转化为硝态氮和亚硝态氮，因其不易被土壤所固定，且极易溶于水，因此易随土壤水分的迁移而移动，向下渗漏产生氮淋失。硝酸盐淋失是农田土壤氮素淋失的主要形式[7]。据统计，水田中NO-N 的平均淋失量为6.3 kg/hm2[4]。土壤NO-N 淋失会引起地下水硝酸盐污染，威胁人体健康[8]。潘田和张幼宽[9]对太湖流域浅层地下水硝酸盐浓度和氮肥用量进行统计分析，发现二者之间存在正相关关系。过量NO-N 进入人体后，能通过酶系统被还原为亚硝态氮，引发高铁血红蛋白病，尤其是婴幼儿，对此更为敏感。因此减少农田土壤NO-N 淋失对保障饮用水安全有着重要意义。

和无机肥相比，配施有机肥能够促进作物对氮的吸收，有效降低土壤氮淋失[10-11]。土壤氮淋失主要和田面水、土壤的氮含量有关。有研究认为配施有机肥能够降低田面水NO-N 浓度，从而降低土壤氮淋失[12]；也有研究认为配施有机肥能提升土壤有机质含量，增加对NO-N 的固持作用，进而阻碍了NO-N向下移动[13-14]。但是关于有机肥降低稻田氮淋失的具体作用机制还不甚清晰，因此还需进一步的研究。太湖流域地处长江三角洲中心，是我国水稻种植的主要地区之一。该地区稻田高氮投入特征明显，据统计，太湖流域单季水稻平均施氮量为300 kg/hm2[15]。过多氮肥投入以及不合理的施用方式导致大量氮素损失，威胁周围环境质量。潘田和张幼宽[9]对太湖流域长兴县43 个浅层地下水样进行了分析，发现硝酸盐超标率达16%，主要分布在农业集中区。因此本研究在太湖地区开展田间试验，探讨配施有机肥对稻田土壤氮淋失的影响机制，为减少该地区土壤NO-N 淋失提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与土壤基本性状

田间试验于中国科学院常熟生态农业实验站(31°32′93″ N，120°41′88″ E)进行。该站位于太湖地区，属亚热带季风气候，年平均气温15.5℃，年平均降水量1 038 mm。供试土壤为湖积物发育的潜育型水稻土(乌栅土)，表层土(0 ～ 20 cm)基本性质：pH 7.35，有机质 35 g/kg，全氮 2.09 g/kg，全磷 0.93 g/kg，阳离子交换量 17.7 cmol/kg。

1.2 试验设计

试验包括2014 年和2015 年两个水稻季，设有5个处理，分别为：①对照(CK)；②常规施肥(CT)；③减氮处理(RT)；④常规配施有机肥(CT+M)；⑤减氮配施有机肥(RT+M)。氮肥以尿素(含N 460 g/kg)形式施入，基肥、分蘖肥、穗肥的施肥比例为4∶2∶4，对照不施氮肥。磷肥为过磷酸钙(含P2O5120 g/kg)，钾肥为氯化钾(含K2O 600 g/kg)，磷肥、钾肥和有机肥均作为基肥一次性施入，具体施肥见表2。用于试验的有机肥为腐熟的菜籽饼肥(菜子饼与水混合，厌氧发酵30 d)，含水率为70%，含氮量(干重)为60.7 g/kg，含磷(干重)8.8 g/kg，含钾(干重)12.7 g/kg，有机碳(干重)含量为504 g/kg。

试验采用的水稻为南粳 46，栽插株行间距为20 cm × 20 cm。试验小区面积为42 m2(6 m × 7 m)，随机区组排列，重复3 次。小区之间设有田埂并用塑料薄膜包被，各小区设置独立的排灌沟，以防止串水、串肥。所有处理肥料均为表层均匀撒施，杂草和病虫害管理与当地常规管理一致。除烤田外，田间始终保持3 ～ 5 cm 的田面水，直至收获前一周左右。水稻收获日期分别为2014 年11 月5 日和2015 年11 月9 日。

表1 稻季不同处理的施肥量(kg/hm2)Table 1 Fertilizer application under different treatments during rice season

1.3 水样、植株样和土样采集、分析与数据处理

本研究利用陶瓷头提取器法采集土壤水溶液[16]。陶瓷头微孔直径约为2 μm，主体为圆柱体，高5 cm，内径2 cm，管中插入抽取水样的塑料软管，PVC 管与土壤间灌入泥浆，以保证无缝隙。每个小区预先埋设一组多孔陶杯，深度分别为30 cm 和80 cm。水稻生育期内，每隔10 ～ 20 d，利用真空泵采集不同深度的土壤水溶液1 次，然后贮存于-20 ℃ 的冰箱内备测。通过土壤水分垂直渗漏量和土壤水溶液中的氮素浓度来估算土壤氮素淋溶损失量。在水稻生育期内淹水条件下，土壤水分垂直渗漏速率平均为5 mm/d[17]。利用靛酚蓝比色法测定土壤水溶液中NH-N 的浓度，紫外分光光度法测定土壤水溶液中NO-N 的浓度，碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定土壤水溶液中总氮浓度[18]。氮素渗漏量计算公式为：P=C×t×5×10-2，式中：P为氮素淋失量(kg/hm2)；C为30 cm 或80 cm 深度氮素淋失的平均浓度(mg/L)，t为水稻移栽至收获之间的淹水天数(d)。

水稻成熟后，人工收割6 m2用以计产；另取一份考种样，烘至恒重后粉碎，测定其总氮含量。植株吸氮量为植株干重与总氮含量之积。作物生长期间以及作物收获后，利用对角线取样法，每个小区人工采集0 ～ 20 cm 和20 ～ 40 cm 土层5 点，混为1 个样品，之后贮存于 -20 ℃ 的冰箱内备测。测样时先将土样解冻，然后去除土壤样品中的植物根、石砾及其他杂质后混匀，称取6 ～ 10 g 鲜土，用50 ml 2 mol/L 氯化钾溶液振荡浸提1 h(振荡机转速＞150 r/min)，之后过滤，用靛酚蓝比色法和紫外分光光度法分别测定土壤NH-N 和NO-N 含量，同时测定土壤含水率[18]。水稻收获后的土样风干后，研磨过100 目筛，用以测定土壤有机质(SOM)和全氮(TN)。土壤SOM 和TN 含量的测定方法分别为重铬酸钾容量法和凯氏定氮法。

试验数据使用SPSS19.0 分析，Origin 9.1 作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理的土壤氮淋失量

土壤氮淋失量随土壤深度的增加而减少，30 cm处氮淋失量高于80 cm 处。土壤氮淋失以NO-N 为主，NO-N 淋失量占总氮淋失量的42% ～ 75%，而NH-N 仅占8% ～ 26%。就土壤NH-N 淋失而言，两种深度下不同施肥处理间均没有显著差异。

表 2 不同土壤深度(30 cm 和80 cm)下不同处理的土壤氮淋失量(kg/hm2)Table 2 N leaching loss under different treatments at 30 cm and 80 cm depths

2.2 淋溶水NO -N 浓度与田面水NO -N 浓度之间的关系

图1 2014 年和2015 年田面水NO-N 浓度和淋溶水NO-N 浓度之间的相关关系Fig. 1 Relationship between floodwater NO-N concentration and NO-N concentration in percolation water in rice seasons of 2014 and 2015

2.3 不同深度土壤NO-N 含量

水稻生育期，分别采集分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期和收获期(2015 年灌浆期土样没有采集，而增加了基肥期土样采集)的土样，不同深度土壤的NO-N 含量结果见图2。两年的结果类似，土壤NO-N含量随土壤深度的增加而降低，0 ～ 20 cm 土层NO-N 含量高于20 ～ 40 cm 土层。

对于0 ～ 20 cm 土层，不同时期施肥处理的土壤NO-N 含量均高于空白处理；不同施肥处理下，配施有机肥处理的NO-N 含量明显高于单施无机肥处理。但是20 ～ 40 cm 土层，不同时期配施有机肥处理和单施无机肥处理之间土壤NO-N 含量差异很小(图2)。这表明配施有机肥可以减少NO-N 向土壤深层的迁移，提高土壤对NO-N 的吸附和固定，使得更多的NO-N 保存在土壤表层。

2.4 土壤有机质和全氮含量

水稻收获后，不同处理土壤的SOM 含量见图3。与CK 处理相比，两年里配施有机肥均显著提高了土壤SOM 含量(P＜0.05)；无机肥处理土壤的SOM 含量较CK 处理有增加的趋势，但是二者之间的差异不显著(P＞0.05)。两年里CT+M 处理土壤的平均SOM 含量为38.0 g/kg，比CT 处理提高6.7%。

不同处理土壤的TN 含量变化趋势和SOM 含量类似，结果见图4。两年里CT+M 处理土壤的平均TN 含量为2.26 g/kg，比CT 处理提高5.1%。

图2 2014 年(左)和2015 年(右)不同处理0 ～ 20 cm 和20 ～ 40 cm 土层的NO-N 含量Fig. 2 Soil NO -N concentrations in 0-20 cm and 20-40 cm layers under different treatments in 2014 and 2015

图3 2014年和2015年水稻收获后不同处理土壤表层有机质含量Fig. 3 Soil organic matter contents in 0-20 cm layer after rice harvest in 2014 and 2015

图4 2014年和2015年水稻收获后不同处理土壤表层全氮含量Fig. 4 Soil TN contents in 0-20 cm layer after rice harvest in 2014 and 2015

2.5 水稻产量和吸氮量

2014 年由于受到台风影响作物发生倒伏，导致该年不同施肥处理之间的水稻产量差异并不显著(P＞ 0.05，表3)。与无机肥处理相比，2015 年配施有机肥处理显著提高了水稻产量(P＜0.05)。RT+M 处理的平均水稻产量为9.3 t/hm2，较RT 处理显著提高12%；CT+M 处理的水稻产量平均为9.6 t/hm2，较CT 处理显著提高13%。

表 3 2014 年和2015 年不同处理的作物产量和吸氮量

Table 3 Rice yields and crop N uptake under different treatments during rice seasons of 2014 and 2015

处理 2014 年 2015 年产量(t/hm2) 吸氮量(kg/hm2) 产量(t/hm2) 吸氮量(kg/hm2)CK 4.88 b 78 c 4.71 c 67 c RT 7.80 a 141 b 8.80 b 141 b CT 7.96 a 148 b 8.99 b 155 b RT+M 8.29 a 155 a 10.4 a 182 a CT+M 8.49 a 159 a 10.7 a 187 a

两年里，配施有机肥处理的吸氮量均显著高于无机肥处理。RT+M 处理的吸氮量平均值为169 kg/hm2，较RT 处理提高19%；CT+M 处理的吸氮量平均值为173 kg/hm2，较CT 处理提高14%。

3 讨论

施入土壤中的无机氮肥在脲酶的作用下很快发生水解，之后在硝化作用下产生NO-N，由于NO-N不易被土壤固定，在淹水条件下易随水分向下渗漏[17]。在同等水分和土壤性质条件下，施肥是影响氮素淋失的最重要因素。与无机肥相比，施用有机肥有助于降低深层土体的NO-N 淋失[19]。类似地，本研究中配施有机肥处理NO-N 淋失较无机肥处理降低了12% ～40%。

由于有机肥对土壤性质和养分转化的影响过程较为复杂，有机肥施用对土壤氮淋失的影响随有机肥质量和施用量的不同而不同。有研究表明，过量施用有机肥也可能增加养分淋洗损失[24-25]。例如，高懋芳等[25]认为长期大量施用有机肥会提高稻田土壤氮素水平，容易造成NO-N 在土体中的累积，引发氮素向深层土体的淋失，且淋失浓度随着施肥量的增加逐渐提高，威胁着地下水环境安全。本研究结果仅反映了配施有机肥对太湖地区稻田土壤氮淋失的影响，并且仅从水/土中氮素转化和氮素吸收考虑配施有机肥对稻田土壤氮素淋失影响机制还有所欠缺，今后还需进一步探讨土壤微生物特性与氮素淋失之间的响应。

4 结论