秸秆还田与施肥方式下淮河流域安徽段灰潮土氮素淋失特征

王慧， 高良敏*， 陈晓晴， 庞振东， 杨洁， 张金昕， 童荣荣， 王硕， 石闯， 陈旭东

(1.安徽理工大学地球与环境学院， 淮南 232001； 2.淮南市环境保护监测站， 淮南 232001； 3.常州市建筑科学研究院股份有限公司， 常州 213001)

淋溶损失是土壤中养分流失的主要方式之一[1]，土壤发生氮淋溶的影响因素包括降雨强度[2-3]、秸秆还田方式[4-6]、施肥方式[7-8]、灌溉方式[9]、耕作方式[10]等。化肥是作物生长所需营养的重要来源[11]，过度施肥产生的过量氮磷于降雨或灌溉条件下，将由径流、土壤侵蚀及淋溶等途径到达环境中，导致农业非点源污染[12-13]，对土壤质量产生了负面影响[14]。秸秆还田则是优化水土环境、增长农作物生长率的常用途径[15-16]。很多研究学者已经开展了相关氮素淋溶特征方面的研究。有研究显示，与单施尿素相比，将尿素替换为有机肥且在施肥时加入生物炭等能抑制氮素淋失[17]。Angela 等[18]研究显示农田土壤氮素淋失量年均达到156 kg/hm2；Yang等[19]研究表明，通过在适当的深度掩埋适量的秸秆，可以降低稻麦轮作中氮素的流失等。而前人对于氮素淋溶流失的研究多集中于单独的化肥施用方式或秸秆还田方式，而关于化肥施用与秸秆还田相结合的研究较少，对于农田灰潮土的氮素淋失特征更是鲜有报道。

淮河流域为中国三大商品粮种植基地及粮食增产计划的核心地带之一，粮食增产的需求及压力会导致流域农业非点源污染加重[20]，因此，研究如何合理施肥及有效利用秸秆资源以减少农田土壤氮素淋失所导致的农业非点源污染具有重要意义。

以室内试验槽为平台，以淮河流域安徽段农田灰潮土为试验用土，通过模拟土壤在降雨下的淋溶过程，综合研究在不同施肥方式及不同秸秆还田方式下农田灰潮土的氮素淋失特征，以期为合理施用化肥及有效实行秸秆还田提供理论基础，同时也为减少农田灰潮土氮素淋失量及控制农业非点源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤于2020年11月采自安徽省阜阳市阜南县曹集镇实际农田(32°31′06″N，115°44′32″E)。分别取0～10、10～20、20～30 cm土层。区域地处华北平原南端，淮河上中游结合部北岸，为暖温带半湿润季风气候，阳光充裕。平均气温15 ℃，年均降雨量为885 mm，夏季降雨量最多，占年降雨量的46%以上。

供试土壤类型为灰潮土，其成土母质为近代淮泛冲积物，是上游伏牛山等山脉的花岗岩等岩类在风化、冲刷等作用下不断沉积于淮河及其支流两侧的湖洼地区而形成。由于沉积物的历史短暂，沉积与耕种利用交替进行，各种养分消耗快而不易积累。土壤呈中性，平均孔隙度47.93%，平均有机质为17.45 g/kg，平均容重为1.38 g/cm3，初始田间含水率为(8.00±1.50)%，总氮平均含量为0.84 g/kg，颗粒组成以砂粒(0.05～1.00 mm)和粗粉粒(0.01～0.05 mm)为主。

1.2 试验设计及分析测试

室内淋溶实验采用试验槽模拟自然条件下不同设置条件氮素淋溶流失情况。试验槽为上方开口的箱体，长、宽、高分别为80、40、34 cm，具体装置如图1所示。箱体底部均匀分布12个直径为2 cm的孔，孔上接PVC管，PVC管放入桶中，用于盛接淋滤水样，箱体底部平铺尼龙布，防止土壤淋失。

图1 淋溶装置图Fig.1 Leaching device diagram

将所采土样按相应土层顺序(0～10、10～20、20～30 cm)依次填充至槽内的上层、中层和底层，土壤厚度共为30 cm，参照采样地区农田平均坡度，将箱体一端垫起，使试验槽倾斜5°放置。试验共设6种处理：①无秸秆+不施肥(CK);②无秸秆+常规施肥(SF)；③秸秆破碎填埋10 cm+常规施肥(JGF)；④秸秆原状覆盖+不施肥(JG0)；⑤秸秆破碎填埋10 cm+不施肥(JG10)；⑥秸秆破碎填埋20 cm+不施肥(JG20)。每个处理重复三次。其中，常规施肥方式为复合肥(N15、P15、K15)+尿素(N46.4)，施肥量为复合肥750 kg/hm2，尿素150～225 kg/hm2，将肥料撒于土壤表面，与当地施肥方式保持一致；秸秆为水稻秸秆，破碎方式为用剪刀将秸秆剪为长1 cm左右的小段，填埋密度为0.74 kg/m2。淋溶总量模拟当地一年降雨量(885 mm)，经计算所需水量约为288 L，淋溶试验设为80 d，隔十天一次，共进行9次淋滤，一次淋滤水量为32 L。淋溶试验开始前，向试验槽中加入超纯水至土壤达到饱和后将试验槽在自然条件下放置30 d，让土壤自然下沉，使其恢复自然特性，包括达到自然条件下的土壤容重(经测量，土壤容重为1.36 g/cm3，与野外实际土壤容重基本一致)。

1.3 分析测试及数据处理

土壤中各形态氮累计淋失量计算公式为

(1)

式(1)中：Qi表示第i个处理的某形态氮累积淋失量，kg/hm2；ci,j表示第i个处理第j次实验下某形态氮浓度，mg/L；Vi,j表示第i个处理第j次实验下淋溶液体积，L；S表示试验槽横截面积，m2。

试验数据使用Excel 2019软件处理与分析，使用SPSS 25和Origin 2021软件进行统计分析与绘图，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行不同处理间的差异性检验，多重比较采用最小显著差异法(leas-significant difference,LSD)，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 氮素浓度淋失特征

图2 不同处理下氮素浓度变化曲线Fig.2 Variation curves of nitrogen concentration under different treatments

2.2 氮素累积淋失特征

不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)图3 不同处理下不同时期氮素累积淋失量Fig.3 Cumulative leaching loss of nitrogen at different periods under different treatments

2.3 氮素淋溶形态特征

表1 不同处理下各氮素总淋失量占TN比例Table 1 Proportion of total leaching loss of nitrogen in TN under different treatments

图4 各氮素淋失过程拟合曲线Fig.4 Fitting curve of nitrogen leaching process

3 结论

(2)不同时期下各氮素的累积淋失量均呈显著性差异(P< 0.05)，不同处理下各形态氮素累积淋失量均在前期最大。秸秆配施化肥与单施化肥相比，在中后期能够有效抑制氮素的淋失；不同秸秆还田深度对氮素前期淋失影响较大。