張 敏，姚元林，曾 科，李冰洋，田玉華，尹 斌*

(1 洛陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023；2 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044；3 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；4 河南省煤炭地質(zhì)勘查研究總院，鄭州 450052)

稻田是我國(guó)最主要的農(nóng)業(yè)土地利用方式之一，我國(guó)65% 以上的人口都是以稻米為主食[1]。為了確保水稻最大生產(chǎn)力，農(nóng)民通常施用過(guò)量無(wú)機(jī)氮肥。未被作物吸收利用且超過(guò)土壤固定吸附的氮會(huì)通過(guò)氨揮發(fā)、淋溶、徑流和硝化-反硝化等途徑損失到環(huán)境中，引起環(huán)境質(zhì)量下降[2-3]。其中氮淋失是農(nóng)田氮素?fù)p失的重要途徑之一，我國(guó)農(nóng)田總氮平均表觀淋失率為2.2%[4]。土壤氮淋失不僅降低稻田氮肥利用率，還會(huì)危害周?chē)w的環(huán)境質(zhì)量[5]。近年來(lái)隨著地表水和地下水質(zhì)的惡化，稻田氮淋溶損失也一直是世界所關(guān)注的問(wèn)題。

無(wú)機(jī)氮肥過(guò)量施用是導(dǎo)致農(nóng)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，轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，因其不易被土壤所固定，且極易溶于水，因此易隨土壤水分的遷移而移動(dòng)，向下滲漏產(chǎn)生氮淋失。硝酸鹽淋失是農(nóng)田土壤氮素淋失的主要形式[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水田中NO-N 的平均淋失量為6.3 kg/hm2[4]。土壤NO-N 淋失會(huì)引起地下水硝酸鹽污染，威脅人體健康[8]。潘田和張幼寬[9]對(duì)太湖流域淺層地下水硝酸鹽濃度和氮肥用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)二者之間存在正相關(guān)關(guān)系。過(guò)量NO-N 進(jìn)入人體后，能通過(guò)酶系統(tǒng)被還原為亞硝態(tài)氮，引發(fā)高鐵血紅蛋白病，尤其是嬰幼兒，對(duì)此更為敏感。因此減少農(nóng)田土壤NO-N 淋失對(duì)保障飲用水安全有著重要意義。

和無(wú)機(jī)肥相比，配施有機(jī)肥能夠促進(jìn)作物對(duì)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、土壤的氮含量有關(guān)。有研究認(rèn)為配施有機(jī)肥能夠降低田面水NO-N 濃度，從而降低土壤氮淋失[12]；也有研究認(rèn)為配施有機(jī)肥能提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加對(duì)NO-N 的固持作用，進(jìn)而阻礙了NO-N向下移動(dòng)[13-14]。但是關(guān)于有機(jī)肥降低稻田氮淋失的具體作用機(jī)制還不甚清晰，因此還需進(jìn)一步的研究。太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲中心，是我國(guó)水稻種植的主要地區(qū)之一。該地區(qū)稻田高氮投入特征明顯，據(jù)統(tǒng)計(jì)，太湖流域單季水稻平均施氮量為300 kg/hm2[15]。過(guò)多氮肥投入以及不合理的施用方式導(dǎo)致大量氮素?fù)p失，威脅周?chē)h(huán)境質(zhì)量。潘田和張幼寬[9]對(duì)太湖流域長(zhǎng)興縣43 個(gè)淺層地下水樣進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)硝酸鹽超標(biāo)率達(dá)16%，主要分布在農(nóng)業(yè)集中區(qū)。因此本研究在太湖地區(qū)開(kāi)展田間試驗(yàn)，探討配施有機(jī)肥對(duì)稻田土壤氮淋失的影響機(jī)制，為減少該地區(qū)土壤NO-N 淋失提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與土壤基本性狀

田間試驗(yàn)于中國(guó)科學(xué)院常熟生態(tài)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站(31°32′93″ N，120°41′88″ E)進(jìn)行。該站位于太湖地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.5℃，年平均降水量1 038 mm。供試土壤為湖積物發(fā)育的潛育型水稻土(烏柵土)，表層土(0 ～ 20 cm)基本性質(zhì)：pH 7.35，有機(jī)質(zhì) 35 g/kg，全氮 2.09 g/kg，全磷 0.93 g/kg，陽(yáng)離子交換量 17.7 cmol/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括2014 年和2015 年兩個(gè)水稻季，設(shè)有5個(gè)處理，分別為：①對(duì)照(CK)；②常規(guī)施肥(CT)；③減氮處理(RT)；④常規(guī)配施有機(jī)肥(CT+M)；⑤減氮配施有機(jī)肥(RT+M)。氮肥以尿素(含N 460 g/kg)形式施入，基肥、分蘗肥、穗肥的施肥比例為4∶2∶4，對(duì)照不施氮肥。磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O5120 g/kg)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 600 g/kg)，磷肥、鉀肥和有機(jī)肥均作為基肥一次性施入，具體施肥見(jiàn)表2。用于試驗(yàn)的有機(jī)肥為腐熟的菜籽餅肥(菜子餅與水混合，厭氧發(fā)酵30 d)，含水率為70%，含氮量(干重)為60.7 g/kg，含磷(干重)8.8 g/kg，含鉀(干重)12.7 g/kg，有機(jī)碳(干重)含量為504 g/kg。

試驗(yàn)采用的水稻為南粳 46，栽插株行間距為20 cm × 20 cm。試驗(yàn)小區(qū)面積為42 m2(6 m × 7 m)，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3 次。小區(qū)之間設(shè)有田埂并用塑料薄膜包被，各小區(qū)設(shè)置獨(dú)立的排灌溝，以防止串水、串肥。所有處理肥料均為表層均勻撒施，雜草和病蟲(chóng)害管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。除烤田外，田間始終保持3 ～ 5 cm 的田面水，直至收獲前一周左右。水稻收獲日期分別為2014 年11 月5 日和2015 年11 月9 日。

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

1.3 水樣、植株樣和土樣采集、分析與數(shù)據(jù)處理

本研究利用陶瓷頭提取器法采集土壤水溶液[16]。陶瓷頭微孔直徑約為2 μm，主體為圓柱體，高5 cm，內(nèi)徑2 cm，管中插入抽取水樣的塑料軟管，PVC 管與土壤間灌入泥漿，以保證無(wú)縫隙。每個(gè)小區(qū)預(yù)先埋設(shè)一組多孔陶杯，深度分別為30 cm 和80 cm。水稻生育期內(nèi)，每隔10 ～ 20 d，利用真空泵采集不同深度的土壤水溶液1 次，然后貯存于-20 ℃ 的冰箱內(nèi)備測(cè)。通過(guò)土壤水分垂直滲漏量和土壤水溶液中的氮素濃度來(lái)估算土壤氮素淋溶損失量。在水稻生育期內(nèi)淹水條件下，土壤水分垂直滲漏速率平均為5 mm/d[17]。利用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定土壤水溶液中NH-N 的濃度，紫外分光光度法測(cè)定土壤水溶液中NO-N 的濃度，堿性過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定土壤水溶液中總氮濃度[18]。氮素滲漏量計(jì)算公式為：P=C×t×5×10-2，式中：P為氮素淋失量(kg/hm2)；C為30 cm 或80 cm 深度氮素淋失的平均濃度(mg/L)，t為水稻移栽至收獲之間的淹水天數(shù)(d)。

水稻成熟后，人工收割6 m2用以計(jì)產(chǎn)；另取一份考種樣，烘至恒重后粉碎，測(cè)定其總氮含量。植株吸氮量為植株干重與總氮含量之積。作物生長(zhǎng)期間以及作物收獲后，利用對(duì)角線取樣法，每個(gè)小區(qū)人工采集0 ～ 20 cm 和20 ～ 40 cm 土層5 點(diǎn)，混為1 個(gè)樣品，之后貯存于 -20 ℃ 的冰箱內(nèi)備測(cè)。測(cè)樣時(shí)先將土樣解凍，然后去除土壤樣品中的植物根、石礫及其他雜質(zhì)后混勻，稱取6 ～ 10 g 鮮土，用50 ml 2 mol/L 氯化鉀溶液振蕩浸提1 h(振蕩機(jī)轉(zhuǎn)速＞150 r/min)，之后過(guò)濾，用靛酚藍(lán)比色法和紫外分光光度法分別測(cè)定土壤NH-N 和NO-N 含量，同時(shí)測(cè)定土壤含水率[18]。水稻收獲后的土樣風(fēng)干后，研磨過(guò)100 目篩，用以測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)和全氮(TN)。土壤SOM 和TN 含量的測(cè)定方法分別為重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS19.0 分析，Origin 9.1 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理的土壤氮淋失量

土壤氮淋失量隨土壤深度的增加而減少，30 cm處氮淋失量高于80 cm 處。土壤氮淋失以NO-N 為主，NO-N 淋失量占總氮淋失量的42% ～ 75%，而NH-N 僅占8% ～ 26%。就土壤NH-N 淋失而言，兩種深度下不同施肥處理間均沒(méi)有顯著差異。

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

2.2 淋溶水NO -N 濃度與田面水NO -N 濃度之間的關(guān)系

圖1 2014 年和2015 年田面水NO-N 濃度和淋溶水NO-N 濃度之間的相關(guān)關(guān)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，分別采集分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和收獲期(2015 年灌漿期土樣沒(méi)有采集，而增加了基肥期土樣采集)的土樣，不同深度土壤的NO-N 含量結(jié)果見(jiàn)圖2。兩年的結(jié)果類似，土壤NO-N含量隨土壤深度的增加而降低，0 ～ 20 cm 土層NO-N 含量高于20 ～ 40 cm 土層。

對(duì)于0 ～ 20 cm 土層，不同時(shí)期施肥處理的土壤NO-N 含量均高于空白處理；不同施肥處理下，配施有機(jī)肥處理的NO-N 含量明顯高于單施無(wú)機(jī)肥處理。但是20 ～ 40 cm 土層，不同時(shí)期配施有機(jī)肥處理和單施無(wú)機(jī)肥處理之間土壤NO-N 含量差異很小(圖2)。這表明配施有機(jī)肥可以減少NO-N 向土壤深層的遷移，提高土壤對(duì)NO-N 的吸附和固定，使得更多的NO-N 保存在土壤表層。

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量

水稻收獲后，不同處理土壤的SOM 含量見(jiàn)圖3。與CK 處理相比，兩年里配施有機(jī)肥均顯著提高了土壤SOM 含量(P＜0.05)；無(wú)機(jī)肥處理土壤的SOM 含量較CK 處理有增加的趨勢(shì)，但是二者之間的差異不顯著(P＞0.05)。兩年里CT+M 處理土壤的平均SOM 含量為38.0 g/kg，比CT 處理提高6.7%。

不同處理土壤的TN 含量變化趨勢(shì)和SOM 含量類似，結(jié)果見(jiàn)圖4。兩年里CT+M 處理土壤的平均TN 含量為2.26 g/kg，比CT 處理提高5.1%。

圖2 2014 年(左)和2015 年(右)不同處理0 ～ 20 cm 和20 ～ 40 cm 土層的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

圖3 2014年和2015年水稻收獲后不同處理土壤表層有機(jī)質(zhì)含量Fig. 3 Soil organic matter contents in 0-20 cm layer after rice harvest in 2014 and 2015

圖4 2014年和2015年水稻收獲后不同處理土壤表層全氮含量Fig. 4 Soil TN contents in 0-20 cm layer after rice harvest in 2014 and 2015

2.5 水稻產(chǎn)量和吸氮量

2014 年由于受到臺(tái)風(fēng)影響作物發(fā)生倒伏，導(dǎo)致該年不同施肥處理之間的水稻產(chǎn)量差異并不顯著(P＞ 0.05，表3)。與無(wú)機(jī)肥處理相比，2015 年配施有機(jī)肥處理顯著提高了水稻產(chǎn)量(P＜0.05)。RT+M 處理的平均水稻產(chǎn)量為9.3 t/hm2，較RT 處理顯著提高12%；CT+M 處理的水稻產(chǎn)量平均為9.6 t/hm2，較CT 處理顯著提高13%。

表 3 2014 年和2015 年不同處理的作物產(chǎn)量和吸氮量

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

處理 2014 年 2015 年產(chǎn)量(t/hm2) 吸氮量(kg/hm2) 產(chǎn)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

兩年里，配施有機(jī)肥處理的吸氮量均顯著高于無(wú)機(jī)肥處理。RT+M 處理的吸氮量平均值為169 kg/hm2，較RT 處理提高19%；CT+M 處理的吸氮量平均值為173 kg/hm2，較CT 處理提高14%。

3 討論

施入土壤中的無(wú)機(jī)氮肥在脲酶的作用下很快發(fā)生水解，之后在硝化作用下產(chǎn)生NO-N，由于NO-N不易被土壤固定，在淹水條件下易隨水分向下滲漏[17]。在同等水分和土壤性質(zhì)條件下，施肥是影響氮素淋失的最重要因素。與無(wú)機(jī)肥相比，施用有機(jī)肥有助于降低深層土體的NO-N 淋失[19]。類似地，本研究中配施有機(jī)肥處理NO-N 淋失較無(wú)機(jī)肥處理降低了12% ～40%。

由于有機(jī)肥對(duì)土壤性質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的影響過(guò)程較為復(fù)雜，有機(jī)肥施用對(duì)土壤氮淋失的影響隨有機(jī)肥質(zhì)量和施用量的不同而不同。有研究表明，過(guò)量施用有機(jī)肥也可能增加養(yǎng)分淋洗損失[24-25]。例如，高懋芳等[25]認(rèn)為長(zhǎng)期大量施用有機(jī)肥會(huì)提高稻田土壤氮素水平，容易造成NO-N 在土體中的累積，引發(fā)氮素向深層土體的淋失，且淋失濃度隨著施肥量的增加逐漸提高，威脅著地下水環(huán)境安全。本研究結(jié)果僅反映了配施有機(jī)肥對(duì)太湖地區(qū)稻田土壤氮淋失的影響，并且僅從水/土中氮素轉(zhuǎn)化和氮素吸收考慮配施有機(jī)肥對(duì)稻田土壤氮素淋失影響機(jī)制還有所欠缺，今后還需進(jìn)一步探討土壤微生物特性與氮素淋失之間的響應(yīng)。

4 結(jié)論