胡冬妮,董志新,朱 波**

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所/中國(guó)科學(xué)院山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610041;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

氮是作物產(chǎn)量與質(zhì)量的主要限制養(yǎng)分,氮肥施用可提高糧食作物單產(chǎn)55%～57%。多年來(lái)我國(guó)的氮肥用量逐年增加,2018年中國(guó)氮肥施用量為1980年的2.2 倍,為我國(guó)糧食增長(zhǎng)做出了巨大貢獻(xiàn)。同時(shí),氮肥過(guò)量施用也導(dǎo)致環(huán)境中活性氮的累積,造成氮素?fù)p失與嚴(yán)重的面源污染等問(wèn)題。2020年,國(guó)家提出了“化肥使用零增長(zhǎng)”行動(dòng)方案應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn),而通過(guò)有機(jī)肥替代化肥減少化肥氮用量,提高氮肥利用率,是當(dāng)前農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要途徑之一。

近年來(lái),有機(jī)肥替代化肥逐漸得到廣泛的關(guān)注及應(yīng)用。Radwan 等研究表明有機(jī)肥替代化肥不僅能增加土壤根際微生物量,也能促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高作物生物量。Michael也發(fā)現(xiàn)有機(jī)替代化肥能顯著改善土壤理化性質(zhì)。德國(guó)西北部的田間試驗(yàn)結(jié)果表明,有機(jī)替代化肥能減少土壤氮淋失量的50%。我國(guó)大量研究表明,有機(jī)氮部分替代無(wú)機(jī)氮施肥能在維持作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,提高作物氮吸收量及氮素利用率;韓笑等發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥模式能顯著降低土壤徑流水的總氮濃度;張康寧等也發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥能顯著提高土壤肥力,同時(shí)減少農(nóng)田土壤氮流失;寧建鳳等的研究表明化肥減量配合有機(jī)肥替代化肥能顯著促進(jìn)作物生長(zhǎng),減少土壤氮盈余量,降低氮流失風(fēng)險(xiǎn)。但是大部分研究結(jié)果均基于短期(小于3年)施肥試驗(yàn),施有機(jī)肥導(dǎo)致的土壤性質(zhì)改變并不穩(wěn)定,且大多數(shù)研究中有機(jī)肥帶入氮并未計(jì)入施氮量,氮施用水平未保持一致,因此,有機(jī)肥替代化肥的農(nóng)學(xué)與環(huán)境效應(yīng)有待進(jìn)一步評(píng)估。

四川盆地是紫色土集中分布區(qū),面積約16 萬(wàn)km,是長(zhǎng)江上游農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)。紫色土是紫色砂頁(yè)巖形成的巖性土,質(zhì)地粗、水分滲透能力強(qiáng),壤中流發(fā)育,氮素流失嚴(yán)重,是長(zhǎng)江上游面源污染的重點(diǎn)源區(qū)。謝軍等發(fā)現(xiàn),有機(jī)氮替代50%無(wú)機(jī)氮能增加玉米()的氮吸收量與表觀利用率。汪濤等發(fā)現(xiàn)有機(jī)-無(wú)機(jī)配合施肥在一定程度上可提高作物產(chǎn)量,減少紫色土氮流失。此外,徐泰平等的研究也表明有機(jī)肥替代化肥能減少紫色土坡耕地的氮素流失。可見(jiàn),這些研究也證實(shí)了紫色土有機(jī)肥替代化肥能減控氮流失,但大部分研究結(jié)果基于對(duì)地表徑流氮流失的控制,對(duì)壤中流的氮流失減控效果研究不足,且現(xiàn)有研究結(jié)果并未闡明其氮流失減控的機(jī)制,有機(jī)肥替代化肥的農(nóng)學(xué)與環(huán)境效應(yīng)也有待深入。因此,本研究擬通過(guò)紫色土長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)平臺(tái),利用有機(jī)肥替代化肥處理,開(kāi)展不同施肥方式下紫色土坡耕地土壤無(wú)機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)、作物產(chǎn)量、氮流失途徑與總量等的定位監(jiān)測(cè)與對(duì)比分析,系統(tǒng)評(píng)估紫色土有機(jī)肥替代化肥的農(nóng)學(xué)與環(huán)境效應(yīng),為紫色土農(nóng)田氮素養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于四川盆地中部的中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站(105°27′E,31°16′N)內(nèi),海拔460 m,氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,具有冬暖、春旱、夏熱、秋雨的特點(diǎn)。年均氣溫17.3 ℃,極端最高氣溫40 ℃,極端最低氣溫-5.1 ℃;降雨分布不均,無(wú)霜期294 d。試驗(yàn)場(chǎng)地農(nóng)作物以冬小麥()-夏玉米輪作為主,一年兩熟。

1.2 試驗(yàn)土壤理化性質(zhì)

試驗(yàn)土壤為發(fā)育于侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色巖的石灰性紫色土,0～20 cm 表層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為:pH 8.2,黏粒、粉粒、砂粒含量分別為22.3%、34.6%、43.1%;有機(jī)質(zhì)8.75 g·kg,全氮0.81 g·kg,全磷0.84 g·kg,全鉀18.01 g·kg,堿解氮42.29 mg·kg,速效磷9.02 mg·kg,速效鉀86.35 mg·kg,土壤容重1.34 g·cm。

1.3 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)在中國(guó)科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)的坡度為6.5°的坡耕地養(yǎng)分循環(huán)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)樣地。小區(qū)坡長(zhǎng)8 m,寬4 m,面積為32 m,土層深度60 cm。試驗(yàn)小區(qū)依據(jù)授權(quán)專利技術(shù)(ZL2007 100640686)建造,周邊封閉,為獨(dú)立水系小區(qū),該裝置也稱作Free-drain Lysimeter。地表徑流按常規(guī)徑流小區(qū)設(shè)置集流、匯流和收集槽,匯入固定測(cè)量池;壤中流測(cè)定模擬巖性土的巖石與土壤界面出流(包括滲漏水、土壤亞表層和巖石-土壤界面流),可視為小區(qū)的淋溶水,本試驗(yàn)壤中流集流槽構(gòu)建于土層下60 cm 處,由導(dǎo)水管道收集小區(qū)壤中流匯入測(cè)量池。具體示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Sketch map of experimented plot

1.4 施肥處理

本研究依托紫色土長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)(始于2002年)中的5 種處理:單施氮肥(N)、豬廄肥(OM)、常規(guī)施肥(NPK)、豬廄肥配施氮磷鉀(OMNPK)、秸稈還田配施氮磷鉀(CRNPK),以不施肥(NF)為對(duì)照,試驗(yàn)采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)中氮肥施用總量保持同一水平,全年施氮量280 kg(N)·hm,小麥季施氮130 kg·hm,玉米季150 kg·hm。其中,豬廄肥(OM)處理以豬廄肥替代100%的化肥;豬廄肥-無(wú)機(jī)肥混施(OMNPK)處理以豬廄肥替代30%的化肥氮,其余養(yǎng)分要素與常規(guī)化肥相同;秸稈還田配施氮磷鉀(CRNPK)處理以秸稈替代15%的化肥氮,其余養(yǎng)分要素與常規(guī)化肥相同;每季施肥前,實(shí)測(cè)豬廄肥和秸稈的氮素含量以確定豬廄肥和秸稈的用量,豬廄肥C/N 約為15∶1,小麥和玉米秸稈的C/N 分別為32∶1 與45∶1,秸稈采用常規(guī)施肥處理的上季作物秸稈,經(jīng)剪碎后以覆土翻耕的形式還田。試驗(yàn)中化學(xué)氮肥為碳酸氫銨(純N 17%);磷肥施用量為90 kg·hm,為過(guò)磷酸鈣(含PO12%);鉀肥為氯化鉀(含KO 60%),鉀肥施用量為36 kg·hm。小麥季與玉米季的施肥方式分別為撒施與穴施,施肥方式為翻耕播種時(shí)一次性施入,不再追肥。

經(jīng)過(guò)10年長(zhǎng)期施肥試驗(yàn),施肥方式對(duì)土壤的影響均已穩(wěn)定,因此本研究基于紫色土長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展完整的小麥-玉米輪作周期(2012年11月-2013年11月)的定位監(jiān)測(cè),研究有機(jī)替代化肥的農(nóng)學(xué)與環(huán)境效應(yīng)。

1.5 樣品采集與分析

試驗(yàn)期間,氣溫與土溫的數(shù)據(jù)來(lái)自位于長(zhǎng)期施肥養(yǎng)分場(chǎng)旁的氣象觀測(cè)站;每周兩次隨機(jī)3 個(gè)點(diǎn)位采集各小區(qū)的表層土壤樣品(0～10 cm),利用氯化鉀溶液(1 mol·L)以1∶5 的比例浸提后送入流動(dòng)分析儀測(cè)定土壤中無(wú)機(jī)氮含量;每次降雨產(chǎn)流結(jié)束后,分別測(cè)量及記錄地表與壤中流徑流收集池水位。測(cè)量后,將每個(gè)小區(qū)徑流池中水樣混勻后用聚乙烯塑料瓶采集2 份地表徑流與1 份壤中流水樣。

采集的水樣帶回實(shí)驗(yàn)室,其中一份地表徑流水樣利用傳統(tǒng)烘干法測(cè)定泥沙含量,烘干后收集泥沙包樣,通過(guò)元素分析儀測(cè)定氮含量;另一份水樣與壤中流水樣同批次采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-AA3 流動(dòng)分析儀(德國(guó)SEAL 公司)測(cè)定水樣中總氮(TN)含量;再將這批水樣原液經(jīng)0.45 μm 針式濾頭過(guò)濾后過(guò)AA3 流動(dòng)分析儀測(cè)定銨態(tài)氮(AN)和硝態(tài)氮(NN)濃度。收獲季時(shí),利用樣方法采集小區(qū)中的植株,烘干后稱量其產(chǎn)量及生物量。各指標(biāo)的具體測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。

1.6 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

各處理不同路徑下的徑流量采用下式計(jì)算:

式中:為紫色土坡耕地各處理不同路徑下的總徑流量(mm),為各路徑下歷次徑流量(mm)。

各處理泥沙量采用下式計(jì)算:

式中:為各處理地表流失的總泥沙量(g·m),為各處理歷次泥沙量(g·m)。

總氮流失量采用下式計(jì)算:

式中:為紫色土坡耕地總氮素流失量(kg·hm),為徑流中總氮濃度(mg·L),為歷次徑流量(L),為試驗(yàn)期內(nèi)徑流產(chǎn)流次數(shù),為試驗(yàn)徑流小區(qū)面積(m),100 為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

基于單位產(chǎn)量的氮流失系數(shù)采用下式計(jì)算:

式中:為各施肥處理基于單位產(chǎn)量的氮流失系數(shù)(kg·hm·t),為各施肥處理下的總氮流失量(kg·hm),為各施肥處理下的作物單位產(chǎn)量(t)。

采用Excel 2019 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算,Origin 9.1繪圖,SPSS 16.0 進(jìn)行均值比較與方差分析;Duncan多重比較分析各組間顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子變化

試驗(yàn)期間(2012年11月至2013年11月)的降雨量、氣溫及土壤溫度(10 cm)如圖2所示。整年降雨量為1248.5 mm,降雨及產(chǎn)流事件集中在玉米季,觀測(cè)期間共發(fā)生9 次產(chǎn)流事件,單次最大降雨量事件(120.1 mm)發(fā)生在7月22日,小麥季未觀測(cè)到徑流產(chǎn)生。氣溫和土壤溫度(10 cm)變化范圍分別為0.4～30.5 ℃和3.3～34.4 ℃,二者變化趨勢(shì)基本相同,冬季最低,春季溫度逐漸回升至夏季達(dá)到峰值。

圖2 試驗(yàn)期間常規(guī)試驗(yàn)小區(qū)的降雨、徑流量、氣溫及表土溫度(0～10 cm)Fig.2 Rainfall,runoff,air temperature and topsoil temperature(0-10 cm)in the regular plot during the experimental period

2.2 有機(jī)肥替代化肥對(duì)紫色土氮素流失的影響

本試驗(yàn)冬小麥-夏玉米輪作期間的土壤無(wú)機(jī)氮含量如圖3所示。除NF 外,其他施肥方式的表層土硝態(tài)氮、銨態(tài)氮波動(dòng)趨勢(shì)基本一致。氮肥施入土壤后銨態(tài)氮在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,其濃度快速到達(dá)峰值。因小麥季降雨少,表土的硝態(tài)氮難以下滲,表土硝態(tài)氮濃度峰值持續(xù)約2 周;而在玉米季,降雨豐富,特別是施肥后第1 d、4 d 和5 d 便出現(xiàn)降雨,表土中的硝態(tài)氮在降雨的作用下產(chǎn)生淋溶,硝態(tài)氮含量高峰期僅持續(xù)約1 周(圖3)。有機(jī)肥替代化肥處理下的土壤無(wú)機(jī)氮含量低于常規(guī)施肥(NPK),與NPK 相比,有機(jī)肥替代化肥的OM、OMNPK、CRNPK 處理銨態(tài)氮峰值含量分別減少了88.8%、51.5%和43.6%,硝態(tài)氮峰值含量分別減少了42.4%、29.0%和53.3%。

圖3 不同施肥方式下的紫色土表土(0～10 cm)無(wú)機(jī)氮含量變化Fig.3 Changes of topsoil(0-10 cm)inorganic nitrogen contents under different fertilization regimes on sloping cropland of purple soil

不同施肥方式下,紫色土坡耕地地表徑流、壤中流流量和泥沙量有顯著差異(圖4)(＜0.05)。試驗(yàn)期間,總徑流量為地表徑流與壤中流徑流量之和,其范圍為292.3～476.5 mm,其中NF 的地表覆蓋度最低,其總徑流量最大。與常規(guī)化肥(NPK)相比,有機(jī)肥替代化肥(OM、OMNPK 和CRNPK)的總徑流量減少了15.0%、3.0%和26.1%,其中OM、CRNPK與NPK 差異顯著(＜0.05)。各施肥處理下壤中流流量占總徑流量的54.5%～84.6%,是紫色土坡耕地雨季的主要產(chǎn)流方式。紫色土坡地產(chǎn)沙量呈NF＞N＞NPK＞OMNPK＞OM＞CRNPK 的趨勢(shì),有機(jī)肥替代化肥方式下的產(chǎn)沙量與NPK 相比均顯著降低(＜0.05),OM、OMNPK、CRNPK 泥沙量分別減少71.2%、40.9%和88.1%(圖4)。

圖4 不同施肥方式下紫色土坡耕地的地表徑流、壤中流流量和泥沙量Fig.4 Discharge of overland runoff,interflow and sediment yield under different fertilization regimes on sloping cropland of purple soil

紫色土坡耕地氮素流失主要通過(guò)地表徑流、壤中流與泥沙流失3 個(gè)路徑上。紫色土坡耕地氮素流失總量為18.26～87.50 kg(N)·hm,氮流失總量呈N＞NPK＞OMNPK＞CRNPK＞OM＞NF 的趨勢(shì)。與NPK 相比較,OM、OMNPK 和CRNPK 處理的氮流失總量分別顯著減少32.1%、27.5%和21.2%(＜0.05)(圖5)。

紫色土坡耕地通過(guò)地表徑流流失的氮素為1.12～3.52 kg(N)·hm,平均地表徑流的氮流失量?jī)H占氮流失總量的3.5%,與常規(guī)化肥(NPK)相比,OM、OMNPK 和CRNPK 均能減少地表徑流的氮素流失,且CRNPK 處理達(dá)顯著水平(＜0.05)。以泥沙為載體流失的氮通量為1.48～7.26 kg(N)·hm,占氮流失總量的5.9%。與常規(guī)施肥(NPK)相比,OM、OMNPK、CRNPK 處理下隨泥沙流失的氮素分別減少33.8%、34.7%和58.0%,其中N 和CRNPK 與其他施肥方式的泥沙流失氮差異顯著(＜0.05)。通過(guò)壤中流途徑流失的氮通量為12.53～76.72 kg(N)·hm,占氮流失總量的90.6%,該結(jié)果證實(shí)了壤中流是紫色土坡耕地氮素徑流損失的首要途徑。與常規(guī)化肥(NPK)相比,有機(jī)肥替代化肥處理(OM、OMNPK、CRNPK)的壤中流淋失氮分別減少32.0%、26.7%和18.0%(圖5)。

圖5 不同施肥方式下紫色土坡耕地氮素流失路徑與總量Fig.5 Nitrogen loss pathways and fluxes from sloping cropland of purple soil under different fertilization regimes

2.3 作物生物量、產(chǎn)量及基于單位產(chǎn)量的氮素流失系數(shù)

小麥-玉米輪作周期(2012-2013年)各處理的全年總生物量為5.63～18.35 t·hm,冬小麥與夏玉米季的生物量分別為2.19～7.82 t·hm與2.51～10.55 t·hm,生物量最高施肥處理分別為CRNPK(7.82 t·hm)與OM(10.55 t·hm),OM 和OMNPK 處理的全年總生物量較NPK 增加了16.7%和9.3%,但無(wú)顯著差異(表1)。小麥年產(chǎn)量為0.81～2.74 t·hm,玉米年產(chǎn)量為1.84～7.21 t·hm,小麥-玉米系統(tǒng)的年產(chǎn)量為2.68～9.95 t·hm,作物年產(chǎn)量呈OM＞OMNPK＞CRNPK＞NPK＞N＞NF 的特征。冬小麥和夏玉米季產(chǎn)量最高的施肥方式均為OM(2.74 t·hm和7.21 t·hm)。與NPK年總產(chǎn)量相比,OM、OMNPK 和CRNPK 處理的年總產(chǎn)量分別增加了23.0%、17.8%和4.1%,但差異不顯著?？梢?jiàn),長(zhǎng)期有機(jī)肥替代化肥能維持小麥與玉米生產(chǎn)(表1)。

基于單位產(chǎn)量的氮流失系數(shù)指小麥-玉米輪作系統(tǒng)的作物生產(chǎn)一定產(chǎn)量下,坡耕地的氮流失總量,以綜合評(píng)估農(nóng)學(xué)效益(產(chǎn)量)與環(huán)境效益(氮流失),因此計(jì)算了紫色土小麥-玉米輪作系統(tǒng)基于單位產(chǎn)量的氮流失系數(shù)(表1)。不同施肥方式下的氮流失系數(shù)為5.38～21.66 kg·hm·t,其中單施氮肥處理(N)的單位產(chǎn)量氮流失系數(shù)最高,為其他施肥方式的2.22～4.02 倍,長(zhǎng)期單施氮肥會(huì)導(dǎo)致紫色土氮素大量累積,增加氮流失風(fēng)險(xiǎn)。與常規(guī)施肥(NPK)相比,有機(jī)肥替代化肥(OM、OMNPK、CRNPK)基于單位產(chǎn)量的氮流失系數(shù)分別降低44.8%、38.5%和24.3%,相同產(chǎn)量下,有機(jī)肥替代化肥顯著減少了紫色土坡耕地氮素流失。

表1 不同施肥方式下小麥-玉米輪作系統(tǒng)的作物生物量、產(chǎn)量、總氮流失量及氮流失系數(shù)(2012-2013年)Table 1 Biomass,crop yield,nitrogen loss and nitrogen loss coefficient of wheat-maize rotation system under different fertilization regimes(2012-2013)

3 討論

3.1 紫色土地區(qū)是我國(guó)氮淋失的熱點(diǎn)區(qū)域

紫色土地區(qū)氮素流失主要通過(guò)地表徑流、泥沙和壤中流3 個(gè)途徑。各施肥方式下通過(guò)地表及泥沙流失的氮素分別為1.12～3.52 kg(N)·hm及1.48～7.26 kg(N)·hm,而通過(guò)壤中流攜帶流失的氮素為12.53～76.72 kg(N)·hm,占氮素流失總量的90.6%(圖5),以壤中流為介導(dǎo)的氮淋失是紫色土氮素流失的首要途徑。紫色土由于強(qiáng)烈的硝化作用,銨態(tài)氮迅速轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮(圖3),并在小麥季大量積累。而紫色土土層淺,呈“上覆土壤,下伏巖石”的“巖土二元結(jié)構(gòu)體”,雨水入滲到達(dá)土壤-巖石界面,并在紫色巖-土壤界面產(chǎn)生水分側(cè)向流動(dòng),導(dǎo)致壤中流的形成與發(fā)育,紫色土特殊的水文機(jī)制與土壤強(qiáng)硝化作用疊加加速了紫色土硝酸鹽淋溶,導(dǎo)致紫色土氮淋失量高。常規(guī)施肥(NPK)年氮素淋失量為72.72 kg(N)·hm,占氮肥施用量比例的26.91%,其淋失比例遠(yuǎn)高于華北平原黃褐土(4.19%)、淮河流域潮土(17.8%)及南方地區(qū)的紅壤(9.1%～19.5%)。且壤中流是紫色土地區(qū)淺層地下水的主要來(lái)源,紫色土氮淋失可能導(dǎo)致地下水硝酸鹽污染,已有監(jiān)測(cè)表明,紫色土地區(qū)的淺層地下水中硝酸鹽濃度很高,50%已超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。氮素淋失已造成了嚴(yán)重的面源污染,而且可能威脅當(dāng)?shù)厝罕姷娘嬎踩?表明紫色土地區(qū)是我國(guó)的氮淋失的熱點(diǎn)區(qū)域。

3.2 有機(jī)肥替代化肥對(duì)紫色土氮流失的減控機(jī)制

本研究OM、OMNPK 和CRNPK 施肥方式中有機(jī)肥分別替代100%、30%和15%的化肥氮,結(jié)果表明這3 種有機(jī)肥替代化肥方式均可顯著降低紫色土氮流失(圖5)。與常規(guī)化肥(NPK)相比,有機(jī)肥替代化肥處理土壤無(wú)機(jī)氮峰值持續(xù)時(shí)間短、含量低,特別是硝態(tài)氮峰值含量分別降低57.3%、52.7%和53.3%(圖3)?？赡芤蛴袡C(jī)肥替代化肥降低了土壤硝化微生物活性,減弱了紫色土強(qiáng)烈的硝化作用,減少了土壤剖面硝酸鹽的累積,紫色土氮淋失的底物減少;同時(shí)壤中流介導(dǎo)的氮淋失是紫色土氮流失的首要途徑,有機(jī)肥替代化肥方式下壤中流徑流量遠(yuǎn)低于常規(guī)施肥;可見(jiàn),有機(jī)肥替代化肥的施肥方式從底物與流量?jī)煞矫鏈p控了紫色土坡耕地壤中流的氮淋失量,從而降低了氮流失風(fēng)險(xiǎn)。本研究還發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥替代化肥可在一定程度提高作物生物量與產(chǎn)量(表1),這是由于有機(jī)肥與秸稈中富含多種養(yǎng)分與生物酶,施入土壤后能豐富微生物的群落及結(jié)構(gòu),并增強(qiáng)作物對(duì)土壤氮素的吸收能力,提高作物氮肥利用能力。有機(jī)肥施用對(duì)土壤環(huán)境的改變需要較長(zhǎng)時(shí)間,短期施用并不能有效改變土壤有機(jī)碳、微生物群落和土壤結(jié)構(gòu)。許多短期有機(jī)肥施用的研究表明有機(jī)替代化肥能減少土壤氮流失,但產(chǎn)量效應(yīng)不一致,說(shuō)明短期施用有機(jī)肥的效應(yīng)不穩(wěn)定。此外,大多數(shù)有機(jī)肥試驗(yàn)中,有機(jī)氮并未計(jì)入施氮量,總氮施用水平不一致,與化肥處理比較,有機(jī)肥處理的有機(jī)氮的疊加效應(yīng)導(dǎo)致的增產(chǎn)不言而喻,難以證實(shí)有機(jī)肥“減肥增效”。本研究確保各施肥方式的總氮施用水平一致,并設(shè)置了有機(jī)肥替代100%、30%和15%化肥的梯度,利用已持續(xù)10年的長(zhǎng)期有機(jī)肥試驗(yàn)開(kāi)展的研究,可以系統(tǒng)闡明有機(jī)肥替代化肥的農(nóng)學(xué)與環(huán)境效應(yīng)。另外,壤中流介導(dǎo)的氮流失是紫色土氮流失的首要途徑,以往紫色土有機(jī)肥控制氮流失的研究結(jié)果主要表現(xiàn)在對(duì)地表徑流的減控上,對(duì)氮淋失的減控效應(yīng)不得而知,而本研究發(fā)現(xiàn)控制地表徑流的氮流失僅能控制約10%的總氮流失,而土壤氮淋失控制才是紫色土氮損失控制的核心?？傮w而言,紫色土有機(jī)肥替代化肥有效地協(xié)調(diào)了作物氮素吸收與氮流失間的矛盾,在維持作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,顯著降低了總氮流失量,與NPK 相比,有機(jī)肥替代化肥處理的基于單位產(chǎn)量的氮流失系數(shù)分別降低44.8%、38.5%與24.3%(表1),對(duì)于氮損失減控及維持作物產(chǎn)量均有顯著效果,是紫色土地區(qū)氮肥資源高效利用的重要措施。

4 結(jié)論

1)冬小麥-夏玉米輪作期間,紫色土坡耕地氮素流失總量為18.26～87.50 kg(N)·hm,通過(guò)壤中流淋失的氮素占氮素流失總量的90.6%。以壤中流為介導(dǎo)的氮素淋失是紫色土氮流失的主要水文機(jī)制,紫色土地區(qū)是我國(guó)氮淋失的熱點(diǎn)區(qū)域。

2)有機(jī)肥替代化肥可協(xié)調(diào)作物吸收與氮素流失間的矛盾,在維持生物量及產(chǎn)量的前提下顯著減少紫色土地區(qū)的氮流失量,與常規(guī)施肥(NPK)相比,豬廄肥(OM)、豬廄肥與氮磷鉀肥配施(OMNPK)、秸稈還田與氮磷鉀肥配施(CRNPK)等處理總氮素流失量分別減少32.1%、27.5%和21.2%。

3)有機(jī)肥替代化肥的施肥方式(OM、OMNPK、CRNPK)主要通過(guò)減少土壤硝態(tài)氮累積和壤中流氮淋失,從而降低紫色土氮流失風(fēng)險(xiǎn),并能維持作物生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)與環(huán)境效益的協(xié)同,可作為紫色土氮肥減量增效,控制氮素面源污染的推薦施肥措施。