蓋霞普，劉宏斌，翟麗梅，楊波，任天志，王洪媛，武淑霞，雷秋良

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長期增施有機(jī)肥/秸稈還田對土壤氮素淋失風(fēng)險的影響

蓋霞普1，劉宏斌1，翟麗梅1，楊波1，任天志2，王洪媛1，武淑霞1，雷秋良1

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室，北京 100081；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京 100081）

【目的】研究長期增施有機(jī)肥/秸稈還田對作物產(chǎn)量及土壤氮素淋失風(fēng)險的影響，旨在為華北平原冬小麥-夏玉米輪作區(qū)增強(qiáng)土壤肥力、提高作物產(chǎn)量及降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險提供依據(jù)。【方法】以國家褐潮土肥力與肥料效益監(jiān)測基地的長期肥料試驗為平臺，研究長達(dá)27年不同施肥處理對冬小麥-夏玉米產(chǎn)量、土壤肥力、氮素淋失風(fēng)險和土壤氮素剖面分布的影響，試驗共設(shè)置5個施肥處理，即：對照（CK）；氮磷鉀（NPK）；氮磷鉀+有機(jī)肥（NPKM）；氮磷鉀+過量有機(jī)肥（NPKM+）；氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）?！窘Y(jié)果】（1）在27年的不同施肥處理中，長期增施有機(jī)肥/秸稈還田均能使作物增產(chǎn)，改善土壤肥力。其中，增施有機(jī)肥處理尤為顯著，與NPK相比，NPKM、NPKM+處理提高小麥和玉米產(chǎn)量分別為41%—50%和30%—32%；增加0—20 cm表層土壤有機(jī)碳（SOC）和全氮（TN）含量分別為62%—121%、107%—187%；但降低小麥、玉米氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）分別達(dá)22%—32%、27%—41%。而NPKS處理對作物增產(chǎn)及提升土壤肥力的作用低于增施有機(jī)肥處理，對小麥產(chǎn)量、玉米產(chǎn)量、SOC、TN含量的增幅分別為24%、6%、9%、97%，但提高小麥季PFPN為216%、降低玉米季PFPN為40%。（2）長期增施有機(jī)肥/秸稈還田處理中，0—20 cm表層土壤SOC、TN、硝態(tài)氮（NO3—-N）、可溶性碳氮等養(yǎng)分含量以及氮礦化速率、硝化潛勢等微生物學(xué)過程顯著高于20—200 cm，說明長期增施有機(jī)肥/秸稈還田等外源碳的添加對土壤養(yǎng)分及微生物學(xué)過程的影響主要發(fā)生在表層。（3）與NPK相比，NPKM處理能夠顯著增加100—200 cm深層土壤中NO3--N含量，NO3--N平均含量為17.8—26.1 mg·kg-1；而NPKS處理在一定程度上能夠增加0—100 cm土層NO3--N含量，NO3--N平均含量為3.6—13.4 mg·kg-1，表明增施有機(jī)肥會促進(jìn)土壤NO3--N的向下遷移，而秸稈還田對土壤NO3--N具有一定的固持作用。此外，由于有機(jī)肥和秸稈帶入的氮素， NPKM、NPKM+、NPKS處理氮盈余比NPK處理增加312%、1 037%、953%，大大增加了土壤氮素淋失風(fēng)險?！窘Y(jié)論】在氮磷鉀化肥基礎(chǔ)上增施有機(jī)肥/秸稈還田會提高作物產(chǎn)量、增強(qiáng)土壤肥力，但會提高土壤氮盈余量，提高氮素淋失風(fēng)險，尤其是增施有機(jī)肥會大大增加氮素淋失風(fēng)險。

長期施肥；有機(jī)肥；秸稈還田；作物產(chǎn)量；氮素淋失風(fēng)險；褐潮土；冬小麥；夏玉米

0 引言

【研究意義】氮素是作物生長的必需營養(yǎng)元素，施用氮肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要措施。但是，當(dāng)?shù)释度氤^了農(nóng)作物和土壤微生物對氮的需求時，不僅對提高產(chǎn)量無益，反而會降低氮肥利用率，同時大量盈余的氮素很容易通過徑流、淋溶、氨揮發(fā)和反硝化等途徑損失，引發(fā)地下水硝酸鹽污染、水體富營養(yǎng)化及溫室效應(yīng)等一系列負(fù)面環(huán)境問題[1-3]。有機(jī)無機(jī)配施及秸稈還田等措施已被證實在提高農(nóng)作物產(chǎn)量、增強(qiáng)土壤肥力、降低氮素淋失風(fēng)險等方面具有良好的應(yīng)用效果[4-5]。然而，關(guān)于長期增施有機(jī)肥尤其是高量增施有機(jī)肥以及低量秸稈還田措施對作物產(chǎn)量以及氮素淋失風(fēng)險的研究較少。華北地區(qū)是中國重要的小麥、玉米糧食生產(chǎn)地，農(nóng)田土壤是典型的低碳含量土壤，作物氮肥利用率較低，土壤硝態(tài)氮（NO3--N）易于流失[1,6-7]。明確長期增施有機(jī)肥、秸稈還田等措施對作物產(chǎn)量、土壤肥力以及土壤氮素淋失風(fēng)險的影響，對確定農(nóng)田合理施肥措施，實現(xiàn)華北地區(qū)糧食高產(chǎn)及降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險，具有重要的實際應(yīng)用價值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于長期施用有機(jī)肥及秸稈還田對作物產(chǎn)量的影響，已做了大量相關(guān)研究。WEI等[8]研究表明，32年長期有機(jī)無機(jī)配施顯著提高了3種作物（小麥、玉米和水稻）的產(chǎn)量，平均產(chǎn)量比單施有機(jī)肥處理提高29%，比單施化肥處理提高8%。ZHAO等[9]通過9年田間試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后作物產(chǎn)量提高7%，尤其對缺水缺肥旱地農(nóng)田作物的增產(chǎn)效果更佳。由此可見，長期施用有機(jī)肥或者秸稈還田措施可以通過提升土壤肥力、提高作物養(yǎng)分吸收效率[10]等途徑影響作物產(chǎn)量。此外，有機(jī)肥及秸稈還田還一直被提倡和實踐用來改善土壤肥力、提升土壤碳氮庫容[11-12]。15年長期定位試驗表明，與單施化肥相比，增施有機(jī)肥及秸稈還田均提高了表層（0—15 cm）土壤有機(jī)碳（SOC）含量，兩處理間差異不顯著，提升幅度均達(dá)23%[13]。ZHAO等[14]研究發(fā)現(xiàn)，長期秸稈還田對耕層土壤SOC和全氮（TN）含量的增加幅度分別可達(dá)2%—19%和2%—16%。有機(jī)肥及秸稈還田等外源碳的添加對土壤碳氮庫的提升潛力一方面歸因于自身帶入的碳、氮增加，另一方面為外源碳含有氮磷等養(yǎng)分，其緩慢釋放特點可認(rèn)為施入了額外的肥料，通過作物根系、殘落物等途徑增加碳、氮投入[4,15]。有機(jī)肥及秸稈還田在提高作物產(chǎn)量、改善土壤肥力的同時，還會影響氮素的淋失風(fēng)險。如有機(jī)肥的施用可以通過增加反硝化過程中氣態(tài)氮損失[16]、增強(qiáng)異養(yǎng)微生物與氨氧化菌對銨態(tài)氮（NH4+-N）的競爭能力[17]等途徑，降低NO3--N在土壤中的累積。但是過多施用有機(jī)肥會增加氮損失的風(fēng)險[18]。MASAKA等[19]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥施用量超過15 t·hm-2時，淋溶液（深度為40 cm）中硝態(tài)氮（NO3--N）濃度就超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)（10 mg·L-1）的15%以上。而MAEDA等[20]發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥在短期內(nèi)可以減少NO3--N淋溶損失，長期施用下會與化學(xué)氮肥一樣導(dǎo)致大量NO3--N淋溶損失。王敬等[21]的研究結(jié)果表明，長期施用有機(jī)肥對自養(yǎng)硝化作用的刺激作用明顯高于化肥，會導(dǎo)致土壤中NO3--N的積累。此外，有機(jī)肥還能促進(jìn)土壤中可溶性有機(jī)碳氮的淋洗[22]。【本研究切入點】施用有機(jī)肥、秸稈還田等外源碳材料是增加土壤碳氮庫容、提高土壤氮素固持能力，減少氮素?fù)p失風(fēng)險的有效手段[5,14,23]，成為目前主推的提高土壤肥力、降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險的重要措施。但是目前有關(guān)長期增施有機(jī)肥尤其高量增施有機(jī)肥以及低量秸稈還田對低肥力潮褐土的肥力提升潛力及氮素淋失風(fēng)險研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以北京昌平國家褐潮土肥力與肥料效益長期監(jiān)測試驗基地的長期肥料試驗為平臺，探討長期增施有機(jī)肥/秸稈還田對作物產(chǎn)量及土壤氮素淋失風(fēng)險的影響，為提升作物產(chǎn)量、降低氮素淋失風(fēng)險，更好地培肥土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況與試驗設(shè)計

本研究在國家褐潮土肥力與肥料效益長期監(jiān)測基地的長期肥料試驗中進(jìn)行。監(jiān)測基地位于北京市昌平區(qū)，北緯40°13′，東經(jīng)116°14′，海拔高度43.5 m，年平均溫度11℃，≥10℃積溫4 500℃，年降雨量600 mm，年蒸發(fā)量1 065 mm，無霜期210 d，災(zāi)害性天氣主要是春旱和夏季暴雨。

長期肥料定位試驗始于1990年，種植制度主要為冬小麥（L.）-夏玉米（L.）。土壤母質(zhì)為黃土性物質(zhì)，屬褐潮土。試驗開始時表層（0—20 cm）土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量12.9 g·kg-1，全氮0.5 g·kg-1，全磷0.6 g·kg-1，堿解氮49.7 mg·kg-1，速效磷3.8 mg·kg-1，有效鉀 65.3 mg·kg-1，緩效鉀503.7 mg·kg-1，pH 8.12。

試驗設(shè)有5個處理：（1）對照（CK）；（2）氮磷鉀（NPK）；（3）氮磷鉀+有機(jī)肥（NPKM）；（4）氮磷鉀+過量有機(jī)肥（NPKM+）；（5）氮磷鉀+秸稈還田（NPKS）。每處理小區(qū)選取3個作物長勢均勻一致的試驗區(qū)域3 m2（2.0 m×1.5 m）作為試驗微區(qū)，試驗共15個微區(qū)，在微區(qū)周圍設(shè)置30 cm緩沖區(qū)域，在作物采收前，嚴(yán)禁進(jìn)入微區(qū)進(jìn)行試驗操作。處理中N、P、K 分別代表每季作物施N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 45 kg·hm-2；M為豬糞肥（含水量28%）；M+為過量豬糞肥（含水量28%）；S為玉米秸稈或小麥秸稈，其中豬糞肥含N為1.5%（干基），小麥秸稈中含N為4.9%（干基）、玉米秸稈含N為9.1%（干基），各處理施肥量如表1所示。氮、磷、鉀化肥于播種前一次性施入，豬糞肥和秸稈還田每年施用1次，于小麥播種前做基肥。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。田間管理按大田豐產(chǎn)要求進(jìn)行。

表1 各處理施肥量

1.2 取樣及樣品處理

土壤樣品：于2016年6月小麥季收獲后，在各處理微區(qū)均隨機(jī)取3點采集0—200 cm（間隔20 cm）土壤樣品，剔除石礫和植物殘根等雜物，混合制樣，過2 mm篩后，放入4 ℃冰箱內(nèi)保存，并測定其土壤硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N），樣品風(fēng)干后過0.25 mm篩測定土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）等。此外，將以上0—200 cm土層樣品，除0—20 cm、20—40 cm土層外，其余土層采用相鄰兩土層均勻混合的方法得到40—80 cm、80—120 cm、120—160 cm、160—200 cm（間隔40 cm）樣品，用于測定土壤氮礦化速率和硝化潛勢等微生物學(xué)過程相關(guān)指標(biāo)及可溶性碳氮養(yǎng)分含量。

植物樣品：分別于2016年6月小麥?zhǔn)斋@時、10月玉米收獲時將各微區(qū)全部收獲測產(chǎn)。

有機(jī)肥及秸稈樣品：將新鮮豬糞及秸稈自然風(fēng)干后，采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定豬糞及秸稈中的全氮含量。

1.3 土壤樣品的測定方法及計算

土壤pH、有機(jī)碳（SOC）、TN、NH4+-N、NO3--N均采用常規(guī)分析方法[24]。土壤pH采用pH計（Mettler Toledo Delta 320）測定（水﹕土為5﹕1）；SOC測定采用重鉻酸鉀-外加熱容量法；土壤TN采用濃H2SO4消煮-半微量開氏法，采用全自動開氏定氮儀（KDY-9830, 北京）；土壤NH4+-N、NO3--N采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提，流動分析儀（AA3）測定。

土壤氮礦化速率的測定[25]：稱取50 g新鮮樣品于塑料杯中，將其含水量調(diào)節(jié)到田間持水量的60%。在25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)14 d，并于培養(yǎng)過程中每3 d稱重、補(bǔ)水。分別測定培養(yǎng)前后土樣中NO3--N 和NH4+-N濃度，通過單位時間內(nèi)NO3--N和NH4+-N含量的變化計算土壤氮礦化量。計算公式如下：

ΔNH4+-N = NH4+-Nt- NH4+-N0

ΔNO3--N= NO3--Nt- NO3--N0

氮礦化速率=（ΔNH4+-N + ΔNO3--N）/ t

式中，NH4+-N0和NO3--N0為土壤初始時NH4+-N和NO3--N的含量，NH4+-Nt和NO3--Nt為培養(yǎng)后土壤中NH4+-N和NO3--N的含量。

土壤硝化潛勢的測定：通過搖漿法測定[26]，該方法主要評價土壤樣品的最大NO3--N產(chǎn)生速率。具體方法是：15 g新鮮土樣與100 mL含1.5 mmol·L-1NH4+的1 mmol·L-1PO43-緩沖液（pH=7.2）混合；25℃黑暗環(huán)境下?lián)u蕩24 h （180 r/min）；在第2、6、12、22和24 h各吸取5 mL溶液，每部分離心后過濾儲存于-20℃；NO3--N濃度使用流動分析儀測定（AA3）；土壤硝化潛勢通過NO3--N濃度與時間的線性回歸斜率表示（μg NO3--Ng-1·h-1）。

分別計算2016年6月小麥?zhǔn)斋@時和10月玉米收獲時兩種作物的氮盈余和氮肥偏生產(chǎn)力，計算公式如下：

氮盈余=投入氮量-作物攜出氮量[27]

氮肥偏生產(chǎn)力（partial factor productivity of nitrogen, PFPN, kg·kg-1）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量，指投入單位氮肥所生產(chǎn)的作物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用OriginLab 8.1軟件作圖，所有數(shù)據(jù)采用SAS軟件進(jìn)行（version 9.1）單因素方差分析（one-way ANOVA），統(tǒng)計分析長期不同施肥處理對作物產(chǎn)量及氮素淋失風(fēng)險的影響，多重比較采用Duncan法（=0.05），平均值在＜0.05水平下的任何差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 作物產(chǎn)量、氮盈余和氮肥偏生產(chǎn)力

方差分析結(jié)果顯示（表2），長期增施有機(jī)肥（NPKM、NPKM+）/秸稈還田（NPKS）均能夠提高小麥和玉米的產(chǎn)量及生物量。其中，過量增施有機(jī)肥（NPKM+）處理的小麥產(chǎn)量和生物量最高，分別達(dá)到5.1和9.1 t·hm-2，比NPK處理的小麥產(chǎn)量和生物量增加50%和44%，其次為NPKM和NPKS處理，兩處理間呈顯著性差異水平（＜0.05），和NPK處理相比，分別提高小麥產(chǎn)量達(dá)41%、24%，分別提高生物量達(dá)37%、8%。NPKM和NPKM+處理玉米產(chǎn)量較高，為8.2—8.3 t·hm-2，顯著高于NPKS、NPK和CK 3個處理（＜0.05），但兩處理間差異不顯著（＞0.05）。與NPK處理相比，增產(chǎn)幅度分別達(dá)到32%和30%。同時，NPKS處理玉米產(chǎn)量略高于NPK處理，但兩處理間差異不顯著（＞0.05）。不同處理的小麥和玉米地上部含氮量與籽粒產(chǎn)量變化趨勢基本一致。由此可以看出，長期增施有機(jī)肥/秸稈還田能夠增加作物產(chǎn)量和地上部吸氮量，且長期增施有機(jī)肥的效果高于秸稈還田。

采用投入氮量與作物攜出氮量之差作為衡量氮盈余的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，對于小麥季而言，NPKM、NPKM+、處理氮盈余比NPK處理提高118%、189%；NPKS處理比NPK處理降低3%；玉米季土壤氮盈余變化與小麥季相似，表現(xiàn)為NPKM、NPKM+處理氮盈余比NPK處理提高312%、1 037%；NPKS處理比NPK處理降低92%?？梢?，長期增施有機(jī)肥大大提高了小麥和玉米季的氮盈余，且NPKM+處理氮盈余在兩季作物中均達(dá)最大值；但秸稈還田呈現(xiàn)固氮作用。

和單施化肥相比，長期增施有機(jī)肥明顯降低了小麥和玉米季不同施肥模式下氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN），具體地說，與NPK處理相比，NPKM、NPKM+處理降低小麥季PFPN分別為22%、32%；降低玉米季PFPN分別為27%、41%，這與有機(jī)肥本身帶入大量氮素有關(guān)。但是，秸稈還田能夠顯著增加小麥季PFPN，達(dá)216%；顯著降低玉米季PFPN，達(dá)40%。

表2 長期增施有機(jī)肥/秸稈還田對作物產(chǎn)量、氮盈余和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

同一列的不同小寫字母代表差異顯著（＜0.05）。小麥和玉米單獨(dú)進(jìn)行比較

Different letters indicate significant difference for the results in the same column (＜0.05). Wheat and maize were compared separately

2.2 有機(jī)碳和可溶性碳的剖面分布

由圖1-a可以看出，經(jīng)過27年的不同施肥處理，0—20 cm土層SOC含量顯著高于20—200 cm土層，說明不同施肥處理對SOC含量的影響主要發(fā)生在表層。同時，隨著土層的加深，SOC含量總體呈現(xiàn)降低趨勢，且在20—40 cm、60—100 cm土層各施肥處理對SOC含量的影響均達(dá)到了差異顯著水平（＜0.01）。以SOC含量較高的0—20 cm土層為例，各施肥處理SOC含量表現(xiàn)為NPKM+＞NPKM＞NPKS＞NPK＞CK，且處理間達(dá)到極顯著差異水平（＜0.01）。與NPK（10.6 g·kg-1）相比，NPKM、NPKM+、NPKS處理SOC含量增幅為62%、121%和9%，說明長期增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠顯著增加表層SOC含量，且增施有機(jī)肥對SOC的提升效果強(qiáng)于秸稈還田。

由圖1-b可以看出，長期不同施肥處理土壤可溶性碳（DOC）含量的最高值均出現(xiàn)在0—20 cm土層，說明表層土壤是施肥對土壤DOC含量影響的主要發(fā)生層。隨著土層的加深，土壤DOC含量逐漸降低，在0—100 cm土層范圍內(nèi)，各施肥處理表現(xiàn)為NPKM+＞NPKM＞NPKS，處理間達(dá)到差異顯著水平（＜0.05）。在100—200 cm的土層內(nèi)，DOC含量降低，處理間差異不顯著（＞0.05）。以DOC含量最高的0-20 cm土層為例，NPKM處理對DOC含量的提升效果最大，達(dá)544.4 mg·kg-1。與NPK（457.5 mg·kg-1）處理相比，NPKM+、NPKM、NPKS處理土壤DOC含量增幅為7%、19%和7%，說明長期增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠顯著增加表層土壤DOC含量。

2.3 對土壤氮素的剖面分布

由圖2-a可以看出，長期不同施肥處理土壤硝態(tài)氮（NO3--N）含量的最高值均出現(xiàn)在0—20 cm土層，說明不同施肥處理對土壤NO3--N含量的影響主要發(fā)生在表層。隨著土層的加深，尤其在40—100 cm土層范圍內(nèi)，各施肥處理土壤NO3--N含量較低，說明NO3--N在土體中有明顯向下遷移的趨勢。在0—200 cm土層內(nèi)，NPKM和NPKM+處理NO3--N含量先降低后升高，NPKM處理能夠顯著增加100—200 cm深層土壤中NO3--N含量，土壤NO3--N的含量為17.8—26.1 mg·kg-1，峰值出現(xiàn)在100—120 cm，且NPKM+處理底層NO3--N含量要高于NPKM處理，表明NPKM處理能夠促進(jìn)NO3--N向深層土壤的遷移，增加了NO3--N淋失的風(fēng)險，NPKM+處理存在更大的NO3--N淋失風(fēng)險。NPKS處理0—100 cm土層NO3--N含量（3.6—13.4 mg·kg-1）明顯高于100—200 cm土層（3.1—7.1 mg·kg-1），說明秸稈還田對土壤NO3--N具有一定的固持作用。

“***”=P＜0.001; “**”=P＜0.01; “*”=P＜0.05; “ns”=差異不顯著。下同

由圖2-b可以看出，0—200 cm土壤剖面中銨態(tài)氮（NH4+-N）含量較低，各施肥處理NH4+-N含量介于0—4 mg·kg-1。隨著土層的加深，尤其是在40—100 cm范圍內(nèi)，NPKM、NPKM+、NPKS處理NH4+-N含量高于0—40 cm，表明增施有機(jī)肥/秸稈還田處理NH4+-N具有向下遷移的趨勢。在100—200 cm土層內(nèi)，5個處理均表現(xiàn)為NH4+-N含量隨土層的加深而增加，且秸稈還田處理＞配施有機(jī)肥處理＞化肥處理，除160—180 cm范圍內(nèi)，處理間均達(dá)到差異顯著水平，表明長期增施有機(jī)肥及秸稈還田處理均可促進(jìn)土壤NH4+-N的向下遷移。

由圖2-c可以看出，長期不同施肥處理0—20 cm土層全氮（TN）含量顯著高于20—200 cm土層，說明施肥處理對土壤TN含量的影響主要發(fā)生在表層。與SOC變化趨勢相似，各處理土壤TN含量均隨剖面深度的增加呈持續(xù)下降的趨勢，一定范圍內(nèi)施用有機(jī)肥，能夠有效提高較深層土壤TN含量，且各施肥處理在100—200 cm的土壤TN含量（0.12—0.90 g·kg-1）下降趨勢明顯高于40—100 cm （0.5—1.1 g·kg-1），說明氮素在土體中具有明顯的向下遷移的趨勢。以土壤TN含量較高的0—20 cm土層為例，NPKM、NPKM+、NPKS處理的土壤TN含量比NPK處理分別增加107%、187%、97%，說明長期增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠顯著增加表層土壤TN含量，且增施有機(jī)肥對TN的提升效果強(qiáng)于秸稈還田。

由圖2-d可以看出，長期不同施肥處理下的可溶性氮（DON）含量在表層0—20 cm土壤中最高，說明不同施肥處理對土壤DON含量的影響主要發(fā)生在表層。隨著土層的加深，CK、NPK、NPKS處理DON含量先降低后保持穩(wěn)定；NPKM和NPKM+處理DON含量呈現(xiàn)為先降低后逐漸升高的變化趨勢，尤其是在120—200 cm的土層內(nèi)，NPKM和NPKM+處理DON含量顯著高于秸稈還田和化肥處理，表明長期NPKM和NPKM+處理促進(jìn)了DON向深層土壤遷移，顯著增加了DON的淋溶風(fēng)險。

圖2 長期增施有機(jī)肥/秸稈還田對土壤硝態(tài)氮（a）、銨態(tài)氮（b）、全氮（c）和可溶性氮（d）剖面分布的影響

2.4 土壤氮礦化速率和硝化潛勢的剖面分布

由圖3可以看出，長期不同施肥處理0—20 cm土層土壤礦化速率和硝化潛勢均顯著高于20—200 cm土層，表明0—20 cm表層是長期不同施肥處理對土壤氮礦化速率與硝化潛勢的主要發(fā)生層。對表層土壤氮礦化速率而言（圖4-a），NPKM、NPKM+處理能夠增加氮礦化速率，NPKS處理則表現(xiàn)為降低氮礦化速率。對表層土壤硝化潛勢而言（圖4-b），長期增施有機(jī)肥及秸稈還田均能夠提高土壤硝化潛勢，有機(jī)肥處理對土壤硝化潛勢的提升效果強(qiáng)于秸稈還田。隨著土層的加深，土壤氮礦化速率和硝化潛勢均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，尤其是在＞80 cm土層中，有機(jī)肥及秸稈還田處理均降低了土壤氮礦化速率，表明深層土壤氮素可能發(fā)生氮固持或反硝化作用。

圖3 長期增施有機(jī)肥/秸稈還田對土壤氮礦化速率和硝化潛勢剖面分布的影響

3 討論

3.1 增施有機(jī)肥/秸稈還田對作物產(chǎn)量及土壤肥力的影響

長期增施有機(jī)肥及秸稈還田等外源碳的添加能夠顯著提高昌平地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)量（＜0.05），這與以往的研究報道相一致。李娟等[28]在同一試驗點采用15年的長期定位施肥試驗數(shù)據(jù)表明，在施用NPK的基礎(chǔ)上配施有機(jī)物料（有機(jī)肥或作物秸稈），能夠顯著提高小麥產(chǎn)量，且長期施用化肥+過量有機(jī)肥處理小麥產(chǎn)量最高。ZHANG等[29]在15年長期定位試驗中發(fā)現(xiàn)，NPK配施有機(jī)肥的小麥、玉米平均產(chǎn)量均顯著高于NPK處理，增幅達(dá)到25%、43%。李瑋等[30]通過連續(xù)4年的小麥-玉米連作長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，630、696 kg N·hm-2·a-1配施21 000 kg·hm-2秸稈還田，可獲得最高的小麥和玉米產(chǎn)量。

在本研究中，連續(xù)27年的長期定位施肥試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，和NPK相比，NPKM、NPKM+及NPKS均能夠顯著增加土壤SOC和TN含量，增幅分別為62%、121%、24%和107%、187%、6%，且增施有機(jī)肥對土壤SOC和TN含量的提升效果強(qiáng)于秸稈還田，這與LI等[12]的研究結(jié)果相一致，發(fā)現(xiàn)在玉米-大豆-小麥輪作體系中連續(xù)27年的長期施肥表明，和NPK處理相比，NPK+秸稈還田（4.5 t·hm-2·a-1）、NPK+有機(jī)肥（22.5 t·hm-2·a-1）提升土壤SOC分別為4%、19%；提升TN含量分別為4%、31%。SUN等[31]通過30年的長期定位試驗表明NPK+秸稈還田（3.75—7.5 t·hm-2·a-1）、NPK+有機(jī)肥（15—30 t·hm-2·a-1）與NPK處理相比提升土壤全碳含量分別為26%—42%、55%—143%；提升TN含量分別為23%—62%、78%—134%。秸稈還田配施化肥有利于提高土壤SOC和TN含量，單施化肥土壤氮含量卻逐年降低，難以維持農(nóng)田系統(tǒng)生產(chǎn)力和土壤肥力。因此，說明長期增施有機(jī)肥及秸稈還田能夠顯著增強(qiáng)土壤肥力。

長期施用有機(jī)肥或秸稈還田等外源有機(jī)物料能夠促進(jìn)作物增產(chǎn)：一方面是由于外源碳的添加，提升了土壤碳氮庫容，增強(qiáng)了土壤肥力，這與WEI等[8]的研究結(jié)果相一致；另一方面，是由于外源碳的投入能夠補(bǔ)充有機(jī)碳，促進(jìn)微生物的活性，從而提高養(yǎng)分的有效性[32]。但由于有機(jī)肥或秸稈等外源碳類型在養(yǎng)分含量方面存在差異，導(dǎo)致其在改善土壤性質(zhì)、促進(jìn)作物生長發(fā)育方面存在差異[5,12]。本研究中，增施有機(jī)肥對作物產(chǎn)量、作物含氮量以及土壤碳、氮養(yǎng)分的提升作用優(yōu)于秸稈還田，其原因可能為有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量高且含有較豐富的糖等易利用有機(jī)碳，對土壤微生物的促進(jìn)作用大于秸稈，從而增加了土壤微生物的活性[32-33]，提升對土壤碳氮養(yǎng)分的固持，提高產(chǎn)量。

3.2 增施有機(jī)肥/秸稈還田對土壤剖面養(yǎng)分含量、氮素分布及氮素淋失風(fēng)險的影響

土壤碳氮養(yǎng)分是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，其含量和分布是土壤母質(zhì)、氣候條件、碳氮投入等各種因素綜合影響的結(jié)果。在本文中，隨著土層的加深，各施肥處理SOC和TN含量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，深層土壤SOC含量較低的原因可歸結(jié)為根系生物量、根系分泌物和植物殘體的積累量較少的緣故[34]。農(nóng)田土壤外源碳投入量及其有效性為土壤氮素固持提供必要的能源，一方面，集中在耕層土壤的根系碳和地上部殘茬碳經(jīng)過微生物作用固定的氮可能是表層土壤氮素含量高于剖面深層土壤氮素的主要原因；另一方面，深層土壤TN含量較低，可能是底層土壤凋落物輸入較少導(dǎo)致的[4]。

NO3--N是旱地土壤作物吸收的主要無機(jī)氮形態(tài)，其在土壤剖面的分布和累積隨施氮量的增加而增加[35]。多項研究也表明，長期大量施肥會造成NO3--N在土壤中的累積，土體NO3--N含量隨施氮量的增加顯著增加[36]。在本研究中，土壤NO3--N主要集中在 0—20 cm 表層土壤，表層土壤中肥料氮素施入形成了無機(jī)態(tài)氮富集的微域，同時無機(jī)態(tài)氮可隨降雨等水分作用向下層遷移，從而造成隨著土層加深，土壤中NO3--N含量升高的趨勢。這種特征與HUANG等[1]、李彥等[37]研究結(jié)論一致。在本文中，與NPK相比，NPKM、NPKM+處理能夠促進(jìn)NO3--N向深層土壤的遷移，增加了NO3--N淋溶的風(fēng)險，且NPKM+處理存在更大的NO3--N淋溶風(fēng)險；但NPKS處理對土壤NO3--N具有一定的固持作用。李彥等[37]在小麥-玉米輪作的潮土中發(fā)現(xiàn)，連續(xù)20年施用20—25 t·hm-2有機(jī)肥，80—100 cm土層NO3--N累積量最大可達(dá)240 kg·hm-2，具有一定的硝態(tài)氮淋失風(fēng)險。邵興芳等[38]認(rèn)為高量有機(jī)肥配施化肥處理中多余的礦化氮不能完全被作物根系吸收，造成土壤表面NO3--N的累積和土壤剖面NO3--N的淋溶，增加環(huán)境污染風(fēng)險。有研究表明，秸稈還田與化肥配施處理的微生物量氮和礦質(zhì)態(tài)氮數(shù)量均高于僅施等量化肥的處理，說明秸稈還田促進(jìn)了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化與固持[39-40]，這歸因于秸稈還田碳氮比較高，對NO3--N的固持能力較強(qiáng)，阻止了NO3--N向下遷移，從而減少了氮素淋失的風(fēng)險[41]。

隨著土層的加深，土壤氮礦化速率和硝化潛勢均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，尤其是在＞80 cm土層中，NPKM、NPKM+及NPKS處理均降低了土壤氮礦化速率和硝化潛勢，同時深層土壤SOC含量降低，深層土壤環(huán)境中微生物活性較低，呼吸作用較弱，土壤氮礦化速率和硝化潛勢降低，但土壤NO3--N、NH4+-N與DON含量增加，尤其是增施有機(jī)肥處理顯著增加了深層土壤NO3--N、NH4+-N和DON含量，這說明深層次氮主要來自土壤氮素的向下淋溶和上層DON的淋溶。有研究表明，長期增施有機(jī)肥促進(jìn)了土壤DON的向下遷移[22,42]。土壤DON是土壤氮庫中最活躍的組分之一，其淋溶損失是氮素的重要損失途徑之一[43-44]。施用有機(jī)肥本身含有一定數(shù)量的礦質(zhì)氮和可溶性有機(jī)氮，其含有的有機(jī)氮也會不斷地進(jìn)行礦化釋放礦質(zhì)氮和可溶性有機(jī)氮[45]。隨著降雨的進(jìn)行，能夠引起土壤中可溶性有機(jī)氮的向下遷移，會引起潛在的環(huán)境污染風(fēng)險。

值得注意的是，本研究是在常規(guī)化肥的基礎(chǔ)上添加有機(jī)肥/秸稈還田，未考慮氮肥同等替代情況。有研究表明，有機(jī)無機(jī)推薦施肥處理是降低NO3--N在土壤中的累積、減輕NO3--N淋失風(fēng)險的有效措施。沈靈鳳等[46]的研究結(jié)果表明在同等施氮水平下，單施化肥更易造成NO3--N的淋溶，有機(jī)肥與化肥配施可減少NO3--N向深層土壤的淋溶遷移，降低NO3--N對地下水的污染風(fēng)險。QIU等[5]在黑土中開展的22年的長期定位試驗表明，當(dāng)NPKM、NPKM+處理中所含總氮量從165 kg·hm-2升高到247.5 kg·hm-2時，會造成土壤NO3--N淋失，并得到這一地區(qū)最佳施氮量為140—210 kg·hm-2，秸稈還田最佳還田量為5.0 t·hm-2。因此，化肥與有機(jī)肥、秸稈還田的配合施用應(yīng)該充分考慮基于當(dāng)?shù)貧夂驐l件下其對作物產(chǎn)量及淋失風(fēng)險的綜合效應(yīng)。

4 結(jié)論

4.1 中國華北平原小麥-玉米輪作模式下，27年長期增施有機(jī)肥/秸稈還田能夠提高作物產(chǎn)量、提升土壤有機(jī)碳、全氮等土壤肥力指標(biāo)，且長期施用有機(jī)肥的作用效果強(qiáng)于秸稈還田，具體表現(xiàn)為和NPK處理相比，NPKM、NPKM+、NPKS處理增加0—20 cm表層土壤有機(jī)碳含量分別為62%、121%、24%，全氮含量分別為107%、187%、6%。增施有機(jī)肥降低了氮肥偏生產(chǎn)力。

4.2 長期增施有機(jī)肥/秸稈還田等外源碳的添加對土壤碳氮養(yǎng)分及礦化作用、硝化潛勢等微生物學(xué)過程的影響主要發(fā)生在0—20 cm表層土壤中。

4.3 在150 kg N·hm-2化學(xué)氮肥基礎(chǔ)上配施15—22.5 t·hm-2有機(jī)肥會促進(jìn)土壤NO3--N的向下遷移，增加100—200 cm深層土壤中NO3--N含量，為17.8—26.1 mg·kg-1，氮盈余量比NPK處理增加312%—1 037%，增加了氮素淋失風(fēng)險，且氮素淋失風(fēng)險NPKM+高于NPKM。而NPKS處理在一定程度上能夠增加0—100 cm土層NO3--N含量，為3.6—13.4 mg·kg-1，對土壤NO3--N具有一定的固持作用。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

Effects of Long-Term Additional Application of Organic Manure or Straw Incorporation on Soil Nitrogen Leaching Risk

GAI XiaPu1, LIU HongBin1, ZHAI LiMei1, YANG Bo1, REN TianZhi2, WANG HongYuan1, WU ShuXia1, LEI QiuLiang1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Beijing 100081;2Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【Objective】In order to provide a basis for promoting soil fertility, increasing crop yield and reducing non-point source pollution for rotation of winter wheat and summer maize in North China Plain, it is necessary to study the effects of long-term additional application of organic manure/straw incorporation on crop yield and soil nitrogen leaching risk.【Method】Considering a 27-year long-term fertilizer experiment in Fluvo-aquic soil in Changping County, Beijing, China as the research platform, five treatments were set up, including namely control (CK), chemical fertilizers (NPK), NPK + organic manure (NPKM), NPK+ 50% more organic manure (NPKM+) and NPK + straw incorporation (NPKS). And then, crop yield of wheat and maize, soil fertility, nitrogen leaching risk and soil nitrogen distribution characteristics under different fertilization treatments were analyzed. 【Result】Results showed that (1) long-term additional application of organic manure or straw incorporation could increase crop yield and improve soil fertility during the past 27-year. Among these different fertilizer treatments, additional application of organic manure was particularly excellent. Compared with NPK, the yield of wheat and maize could increase by 41%-50% and 30%-32% under NPKM and NPKM+ treatments, respectively. Meanwhile, NPKM and NPKM+ treatments could increase soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) in 0-20 cm soil by 62%-121% and 107%-187%, respectively. However, the partial factor productivity (PFPN) in wheat and maize season was reduced by 22%-32% and 27%-41%, respectively. Contrarily, the effects of straw incorporation on yield enhancement and soil nutrients improvement was lower than that of additional application of organic manure. The yield of wheat and maize and SOC and TN contents were increased by 24%, 6%, 9%, 97% under straw returning, respectively, relative to NPK. However, the PFPNin wheat season was increased by 216% while was reduced by 40% in maize season. (2) SOC, TN, nitrate nitrogen (NO3--N), soil dissolved organic carbon, soil dissolved organic nitrogen contents and the microbiological processes of soil nitrogen mineralization rate and nitrification potential in 0-20 cm soil depth were all higher than that of 20-200 cm soil depth, which indicated that the effects of long-term additional application of organic manure or straw incorporation on soil nutrients and microbiological processes mainly occurred in the surface soil. Compared with NPK, NPKM treatment could significantly increase NO3--N content in the 100-200 cm soil layer and the average value of NO3--N was 17.8-26.1 mg·kg-1. NPKS treatment could increase soil NO3--N content in the 0-100 cm soil depth to some extent and the average content of NO3--N was 3.6-13.4 mg·kg-1. This indicated that additional application of organic manure could promote the downward migration of soil NO3--N and straw returning could retain soil NO3--N. As introducing additional nitrogen from manure or straw, the nitrogen surplus was increased by 312%, 1 037%, 953% in NPKM, NPKM+, NPKS treatments compared with NPK treatment, suggesting a relatively high nitrogen leaching risk.【Conclusion】Based on the conventional fertilization, long-term additional application of organic manure and straw incorporation could increase crop yield and soil fertility, but also promote soil nitrogen surplus and nitrogen leaching risk. Especially, long-term additional application organic manure could increase nitrogen leaching risk.

long-term fertilization; organic manure; straw incorporation; crop yield; nitrogen leaching risk; fluvo-aquic soil; winter wheat; summer maize

2017-08-21；

2017-11-06

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0800101）

蓋霞普，E-mail：happygaixiapu@126.com。

王洪媛，Tel：010-82106737；E-mail：wanghongyuan@caas.cn