張理勝，趙迪，薄錄吉，張克強(qiáng)，王風(fēng)*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟(jì)南 250100）

氮素是設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，蔬菜種植過程常因大水大肥的生產(chǎn)方式而導(dǎo)致大量氮素通過淋溶進(jìn)入地下水體，從而造成環(huán)境污染[1-2]。有效阻控種植過程中氮淋失，成為推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展亟需解決的突出問題[3-4]。

第二次污染源普查結(jié)果顯示，我國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈8.05億t，除被用于制漿造紙、制作飼料外[5]，仍有大量秸稈被閑置浪費(fèi)或燃燒。為促進(jìn)秸稈資源化利用，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”的目標(biāo)，將其用于水體陰離子的脫除是一種良好的途徑。但秸稈存在缺乏功能位點(diǎn)和吸附性能低的問題，通過改性可明顯提升其吸附性能[6-8]，改性秸稈吸附水體陰離子的機(jī)制主要是靜電吸引和離子交換作用。通過改性的方式不僅可以脫除水體中的陰離子，而且可同時(shí)回收有價(jià)值的元素。其中，季銨鹽改性方法由于吸附效率高、性能好等優(yōu)點(diǎn)而成為研究熱點(diǎn)，如WANG 等[9]用季銨鹽改性秸稈吸附廢水中的硝態(tài)氮，去除率高達(dá)82.4%；FAN等[10]以玉米秸稈為原料制備季銨鹽改性秸稈，試驗(yàn)結(jié)果表明其對(duì)水體中硝態(tài)氮的最大吸附量達(dá)60.1 mg·g-1；張濤[11]的研究發(fā)現(xiàn)，在有其他陰離子干擾的情況下，改性秸稈對(duì)水體硝態(tài)氮仍有較好的吸附效果，吸附量可達(dá)51.7 mg·g-1；王林[12]的研究表明，pH在2～11范圍內(nèi)時(shí)，改性秸稈對(duì)硝態(tài)氮的吸附效果變化較小。以上研究均表明季銨鹽改性秸稈作為陰離子吸附劑，對(duì)水體硝態(tài)氮具有良好的吸附效果。但是，將其用于阻控土壤氮素?fù)p失的研究還鮮有報(bào)道。

養(yǎng)殖肥液因肥效高、易吸收等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于蔬菜和大田作物[13]。養(yǎng)殖肥液施用后可通過硝化作用，使大量的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮向下遷移到土壤深層后就很難被作物利用[14-16]。阻控養(yǎng)殖肥液施用過程中的氮素?fù)p失十分重要。本研究通過溫室內(nèi)土柱淋溶模擬試驗(yàn)，探究季銨鹽改性秸稈施用量和施用方式對(duì)養(yǎng)殖肥液灌溉后土壤氮素淋失的影響，以為高效阻控土壤硝態(tài)氮淋溶，促進(jìn)養(yǎng)殖肥液安全利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

1.1.1 供試土壤及養(yǎng)殖肥液

供試土壤取自天津市東麗區(qū)大畢莊作物耕作0～20 cm土壤，土壤質(zhì)地為壤土。新鮮土樣經(jīng)自然風(fēng)干，挑揀出肉眼可見的作物根莖及石塊，過2 mm 篩，混勻風(fēng)干后備用。供試土壤基本理化性質(zhì)：pH 7.71、總氮（TN）含量為1.40 g·kg-1、硝態(tài)氮（NO-3-N）含量為3.01 mg·kg-1、銨態(tài)氮（NH+4-N）含量為8.00 mg·kg-1、有機(jī)質(zhì)含量為24.35 g·kg-1。養(yǎng)殖肥液取自天津市益利來養(yǎng)殖有限公司常年運(yùn)轉(zhuǎn)的塞流式厭氧反應(yīng)器，原料為豬糞。養(yǎng)殖肥液pH 7.92，TN 濃度為533.26 mg·L-1，NH+4-N 濃度為360.74 mg·L-1，NO-3-N 濃度為2.21 mg·L-1。

1.1.2 改性秸稈的制備

季銨鹽改性秸稈由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，制備過程如下：將8 g 秸稈分散于80 mL 乙醇中，依次加入6.0 mL 濃度為2%的NaOH 溶液和16.0 g 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨，將混合物于45 ℃水浴攪拌3 h，并將體系pH 調(diào)至中性（用冰醋酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液初始pH 值），抽濾，依次用甲醇和乙醇充分洗滌樣品，并于60 ℃烘干至恒質(zhì)量。

1.1.3 試驗(yàn)裝置

土柱淋溶模擬裝置為PVC 材質(zhì)，內(nèi)徑為19 cm，高度為30 cm。試驗(yàn)前在柱體內(nèi)壁涂抹一層凡士林以減少邊緣效應(yīng)，將改性秸稈與土樣按比例混合均勻填充至土柱中，土壤質(zhì)量約為7 kg，容重1.26 g·cm-3，裝好的土柱置于穩(wěn)定的鋼架上與地面保持垂直。柱體底部鋪設(shè)100目尼龍網(wǎng)及2 cm厚的石英砂，以防止底層土的流失，柱體出水管中塞滿脫脂棉花，以深度過濾水樣。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6 個(gè)處理。處理1：養(yǎng)殖肥液（CK）；處理2：養(yǎng)殖肥液+1%改性秸稈，上部混合施用（0～10 cm，1%US）；處理3：養(yǎng)殖肥液+2%改性秸稈，上部混合施用（0～10 cm，2%US）；處理4：養(yǎng)殖肥液+4%改性秸稈，上部混合施用（0～10 cm，4%US）；處理5：養(yǎng)殖肥液+4%改性秸稈，全土層混合施用（0～20 cm，4%HS）；處理6：養(yǎng)殖肥液+4%改性秸稈，隔層施用（10 cm 隔層，4%GS）。每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，共18 個(gè)土柱。每隔3 d施用養(yǎng)殖肥液300 mL，共施用5次，施氮總量為300 kg·hm-2。

1.2.2 淋溶模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)前土柱每日加去離子水800 mL 連續(xù)淋洗3 d，以減少由于裝土過程所造成的差異。之后每隔3 d 施用養(yǎng)殖肥液1 次，共施用5 次。隨后收集淋溶液，帶回實(shí)驗(yàn)室立即進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。施用試驗(yàn)結(jié)束后，將土柱中的土壤按照0～10 cm 和10～20 cm 分層取樣，密封冰箱保鮮保存。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤pH 用pH 計(jì)測(cè)定（水土比為5∶1），含水量用烘干法測(cè)定，NH+4-N 和NO-3-N 含量用KCl 浸提-比色法測(cè)定[17]，養(yǎng)殖肥液及淋溶液TN 濃度采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定，NH+4-N 濃度采用全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀（FIA-6000+）測(cè)定；NO-3-N 濃度采用紫外分光光度法測(cè)定[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010、Origin 2017 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。處理間差異顯著性采用單因素方差分析法（One-way ANOVA），顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋溶液TN濃度變化特征

季銨鹽改性秸稈施用下土壤淋溶液TN濃度變化特征如圖1 所示，各處理TN 濃度呈現(xiàn)CK＞1%US＞2%US＞4%HS＞4%GS＞4%US 的趨勢(shì)。隨灌溉次數(shù)的增加，各處理淋溶液TN 濃度逐漸降低，至第3 次或第4 次灌溉時(shí)濃度達(dá)到最低值，第5 次灌溉時(shí)濃度有所上升。施加季銨鹽改性秸稈處理淋溶液中TN濃度均顯著低于CK 處理（P＜0.05），與CK 處理相比，1%US、2%US 和4%US 處理淋溶液TN 濃度分別降低了14.7%、43.9%和76.3%，改性秸稈施加量越多，TN 淋失阻控效果越好。改性秸稈施加量相同的條件下，5次灌溉過程HS、GS 和US 處理相對(duì)于CK 處理的TN濃度減少了60.5%、63.9%和76.3%，3個(gè)處理間的差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 淋溶液NO-3-N濃度變化特征

2.3 淋溶液有機(jī)氮濃度變化特征

季銨鹽改性秸稈施用下土壤淋溶液有機(jī)氮濃度變化特征如圖3 所示。各處理土壤淋溶液有機(jī)氮濃度均呈先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，對(duì)淋溶液有機(jī)氮的阻控效果大小順序?yàn)?%US＞4%GS＞4%HS＞2%US＞1%US。第1 次灌溉使有機(jī)氮濃度顯著降低，其中4%US處理有機(jī)氮濃度比其他兩個(gè)施加量（1%和2%）更低，不同施加方式中4%US、4%GS 和4%HS 處理較CK 處理分別顯著降低了75.4%、51.1%和34.4%（P＜0.05）。后4次灌溉過程中秸稈各處理與CK處理均無顯著差異（P＞0.05）。

2.4 氮素累積淋溶量

季銨鹽改性秸稈施用下淋溶液氮素累積淋失量如表1 所示，不同處理TN 淋失量為19.4～91.2 kg·hm-2，是施氮量的6.4%～30.3%。與CK 處理相比，1%US、2%US、4%US、4%HS 和4%GS 處理TN 累積淋失量分別降低了13.9%、47.1%、78.7%、77.9% 和78.5%，除1%US 處理外，其余處理均達(dá)到顯著水平；NO-3-N 累積淋失量分別顯著降低15.7%、51.8%、83.2%、83.1%和82.5%（P＜0.05）。TN 和NO-3-N 累積淋失量變化趨勢(shì)基本一致，均隨秸稈施加量的增加而降低。不同施加量及不同施加方式秸稈處理中NH+4-N 累積淋失量變化較小，均與CK 處理間差異不顯著（P＞0.05）。有機(jī)氮累積淋失量隨秸稈施加量的增加而降低，施用4%的季銨鹽改性秸稈能顯著降低其累積淋失量（P＜0.05），降幅達(dá)57.6%，不同施加方式下累積淋失量差異不顯著（P＞0.05）。

表1 各處理土壤淋溶液氮素累積淋失量（kg·hm-2）Table 1 The nitrogen accumulation in the leaching water（kg·hm-2）

2.5 土壤NO-3-N含量

2.6 土壤NH+4-N含量

4%US 處理與CK 處理相比，NH+4-N 含量顯著增加了505.4%（P＜0.05），其他處理與CK 處理相比雖然NH+4-N 含量有所增加，但處理間差異不顯著。10～20 cm 土層中，4%GS 處理NH+4-N 含量最高，與其他處理之間存在顯著差異（P＜0.05），其他各處理呈現(xiàn)4%US＞2%US＞CK＞1%US＞4%HS 的趨勢(shì)，但各處理之間差異不顯著。

3 討論

3.1 季銨鹽改性秸稈不同施加量和施用方式對(duì)淋溶液氮素濃度以及累積淋失量的影響

3.2 季銨鹽改性秸稈不同施加量和施加方式對(duì)土壤NO-3-N和NH+4-N含量的影響

4 結(jié)論

（1）季銨鹽改性秸稈對(duì)總氮淋失的阻控效率達(dá)13.9%～78.7%，且隨秸稈添加量的增加而升高，施加4%季銨鹽改性秸稈最有利于養(yǎng)殖肥液灌溉土壤氮素淋溶阻控。

（2）施加季銨鹽改性秸稈后，土壤NO-3-N 含量降低，秸稈的施用能夠有效降低NO-3-N淋溶。

（3）養(yǎng)殖肥液灌溉后氮素淋失以NO-3-N 為主，約占氮素總淋失量的70%。