胡冬妮,董志新,朱 波**

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所/中國科學院山地表生過程與生態(tài)調控重點實驗室 成都 610041;2.中國科學院大學 北京 100049)

氮是作物產量與質量的主要限制養(yǎng)分,氮肥施用可提高糧食作物單產55%～57%。多年來我國的氮肥用量逐年增加,2018年中國氮肥施用量為1980年的2.2 倍,為我國糧食增長做出了巨大貢獻。同時,氮肥過量施用也導致環(huán)境中活性氮的累積,造成氮素損失與嚴重的面源污染等問題。2020年,國家提出了“化肥使用零增長”行動方案應對環(huán)境挑戰(zhàn),而通過有機肥替代化肥減少化肥氮用量,提高氮肥利用率,是當前農業(yè)綠色發(fā)展的重要途徑之一。

近年來,有機肥替代化肥逐漸得到廣泛的關注及應用。Radwan 等研究表明有機肥替代化肥不僅能增加土壤根際微生物量,也能促進作物生長,提高作物生物量。Michael也發(fā)現有機替代化肥能顯著改善土壤理化性質。德國西北部的田間試驗結果表明,有機替代化肥能減少土壤氮淋失量的50%。我國大量研究表明,有機氮部分替代無機氮施肥能在維持作物生產的基礎上,提高作物氮吸收量及氮素利用率;韓笑等發(fā)現有機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)現有機肥替代化肥能顯著提高土壤肥力,同時減少農田土壤氮流失;寧建鳳等的研究表明化肥減量配合有機肥替代化肥能顯著促進作物生長,減少土壤氮盈余量,降低氮流失風險。但是大部分研究結果均基于短期(小于3年)施肥試驗,施有機肥導致的土壤性質改變并不穩(wěn)定,且大多數研究中有機肥帶入氮并未計入施氮量,氮施用水平未保持一致,因此,有機肥替代化肥的農學與環(huán)境效應有待進一步評估。

四川盆地是紫色土集中分布區(qū),面積約16 萬km,是長江上游農業(yè)主產區(qū)。紫色土是紫色砂頁巖形成的巖性土,質地粗、水分滲透能力強,壤中流發(fā)育,氮素流失嚴重,是長江上游面源污染的重點源區(qū)。謝軍等發(fā)現,有機氮替代50%無機氮能增加玉米()的氮吸收量與表觀利用率。汪濤等發(fā)現有機-無機配合施肥在一定程度上可提高作物產量,減少紫色土氮流失。此外,徐泰平等的研究也表明有機肥替代化肥能減少紫色土坡耕地的氮素流失?？梢?這些研究也證實了紫色土有機肥替代化肥能減控氮流失,但大部分研究結果基于對地表徑流氮流失的控制,對壤中流的氮流失減控效果研究不足,且現有研究結果并未闡明其氮流失減控的機制,有機肥替代化肥的農學與環(huán)境效應也有待深入。因此,本研究擬通過紫色土長期施肥試驗平臺,利用有機肥替代化肥處理,開展不同施肥方式下紫色土坡耕地土壤無機氮動態(tài)、作物產量、氮流失途徑與總量等的定位監(jiān)測與對比分析,系統評估紫色土有機肥替代化肥的農學與環(huán)境效應,為紫色土農田氮素養(yǎng)分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于四川盆地中部的中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站(105°27′E,31°16′N)內,海拔460 m,氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候,具有冬暖、春旱、夏熱、秋雨的特點。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,無霜期294 d。試驗場地農作物以冬小麥()-夏玉米輪作為主,一年兩熟。

1.2 試驗土壤理化性質

試驗土壤為發(fā)育于侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組紫色巖的石灰性紫色土,0～20 cm 表層土壤基礎理化性質為:pH 8.2,黏粒、粉粒、砂粒含量分別為22.3%、34.6%、43.1%;有機質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 試驗小區(qū)設計

試驗小區(qū)布設在中國科學院鹽亭紫色土農業(yè)生態(tài)試驗站內的坡度為6.5°的坡耕地養(yǎng)分循環(huán)長期定位試驗樣地。小區(qū)坡長8 m,寬4 m,面積為32 m,土層深度60 cm。試驗小區(qū)依據授權專利技術(ZL2007 100640686)建造,周邊封閉,為獨立水系小區(qū),該裝置也稱作Free-drain Lysimeter。地表徑流按常規(guī)徑流小區(qū)設置集流、匯流和收集槽,匯入固定測量池;壤中流測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,本試驗壤中流集流槽構建于土層下60 cm 處,由導水管道收集小區(qū)壤中流匯入測量池。具體示意圖如圖1所示。

圖1 試驗小區(qū)設計示意圖Fig.1 Sketch map of experimented plot

1.4 施肥處理

本研究依托紫色土長期定位施肥試驗(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)為對照,試驗采用隨機完全區(qū)組設計,每個處理設置3 個重復。試驗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-無機肥混施(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,實測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,經剪碎后以覆土翻耕的形式還田。試驗中化學氮肥為碳酸氫銨(純N 17%);磷肥施用量為90 kg·hm,為過磷酸鈣(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一次性施入,不再追肥。

經過10年長期施肥試驗,施肥方式對土壤的影響均已穩(wěn)定,因此本研究基于紫色土長期肥料試驗平臺,開展完整的小麥-玉米輪作周期(2012年11月-2013年11月)的定位監(jiān)測,研究有機替代化肥的農學與環(huán)境效應。

1.5 樣品采集與分析

試驗期間,氣溫與土溫的數據來自位于長期施肥養(yǎng)分場旁的氣象觀測站;每周兩次隨機3 個點位采集各小區(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分析儀測定土壤中無機氮含量;每次降雨產流結束后,分別測量及記錄地表與壤中流徑流收集池水位。測量后,將每個小區(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。

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

1.6 數據處理與計算

各處理不同路徑下的徑流量采用下式計算:

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),為試驗期內徑流產流次數,為試驗徑流小區(qū)面積(m),100 為單位轉換系數。

基于單位產量的氮流失系數采用下式計算:

式中:為各施肥處理基于單位產量的氮流失系數(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量(t)。

采用Excel 2019 進行相關數據計算,Origin 9.1繪圖,SPSS 16.0 進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 結果與分析

2.1 環(huán)境因子變化

試驗期間(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,降雨及產流事件集中在玉米季,觀測期間共發(fā)生9 次產流事件,單次最大降雨量事件(120.1 mm)發(fā)生在7月22日,小麥季未觀測到徑流產生。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 ℃,二者變化趨勢基本相同,冬季最低,春季溫度逐漸回升至夏季達到峰值。

圖2 試驗期間常規(guī)試驗小區(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 有機肥替代化肥對紫色土氮素流失的影響

本試驗冬小麥-夏玉米輪作期間的土壤無機氮含量如圖3所示。除NF 外,其他施肥方式的表層土硝態(tài)氮、銨態(tài)氮波動趨勢基本一致。氮肥施入土壤后銨態(tài)氮在極短的時間內轉化為硝態(tài)氮,其濃度快速到達峰值。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 便出現降雨,表土中的硝態(tài)氮在降雨的作用下產生淋溶,硝態(tài)氮含量高峰期僅持續(xù)約1 周(圖3)。有機肥替代化肥處理下的土壤無機氮含量低于常規(guī)施肥(NPK),與NPK 相比,有機肥替代化肥的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)無機氮含量變化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流方式。紫色土坡地產沙量呈NF＞N＞NPK＞OMNPK＞OM＞CRNPK 的趨勢,有機肥替代化肥方式下的產沙量與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地表徑流、壤中流與泥沙流失3 個路徑上。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。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僅占氮流失總量的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%,該結果證實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、產量及基于單位產量的氮素流失系數

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%,但無顯著差異(表1)。小麥年產量為0.81～2.74 t·hm,玉米年產量為1.84～7.21 t·hm,小麥-玉米系統的年產量為2.68～9.95 t·hm,作物年產量呈OM＞OMNPK＞CRNPK＞NPK＞N＞NF 的特征。冬小麥和夏玉米季產量最高的施肥方式均為OM(2.74 t·hm和7.21 t·hm)。與NPK年總產量相比,OM、OMNPK 和CRNPK 處理的年總產量分別增加了23.0%、17.8%和4.1%,但差異不顯著。可見,長期有機肥替代化肥能維持小麥與玉米生產(表1)。

基于單位產量的氮流失系數指小麥-玉米輪作系統的作物生產一定產量下,坡耕地的氮流失總量,以綜合評估農學效益(產量)與環(huán)境效益(氮流失),因此計算了紫色土小麥-玉米輪作系統基于單位產量的氮流失系數(表1)。不同施肥方式下的氮流失系數為5.38～21.66 kg·hm·t,其中單施氮肥處理(N)的單位產量氮流失系數最高,為其他施肥方式的2.22～4.02 倍,長期單施氮肥會導致紫色土氮素大量累積,增加氮流失風險。與常規(guī)施肥(NPK)相比,有機肥替代化肥(OM、OMNPK、CRNPK)基于單位產量的氮流失系數分別降低44.8%、38.5%和24.3%,相同產量下,有機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-玉米輪作系統的作物生物量、產量、總氮流失量及氮流失系數(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)是我國氮淋失的熱點區(qū)域

紫色土地區(qū)氮素流失主要通過地表徑流、泥沙和壤中流3 個途徑。各施肥方式下通過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),以壤中流為介導的氮淋失是紫色土氮素流失的首要途徑。紫色土由于強烈的硝化作用,銨態(tài)氮迅速轉化為硝態(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“巖土二元結構體”,雨水入滲到達土壤-巖石界面,并在紫色巖-土壤界面產生水分側向流動,導致壤中流的形成與發(fā)育,紫色土特殊的水文機制與土壤強硝化作用疊加加速了紫色土硝酸鹽淋溶,導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源,紫色土氮淋失可能導致地下水硝酸鹽污染,已有監(jiān)測表明,紫色土地區(qū)的淺層地下水中硝酸鹽濃度很高,50%已超過飲用水標準。氮素淋失已造成了嚴重的面源污染,而且可能威脅當地群眾的飲水安全,表明紫色土地區(qū)是我國的氮淋失的熱點區(qū)域。

3.2 有機肥替代化肥對紫色土氮流失的減控機制

本研究OM、OMNPK 和CRNPK 施肥方式中有機肥分別替代100%、30%和15%的化肥氮,結果表明這3 種有機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,有機肥替代化肥處理土壤無機氮峰值持續(xù)時間短、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肥替代化肥降低了土壤硝化微生物活性,減弱了紫色土強烈的硝化作用,減少了土壤剖面硝酸鹽的累積,紫色土氮淋失的底物減少;同時壤中流介導的氮淋失是紫色土氮流失的首要途徑,有機肥替代化肥方式下壤中流徑流量遠低于常規(guī)施肥;可見,有機肥替代化肥的施肥方式從底物與流量兩方面減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險。本研究還發(fā)現,有機肥替代化肥可在一定程度提高作物生物量與產量(表1),這是由于有機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構,并增強作物對土壤氮素的吸收能力,提高作物氮肥利用能力。有機肥施用對土壤環(huán)境的改變需要較長時間,短期施用并不能有效改變土壤有機碳、微生物群落和土壤結構。許多短期有機肥施用的研究表明有機替代化肥能減少土壤氮流失,但產量效應不一致,說明短期施用有機肥的效應不穩(wěn)定。此外,大多數有機肥試驗中,有機氮并未計入施氮量,總氮施用水平不一致,與化肥處理比較,有機肥處理的有機氮的疊加效應導致的增產不言而喻,難以證實有機肥“減肥增效”。本研究確保各施肥方式的總氮施用水平一致,并設置了有機肥替代100%、30%和15%化肥的梯度,利用已持續(xù)10年的長期有機肥試驗開展的研究,可以系統闡明有機肥替代化肥的農學與環(huán)境效應。另外,壤中流介導的氮流失是紫色土氮流失的首要途徑,以往紫色土有機肥控制氮流失的研究結果主要表現在對地表徑流的減控上,對氮淋失的減控效應不得而知,而本研究發(fā)現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,紫色土有機肥替代化肥有效地協調了作物氮素吸收與氮流失間的矛盾,在維持作物生產的基礎上,顯著降低了總氮流失量,與NPK 相比,有機肥替代化肥處理的基于單位產量的氮流失系數分別降低44.8%、38.5%與24.3%(表1),對于氮損失減控及維持作物產量均有顯著效果,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%。以壤中流為介導的氮素淋失是紫色土氮流失的主要水文機制,紫色土地區(qū)是我國氮淋失的熱點區(qū)域。

2)有機肥替代化肥可協調作物吸收與氮素流失間的矛盾,在維持生物量及產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)有機肥替代化肥的施肥方式(OM、OMNPK、CRNPK)主要通過減少土壤硝態(tài)氮累積和壤中流氮淋失,從而降低紫色土氮流失風險,并能維持作物生產,實現了生產與環(huán)境效益的協同,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。