尿素與不同添加劑對土壤氮素淋溶的影響

唐 珧 ，李麗君 ，張曉明 ，劉 平 ，白光潔 ，鄒慧芳 ，梁亞宇

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031；3.山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，山西太原030031）

農業面源污染作為導致水體環境質量惡化的重要原因，目前已經引起世界各國的廣泛關注。我國是農業大國，第一次污染源普查公報表明，總氮、總磷的排放主要來源于農業源污染物，排放量分別為270.46萬，28.47萬t，分別占排放總量的57.2%和67.4%[1]。其中，農業中的氮磷排放很大一部分來源于設施菜地。由于設施菜地施肥量大，未被利用的氮磷養分大量累積于表層土壤，因此灌溉時氮磷養分很容易發生淋溶損失。研究表明，施入土壤中的肥料氮素有30%～50%發生淋溶損失而進入地下水。這不僅造成了肥料的浪費，還使得地下水中硝態氮含量嚴重超標[2]。因此，如何減少設施菜地養分淋溶顯得尤為重要。有研究表明，施用有機肥代替尿素[3-4]以及施肥時添加硝化抑制劑[5-6]、生物炭[7-9]等較單施尿素可有效減少氮素淋失。由此可見，這些均為效果較好的淋溶阻控措施，但是關于哪種措施在設施菜地中使用效果最好，目前尚未見報道。

本試驗采用室內土柱淋溶試驗研究添加尿素、有機肥、硝化抑制劑（DCD）和生物炭對氮淋溶的效果，以期尋找相對合適的措施，為減少設施菜地淋溶污染導致的地下水污染問題提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗時間、地點

試驗于2017年3月28日至6月26日在山西省農業科學院資源與環境研究所實驗室進行，室內溫度基本保持在20～28℃。

1.2 試驗材料

供試土壤取自山西省太原市小店區孫家寨現代農業工程技術中心，采集0～20，20～40，40～60 cm土層土壤，經自然風干后過2 mm篩，備用。不同土層土壤基本理化性質列于表1。

土柱材料為PVC管，長75 cm，內徑為11 cm，共裝土60 cm，下端接底蓋，底蓋鉆孔，淋溶液經漏斗到收集瓶中。PVC管內底部采用2層0.074 mm的尼龍濾布，上鋪3 cm厚的石英砂。石英砂上按容重1.21 g/cm3先分層均勻裝土40 cm，每層裝土2.3 kg，然后將表層20 cm的土與肥料和抑制劑/生物炭充分混勻，加入土柱，注意每層要壓實土壤。特別注意邊緣土壤壓實，以減少管壁效應。

生物炭由山西省工霄商社生產，為玉米秸稈在700℃微氧條件下碳化而成，使用前研磨過2 mm篩。生物炭性質：pH值為10.22，EC為10.97 mS/cm，C含量369.87 g/kg，N含量6.56 g/kg。有機肥為干牛糞，N含量為1.80%，P含量為0.668%，K含量為1.57%。雙氰胺（DCD）由天津市光復精細化工研究所提供。

1.3 試驗方法

試驗采取室內土柱淋溶模擬方法，設置5個處理，3次重復。各處理分別為：空白，不添加任何肥料（CK）；添加普通尿素（U）；添加有機肥（O）；添加尿素＋10%DCD（UD）；添加尿素＋4%生物炭（UB）。試驗各處理氮素用量相同，為630 kg/hm2，依據設施菜地蔬菜目標產量需肥量[10]以及相關文獻[11]確定，即每個土柱添加1.3 g尿素（CO（NH2）2）和33.33 g有機肥。其中，DCD的用量通過參考文獻[12-14]推薦量確定，10%DCD指純氮量的10%，即每土柱0.06 g。生物炭的用量通過已有研究結果[15]確定，4%生物炭指土壤總量的4%，即每土柱92 g，淋溶開始加一定體積的去離子水，使土壤水分達到飽和狀態。根據孫家寨試驗基地設施菜地實際用水量（444.44 m3/（hm2·次））分7次進行淋溶，每次灌水量為400 mL，間隔7 d。每次灌水后等淋溶液完全滲漏下去為一個完整的水樣，待7次淋溶完后分層取土樣。樣品取出后要及時冷凍保存，供之后測定。

表1 供試土壤不同土層土壤基本理化性質

1.4 測定項目及方法

pH采用pH計測定[16]；EC采用電導率儀測定（水/土為5∶1）；土壤硝態氮、銨態氮采用0.01mol/L CaCl2浸提，間斷化學分析儀測定[17]。

1.5 數據統計分析

采用Visio 2007作圖；采用Microsoft Excel對數據進行整理和統計分析；采用SPSS 20.0進行單因子方差分析和相關分析，基于Duncan法對不同處理進行多重比較,顯著性水平設定為α＝0.05。圖表中數據為3個重復的平均數±標準偏差。

2 結果與分析

2.1 不同處理對淋溶液體積、pH和EC的影響

由圖1可知，土柱中淋溶液體積由小到大依次為UB＜O＜U＜UD＜CK，CK處理的7次累積淋溶液體積為2 316 mL。相同施氮水平下，U處理累積淋溶液體積為2 290 mL，與U處理相比，UB，O處理分別降低8.0%，7.26%，且差異達顯著水平（P＜0.05），UD處理與U處理間無顯著差異（P＞0.05）。由此可見，添加生物炭或有機肥可顯著降低淋溶液的體積。

從圖2可以看出，土柱淋溶液的pH值隨淋溶次數的增加呈先升高后降低的趨勢，與CK相比，各處理沒有顯著的升高或降低趨勢，相同施氮水平下，UB處理較U處理相比略微降低。不同處理淋溶液的電導率基本呈先下降后穩定的變化趨勢，CK處理的EC值范圍為568～3 133 μS/cm，U處理EC值范圍為428～5 590 μS/cm，O處理的 EC值范圍為451～4 190 μS/cm，UD處理的EC值范圍為661～5 936 μS/cm，UB處理EC值范圍為682～27 133 μS/cm。第1次淋溶完成后，各處理淋溶液的EC值達到峰值，不同處理表現為：UB＞UD＞U＞O＞CK，CK處理最低，相同施氮水平下，UB處理的EC值較U處理相比顯著提高（P＜0.05），且UB處理的EC值是U處理的4.87倍。之后EC值不斷下降，但第6，7次淋溶液EC值又有小幅度提高。

2.2 不同處理對淋溶液硝態氮及銨態氮濃度的影響

由圖3可知，淋溶液中硝態氮濃度隨淋溶次數的增加整體呈下降趨勢，淋溶初期硝態氮濃度較大，第4次以后逐漸趨于平穩。其中，CK處理質量濃度為0.85～32.13 mg/L時，一直保持在較低水平，低于各處理。第1次淋溶完成后，不同處理濃度大小為：O＞U＞UD＞CK＞UB，第2次淋溶完成后，不同處理濃度大小為：U＞O＞UD＞UB＞CK，第3次淋溶完成后，不同處理濃度大小為：UB＞U＞O＞UD＞CK。可以看出，不同處理對氮淋溶的影響隨淋溶次數變化不同，U處理的淋溶液濃度不斷下降，與其他處理相比，處于較高水平；O處理最初淋溶液濃度最高，之后濃度不斷降低；UD處理的淋溶液濃度不斷降低，小于U處理；UB處理的淋溶液濃度低于CK處理，呈先增加后降低的趨勢。說明淋溶前期，UB處理對降低淋溶液硝態氮濃度的作用最大；而O處理不僅不能降低硝態氮的濃度，反而增加了其濃度，到了淋溶后期，UB處理效果減弱，施用有機肥效果增加。

淋溶液中銨態氮濃度變化與硝態氮不同，隨淋溶次數增加呈波浪式變化，這可能是因為土壤膠體對銨態氮吸附能力較強，當其吸附一定量銨態氮以后，隨著土壤銨態氮濃度持續增加，膠體已經達到近似飽和狀態，多余的銨態氮隨水向下淋失，使得淋溶液中銨態氮濃度呈現出先升高后降低，降低后再次升高的變化趨勢[11]。但整體上看，土壤中銨態氮濃度低于硝態氮，故淋溶液中銨態氮濃度保持較低水平。CK，U，O，UD，UB處理的銨態氮質量濃度范圍分別為 0.058～0.215，0.053～1.843，0.073～0.725，0.117～1.456，0.077～2.595 mg/L。CK 和 O 處理保持在較低水平，CK，U，UD銨態氮質量濃度相對較高，峰值出現在第2次淋溶完成后。

2.3 不同處理對淋溶液硝態氮及銨態氮累積量的影響

由圖4可知，淋溶液中的硝態氮淋溶量隨淋溶次數增加先增加后趨于穩定，淋溶量累積主要集中在前3次，不同處理淋溶累積量不同，第1次淋溶完成后，硝態氮累積量為：U＞O＞UD＞CK＞UB，之后均為U＞O＞UD＞UB＞CK，淋溶完成之后，CK處理的硝態氮累積量為25.16 mg，各處理硝態氮累積量均大于CK，說明施肥是造成硝態氮淋溶的直接原因。而在相同的施氮水平下，U處理的硝態氮淋失量為191.12 mg，與U處理相比，其他處理硝態氮淋溶累積量有不同程度減少，O，UD，UB處理較U處理分別減少18.78%，25.65%，81.54%，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。

淋溶液銨態氮累積量主要集中在前5次，淋溶完成后，不同處理淋溶累積量不同，表現為UB＞UD＞U＞O＞CK。CK的銨態氮累積量達0.313 mg，U處理的銨態氮累積量為1.38 mg，與U處理相比，O處理下降了68.87%，且差異顯著（P＜0.05）；UD和UB處理分別上升了23.86%，42.88%，且差異均顯著（P＜0.05）。說明施用有機肥可以減少銨態氮的累積，而添加硝化抑制劑和生物炭則可增加銨態氮的累積。

2.4 不同處理對土壤性質和氮素的影響

表2 不同土層土壤pH值、EC及銨態氮、硝態氮含量

由表2可知，淋溶后不同土層pH值、EC及銨態氮、硝態氮含量存在差異。對于土壤pH值，0～20cm土層表現為：CK＞UB＞O＞U＞UD，其中，O和UB處理較U處理顯著上升（P＜0.05）；20～40 cm土層各處理與U處理相比無顯著差異；40～60 cm土層O，UD處理與U處理相比顯著上升（P＜0.05），UB處理顯著下降。對于土壤EC，與U處理相比，UB處理各土層均有顯著升高（P＜0.05），0～20，20～40，40～60cm 土層分別上升9.46%，19.23%，11.00%。對于土壤硝態氮，0～20 cm土層，O，UD和UB處理較U處理相比分別降低73.23%，56.15%，24.60%，且差異顯著（P＜0.05），但都高于CK處理。20～40 cm土層，O處理較 U處理相比降低31.75%，且差異顯著（P＜0.05），UD和UB處理較U處理相比分別增加3.25%和537%，且UB處理與U處理間差異顯著（P＜0.05）。40～60 cm土層，UD處理較U處理相比降低41.12%，且差異顯著（P＜0.05）；UB處理較U處理增加63.24%，且差異達顯著水平（P＜0.05）。對于土壤銨態氮，各處理不同土層中無明顯規律。

3 討論

3.1 不同處理對淋溶液體積、pH和EC的影響

本研究結果表明，施用有機肥或添加生物炭可以顯著減少淋溶液的體積，這主要與這二者的性質有關。本試驗所用有機肥為干牛糞，因其與尿素相比氮素含量低，故施用量大，而干牛糞進入后可以吸收一定的水分；另外，牛糞可以增加土壤有機質含量，特別是活性有機碳含量，它的增加可促進微生物的代謝活動，消耗水分，因此，可以減少水分下滲[18]。而生物炭一方面由于其孔隙結構較大，具有一定的吸水性[19]；另一方面生物質炭施入土壤后可提高土壤表面積和孔隙度，抑制土壤溶液的遷移，提高土壤的持水能力[7]，從而降低土壤的入滲能力，進而減少淋溶液體積[20]。一些研究認為[21]，生物炭可以加強生物活性尤其是細菌和真菌數量，其與菌絲形成的根系系統有直接聯系，因此，加入生物炭將會通過促進土壤團聚體的形成而增加土壤穩定性，減少淋溶，這與王冰等[22]的研究結果一致。對于淋溶液pH，本試驗結果顯示，各處理對其影響并不顯著，說明各處理并不會改變土壤淋溶液的pH。但值得注意的是，添加生物炭處理淋溶液的pH并沒有因此升高，反而略微降低，這與之前的研究結果[22]存在差異，原因可能與所用生物炭種類有關，也可能是微生物活動分泌了一些酸性物質，具體原因尚待進一步研究。對于淋溶液的EC，可以看到生物炭處理明顯提高，這與CHINTALA等[23]，LIANG等[24]的研究結果基本一致，可能是因為Ca2+，Mg2+，K+等離子在淋洗過程中隨水下滲[22]；除此之外，生物炭除含有較高的鹽基離子外，其表面附帶的負電荷，對于砂壤土的電導率也具有一定的影響[24]。

3.2 不同處理對淋溶液硝態氮及銨態氮的影響

淋溶量由淋溶液體積和淋溶液濃度共同決定。與尿素處理相比，各處理均能顯著減小淋溶液硝態氮的濃度及累積量，阻控作用表現為：生物炭＞DCD＞有機肥。對銨態氮的阻控作用表現為：有機肥＞尿素＞DCD＞生物炭。相比各處理，添加生物炭的處理在初始階段阻止硝態氮淋溶的作用非常明顯，這與其性質有關，在淋溶初始階段，添加生物炭對氮素的吸持作用比較明顯，延長了氮素的滯留時間，一方面生物炭的比表面積大、孔隙性多，提高了土壤持水性；另一方面是生物炭在保水的同時，保持了土壤中的有效養分，提高了土壤中的C/N；但在持續水量長時間的作用下，生物炭的保水保肥性能減弱，這與王凡等[25]的研究結果一致。而關于生物炭對銨態氮淋溶的影響前人研究結果存在爭議，一些研究認為，生物炭可以吸附硝態氮和銨態氮，從而減少淋失[26]；另一些研究表明，生物炭添加量大于4%時，銨態氮濃度高[27]，本試驗結果與后者相同，這可能與生物炭中含有更多的陽離子、不能有效吸附土壤中的NH4+有關。施用有機肥可以有效降低淋溶液中硝態氮及銨態氮濃度，原因是一方面有機肥的施用激發土壤微生物量的增加，土壤微生物吸收會固定部分氮素；另一方面有機肥對土壤中氮素的硝化有抑制作用[28]。添加DCD處理可以顯著降低硝態氮累積量，提高銨態氮累積量，這與劉瑜等[29]、楊劍波等[14]的研究結果一致，原因可能與其可延緩土壤銨態氮向硝態氮轉化、提高氮肥的利用效率，從而減少土壤中氮素的淋失有關[14，29]。

3.3 不同處理對土壤硝態氮及銨態氮的影響

不同土層淋溶后，EC、硝態氮、pH、銨態氮含量發生了不同的變化，其中，0～20，20～40 cm土層，各處理與CK相比pH下降，EC上升。說明施肥可以造成土壤酸度上升，各處理中施用有機肥上升幅度最小，這與婁庭等[30]的研究結果相似。生物炭處理電導率升高最顯著。從不同土層的硝態氮含量來看，生物炭處理的土層高，說明生物炭可以有效地將土壤中的氮素截留，減少淋溶損失。綜合幾種處理比較，生物炭處理效果最佳。

4 結論

添加有機肥、DCD及生物炭與尿素相比，有機肥和生物炭能顯著降低淋溶液體積，降低幅度分別達8.0%，7.26%。各處理對其淋溶液pH值均不會產生顯著影響，但施用生物炭會顯著提高淋溶液的電導率，是尿素處理的4.87倍；添加DCD及生物炭與尿素相比，可以明顯降低淋溶液中的硝態氮累積量，降低幅度表現為生物炭＞DCD＞有機肥；有機肥處理較尿素可顯著降低淋溶液中的銨態氮含量，而DCD及生物炭則增加了銨態氮的累積量；各土層中生物炭處理的氮素含量最高，0～20，20～40，40～60 cm土層分別是尿素處理的2.85倍、6.37倍和1.63倍。從減少氮素淋失的角度考慮，添加生物炭效果最佳。本研究結論僅是在室內模擬淋溶試驗條件下得到的，至于這種作用在大田中的效果及作用如何，尚需進行更多的研究才能判定。