秸稈還田與施肥方式下淮河流域安徽段灰潮土氮素淋失特征

王慧， 高良敏*， 陳曉晴， 龐振東， 楊潔， 張金昕， 童榮榮， 王碩， 石闖， 陳旭東

(1.安徽理工大學地球與環境學院， 淮南 232001； 2.淮南市環境保護監測站， 淮南 232001； 3.常州市建筑科學研究院股份有限公司， 常州 213001)

淋溶損失是土壤中養分流失的主要方式之一[1]，土壤發生氮淋溶的影響因素包括降雨強度[2-3]、秸稈還田方式[4-6]、施肥方式[7-8]、灌溉方式[9]、耕作方式[10]等。化肥是作物生長所需營養的重要來源[11]，過度施肥產生的過量氮磷于降雨或灌溉條件下，將由徑流、土壤侵蝕及淋溶等途徑到達環境中，導致農業非點源污染[12-13]，對土壤質量產生了負面影響[14]。秸稈還田則是優化水土環境、增長農作物生長率的常用途徑[15-16]。很多研究學者已經開展了相關氮素淋溶特征方面的研究。有研究顯示，與單施尿素相比，將尿素替換為有機肥且在施肥時加入生物炭等能抑制氮素淋失[17]。Angela 等[18]研究顯示農田土壤氮素淋失量年均達到156 kg/hm2；Yang等[19]研究表明，通過在適當的深度掩埋適量的秸稈，可以降低稻麥輪作中氮素的流失等。而前人對于氮素淋溶流失的研究多集中于單獨的化肥施用方式或秸稈還田方式，而關于化肥施用與秸稈還田相結合的研究較少，對于農田灰潮土的氮素淋失特征更是鮮有報道。

淮河流域為中國三大商品糧種植基地及糧食增產計劃的核心地帶之一，糧食增產的需求及壓力會導致流域農業非點源污染加重[20]，因此，研究如何合理施肥及有效利用秸稈資源以減少農田土壤氮素淋失所導致的農業非點源污染具有重要意義。

以室內試驗槽為平臺，以淮河流域安徽段農田灰潮土為試驗用土，通過模擬土壤在降雨下的淋溶過程，綜合研究在不同施肥方式及不同秸稈還田方式下農田灰潮土的氮素淋失特征，以期為合理施用化肥及有效實行秸稈還田提供理論基礎，同時也為減少農田灰潮土氮素淋失量及控制農業非點源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗土壤于2020年11月采自安徽省阜陽市阜南縣曹集鎮實際農田(32°31′06″N，115°44′32″E)。分別取0～10、10～20、20～30 cm土層。區域地處華北平原南端，淮河上中游結合部北岸，為暖溫帶半濕潤季風氣候，陽光充裕。平均氣溫15 ℃，年均降雨量為885 mm，夏季降雨量最多，占年降雨量的46%以上。

供試土壤類型為灰潮土，其成土母質為近代淮泛沖積物，是上游伏牛山等山脈的花崗巖等巖類在風化、沖刷等作用下不斷沉積于淮河及其支流兩側的湖洼地區而形成。由于沉積物的歷史短暫，沉積與耕種利用交替進行，各種養分消耗快而不易積累。土壤呈中性，平均孔隙度47.93%，平均有機質為17.45 g/kg，平均容重為1.38 g/cm3，初始田間含水率為(8.00±1.50)%，總氮平均含量為0.84 g/kg，顆粒組成以砂粒(0.05～1.00 mm)和粗粉粒(0.01～0.05 mm)為主。

1.2 試驗設計及分析測試

室內淋溶實驗采用試驗槽模擬自然條件下不同設置條件氮素淋溶流失情況。試驗槽為上方開口的箱體，長、寬、高分別為80、40、34 cm，具體裝置如圖1所示。箱體底部均勻分布12個直徑為2 cm的孔，孔上接PVC管，PVC管放入桶中，用于盛接淋濾水樣，箱體底部平鋪尼龍布，防止土壤淋失。

圖1 淋溶裝置圖Fig.1 Leaching device diagram

將所采土樣按相應土層順序(0～10、10～20、20～30 cm)依次填充至槽內的上層、中層和底層，土壤厚度共為30 cm，參照采樣地區農田平均坡度，將箱體一端墊起，使試驗槽傾斜5°放置。試驗共設6種處理：①無秸稈+不施肥(CK);②無秸稈+常規施肥(SF)；③秸稈破碎填埋10 cm+常規施肥(JGF)；④秸稈原狀覆蓋+不施肥(JG0)；⑤秸稈破碎填埋10 cm+不施肥(JG10)；⑥秸稈破碎填埋20 cm+不施肥(JG20)。每個處理重復三次。其中，常規施肥方式為復合肥(N15、P15、K15)+尿素(N46.4)，施肥量為復合肥750 kg/hm2，尿素150～225 kg/hm2，將肥料撒于土壤表面，與當地施肥方式保持一致；秸稈為水稻秸稈，破碎方式為用剪刀將秸稈剪為長1 cm左右的小段，填埋密度為0.74 kg/m2。淋溶總量模擬當地一年降雨量(885 mm)，經計算所需水量約為288 L，淋溶試驗設為80 d，隔十天一次，共進行9次淋濾，一次淋濾水量為32 L。淋溶試驗開始前，向試驗槽中加入超純水至土壤達到飽和后將試驗槽在自然條件下放置30 d，讓土壤自然下沉，使其恢復自然特性，包括達到自然條件下的土壤容重(經測量，土壤容重為1.36 g/cm3，與野外實際土壤容重基本一致)。

1.3 分析測試及數據處理

土壤中各形態氮累計淋失量計算公式為

(1)

式(1)中：Qi表示第i個處理的某形態氮累積淋失量，kg/hm2；ci,j表示第i個處理第j次實驗下某形態氮濃度，mg/L；Vi,j表示第i個處理第j次實驗下淋溶液體積，L；S表示試驗槽橫截面積，m2。

試驗數據使用Excel 2019軟件處理與分析，使用SPSS 25和Origin 2021軟件進行統計分析與繪圖，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行不同處理間的差異性檢驗，多重比較采用最小顯著差異法(leas-significant difference,LSD)，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 氮素濃度淋失特征

圖2 不同處理下氮素濃度變化曲線Fig.2 Variation curves of nitrogen concentration under different treatments

2.2 氮素累積淋失特征

不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)圖3 不同處理下不同時期氮素累積淋失量Fig.3 Cumulative leaching loss of nitrogen at different periods under different treatments

2.3 氮素淋溶形態特征

表1 不同處理下各氮素總淋失量占TN比例Table 1 Proportion of total leaching loss of nitrogen in TN under different treatments

圖4 各氮素淋失過程擬合曲線Fig.4 Fitting curve of nitrogen leaching process

3 結論

(2)不同時期下各氮素的累積淋失量均呈顯著性差異(P< 0.05)，不同處理下各形態氮素累積淋失量均在前期最大。秸稈配施化肥與單施化肥相比，在中后期能夠有效抑制氮素的淋失；不同秸稈還田深度對氮素前期淋失影響較大。