宁夏引黄灌区地处西北内陆，已有2000多年的灌溉历史，有着“塞上江南”的美誉，是全国主要的商品粮食基地^[1,2]。该区土壤类型主要为灌淤土，年均蒸发量1100~1600 mm，年均降水量180~200 mm，降雨量远不能满足当季作物生长的需水量，当地农业用水90%以上来自黄河灌溉^[3]。农业灌溉用水占到全部引水量的95%，通过排水沟和渗漏退回到黄河中的退水量约40亿m³，排水引水比例在54%左右^[4]，农田退水中携带的营养元素流入黄河水体，对黄河水质安全构成潜在威胁。水稻是引黄灌区种植面积最大的作物，长期过量施用氮肥导致土壤中氮素出现盈余，大量未被吸收的氮素通过径流、淋洗和氨挥发途径损失，退水中总氮浓度较高，造成土壤和浅层地下水体污染^[5,6]。宁夏引黄灌区的氮肥损失率在20%~65%之间^[7,8]，主要损失途径为淋洗损失^[9]，退水污染源解析表明，源于水稻作物的氮素负荷约为72%^[10]，由稻田氮素淋洗损失引起的环境问题已经成为引黄灌区面源污染防控的焦点^[11]。

畜禽养殖是农业的重要组成部分，粪便的不合理利用导致的面源污染对农业环境构成威胁，农田作为畜禽粪便氮污染消纳的主要场所^[12,13]，其用量的多少对畜禽粪便氮污染接纳能力起决定作用^[14,15]，宁夏单位农田氮污染负荷高达80.76 kg·hm^-2[16]。当前关于有机肥对稻田的研究主要集中在水稻产量、氮素吸收和土壤理化性状方面，关于施用有机肥对稻田氮素淋失的研究鲜有报道^[2]。腐熟的畜禽粪便内含有作物生长需要的大、中量和微量元素，同时在更新土壤有机质、促进微生物繁殖、增强土壤水肥保持能力和降低土壤养分淋洗方面有着特殊作用^[17]。因此，本研究针对引黄灌区稻田氮肥过量施用和畜禽粪便无序排放导致的面源污染问题，开展有机肥替代部分化肥配施研究，控制氮素淋失对水体造成的风险，为改善引黄灌区退水水质提供科技支撑。 1 材料与方法 1.1 试验地概况

田间小区试验位于宁夏引黄灌区精华区的灵武农场3队（106°17′57″ E，38°07′32″ N），该区属典型的大陆性干旱气候，平均海拔为1110 m，多年年均降水量192.9 mm，蒸发量1 762.9 mm，平均温度8.9 ℃，全年无霜期163 d，平均积温3 866.3 ℃。该地区主要的粮食作物为水稻、玉米和小麦，种植方式是水旱轮作，一年一熟。供试土壤类型为灌淤土，20 cm耕层土壤理化性状：容重1.51 g·cm^-3，有机质含量13.74 g·kg^-1，全氮1.13 g·kg^-1，速效氮78.64 mg·kg^-1，速效磷28.71 mg·kg^-1，速效钾158.86 mg·kg^-1，基础肥力中等偏上。 1.2 试验设计

田间小区试验于2010年至2013连续进行4年，2010年种植作物为水稻，2011年种植作物为春小麦，2012年和2013年均种植水稻，每年种植一季作物。试验共设5个处理：对照为不施用氮肥，常规施氮量300 kg·hm^-2条件下设单施化肥和配施有机肥2个处理，优化施氮量240 kg·hm^-2条件下设单施化肥和配施有机肥2个处理。优化施肥是课题组根据前期田间试验研究结果，在常规施氮量基础上降低20%，具体施肥量见表 1。2013年是试验进行的第4年，有机肥使用腐熟的羊粪，有机质含量为34.8%、全氮含量为0.71%、全磷含量为0.52%、全钾含量为0.27%。氮肥50%作为基肥在整地时施入，30%在分蘖期施入（6月1日），20%在拔节期施入（6月24日），有机肥氮肥均作底肥一次施入；全部磷肥和钾肥均作基肥在整地时一次施入，P₂O₅的用量为90 kg·hm^-2，K₂O的用量为90 kg·hm^-2。有机肥和化肥配施处理先折算有机肥带入的磷钾，剩余的用化肥补充。

表 1 试验设计 Table 1 Experimental design

表选项

2013年度田间试验于4月至10月进行，水稻品种为宁粳43号，于5月16日插秧，9月27日收获，株距为10 cm，行距为30 cm，插秧时每穴3～4株。试验小区面积为5 m×9 m=45m²，重复3次，随机区组排列，田间试验排列见图 1。试验开始前在小区之间用长寿膜隔离，地面田埂包高30 cm，隔离地下埋深100 cm，以防止小区之间的侧渗和串流，每个小区设有单独的灌水口和排水口，单灌单排，淋溶水采样装置布置在小区中间。灌溉用水引自黄河水，田间除草和管理同农户习惯做法。

图 1 田间小区排列 Figure 1 Arrangement of field plots

图选项

水稻收获时采集植株样，测定植株养分含量和考种，水稻产量整个小区实打实收。稻田田面水在每次追肥后第3、7、10 d连续采集3次，采样时用注射器不扰动土层，随机抽取小区内3处中上层田面水。稻田渗漏量用渗漏仪测定，渗漏仪的安装按照水利行业标准SL13—2004操作。淋洗水样用已经申请专利的装置采集（图 2），试验布置前分别埋入20、60、100 cm深度的淋洗水样收集管，每次施肥后第3、7、10 d连续采集3次，其余时间每隔10 d采集1次，采集的淋容水用500 mL容量的塑料瓶收集，带回实验室于-4 ℃的冰箱内保存。

图 2 淋溶水采集装置 Figure 2 Leachate sampling device

图选项

氮素渗漏量计算：

土壤容重用环刀法，植株全氮用凯氏定氮法，速效氮用扩散皿法，速效磷用钼蓝比色法，速效钾用火焰光度法^[18]，水样总氮用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定。

数据处理采用Excel和SAS（8.0）软件，方差分析用LSD检验。 2 结果与分析 2.1 施用有机肥对水稻产量和氮肥利用效率的影响

施用有机肥对水稻产量和氮肥利用率的影响见表 2，水稻产量随着施氮量增加逐渐提高，各施肥处理均显著高于对照（T₁）处理。各施氮处理水稻产量分别增加了3521、4281、3849、3747 kg·hm^-2，相应的增产率在62.5%～76.0%之间。T₄处理是课题组前期工作得出的优化施氮量，在氮肥降低20%条件下，与常规施氮量T₂处理比较产量没有显著降低，说明优化施氮措施是可行的。同等施氮水平下，用有机肥替代部分氮源，水稻产量也未显著降低。各施肥处理间比较T₃处理水稻产量最高，显著高于其余处理，其他处理间水稻产量则没有显著差异，说明优化施氮和部分配施有机肥替代化肥中的氮源^[19]，不会导致水稻籽粒产量的显著降低^[20]。

表 2 施用有机肥对水稻产量和氮肥利用效率的影响 Table 2 Effect of organic fertilizer on rice yield and N use efficiency

表选项

单施化肥处理间比较，水稻氮肥利用率随着施氮量的增加表现出降低的趋势，T₅处理的氮肥利用率最高，比常规施肥处理提高了9.7个百分点。各施肥处理间的氮肥利用率排序为T₅>T₄>T₃>T₂。在同等施氮水平条件下，配合施用有机肥替代部分化肥氮源，可以显著提高氮肥利用率，T₃和T₅处理的氮肥利用率分别比只施用化学氮肥的T₂和T₄处理提高了5.2、1.9个百分点。施用有机肥时，籽粒对氮素的吸收增加量高于秸秆吸氮的减少量，因而提高了氮肥利用效率^[21]。 2.2 施用有机肥对稻田田面水TN浓度动态变化的影响

水稻田田面水中的养分极易随着退水和降雨以径流的形式进入地表水体，造成水体富营养化，因此监测田面水中的TN动态变化对面源污染防控具有重要意义^[22]。尿素极易溶解于水中，田面水TN浓度在每次施肥后的第3 d迅速达到极值，之后随着作物的吸收和转化逐渐降低，在第10 d左右降低到较低的水平（图 3）。由于基施氮肥比例较高，T₂和T₄处理田面水中的TN浓度在插秧后第3 d出现峰值，分别达到36.70、26.71 mg·L^-1。优化施肥可以显著降低田面水中的TN浓度，T₄处理氮肥用量比T₂处理减低了20%，水稻生育期内田面水中的TN浓度始终低于T₂处理，减少氮肥用量可以显著降低田面水中的氮素以径流形式损失。在常规施氮水平和优化施氮水平条件下，配施一定量的有机肥替代化肥中的氮源均可以显著降低田面水TN浓度，插秧后第一次对田面水的监测结果表明，T₃和T₅处理田面水TN峰值分别为16.74、17.31 mg·L^-1，远低于等量施用化学氮肥的T₂和T₄处理。对于常规施肥处理，施肥后前7 d内最容易导致氮素流失，控制好这段时间内的氮素径流损失是面源污染防控的关键，配施有机肥则可以显著降低氮素径流损失的风险。

图 3 施用有机肥对田面水中总氮含量的影响 Figure 3 Effect of organic fertilizer on total nitrogen concentrations in surface water of paddy field

图选项

施用有机肥对土体中氮素淋失的影响见图 4。增施氮肥显著增加了TN在不同深度的淋洗损失量，各处理均表现出TN淋失量随着土层深度增加逐渐降低的趋势。各处理TN淋失量主要发生在20 cm深度的土层，因为氮素在这层土体内转化比较强烈，各种形态氮素极易随着水分向下迁移，同等施氮水平下，配合施用有机肥可以显著降低TN淋洗损失，T₃处理TN淋失量比T₂处理减低了9.99%，T₅处理比T₄处理减低了6.02%。施用有机肥可以使较多的氮素保留在20 cm土层中^[23]，减少氮素向下的淋洗损失。

图 4 施用有机肥对不同深度土体中总氮淋失量的影响 Figure 4 Effect of organic fertilizer on total nitrogen leaching losses in different soil depths

图选项

灌淤土犁底层一般在50～60 cm，淋洗至土壤60 cm深度的氮素作物根系很难吸收，具有淋失的风险。各施肥处理60 cm土层处TN淋失量分别为72.64、66.45、54.56、51.76 kg·hm^-2，对TN淋失量占到施氮量的比例进行计算，结果见表 3。T₂、T₃、T₄、T₅处理潜在淋失风险占到施氮量的21.6%～24.2%。 TN淋洗达100 cm土壤深度的量分别为43.51、35.76、36.89、33.47 kg·hm^-2，相应所占施氮量比例为11.9%～15.4%。100 cm土壤深度T₂处理淋洗损失量最高，淋洗损失量最低的则为T₅处理，氮素淋失量减少了23.1%，说明在优化施氮的条件下配施有机肥替代部分化学氮源，可以显著降低氮素淋洗出100 cm深度土体，而且水稻籽粒产量没有显著下降，是一种合理的氮肥运筹模式。

表 3 不同深度土体中总氮淋失量占施氮量的比例（%） Table 3 Proportion of nitrogen leaching losses to nitrogen application rates in different soil depths（%）

表选项

进一步对100 cm土层深度水稻不同生育期间的氮素淋失量进行分析，结果见表 4。由于没有氮肥投入，对照（T₁）处理淋失的总氮来自于土体中上季作物的残留，淋失主要发生在分蘖期和孕穗期。受到插秧和补秧等田间操作的影响，水稻生长前期极易发生氮素的淋失，T₂处理和T₄处理TN淋失主要发生在分蘖期，此生育期TN淋失量占全生育期总淋失量的比例分别为38.0%和36.5%，T₃处理和T₅处理由于配施了有机肥，土体对盈余氮素的吸附能力较强，TN淋失高峰有所延迟，分蘖期TN淋失量占全生育期总淋失量的比例仅分别为23.3%和23.1%。T₃和T₅处理TN淋失量峰值均推迟到孕穗期，此阶段TN淋失量占全生育期总淋失量的比例分别为33.6%和35.0%。

表 4 施用有机肥对水稻不同生育期100 cm土层处总氮 淋失量的影响（kg·hm^-2） Table 4 Cumulative TN leching losses at different growth stages at 100 cm soil depth（kg·hm^-2）

表选项

以0～100 cm土层为研究界面，根据水稻整个生长期间的氮素输入和输出结果计算了氮素平衡特征，结果如表 5所示。除施肥投入的氮素以外，当季水稻的氮素输入途径主要包括灌水带入和上季土体中的残留，在水稻生长期内由于长期淹水，氮素的矿化很难进行，矿化量较低（仅3.6 kg·hm^-2）。氮素的输出途径主要为作物收获后植株移走的和在土体中的残留，对照（T₁）处理的氮素表观损失量最低（仅4.4 kg·hm^-2），各施肥处理间比较氮素表观损失量也存在显著差异，同等施氮水平下，配施有机肥均可以减少氮素的表观损失，T₃和T₅处理的氮素表观损失量分别降低了23.9、16.5 kg·hm^-2，相应的降低幅度分别为12.1%和12.5%。

表 5 施用有机肥对水稻生育期0～100 cm土层氮素表观平衡的影响（kg·hm^-2） Table 5 Apparent N balance in 0～100 cm soil layer during rice season（kg·hm^-2）

表选项

宁夏引黄灌区农业生产中化学肥料尤其是氮肥施用量为全国平均水平的3倍多^[10]，水稻种植中氮肥的施用量更高^[24]，稻田退水导致的面源污染对黄河水质造成了严重威胁。施有机肥对氮肥迁移转化过程的影响较为复杂，结果也不尽相同^[25,26]。引黄灌区土壤类型为灌淤土，土壤保肥能力较差，施用有机肥后可以提高土壤的C/N ，有利于提高土壤微生物活性，降低氮素在土体中的释放转化速率，从而提高土壤的保肥性，减少氮素向下层土体的淋洗。Maeda等^[27]通过长期定位试验研究认为，施用有机肥可以显著降低60 cm深度的硝态氮淋洗并且可以提高作物产量，施用有机肥可以提高土壤有机质含量和作物产量，从而提高化肥养分利用率并降低养分损失，但过量施用有机肥也可能导致养分淋洗损失。谢育平等^[28]的研究结果表明，长期大量施用有机肥会提高稻田土壤氮素水平，容易造成硝态氮在土体中的累积，引发氮素向深层土体淋洗损失。高懋芳等^[29]的研究结果表明，长期施用有机肥增加了土体中氮素的淋失风险，且淋失浓度随着施肥量增加逐渐提高，从而对流域的水环境安全构成潜在威胁^[30]。降低氮肥投入也可以减少氮素的淋洗损失^[31,32]，刘汝亮等^[1]在宁夏引黄灌区稻田的研究结果表明，优化施肥处理在氮素降低20%的条件下，氮肥利用率提高了8.8%，总氮淋失量降低了33.1%。欧盟国家的氮肥推荐量在110～140 kg·hm^-2之间，可以显著降低农田的硝态氮淋洗损失^[33]。

本试验结果表明，常规施氮和优化施氮水平配施有机肥均没有降低水稻籽粒产量，后者调节了水稻生育后期土壤和化肥养分的释放速率，提高了氮肥利用率。配施有机肥均可以显著降低田面水中TN的浓度并延迟峰值出现的时间，减少了水稻生育前期排水导致的氮素径流损失风险，在同等施氮水平下比较，配施有机肥显著降低了TN淋洗损失量，与张爱平等^[2]和王永生等^[21]的研究结果一致。施用有机肥降低深层土壤中氮素淋失的原因是盈余的氮素被吸附和固持在了上层土体中，减少了向深层土体的淋洗。过量施用氮肥并没有增加水稻收获时氮素的携出量，却增加了土体中氮素的残留，造成氮素淋洗损失，氮素表观损失量增加。由于有机肥质量受到肥源和堆肥处理过程中多种因素的影响^[34]，有机肥对作物、土壤质量和养分转化的影响过程比较复杂，本研究只考虑了堆肥条件下有机肥中的氮、磷、钾养分，没有综合考虑其他因素可能对水稻产量和氮素循环的影响。因此，本研究结果仅反映了配施有机肥在宁夏引黄灌区的效果，在今后的研究中，应综合考虑有机肥施用量、有机氮矿化和土壤中氮素转化等因素，进一步探明有机肥和化肥配合使用对引黄灌区稻田氮素淋失机制的影响，探讨土壤有机质含量和微生物特性与氮素淋失之间的响应，为有机肥合理施用和灌区面源污染控制提供科学依据。 4 结论

长期优化施氮和配施有机肥不会降低水稻籽粒产量，与单施化肥比较，配施有机肥有利于提高籽粒对氮素的吸收量，使籽粒吸氮量高于秸秆对氮素吸收的减少量，提高氮肥利用率。同等施氮水平下，配施有机肥可以降低田面水中和各层次淋溶水中TN浓度，减少氮素通过径流和淋洗途径损失，但配施有机肥对氮素在稻田中的转化过程和土壤质量方面的研究还需要深入。氮平衡特征计算结果表明，配施有机肥显著降低土体中无机氮残留，降低氮素表观损失量。在引黄灌区水稻生产中配施一定比例有机肥是协调作物产量和环境效益的合理选择，以优化施用化学氮肥195 kg·hm^-2并配施有机氮肥45 kg·hm^-2效果最佳。