2020, Vol. 39
2. 新疆农业大学草业与环境科学学院, 乌鲁木齐 830000
2. College of Grass and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830000, China
随着“种养结合”养分循环利用技术的发展，养殖粪便和肥液在种植业得以广泛应用。养殖肥液是畜禽粪污在厌氧微生物的作用下厌氧发酵产生沼气后的液态副产品[1]，成分复杂，除了含有大量速效氮磷养分，还含有部分有机氮磷，以及微生物和植物所需的微量元素和生长素[2]。研究表明施用养殖肥液可以提高作物产量[3]、改良土壤性质、提高土壤肥力[4]。但长期惯性地片面追求高产和“大水大肥”的管理模式造成了氮磷养分大量淋失，特别是设施蔬菜集中生产区域，地下水污染风险加剧[5-6]。研究表明，在灌溉作用下有30%~50%的氮素通过淋溶的形式损失[7]。灌溉方式及强度、施肥类型用量及方式、种植模式等会直接影响氮素淋失[8]，硝化抑制剂[9-10]、脲酶抑制剂[11-12]和生物炭[13]也能阻控氮素淋失。硝化抑制剂可以通过抑制氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌等微生物活性来减缓NH4+-N向NO3--N的转化[14]；脲酶抑制剂主要是对土壤脲酶活性产生抑制作用，减缓氮素的转化；生物炭由于自身比表面积大、吸附性能好、稳定性高等特点，可以吸附NH4+-N[15]、硝酸盐[16]等。硝化抑制剂、脲酶抑制剂和生物炭是在化肥施用条件下表现出了较好的抑制效果。
与传统单一养分形态的化肥相比，养殖肥液中氮素形态包括铵态氮、硝态氮和有机氮，各种形态氮素含量组成可能随工程运行而发生变化，因此比化肥养分形态、组成及含量复杂。氮素淋失也是养殖肥水农田利用过程直接面对的问题。课题组前期尝试了配施硝化抑制剂[17]、硝化-脲酶抑制剂[18]、硝化-脲酶抑制剂-生物炭等[18]技术措施，发现在养殖肥液滴灌和漫灌方式下对阻控氮素淋失效果显著，铵态氮、硝态氮、总氮淋失量分别比单施养殖肥液降低24.9%~ 27.2%、27.6%~35.7%、21.1%~45.9%，以上结论均在相同养殖肥水灌溉浓度和灌溉定额条件下获得的。为了探求优化的淋溶阻控技术在相同氮素输入形态和数量条件下对不同灌溉强度的适应性，以确定该技术模式的应用前景，本试验通过室内土柱模拟试验研究不同灌溉强度的养殖肥液对配施硝化-脲酶抑制剂-生物炭的土壤氮素淋失特征和阻控效果，为养殖肥液的科学合理还田提供技术措施。
1 材料与方法 1.1 试验材料土壤：取自天津市宁河区设施蔬菜大棚0~20 cm表层土壤，土壤理化性质见表 1。新鲜土样经自然风干后，拣出作物残根及石块，过2 mm筛后混匀，备用。
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表 1 土壤理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the soil |
养殖肥液：取自天津市益利来养殖有限公司常年运转的塞流式厌氧反应器，原料为猪场粪污，养殖肥液pH值7.91，NH4+-N浓度395.1 mg·L-1，NO3--N浓度0.1 mg·L-1，TN浓度499.4 mg·L-1。
硝化抑制剂：2-氯-6-（三氯甲基）吡啶简称为Nitrapyrin，生产厂家为浙江奥复托有限公司，24%乳油剂型，纯度98%。
脲酶抑制剂：N-丁基硫代磷酰三胺简称NBPT，生产厂家为上海源叶生物科技有限公司，分析纯，97%。
生物炭：以秸秆作为原料在800 ℃高温下烧制4 h制备而成，生产厂家为科力泽华（北京）科技有限公司。
1.2 试验方法 1.2.1 试验设计所有处理均按照1.28 g·cm-3的自然土壤容重填装至长25 cm、内径10 cm的PVC管装置中，填装时在管内壁均匀涂抹一层凡士林减小边缘效应。将风干过筛的土样分两层依次填装压实[19-20]，约20 cm高，管内上部空间用于灌溉。其中添加抑制剂的处理将Nitrapyrin、NBPT分别按照设计添加量溶水后与土壤均匀喷施混合后一并填装，添加生物炭的处理先将生物炭研磨过2 mm筛后与0~10 cm土壤混合均匀后填装到装置中。试验共6个处理，每个处理3个重复，每个处理抑制剂类型用量、肥液灌溉量及灌水定额见表 2。除CK处理外，其他处理养殖肥液灌溉带入的铵态氮、硝态氮和总氮量均相同，分别为250、0.06、300 kg·hm-2。
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表 2 试验处理灌水定额及组成 Table 2 Single irrigation amount and composition of different treatments |
淋溶模拟试验在农业农村部环境保护科研监测所温室进行，从2019年12月开始至2020年1月结束，试验过程日间和夜间平均温度分别为4 ℃和-3 ℃。土壤填装完成后，先对其进行预处理，连续浇灌200 mL去离子水3 d，使土壤达到稳定状态，减少装填造成的差异。48 h后开始第一次灌溉，按照表 2灌施相应肥液或去离子水，收集淋溶液，每间隔3 d进行一次灌溉，共5个周期[17]。每次收集完淋溶液带回实验室立即测定NH4+-N和NO3--N浓度，试验结束后将土壤按照0~10 cm和10~20 cm两层取出后浸提，分别测定土壤NH4+-N、NO3--N含量。
1.2.3 测定指标与方法基础土壤样品pH用Mettler Toledo实验室pH计测定（水土比为5:1），含水量用烘干法测定，有机质采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定，土壤TN、NH4+-N、NO3--N含量采用全自动流动注射分析仪（FIA-6000+）测定[21]。
淋溶液TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，NH4+-N浓度用纳氏试剂法，NO3--N浓度用紫外分光光度法，pH用Mettler Toledo实验室pH计测定。
1.3 数据处理试验数据采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS 19.0软件进行统计分析。处理间差异显著性采用单因素方差分析法（One-way ANOVA），显著性水平为0.05。
2 结果与分析 2.1 淋溶液体积变化特征养殖肥液不同灌溉强度土壤淋溶液体积见图 1。总体来看，相同处理下单次灌溉收集的淋溶液体积变化不明显。处理间淋溶液体积呈现F4>F3>F2>F1、F、CK趋势，F4处理平均比F3、F2和CK增加47.2、76.7 mL和110.7 mL，处理间差异达到显著水平（P < 0.05），淋溶液体积直接受灌水定额的影响；在前3次灌溉过程中灌溉量相同的处理（F1、F、CK）淋溶液体没有显著性差异（P>0.05）。
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柱上不同字母表示同次灌溉不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同 Different letters on the column indicate significant differences between different treatments for the same irrigation(P < 0.05). The same below 图 1 淋溶液的体积变化 Figure 1 Leaching solution volume |
养殖肥液不同灌溉强度土壤淋溶液NH4+-N浓度如图 2（a）。随着灌溉次数的增加各处理淋溶液NH4+-N浓度先逐渐升高，至第3次灌溉时均达到最大，随后逐渐降低。同次灌溉淋溶液NH4+-N浓度总体呈现CK最低，浓度范围为0.05~0.28 mg·L-1，F处理最高，浓度范围为0.31~0.74 mg·L-1。硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术处理居中，并且随灌溉强度增加淋溶液NH4+-N浓度有所降低，F2、F3和F4处理比F1处理NH4+-N浓度平均减少了9.2%、24.7%、28.9%，与灌溉水氮素浓度直接相关。F1比F处理淋溶液NH4+-N浓度平均减少了25.3%。处理间淋溶液NH4+-N浓度差异随灌溉次数增加差距缩小。不同灌溉强度淋溶液NH4+-N累积淋失量如图 2（b）。随灌溉次数增加各处理NH4+-N累积淋失量逐渐增加。各处理NH4+-N淋失量呈现F4>F>F3>F2>F1>CK，F2和F3处理虽然比F增加30%和60%的灌水量，但灌溉结束后NH4+-N累积淋失量比F处理降低13.3%和5.5%。5次灌溉结束之后F1处理NH +4 -N累积淋失量比F处理降低了34.5%，没有显著性差异（P>0.05）。
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图 2 淋溶液 NH+4-N浓度和累积淋失量 Figure 2 Concentration of NH+4-N and cumulative leaching loss |
养殖肥液不同灌溉强度土壤淋溶液NO3--N浓度见图 3（a）。随灌溉次数增加各处理淋溶液NO3--N浓度逐渐降低至平稳。同次灌溉F处理淋溶液NO3--N浓度最高，与其他处理相比差异显著（P < 0.05）；CK处理浓度最低；硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术处理居中，并且随灌溉强度增加淋溶液NO3--N浓度略有降低，如F4处理分别比F1处理下降了0.41~1.93 mg·L-1，且在前几次灌溉中差异显著（P < 0.05）。处理间淋溶液NO3--N浓度差异随灌溉次数增加差距缩小。不同灌溉强度土壤淋溶液NO3--N累积淋失量见图 3（b）。各处理NO3--N累积淋失量随灌溉次数增加逐渐升高，呈现F>F4、F3、F2、F1>CK的趋势，处理间差异显著（P < 0.05）。5次灌溉结束之后F1处理NO3--N累积淋失量比F处理显著降低了61%（P < 0.05）；F2、F3和F4处理虽然比F增加30%、60%和100%的灌水量，但NO3--N累积淋失量比F处理显著降低了59.3%、55.1%和46.6%（P < 0.05）。随灌溉强度增加NO3--N累积淋失风险增大，阻控技术明显抑制淋溶液NO3--N淋失，并且在灌水强度加倍的条件下效果仍然显著。
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图 3 淋溶液NO-3-N浓度和累积淋失量 Figure 3 Concentration of NO-3-N and cumulative leaching loss |
养殖肥液不同灌溉强度土壤淋溶液TN浓度见图 4（a）。随着灌溉次数增加各处理淋溶液TN浓度逐渐降低至平稳；同次灌溉呈现CK处理TN浓度最低、F处理最高，硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术处理居中，且随灌溉强度增加淋溶液TN浓度下降，F2、F3和F4处理TN浓度比F1处理平均减少了19.8%、33.2%和39.4%；与F相比F1处理TN浓度平均减少了38.2%；处理间淋溶液TN浓度差异随灌溉次数增加差距缩小。不同灌溉强度土壤TN累积淋失量见图 4（b）。各处理TN累积淋失量随灌溉次数增加逐渐升高，呈现F>硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术处理> CK的趋势，处理间差异显著（P < 0.05）。5次灌溉结束之后F1处理TN累积淋失量比F处理显著降低了38.6%（P < 0.05）；F2、F3和F4处理虽然比F增加30%、60%和100%的灌水量，但TN累积淋失量比F处理显著降低了31.7%、27.1%和15.4%（P < 0.05）。随灌溉强度增加TN累积淋失风险增大，阻控技术明显抑制淋溶液TN淋失，并且在灌水强度加倍的条件下效果仍然显著（P < 0.05）。
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图 4 淋溶液TN浓度和累积淋失量 Figure 4 Concentration of TN and cumulative leaching loss |
养殖肥液灌溉后土壤NH4+-N和NO3--N含量见图 5。与CK相比，养殖肥液灌溉使0~10 cm土层NH4+-N含量显著升高了204.1%（P < 0.05），NO3--N含量升高55.8%；使10~20 cm土壤NH4+-N和NO3--N含量分别升高了39.8%和30.7%，差异均不显著（P>0.05）。硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术提高土壤NH4+-N和NO3--N含量，如F1、F2、F3和F4处理0~10 cm土层NH4+-N含量分别比F处理增加了93.9%、86.5%、60%和44.5%，但差异不显著（P>0.05）；F1和F2处理0~10 cm土层和10~20 cm土层NO3--N含量分别比F处理增加了17.6%、7.6%和35.5%、26.4%，但差异均不显著（P>0.05）。硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控处理随灌溉强度增大土壤NH4+-N和NO3--N的含量逐渐降低。
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柱上不同字母表示同层土壤不同处理间差异显著（P<0.05） Different letters on the column indicate significant differences between different treatments for the same soil depth（P<0.05） 图 5 土壤中 NH+4-N、NO-3-N的含量 Figure 5 The content of NH+4-N and NO-3-N in soil |
养殖肥液作为水肥资源虽有利于增加土壤铵态氮和硝态氮含量，但也提高了土壤氮素淋失的风险。养殖肥液中氮素以铵态氮为主[22]，进入土壤后经硝化作用被氨氧化细菌和硝化细菌转化为硝态氮，土壤胶体负电荷对NO3-的吸附作用弱而难以在土壤中固定[23]，在灌溉时硝态氮易随灌溉水向下移动，成为氮素淋失的主要形态。随着灌溉进行淋溶液硝态氮浓度越来越低，可能因为土壤持续饱和灌溉导致土壤氧化还原电位持续降低有关，前期的试验结果也得到了验证[17]。此外发现本次试验中硝态氮浓度整体较低，可能是由于本次试验环境温度低造成的，之前几次试验在夏秋季，本次试验在冬季，气温比夏季平均降低24 ℃。有研究表明温度降低和土壤湿度持续增加会减弱土壤硝化作用[24-25]。而NH4+易被土壤颗粒吸附固定到土壤中，但是随着养殖肥液灌溉的进行，养殖肥液本身含有的铵态氮和生成的铵态氮使土壤中NH+4逐渐达到饱和状态，会使多余的铵态氮向下淋失，所以铵态氮的浓度会在第3次灌溉时出现最大值（图 2），随着灌溉的持续进行导致土壤孔隙度增加，对NH4+-N的吸附增大，所以NH4+-N浓度略有下降。淋溶液中硝态氮浓度大于铵态氮浓度，说明淋失主要以硝态氮为主，所以总氮的变化趋势与硝态氮类似（图 3、图 4）。
3.2 硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术对土壤氮素淋失的影响本试验发现硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术使淋溶液NH4+-N、NO3--N和TN浓度分别降低了25.3%、53.6%和38.2%，淋溶液NH4+-N、NO3--N和TN累积淋失量分别减少34.5%、61%和37.6%，但是增加了土壤中NH4+-N和NO3--N的含量。表明已有的化肥条件下硝化/脲酶抑制剂控制氮素转化的理论，如延缓铵态氮向硝态氮的转化[26-27]、抑制土壤脲酶活性[25]等，在养殖肥液灌溉方式下仍然适用。此外，课题组前期单独添加DCD或Nitrapyrin使淋溶液总氮、铵态氮、硝态氮浓度分别降低27.19%、35.69%、45.89%和24.86%、30.87%、21.10%[17]，在本试验中发现施用Nitrapyrin+NBPT+Biochar这种组合技术比单独施用Nitrapyrin效果更好。因为硝化抑制剂、脲酶抑制剂和生物炭的抑制机理都不同，发挥了协同作用，使得抑制氮素淋失的效果更佳。脲酶抑制剂可以减缓铵态氮的生成[28]，生物炭不但可以减少铵态氮以挥发的形式损失[27]，还增加了土壤阳离子交换量，对于吸附带正电的NH+4产生积极作用[29]，使铵态氮在土壤中固定。
3.3 不同灌溉强度对土壤氮素淋失的影响土壤氮素淋失量由淋溶液的浓度和体积共同决定。本试验发现在相同养殖肥液添加量前提下，随着灌溉强度增加土壤淋溶液NH4+-N、NO3--N、TN浓度降低，但淋溶液体积增大，导致淋失量增加，即灌溉强度越大淋溶液NH4+-N、NO3--N、TN淋失量越大，土壤中NH4+-N、NO3--N含量越低，增加了氮素淋失的风险，众多研究在化肥施用和清水灌溉条件下得到类似的结论[30-31]。
本试验应用了硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术，即使在养殖肥液灌溉强度翻倍的条件下硝态氮和总氮的累积淋失量仍低于单施养殖肥液处理（F），说明硝化-脲酶抑制剂-生物炭阻控技术在较大灌水强度时仍然对氮素淋失阻控有效。唐珧[30]以尿素为氮肥得到了类似结论，在施氮量相同、灌水量不同（200 mL和400 mL）的条件下，添加硝化抑制剂双氰胺和生物炭的处理硝态氮淋失量最小，抑制硝态氮淋失效果较好。一方面是因为硝化抑制剂和脲酶抑制剂对氮素的转化过程起到了抑制作用，另一方面是因为生物炭本身孔隙较大，有一定的吸水性，生物炭的加入增加了土壤的持水能力[32]，减少了淋溶液体积，从而减少了氮素的淋失量。
4 结论（1）养殖肥液灌溉土壤增加了NH4+-N、NO3--N、TN淋失的风险，同时也增加了土壤中NH4+-N、NO3--N的累积。
（2）同一灌溉强度下，添加Nitrapyrin+NBPT+Biochar使淋溶液中NH4+-N、NO3--N、TN浓度降低了25.3%、53.6%、38.2%；NH4+-N、NO3--N、TN累积淋失量减少了34.5%、61%、38.6%；0~10 cm土壤中NH4+-N、NO3--N增加了76.89、0.15 mg·kg-1。
（3）不同灌溉强度下，添加Nitrapyrin+NBPT+Biochar处理NH4+-N、NO3--N、TN累积淋失量随灌溉强度的增大而增大，养殖肥液灌溉强度的增加会影响优化组合模式的抑制效果。但是在本试验中增加30%、60%和100%的灌水量后对NO3--N、TN的淋失仍然有抑制效果，NO3--N累积淋失量分别减少了59.3%、55.1%、46.6%，TN累积淋失量分别减少了31.7%、27.1%、15.4%。
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