寧夏引黃灌區秸稈還田對麥田土壤硝態氮淋失的影響

楊世琦，王永生，韓瑞蕓，謝曉軍，楊正禮,*

1 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所, 北京 100081

2 農業部農業環境與氣候變化重點開放實驗室, 北京 100081

3 中國科學院地理科學與資源研究所生態網絡觀測與模擬重點實驗室, CERN綜合研究中心, 北京 100101

4 西北農林科技大學林學院, 楊凌 712100

寧夏引黃灌區秸稈還田對麥田土壤硝態氮淋失的影響

楊世琦1,2，王永生3，韓瑞蕓1，謝曉軍4，楊正禮1,2,*

1 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所, 北京 100081

2 農業部農業環境與氣候變化重點開放實驗室, 北京 100081

3 中國科學院地理科學與資源研究所生態網絡觀測與模擬重點實驗室, CERN綜合研究中心, 北京 100101

4 西北農林科技大學林學院, 楊凌 712100

以寧夏引黃灌區為例，探索秸稈還田條件下冬小麥土壤硝態氮淋失規律。試驗設置常規施肥(CK)、常規施肥條件下施用4500kg/hm2(T1，半量還田)和9000 kg/hm2(T2，全量還田)秸稈3個處理。利用樹脂芯法吸附10、20、30、60cm和90cm土層的硝態氮流失量。結果表明：硝態氮(純N)淋失量6.26—12.85 kg/hm2，是冬小麥施用化肥氮量的2.78%—5.71%。與對照CK相比，T1和T2在10cm土層減少0.09%和3.97%；20cm土層減少8.51%和9.81%；30cm土層減少2.25%和10.34%；60cm土層減少23.85%和13.08%；90cm土層減少27.65%和20.73%。10cm和20cm土層，處理與對照以及處理之間均未到顯著性差異(P<0.05)；30cm處理，T1與CK以及T1與T2未達到顯著性差異，但T2與CK達到顯著性差異表明全量還田效果最好；60cm土層，處理與對照、以及處理之間均達到顯著性差異；90cm土層，處理與對照之間達到顯著性差異，處理之間未達到顯著性差異。硝態氮淋失主要發生在冬小麥返青至灌漿期間，占全生育期淋失量的52.95%—67.79%。T1、T2冬小麥產量增產率分別為10.11%與11.51%。可見，稻稈還田能夠減少灌區土壤硝態氮淋失量。

引黃灌區; 稻稈還田; 麥田; 硝態氮; 淋失

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗小區位于寧夏靈武農場(106°17′52″E，38°07′26″N)，位于西北內陸中溫帶干旱區，屬于典型大陸氣候，具有雨雪稀少、氣候干燥、日照充足、風大沙多的特點。種植方式年間稻旱輪作，主要種植作物有水稻、玉米和小麥。土壤為灌淤土，肥力中等，0—30cm土層容重1.57 g/cm3，有機質含量14.47 g/kg，土壤全氮0.87 g/kg，速效氮76.0mg/kg，速效磷26.1mg/kg，速效鉀175.0mg/kg，0—20、20—40、40—60、60—80、80—100、100—120cm土層容重依次為1.45、1.56、1.58、1.44、1.46、1.42g/cm3。年均氣溫8.9℃，年均降水量193mm，降水多集中于7—9月，約占全年降水量的70%。年均蒸發量1763mm，無霜期150d左右，年均日照時間2800—3100h。晝夜溫差較大。

1.2 試驗設計

秸稈還田始于2008年，2009年種植水稻，2010年種植冬小麥。水稻收獲同時，秸稈粉碎10cm長，于冬小麥播種前翻入30cm深土中。CK為常規施肥，處理T1、T2在常規施肥的基礎上，分別施用4500、9000kg/ hm2水稻秸稈。每公頃施用尿素、重過磷酸鈣、氯化鉀分別為225 kg(純N)、150 kg (P205)和90 kg(K2O)。磷鉀肥作為基肥一次性施入，N肥50%做基肥，其余50%按照3∶1∶1的比例作為追肥，分3次施入，分別在4月3日(返青)追施30%，5月6日(拔節)追施10%，6月2日(抽穗)追施10%。冬小麥于2010年10月4日播種，行距12cm。10月下旬冬灌，3月26日灌返青水，5月11灌拔節水，6月2灌抽穗水。冬灌水量1350 m3/hm2，返青灌溉水量900 m3/hm2，拔節期和抽穗期灌水量分別為1050 m3/hm2。2011年6月29日收獲，全生育期269d。小區面積為200m2，試驗3次重復。小區四周開溝，壓120cm塑料膜，土壤回填并用水泥起田埂40cm。

1.3 試驗方法

樹脂芯法主要用于土壤氮素礦化量的測定[13- 16]。離子吸附樹脂法在土壤氮素研究上日漸增多，樹脂法測定硝態氮的水平與直接采集土壤或測定土壤滲漏水的結果基本一致。本研究采用改進的樹脂芯法，由76mm(直徑)×0.82mm(管壁厚度)的不銹鋼管(高度可以根據測定層次設定)、60目尼龍網制作的8cm×8cm樹脂袋(內裝有15g氯型，強堿性陰離子樹脂)和兩片直徑為74mm的鋁塑板(鋁塑板上打有13個直徑為3mm的小孔)組成，裝置見圖1。管子下部做成楔面，以方便將管子打入土體，鋼蓋可以保證管子在打入土壤過程中不被沖力打卷，樹脂袋上下的兩片鋁塑板可以防止上下層土壤對樹脂袋的污染，同時鋁塑板上的小孔可以保證土壤溶液的通過；管體打孔與土體聯通，盡量減少管內外差異；底部防滑軸，可以防止管子提取過程中樹脂袋脫落到土體內(土壤氮素流失原位吸附裝置，國家專利號(201020282864.4))。

圖1 改進的樹脂芯裝置圖Fig.1 The improved device figure of the resin-core

試驗開始時，在小區內垂直打入長度為22、32、42、72、102cm(楔面長10cm)的不銹鋼管，待鋼管上端略低于田面1cm左右時停止(稍低于田面便于小區追肥、灌水一致性)，并利用把手將不銹鋼管從地下帶土柱提出，用螺絲刀剔除管子底部2cm(楔面以上)厚的土壤后，依次放入事先準備好的鋁塑板—樹脂袋—鋁塑板—防滑軸，然后回填楔面土壤，小心地將不銹鋼管插入原處進行培養。一段時期取樣，撥出樹脂管，取出樹脂袋放入備用容器，再次放入處理好的樹脂袋，把樹脂管再次放入原處，繼續下一階段試驗。取出的樹脂袋在冰箱保存(-4℃)，實驗室分析時，用KCl溶液解析樣品。田間試驗每個小區5個管子為一排，相互間隔約2m，沿對角線設置3個重復。

GPJ-120加壓過濾機在反吹動作的觸發、排料閘板限位、倉內刮板運行等多處采用了接近開關作為數字量反饋。但在實際運用中，由于磨損、晃動、積煤等各種原因，導致開關誤動作。特別是加壓倉內刮板機尾部用作斷鏈保護的接近開關，經常由于積煤、晃動等原因，導致斷鏈保護無法實現，或接近開關探頭被直接切斷，造成設備無法正常運行。

1.4 測定方法與計算方法

離子交換樹脂吸附硝態氮用1mol/L KCl溶液浸提，硝態氮測定紫外分光光度法測定。利用下面公式計算不同土壤層次硝態氮淋失量:

硝態氮淋失量(kg/ hm2)= 樹脂吸附硝態氮含量(kg)/樹脂管面積(m2)×10000(m2)

2 結果與分析

2.1 硝態氮淋失量

冬小麥生長季內各處理5個層次的硝態氮淋失總量情況如圖2所示。試驗結果表明，硝態氮(純N)淋失量范圍在6.26—12.85 kg/hm2，占生育期施用化肥氮量的比例范圍在2.78%—5.71%之間。土壤硝態氮淋失變化趨勢是隨土層深度增加，淋失量減小，90cm土層與10層面土層相比，處理T1和T2減少了85.78%和104.88%，對照減少了69.65%。10、20cm和30cm土層之間的硝態氮淋失量差異較小，它們與60、90cm土層相比有較大的差異。各個土層處理T1和T2淋失量與對照CK相比，10cm土層減少0.09%和3.97%；20cm土層減少8.51%和9.81%；30cm土層減少2.25%和10.34%；60cm土層減少23.85%和13.08%；90cm土層減少27.65%和20.73%。同一土層內的顯著性差異水平(P<0.05)分析結果：10cm土層，處理與對照以及處理之間均未到顯著性差異；20cm土層，處理與對照以及處理之間均未到顯著性差異；30cm處理，T1與CK以及T1與T2未達到顯著性差異，但T2與CK達到顯著性差異；60cm土層，處理與對照、以及處理之間均達到顯著性差異；90cm土層，處理與對照之間達到顯著性差異，處理之間未達到顯著性差異。

圖2 冬小麥生育期內不同層次硝態氮淋失量 Fig.2 The different soil layers leaching loss of nitrate nitrogen in the winter wheat growth perioda, b, c不同字母間表示顯著差異

水稻試驗結果表明，30cm土層的硝態氮淋失量范圍是14.19—18.83 kg/hm2；冬小麥在該層的淋失量的范圍是10.83—11.95 kg/hm2；相比較而言，冬小麥淋失量最大值降低了57.57%，最小值降低了31.02%。由此看來，在寧夏引黃灌區種植冬小麥能夠有效的降低農田土壤硝態氮淋失負荷。如果在生育期內考慮淋失量(冬小麥269d，水稻120d)，冬小麥的生長周期是水稻的2.24倍，水稻田的淋失強度明顯高于小麥田。由于灌區屬于一熟區，不論旱作還是稻作，具有一定的休閑期，休閑期內也不可避免的發生硝態氮淋失現象。冬小麥休閑期從6月下旬或7月上旬收獲至10月上旬結束，再加上生育期共約361d，冬小麥田的硝態氮淋失范圍則為7.02—14.63 kg/hm2；從10月上中旬開始準備下一年作物施肥整地或播種，如果種植水稻，則意味著水稻的休閑期至下一年4月下旬泡田，再加上生育期共約346d，水稻田的硝態氮淋失范圍則為16.48—23.27 kg/hm2。可以看出，仍然是水稻的淋失量高于冬小麥。灌區的其它旱作物還有冬小麥、春玉米和油葵等，不同旱作情況下的土壤硝態氮淋失量有待進一步比較研究。

表1 不同階段不同土層土壤硝態氮流失比例 /%

冬小麥生育期內在返青期、孕穗期和收獲期共取樣3次，測定不同階段土壤硝態氮淋失量(表1)。3個階段用P1、P2、P3表示，分別代表播種至返青期、拔節至孕穗期、抽穗至收獲期。從表1中可以看出，冬小麥土壤在不同時間段的淋失量差異特征。10cm土層，流失比例基本上是P1與P2相當，都大于P3；20cm土層與10cm土層非常相似；30cm土層處，流失比例基本呈現P2>P1>P3(T1例外)；60cm土層，流失比例呈現P1>P2>P3；90cm土層，流失比例基本呈現P2>P1>P3(CK例外)。綜合分析上述現象，P1階段淋失比例高的主要原因該階段間期很長187d，導致硝態氮淋失量較大；P2階段淋失比例高的主要原因是返青后氣溫升高，土壤水分活動逐漸加強，加上作物幼苗營養體小對養分的吸收利用有限，硝態氮淋失比例也較高；在P3階段，盡管灌水量增加，同時有追肥中耕等環節，但由于營養體生長旺盛，對養分的吸收利用能力也有很大提高。同一時段與同一土層不同處理之間的流失比例變化情況相對復雜一些。大體上，10cm和20cm土層，處理與對照在3個階段流失比例差距較小；30cm土層處，P1階段處理高于對照，P2階段處理低于對照，P3階段處理T1接近對照，處理T2小于對照；60cm和90cm土層，在P1階段處理小于對照，P2階段對照與處理接近，P3階段處理大于對照。從以上分析可以得出，處理與對照的土壤硝態氮在冬小麥生育期的淋失變化過程，上層土壤(小于20cm)秸稈還田對硝態氮的淋失影響較小；而30cm土層是過渡層或轉折層，是秸稈還田后發揮功效的土層，尤其在后期(P2和P3階段)硝態氮淋失量開始呈現明顯降低(與P1階段相比)。下層土壤(60—90cm)隨著生育期后移，處理比對照流失的大。因此，秸稈還田在不同階段對硝態氮淋失的影響不同，其原因有待進一步研究。

2.2 生育季內硝態氮的日平均淋失量

2.3 土壤硝態氮含量變化

從圖4可以看出，對照CK在5月和6月的土壤硝態氮濃度要高于4月，決定5—6月硝態氮淋失風險增加，而5月與6月的日均淋失量也要高于4月之前的時期；處理T1在5月的表現與對照CK情況相似，但4月與6月兩個時段非常接近；處理T2不同土層土壤的硝態氮濃度大小關系是5月大于4月和4月大于6月，說明秸稈還田后的土壤在后期土壤硝態氮濃度降低，降低了淋失發生的可能性，這對控制硝態氮淋失有重要的作用。

圖3 冬麥田土壤硝態氮淋失量日平均變化 Fig.3 The variation of the daily average nitrate nitrogen leaching loss of winter wheat field

圖4 不同處理的土壤硝態氮變化情況 Fig.4 The concentration of nitrate nitrogen at different treatments and soil lays and phases

2.4 產量情況

與CK相比，處理T1、T2的增產率分別為10.11%與11.51%，具有較大增產幅度；從谷草比的情況來看，T1，T2對谷草比的降低較為明顯，說明秸稈還田以后會使谷草比降低，使小麥的秸稈高度和重量相對比例有所下降，使更多的營養元素被小麥種子吸收，千粒重增加，促使小麥產量提高。還田稻稈的C/N相對較高(32.04)，激發了土壤微生物的固氮活性，早期減少氨揮發、硝化-反硝化，淋失；后期逐漸釋放養分，供應作物生長需求，降低淋失幾率，有利于促進冬小麥增產。

表2 冬小麥產量比較

3 討論

土壤硝態氮流失的影響因素包括施肥量、施肥方法、肥料種類、灌水量、灌水方法、灌水時期、土壤理化性質、種植作物、農作制度以及自然因素等，不同區域的試驗結果不盡相同，甚至完全不同。寧夏引黃灌區秸稈還田試驗結果表明，秸稈還田能夠降低土壤硝態氮淋失，旱田與稻田相似。處理與對照在10cm與20層面土層沒有達到顯著性差異，這一結果與上年稻田試驗結果相似； 30cm土層處全量還田出現明顯差異，也與上年稻田試驗結果相似；60cm土層沒有達到顯著性差異以及90cm土層達到顯著差異的結果也與上年稻田試驗結果相似[30]。在單季稻和雙季稻條件下，秸稈還田顯著降低了土壤硝態氮和銨態氮的含量，且其含量與秸稈用量呈顯著負相關[31]。秸稈還田在較長的一段時間內有利于微生物對土壤氮素的固定作用，減少氮素損失[32]。秸稈腐解初期雖然氮的礦化與固定同時進行，但平衡的結果總是固定大于礦化[33]。秸稈還田顯著降低田面水和滲漏水中銨態氮和硝態氮濃度，由于秸稈分解過程中會與作物競爭氮素養分，從而降低了田面水無機氮濃度，減少氮素損失[34]。有研究結果表明增施秸稈會增加稻田無機氮的淋溶[35]，稻田氮素的滲漏損失較少且不受施氮量的影響，但秸稈還田可以顯著降低滲漏水中硝態氮的濃度和土壤中硝態氮的淋洗量[36]。

秸稈還田減少無機氮淋失的主要原因，一是增加土壤有機質，提高土壤保水能力，減少硝態氮淋失；二是促使土壤大中團聚體增多，提高氮素環境容量；三是有機質吸附土壤中的銨態氮，減少氮素移動。在草甸黑土8年試驗結果表明，秸稈還田更有利于大團粒結構的形成，還有利于土壤有機質積累與全氮含量提高[37]。Keeney研究表明，秸稈還田可以增加土壤有機碳量，固定了殘留在土壤中的肥料氮，從而降低稻田氮素的損失[38]。連續8a小麥與玉米秸稈兩茬還田，有機質提高 4.9 g/kg，全氮提高 0.5 g/kg[39]。土壤有機質含量提升與硝態氮淋失降低呈現一定相關性，關于土壤有機質含量與硝態氮淋失數量的關系應深入研究。

土壤有機質能夠提高化肥利用效率，減少養分流失，但是不合理大量施用也會導致有機肥自身流失[40]。土壤氮素淋失的控制是一個碳氮平衡過程，合適的碳氮比例有利于減少氮素流失，提高無機氮的利用效率。有機農業的土壤也發生硝態氮淋失問題，歐盟有機農業限制有機肥(折合純N)的施用量不超過170kg/hm2，英國洛桑試驗站的結果則將276 kg/hm2作為有機肥的限量指標[41]。盡管有機農業的有機質含量明顯較高，可有效的減少N素淋失，但仍存在淋失問題[42]。寧夏引黃灌區土壤有機質偏低，施用有機肥和提升土壤有機質的空間較大，從控制灌區硝態氮淋失、提升土壤有機質和改善土壤理化性狀等方面考慮，應該重視和強化秸稈還田，一旦土壤有機質水平提高，化肥用量也就有降低可能性。

本試驗的處理與對照的化肥氮施用量相同，處理T1和T2土壤氮含量高于對照。因此，進一步試驗應該考慮秸稈的含氮量及其礦化速率問題，采取等氮試驗處理。另外，過去的試驗表明，秸稈還田增加N2O排放量，但累積增加量有限，周年還田條件下僅增加1.41%。小麥成熟后期，處理表現脫綠延遲跡象，可能是氮素富余引起的，在水稻試驗中甚至出現倒伏現象。因此，在秸稈還田情況下，應該考慮減少化肥氮施用量問題。土壤硝態氮流失是一個復雜過程，除了土壤因素外，一般認為土壤水分也是導致硝態氮流失的重要原因之一。在寧夏銀南灌區，灌溉排水量控制不合理，硝態氮在下滲水流的驅動力作用下，易發生淋失[28]。一些研究表明秸稈還田降低作物產量，主要原因一是秸稈土壤空隙增多(尤其玉米秸稈)，引起種子出芽率降低導致減產；二是在春旱或不能灌溉情況下，秸稈吸水導致土壤水分虧缺影響幼苗生長，易發生減產。這兩種情況在灌區一般都不會發生，因此秸稈還田后增產。秸稈還田激發了土壤微生物固氮，早期減少硝態氮淋失；后期逐漸釋放被作物吸收利用，減少了土壤殘留和淋失幾率。我國每年生產約7 億t秸稈, 其肥量相當于350 多萬t 氮肥，但我國秸稈還田率不足50%，而美國已達到69%，英國為73%[43]。

采用的樹脂芯法觀測稻田土壤硝態氮淋失的主要優點是提高了試驗重復性，盡最大可能降低了試驗過程對土壤的擾動與結構破壞，試驗的準確度與精確度有較大提高；另外結果分析處理上直接得到土層硝態氮淋失量，省去了估算環節，方法簡單。不足之處一是樹脂材料與土壤存在界面差異，擾動了土壤水分及其溶質的運動過程，這一點與真空抽取法和滲漏計法有共同之處，目前還沒有更好的辦法；二是由于管壁打孔有限，形成了管子內外水分運動環境差異；三是管子直徑太小，不能生長作物，忽略了作物對硝態氮的影響。

4 結論

本試驗結果表明，秸稈還田能夠減少耕作層(30cm)土壤硝態氮淋失數量，有效控制硝態氮向深層淋失，全量還田減少效果明顯優于半量還田；另外，還能明顯提高冬小麥產量。建議灌區秸稈還田至少半量以上，最好提倡全量還田。在寧夏引黃灌土壤有機質普遍較低的情況下，提倡和重視秸稈還田有利于控制土壤氮素產生的面源污染，促進灌區糧食產量的提高。

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Effect of nitrate leaching of winter wheat field based on straw application in the Yellow River irrigation area of Ningxia

YANG Shiqi1,2, WANG Yongsheng3, HAN Ruiyun1, XIE Xiaojun4, YANG Zhengli1,2,*

1InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2KeyLaboratoryofAgro-EnvironmentandClimateChange，MinistryofAgricultural,Beijing100081,China3SynthesisResearchCenterofCERN,KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China4CollegeofAgronomy,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

The Yellow River irrigation of Ningxia is an important irrigation area in North China, and is a region with severe nitrate leaching and water pollution. Water quality in many drainage ditches is classified as Inferior Category V, and the main pollutants are nitrate and ammonium. The concentration of ammonium is generally 20—30 mg/L and the maximum concentration can reach 70 mg/L; therefore, quality of downstream water can be markedly affected. The contribution of field total nitrogen and ammonia nitrogen are up to 61%—66% and 76%—81%, respectively. The concentration of nitrate is more than 10 mg/L in half of all shallow groundwater. The content of soil organic matter is low in this area, which ranges from 9.2 to 14.5 g/kg with an average level of 10.2 g/kg. This may cause nitrate to be easily lost from the soil. In order to control the leaching of soil nitrate nitrogen in the Yellow River irrigation area, we intended to restore soil organic matter through the straw-returning method. In a case study conducted in the Yellow River irrigation of the Ningxia area, the patterns of nitrate leaching were studied in soil using the rice straw-returning. The field experiment contained three treatments including tradition fertilization without rice straw (CK), tradition fertilization combined with rice straw of 4500 kg/hm2(T1, half straw application), and traditional fertilization combined with rice straw of 9000 kg/hm2(T2, total straw application). Nitrate nitrogen leaching loss in soil layers 10, 20, 30, 60, and 90 cm deep was measured by the resin core method. We found that nitrate leaching losses with and without treatments ranged from 6.26 to 12.85 kg/hm2(pure nitrogen), representing 2.78%—5.71% of fertilizer nitrogen. Compared to CK, the nitrate leaching loss at 10 cm depth in T1and T2had a 0.09% decrease and 3.97% decrease, respectively; at 20 cm depth, T1and T2decreased the loss by 8.51% and 9.81%; at 30 cm depth, the reduction of nitrate leaching loss reached to 2.25% (T1) and 10.34% (T2); at 60 cm depth. Such decreases were 23.85% (T1) and 13.08% (T2); at 90 cm depth, T1and T2further reduced 27.65% and 20.73% loss, respectively. T1, T2,and CK were not significantly different in nitrate leaching loss at 10 and 20 cm depth (P<0.05). Furthermore, there was no significant difference between T1and CK or between T1and T2.However, T2led to significant improvement at 30 cm depth, indicating that total straw application was an effective way to prevent nitrate leaching loss in the irrigation area. Nitrate nitrogen leaching losses among T1, T2,and CK at 60 cm depth were significantly different. Both treatments showed significant alleviation for nitrate leaching loss compared with CK at 90 cm depth, although there was no significant difference between these two methods. The critical period of nitrate nitrogen leaching loss began from spring to the early filling stage, because nitrate nitrogen leaching loss during this time was 52.95%—67.79% of the total. The yield increase of winter wheat in T1and T2fields was 10.11% and 11.51%, respectively. Taken together, these data suggest that the rice straw returning method is effective at reducing the nitrate nitrogen leaching loss at deep soil layers in the Yellow River irrigation of Ningxia area.

the Yellow River irrigation area of Ningxia; straw application; winter wheat field; nitrate; leaching loss

環保公益性行業科研專項經費(201009017)

2014- 02- 10;

日期:2014- 10- 08

10.5846/stxb201402100231

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shiqiyang@126.com

楊世琦，王永生，韓瑞蕓，謝曉軍，楊正禮.寧夏引黃灌區秸稈還田對麥田土壤硝態氮淋失的影響.生態學報,2015,35(16):5537- 5544.

Yang S Q, Wang Y S, Han R Y, Xie X J, Yang Z L.Effect of nitrate leaching of winter wheat field based on straw application in the Yellow River irrigation area of Ningxia.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5537- 5544.