沼肥還田下土壤硝態氮淋溶研究進展

王立國， 成劍波， 何騰兵1，*

(1.貴州大學 農學院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州大學 新農村發展研究院， 貴州 貴陽 550025； 3.貴州省山地畜禽養殖污染控制與資源化技術工程實驗室， 貴州 貴陽 550025)

2006-2011年中國沼氣工程數量增長迅速，年均增長率為35.51%；戶用沼氣池數量呈穩步增長趨勢，年均增長率為12.97%[1]。預計在2020年，將建成大型畜禽養殖場沼氣工程10 000座，戶用沼氣約8 000萬戶[2]。沼氣工程與戶用沼氣產生大量沼肥被還田利用，還田比例高。調研顯示，全國13個省份戶用沼肥產量平均為8～9 t/a，沼肥還田總體比例為37%，四川西昌還田比例最高，為85%[3]。沼肥因富含養分且產生量大被還田利用，但施用不當可增加土壤硝態氮淋失的風險。鄧榕等[4]研究證明，不同稀釋倍數的沼液淋溶土壤后下滲水中總氮含量明顯高于空白，且總氮含量與澆灌沼液濃度呈正相關關系。李彥超等[5]研究發現，隨著沼液灌溉強度提高，滲濾液和盆栽土中硝態氮的含量呈升高趨勢。熊飛等[6]研究發現，單施沼渣的氮素盈余量為68 kg/hm2，單施沼液的氮素盈余量為15 kg/hm2。隨著沼肥施用量增加，作物收獲后土壤殘留無機氮含量呈直線增加趨勢。另有不少研究證實，隨著沼肥施用量增加土壤滲濾液中的總氮濃度呈升高趨勢，其中硝態氮占比最高[7-10]。我國硝態氮淋失多發生在農業集中地區，致使飲用水硝態氮含量超標而危害人類健康。馬洪斌等[11]分析認為，北方平原地區地下水硝態氮平均含量為7.14～10.33 mg/L，南方丘陵地區為28.3 mg/L，均超出WHO飲用水的標準[12]。鑒于此，對不同進料沼肥的特點、土壤硝態氮淋失影響因素、土壤硝態氮生化還原影響因素及沼肥硝態氮淋失防控措施等方面的研究進行綜述，并對沼肥還田硝態氮淋溶的防控研究進行展望，以期為提高沼肥還田施用效果提供參考。

1 沼肥的特點

不同進料沼肥的全氮、有機質含量有所不同[13-22]。畜禽糞便沼渣全氮和有機質含量均高于沼液[15，18]。黃惠珠[15]研究發現，不同類型沼氣工程和戶用沼氣的沼液中各種營養成分(有機質、腐植酸、粗纖維、VC和干物質含量)明顯低于沼渣，沼液全氮和有機質含量分別為0.09～0.18 g/kg和0.20～2.00 g/kg，沼渣則分別為0.30～0.62 g/kg和2.09～8.32 g/kg；沼液的衛生指標明顯優于沼渣。董志新等[17]研究結果表明，不同進料沼氣肥有機質和養分含量存在差異。雞糞沼液的有機質、全氮、全磷和全鉀含量均高于豬糞沼液，秸稈沼液的有機質和全鉀含量高于雞糞和豬糞沼液。沼渣富含有機質，秸稈沼渣的有機質含量高于豬糞沼渣。豬糞沼渣全氮含量高于全磷和全鉀，而秸稈沼渣全鉀含量高于全氮和全磷；豬糞和秸稈沼渣的全磷中以有效磷含量占的比重最大。畜禽類沼肥全氮主要以氨氮形式保存，沼液氨氮占總氮的70%以上[7]，具DOC/TN較低的特點[23]。當進料為秸稈、青草等植物時，相對于畜禽類沼肥，植物類沼肥有機質含量高，全氮含量低，DOC/TN高[24]。

2 土壤硝態氮淋失的影響因素

硝態氮是土壤氮素淋失的主要形式[25-33]。陶虹蓉等[28]研究證實，硝態氮的淋失量占總氮淋失量的99.5%。韋高玲等[29]的研究結果表明，硝態氮淋失量最高可達氮淋失總量的99.3%。另有研究表明，硝態氮淋失量占氮淋失總量的90%以上[30-32]。硝態氮淋失主要影響因素有降水、灌溉、土壤質地和作物吸收等[14，33]。

2.1 降水和灌溉

降雨與灌溉影響下，土層累積的硝態氮向下移動，產生土壤硝態氮淋失[34-36]。傳統漫灌方式下，0～40 cm土層硝態氮累積量隨灌水量增加而降低；在土層60 cm及以下，硝態氮累積量隨灌水量增加而增加[37-40]。灌溉方式影響硝態氮淋失。王肖娟等[41]研究發現，滴灌和漫灌硝態氮淋失量占肥料總氮比例分別為4.4%和8.8%，與漫灌相比，滴灌能顯著降低硝態氮淋失量。降雨條件下，硝態氮淋失深度、累積量和降雨量呈正相關，每4 mm的降水量可使土壤硝態氮往下遷移1 cm[42-43]。硝態氮過度淋失導致地下徑流硝態氮含量增加。陳啟迪等[44]研究認為，地下徑流量占降雨量的55.8%，地下徑流硝態氮濃度為28.31～37.92 mg/L；在坡耕地中，硝態氮主要隨壤中流淋失。朱波等[45]認為，壤中流的硝態氮含量為9.09～11.42 mg/L，最大占比可達61.4%；壤中流硝態氮含量隨降雨量增加而下降。丁文峰等[46-47]研究表明，在模擬降雨條件下，隨時間變化土壤中硝態氮含量顯著降低。在此期間壤中流水樣中硝態氮濃度持續降低。降水、灌溉時間也對硝態氮在土層中的遷移有影響。徐力剛等[48-50]研究發現，作物生長期對水和硝態氮的吸收均處于較高水平，此時灌溉或降雨量較大不會過多地增加硝態氮的淋失量。

2.2 土壤質地

土壤質地(粘粒、粉粒和砂粒)對硝態氮淋失有一定影響。粘粒含量與硝態氮含量呈顯著正相關，即土壤粘粒含量越高，土壤對各種離子的吸附能力越強，硝態氮淋失量越低[51-55]。陳效民等[56]研究發現，硝態氮垂直遷移過程主要受土壤粘粒含量影響，隨粘粒含量增加硝態氮淋出含量降低且時間延長。孫美等[57]研究發現，土壤粉粒與硝態氮含量的相關系數(r)大于0.9，土壤硝態氮含量隨粉粒質量占比增加而增加。柴苗苗等[58]以拌沙改變土壤質地的研究中，復配土拌沙比例越高復配土的土壤硝態氮含量越低。劉辰琛[59]認為，硝態氮含量與砂粒含量呈顯著負相關(r=-0.455)，而與粉粒、粘粒含量成正相關，相關系數(r)分別為0.452和0.754，說明砂粒含量越高，土壤含氮越低。土壤硝態氮主要來源于粉粒與粘粒且硝態氮主要累積在粘粒中。張保華等[60]通過分析山東聊城市污染普查數據發現，土壤質地(粘粒、粉粒和砂粒)對養分含量的影響有相同規律：土壤顆粒與其養分含量的相關系數達到顯著性水平，其中粉粒、粘粒與養分含量為正相關，砂粒與養分含量為負相關。

2.3 作物吸收

作物對硝態氮有吸收作用。NIELSEN等[61]研究發現，甜菜、晚栽禾草、白三葉草及冬季谷類作物能提取硝態氮從而降低淋洗風險。不同類型作物對硝態氮吸收能力不同。王芝義等[62]研究結果表明，收獲后0～60 cm土層土壤無機氮殘留與各層根重均呈顯著正相關，與各層根長均呈極顯著負相關。THORUP-KRISTENSEN等[63]研究發現，根長2.2 m左右的冬小麥比根長只有1.1 m的春小麥在1～2.5 m土層內多吸收約81 kg/hm2的無機態氮。SINGH B等[64]研究認為，玉米、小麥對硝態氮的提取能力明顯高于土豆和花生。不同植物輪作也能阻控硝態氮淋失。黑麥-高丹草輪作后0～2 m土層的硝態氮提取量約為229.7 kg/hm2，黑麥-甜高粱、黑麥-莧菜輪作后的吸收量約為206 kg/hm2。紫花苜蓿、葦狀羊茅主要減少0～1 m土體硝態氮累積量，分別占0～2 m土體總消減量的77%和88%，黑麥-莧菜、黑麥-高丹草、黑麥-甜高粱輪作主要減少1～2 m深層土壤的硝態氮，約占總減少量的53%[65]。另外，春油菜-冬小麥輪作能顯著減少氮素淋失，玉米與雜草輪作比玉米單作能多吸收硝態氮[66-68]。

3 土壤硝態氮生化還原的影響因素

反硝化作用又稱脫氮作用，指反硝化微生物在一定條件下將NO2--N和硝態氮逐步還原，同時釋放NO、N2O和N2[69-71]，此過程硝態氮的轉化率為0.1%～52%[72]。另一種途徑是硝態氮在微生物的作用下還原成NH4+-N，稱為硝態氮異化還原成氨[73-75]。研究發現，硝態氮還原成氨在土壤氮素循環中起著重要作用，能轉化農田生態系統中3.9%～25.4%的硝態氮[76-77]。森林生態系統中，硝態氮還原成氨過程甚至超過反硝化過程，占硝態氮總消耗量的98.4%～99.0%[78-79]。土壤硝態氮淋失能通過上述生化還原硝態氮過程得以延緩[80]。

3.1 環境溫度

溫度是影響土壤反硝化作用的一個重要因素，反硝化作用的適宜溫度為5～75℃[81]。溫度上升有利于反硝化過程中硝態氮的轉化。徐亞同[82]研究發現，在pH和C/N一定的情況下，試驗區域混合菌群反硝化速率在10～30℃平行地提高。也有研究顯示[83]，在溫度低于20℃時，隨溫度增加反硝化菌豐度逐漸增加，硝態氮轉化率增加。馬娟等[84]研究證明，溫度為30℃時等濃度硝態氮完全轉化所需時間最短，10℃需要的時間最長，低溫對反硝化速率影響更顯著。

硝酸鹽異化還原為氨過程適宜溫度范圍尚無定值。EVERROAD R C等[85]研究證實，當溫度大于84.4℃時，硝酸鹽異化還原為氨過程受到抑制。不同試驗已經證明硝酸鹽異化還原為氨反應速率隨溫度升高而下降。韋宗敏[80]的研究中，硝酸鹽異化還原為氨過程最佳溫度為30℃，此時硝態氮轉換率最高，為47.59%，隨后硝態氮轉換率隨溫度上升而下降。胡曉婷等[86]研究發現，溫度為20℃和30℃時，硝酸鹽異化還原為氨速率分別是0.09～0.23 μmol/(kg·h)和0.1～0.18 μmol/(kg·h)，均比10℃時降低4.2%。

3.2 土壤pH

土壤pH是影響反硝化、硝態氮異化還原過程的主要因素[87]。方婧等[88-91]的研究證實，土壤反硝化最適pH為6.0～8.0。張彥浩等[92]研究不同pH對反硝化的影響發現，當pH為7.2～8.7時，硝態氮在9 h內基本被還原；pH為6.3～6.7時反硝化速率明顯降低，pH高于9.2時，反硝化受抑制。

陳韜等[93]證明在生物滯留系統土壤中，pH為5～7時，隨著pH的增加硝酸鹽異化還原為氨轉化率呈上升趨勢；在pH為7～9時，隨著pH增加硝酸鹽異化還原為氨轉化率呈下降趨勢。徐亞同[82]研究發現，當沉積物混合菌群pH為7.0時，產氨率最高可達25.71%。

3.3 土壤氧化還原電位

氧化和還原條件均能進行反硝化作用[94]。氧化還原電位為100～350 mV時，反硝化速率隨著氧化還原電位值的增加而減小[95]。相較于還原條件，氧化條件下反硝化速率明顯降低[96]。MASSCHELEYN等[97]研究發現，當土壤氧化還原電位值小于200 mV時，反硝化作用顯著，而當土壤氧化還原電位值大于400 mV時，反硝化作用較弱。

強還原性有利于硝酸鹽異化還原為氨過程的發生[98]。研究表明[99]，當氧化還原電位從-100 mV降至-340 mV時，硝酸鹽異化還原為氨過程產生NH4+-N、有機-15N的數量明顯增加；當氧化還原電位大于-100 mV時，硝酸鹽異化還原為氨過程產生NH4+-N、有機-15N的增量明顯低于氧化還原電位在-100～-340 mV時硝酸鹽異化還原為氨過程產生NH4+-N、有機-15N的增量，即較強的還原條件有利于硝酸鹽異化還原為氨過程進行。另有研究[100]表明，還原性較弱的環境中硝酸鹽異化還原為氨過程也能進行。

3.4 碳源

土壤中碳源明顯影響反硝化作用。鄭蘭香等[101]研究發現，C/N越高反硝化速率越強。張可方等[102]研究結果表明，C/N為3.3～10時，反硝化速率隨C/N的增加而增加。葡萄糖作為有機碳源的研究[103-105]指出，添葡萄糖反硝化作用明顯增強。不同碳源類型對反硝化速率影響不同，吳光學等[106]認為，不同碳源對反硝化速率的影響依次為葡萄糖>混合碳源>乙酸鈉。

有機碳源作為電子受體，硝酸鹽異化還原為氨菌株更易得到電子而提高硝態氮的轉化率[107-108]。HERBERT[109]研究發現，在沉積物中硝酸鹽異化還原為氨過程對硝態氮的去除率可達50%。TIEDJE[107]模擬珠江口沉積物硝酸鹽異化還原為氨過程發現，當C/N為2～10時，硝酸鹽異化還原為氨過程都會發生，碳源氧化狀態越強，硝酸鹽異化還原為氨過程所需要的適宜C/N越高；但碳源濃度過高會抑制硝酸鹽異化還原為氨過程。鄒子介[110]研究指出，低碳源初始濃度為50 mg/L和100 mg/L時，硝酸鹽異化還原為氨作用隨著碳源濃度的增加而增強，說明，一定濃度的碳源能促進硝酸鹽發生硝酸鹽異化還原為氨作用。初始碳源濃度為150 mg/L、200 mg/L和250 mg/L時，繼續添加碳源硝酸鹽異化還原為氨作用隨著碳源濃度遞增而減弱，說明，碳源濃度過高對硝酸鹽異化還原為氨功能菌有抑制作用。與反硝化過程相同，不同碳源對硝酸鹽異化還原為氨速率存在影響，草酸鹽、檸檬酸鹽、葡萄糖、乙酸鹽和蘋果酸鹽等對硝酸鹽異化還原為氨速率有不同影響[111]。謝麗等[112]研究證明，以葡萄糖等易發酵有機物為碳源時易發生硝酸鹽異化還原為氨過程，以乙酸等不易發酵的有機物為碳源時難以發生硝酸鹽異化還原為氨過程。

3.5 底物

硝酸鹽是有利于硝酸鹽異化還原為氨菌株生長和代謝的氮源[109]，是反硝化和硝酸鹽異化還原為氨過程的共同反應底物[113]。在適宜條件下，通過施用氮肥，增加反應底物濃度可促進硝態氮異化還原過程。KETIL等[114-115]研究表明，在18個土樣中連續2年施入71～132 μmol/L的硝態氮，反硝化和硝酸鹽異化還原為氨過程在原有基礎上分別提高11～16倍和6倍。表明，反硝化隨硝態氮濃度升高而加強。王亞宜等[116]研究指出，硝態氮初始濃度為5～40 mg/L時，反硝化速率隨硝態氮濃度增高而加強。

硝態氮濃度過低或過高都能抑制硝酸鹽異化還原為氨的發生。湯丹娜[117]研究發現，硝態氮濃度低于(32.67±1.85)mg/L時，硝態氮濃度升高有利于硝酸鹽異化還原為氨過程的發生。加入溶液中硝態氮濃度高于(32.67±1.85)mg/L時，硝態氮濃度的升高則抑制硝酸鹽異化還原為氨反應。當鹽沼沉積物的硝酸鹽升高時可使硝酸鹽異化還原為氨過程去除硝酸鹽的效率由52%降至4%[118]。

4 沼肥硝態氮淋失的防控措施

4.1 合理利用沼肥

施用沼肥比施用化肥能降低土壤總氮和硝態氮淋失風險。王植等[119]研究指出，沼肥處理后地表經流水總氮濃度僅為同期同質化肥處理的76%，即6.3 mg/L；硝酸鹽氮濃度為3 mg/L，是同期同質化肥處理的71%。化肥和沼肥的配合施用也能夠明顯降低硝態氮在土壤中的累積[120]，但過度提高施灌沼液的強度可阻礙作物生長，降低作物產量[121]。沼液還田用量應控制在適當范圍。適當施氮強度下灌溉沼液能促進土壤微生物活動，維持較低氮淋失量[122]。所以，在農業生產中應遵循硝態氮含量閾值進行還田管理[73-75]。研究指出，華北小麥-玉米輪作收獲后0～90 cm根層硝態氮應該維持在90～100 kg/hm2的臨界范圍內[123]。此外，利用儀器對作物需氮量進行測定，確立沼肥使用量及時間也是重要的管理手段。LI等[76]在保證作物產量較以往不變的情況下，借助Greenseeker確定氮肥施用量，減少施用305 kg/hm2。

4.2 補充碳源防控土壤硝態氮淋失

施肥時添加碳源能促進反硝化速率。RYDEN等[124-125]研究發現，菜田的反硝化轉化率高達14%～52%，在加入葡萄糖后0～20 cm土層土壤的反硝化產物迅速增加。碳源添加量從30 mg/g增至120 mg/g時，水田土壤反硝化速率增加6倍[126]。HENDERSON等[127]用農作物殘渣、葡萄糖作為添加碳源均能明顯影響各反硝化基因的表達量以及反硝化速率。用長期覆蓋秸桿的方式增加施入土壤中的碳源，土壤反硝化速率提高0.5%[128]，14.4%～39.5%的硝態氮經硝酸鹽異化還原為氨過程還原成NH4+-N[129]。KRAMER等[130]研究證明，有機肥施用可以通過增加反硝化過程中的氣態氮損失降低蘋果園土壤的硝態氮淋失。WANG等[131]研究發現，有機肥施入可以增強異養微生物的活性，進而減少硝態氮在土壤中的累積，并減少硝態氮損失。土壤中高含量的有機質能夠促進微生物的反硝化過程[132]。長期施用有機肥的土壤，其有機質含量明顯增加，隨之反硝化活性顯著增強[133]。且無論是單施有機肥還是有機與無機配施，均能使土層中硝酸鹽含量降低[121-122，134]。

4.3 考慮土壤礦物組成防控硝態氮淋失

2∶1型礦物的種類和含量是決定土壤中固定態銨含量的重要因子[135]。研究表明[129]，礦物組成以2∶1型黏土礦物為主的土壤比1∶1型黏土礦物的固銨能力強，能減緩NH4+-N向硝態氮的轉化，從而減少土壤中的硝態氮含量，進而在一定程度上控制NO3--N的淋失程度。因此，對不同礦物組成的固氨能力強的土壤可以適當地增加沼肥施用強度。

4.4 培模填閑作物防控土壤硝態氮淋失

填閑作物每年可降低75%的土壤硝態氮淋失[136]。THOMSEN[137]提取深層土壤溶液發現，填閑作物大麥顯著減少硝態氮淋失。任智慧等[138]利用土壤剖面觀測法研究發現，閑填作物甜玉米能有效吸收0～60 cm土壤中殘留氮素，阻控氮素向深層土壤淋失。不同閑填作物輪作也能降低硝態氮淋失風險。張永利等[65]研究指出，不同深根植物及其輪作模式可顯著降低0～100 cm土層的硝態氮累積量；黑麥-莧菜、黑麥-高丹草、黑麥-甜高粱等輪作能顯著降低100～200 cm土層的硝態氮累積量。

5 展望

為有效防控土壤硝態氮淋失，今后可從以下幾方面進行深入研究與改進。1) 確定沼肥施用強度閾值，為硝態氮淋失的防控提供科學參考。2) 參考沼肥施用強度閾值，結合土壤質地、作物需氮量、降雨及灌溉等因素，實行沼肥施用量的差異化控制。3)探討添加碳源或配施其他肥料等技術，促進土壤硝態氮還原過程(反硝化和硝酸鹽異化還原為氨)。