沼液與有機肥配施條件下氮損失風險的研究

周 煒，孫國峰，王 鑫，童紅玉，盛 婧

（農業農村部種養結合重點實驗室/江蘇省農業科學院循環農業研究中心，南京 210014）

水稻是中國主要的糧食作物之一，也是江蘇省兩大主糧種植作物之一，養分需求量大。近年來我國畜禽養殖業及農村沼氣工程迅猛發展[1-2]，沼液、有機肥作為主要的廢棄物處理產物產生量巨大，處理困難，對生態環境及人居健康帶來很大的壓力[3-5]，且沼液作為液體，在儲存、運輸、使用以及肥料商品化等方面較有機肥難度更大，相關養殖企業迫切需要有好的消納方法。另一方面，沼液、有機肥富含多種作物生長必需的養分及活性物質，沼液還能補充灌溉水[6-7]，因此，利用水稻田消納沼液、有機肥，既合理有效地利用了廢棄物，又解決了脅迫環境的問題，有機肥和沼液配合農田施用成為重要利用方向。國內外目前相關研究主要集中在沼液、有機肥對作物產量、品質影響及沼液、有機肥農田適宜消納量研究等等[7-8]，如黃紅英等[9]以沼液部分替代化肥進行試驗，發現小麥和水稻產量較常規化肥處理有一定的增幅；陶磊等[10]用有機肥部分替代化肥，結果顯示不僅不會造成棉花減產，且對提高土壤酶活性、調節土壤細菌、真菌、放線菌群落組成結構，改善北疆綠洲滴灌棉田土壤生物學性狀有顯著作用；Cassman等[11]認為有機無機肥配合施用能明顯提高氮肥利用率。前人研究多以沼液/有機肥與無機化肥配施為對象，而對以多種有機肥料配合施用全量替代無機化肥為目標研究其對環境的影響涉及不多，本研究以太湖水稻土為目標對象進行盆栽試驗，研究4種不同配比的沼液與豬糞有機肥處理條件下氨揮發、田面水氮濃度、徑流氮損失量，綜合分析沼液與豬糞有機肥配施處理對氮損失以及產量的影響，以期能為有機肥農田合理消納利用及其環境影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于2017年在江蘇省農業科學院院本部內進行，位于江蘇省南京市玄武區。該區屬北亞熱帶濕潤氣候，常年平均降雨117 d，平均降雨量1 106.5 mm，相對濕度76%，無霜期237 d，年平均溫度15.4℃。

1.2 試驗材料

試驗用土壤類型為太湖水稻土，取回后放置風干，碾磨過篩去石塊。試驗前土壤基本理化性質為pH 6.38，有機質18.30 g·kg-1，全氮含量1.03 g·kg-1，總磷含量1.04 g·kg-1，速效鉀含量203 mg·kg-1。盆栽試驗所用容器為有機玻璃圓桶，高60 cm，直徑30 cm。桶外側包覆隔熱層，并裹以鋁箔防曬。將過篩好的土壤分兩層放入桶中按容重壓實：下層高30 cm，容重1.45 g·cm-3；上層高18 cm，容重1.25 g·cm-3。

試驗用沼液來自江蘇泰興洋宇公司養豬場沼氣工程，常年運行，其養分含量為總氮1.66 g·L-1，總磷0.128 g·L-1，鉀1.013 g·L-1；試驗用豬糞有機肥來自江蘇省農業科學院六合基地有機肥廠，其養分含量為全氮1.18%，全磷1.89%，速效鉀1.04%，含水量18.91%。供試水稻品種為南粳9108，屬遲熟中粳品種，于6月27日移栽于圓桶中，基肥期為6月28日—7月4日，蘗肥期為7月8日—7月14日，穗肥期為8月11日—8月17日，10月30日收獲，全生育期合計156 d。

1.3 試驗設計

試驗設計6個處理，分別為：CK、NPK、100%沼液（100%沼）、75%沼液+25%豬糞有機肥（75%沼+25%豬）、50%沼液+50%豬糞有機肥（50%沼+50%豬），和100%豬糞有機肥（100%豬），每個處理3次重復。以300 kg·hm-2N為基準等氮量替代，各處理基肥∶蘗肥∶穗肥施用比例為 5∶1∶4，N∶P∶K 施用比例為 1∶0.5∶0.5。沼液、有機肥配施處理中豬糞有機肥作基肥，用化肥補齊不足施用比例處理的磷鉀肥用量，補足的磷鉀肥全部基施，部分處理磷鉀肥過量。各處理肥料施用方法見表1，其中沼液為液體，施用時間控制在施肥當天給水稻盆缽補充灌溉水之前，施入沼液后即開始給各盆缽澆水至田面水層高度一致。在每次施肥后第1～7 d開始原位測定氨揮發通量，并采集田面水樣品帶回實驗室，測定總氮含量。降雨時收集徑流，測量徑流產生量，并測定其氮含量。水稻成熟時測定各處理產量。

1.4 測定方法

氨揮發測定采用密閉室間歇通氣法[12]，每日上午9：00—11：00和下午3：00—5：00測定，以這4 h的通量值作為每日氨揮發的平均通量計算該日氨揮發總量。密閉室為直徑11 cm（內徑10 cm）、高15 cm，底部開放的有機玻璃圓筒，頂部留有一通氣孔（直徑25 mm）與2.5 m高的通氣管連通，將通氣管架到離地面約3 m高處，保證交換空氣氨濃度一致。將密閉室嵌入表土中，上面留有約3～5 cm高的密閉室空間。在洗氣瓶中裝氨吸收溶液用于吸收NH3，流動分析儀測定。田面水氮含量采用流動分析儀測定，每次施肥后1 d取樣，然后每隔2 d取樣1次，持續8～10 d；徑流氮損失采用流動分析儀測定，盆栽所用有機玻璃圓筒上部有一開口，位于土層上方10 cm處，用塑管下接儲液容器，每次降雨產生徑流，即自開口流出至儲液容器中，及時采集并處理。水稻收獲后人工統計各處理總穗數、每穗粒數及千粒重等數據計算產量。

1.5 數據處理

用Excel軟件處理數據，采用SPSS 19.0對數據進行統計分析，用LSD法比較各處理之間的差異（P=0.05）。

2 結果與分析

2.1 水稻產量構成

從表2可以看出，各試驗處理的產量數據，配施處理整體表現為與施用沼液比例呈正相關。其中常規NPK處理產量為12 752.70 kg·hm-2，而配施處理的產量分別為100%沼液12 934.65 kg·hm-2，75%沼液+25%豬糞有機肥11 691.60 kg·hm-2，50%沼液+50%豬糞有機肥11 205.90 kg·hm-2，100%豬糞有機肥10 876.95 kg·hm-2，但方差分析顯示這4個處理與常規NPK處理間無顯著性差異，與施入肥料氮損失未呈明顯關系。測定各試驗處理的秸稈氮含量，方差分析顯示也無顯著性差異。

2.2 稻田氨揮發

從圖1可以看出，3個施肥期氨揮發速率峰值大致表現為基肥期＞穗肥期＞蘗肥期，各時期最高揮發速率分別為基肥期20.75 kg·hm-2·d-1，蘗肥期9.38 kg·hm-2·d-1，穗肥期 15.79 kg·hm-2·d-1。具體分時期來看，基肥期各處理氨揮發趨勢有明顯差異：常規NPK處理呈先升后降，在第3 d達到氨揮發峰值后緩慢下降；100%豬糞有機肥處理與50%沼液+50%豬糞有機肥處理趨勢與常規NPK處理類似，但峰值較NPK處理低；而75%沼液+25%豬糞有機肥處理與100%沼液處理氨揮發峰值出現在基肥施用后第1d，之后呈明顯下降，而7月2日由于暴雨所有處理氨揮發速率均表現較低。處理間氨揮發速率出現差異的主要原因在于沼液和豬糞有機肥氮素特征不同，沼液氮以速效氮為主，而豬糞有機肥氮則以緩效的有機氮為主。蘗肥期常規NPK處理氨揮發峰值在第2d出現，而后緩慢下降；其余處理氨揮發峰值均出現在第1d，之后呈迅速下降趨勢，3 d后趨于平緩。穗肥期各處理趨勢類似于蘗肥期，但起點濃度更高，下降幅度更劇烈，而NPK處理也不再呈先升后降趨勢，應是作物吸收養分能力增強所致。

表1 不同處理施肥類型和施肥量Table 1 Type and amount of fertilization in the different treatments

表2 肥料氮損失與水稻產量Table 2 Total amount of nitrogen loss and the yield of rice in the different treatments

圖1 氨揮發變化趨勢Figure 1 Patterns of ammonia volatilization in the different treatments

從處理來看，整個水稻生育期3次施肥氨揮發量最高的均為當期施用純沼液的處理，可見施用沼液會增加稻田氨揮發；而各施肥時期的純豬糞有機肥處理氨揮發小于同期NPK處理，則表明施用豬糞有機肥可減少稻田氨揮發。值得一提的是，盡管75%沼液+25%豬糞有機肥處理和50%沼液+50%豬糞有機肥處理在分蘗肥和穗肥期的沼液施用量與100%沼液處理相同，但其氨揮發量卻均高于100%沼液處理，具體原因有待于進一步研究。

圖2 肥料氮的氨揮發總量Figure 2 Total amount of ammonia volatilization in different treatments

從圖2及表3可以看出，不同處理全試驗期施入肥料氮的氨揮發總量差異顯著，表現為100%沼液＞75%沼液+25%豬糞有機肥＞常規NPK＞50%沼液+50%豬糞有機肥＞100%豬糞有機肥。100%沼液處理和75%沼液+25%豬糞有機肥處理氨揮發總量分別為120.66 kg·hm-2和88.01 kg·hm-2，比常規NPK處理增加56.72%和14.31%，占其施入肥料氮的40.22%和29.34%；50%沼液+50%豬糞有機肥處理與常規NPK處理相比，前者氨揮發總量是后者的75.37%，差異顯著；100%豬糞有機肥處理值則顯著低于常規NPK處理，僅為其的23.07%（17.76 kg·hm-2），占其施入肥料氮的5.92%。

表3 肥料氮的氨揮發損失率Table 3 The loss rates of ammonia volatilization in different treatments

2.3 田面水氮含量

稻田田面水氮含量高低代表氮流失風險。從圖3可以看出，整體來說，水稻全生育期所有處理3個施肥期田面水氮含量峰值，都出現于施肥后第1 d，田面水氮含量表現為穗肥期＞基肥期＞蘗肥期。

圖3 田面水氮含量變化Figure 3 Patterns of nitrogen contents in surface water in different treatments

分時期來看，基肥期田面水氮含量變化基本呈緩慢下降趨勢；從數值來看，以常規NPK處理最高，從基肥期起始的峰值125.00 mg·L-1到基肥期結束的14.00 mg·L-1，始終顯著高于其他處理。100%沼液處理數值僅次于NPK處理。75%沼液+25%豬糞有機肥處理在基肥期是既施了豬糞有機肥，也施入了等氮量的沼液，故表現為起點峰值濃度略高，下降趨勢平緩。100%豬糞有機肥與50%沼液+50%豬糞有機肥處理在基肥期都是施等量的豬糞有機肥作基肥，故趨勢極類似，起點峰值較低，下降曲線相對平緩。蘗肥期3個施等量沼液的處理100%沼液、75%沼液+25%豬糞有機肥處理和50%沼液+50%豬糞有機肥處理田面水氮含量水平幾乎一致。穗肥期各施肥處理呈迅速下降趨勢，2 d內濃度下降了約90%，4 d內下降了96%～98.5%。與常規NPK處理相比，75%沼液+25%豬糞有機肥和50%沼液+50%豬糞有機肥兩個處理穗肥施用后1 d田面水氮濃度較高，分別為153.00 mg·L-1和 160.33 mg·L-1，而100% 沼液處理雖然穗肥期施用沼液量與前述兩處理相等，但氮含量卻較其分別低了48.33 mg·L-1和55.66 mg·L-1，與氨揮發測定結果基本一致。100%豬糞有機肥處理施肥后1 d濃度為52.33 mg·L-1，相比其他施肥處理最低。

綜上所述，氮流失風險最高的處理是常規NPK，其次是100%沼液，而100%豬糞有機肥處理氮流失風險較低。

2.4 稻田徑流氮流失

試驗期間因降水共產生3次徑流，分別發生于7月2日、7月10日和8月12日。從圖4中可以看出，在徑流氮流失總量這一指標上，常規NPK處理所產生的3次徑流流失量都較高，徑流流失總和高達39.11 kg·hm-2，與之相比，沼液和有機肥處理流失總量均低于常規NPK處理，100%沼液、75%沼液+25%豬糞有機肥、50%沼液+50%豬糞有機肥和100%豬糞有機肥處理流失總量分別為34.51、21.53、22.00、11.96 kg·hm-2，分別為常規 NPK處理的 88.24%、55.04%、56.25%和30.57%。就施肥期而言，各配施處理在基肥期流失量占總流失量的比例較常規NPK處理流失量低，為 23.61%～44.50%，而常規 NPK處理為55.07%；穗肥期流失量占總流失量的比例較常規NPK處理流失量高，為37.95%～63.57%，而常規NPK處理為29.74%。

圖4 徑流氮流失總量Figure 4 Total amount of runoff nitrogen loss in different treatments

表4為施入肥料氮的徑流流失率數據，各處理流失率由高到低依次為常規NPK＞100%沼液＞50%沼液+50%豬糞有機肥＞75%沼液+25%豬糞有機肥＞100%豬糞有機肥，可看出各施肥期的流失率數據與施用肥料配比有較大相關性，其中沼液和豬糞有機肥的施用處理則進一步驗證了沼液流失風險高而豬糞有機肥風險低；另一方面，常規化肥處理與100%沼液處理其氮流失損耗在總量上處于同一水平，但具體到分時期流失則兩者在基肥期與穗肥期有明顯的流失比例差異。

3 討論

氨揮發、氮徑流流失及氮淋洗等是氮素損失的幾個主要途徑，據相關研究顯示，太湖流域水網地區水稻田的氮淋洗作用較弱[13-14]，氨素損失途徑以氨揮發和氮徑流流失為主。本試驗研究了水稻田中配施肥料的氨揮發損失，各施肥處理通過氨揮發損失的氮占總施氮量的比率分別為常規NPK 25.66%，100%沼液40.22%，75%沼液+25%豬糞有機肥29.34%，50%沼液+50%豬糞有機肥19.34%以及100%豬糞有機肥5.92%，對比可見沼液通過氨揮發損失的氮大于常規化肥，而豬糞有機肥氨揮發氮損失率較前兩者低；本研究揭示了在沼液與豬糞有機肥配施全量替代化肥條件下，環境氨揮發有增、減兩種表現，其與配施肥中沼液量占比相關，沼液施用多相應的氨揮發也多，而施用豬糞有機肥能夠降低氨揮發損失；得出了適當比例的沼液、有機肥配施肥料可降低稻田氨揮發的結論，這與他人研究結果趨勢相似，如鄧歐平等[15]、姜麗娜等[16]都認為等量沼液替代化肥將增加氨揮發，孫雅杰等[17]認為有機肥施用對氨揮發是有抑制作用的[18-19]，張惠等[20]認為豬糞有機肥與化肥配施其氨揮發總量顯著低于施用等氮量化肥。但鄧歐平等[15]通過試驗，得出等氮量沼液施灌處理的累計氨揮發總量為51.00±4.46 kg·hm-2，全生育期氮素損失率14.90%±1.65%的結果，姜麗娜等[16]的研究也認為水稻生育期氨揮發達到32～70 kg·hm-2，水稻田氨揮發損失約占沼液施入氮量的13%，楊潤等[21]也發現，氨揮發所引起的氮素損失占沼液氮素量的14.52%～17.64%，這與本研究數據有一定出入，作者認為，因為氨揮發速率本身是一個關于水、肥、溫度及風速等多個因素互相影響決定的函數，在不同的研究中基于所處空間、時間等區別必然有揮發強度的差異，區別較大則強度高低顯著，如常規水稻田有蓄水層，小麥或果樹、蔬菜等田是旱地，兩者比較則水層的有無會顯著影響氨揮發速率大?。辉偃缤N作物，施肥量或者施肥期、溫濕度等等不同亦對結果有極大影響，如田玉華等[22]連續兩年研究了同一地塊相同處理下的同一作物的氨揮發，發現年度間數值有顯著不同；更加上其他因素如盆栽之于大田、沼液含氮量等不一而足，故認為本研究氨揮發損失率高是在一個比較適合的環境下各種因素互相作用導致的結果。朱兆良[13]研究表明，在有利于氨揮發的條件下，氨揮發損失率可高達施氮質量的40%～50%，成為氮肥損失的主要途徑，趙冬等[23]研究表明在一般情況下，氨揮發損失占稻田氮素損失的42.2%～72.0%，李艷等[24]亦認為，當施氮量超過303.6 kg·hm-2時，在施肥后第1 d，氨揮發速率迅速上升至20 kg·hm-2·d-1左右，這些觀點與本研究結果吻合。另一方面，氨揮發損失率沼液高于常規化肥的原因，應該是沼液本身氮素養分組成中氨氮占70%以上，其田面水中的氨比常規化肥更易逸失到空氣中；而對豬糞有機肥來講，其自身肥效釋放緩慢，無法與速效的沼液、化肥相比，所以氨揮發最低。從本研究中還可以發現，對于不同處理組而言，施肥后的一周內都是控制氨揮發損失的重要時期，且基肥期是氨揮發損失的關鍵時期，目前有研究針對該點提出一些解決措施，如施肥期控制田面水量，營造不利于氮素氨揮發的環境等。

表4 各處理施肥期氮流失量Table 4 Total amount of nitrogen loss in the different treatments

在本研究中，不同處理通過氮流失損失的氮占總施氮量的比率分別為：常規NPK 13.04%，100%沼液11.50%，75%沼液+25%豬糞有機肥7.18%，50%沼液+50%豬糞有機肥7.33%以及100%豬糞有機肥3.99%，可見沼液與豬糞有機肥配施有利于減少農田氮流失損失，且配施處理中沼液越多，氮徑流流失率越高，但各有機肥處理流失率均低于常規NPK處理。因此，沼液與豬糞有機肥配施全量替代化肥能夠減少徑流氮損失，其減排效果與配施肥中豬糞占比相關。這與其他研究成果一致，如張玉平等[25]以湖南地區的玉米與白菜地為對象，研究其施肥后的徑流損失效果，發現常規化肥處理其徑流氮流失要遠高于沼液/豬糞堆肥與化肥混施處理，并且隨著混施處理中豬糞堆肥用量的增加，其氮流失率也進一步降低；張笑千[26]用美國農業部國家土壤侵蝕實驗室已校準、驗證過的APEX模型模擬比較了沼液施用與糞肥施用下氮素流失的差異，發現在相同的氮素施用量下，經過模擬降雨30 min后，糞肥處理組有0.8%的肥料隨地表徑流損失，而沼液處理組該數據為14.3%，遠高于糞肥；夏紅霞[27]通過原位徑流試驗結果發現，有機肥處理在前期的氮磷流失濃度小于化肥。寧建鳳等[28]、陳永高等[29]及張穎飛等[30]也有類似研究結果，這些都佐證了氮流失強度為化肥＞沼液＞有機肥的結論。這其中原因可能是：首先豬糞有機肥釋放緩慢，進入水體的量較少，部分被作物吸收，部分被徑流帶走，故流失強度最低；而常規化肥與沼液都是速效肥，在等氮量施用的情況下產生流失差異，從本研究中可以看出，兩者氮流失是有時期差異的，即沼液在穗肥期流失量較化肥大，而化肥在基肥期流失量更大，考慮到相對應時期的氨揮發速率，可能是沼液基肥期劇烈的氨揮發損失了大量的氮，同時其降雨時間處于基肥后期，造成徑流損失較化肥??；而穗肥期的降雨時間是施肥后第2 d，未給予沼液氨揮發太長時間，且此時期各處理各損失途徑氮下降迅速。另外，楊潤等[21]發現沼液施灌后的3 d內田面水銨態氮濃度較高，此時若產生地面徑流，將推高周邊水體富營養化的風險。因此，施用沼液后的3 d內是控制稻田產生地表徑流、降低水體富營養化風險的關鍵時期，這也與本研究中田面水氮含量下降趨勢一致，在生產中有一定的指導意義。

4 結論

（1）在等施氮量條件下，常規化肥處理水稻產量達12 752.70 kg·hm-2，其農田氨揮發總量為76.99 kg·hm-2，徑流氮損失量39.11 kg·hm-2；100%沼液施用處理和75%沼液+25%豬糞有機肥配施處理氨揮發量較高，分別為 120.66、88.01 kg·hm-2；而 50% 沼液+50%豬糞有機肥配施處理氨揮發總量和徑流氮流失量均低于常規化肥處理，分別為58.03、22.00 kg·hm-2，其產量與常規化肥處理相比無顯著性差異；100%豬糞有機肥施用處理盡管氨揮發總量和徑流氮流失量表現最低，但其產量低于50%沼液+50%豬糞有機肥配施處理。

（2）綜合比較而言，50%沼液+50%豬糞有機肥配合施用處理在保持一定產量的基礎上又能減少氨揮發及氮流失風險，是一種比較適宜的施肥模式。