養殖肥液不同灌溉強度下硝化-脲酶抑制劑-生物炭聯合阻控氮淋溶的研究

楊涵博，羅艷麗，趙迪，賴睿特，張克強，梁軍鋒，沈豐菊，王風*

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津300191；2.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊830000）

隨著“種養結合”養分循環利用技術的發展，養殖糞便和肥液在種植業得以廣泛應用。養殖肥液是畜禽糞污在厭氧微生物的作用下厭氧發酵產生沼氣后的液態副產品[1]，成分復雜，除了含有大量速效氮磷養分，還含有部分有機氮磷，以及微生物和植物所需的微量元素和生長素[2]。研究表明施用養殖肥液可以提高作物產量[3]、改良土壤性質、提高土壤肥力[4]。但長期慣性地片面追求高產和“大水大肥”的管理模式造成了氮磷養分大量淋失，特別是設施蔬菜集中生產區域，地下水污染風險加劇[5-6]。研究表明，在灌溉作用下有30%～50% 的氮素通過淋溶的形式損失[7]。灌溉方式及強度、施肥類型用量及方式、種植模式等會直接影響氮素淋失[8]，硝化抑制劑[9-10]、脲酶抑制劑[11-12]和生物炭[13]也能阻控氮素淋失。硝化抑制劑可以通過抑制氨氧化細菌和亞硝酸氧化細菌等微生物活性來減緩NH+4-N向NO-3-N的轉化[14]；脲酶抑制劑主要是對土壤脲酶活性產生抑制作用，減緩氮素的轉化；生物炭由于自身比表面積大、吸附性能好、穩定性高等特點，可以吸附NH+4-N[15]、硝酸鹽[16]等。硝化抑制劑、脲酶抑制劑和生物炭是在化肥施用條件下表現出了較好的抑制效果。

與傳統單一養分形態的化肥相比，養殖肥液中氮素形態包括銨態氮、硝態氮和有機氮，各種形態氮素含量組成可能隨工程運行而發生變化，因此比化肥養分形態、組成及含量復雜。氮素淋失也是養殖肥水農田利用過程直接面對的問題。課題組前期嘗試了配施硝化抑制劑[17]、硝化-脲酶抑制劑[18]、硝化-脲酶抑制劑-生物炭等[18]技術措施，發現在養殖肥液滴灌和漫灌方式下對阻控氮素淋失效果顯著，銨態氮、硝態氮、總氮淋失量分別比單施養殖肥液降低24.9%～27.2%、27.6%～35.7%、21.1%～45.9%，以上結論均在相同養殖肥水灌溉濃度和灌溉定額條件下獲得的。為了探求優化的淋溶阻控技術在相同氮素輸入形態和數量條件下對不同灌溉強度的適應性，以確定該技術模式的應用前景，本試驗通過室內土柱模擬試驗研究不同灌溉強度的養殖肥液對配施硝化-脲酶抑制劑-生物炭的土壤氮素淋失特征和阻控效果，為養殖肥液的科學合理還田提供技術措施。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

土壤：取自天津市寧河區設施蔬菜大棚0～20 cm表層土壤，土壤理化性質見表1。新鮮土樣經自然風干后，揀出作物殘根及石塊，過2 mm篩后混勻，備用。

養殖肥液：取自天津市益利來養殖有限公司常年運轉的塞流式厭氧反應器，原料為豬場糞污，養殖肥液pH 值7.91，NH+4-N 濃度395.1 mg·L-1，NO-3-N 濃度0.1 mg·L-1，TN濃度499.4 mg·L-1。

硝化抑制劑：2-氯-6-（三氯甲基）吡啶簡稱為Nitrapyrin，生產廠家為浙江奧復托有限公司，24% 乳油劑型，純度98%。

脲酶抑制劑：N-丁基硫代磷酰三胺簡稱NBPT，生產廠家為上海源葉生物科技有限公司，分析純，97%。

生物炭：以秸稈作為原料在800 ℃高溫下燒制4 h制備而成，生產廠家為科力澤華（北京）科技有限公司。

表1 土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

所有處理均按照1.28 g·cm-3的自然土壤容重填裝至長25 cm、內徑10 cm 的PVC 管裝置中，填裝時在管內壁均勻涂抹一層凡士林減小邊緣效應。將風干過篩的土樣分兩層依次填裝壓實[19-20]，約20 cm 高，管內上部空間用于灌溉。其中添加抑制劑的處理將Nitrapyrin、NBPT 分別按照設計添加量溶水后與土壤均勻噴施混合后一并填裝，添加生物炭的處理先將生物炭研磨過2 mm篩后與0～10 cm土壤混合均勻后填裝到裝置中。試驗共6個處理，每個處理3個重復，每個處理抑制劑類型用量、肥液灌溉量及灌水定額見表2。除CK處理外，其他處理養殖肥液灌溉帶入的銨態氮、硝態氮和總氮量均相同，分別為250、0.06、300 kg·hm-2。

1.2.2 淋溶模擬試驗

淋溶模擬試驗在農業農村部環境保護科研監測所溫室進行，從2019年12月開始至2020年1月結束，試驗過程日間和夜間平均溫度分別為4 ℃和-3 ℃。土壤填裝完成后，先對其進行預處理，連續澆灌200 mL 去離子水3 d，使土壤達到穩定狀態，減少裝填造成的差異。48 h 后開始第一次灌溉，按照表2 灌施相應肥液或去離子水，收集淋溶液，每間隔3 d進行一次灌溉，共5 個周期[17]。每次收集完淋溶液帶回實驗室立即測定NH+4-N 和NO-3-N 濃度，試驗結束后將土壤按照0～10 cm 和10～20 cm 兩層取出后浸提，分別測定土壤NH+4-N、NO-3-N含量。

1.2.3 測定指標與方法

基礎土壤樣品pH用Mettler Toledo實驗室pH計測定（水土比為5∶1），含水量用烘干法測定，有機質采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定，土壤TN、NH+4-N、NO-3-N 含量采用全自動流動注射分析儀（FIA-6000+）測定[21]。

淋溶液TN 濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，NH+4-N 濃度用納氏試劑法，NO-3-N 濃度用紫 外 分 光 光 度 法 ，pH 用Mettler Toledo 實 驗 室pH 計測定。

1.3 數據處理

試驗數據采用Microsoft Office Excel 2013 和SPSS 19.0 軟件進行統計分析。處理間差異顯著性采用單因素方差分析法（One-way ANOVA），顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 淋溶液體積變化特征

養殖肥液不同灌溉強度土壤淋溶液體積見圖1。總體來看，相同處理下單次灌溉收集的淋溶液體積變化不明顯。處理間淋溶液體積呈現F4＞F3＞F2＞F1、F、CK 趨勢，F4 處理平均比F3、F2 和CK 增加47.2、76.7 mL 和110.7 mL，處理間差異達到顯著水平（P＜0.05），淋溶液體積直接受灌水定額的影響；在前3 次灌溉過程中灌溉量相同的處理（F1、F、CK）淋溶液體沒有顯著性差異（P＞0.05）。

2.2 淋溶液NH+4-N濃度和累積淋失量變化特征

養殖肥液不同灌溉強度土壤淋溶液NH+4-N 濃度如圖2（a）。隨著灌溉次數的增加各處理淋溶液NH+4-N濃度先逐漸升高，至第3 次灌溉時均達到最大，隨后逐漸降低。同次灌溉淋溶液NH+4-N濃度總體呈現CK最低，濃度范圍為0.05～0.28 mg·L-1，F處理最高，濃度范圍為0.31～0.74 mg·L-1。硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術處理居中，并且隨灌溉強度增加淋溶液NH+4-N 濃度有所降低，F2、F3 和F4 處理比F1 處理NH+4-N 濃度平均減少了9.2%、24.7%、28.9%，與灌溉水氮素濃度直接相關。F1 比F 處理淋溶液NH+4-N 濃度平均減少了25.3%。處理間淋溶液NH+4-N 濃度差異隨灌溉次數增加差距縮小。不同灌溉強度淋溶液NH+4-N 累積淋失量如圖2（b）。隨灌溉次數增加各處理NH+4-N 累積淋失量逐漸增加。各處理NH+4-N 淋失量呈現F4＞F＞F3＞F2＞F1＞CK，F2 和F3 處理雖然比F增加30% 和60% 的灌水量，但灌溉結束后NH+4-N 累積淋失量比F處理降低13.3%和5.5%。5次灌溉結束之后F1 處理NH+4-N 累積淋失量比F 處理降低了34.5%，沒有顯著性差異（P＞0.05）。

圖1 淋溶液的體積變化Figure 1 Leaching solution volume

2.3 淋溶液NO-3-N濃度變化特征

養殖肥液不同灌溉強度土壤淋溶液NO-3-N 濃度見圖3（a）。隨灌溉次數增加各處理淋溶液NO-3-N 濃度逐漸降低至平穩。同次灌溉F 處理淋溶液NO-3-N濃度最高，與其他處理相比差異顯著（P＜0.05）；CK 處理濃度最低；硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術處理居中，并且隨灌溉強度增加淋溶液NO-3-N 濃度略有降低，如F4 處理分別比F1 處理下降了0.41～1.93 mg·L-1，且在前幾次灌溉中差異顯著（P＜0.05）。處理間淋溶液NO-3-N 濃度差異隨灌溉次數增加差距縮小。不同灌溉強度土壤淋溶液NO-3-N 累積淋失量見圖3（b）。各處理NO-3-N 累積淋失量隨灌溉次數增加逐漸升高，呈現F＞F4、F3、F2、F1＞CK 的趨勢，處理間差異顯著（P＜0.05）。5次灌溉結束之后F1處理NO-3-N累積淋失量比F 處理顯著降低了61%（P＜0.05）；F2、F3 和F4 處理雖然比F 增加30%、60% 和100% 的灌水量，但NO-3-N累積淋失量比F處理顯著降低了59.3%、55.1% 和46.6%（P＜0.05）。隨灌溉強度增加NO-3-N 累積淋失風險增大，阻控技術明顯抑制淋溶液NO-3-N淋失，并且在灌水強度加倍的條件下效果仍然顯著。

2.4 淋溶液TN濃度變化特征

養殖肥液不同灌溉強度土壤淋溶液TN濃度見圖4（a）。隨著灌溉次數增加各處理淋溶液TN濃度逐漸降低至平穩；同次灌溉呈現CK 處理TN 濃度最低、F處理最高，硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術處理居中，且隨灌溉強度增加淋溶液TN 濃度下降，F2、F3和F4 處理TN 濃度比F1 處理平均減少了19.8%、33.2%和39.4%；與F相比F1處理TN濃度平均減少了38.2%；處理間淋溶液TN 濃度差異隨灌溉次數增加差距縮小。不同灌溉強度土壤TN 累積淋失量見圖4（b）。各處理TN 累積淋失量隨灌溉次數增加逐漸升高，呈現F＞硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術處理＞CK的趨勢，處理間差異顯著（P＜0.05）。5次灌溉結束之后F1 處理TN 累積淋失量比F 處理顯著降低了38.6%（P＜0.05）；F2、F3 和F4 處理雖然比F 增加30%、60% 和100% 的灌水量，但TN 累積淋失量比F 處理顯著降低了31.7%、27.1%和15.4%（P＜0.05）。隨灌溉強度增加TN 累積淋失風險增大，阻控技術明顯抑制淋溶液TN 淋失，并且在灌水強度加倍的條件下效果仍然顯著（P＜0.05）。

圖3 淋溶液NO-3-N濃度和累積淋失量Figure 3 Concentration of NO-3-N and cumulative leaching loss

2.5 土壤中NH+4-N、NO-3-N的含量

3 討論

3.1 養殖肥液對土壤氮素淋失的影響

養殖肥液作為水肥資源雖有利于增加土壤銨態氮和硝態氮含量，但也提高了土壤氮素淋失的風險。養殖肥液中氮素以銨態氮為主[22]，進入土壤后經硝化作用被氨氧化細菌和硝化細菌轉化為硝態氮，土壤膠體負電荷對NO-3的吸附作用弱而難以在土壤中固定[23]，在灌溉時硝態氮易隨灌溉水向下移動，成為氮素淋失的主要形態。隨著灌溉進行淋溶液硝態氮濃度越來越低，可能因為土壤持續飽和灌溉導致土壤氧化還原電位持續降低有關，前期的試驗結果也得到了驗證[17]。此外發現本次試驗中硝態氮濃度整體較低，可能是由于本次試驗環境溫度低造成的，之前幾次試驗在夏秋季，本次試驗在冬季，氣溫比夏季平均降低24 ℃。有研究表明溫度降低和土壤濕度持續增加會減弱土壤硝化作用[24-25]。而NH+4易被土壤顆粒吸附固定到土壤中，但是隨著養殖肥液灌溉的進行，養殖肥液本身含有的銨態氮和生成的銨態氮使土壤中NH+4逐漸達到飽和狀態，會使多余的銨態氮向下淋失，所以銨態氮的濃度會在第3次灌溉時出現最大值（圖2），隨著灌溉的持續進行導致土壤孔隙度增加，對NH+4-N 的吸附增大，所以NH+4-N 濃度略有下降。淋溶液中硝態氮濃度大于銨態氮濃度，說明淋失主要以硝態氮為主，所以總氮的變化趨勢與硝態氮類似（圖3、圖4）。

3.2 硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術對土壤氮素淋失的影響

圖4 淋溶液TN濃度和累積淋失量Figure 4 Concentration of TN and cumulative leaching loss

圖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

3.3 不同灌溉強度對土壤氮素淋失的影響

土壤氮素淋失量由淋溶液的濃度和體積共同決定。本試驗發現在相同養殖肥液添加量前提下，隨著灌溉強度增加土壤淋溶液-N、TN 濃度降低，但淋溶液體積增大，導致淋失量增加，即灌溉強度越大淋溶液-N、TN 淋失量越大，土壤中-N 含量越低，增加了氮素淋失的風險，眾多研究在化肥施用和清水灌溉條件下得到類似的結論[30-31]。

本試驗應用了硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術，即使在養殖肥液灌溉強度翻倍的條件下硝態氮和總氮的累積淋失量仍低于單施養殖肥液處理（F），說明硝化-脲酶抑制劑-生物炭阻控技術在較大灌水強度時仍然對氮素淋失阻控有效。唐珧[30]以尿素為氮肥得到了類似結論，在施氮量相同、灌水量不同（200 mL 和400 mL）的條件下，添加硝化抑制劑雙氰胺和生物炭的處理硝態氮淋失量最小，抑制硝態氮淋失效果較好。一方面是因為硝化抑制劑和脲酶抑制劑對氮素的轉化過程起到了抑制作用，另一方面是因為生物炭本身孔隙較大，有一定的吸水性，生物炭的加入增加了土壤的持水能力[32]，減少了淋溶液體積，從而減少了氮素的淋失量。

4 結論

（2）同一灌溉強度下，添加Nitrapyrin+NBPT+Biochar 使淋溶液中、TN 濃度降低了25.3%、53.6%、38.2%；N、TN 累積淋失量減少了34.5%、61%、38.6%；0～10 cm 土壤中NH+4-N、增加了76.89、0.15 mg·kg-1。

（3）不同灌溉強度下，添加Nitrapyrin+NBPT+Biochar 處理NH+4-N、NO-3-N、TN 累積淋失量隨灌溉強度的增大而增大，養殖肥液灌溉強度的增加會影響優化組合模式的抑制效果。但是在本試驗中增加30%、60% 和100% 的灌水量后對NO-3-N、TN 的淋失仍然有抑制效果，NO-3-N 累積淋失量分別減少了59.3%、55.1%、46.6%，TN 累積淋失量分別減少了31.7%、27.1%、15.4%。