全 文 ：宁夏引黄灌区猪粪还田对麦田土壤
硝态氮淋失的影响*
杨世琦1,2 摇 王永生3 摇 谢晓军4 摇 杨正礼1,2**
( 1中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁流域团队, 北京 100081; 2农业部农业环境与气候变化重点开放实
验室, 北京 100081; 3中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室 CERN 综合研究中心, 北京
100101; 4西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 以宁夏引黄灌区为例,探索猪粪还田条件下冬小麦田土壤硝态氮淋失规律.试验设
置 3 个处理:常规施化肥 225 kg N·hm-2(CK)、常规施肥基础上施用 4500 kg·hm-2(T1)和
9000 kg·hm-2(T2)猪粪.利用树脂芯法吸附 30、60 和 90 cm土层的硝态氮淋失量.结果表明:
在常规施肥基础上增施猪粪,小麦生育期土壤硝态氮 (纯 N)淋失量为 9. 33 ~ 14. 04
kg·hm-2,占施 N量的 4. 2% ~ 6. 2% . 与 CK 相比,30 cm 土层 T1、T2的硝态氮淋失量增加
2郾 6%和2. 1% ;60 cm土层增加 1. 5%和减少 1. 3% ;90 cm土层减少 8. 7%和增加 4. 0% .增施
猪粪与对照在 30、60 和 90 cm土层处的硝态氮淋失量均无显著差异,而在深层土壤表现出减
少趋势.硝态氮淋失主要发生在返青至灌浆期间,日均淋失量高于全生育期平均水平,该阶段
的硝态氮淋失量占生育期内总淋失量的 58. 7% ~ 75. 3% . T1、T2春小麦产量比对照分别增加
9郾 3%和 12. 5% .
关键词摇 引黄灌区摇 猪粪摇 麦田摇 硝态氮摇 淋失
*环保公益性行业科研专项(201009017)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yangzl@ ieda. org. cn
2013鄄08鄄28 收稿,2014鄄03鄄24 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)06-1759-06摇 中图分类号摇 S181摇 文献标识码摇 A
Effect of swine manure application on nitrate leaching in winter wheat field in the Yellow
River irrigation area of Ningxia, China. YANG Shi鄄qi1 ,2, WANG Yong鄄sheng3, XIE Xiao鄄
jun4, YANG Zheng鄄li1,2 ( 1 Agricultural Clear Watershed Group, Institute of Environment and Sus鄄
tainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, Chi鄄
na; 2Key Laboratory of Agro鄄Environment and Climate Change, Ministry of Agriculture, Beijing
100081, China; 3Synthesis Research Center of CERN, Key Laboratory of Ecosystem Network Observa鄄
tion and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Acade鄄
my of Sciences, Beijing 100101, China; 4College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling
712100, Shaanxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(6): 1759-1764.
Abstract: The effect of swine manure application on nitrate nitrogen leaching was investigated in
the Yellow River irrigation area of Ningxia. The field experiment was conducted with 3 Treatments:
Traditional fertilization 225 kg N kg·hm-2 without swine manure (CK), traditional fertilization
with swine manure 4500 kg · hm-2 ( T1 ) and traditional fertilization with swine manure 9000
kg·hm-2 (T2). Nitrate nitrogen leaching rates were measured for 30, 60, 90 cm depth soil layers
with a resin core absorption method. The results indicated that the nitrate leaching losses of T1 and
T2 treatments ranged from 9. 33 to 14. 04 kg·hm-2 (pure nitrogen), which accounted for 4. 2% -
6. 2% of applied nitrogen fertilizer. Compared to CK, the nitrate leaching losses of T1 and T2 in鄄
creased by 2. 6% and 2. 1% at 30 cm depth, increased by 1. 5% and decreased by 1. 3% at 60 cm
depth, decreased by 8. 7% and increased by 4. 0% at 90 cm depth, respectively. The difference
did not reach statistical significance among CK and T1 and T2 in nitrate leaching loss at 30, 60 and
90 cm depths. However, there was a declining trend of nitrate leaching at deep soil layers of treat鄄
ments. The key period of nitrate leaching loss was from spring reviving to early filling stage, which
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 6 月摇 第 25 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2014, 25(6): 1759-1764
had a higher daily leaching loss than the average of the whole growth period, and accounted for
58. 7% -75. 3% of total leaching loss. Compared with CK, the yields of T1 and T2 increased by
9. 3% and 12. 5% , respectively.
Key words: the Yellow River irrigation area of Ningxia; swine manure; winter wheat field; nitrate
N; leaching.
摇 摇 宁夏引黄灌区是我国北方重要的灌溉农区,同
时也是黄河上游农田氮素淋失与水体污染严重的区
域.灌区主要排水沟 NH4 + 鄄N 浓度大都在 20 ~ 30
mg·L-1,最高可达 70 mg·L-1,多为劣吁类水质,断
面水质达标率仅为 38. 3% [1] . 研究表明,灌区将近
一半的浅层地下水硝态氮浓度超过 10 mg·L-1 [2],
土壤有机质含量平均 10. 2 g·kg-1,最高值为 19. 04
g·kg-1,含量在 15 g·kg-1以下的占 95% ,土壤养分
保持能力较差.施用有机肥可保持较高的土壤 C / N,
有利于控制微生物活性,减少可溶性氮素在短期内
的释放,提高土壤保水、保肥特性.在欧洲,当每个作
物生长季的有机氮肥施入量(折合硝态氮)为 110 ~
140 kg·hm-2时,能够显著减少硝态氮淋溶[3] . 另
外,有机质本身降解需要一个过程,可降低碱解氮累
积和淋失风险[4] .但长期大量施用有机肥会引起土
壤中硝态氮的累积与淋溶,当禽粪施用量超过 11. 2
t·hm-2即可产生淋溶[4] .
土壤氮素淋失测定方法中,室内培养法和田间
原位培养法通过渗漏计与模型估算获得[5-7],主要
缺点:一是破坏原状土结构,二是模型结果为估计
值.离子交换树脂方法能够直接测定氮素淋失数量,
结果更接近真实值,目前在森林、草原和农田土壤硝
态氮淋失测定中有相关报道[8-13],但都限于表层土
壤,主要以 20 cm土层为主.树脂芯法也应用于土壤
氮素矿化量的测定,其测定硝态氮的水平与直接采
集土壤或测定土壤渗漏水的结果基本一致[14-17] .本
文在宁夏引黄灌区设置有机肥(猪粪)还田试验,采
用改进树脂芯法,通过测定树脂吸附不同土壤层次
向下淋失的硝态氮数量,研究不同有机肥施用量对
土壤硝态氮淋失的影响特征,以期为灌区农田面源
污染控制提供技术支撑.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 试验区概况
试验在宁夏灵武农场(106毅17忆52义 E,38毅07忆26义
N)进行.该地位于西北内陆中温带干旱区,具有雨
雪稀少、气候干燥、日照充足、风大沙多的气候特征.
年均气温 8. 9 益,年均降水量 193 mm,降水多集中
于 7—9 月,约占全年降水量的 70% ,年均蒸发量
1763 mm,无霜期 150 d 左右,年日照时数 2800 ~
3100 h,昼夜温差较大. 主要作物有水稻、玉米和小
麦,其中稻旱轮作是该区的典型种植模式.土壤为灌
淤土,肥力中等,0 ~ 30 cm 土层容重 1. 57 g·cm-3,
有机质含量 14. 47 g·kg-1,土壤全氮 0. 87 g·kg-1,
速效氮 96. 33 mg·kg-1 .
1郾 2摇 试验设计
试验小区设有独立的灌溉系统,每个小区四周
开沟,压 120 cm塑料膜,土壤回填并用水泥筑田埂,
水泥埂比田面高 40 cm,小区面积为 200 m2 .设置 3
个处理:常规施化肥(CK,225 kg N·hm-2)、分别在
CK 基础上施用 4500 kg · hm-2 ( T1 ) 和 9000
kg·hm-2(T2)腐熟猪粪,施肥深度 30 cm,于 10 月
整地时施入, 3 次重复. 猪粪有机质含量 173
g·kg-1、全氮 6. 8 g·kg-1、全磷 4. 4 g·kg-1、全钾
4. 7 g·kg-1 .各处理均施尿素 225 kg N·hm-2、重过
磷酸钙 150 kg P2 O5 ·hm-2、氯化钾 90 kg K2 O·
hm-2 .磷钾肥作为基肥一次性施入,氮肥 50%作为
基肥,30%在 4 月 3 日(返青期)追施、10%在 5 月 6
日(拔节期)追施、10%在 6 月 2 日(抽穗期)追施.
2010 年 10 月 4 日播种冬小麦,行距 12 cm. 10 月下
旬冬灌,3 月 26 日灌返青水,5 月 11 日灌拔节水,6
月 2 日灌抽穗水,灌水量分别为 1350、900、1050 和
1050 m3·hm-2 . 2011 年 6 月 29 日收获,全生育期
269 d,于返青期(4 月 9 日)、孕穗期(5 月 10 日)和
收获期(6 月 30 日)共取样 3 次,代表播种至返青
期、拔节至孕穗期、抽穗至收获期 3 个阶段. 日平均
淋失量计算是用每个阶段的淋失量除以天数所得.
1郾 3摇 试验方法
采用改进的树脂芯法,装置由 76 mm(直径) 伊
0. 82 mm(管壁厚度)的不锈钢管(高度可以根据测
定层次设定)、60 目尼龙网制作的 8 cm伊8 cm 树脂
袋(内装 15 g氯型、强碱性阴离子树脂)和两片直径
为 74 mm 的铝塑板(铝塑板上打有 13 个直径为 3
mm的小孔)组成(图 1). 管子下部做成楔面,以方
便将管子打入土体,钢盖可以保证管子在打入土壤
过程中不被冲力打卷,树脂袋上、下的两片铝塑板可
0671 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 1摇 改进的树脂芯装置图
Fig. 1摇 The improved device of the resin鄄core.
以防止上、下层土壤对树脂袋的污染,同时铝塑板上
的小孔可以保证土壤溶液的通过;管体打孔与土体
联通,尽量减少管内外差异;底部防滑轴可以防止管
子提取过程中树脂袋脱落到土体内.
摇 摇 试验开始时,在小区内垂直打入长度分别为
42、72 和 102 cm(楔面长 10 cm)的不锈钢管,管子
上部与地面齐平,3 个管子为一排,相互间隔 2 m,每
小区沿对角线设置 3 个重复. 利用把手将不锈钢管
从地下提出,用螺丝刀剔除管子底部 2 cm(楔面以
上)厚的土壤后,依次放入事先准备好的铝塑板—
树脂袋—铝塑板—防滑轴,然后回填楔面土壤,小心
地将不锈钢管插入原处. 每次取样时,提出树脂管,
拿出树脂袋;然后再放入新处理好的树脂袋,原位放
回树脂管,开始下一阶段试验.取出的树脂袋尽快放
入冰箱保存(-4 益).
1郾 4摇 测定方法
离子交换树脂吸附的硝态氮用 1 mol·L-1 KCl
溶液浸提,硝态氮测定采用紫外分光光度法[11-13] .
采用 Microsoft Excel 2010 与 SPSS 10. 0 软件处理试
验数据. 显著性差异分析采用 ANOVA,显著水平
琢=0. 05.利用下式计算不同土层硝态氮淋失量:
硝态氮淋失量(kg·hm-2)=树脂吸附的硝态氮
含量(kg) /树脂管面积(m2)伊10000(m2).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 施用猪粪对麦田土壤硝态氮淋失的影响
冬小麦田土壤硝态氮淋失情况见图 2. 土壤硝
态氮(纯 N)淋失量为 9. 33 ~ 14. 04 kg·hm-2,占生
育期施 N量的 4. 2% ~6. 2% .与对照相比,处理 T1、
T2硝态氮淋失量在 30 cm 土层分别增加 2. 6%和
2郾 1% ;在 60 cm 土层分别增加 1. 5% 和减少
1郾 29% ;在 90 cm 土层分别减少 8. 7% 和增加
4 郾 0% .两处理与对照在30、60和90 cm土层处的硝
图 2摇 冬小麦生育期不同土层硝态氮淋失量
Fig. 2摇 Nitrate nitrogen leaching loss in different soil layers in
the winter wheat growth period.
态氮淋失量差异均不显著,但在深层土壤表现出减
少趋势.施用有机肥(猪粪)能够提升土壤有机质水
平,在一定程度上通过固持、吸附或微生物途径固定
土壤中暂时盈余的氮素,相当于增大了土壤氮素的
库容,减缓氮素淋失.本试验施用有机肥处理硝态氮
淋失量与对照相比没有达到显著差异,可能是猪粪
施用量偏低所致.
2郾 2摇 施用猪粪对不同阶段麦田土壤硝态氮淋失的
影响
在冬小麦返青期、孕穗期和收获期共取样 3 次,
测定不同阶段土壤硝态氮淋失量(表 1). 3 个阶段
用 P1、P2、P3表示,分别代表播种至返青期、拔节至
孕穗期、抽穗至收获期.在 30 cm 土层处,硝态氮淋
失比例表现为 P1>P3>P2;除了 T2的 P2与 P3 外,各处
表 1摇 冬小麦不同生育阶段不同土层土壤硝态氮淋失比例
Table 1摇 Ratio of nitrate nitrogen leaching loss at different
soil layers under different phases of winter wheat growth
period (%)
生育期
Growth period
处理
Treatment
土 层 Soil layer (cm)
30 60 90
P1 CK 39. 5a 37. 8a 27. 1b
T1 40. 5a 34. 0a 24. 7b
T2 41. 4a 37. 1a 26. 6b
P2 CK 26. 1c 26. 0b 29. 3b
T1 27. 1c 28. 5b 23. 8b
T2 30. 0b 26. 5b 27. 7b
P3 CK 34. 4b 36. 1a 43. 6a
T1 32. 5b 37. 5a 51. 4a
T2 28. 7b 36. 4a 35. 0a
P1: 播种鄄返青期 Sowing鄄Reviving (2010鄄10鄄04—2011鄄04鄄09); P2:拔
节鄄孕穗期 Jointing鄄Booting (2011鄄04鄄09—05鄄10); P3: 抽穗鄄收获期
Heading鄄Harvesting (2011鄄05鄄10—06鄄30) . 同列不同小写字母表示差
异显著(P<0. 05) Different small letters in the same column meant sig鄄
nificant difference at 0. 05 level.
16716 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨世琦等: 宁夏引黄灌区猪粪还田对麦田土壤硝态氮淋失的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
理不同阶段均达到显著性差异水平,主要原因是 P1
阶段时间较长(187 d),硝态氮淋失量较大;在 60
cm土层处,P1与 P3基本相当,无显著性差异,但都显
著高于 P2,主要原因是 P2阶段时间短(31 d),硝态
氮淋失量较小;在 90 cm 土层处,P1与 P2相当,差异
不显著,但都显著小于 P3,主要原因是随着生育期
延长,灌水次数增加,土壤硝态氮淋失强度增加.
同一时段同一土层不同处理之间比较发现:在
30 cm土层,3 个阶段两个有机肥处理的淋失比例均
高于对照;在 60 cm土层,两个有机肥处理仍高于对
照,但差距明显减小;在 90 cm 土层,P1和 P2阶段两
个有机肥处理均小于对照,P3阶段 T1处理大于对照
和 T2处理.
2郾 3摇 施用猪粪对小麦生育期土壤硝态氮日平均淋
失量的影响
考虑到取样间隔时间不一致的问题,对硝态氮
淋失量的日平均变化进行分析(图 3). 30、60 和 90
cm土层的硝态氮淋失主要发生在 4 月 9 日—5 月
10 日,即冬小麦的分蘖鄄拔节期. 由于灌水、追肥与
土壤短时期养分盈余等因素,加上该时期冬小麦地
上部生长相对较弱,对养分需求不旺盛,导致硝态氮
淋失量增大.冬小麦土壤硝态氮淋失的第二个主要
时期是 5 月 10 日—6 月 30 日. 该阶段的前期是冬
小麦拔节鄄孕穗鄄抽穗期,是养分需求旺盛期,尽管有
追肥和灌溉等因素的影响,但硝态氮淋失强度相对
减弱.这两个阶段的土壤硝态氮淋失量均高于全生
育期平均水平.冬小麦播种鄄分蘖期(上年 10 月 4 日
至第二年 4 月 9 日)的硝态氮日均淋失量低于全生
育期平均水平,主要是由于土壤上冻限制了水分运
移,尽管时期很长(187 d),但硝态氮日均淋失量明
显下降.另外,从 30 cm到 90 cm,随着土壤深度的增
图 3摇 麦田土壤硝态氮淋失量的日平均变化
Fig. 3摇 Variation of daily average nitrate nitrogen leaching loss
in soil of winter wheat field.
G: 生育期 Period of growth.
加,土壤硝态氮日均淋失量表现为下降趋势.冬小麦
全生育期土壤日均淋失量为 0. 03 ~ 0. 05 kg·hm-2 .
2郾 4摇 施用猪粪对小麦产量的影响
与 CK 相比,T1、T2处理小麦的增产率分别为
9郾 3%和 12. 5% ,增产幅度较大;从谷草比(秸秆高
度与质量比值)来看,T1、T2处理谷草比降低较为明
显,与对照相比达到显著差异;T1、T2处理间差异不
明显(表 2).表明增施猪粪可降低谷草比,促进营养
物质向籽粒转移,有利于增加千粒重.施用猪粪处理
的小麦产量与对照相比差异显著,表明就灌区目前
肥力水平,多施猪粪有利于提高小麦产量,应重视有
机肥还田.
表 2摇 不同处理的冬小麦产量
Table 2摇 Yield of winter wheat under different treatments
处理
Treatment
谷草比
Ratio of
grain to straw
产量
Yield
(kg·hm-2)
增产率
Yield increment
(% )
CK 1. 127a 3807c
T1 1. 098b 4162b 9. 3
T2 1. 088b 4284a 12. 5
3摇 讨摇 摇 论
土壤硝态氮淋失控制颇受关注,国内外相关研
究很多.由于土壤硝态氮淋失的影响因素复杂,涉及
施肥量、施肥方法、肥料种类、灌水量、灌水方法、灌
水时期、土壤理化性质、种植作物、农作制度以及自
然条件等,因此,研究结果往往具有较大的差异;加
上因素之间的互作影响,甚至得出完全不同的试验
结果.本试验结果表明,在猪粪还田条件下,宁夏引
黄灌区冬小麦田的土壤硝态氮淋失量为 9. 33 ~
14郾 04 kg·hm-2,同一土层不同处理之间的淋失量
差异没有达到显著水平,但施用猪粪处理与对照在
深层土壤的硝态氮淋失呈现减小趋势. 表明深层土
壤硝态氮淋失减小,主要原因可能是土壤水的差异,
由于稻田在全淹状态,土壤水分刺激了溶质的迁移.
Maeda等[18-19]多年定位试验结果表明,与铵态
氮肥相比,施用有机肥可明显减少 60 cm 土层的硝
态氮累积且增产明显.施有机肥可提高土壤有机质,
从而提高化肥利用效率,减少养分淋失;但是不合理
大量施用有机肥也会导致养分淋失[20] . 谢育平
等[21]研究表明,长期大量施用畜禽粪便在提高稻田
土壤氮素水平的同时,在土壤剖面中累积的硝态氮
呈明显向下淋失趋势. 刘勤等[22]、高懋芳等[23]、武
深树等[24]研究表明,长期施有机肥(鸡粪)增加了土
2671 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
壤氮的淋失风险,而且施用量越大,淋失氮的浓度越
高,从而威胁流域水环境生态安全.由于施用畜禽粪
便存在潜在的生态风险,陈天宝等[25]提出基于农牧
生产系统中“耕地鄄作物鄄畜禽冶氮的流动循环规律及
养分收支平衡原则下的农区合理畜禽养殖规模. 本
试验施用猪粪处理与对照采用相同的化肥氮施用
量,这意味着猪粪还田条件下增加了土壤氮淋失的
几率与风险.因此,下一步试验应该综合考虑等氮条
件、猪粪的施用量、有机氮的矿化等因素,进一步揭
示有机粪肥还田对土壤硝态氮淋失的影响机制,同
时探讨土壤有机质与土壤硝态氮淋失的响应关系.
采用树脂芯法观测农田土壤硝态氮淋失的优点
主要是:提高了试验重复性,尽最大可能降低了试验
过程对土壤的扰动及结构的破坏,提高了试验的准
确度与精度;通过直接运算得到土层硝态氮淋失量,
省去了估算环节,方法简便,提升了试验结果的可信
度.不足之处:一是树脂材料与土壤存在界面差异,
对土壤水分及其溶质的运动过程进行了扰动,真空
抽取法和渗漏计法也存在类似问题,但树脂芯法可
大大降低土壤创伤界面;二是由于管壁打孔有限,形
成了管子内外水分运动环境的差异;三是管子直径
过小,不能生长作物,因此忽略了作物因素对土壤硝
态氮淋失的影响.另外,树脂的前处理以及后期解析
等问题还需要进一步研究,以提高试验精度.
致谢摇 田间试验得到宁夏农林科学院刘汝亮、李友宏等的大
力支持与帮助,在此表示感谢!
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作者简介 摇 杨世琦,男,1970 年生,博士,副研究员. 主要从
事农田土壤氮素淋失控制技术研究. E鄄mail: shiqiyang@ 126.
com
责任编辑摇 张凤丽
4671 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷