《2013年中国环境状况公报》表明, 我国十大流域国控断面中, Ⅰ-Ⅲ类比例占71.7%, Ⅳ-Ⅴ类比例占19.3%, 劣Ⅴ类比例占9.0%；61个重点湖 (库) 中24个劣于Ⅲ类标准；全国重点城市的饮用水水源水质达标率仅为72.3%, 农村近3亿人饮用水不达标, 地下饮用水源10%不达标；农村仍有2.98亿人饮用水不安全^[1]。1990年调查表明美国面源污染约占总污染量的2/3, 其中农业面源污染占总污染量的68%-83%, 导致50%-70%的地表水体受污染或受影响；2006年再次调查表明农业面源污染面积减少了65%^[2]。宁夏黄灌区是我国北方重要的灌溉农区, 也是黄河上游农田退水导致氮素流失与水污染的重灾区, 灌区主排水沟NH₄⁺-N浓度20-30mg/L, 最高可达70mg/L, 多为劣Ⅴ类水质, 断面水质达标率仅为38.3%, 将近一半的浅层地下水NO₃^--N浓度超过10mg/L^[3]。华北地区14个县调查表明, 有一半地下水硝酸盐含量超过10mg/L^[4]。

秸秆等有机物料的施用可以提高土壤有机质, 减少土壤硝态氮流失^[5-6], 过量施用增加硝态氮流失^[7-9]。经过堆肥处理有机物料施用能够减少硝态氮流失^[10-11]。碳氮比较高的有机物料中的氮素释放慢, 施用畜禽粪便能够调节土壤氮素代谢释放速率^[12]。施用化肥的土壤硝态氮流失是有机肥的4.4-5.6倍, 有机无机混施介于中间^[13-14]。大豆秸秆还田矿化的硝态氮流失贡献为1/4, 非豆科农作秸秆还田矿化的硝态氮流失高于这一比例^[15]。日本岐阜县各務原1970-2000年关于有机肥、合理施肥和施用缓释肥对比试验表明, 有机肥能够提高土壤吸肥力, 在硝态氮流失控制方面显示重要作用。施用有机肥提高C/N有利于控制微生物的发酵过程, 减少氮素短期释放, 提高保肥性。欧洲每个生长季的有机氮肥施入折合硝态氮为110-140kg/hm², 显著减少硝态氮淋溶^[16]。有机肥长期大量的施用也会引起土壤中硝态氮的累积与淋溶, 禽粪施用量不能超过11.2t/hm^2[17]。堆肥能够延缓有机氮向无机氮转化从而降低土壤硝态氮流失^[18]。Mamo等发现蔬菜田有机肥替代化学氮肥能够有效的降低硝态氮流失^[19]。Brinton发现玉米田施用腐熟堆肥比未腐熟堆肥的硝态氮流失的少^[20]。水稻秸秆堆肥还田情况下的10cm土层的硝态氮浓度比对照低, 20cm土层比10cm土层的硝态氮浓度也要低很多^[21]。流域调查中发现可溶性有机碳与硝态氮浓度表现典型负相关, 土壤有效氮富余总是与碳源亏空紧密相关^[22]。施用有机物料能够促进微生物氮形成, 降低土壤无机氮浓度^[23]。在硝酸盐敏感地区的农田有机肥施用不应超过175 N kg/hm^2[24]。一般认为, 施用有机肥减少土壤硝态氮淋失的主要原因是通过增加土壤有机质含量而改善土壤理化性状和提高粘粒及团聚体的含量, 增强土壤束缚硝态氮性能, 进而限制硝态氮垂直移动和减少淋失。

树脂芯法被认为是测定土壤氮素矿化速率最优的方法, 是将上下两端均开放管埋入土壤中, 同时管子顶端和底端均放上离子交换树脂袋。管子顶部的树脂袋可防止其他离子进入土壤, 底端的树脂袋可吸附从管芯中淋溶出来的离子。在借鉴离子交换树脂研究硝态氮流失方法的基础上^[25-26], 试验采用改进树脂芯法, 研究黄灌区秸秆还田对土壤氮素流失的影响, 通过观测不同阶段树脂吸附硝态氮量, 以估算农田不同土层的硝态氮单位面积淋失负荷。

2 材料与方法 2.1 研究区域概况

试验区位于宁夏引黄灌区的灵武农场 (106°17′52″E, 38°07′26″N), 属温带干旱区, 无霜期150-163d, 干旱少雨, 降水量193mm, 蒸发量1763mm。雨季7-9月, 占全年降雨的70%, 冬季少雪。年均温8.9℃。土壤类型灌淤土, 养分含量低, 表层土易积盐, 土壤pH高。稻旱轮作是最典型的种植模式。试验区农田土壤主要理化性状见表 1。

2.2 试验设计

试验位于灵武农场, 田间小区水泥埂隔开, 沿埂开沟深120cm (地上高40cm, 地下深80cm), 沟内压塑料膜, 以防小区相互干扰。试验3个处理, CK为无秸秆还田, T1为半量秸秆还田 (4500 kg/hm²)、T2全量秸秆还田 (9000 kg/hm²)。常规施肥处理, 3次重复。小区面积200m²。水稻秸秆切碎5-10cm还田, 翻深30cm。水稻试验施肥：尿素 (纯N)300 kg/hm²、磷酸钙P₂O₅ 105 kg/hm²、氯化钾肥 (K₂O)60 kg/hm²；全部的磷钾肥与50%尿素做基肥于一次施入, 剩余50%氮肥按3:1:1比例做追肥, 分3次分别于苗期 (5月下旬)、分蘖期 (6月下旬) 和孕穗期 (7月下旬) 施入。水稻行距30cm, 株距10cm。水稻5月中旬插秧, 9月下旬收获, 大田生长期约120d。全生育期灌水量15, 000m³/hm², 8月中旬停止灌水。小麦试验的施肥：尿素 (纯N)225 kg/hm²、磷酸钙P₂O₅ 150 kg/hm²、氯化钾肥 (K₂O)90 kg/hm²；全部的磷钾肥与50%尿素做基肥于一次施入, 剩余的50%氮肥按3:1:1比例做追肥, 分3次分别于苗期 (3月上旬)、拔节期 (5月上旬) 和孕穗期 (6月上旬) 施入。冬小麦生长期冬灌1350 m³ /hm²(10月下旬)、返青水900 m³(3月下旬), 拔节期1050 m³(5月中旬)、抽穗期1, 050 m³(6月上旬)。播种10月4日, 收获6月29日, 全生育期269d。2010与2013年种植水稻, 2011与2013年种植小麦。

2.3 研究方法

树脂芯法在用于草原或者表层土壤氮矿化量的测定, 与直接采集土壤或测定土壤渗漏水的结果基本一致。本试验采用改进的树脂芯法, 由76mm (直径)×0.82mm (管壁厚度) 的不锈钢管 (高度根据需要调整)、60目尼龙网制作的8×8cm树脂袋 (内装有15g氯型, 强碱性阴离子树脂) 和两片直径为74mm的铝塑板 (铝塑板上打有13个直径为3mm的小孔) 组成, 装置见图 1。树脂袋上下的两片铝塑板以防上下层土壤对树脂袋的污染, 铝塑板设置小孔。为减少管内外土壤环境差异, 管壁上打孔。把手的功能是方便树脂管提取。采用717^#型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂, 离子交换树脂预处理方法采用GB/T5476-1996。主要改进之处体现在一是取样深度增加, 最深90cm；二是取样频次增加且不破坏土壤结构, 基本上实现原为培养。树脂管长度有22、32、42、72、102cm共5个型号, 分别用于收集10、20、30、60、90cm土层的硝态氮淋失量。树脂管成直线排列, 间隔2m, 每个小区沿对角线3组重复。树脂管下端锲型面10cm长, 铝塑板通过防滑轴固定与高于锲面2cm处, 盖子与把手方便放置和提取树脂管。试验开始, 先将树脂管打入土壤, 再提出去掉锲面及锲面上2cm的土壤 (收集起来回填), 三是放入铝塑板和树脂袋 (16g) 并固定好, 四是将树脂管原位放入土壤中, 五是培养一段时间后提出树脂管, 取出树脂袋送回实验室冰箱保存, 并放入新的树脂袋开始下一阶段培养。

离子交换树脂吸附硝态氮用1mol/L KCL溶液浸提, 硝态氮采用紫外分光光度法测定。不同土壤层次硝态氮淋失量用下面公式计算：

试验数据处理采用SPSS 19和Excel 2010, 显著性检验 (α=0.05) 采用单向方差分析法 (ANOVA)。

3 结果 3.1 硝态氮淋失量

不同土层与不同处理下的土壤硝态氮淋失量见表 2。30cm土层的处理与对照相比, 硝态氮淋失量减少, 除2011年的冬小麦试验结果, 其它3a的水稻试验均达到显著差异水平 (P < 0.05, 下同), 但T1与T2差异不显著。稻田的硝态氮淋失量14.06-18.12 kg/hm², 冬小麦田的淋失量0.83-11.95 kg/hm²。试验期内在30cm以上土层, 除了2012年与2013年的10cm土层, 处理 (T1和T2) 与对照CK的硝态氮淋失量没有达到显著差异。30cm土层以下, 处理与对照的硝态氮淋失量均未达到显著差异。秸秆还田有效降低30cm土层的硝态氮淋失量, 与对照 (15.76 kg/hm²) 相比, T1(13.76 kg/hm²) 和T2(13.74 kg/hm²) 达到了显著差异, 流失量分别减少12.71%和12.84%；然而处理之间没有达到显著差异。

3.2 土壤硝态氮淋失特征 3.2.1 稻田与麦田硝态氮淋失的差异

稻田与麦田土壤剖面 (10、20、30、60、90 cm) 的硝态氮流失在30cm土层以上均达到显著差异 (表 2的年均值, 代表作物间的差异), 稻田的硝态氮淋失量大于麦田；60cm土层差异性特征不明显。冬小麦田30cm土层处硝态氮淋失量是稻田的74.64%, 表明通过扩旱压稻能够减少灌区土壤硝态氮流失。3a水稻试验结果没有显著差异, 表明了试验具有较好的重复性。

3.2.2 不同土层差异

由表 2可以看出, 30cm土层硝态氮淋失与其上层及下层土壤的硝态氮淋失量达到了显著差异；10cm与20cm、60cm与90cm均未达到显著性差异。这一结果表明, 30cm土层能够反映耕作层土壤硝态氮淋失的情况及特征, 其主要原因是30cm是耕作层与犁底层的分界线。

3.2.3 全生育期土壤硝态氮淋失特征

树脂与土壤取样时间基本固定5、6、7、8、9月下旬。从图 2看出, 稻田30cm土层以上, 接近80%的硝态氮流失量发生在6月下旬之前；30cm土层以下, 50-60%的硝态氮流失量发生在6月下旬之前。冬小麦田, 差不多80%的硝态氮流失量也发生在6月之前, 如果把冬小麦收获之后的4个月流失量计算在内, 也差不多占到了70%。由此看来, 硝态氮淋失主要发生在水稻与冬小麦的生育前期, 除了施肥量较大因素外, 作物根系小、养分的需求小, 土壤硝态氮吸收利用率较低也是重要原因；水稻进入分蘖期与冬小麦进入抽穗期以后, 由于作物吸收土壤养分量增加, 土壤硝态氮淋失量显著降低。

4 讨论 4.1 秸秆还田与土壤硝态氮浓度的变化

土壤硝态氮浓度是硝态氮淋失的主要原因。稻田30cm土层硝态氮浓度高值出现在5月与6月, 与其它时段相比达到了显著差异；冬小麦田的硝态氮重点流失时期在4月, 土壤硝态氮浓度显著高于其它月份。土壤硝态氮淋失发生程度与土壤硝态氮浓度高度吻合, 浓度高则淋失量大。稻田的处理 (T1和T2) 与对照相比, 土壤硝态氮浓度在4月、5月和6月达到显著差异 (2012年T1的5月份例外), T1和T2在7月与8月没有达到显著差异 (2010年与2013年7月的T2例外), 但处理的土壤硝态氮浓度高于对照。2010年的9月, 处理的硝态氮浓度高于对照, 但T1与T2没有达到显著差异。在水稻生长初期, 秸秆还田可能有利于降低土壤硝态氮浓度, 但是在中后期不影响或稍增加土壤硝态氮浓度。这个推断需要在长期试验中再予以证实。对于冬小麦而言, 处理 (T1与T2) 与对照相比, 只有4与5月份达到显著差异, T1与T2达到了显著差异。汪军等研究表明, 稻田秸秆还田能够显著降低土壤硝态氮浓度, 而且与秸秆还田量负相关^[27], 而杨振兴等在北方半干旱区的16a秸秆还田试验表明土壤0-200cm土层的土壤硝态氮明显累积^[28]。土壤无机氮残留量较高时, 可选择碳氮比较高的秸秆, 在较长的一段时间内有利于微生物对土壤氮素的固定, 减少氮素损失；土壤无机氮残留量较低时, 碳氮比较低的秸秆能被微生物较快地矿化释放氮素供给下季作物前期的生长^[29]。

4.2 土壤渗滤液的硝态氮浓度变化

秸秆还田处理的土壤渗滤液浓度低于对照, 其浓度随生育期呈现下降趋势。T1和T2与对照相比, 没有达到显著差异 (除5月)。Gollany等研究发现秸秆还田能够显著降低土壤渗滤液硝态氮浓度和减少硝态氮淋失^[30-32], 江永红等发现秸秆还田能够降低稻田田面水及渗滤液硝态氮与亚硝态氮浓度, 可能是秸秆与作物争氮, 降低无机氮浓度^[33], Keeney发现秸秆还田能增加有机碳, 固定土壤无机氮^[34], 刁晓林等发现秸秆还田降低土壤渗滤液硝态氮浓度, 水稻生长后期与对照前期的浓度接近, 但亚硝态氮浓度增加^[35], Beaudoin等认为土壤亚硝态氮浓度增加是由于硝态氮被秸秆固定^[36], Zhu等则认为秸秆降解产生的有机酸抑制了亚硝态氮向硝态氮转变^[37]。张静等研究结果却是秸秆还田使土壤无机氮增加^[38], 崔思远等在南方稻田发现秸秆还田初期可能导致更多的硝态氮流失^[39]。

4.3 土壤TN的变化

2013年试验结束后测定, 10cm土层, 对照、T1和T2的TN分别是0.86、0.89、0.90 g/kg, 处理与对照相比提高了3.25%和4.31%；20cm土层是0.78、0.82、0.89 g/kg, 处理与对照相比提高了4.83%和13.89%；30cm土层是0.64、0.66、0.69 g/kg, 处理与对照相比提高了2.76%、6.83%。秸秆还田有利于提高土壤TN。土壤总氮提高有利于减少硝态氮淋失, 由于土壤氮素主要以有机态氮的形式存在, 无机氮仅占总氮的1%, 大多数氮素必须经过微生物的分解和矿化才能转化为矿质氮^[40]。微生物对土壤氮素转化与被降解底物的碳氮比有关, 如果添加物的碳氮比超过微生物的碳氮比, 微生物需吸收土壤中的无机氮维持代谢活动；如果添加物质的碳氮比小于微生物的碳氮比, 微生物将通过矿化作用释放氮素增加土壤无机氮含量^[41]。

4.4 土壤有机质变化

试验结束期 (2013年9月下旬) 测定30cm土壤有机质, 与对照 (13.78 g/kg) 相比, T1和T2的土壤有机质分别增加0.89 g/kg与1.24 g/kg。处理T1和T2的大团聚体分别提高7.4%与12.8%。秸秆还田提高有机质, 有助于促进大团聚体形成, 而大团聚体能够保持养分与减少流失^[42]。连续8年的定位试验表明玉米秸秆还田促使土壤有机质提高4.9 g/kg^[43]。秸秆还田提高氮素供应率, 显著减少氮肥施用量和氮素损失量, 减少农田氮的面源污染^[44]。我国农田秸秆还田率不足50%, 与欧美国家相比差距约为40多个百分点^[45]。

4.5 作物产量

秸秆还田提高了作物产量, 与对照相比, 2010年水稻的T1与T2分别增长7.79%和14.56%；2011年冬小麦的T1与T2分别增长10.11%和11.51%;2012年水稻的T1与T2分别增长8.17%和10.35%；2013年水稻的T1与T2分别增长9.45%和9.26%；水稻3年平均增产9.24%和10.37%。2012年在试验地附近开展了秸秆还田推广示范, 示范面积1/5hm², 其中对照、半量还田和全量还田面积各为1/15hm²。小面积示范结果表明, 半量与全量还田的30cm土层的硝态氮淋失与对照相比分别减少12.13%和18.02%；土壤铵态氮相比分别增加了48.24%和65.84%, 尽管增加比例很大, 但土壤铵态氮浓度只有硝态氮的1/10左右, 同时铵态氮不易淋失。2013年在宁夏青铜峡市推广秸秆还田2.3hm², 其中1.9hm²全量还田, 0.4hm²无秸秆还田。结果表明, 秸秆还田硝态氮淋失减少15.44%, 水稻产量提高7.23%。曾木祥等认为, 我国的秸秆还田量大约在1500-9000 kg/hm², 平均4611 kg/hm², 增产幅度1.7%-15.8%, 平均增产15.17%^[46]。李录久等研究表明, 麦秆施用量3000 kg/hm²时, 小麦减产470 kg/hm², 玉米减产60 kg/hm², 减产率7.16%和0.91%, 减产不显著。当麦秆施用量6000 kg/hm²时候, 小麦减产262 kg/hm², 而玉米增产113 kg/hm², 增产3.2%, 秸秆还田量的大小对作物产量有一定影响^[47]。钟杭等试验表明稻草全量和半量还田后, 大麦产量分别增加16.68%和12.28%, 增产幅度均达到极显著水平^[48]。李本荣等认为稻田秸秆还田的氮肥施用量为180-240 kg/hm²能获得较高氮肥利用率^[49]。

5 结论

在宁夏引黄灌区秸秆还田土壤硝态氮淋失降低12.71-12.84%, 有机质提高0.89-1.24g/kg, TN提高2.76%-6.83%, 水稻产量提高9.24-10.37%。长期秸秆还田为化肥减量奠定基础, 进一步减少化肥面源污染。由于宁夏灌区农田土壤有机质含量普遍偏低, 且秸秆还田长期未得到重视, 建议全量秸秆还田。