王志剛，韓雪，劉運平，李偉，宋瀟，郭立月

（1北京大北農(nóng)科技集團股份有限公司，北京 100095；2北京東方園林環(huán)境股份有限公司，北京 100015；3中國科學院植物研究所，北京 100093）

0 引言

中國每年的秸稈產(chǎn)生量約7億t，但是綜合利用率僅為32%，遠低于美國68%和英國73%的利用率[1-2]。秸稈大量棄置不僅導致資源嚴重浪費，而且任意堆放造成水體富營養(yǎng)化及破壞土壤微生物結構，田間焚燒排放大量二氧化碳、硫化物和氮氧化物等，溫室氣體持續(xù)排放導致全球氣溫不斷攀升[3-4]。同時，秸稈作為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品含有豐富有機碳和植物生長所必需的氮、磷、鉀及微量元素，其中碳、氮、磷、鉀含量分別為40%、0.3%、0.1%、0.45%，是植物可直接利用的生物資源，通過秸稈還田提高土壤養(yǎng)分同時改良團粒結構和緩解酸化板結對促進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義[5-7]。長期秸稈還田增加土壤有機質含量，例如河北潮土13年定位試驗發(fā)現(xiàn)小麥秸稈還田土壤速效鉀含量增加10.2%[8]；加拿大連續(xù)8年大麥—豌豆—小麥—油菜輪作秸稈還田0～15 cm土壤輕質有機質增加23.8%，輕質有機氮增加9.7%[9]。與傳統(tǒng)耕作相比，連續(xù)11年秸稈還田小麥增產(chǎn)19.2%，干旱年份增產(chǎn)更高[10]；關中灌區(qū)秸稈粉碎還田與化肥配施增產(chǎn)5.4%～13.1%[11]。反之，秸稈還田不當容易造成作物減產(chǎn)，例如西北地區(qū)小麥播前還田秸稈9730 kg/hm2小麥減產(chǎn)5.6%[12]；英國粉質黏壤土秸稈還田小麥減產(chǎn)3.9%[13]；可能是秸稈還田造成土壤水分降低、緊實度差或碳氮比失調導致微生物群落失衡[14-16]。因此，優(yōu)化秸稈還田技術有利于保障還田效果，具有一定技術創(chuàng)新和農(nóng)業(yè)實踐價值。沼液含有豐富營養(yǎng)成分、維生素和生長素等活性物質，作物容易吸收利用對促進氮代謝和根系發(fā)育具有良好效果[17-18]。另外，沼液可以改善土壤結構、提高氨氮氧化潛勢及微生物碳氮含量[19-21]與酶活性，并調控細菌群落結構[22-24]。同時，沼液促進土壤碳氮礦化、減少溫室氣體排放、平衡營養(yǎng)組成和補充銅鋅微量元素[23-25]。因此，沼液還田具有增加土壤生產(chǎn)能力和改善生態(tài)環(huán)境的顯著效應。

但是，目前多數(shù)研究主要關注秸稈還田和單施沼液對土壤肥力的影響，對還田秸稈降解過程中與作物爭奪氮素導致土壤速效氮營養(yǎng)供應不足的負面作用重視不夠，而沼液中的速效氮是補充土壤氮素的重要來源[26-27]。同時，沼液具有高水低肥的雙重特征，不合理施用導致利用率降低并造成地下水污染[28]。此外，養(yǎng)分濃度低且容易流失是制約沼液大面積還田利用的關鍵限制因子。與秸稈單獨還田相比，沼液秸稈配施150 d后秸稈腐解率達到了79.2%[29]，而且土壤速效氮、有效磷和有效鉀含量分別增加了5.4%、34.6%和72.6%[30-31]，沼液極大促進秸稈中有效養(yǎng)分釋放，但是對土壤生態(tài)環(huán)境風險的影響尚無定論。因此，本研究通過沼液與秸稈同步還田試驗，設置不同的施肥處理和施肥量，探索分析其對土壤氮磷淋溶的影響，為循環(huán)農(nóng)作制度面源污染防控提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

沼液和秸稈還田試驗2020—2022 年在河北省唐山市玉田縣石臼窩鎮(zhèn)大北農(nóng)（玉田）生豬科學試驗中心試驗基地(117°42′E，39°41′N)進行，試驗區(qū)屬東部季風性大陸氣候，年均氣溫11.2℃，年均降水量607 mm，無霜期190 d，年均日照時數(shù)2420 h，≥10℃年均積溫4130℃。土壤類型為棕褐色粘土，0～20 cm 土壤理化性狀見表1。2020 年10 月—2021 年9 月降水量625.5 mm，2021年10月—2022年9月降水量387.1 mm。

表1 試驗地土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

試驗設置4 個處理分別為空白對照(CK)，常規(guī)施氮(CON)代表當?shù)剞r(nóng)戶習慣施肥情況，優(yōu)化施氮(OPT)代表當?shù)睾侠硎┑?，秸稈粉碎與300 m3/（hm2·季）的沼液全量還田(SMB)不施用任何化學肥料。每個處理3 次重復，小區(qū)面積為40 m2，秸稈還田處理在作物收獲后直接將秸稈粉碎全量還田（玉米秸稈每個小區(qū)為60 kg；小麥秸稈每個小區(qū)為30 kg），不還田處理收獲后將秸稈移除。種植模式為冬小麥—夏玉米輪作，小麥和玉米品種分別為‘濟麥22’和‘鄭單958’。不同處理小麥季和玉米肥料施用量如表2 所示，氮磷鉀肥分別為尿素、磷酸一銨和氯化鉀。小麥和玉米季氮肥分為基肥和追肥，基追比4:6 分別在小麥和玉米拔節(jié)期追肥，磷鉀肥作基肥播前施用。2020 年和2021 年10月10 日夏玉米收獲后秸稈粉碎混入5～10 cm 土壤即沼液300 m3/hm2和秸稈15 t/hm2，冬小麥種植日期均為10月20日，收獲日期均為6月24日。冬小麥和夏玉米收獲均為沼液300 m3/hm2和還田秸稈15 t/hm2，夏玉米種植和收獲分別為6月27日和10月10日，沼液和秸稈基本性狀見表3和表4。

表2 不同處理冬小麥和夏玉米總施肥量 kg/hm2

表3 2020年和2021年沼液基本理化性狀

表4 2020年和2021年玉米和小麥秸稈基本理化性狀

1.3 樣品采集及分析

2020—2022年作物收獲時測產(chǎn)，每個試驗小區(qū)小麥隨機采集3個1 m雙行樣方、玉米隨機采集1個5 m雙行樣方將植株樣品帶回實驗室風干、脫粒、稱重折算產(chǎn)量。樣品粉碎H2SO4-H2O2消煮，全氮采用凱氏定氮法、全磷采用釩鉬黃比色法和全鉀采用原子吸收法測定。

每季作物收獲后至下茬作物播種前采集土壤樣品，每個小區(qū)按5 點取樣法用土鉆采集耕層土樣剔除石礫和植物殘根等雜物混合均勻裝入自封袋，4℃保存帶回實驗室。自然風干研磨后過1 mm 和0.25 mm 篩測定土壤理化指標。作物收獲后采集0～100 cm 土壤測定硝態(tài)氮含量，混合均勻稱取過2 mm篩，新鮮土樣10 g 裝入200 mL 塑料瓶中加入0.01 mol/L CaCl2溶液100 ml 浸提，振蕩1 h 靜置10 min 過濾，濾液4℃低溫保存。土樣與浸提溶液比例為1:10，采用連續(xù)流動分析儀測定。

土壤總磷采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—鉬銻抗比色法測定；無機磷分級采用CHANG 等方法[32]分別用0.5 mol/L NH4F溶液提取Al-P、0.1 mol/L的NaOH溶液提取Fe-P、0.3 mol/L檸檬酸鈉和連二亞硫酸鈉溶液提取O-P、0.5 mol/L H2SO4溶液提取Ca-P。有機磷分級采用Bowman-Cole 方法按照有機磷組分在不同濃度酸堿溶液中溶液度分別測定活性、中活性、中穩(wěn)定性和高穩(wěn)定性有機磷含量[33]；土壤含水量105℃烘干測定。

相關參數(shù)計算方法如式(1)～(4)所示。

養(yǎng)分吸收量(kg/hm2)=植株干物質量×養(yǎng)分含量……………………………………………………… (1)

農(nóng)學效率(kg/kg)=(施肥產(chǎn)量-不施肥產(chǎn)量)/施肥量……………………………………………………… (2)

硝態(tài)氮和總磷淋失量的計算采用公式(5)計算。

式中F為淋失量(kg/hm2)，n為地下淋溶次數(shù)，vi為第i次產(chǎn)流水量(L)，ci為第i次產(chǎn)流硝態(tài)氮或總磷質量濃度(mg/L)，S為監(jiān)測單元面積，f為由監(jiān)測單元轉化成公頃換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，單因素(one-way ANOVA)和Duncan 法進行方差分析和多重比較(α=0.05)。利用Excel 2003 軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同處理作物生產(chǎn)力

不同施肥處理對冬小麥—夏玉米輪作產(chǎn)量影響顯著（表5）。冬小麥產(chǎn)量OPT 處理最高，與CK 處理相比，CON、OPT 和SMB 處理產(chǎn)量增幅分別為114.1%～120.1%、122%～128.1%和111.6%～116%差異顯著。冬小麥產(chǎn)量依次為OPT 處理最高，CON 處理次之，SMB處理最低，但是CON和SMB處理之間無差異；不同施肥處理夏玉米產(chǎn)量變化趨勢與冬小麥相似。2年結果OPT 處理產(chǎn)量顯著高于CON 和SMB 處理，CON 和SMB 處理沒有差異。隨著種植季增加第二年冬小麥和夏玉米產(chǎn)量呈增加趨勢，說明秸稈和沼液同步還田與傳統(tǒng)施氮效果相似，SMB處理養(yǎng)分供應能力滿足作物高產(chǎn)養(yǎng)分需求。

表5 不同處理系統(tǒng)作物生產(chǎn)力水平 kg/hm2

2.2 不同處理作物氮磷吸收量

不同施肥處理對冬小麥-夏玉米輪作養(yǎng)分吸收量影響顯著（表6）。冬小麥氮吸收量以OPT 處理最高，由表6 可知與CK 處理相比CON、OPT 和SMB 處理冬小麥氮吸收量分別提高63.5%～64.4%、85.7%～88.8%和37.9%～42.1%。整體上，OPT 處理冬小麥氮吸收量最高，CON處理次之，SMB處理最低，差異顯著。夏玉米氮吸收量分別增加69.2%～71.5%、76.0%～79.2%和43.7%～44.7%；CON 處理夏玉米氮吸收量低于OPT 處理，兩者均顯著高于SMB 處理，但是仍以OPT 處理最高。類似地與CK 處理相比，CON、OPT 和SMB 處理小麥磷吸收量平均分別增加50.3%、55.0%和25.7%；夏玉米磷吸收量平均分別提高79.3%、87.4%和55.8%；CON 和OPT 處理冬小麥和夏玉米磷吸收量顯著高于SMB處理。

表6 不同施肥處理系統(tǒng)氮磷吸收量 kg/hm2

2.3 不同處理氮磷農(nóng)學效率

由表7可知第一年冬小麥CON、OPT和SMB處理氮素農(nóng)學效率分別為12.5、17.8、39.4 kg/kg，第二年分別為12.5、17.8、39.8 kg/kg；SMB處理冬小麥氮素農(nóng)學效率比CON 和OPT 處理顯著高42.4%和217%；夏玉米氮素農(nóng)學效率分別顯著提高50.6%和90.6%；說明SMB 處理將更多氮供給作物從而減少土壤淋失。同樣地，SMB 處理夏玉米磷素農(nóng)學效率比CON 和OPT處理顯著提高22.1%～30.5%和13.5%～17.4%有利于作物吸收降低土壤固定。4個作物季SMB處理氮磷農(nóng)學效率顯著高于CON和OPT處理，OPT高于CON處理。

表7 不同施肥處理系統(tǒng)氮磷農(nóng)學效率 kg/kg

2.4 不同處理土壤硝態(tài)氮濃度

2021 年3 月25 日小麥返青期不同處理硝態(tài)氮濃度為53.5～116.7 mg/L，CON處理顯著高于CK、OPT和SMB處理。2021年玉米季CON和OPT處理顯著高于SMB 處理，SMB 處理比CON 和OPT 處理硝態(tài)氮平均濃度分別降低55.3%和26.3%。2022 年7 月11 日玉米季硝態(tài)氮濃度4個處理為57.2～146.8 mg/L。CON處理均顯著高于CK、OPT和SMB處理。2022年4個處理分別為51.4、102.1、72.9、51.3 mg/L。不同施肥處理土壤硝態(tài)氮濃度差異較大，SMB處理明顯降低。2022年分別比2021年降低10.3%、25%、11.6%和15.6%（圖1）。

圖1 不同處理土壤硝態(tài)氮濃度

2.5 不同處理土壤硝態(tài)氮淋溶量

第一年4個處理硝態(tài)氮淋溶量為10.4～76.8 kg/hm2（表8）。SMB 處理比CON 和OPT 處理分別降低83.6%和69.5% (P<0.05)。第二年硝態(tài)氮淋溶量為9.4～69.6 kg/hm2；SMB處理比CON和OPT處理分別降低81.1%和66.3%(P<0.05)。2年4個處理平均淋溶量分別為9.9、73.2、40.2、12.9 kg/hm2，SMB處理進一步降低。第一年和第二年硝態(tài)氮表觀淋失系數(shù)分別為4.7%～12.2%和4.9%～11.1%，CON、OPT和SMB 3個處理2年平均為11.9%、8.7%和4.8%；隨施肥量減少表觀淋失系數(shù)顯著降低。第二年硝態(tài)氮淋溶量CON 和OPT 處理比第一年降低6.8%，淋失系數(shù)平均降低4.9%。

表8 不同處理土壤硝態(tài)氮淋溶及表觀淋失系數(shù)

2.6 不同處理土壤總磷淋溶量

結果表明4 個處理土壤淋溶液總磷濃度0.03～0.13 mg/L，差異顯著（表9）。第一年總磷淋溶量0.04～0.12 kg/hm2，第二年為0.02～0.07 kg/hm2，差異顯著，第1年總磷淋溶量總體高于第2年水平。2年結果4個處理總磷平均淋溶量分別為0.03、0.10、0.07、0.05 kg/hm2；表觀淋失系數(shù)分別為4.2%～7.2%、3.6%～4.8%和4.6%～5.8%。

表9 不同處理土壤淋溶液總磷濃度及淋溶量

第二年4 個處理土壤無機磷含量在138.0～253.2 mg/kg（表10）。如圖2 所示2 年4 季作物后土壤無機磷均以Fe-P和Ca-P為主，在無機磷中相對含量占比分別為28.5%～40.2%和30.2%～38.6%；Al-P 和O-P占比僅為10%～15.4%和11.9%～25.5%，平均為12.9%和17.5%顯著低于Fe-P 和Ca-P 占比。與CON 和OPT處理相比，SMB處理Al-P、Fe-P、O-P和Ca-P含量分別顯著下降39.7%和30.4%、28.1%和10.4%、14.0%和10.2%、20.8%和14.8%；整體上平均降低25.9%和12.8%。隨著施磷量減少，與CON 和OPT 處理相比，SMB處理土壤Ca-P和Al-P占比明顯下降，F(xiàn)e-P和O-P含量占比上升(P<0.05)。CON、OPT 和SMB 處理各形態(tài)無機磷含量均高于CK處理，特別是Fe-P含量比CK高約40%，Al-P 含量比例下降約13%。土壤有機磷需要礦化為無機磷被植物吸收，與CK、CON和OPT處理相比，SMB處理顯著提高土壤活性和中活性有機磷比例分別為13.1%～56.5%和71.4%～87.6%；中穩(wěn)性和高穩(wěn)定有機磷占比降低40.2%和28.3%(P<0.05)；因此，SMB處理有助于改善土壤有效磷的供應潛力。

圖2 不同施肥處理土壤無機磷和有機磷形態(tài)及相對含量

表10 不同處理土壤無機磷含量及形態(tài)分布 mg/kg

3 討論

本研究通過2年4季田間試驗結果評價沼液和秸稈還田對冬小麥—夏玉米輪作產(chǎn)量和養(yǎng)分效應、淋溶損失及土壤磷形態(tài)的影響。結果表明：沼液和秸稈還田冬小麥和夏玉米產(chǎn)量比常規(guī)施氮和優(yōu)化施氮處理低5.3%，與趙理等研究結果類似[29]，說明秸稈吸附和滯留作用，可以有效地降低氮磷流失有利于提高養(yǎng)分利用率。例如，江蘇高郵沼液秸稈全量還田水稻產(chǎn)量比空白增加23.5%[34]，河南周口地區(qū)等量氮化肥與沼液施用小麥產(chǎn)量相當[35]，山東菏澤黃河沖積平原等氮量小麥秸稈配施沼液與施用化肥的梨樹產(chǎn)量沒有差異[36]。試驗結果的差異性首先是秸稈和沼液類型及還田量不同，其次氣候和土壤類型可能對試驗一致性產(chǎn)生的影響。本試驗區(qū)域土壤粘粒含量較多是沼液和秸稈還田氮磷淋溶較少原因之一。

沼液是有機無機營養(yǎng)和微生物及代謝產(chǎn)物混合體具有營養(yǎng)高、抑菌和抗逆功效[29]。研究表明沼液和秸稈還田對提升稻米品質和產(chǎn)量效果良好[37]。本研究沼液和秸稈氮磷利用率較高，隨著氮磷用量減少，SMB處理氮磷農(nóng)學效率最高，SMB處理冬小麥氮磷回收率最高兩年結果趨勢一致。通過沼液秸稈結合還田有效解決單獨秸稈還田作物生長前期氮素供應不足，確保中后期營養(yǎng)充足供應從而建立穩(wěn)定的生長條件。這與大多數(shù)學者報道沼液和秸稈還田增產(chǎn)同時提高養(yǎng)分利用效率的研究結果一致，主要是沼液還田有利于促進秸稈分解改善土壤結構、保持土壤水分、促進氮素礦化和提高植株葉片光合作用[38]。JIANG等[39]研究發(fā)現(xiàn)秸稈對沼液中PO4--P 和NH4+-N 吸附量達到30 mg/g 和105～146.4 mg/g；因此，秸稈和沼液還田作物產(chǎn)量增加可能是秸稈通過調控養(yǎng)分釋放從而實現(xiàn)氮磷營養(yǎng)的高效利用。

此外，施肥量及灌溉量對土壤淋溶有較大影響[40]。冬小麥種植季降雨量較少，春季隨追肥灌溉1次。第一年降雨量主要集中在7—10月比第二年降雨量高出250 mm導致第二年土壤硝態(tài)氮濃度總體上比第一年低10.3%～25%。除SMB 處理外，CK、CON 和OPT 處理第二年硝態(tài)氮淋溶量均低于第一年試驗結果，表觀淋失系數(shù)也相應降低，說明華北農(nóng)田硝態(tài)氮淋溶主要受降雨量和土壤質地影響。這與馮紹元等[41]發(fā)現(xiàn)降雨強度和作物生長條件一致情況下不同層次土壤硝態(tài)氮殘留量顯著差異，主要是小麥和玉米95%根系生物量主要分布在0～40 cm 土層，植物根系很少吸收根系外圍硝態(tài)氮造成淋溶損失，硝態(tài)氮污染特征與降水季節(jié)變化基本一致。通過土壤硝態(tài)氮殘留結果可知，與CON處理相比，OPT和SMB處理殘留量平均比CON 處理降低78.2%和72.7%，高施氮量可能造成較大的硝態(tài)氮淋溶風險。由于SMB處理施氮量比CON低50%，秸稈氮磷吸附量達到13 mg/kg和2.3 mg/kg導致殘留量遠低于CON 處理[42]。陸文龍等[43]研究重慶茶園暗棕壤秸稈還田發(fā)現(xiàn)氮磷吸附效果為生物炭＞粉碎秸稈＞腐熟秸稈，主要與秸稈表面粗糙與較大比表面積及孔隙數(shù)量有關。同樣地，土壤淋溶磷濃度為0.03～0.13 mg/L，總磷淋溶量為0.02～0.12 kg/hm2，SMB處理總磷淋溶與胡宏祥等[44]室內模擬結果存在差異是單位土體水量不同所致。第一年磷淋溶量高于第2年原因是第一年降雨量大導致土壤含水量高，秸稈還田提高微生物礦化磷的能力導致淋溶風險增加[45]。

植物易吸收利用的Olsen P 含量是衡量土壤供磷能力關鍵指標[46]。本研究SMB 處理總施磷量約是CON 和OPT 處理50%，但是總無機磷濃度分別達到74.1%和87.2%，表明沼液和秸稈有利于解磷菌繁殖促進有機磷向無機磷轉化從而增加Fe-P 和Ca-P 含量。施磷導致土壤pH 下降強化酸性物質與有機磷化學反應，隨著施磷量增加土壤磷吸附的結合位點飽和造成了游離態(tài)磷的淋溶風險[47]。土壤水分促進SMB 處理有效磷活化系數(shù)提高，試驗地鐵鋁離子含量較高導致Fe-P 和Ca-P 濃度增加，施磷引起Fe-P 和Al-P 占比增加；Ca-P 是作物最容易吸收組分導致占比下降[47]。施磷導致土壤穩(wěn)定態(tài)有機磷比例增加，而SMB處理則促進活性有機磷向無機磷轉化。因此，沼液和秸稈還田效果應考慮微生物對磷周轉的潛在影響機制。

4 結論

本研究SMB 處理冬小麥—夏玉米輪作平均產(chǎn)量達到OPT 處理95%，氮磷農(nóng)學效率提高20%?？傮w上，SMB處理硝態(tài)氮淋溶量比施氮處理降低77.3%，表觀淋失系數(shù)僅4.83%；硝態(tài)氮殘留量為施氮處理28.9%。SMB處理總磷淋溶量為0.045 kg/hm2，0～20 cm土壤無機磷濃度為常規(guī)施磷80.7%，F(xiàn)e-P 和Ca-P 占無機磷總量比例達到80%以上；土壤活性和中活性有機磷占55.8%顯著高于常規(guī)施磷34.2%，極大地促進了有效磷的周轉效率。因此，沼液和秸稈同步還田提供的養(yǎng)分可有效地替代化肥施用。