氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境

Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第八篇 ·

　　▎论文ID

　　Effects of Substitution of Mineral Nitrogen with Organic Amendments on Nitrogen Loss from Sloping Cropland of Purple Soil

　　有机改良肥替代矿质氮对紫色土氮素损失的作用

　　发表年份：2022年

　　第一作者：朱波

　　通讯作者：朱波 

　　邮箱：bzhu@imde.ac.cn

　　作者单位：中国科学院成都山地所山地表生过程与生态调控重点实验室；中国科学院成都山地灾害与环境研究所。

　　Cite this article :

　　Bo ZHU, Zhiyuan YAO, Dongni HU, Hamidou BAH. EFFECTS OF SUBSTITUTION OF MINERAL NITROGEN WITH ORGANIC AMENDMENTS ON NITROGEN LOSS FROM SLOPING CROPLAND OF PURPLE SOIL. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 396‒406 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022456

· 文 章 摘 要 ·

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　　紫色土在长江上游分布广泛，其氮素损失将会对环境造成严重危害。因此，本文研究了在四川盆地紫土小麦-玉米轮作系统中，四种有机肥替代处理的氮素流失规律，包括100%有机肥（OM）、用猪粪替代30%矿质氮（OMNPK）、用作物残茬替代15%矿质氮（CRNPK）、加标准矿质肥（NPK）和不施肥处理（CK）。累积的水文氮损失每公顷可高达45千克。壤中流占总氮损失的90%，其次是沉积物和地面径流损失。研究发现，紫色土氮素淋失较高，可能是氮素淋失的热点之一。与NPK制度相比，有机替代制度减少了30%–68%的水文氮流失总负荷。此外，有机肥替代还可以维持作物的年产量，并将产量尺度下总水文氮损失降低18%–71%。综上所述，长期施用有机肥替代矿质氮可以维持较高的作物生产力，减少环境氮损失，因此推荐上述方法作为紫土区降低农业面源污染风险的良好氮肥管理措施。

· 文 章 亮 点 ·

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　　1. 壤中流是氮损失的主要途径。

　　2. 紫土区是中国硝态氮淋溶的热点地区。

　　3. 有机肥料替代矿质氮可以作为农田氮素管理的最佳措施。

· Graphical abstract ·

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· 研 究 内 容 ·

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　　▎引言

　　过量施用矿物氮肥导致环境中活性氮的积累，引起氮失衡和农业面源污染等环境问题。有机肥或改良剂替代矿质氮，是减少矿质氮使用、提高氮肥利用率（NUE）和增加农业可持续性的有效途径。近年来，有机改良剂替代无机氮受到了更多的关注和应用。四川盆地是长江上游的主要农业区，紫色土分布广泛。紫色土是由紫色砂质和页岩发育而成的一种土壤，其特征是结构粗糙、渗透性高、壤中流氮素流失严重，也是长江上游农业面源污染的重要土壤类型。氮素面源污染的主要途径包括地面径流、沉积物和壤中流的氮流失，而有机肥替代无机肥可以减少紫色土中氮素流失。本研究拟采用有机肥替代无机肥的处理，研究其对作物生产力，以及氮素流失形式、途径和通量的影响，从而评价其农艺和环境效应，以优化紫色土农田氮素管理措施。

　　▎材料与方法

　　在采集水样和沉积物样本之前，在四个不同的位置测量了每个测量水箱中的水位。在500毫升的清洁聚乙烯瓶（图1）中收集地面径流水、内流水和水沙混合样品，并在每次降水事件后没有水流动的情况下从不同的池中取水。所有水样和沉积物样品在采样前在池中充分混合，以确保均质性。

图1 本研究中使用的自由排水蒸渗仪示意图

　　▎研究结果

　　地面径流年平均流量和壤中流流量在有机改良肥处理间差异显著（图2）。2016年、2017年和2018年的地面径流年平均流量分别为51.4毫米、18.7毫米和20.2毫米，而2016年、2017年和2018年的年壤中流平均流量分别为155.4毫米、30.3毫米和59.3毫米（图2）。按年平均值计算，在三个观测年中，壤中流流量是径流流量的三到四倍。OM、NPK、OMNPK和CRNPK的径流排放量分别占实验期总排放量的25.3%、31.8%、21.8%和14.2%（图3）。与NPK处理相比，在壤中流流量相同的情况下有机替代处理（OM和CRNPK）分别显著减少了20.4%和55.4%的地表径流（图3）。有机替代处理的产沙量（OM、OMNPK和CRNPK）分别比NPK减少62.4%、47.4%和86.2%（图3）。

图2 2016–2018年试验期间，五种施肥模式下地表径流和内流的年平均径流量

图3 2016–2018年5种施肥模式下紫色土径流、壤中流和产沙量的年平均累积流量

　　在所有年份和处理中，铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3−-N）和颗粒态氮（PN）通过径流的年损失量分别约为4.2%、26.6%和59.3%，而通过壤中流的损失分别约为0.4%、63.6%、25.7%和10.3%。结果表明，硝态氮（NO3−-N）损失在各种氮形态损失中占比最高（图4）。在所有处理中，总氮年累积损失分别来自径流的7%、沉积物的8%和壤中流的85%（图5）。有机替代体系（OM、OMNPK和CRNPK）的累积总氮损失量比NPK体系分别减少29.6%、32.8%和67.8%（图5）。

图4 2016–2018年，5种施肥制度下的地表径流（a–c）和壤中流（d–f）中氮的年损失通量

图5 紫色土5种施肥制度下地表径流、产沙量和径流中总氮的年均累积损失通量

　　冬小麦和夏玉米的年平均生物量每公顷分别为2.14–5.91兆和2.65–6.38 兆，有机肥处理的小麦生物量显著高于其他施肥处理。NPK的氮素损失系数最高，显著高于有机替代肥料（OM、OMNPK和CRNPK）。有机改良肥（OM、OMNPK和CRNPK）部分替代无机氮肥可使氮素产量损失分别减少47.4%、17.9%和71.4%。

　　▎讨论

　　通过径流的总氮损失负荷远低于壤中流，年平均损失量仅占总水文损失量的8%。硝态氮（NO3−-N）是壤中流中主要的氮流失形式，约占总氮负荷的64%（图4），这可能部分归因于紫色土的硝化作用增强，紫色土很容易在短时间内将氨转化为硝酸盐。硝酸盐随后可能在麦季大量积累在土壤剖面中，导致紫土区的氮素淋失量远高于我国其他地区。紫土区浅层地下水更容易受到硝酸盐污染，而紫色土的径流是农村饮用水的主要来源。此外，通过壤中流流失的硝酸盐比通过地表径流流失的高10倍。因此，壤中流是紫色土氮素流失的主要途径，这可能也是紫土区面源污染的主要机制。综上所述，紫土区是我国硝酸盐淋溶的热点地区，会造成面源污染并对当地饮用水安全带来威胁。

　　用100%、30%和15%的有机添加物替代无机氮显著降低了氮损失负荷（图5）。与NPK处理相比，有机替代处理的土壤硝酸盐含量峰值约低50%。这可能是由于和硝化作用相关的微生物活动受到了抑制，从而减少土壤硝化作用。因此通过有机添加物替代矿物氮，可降低作为淋溶底物的硝酸盐含量。此外，与NPK处理相比，有机添加物替代无机氮显著减少了径流排放（图2），这是氮淋失的主要途径。这表明有机氮替代不仅可以减少土壤累积基质量，同时还可以减少径流排放量，从而降低氮素流失负荷。有机替代施肥可以提高或保持作物产量，这可以用猪粪和作物残渣的有机改良物促进酶活性的整个养分供应来解释。因此，微生物群落的结构和丰富度可能得到改善，从而增强作物吸收氮的能力和增加NUE。有机替代施肥方案不仅成功地减少了地表径流和沉积物中的氮损失，还减少了壤中流损失。

　　▎结论

　　冬小麦-夏玉米轮作期间，紫色土每年总氮累积流失量较高（每公顷45千克）。85%以上的总氮损失是由径流造成的。紫土区由于其巨大的负荷量和负面的环境效应，被认为是我国氮素淋失的热点地区。有机添加物替代矿质氮不仅成功地保持了作物的生产力，而且通过平衡土壤硝酸盐积累和作物氮素吸收之间的矛盾减少了氮素损失。与标准矿物NPK施肥相比，用有机添加物（OM、OMNPK和CRNPK）替代矿物氮肥可显著减少产量规模的氮损失。本研究的结果表明，有机肥可以作为紫土区氮肥管理的最佳策略，也可以推广到无机肥“零增长”的实践中。

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