八年有机耕作中消化液与未处理牛浆液的硝酸盐淋溶无差异

《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：No difference in nitrate leaching between digestates and untreated cattle slurry over eight years of organic arable farming

　　

摘要

有机肥常导致硝酸盐（NO3?）淋溶并损害饮用水水质，因为施入的有机氮（N）矿化往往与作物N吸收不同步。研究人员在温带气候条件下，于瑞士苏黎世的一个蒸渗仪设施中，在两个连续四年期的有机管理轮作周期内，研究了作物产量、作物N吸收、渗漏水及NO3?淋溶。该研究比较了未处理牛浆液、厌氧消化浆液、来自非农业沼气厂的液体消化液，以及一个零氮施肥对照。有机肥的铵态氮（NH4-N）组分以15N示踪剂标记，以研究NH4-N在植物-土壤-水分系统中的去向。有机施肥显著提高了作物产量和N吸收，尽管消化液的NH4-N比例较高，但各有机肥之间无差异。年平均NO3?淋溶量较低（12–18 kg N ha?1），且未因有机施肥而增加，表明N输入与作物N吸收相平衡。消化液与未处理牛浆液在NO3?淋溶方面无差异。模型模拟的较高氨（NH3）排放表明，消化液的N损失可能主要通过NH3挥发而非NO3?淋溶发生。15N回收结果显示，施用的NH4-N中约1%通过NO3?淋溶损失，23–31%被作物回收，18–23%保留在表土中。这些结果强调了作物N吸收的重要性以及土壤作为肥料来源N长期库的作用，而有机肥NH4-N组分的直接NO3?淋溶仅起次要作用。

**八年有机耕作下消化液与未处理牛浆液的硝酸盐淋溶无差异——论文解读**

**一、研究背景与科学问题**

硝酸盐（NO3?）向地下水淋溶是全球农业面临的重大环境挑战之一。NO3?不仅直接损害饮用水水质，还会通过反硝化过程产生温室气体氧化亚氮（N2O），并导致地表水体富营养化。农业生产中的NO3?淋溶受多种因素调控：一方面包括作物管理、肥料类型和施用量等人为因素；另一方面受土壤类型、蒸散量以及降水的量和分布等自然因素影响。在温带气候条件下，由于秋季和冬季渗漏量大、蒸散量低且作物N吸收少，土壤中的氮素极易发生淋溶损失。特别是畜牧业密集地区，过量粪肥施用造成的NO3?淋溶问题尤为突出。

有机农业旨在通过禁止合成矿物氮肥和改进养分循环来减少集约农业的负面影响，但有机系统通常产量较低，主要原因是有机作物可利用的矿质氮形态有限。作为有机农业中唯一允许的肥料来源，有机肥因碳氮比（C/N比）和可植物利用的铵态氮（NH4-N）比例不同，氮利用效率（NUE）存在显著差异。粪肥相比矿物肥料被认为会导致更高的NO3?淋溶，因为有机结合态N的矿化与作物吸收存在异步性。尽管短期粪肥的NO3?淋溶可能很低，但长期施用粪肥会增加土壤有机N库，进而增加长期淋溶风险。

厌氧消化被提出可作为提高NUE和减少氮素环境损失的手段，因为与传统未处理液态粪肥相比，厌氧消化提高了植物有效态N的比例。消化过程可增加NH4-N比例、降低有机碳和有机N含量、提高pH值，但高pH同时增加了氨（NH3）挥发风险。已有研究对消化液影响NO3?淋溶的结论不一：有研究表明消化液与未消化有机肥淋溶相近、降低或甚至增加淋溶。鉴于消化液组成受原料和共底物输入影响很大，有必要在长期田间条件下系统评估不同来源消化液的环境效应。基于上述背景，研究人员提出假设：与未处理牛浆液相比，施用厌氧消化液态有机肥可a)提高NUE并b)减少NO3?淋溶。

**二、研究开展情况与主要结论**

本研究利用位于瑞士苏黎世的Agroscope蒸渗仪设施，于2018至2025年间开展了连续两个四年期有机管理轮作试验。蒸渗仪内含取自瑞士格拉芬里德的Cambisol原状土柱，面积1 m2，有效土深1.35 m，底部铺设三层不同粒径石英砂以防止渍水。试验采用完全随机设计，设3个重复，比较了未处理牛浆液（SLU）、厌氧消化浆液（SLA）、非农业沼气厂液体消化液（LID）和零氮对照（NON）四个处理。轮作制度包括玉米、冬小麦、冬大麦和饲草混播，并遵循Bio Suisse有机标准管理。研究人员在2018、2019和2024年三个年份用（15NH4）2SO?标记肥料的NH4-N组分至7 atom% 15N过量，追踪肥料来源N在作物、渗漏水和土壤中的去向，并在毗邻的Wallbach田间试验中设立15N标记微区进行辅助验证。研究定期采集渗漏水测定NO3-N浓度，收获期测定作物产量和N吸收，试验结束时采集蒸渗仪和田间土壤样品分析15N回收，并用ALFAM2模型模拟施用时的NH3排放。

研究表明，有机施肥显著提高了作物干物质产量和N吸收，但消化液与未处理牛浆液之间无明显差异。年平均NO3?淋溶为12–18 kg N ha?1，处于较低水平，且有机施肥未增加淋溶，说明N输入与作物吸收基本平衡。消化液在NO3?淋溶方面与未处理浆液无显著差异，但模型模拟显示消化液NH3排放更高，提示其N损失可能主要通过NH3挥发而非NO3?淋溶。15N示踪结果显示，施用的NH4-N仅约1%通过NO3?淋溶损失，23–31%被作物回收，18–23%保留在表土中，表明土壤是肥料来源N的重要长期库。该研究论文发表在《Nutrient Cycling in Agroecosystems》。

**三、主要关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：①蒸渗仪原状土柱法，利用1 m2面积、1.35 m深度的Cambisol原状土柱在自然气候条件下长期监测渗漏水量和NO3?淋溶；②15N同位素示踪技术，以（15NH4）2SO?（99 atom%）将肥料NH4-N组分标记至7 atom% 15N过量，结合15N扩散技术和元素分析-同位素比质谱联用（EA-IRMS）测定各组分15N丰度；③ALFAM2模型（版本4.2.14），基于肥料特性、气象数据模拟施用后72小时内NH3排放；④线性混合效应模型，以年份和小区为随机效应，采用Tukey HSD进行多重比较，评估处理对产量、N吸收、NUE、渗漏水和NO3?淋溶的效应。样本来源方面，蒸渗仪土壤为2008年采集自瑞士伯尔尼州格拉芬里德的Cambisol；SLU肥料取自瑞士西北部有机农场，SLA来自农业沼气厂，LID来自处理城市绿色废弃物和有机生活垃圾的非农业沼气厂。

**四、研究结果**

**4.1 作物产量、N吸收和氮利用效率**

有机肥料（SLU、SLA、LID）在整个试验期间相比NON显著增加了干物质产量和N吸收（p < 0.05）。固定效应的边际R2较低（产量R2m = 0.29，N吸收R2m = 0.22），而条件R2较高（产量R2c = 0.86，N吸收R2c = 0.84），表明年份和小区等随机效应解释了大部分变异。虽然LID的累积干物质产量和N吸收为三个肥料处理中最低，但肥料处理间无显著差异。冬小麦和饲草的干物质产量和N吸收在有机施肥下显著提高，冬大麦仅SLA与NON差异显著，玉米因两个轮作期间差异大而未表现出显著处理效应。三种肥料的表观NUE无显著差异，固定效应仅解释5%的变异（R2m = 0.05）。

**4.2 八年渗漏水和NO3?淋溶**

NON处理的累积渗漏水量最高（3831 mm），显著高于三个肥料处理（3084–3202 mm），有机肥处理间无显著差异。NON的年均渗漏水量为479 mm yr?1（占年降水量的46%），肥料处理为386–400 mm yr?1（占38–39%）。八年累积NO3?淋溶以SLA最高（145.6 kg N ha?1），SLU为133.9 kg N ha?1，NON为127.4 kg N ha?1，LID最低（96.4 kg N ha?1），且LID显著低于SLA。年平均NO3?淋溶SLA为18 kg N ha?1，LID为12 kg N ha?1，NON为16 kg N ha?1。混合效应模型显示处理固定效应仅解释NO3?淋溶变异的3.5%（R2m = 0.035），而随机效应解释了大部分变异（R2c = 0.803）。

**4.3 渗漏水和NO3?淋溶的季节性规律**

渗漏水量、NO3-N浓度和NO3-N淋溶呈明显季节性规律：冬季最高、夏季最低。所有季节中NON的渗漏水量均显著高于液态有机肥处理，有机肥处理间无季节差异。冬季SLU和SLA的NO3-N浓度高于LID，但与NON无差异；冬季SLU和SLA的NO3-N淋溶量显著高于LID，春季NON显著高于LID。试验前五年（2018–2023）各处理淋溶差异与渗漏水模式一致，排序为LID < SLU < SLA < NON，但2023年后肥料处理淋溶增加比例大于NON。2021年夏至2023年秋，因渗漏水中NO3-N浓度接近零，各处理NO3?淋溶均极低（< 2 kg N ha?1 yr?1）。

**4.4 肥料来源NH4-N在作物中的15N回收**

作物中来源于肥料NH4-N的氮（Ndffa）在标记当年最高，随后残留年份大幅下降。标记当年Ndffa范围为4.5 kg N ha?1（SLU，2018）至31.3 kg N ha?1（SLA，2019），NH4-N回收率为6.8%（SLU，2018）至38.3%（SLA，2024），各标记年均表现为SLU < LID < SLA，其中2018和2019年SLU与SLA差异显著。标记后第一残留年（2020）回收率低于3%，第二残留年（2021）因饲草高N吸收维持在约3%，随后进一步下降至2023年的约1 kg N ha?1。2025年（2024年标记后第一残留年）饲草的回收率为5–7%。除种植饲草的2021和2025年SLU显著高于其它处理外，残留年份各处理间无显著差异。

**4.5 渗漏水中肥料来源15N**

八年间渗漏水中回收的15N总量很低：SLA为3.0 ± 0.6 kg N ha?1，SLU为2.4 ± 0.3 kg N ha?1，LID为2.3 ± 0.8 kg N ha?1，处理间无显著差异。年份对渗漏水15N回收有显著影响，在15N标记年份（2019、2024）回收量最高但绝对值仍小于1 kg N ha?1。2018年标记当年未观察到直接淋溶，而在次年才出现。15N淋溶呈明显季节趋势：施用后春季直接淋溶很少，夏季虽有渗漏水但几乎无15N淋溶，冬季淋溶增加。

**4.6 蒸渗仪土壤中15N回收**

八年后，有机肥处理表土（0–0.2 m）的土壤有机碳和N浓度高于NON，表明无有机肥输入时土壤有机碳和N浓度下降。表土中回收的15N标记NH4-N量为SLU 44.9 kg N ha?1至LID 48.5 kg N ha?1，相当于施用NH4-N总量的18.2–23.2%。

**4.7 NH4-N平衡**

NH4-N平衡表明，各处理通过NO3?淋溶的损失仅为2–3 kg N ha?1（占施用NH4-N的约1%）。土壤回收约占20%（SLU 23.2%，SLA 18.2%，LID 21.5%），而NH3损失和作物吸收在处理间差异较大。LID的NH3挥发损失最高（61.9 kg N ha?1，占27.4%），SLU的土壤回收最高（44.9 kg N ha?1，23.2%），SLA的作物回收最高（79.1 kg N ha?1，31.1%），且LID的NH3挥发显著高于SLU。所有处理均呈正NH4-N平衡（SLU 73.6 kg N ha?1，SLA 66.9 kg N ha?1，LID 55.4 kg N ha?1），未平衡部分可能主要来自反硝化损失（N2O和N2）及向更深土层的迁移。

**4.8 田间试验土壤15N回收**

田间试验中，肥料来源NH4-N向深层土壤迁移量很小。2025年取样时，2018年标记的微区（MP18）在0–0.2 m和0.2–0.4 m两层仍回收大部分15N，0–0.2 m层以SLU回收最高（4.9 kg N ha?1），深层（0.4–1.0 m）各处理回收均低于0.4 kg N ha?1。2019年标记的微区（MP19）同样在浅层回收最多，全剖面回收为LID 7.0 kg N ha?1至SLA 9.0 kg N ha?1。2024年标记的微区（MP24）在第一残留年0–0.2 m层回收为SLA 35.9 kg N ha?1、SLU 23.6 kg N ha?1，深层迁移均低于0.7 kg N ha?1。

**五、讨论与结论**

研究表明，蒸渗仪上施肥处理的产量可代表瑞士有机农业系统水平，但蒸渗仪设计对作物表现有双向影响：草地环境改善通风降低病害压力，但增加蒸散加剧干旱胁迫。消化液并未因NH4-N比例更高而持续提高NUE，因为较高的pH和干物质含量增加了NH3挥发损失，抵消了NH4-N优势。本研究的年平均NO3?淋溶（12–18 kg N ha?1）低于瑞士农田参考值（38 kg N ha?1）和欧洲有机耕作系统的报道值（19–24 kg N ha?1），在试验施氮量下有机施肥未增加NO3?淋溶。消化液之间的淋溶差异受共底物类型影响显著，LID因NH3挥发损失更多而NO3?淋溶降低，存在污染物转移效应。土壤有机N库在N循环中起主导作用：未施肥处理的NO3?淋溶与施肥处理相当，约20%的肥料NH4-N残留在土壤中，而直接来自肥料NH4-N的淋溶仅占1%。NH4-N平衡中未计入的部分可能主要为反硝化损失，且未处理浆液因易降解碳含量高可能比消化液具有更高的反硝化损失。

**结论**：八年间，有机施肥在不增加NO3?淋溶的情况下提高了植物N吸收和干物质产量。但集约系统的施氮量通常高于本研究水平，可能增加NO3?淋溶风险。所研究的消化液在减少NO3?淋溶或提高作物NUE方面并未比未处理牛浆液表现出明显优势。有机肥施用对施用当年NO3?淋溶影响甚微，表明NO3?淋溶主要受土壤有机N库控制，该库保留了约20%的施用NH4-N。相比之下，消化液在施用时造成较高的模型模拟NH3损失，可能降低表观NUE并导致NH3挥发与NO3?淋溶之间的污染转移。累积NO3?淋溶和渗漏水15N回收量均很小，表明与NH3挥发和反硝化损失相比，NO3?淋溶是相对次要的肥料N损失途径。研究结果强调，需将土壤中保留的肥料来源N的长期再矿化纳入作物和场地特异的施肥策略中，以在优化生产力的同时尽量减少NO3?淋溶形式的N损失。有机肥施用还应配合维持永久土壤覆盖的管理措施，特别是在温带气候下NO3?淋溶风险最高的冬季。未来研究应关注有机肥的长期（> 20年）施用及其相关的N矿化动态，以改进NO3?淋溶预测，支持可持续的肥料管理。