水稻小麥種植模式下長期定位施肥土壤氮的垂直變化及氮儲量

李雙來，胡誠*，喬艷，陳云峰，劉國際，石紅磊

1. 湖北省農業科學院植保土肥研究所//農業部武漢黃棕壤生態環境重點野外科學觀測試驗站，湖北 武漢 430070；2. 湖北生物科技職業學院，湖北 武漢 430070

氮素是限制作物生長的重要元素之一，研究氮素的遷移、轉化與沉積，對于保護環境，減少氮的淋溶，減少溫室氣體的排放，增加作物的產量，促進農業的可持續發展具有重要的意義[1]。

研究土壤碳沉積的文章較多，例如姜勇等[2]研究了潮棕壤不同利用方式有機碳剖面分布及碳儲量，吳建國等[3]研究了土地利用變化對土壤有機碳貯量的影響，但是對土壤氮沉積的研究較少，往往被人們所忽視，僅見Zhang等[4]報道了潮棕壤不同利用方式土壤氮的垂直變化及氮儲量。氮不僅是作物吸收的重要大量元素，氮淋溶到地下水中，是重要的地下水污染源，農田排放的氧化亞氮是重要的溫室氣體之一[5]，都與氮的沉積有關。因此，研究不同的施肥方式對土壤氮儲量的影響，提出增加氮儲量的方法，無論是從增加作物產量還是環境保護，開展氮沉積的研究具有重要的意義。

1 材料與方法

試驗設在湖北省武漢市湖北省農業科學院南湖試驗站內（北緯 30o28′，東經 114o25′），試驗區為北亞熱帶向中亞熱帶過渡型的地理氣候帶，光照充足，熱量豐富，無霜期長，降水充沛。年平均日照時數為2080 h，日平均氣溫≥10 ℃的總積溫為5190 ℃，年降雨量1300 mm左右, 年蒸發量1500 mm，無霜期 230～300 d。土壤類型為黃棕壤發育的黃棕壤性水稻土，屬潴育水稻土亞類，黃泥田土屬。地形為壟崗平原，海拔高度20 m。提水灌溉，排灌方便。

長期定位試驗于 1981年種植水稻時開始，屬于全國化肥試驗網布置在長江流域稻麥兩熟區的無機與有機肥料長期定位試驗。試驗開始時的耕層土壤(0～20 cm)有機質含量為27.43 g·kg-1，全氮含量為 1.801 g·kg-1，w(C)/w(N)為 8.83，全磷含量為1.004 g·kg-1，全鉀含量為 30.218 g·kg-1，堿解氮含量為 150.7 mg·kg-1，銨態氮含量為 9.4 mg·kg-1，速效磷含量為 5.00 mg·kg-1，速效鉀含量為 98.5 mg·kg-1，pH值6.3。試驗共設9個處理：（1）不施肥對照（CK），（2）氮肥（N），（3）氮磷肥（NP），（4）氮磷鉀肥（NPK），（5）常量有機肥（M），（6）氮肥+常量有機肥（NM），（7）氮磷+常量有機肥（NPM），（8）氮磷鉀+常量有機肥（NPKM），（9）氮磷鉀+1.67倍有機肥（NPKM'）。田間試驗設3次重復，試驗小區隨機區組排列，小區面積40 m2（8 m×5 m），小區之間用40 cm深的水泥埂隔開, 每個重復之間有40 cm寬的水泥排水溝。化肥用量為每年施用純N 150 kg·hm ，P2O575 kg·hm ，K2O 150 kg·hm-2, N∶P2O5∶K2O 的質量比為 2∶1∶2。有機肥料為鮮豬糞，堆置田頭一周后施用，豬糞含N 15.1 g·kg-1，P2O520.8 g·kg-1，K2O 13.6 g·kg-1，H2O 69%。中稻（Oryza sativa L.）與小麥（Triticum aestivum L.）常規施用量都是 11250 kg·hm-2，加倍施用量都是18750 kg·hm-2，豬糞含碳 262.18 g·kg-1，N 15.1 g·kg-1，P2O520.8 g·kg-1，K2O 13.6 g·kg-1，H2O 69%，C/N為 17.36。中稻化肥施肥量占全年施肥量的60%，小麥化肥施肥量占全年施肥量的40%，有機肥施用量水稻與小麥相同，采用冬小麥夏水稻種植模式。肥料的施用方式在水稻和小麥上磷鉀肥及有機肥均采用移栽播種前一次全層基施，氮肥在水稻上基肥40%、分蘗肥40%、穗肥20%, 在小麥上基肥50%、臘肥25%、拔節肥25%。其中氮肥以尿素與磷酸一銨形式施入（尿素 N 46%），磷肥以磷酸一銨形式施入（N 10%，P2O546%），鉀肥以氯化鉀形式施入（K2O 60%）。水稻和小麥收獲后地上部分全部帶走。

2006年中稻收獲后，翻地種植冬小麥之前取樣，從0~100 cm分5個層次（0~20 cm, 20~40 cm,40~60 cm, 60~80 cm和80~100 cm），每20 cm一個層次取樣，每個處理取一個剖面。土壤容重采用環刀法測定，土壤全氮采用半微量凱氏法測定。

土壤全氮儲量的計算公式如下[4]：

式中，STN為特定深度的土壤全氮儲量（t·hm-2），Ni為第 i層土壤全氮含量 g·kg-1，ρi為第i層土壤容重g·cm-3，Ti為第i層土壤厚度cm，n為土層數。數據分析用EXCEL軟件進行，在P < 0.05水平被認為有顯著的差異。

2 結果與分析

2.1 長期定位施肥對土壤容重的影響

不同深度土壤容重數據見表 1，與對照相比，0~20 cm土層單施化肥與有機肥土壤的容重下降；化肥添加有機肥比相應的單施化肥的容重要低一些。除了單施氮肥及有機肥配施氮磷肥之外，其它處理都是土壤容重從0~20 cm到20~40 cm有所升高，到更深的土層又有所下降。通過兩因素方差分析可以看出處理之間土壤容重差異不顯著，但是不同的深度之間差異顯著（表2）。

2.2 長期定位施肥土壤全氮的垂直分布

除了對照之外，其它處理都是0~20 cm土層土壤全氮含量高于其它土層，氮肥配施有機肥處理0~20 cm土層土壤全氮含量最高（表3）。除了氮磷鉀肥配施過量有機肥處理外，化肥配施有機肥處理土壤的全氮含量都高于單施化肥或單施有機肥，20~40 cm土層土壤全氮含量具有相似的規律。通過兩因素方差分析可以看出處理之間土壤全氮含量差異不顯著，但是不同的深度之間差異顯著（表2）。

表1 不同施肥處理的土壤容重Table 1 Soil bulk density in different treatments and depths g·cm-3

表2 不同施肥處理各深度土層全氮含量兩因素方差分析Table 2 Two way ANOVA analysis of soil total nitrogen in different treatments and depths

表3 不同施肥處理不同深度土壤全氮含量Table 3 Soil total nitrogen concentration in different treatments and depths g·kg-1

2.3 長期定位施肥土壤全氮儲量

在0~20 cm土層，與對照相比，單施氮肥及氮磷肥不能增加土壤全氮儲量，但是與對照相比，化肥配施有機肥增加了土壤全氮的儲量，單施氮磷鉀肥及有機肥也能夠增加土壤全氮的儲量。除了氮磷鉀肥配施過量有機肥處理外，化肥配施有機肥處理0~20 cm土層土壤全氮儲量都高于單施化肥或單施有機肥（圖1）。在0~20 cm土層，氮肥配施有機肥處理的土壤全氮儲量最多，達8.82 t·hm-2，而儲存全氮最少的為氮肥處理，僅為5.38 t·hm-2。

在100 cm深度，各處理土壤全氮的儲量的順序為NPKM'> NPM> NM > NPKM> CK> NPK> N>M> NP。與單施化肥及單施有機肥相比，化肥配施有機肥都增加了土壤全氮的儲量。氮磷鉀肥配施過量有機肥的土壤儲存的全氮最多，達28.88 t·hm-2，而儲存全氮最少的為單施氮磷處理，僅為 18.66 t·hm-2。20~100 cm 土層土壤全氮的儲量具有與0~100 cm土層全氮儲量相似的趨勢。通過兩因素方差分析可以看出處理之間土壤氮儲量差異不顯著，但是不同的深度之間差異顯著（表2）。

圖1 不同施肥處理土壤全氮儲量Fig.1 Total nitrogen storage at 0-20 cm, 20-100 cm and 0-100 cm layer under different treatments

3 討論與結論

長期定位肥料試驗的結果顯示，與對照相比，所有的施肥處理都降低了土壤的容重，有機肥及有機肥配合化肥處理比單獨化肥處理降低的幅度大一些。胡誠等[1]也報道長期施用化肥能夠降低土壤的容重，長期施用有機肥土壤容重顯著下降。Gong等[6]報道河南豐丘長期定位肥料試驗具有相似的結果，長期施用化肥與有機肥能夠降低土壤的容重，施用有機肥處理土壤容重顯著下降。主要的原因是無論是施用無機肥還是有機肥都增加了作物殘茬，從而增加了土壤生物的活性，降低了土壤的容重。

與對照相比單施氮肥或單施氮磷肥不能夠提高土壤耕作層(0~20 cm)的土壤全氮含量，這與Mandal等[7]在印度的試驗結果不同，他報道與對照相比長期單施氮肥與氮磷肥顯著提高土壤耕層(0~15 cm)全氮含量。胡誠等[1]也報道長期單施化肥能夠提高土壤耕層(0~20 cm)全氮含量，長期施用有機肥顯著提高土壤耕層全氮含量。Blair等[8]報道長期單施氮磷肥提高了土壤耕層(0~15 cm)的全氮含量，但是增幅較小，而長期單施有機肥則增幅達到顯著水平，主要的原因是施肥增加了作物產量的同時增加了根的生物量[7]。

除了對照之外，其它處理都是0~20 cm土層土壤全氮含量高于其它土層，Omonode和Vyn報道農田土壤全氮含量耕層(0~15 cm)高于其它土層，主要是表層具有更大的根系殘留。在土壤的耕層(0~20 cm)，有機肥配施化肥處理的土壤氮儲量高于單施化肥或單施有機肥的處理，氮儲量高反映了土壤持續的供氮能力，有利于土壤肥力的保持。

因此，通過長期的肥料定位試驗，從提高土壤肥力，增加作物產量，保護環境，促進農業的可持續發展，增加土壤氮的固定，減少氮的損失，我們提倡農業生產上無機肥與有機肥配合施用。

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