長期施肥對紅壤旱地剖面硝態氮累積的影響

黃 晶 ，王伯仁 ，劉宏斌 ，秦 琳

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.祁陽農田生態系統國家野外試驗站，湖南 祁陽 426182）

中國是世界上最大的氮肥消耗國，但氮肥的利用率僅為30%～40%[1]。關于土壤氮素的淋失，從不同施肥狀況、肥料種類、土壤性質、耕作方式、作物種類和種植方式等因素對農田氮素淋溶損失的影響都有研究，特別是對土壤NO3--N淋失研究相對較多[2～8]。中國南方大面積分布的紅壤具有酸性強、養分含量低等特點，同時由于其地處熱帶、亞熱帶，降雨量大且分布不勻，土壤持水保肥性能較差，營養元素易遭淋失[9]。南方是我國糧食作物的主產區，且肥料的投入量逐年增加，因此，開展肥料合理施用和提高肥料利用率的研究極為必要。對南方丘陵區紅壤旱地18 a長期試驗不同施肥處理土壤剖面硝態氮含量進行了研究，為有效控制氮素淋溶損失，優化農業面源污染的管理與控制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗設計

研究在中國農業科學院紅壤實驗站（北緯26°45′12″，東經 111°52′32″）內的國家紅壤旱地肥力與肥料效益監測基地進行，供試土壤為第四紀紅土發育的旱地紅壤。海拔高度120 m左右，年平均溫度18.0℃，年均降雨1 296 mm，年蒸發量1 470 mm，無霜期292 d。

國家紅壤旱地肥力與肥料效益監測試驗開始于1990年，共設12個處理，兩次重復。小區面積200 m2，各小區之間用100 cm深水泥埂隔開，無灌溉設施，不灌水，實行冬小麥－夏玉米輪作。研究選取了（1）對照不施肥（CK）；（2）氮磷（NP）；（3）氮鉀（NK）；（4）氮磷鉀（NPK）；（5）常量氮磷鉀 + 常量有機肥（NPKM）；（6）增量 50%氮磷鉀 +增量 50%有機肥（1.5NPKM）；（7）撂荒（CK0）7個處理進行測定。冬小麥和夏玉米的肥料用量分別占施肥總量的30%和70%，在作物播種前做基肥一次施入。各處理的施肥量見表1，在施用有機肥料處理中，有機氮占70%，化肥氮占30%，有機肥料為豬糞。

表1 不同處理施肥量設置 （kg/hm2）

1.2 測定項目及方法

2008年9月6日，每小區按 0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm分5個層次采集土樣，新鮮土樣采回后分2份，一份用烘干法測定土壤含水量，另一份用蒸餾水浸提-酚二磺酸比色法測定硝態氮含量[10]。

1.3 數據分析

試驗數據采用EXCEL和SPSS13.0進行數據統計分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理硝態氮累積量

不同施肥處理下，由于土壤本身的礦化作用，土體中會存有少量的NO3--N[11]。由不同處理0～100 cm土體中NO3--N累積量可見（表2），在CK、CK0處理中，0～100 cm土體中分別累積約43.26 kg/hm2和16.62 kg/hm2的NO3--N，可見在不施肥的情況下，連續耕作能增加土體中NO3--N累積量。其他施肥處理，隨著不同肥料的施用，各處理0～100 cm土體中NO3--N累積量發生了顯著變化。NP和NPK的土體中NO3--N累積量分別比CK增加了184.22和110.32 kg/hm2，NK的土體中NO3--N累積量達到了492.21 kg/hm2，累積量是CK的11.38倍。硝態氮累積量與氮肥施用量直接相關[12-13]。與不施肥處理（CK）相比，長期施用化肥的各處理均能顯著增加土體中NO3--N累積量（Ρ<0.05）。長期不平衡施用化肥處理（NP和NK）和氮磷鉀配施（NPK）相比，其土體中NO3--N累積量相對較高，尤其是是氮鉀配施（NK），其土體中NO3--N累積量極顯著高于其他各處理（Ρ<0.01）。在南方紅壤旱地，磷素通常為養分限制因子，磷肥的施用能顯著降低土體中NO3--N累積量，這可能是因為磷肥能增加作物根系的吸收范圍從而降低土壤硝酸鹽[14]。

表2 不同施肥處理下硝態氮累積量 （kg/hm2）

NPKM、1.5NPKM與NPK相比，土體中NO3--N累積量顯著降低（Ρ<0.05），這與文獻[4]報道一致。1.5NPKM處理沒有引起土體中NO3--N累積量增加，有機肥料施用能夠減少土體中NO3--N積累，但有機肥料也有一個適宜用量問題。據研究表明，即使是同一地區同一利用方式的土壤，因管理模式的不同也存在著不同的有機肥適宜施用量[15]。

2.2 不同施肥處理硝態氮在土壤剖面中的分布

圖1 不同施肥處理剖面NO3--N分布

不同施肥處理的NO3--N含量在0～100 cm土體各層次間存在較大差異，由圖1可以看出，各處理土壤硝態氮在各土層分布體現出一定的規律性。從垂直分布來看，不施肥處理（CK）和撂荒處理（CK0）的土壤硝態氮濃度隨深度的增加呈降低趨勢，但在40～60 cm土層出現累積峰，60～100 cm土層形成了明顯的低值區域，CK處理的NO3--N含量變化范圍在 3.31～4.08 mg/kg之間，CK0處理的NO3--N含量已接近于0。各施肥處理在土壤剖面的各層次的NO3--N含量均顯著高于CK（Ρ<0.05）。0～20 cm表層土壤中，長期施用有機肥的兩個處理NPKM和1.5NPKM，NO3--N含量比長期施用化肥的NP、NK、NPK 3個處理要低，且1.5NPKM處理的NO3--N含量顯著低于其余各施用化肥的處理。

各施肥處理隨著土層深度的增加，NO3--N含量有上升趨勢，NP、NPK、NPKM和1.5NPKM處理均在40～60 cm土層出現累積峰，峰值分別為22.55、13.43、11.81 和 10.46 mg/kg，NK 處理在 20～40 cm土層出現累積峰，峰值高達70.72 mg/kg，可見磷肥的施用能顯著降低這一土層土壤NO3--N含量。相比于NP、NK處理，NPK和NPK配施有機肥處理在20～60 cm土層中能顯著降低NO3--N的累積。60～100 cm土層中，各處理的NO3--N含量開始呈下降趨勢，NP、NK、NPK 3個處理的NO3--N含量有所降低，但未見顯著差異。施用有機肥的處理NPKM和1.5NPKM的NO3--N含量在60～100 cm土層中顯著下降（Ρ<0.05）。可見，施用化肥的各個處理，NPK配施能夠有效的降低土壤NO3--N在0～60 cm土層中的積累，但不能阻止土壤NO3--N往更深層次土體的運移。而有機肥的施用，在0～100 cm土層中，不僅能降低剖面中NO3--N含量，而且能夠有效的阻止NO3--N往深層土壤的運移?？傮w來看，長期不同施肥處理后，除NK處理外，其余各處理各土層的硝態氮含量均較低，均小于30 mg/kg，對土壤環境和地下水環境威脅不大[16]。

2.3 不同施肥處理下硝態氮的殘留率

表3為各不同施肥處理的硝態氮殘留率，計算公式為：殘留率（%）＝[（A－B）／C]×100

公式中：A表示某土層施肥處理NO3--N累積量；B表示某土層不施肥處理NO3--N累積量；C表示1990年試驗開始后總的施氮量。

表3 不同施肥處理NO3--N殘留率 （%）

連續18 a不同施肥處理后，各處理間0～100 cm土層中NO3--N殘留率發生顯著變化。NK處理，被淋洗到0～100 cm土層的硝態氮占其歷年累積施氮量的8.31%，顯著高于其余各施肥處理（Ρ<0.05）。與NK處理相比，NP、NPK配施顯著降低了0～100 cm土層中NO3--N殘留率。同時，施用有機肥的NPKM和1.5NPKM處理在0～100 cm土層中NO3--N殘留率僅為1.34%和0.69%。各處理在0～100 cm剖面各層次之間的NO3--N殘留率未呈現很明顯的規律性。據前人對我國旱作生產中氮肥的損失程度的粗略估計，其值可能在45%左右[17]。據此推算，本試驗各處理0～100 cm土層中NO3--N淋溶損失占氮素損失的1.53%～18.48%，與前人[6,18]的研究結果相比偏低。這可能是因為本研究只對0～100 cm土層中NO3--N進行測定，100 cm以下的土層有沒有NO3--N的累積層，還有待進一步研究。

3 結論

（1）南方紅壤旱地，在不施肥的情況下，連續耕作能增加土體中NO3--N累積量。磷肥的施用能顯著降低0～100 cm土體中NO3--N累積量，在施用化肥的基礎上配合施用有機肥，也能夠降低0～100 cm土體中NO3--N累積量。

（2）肥料的施用對土壤NO3--N垂直分布特征的影響較大，各施肥處理隨著土層深度的增加，NO3--N含量有增加趨勢。20 cm以下各土層，均以NK處理的NO3--N含量為最高，峰值高達70.72 mg/kg。NPK配施能夠有效的降低土壤NO3--N在0～60 cm土層中的積累，但不能阻止土壤NO3--N往60 cm以下土層的運移；而有機肥的施用，不僅能降低剖面中NO3--N含量，并能夠有效的阻止NO3--N往深層土壤的運移。

（3）由本試驗看出，長期不同施肥處理后，各處理0～100 cm土體中NO3--N殘留率發生顯著變化，粗略估算各處理0～100 cm土層中NO3--N淋溶損失占氮素損失的1.53%～18.48%。因本試驗只對0～100 cm土層中NO3--N進行測定，長期不同施肥處理對100 cm以下的土層中NO3--N的影響還有待進一步研究。

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