不同種植條件下片麻巖新成土壤硝態氮分布特征

王紅+張瑞芳+李愛永+李正楠

摘要：以片麻巖新成土壤為研究對象，選取不施肥休閑地、不施肥喬木地、施肥灌木地、施肥蔬菜地、施肥谷子地、施肥花生地等6種土壤剖面進行取樣（按20 cm間隔取樣，取樣到基巖層），研究 NO-3-N的分布特征。結果表明，不同種植條件的片麻巖新成土壤NO-3-N含量和累積量均有差異，土壤剖面縱向NO-3-N含量也存在顯著差異。土壤剖面硝態氮平均值介于0.23 mg/kg至18.9 mg/kg之間，變化幅度較大。除金銀木（灌木）地外，其他3個施肥地塊在垂直方向上整體表現為：隨著土層深度的增加，硝態氮含量先降低后增加，在接近基巖的土壤疏松層含量最高。片麻巖新成土壤疏松層硝態氮累積量在不同種植條件下差異顯著，整體表現為種植喬木地<種植灌木地≈休閑地<種植谷子地<種植花生地<種植蔬菜地。片麻巖新成土壤區，為避免發生面源污染，不適宜種植需肥量較大的蔬菜，在控制施肥量的基礎上，更適合種植喬、灌木。

關鍵詞：片麻巖；新成土壤；土地利用方式；土壤硝態氮

中圖分類號： S153.6+1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0292-03

收稿日期：2013-06-18

基金項目：河北省自然科學基金（編號：C2009000565）。

作者簡介：王紅（1976—），女，河北定州人，副研究員，主要從事退化山地土壤治理及生態恢復方面的研究。E-mail：wanghong@hebau.edu.cn。片麻巖是一種古老的變質巖，極易破碎，在我國許多片麻巖地區，利用爆破巖石，人工加速巖石的物理風化過程，使古老的片麻巖在外力作用下變成了能夠生長作物的疏松的粗骨土。在疏松的粗骨土上種植作物，培肥土壤等人類活動，人為加快了土壤的形成過程。這些土壤的形成在一定程度上緩解了人地矛盾問題，減少了水土流失，使山區脆弱的生態環境得到修復。同時，各種氮肥以不同的用量被施入土壤中，不同程度地增加了農業面源污染的發生危險。

在過去的幾百年中，人類活動已經向全球陸地氮循環中輸入了大量的氮素，過量施用氮肥導致氮肥利用率低和一系列嚴重的環境污染問題[1-2]。目前我國絕大多數的高產田，每季作物施氮量普遍超過250 kg/hm2，氮肥施用量遠遠超出了國際標準。北方旱地長期大量施用氮肥，造成土壤剖面中氮素的大量積累[3-4]，并逐漸成為威脅生態環境的“化學定時炸彈”[5]。國外早在20世紀60 年代就開始在干旱地區開展土壤中氮的轉化和利用問題，針對作物施肥及利用低效問題而進行了研究[6-7]。近些年來，農田氮素問題一直也是國內研究的熱門課題，郭勝利[8]等綜述了干旱半干旱農田硝態氮累積與影響因素，吳金水[9]等對半干旱區農田土壤無機氮累積與遷移機理進行了研究，認為作物利用限制了農田土壤硝態氮向深層遷移。葉靈，巨曉棠等認為農村地下水NO-3-N主要源于地表NO-3-N的淋溶，過量氮肥的施用是地下水NO-3-N污染的主要原因[10-11]。

國內外針對氮素施用、運移、硝態氮累積、淋失等研究很多，主要集中在平原農田、蔬菜地，針對片麻巖新成土壤的氮素運移研究很少。本研究通過調查不同種植條件下的長期定位試驗地，分析土壤剖面中硝態氮分布特征以及氮素的累積特征，為降低片麻巖新成土壤氮素淋溶風險以及新成土壤合理種植與施用氮肥提供理論指導。

1材料與方法

1.1研究區選擇

本研究選取河北省太行山區的唐縣、易縣兩個縣的片麻巖丘陵區作為研究對象，通過調查長期定位試驗地塊的土壤硝態氮分布，分析不同開墾培肥年限的片麻巖新成土壤硝態氮分布狀況。

研究區從20世紀80年代末開始，在片麻巖丘陵區進行了大規模的人工爆破整地、修整梯田等工程。在修建梯田后，該區多栽植果樹，部分地區種植灌木、糧食作物、經濟作物等，在栽培過程中進行了不同程度的培肥。本研究選擇6種不同農業種植條件下的片麻巖新成土壤為研究對象，分別為爆破成土后20年未施肥休閑地、連續培肥20年的金銀木地、種植核桃樹15年未施肥地、培肥10年的白菜地、培肥5年的花生地、開發培肥1年谷子地。為消除微地貌條件對研究結果的影響，取樣點全部選取坡度、坡向一致的第一階梯梯田進行取樣，取樣點的土壤開發、種植、培肥歷史見表1。每塊地取3個樣點，按20 cm間隔分層取樣，取土到基巖層為止，分別測定硝態氮含量。取樣時間為2011年10月下旬。

1.2樣品采集分析

用土鉆隨機采集土壤樣品，樣品采集后用塑料袋密封，立即帶回實驗室在-4 ℃的冰箱中保存，分析土壤NO-3-N含量。

NO-3-N的測定：采集的新鮮土樣過5 mm篩后，稱取12.00 g的土樣于180 mL的塑料瓶中，加入100 mL濃度為 0.01 mol/L 的氯化鈣溶液，振蕩1 h后過濾，濾液稀釋后采用連續流動分析儀法測定濾液中NO-3-N含量。

1.3統計與計算

土壤硝態氮積累量（kg/hm2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×土壤硝態氮含量（mg/kg）/10；

試驗數據用 Excel 進行處理，方差分析用SPSS18. 0 中的 Duncans法進行差異性檢驗。

2結果與分析

2.1土壤剖面硝態氮分布

圖1顯示，6種種植條件下，片麻巖新成土壤剖面中硝態氮的含量為0.23～18.9 mg/kg，變化幅度較大，最大值出現在白菜地土壤剖面的表層，最小值出現在核桃樹地20～40 cm土層。

開墾20年的片麻巖新成土壤休閑地，硝態氮含量為表層較高，20～40 cm土層中較低，40～60 cm土層中又有所升高，土壤中硝態氮含量整體處于較低水平。種植金銀木20年的片麻巖新成土壤，隨著土壤深度的增加，硝態氮含量顯著降低。種植核桃樹15年的片麻巖新成土壤，土壤剖面中硝態氮含量整體較低，僅為0.23～0.66 mg/kg，遠低于休閑地和種植金銀木的土壤。開墾種植10年蔬菜的片麻巖新成土壤，土壤剖面中硝態氮含量整體偏高，其中表層含量最高，達到 18.91 mg/kg，隨著土層深度的增加，硝態氮含量逐漸降低，40～60 cm 土層最低，硝態氮含量為3.74 mg/kg，60～80 cm處硝態氮含量又升高到13.98 mg/kg。開墾種植花生5年的土壤，土壤剖面中硝態氮含量為3.1～6.2 mg/kg，土壤剖面上下土層間變化較小，在40～60 cm 土層中硝態氮含量稍高于表層，向下又有降低的趨勢。開墾培肥1年種植谷子的土壤，土層中硝態氮含量隨著深度的增加而增加的趨勢十分明顯，說明培肥1年的土壤，年施氮量120 kg/hm2，硝態氮已經淋溶到60 cm 土層，并已經到基巖層。endprint

在沙性土壤中，硝態氮更容易向下層土壤遷移累積。片麻巖新開墾土壤為質地較粗的粗骨土，土壤孔隙度高、透水性好，因而硝態氮更容易向下層遷移。本研究調查的6種種植條件，土壤疏松層厚度僅為60～100 cm，因而土壤剖面中累積的硝態氮極有可能已經淋溶到基巖層，進而對地下水產生污染。種植蔬菜處理土壤剖面中硝態氮含量最高，而土層厚度僅為80 cm，因而進入基巖影響環境的風險最大。

0～20 cm土層，不同種植條件下的片麻巖新成土壤硝態氮含量在0.66 mg/kg至18.91 mg/kg之間。喬木地表層土壤硝態氮含量最低，且與其他5個處理差異顯著；種植蔬菜含量最高，與其他5個處理間差異達顯著水平。具體表現為：種植喬木地<休閑地<種植灌木地<種植花生地<種植谷子地<種植蔬菜地。休閑地、種植灌木地、種植花生地、種植谷子地間差異不顯著。

20～40 cm土層，不同種植條件下的片麻巖新成土壤硝態氮含量為0.23～6.35 mg/kg。種植喬木處理土壤硝態氮含量最低，與休閑地間差異不顯著，顯著低于其他4個處理。種植蔬菜含量最高，與種植谷子處理間差異不顯著，顯著高于其他4個處理。具體表現為：種植喬木<休閑地<種植灌木地<種植花生地<種植谷子地種<種植蔬菜地。

40～60 cm土層，不同種植條件下的片麻巖新成土壤硝態氮含量為0.64～8.21 mg/kg。種植喬木處理土壤硝態氮含量最低，顯著低于其他5個處理。種植谷子含量最高，顯著高于其他5個處理。具體表現為：種植喬木地<種植灌木地<種植蔬菜地<休閑地<種植花生地<種植谷子地。

各土層硝態氮含量整體表現為20～40 cm土層含量最低。除種植灌木和休閑地處理外，其他處理均在疏松層的最底層硝態氮含量出現升高趨勢，其中種植蔬菜處理升最為明顯。這是由于疏松層的底層與堅硬的基巖接觸，硝酸鹽淋溶到此層后需要順著基巖裂隙進入基巖層，相對疏松層淋溶難度增加，因而在此處發生累積。

2.2不同種植條件下硝態氮的累積

由表3可以看出，不同種植條件下，0～60 cm土層硝態氮累積量種植喬木地最低，只有5.21 kg/hm2，顯著低于其他5個處理硝態氮累積量；種植蔬菜累積量最高，達到 83.21 kg/hm2，顯著高于其他5個處理。具體表現為：種植喬木地<休閑地<種植灌木地<種植花生地<種植谷子地<種植蔬菜地。

疏松層硝態氮累積量仍表現為種植喬木地累積量最低，種植蔬菜處理類累積量最高，且與其他處理之間差異顯著。具體表現為：種植喬木<種植灌木地≈休閑地<種植谷子地種<種植花生地<種植蔬菜地。種植深根植物如喬木、灌木后土壤疏松層硝態氮累積量低于休閑地，土壤養分有虧缺跡象。種植谷子1年后土壤疏松層硝態氮累積量稍高于休閑20年土壤，但差異不顯著，說明培肥1年后土壤中硝態氮沒有產生顯著累積。

3討論

開墾20年未施肥休閑地，土壤中硝態氮沒有產生明顯累積，這與張麗娟等得出的裸地休閑會導致氮素的淋失[12]的結果存在差異，主要原因可能是由于試驗區休閑地為新成土壤，土壤自身養分含量很低，且從未進行過培肥。

高亞軍等的研究結果顯示：不論是春玉米還是冬小麥，當生育期施氮量大于225 kg/hm2時0～2 m土層均有明顯的硝態氮累積，施氮量高的累積量較高[13]，孫美等認為硝態氮有隨土壤深度的增加呈降低的趨勢[14]。樊軍等[15]在渭北旱塬旱地蘋果園的研究結果顯示，高投入與高產出經營方式導致了土壤深層累積了大量的硝態氮，累積層在 40～260 cm；在農田土壤中的研究結果顯示，硝態氮主要累積層在100 cm以下土層中[16]。本研究中，由于種植核桃的土壤20年沒有進行培肥，土壤養分含量極低，土壤中硝態氮沒有產生累積，顯著低于休閑地。種植金銀木的處理，施肥量僅為60 kg/hm2，土壤硝態氮含量也沒有產生累積，疏松層硝態氮累積量低于休閑地。施肥量控制在60 kg/hm2時，片麻巖新開墾土壤種植喬木、灌木，既可以培肥土壤，同時也不會對生態環境產生面源污染的危險。在施肥量大于120 kg/hm2時，種植蔬菜、花生、谷子等農作物，可導致土壤疏松層硝態氮累積。4個施肥片麻巖新成土壤地塊硝態氮含量表現為隨土層深度增加而先降低后升高的趨勢。

汪智軍等在巖溶地區的研究發現，不同土壤剖面硝態氮含量為耕地土>灌叢土>退耕還林土>草地土>林地土，其含量均隨深度增加而升高，具有累積效應[17]。

綜合分析不同培肥年限，栽植不同植物的土壤氮素狀況可以看出，在片麻巖區爆破新成土壤，種植需肥量較大的蔬菜極易導致土壤中硝態氮的累積與淋失；在控制施肥量的基礎上，更適合種植果樹或其他喬灌木，既能人為加快土壤形式進程，有能防止氮素淋溶造成的農業面源污染問題。

參考文獻：

[1]陳新平，張福鎖. 小麥-玉米輪作體系養分資源綜合管理理論與實踐[M]. 北京：中國農業大學出版社，2006.

[2]Zhang W L，Tian Z X，Zhang N，et al. Nitrate pollution of groundwater applied to maize grown on a calcareous fluvio-aquic soil in North China[J]. Pedosphere，1996，2：171-178.

[3]趙俊曄，于振文. 不同土壤肥力條件下施氮量對小麥氮肥利用和土壤硝態氮含量的影響[J]. 生態學報，2006，26（3）：815-822.

[4]孟建，李雁鳴，黨紅凱.施氮量對冬小麥氮素吸收利用、土壤中硝態氮積累和籽粒產量的影響[J]. 河北農業大學學報，2007，30（2）：1-5.

[5]龔子同，黃標. 關于土壤中“化學定時炸彈”及其觸爆因素的探討[J]. 地球科學進展，1998，13（2）：184-191.endprint

[6]Viets F G. Fertilizers and the efficient use of water[J]. Advances in Agronomy，1962，14：223-264.

[7]Brown P L. Water use and soil water depletion by dry land wheat as effected by nitrogen fertilization[J]. Agronomy Journal，1971，63：43-46.

[8]郭勝利，張文菊，黨廷輝，等. 干旱半干旱地區農田土壤NO-3-N深層積累及其影響因素[J]. 地球科學進展，2003，18（4）：584-591.

[9]吳金水，郭勝利，黨廷輝. 半干早區農田土壤無機氮積累與遷移機理[J]. 生態學報，2003，23（10）：2041-2049.

[10]葉靈，巨曉棠，劉楠，等. 華北平原不同農田類型土壤硝態氮累積及其對地下水的影響[J]. 水土保持學報，2010，24（2）：165-168，178.

[11]張永春，孫麗，李慶康，等. 試論農業的清潔生產及其施肥技術[J]. 江蘇農業科學，2003（2）：71-74.

[12]張麗娟，巨曉棠，吉艷芝，等. 夏季休閑與種植對華北潮土剖面殘留硝態氮[J]. 植物營養與肥料學報，2010，16（2）：312-320.

[13]高亞軍，李生秀，李世清，等. 施肥與灌水對硝態氮在土壤中殘留的影響[J]. 水土保持學報，2005，19（6）：61-64.

[14]孫美，蒙格平，張曉琳，等. 集約化種植區硝態氮在土壤剖面中的分布與累積特征[J]. 環境科學學報，2012，32（4）：902-908.

[15]樊軍，邵明安，郝明德，等. 渭北旱塬蘋果園土壤深層干燥化與硝酸鹽累積[J]. 應用生態學報，2004，15（7）：1213-1216.

[16]樊軍，邵明安，郝明德，等. 黃土旱源源面生態系統土壤硝酸鹽累積分布特征[J]. 植物營養與肥料學報，2005，11（1）：8-12.

[17]汪智軍，梁軒，袁道先. 巖溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征[J]. 水土保持學報，2010，24（6）：83-87，93.endprint

[6]Viets F G. Fertilizers and the efficient use of water[J]. Advances in Agronomy，1962，14：223-264.

[7]Brown P L. Water use and soil water depletion by dry land wheat as effected by nitrogen fertilization[J]. Agronomy Journal，1971，63：43-46.

[8]郭勝利，張文菊，黨廷輝，等. 干旱半干旱地區農田土壤NO-3-N深層積累及其影響因素[J]. 地球科學進展，2003，18（4）：584-591.

[9]吳金水，郭勝利，黨廷輝. 半干早區農田土壤無機氮積累與遷移機理[J]. 生態學報，2003，23（10）：2041-2049.

[10]葉靈，巨曉棠，劉楠，等. 華北平原不同農田類型土壤硝態氮累積及其對地下水的影響[J]. 水土保持學報，2010，24（2）：165-168，178.

[11]張永春，孫麗，李慶康，等. 試論農業的清潔生產及其施肥技術[J]. 江蘇農業科學，2003（2）：71-74.

[12]張麗娟，巨曉棠，吉艷芝，等. 夏季休閑與種植對華北潮土剖面殘留硝態氮[J]. 植物營養與肥料學報，2010，16（2）：312-320.

[13]高亞軍，李生秀，李世清，等. 施肥與灌水對硝態氮在土壤中殘留的影響[J]. 水土保持學報，2005，19（6）：61-64.

[14]孫美，蒙格平，張曉琳，等. 集約化種植區硝態氮在土壤剖面中的分布與累積特征[J]. 環境科學學報，2012，32（4）：902-908.

[15]樊軍，邵明安，郝明德，等. 渭北旱塬蘋果園土壤深層干燥化與硝酸鹽累積[J]. 應用生態學報，2004，15（7）：1213-1216.

[16]樊軍，邵明安，郝明德，等. 黃土旱源源面生態系統土壤硝酸鹽累積分布特征[J]. 植物營養與肥料學報，2005，11（1）：8-12.

[17]汪智軍，梁軒，袁道先. 巖溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征[J]. 水土保持學報，2010，24（6）：83-87，93.endprint

[6]Viets F G. Fertilizers and the efficient use of water[J]. Advances in Agronomy，1962，14：223-264.

[7]Brown P L. Water use and soil water depletion by dry land wheat as effected by nitrogen fertilization[J]. Agronomy Journal，1971，63：43-46.

[8]郭勝利，張文菊，黨廷輝，等. 干旱半干旱地區農田土壤NO-3-N深層積累及其影響因素[J]. 地球科學進展，2003，18（4）：584-591.

[9]吳金水，郭勝利，黨廷輝. 半干早區農田土壤無機氮積累與遷移機理[J]. 生態學報，2003，23（10）：2041-2049.

[10]葉靈，巨曉棠，劉楠，等. 華北平原不同農田類型土壤硝態氮累積及其對地下水的影響[J]. 水土保持學報，2010，24（2）：165-168，178.

[11]張永春，孫麗，李慶康，等. 試論農業的清潔生產及其施肥技術[J]. 江蘇農業科學，2003（2）：71-74.

[12]張麗娟，巨曉棠，吉艷芝，等. 夏季休閑與種植對華北潮土剖面殘留硝態氮[J]. 植物營養與肥料學報，2010，16（2）：312-320.

[13]高亞軍，李生秀，李世清，等. 施肥與灌水對硝態氮在土壤中殘留的影響[J]. 水土保持學報，2005，19（6）：61-64.

[14]孫美，蒙格平，張曉琳，等. 集約化種植區硝態氮在土壤剖面中的分布與累積特征[J]. 環境科學學報，2012，32（4）：902-908.

[15]樊軍，邵明安，郝明德，等. 渭北旱塬蘋果園土壤深層干燥化與硝酸鹽累積[J]. 應用生態學報，2004，15（7）：1213-1216.

[16]樊軍，邵明安，郝明德，等. 黃土旱源源面生態系統土壤硝酸鹽累積分布特征[J]. 植物營養與肥料學報，2005，11（1）：8-12.

[17]汪智軍，梁軒，袁道先. 巖溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征[J]. 水土保持學報，2010，24（6）：83-87，93.endprint