黃土高原旱地夏季休閑期15N標記硝態氮的去向*

夏夢潔 陳竹君 劉占軍 周建斌

（西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100）

黃土高原旱地夏季休閑期15N標記硝態氮的去向*

夏夢潔 陳竹君 劉占軍 周建斌?

（西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100）

夏季休閑是黃土高原旱地小麥常見的蓄納雨水、恢復地力的措施。隨著氮肥用量的增加，一季小麥收獲后，旱地土壤剖面累積的硝態氮量不斷增加，休閑期間降雨量高，殘留硝態氮的去向是值得研究的問題。利用15N標記法研究小麥收獲后殘留肥料氮在黃土高原旱地（陜西長武）夏季休閑期間的去向，即小麥收獲后在微區土壤表層（0～15 cm）施入15N標記的硝態氮肥（30 kg hm-2（以純氮計），約相當于當地小麥一季作物收獲后土壤殘留肥料氮量），休閑結束后，采集0～200 cm土壤樣品，測定了土壤全氮、硝態氮含量及其15N豐度。結果表明，小麥收獲（即休閑開始）時0～200 cm土壤剖面硝態氮累積量在205～268 kg hm-2之間（平均244 kg hm-2），累積量較高。夏季休閑期間降水量為157 mm，屬欠水年，但休閑結束后，15N標記肥料氮向下遷移已達80 cm土層，下移深度在45～65 cm之間，說明，旱地休閑期間硝態氮的淋溶作用不可忽視。夏季休閑結束后，加入的15N標記肥料氮平均損失率為28%，損失機理值得進一步研究。

旱地；夏季休閑；15N標記法；殘留肥料氮；硝態氮淋溶

中國干旱、半干旱地區面積占國土面積的52.5%［1］，旱地小麥在我國小麥生產中占有重要地位。黃土高原是我國旱地集中分布的區域，該區域的旱地小麥面積占全國的27%～29%［2-4］。水分是制約旱地小麥生產的關鍵因素之一。為了蓄水保墑，旱地小麥收獲后多采取夏季休閑的措施［5］，即小麥收獲后翻耕土壤，一方面蓄納雨水，另一方面，夏季高溫多濕可促進土壤有機質礦化，增加土壤有效養分含量，這在傳統的旱地農業生產中對提高作物產量具有重要意義。自20世紀80年代以來，我國旱地農田中氮肥用量不斷增加［6］，一季小麥收獲后，土壤殘留的肥料氮量不斷增加，有研究發現，小麥收獲時，當季施入氮肥的83.7%殘留在0～200 cm土壤剖面中，且多以硝態氮形態存在［7-8］；Dai等［9］研究發現，黃土高原長期施氮量為240 kg hm-2時，小麥收獲后，0～300 cm土壤剖面硝態氮累積高達326 kg hm-2。Zhou等［10］指出小麥地0～400 cm土壤剖面硝態氮累積量高達453 kg hm-2。夏季休閑期地表裸露，降雨量高，短短的2～3個月期間的降雨量占年降水量的60%左右，因此，休閑期旱地殘留肥料氮的損失是值得研究的問題［11-15］。

20世紀60年代，彭琳等［16］最早關注了夏季休閑對陜西關中塿土硝態氮淋溶的影響，發現該地區集中降雨的6—9月份土壤剖面硝態氮累積和下滲現象非常明顯，平均10 mm降水可使硝態氮下滲3～5 cm。近年來，隨著該地區旱地氮肥用量的增加，夏季休閑期間硝態氮的淋溶損失問題開始引起學者的廣泛關注。如有研究指出，夏季降水為364 mm的黃土高原南部，可使休閑后0～100 cm土層的硝態氮淋溶至220 cm土層［17］。戴健等［18］的研究也指出，每10 mm降水使塿土剖面硝態氮下移2～4 cm，說明，旱地夏季休閑期間硝態氮淋溶風險大。而已有的研究均采用比較休閑前后土壤剖面硝態氮含量變化的方法評價硝態氮在土壤剖面遷移及淋溶情況，由于土壤剖面遷移及淋溶的硝態氮既可能來自殘留的肥料氮，也可能來自夏季休閑期間土壤有機態氮礦化，因此，該方法難以定量一季小麥收獲后以硝態氮形態殘留在土壤中的肥料氮在土壤剖面的淋溶及損失特性。

15N穩定同位素標記法是定量氮素去向的有效方法［19］。因此，本文采用在夏季休閑小麥田塊中加入15N標記硝態氮的方法，研究黃土高原旱地夏季休閑期間殘留肥料氮的去向，旨在定量評價該地區夏季休閑期殘留肥料氮的去向，為旱地氮素有效管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于黃土高原的陜西省長武縣洪家鎮王東村，該地處于黃土高原中南部，海拔1 227 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均降水量580 mm，主要集中在7—9月，年均溫度9.1℃，屬典型的旱作雨養農業區。供試土壤為黑壚土（堆墊干潤均腐土）。2014年長武夏季休閑期間降水量和蒸發量以及常年（1957—2014年）同期降水量見圖1。

圖1 2014年長武夏季休閑期間降水量和蒸發量以及常年（1957—2014）同期降水量Fig. 1 Rainfalls and evaporations during the summer fallow season in Changwu in 2014 and in the year of 1957—2014

1.2 試驗方案

本文采取土壤中外加15N標記硝態氮的田間微區法研究旱地小麥收獲后殘留在土壤中硝態氮在夏季休閑期間的去向。試驗設施氮和不施氮兩個處理（分別以N及CK表示），所有氮肥形態為15N標記的硝酸鉀（15N豐度為10.28%），用量為30 kg hm-2（以純氮計），約相當于當地旱地小麥一季作物收獲后土壤殘留的肥料氮量。微區采用聚氯乙烯（Polyvinylchloride，以下簡稱PVC）管，將直徑25 cm，長25 cm的PVC管插入表層土壤，插入深度22 cm。然后，將PVC管中表層（0～15 cm）土壤取出，與1.0623 g K15NO3充分混勻后再重新回填、壓實，各處理重復3次。試驗分布在研究區域的5個農戶田塊（分別用a、b、c、d、e代表）進行，以代表不同的肥力狀況；不同田塊0～20 cm土層土壤基本理化性質見表1。試驗于2014年7月15日開始，同年9月5日結束。

1.3 樣品采集與測定

試驗開始前，在每個田塊中采集3個0～200 cm土壤樣品組成混合樣（每20 cm為一層），剔除作物根系后帶回實驗室，測定土壤基礎理化性質。試驗結束時從每個微區中采集1個0～200 cm土壤樣品（每20 cm為一層），剔除作物根系后密封，帶回實驗室，一部分4℃保存，另一部分風干磨細過0.25 mm篩備用。

土壤含水量采用烘干法（105℃下烘干8 h）測定。硝態氮測定：1 mol L-1KCl溶液浸提（水土比10∶1），振蕩1 h，過濾，自動化連續流動分析儀（AA3，Bran+Luebbe，德國）測定。土壤全氮及15N豐度：半微量凱氏法測定土壤全氮，15N豐度采用同位素比值質譜儀（EA-IRMS，Sercon Ltd，Cheshire，英國）測定。硝態氮15N豐度：氨擴散法［20-21］收集，具體方法為，取適量浸提液（含氮100 μg左右），放入擴散容器中，將加有30 μl 2.5 mol L-1KHSO4的玻璃纖維濾紙，掛在擴散容器中（始終不接觸浸提液），向浸提液中加入0.4 g戴氏合金，再加入2 ml 5 mol L-1NaOH，迅速密封擴散容器，在培養箱25℃下放置1周，以充分反應。7d后取出玻璃纖維濾紙，干燥后用錫囊包裹，用同位素比值質譜儀測定15N豐度。所有15N豐度測定均在美國加州大學戴維斯分校同位素分析中心完成。

表1 供試土壤基本理化性質（0～20 cm）Table 1 Physico-chemical properties of the tested soil（0～20 cm）

1.4 數據處理

土壤硝態氮含量（kg hm-2）=硝態氮含量（mg kg-1）×土壤容重（kg m-3）×面積（m2）×0.2（m）/1 000 000

土壤硝態氮累積量（kg hm-2）=每20 cm土層土壤硝態氮含量之和

15N標記硝態氮含量（kg hm-2）=土壤硝態氮含量×15N原子百分超/15N標記硝酸鉀原子百分超

15N標記肥料氮殘留量（kg hm-2）=全氮（g kg-1）×土壤容重（kg m-3）×面積（m2）×0.2（m）/1 000 000×15N原子百分超/15N標記硝酸鉀原子百分超

15N標記肥料氮損失率（%）=（標記肥料氮施用量-0～100 cm土壤剖面標記肥料氮殘留量）/標記肥料氮施用量×100

數據計算采用Excel 2007，數據統計分析采用SPSS 20.0，多重比較采用鄧肯（Duncan）法。圖表繪制采用Excel 2007和SigmaPlot 12.0。

2 結 果

2.1 小麥收獲后硝態氮累積及休閑期間降水情況

小麥收獲后5個試驗田塊0～200 cm土壤剖面硝態氮累積量在205～268 kg hm-2之間，平均244 kg hm-2（圖2）。試驗期間降水量為157 mm，蒸發量為100 mm。2014年降水量明顯低于1957—2014年同期降水量的平均值（188mm），屬欠水年［22］。同時，這期間的降水集中在8月5日—15日之間，達105 mm，其他時期降水量相對較少（圖1）。

圖2 五個田塊收獲后0～200 cm土壤剖面硝態氮累積量Fig. 2 NO3--N accumulation in the 0～200 cm soil layer in all the five tracts of cropland in the experiment after winter wheat was harvested

2.2 夏閑前后不同處理土壤剖面硝態氮含量變化

與休閑前相比，休閑后土壤剖面硝態氮累積峰并未發生明顯下移（圖3f），這與試驗期間降水量（僅157 mm）低于多年同期（1957—2014年7月15日—9月5日期間降水量均值為188 mm）有關。休閑后5個田塊施氮處理相比不施氮處理在0～100 cm土壤剖面中存在明顯的硝態氮累積峰。但5個田塊間存在一定差異，田塊a～d休閑后施氮處理硝態氮累積峰位于40～60 cm土層，而田塊e則達到了80～100 cm。同時，剖面中硝態氮含量存在差異，b和e田塊較高，其余3個田塊較低。

圖3 休閑后0～200 cm土壤剖面硝態氮含量分布Fig. 3 NO3--N distribution in the 0～200 cm soil layer after summer fallow

2.3 夏閑后土壤剖面15N豐度的變化

15N的自然豐度為0.366%［23］。由圖4可以看出，休閑后施氮處理0～100 cm土壤剖面15N豐度明顯增加。5個田塊0～100 cm土壤剖面中15N豐度分布趨勢相同，均在60 cm處為最高，但豐度值存在差異，田塊a和e中15N豐度較低，田塊d則較高（圖4），這與不同田塊土壤剖面性質不同有關。各田塊微區60 cm處15N豐度為0.408%～0.482%，平均為0.429%，80 cm處平均為0.372%，均高于土壤本底值，而100 cm深度其值為0.369%，與土壤本底值無異（表2）。可見，休閑初期加入的硝態氮深度為0～15 cm，經過一個夏季休閑已經下移至80 cm深處，下移深度為45～65 cm。

2.4 夏閑后肥料氮在土壤剖面分布與損失

經過一個休閑季后5個田塊施氮處理在0～100 cm土壤剖面殘留肥料氮的量為20.80～22.86 kg hm-2，平均21.58 kg hm-2，占施入肥料氮的71.9%。在0～20 cm殘留有4.50 kg hm-2的標記肥料氮，其中2.9%仍是以硝態氮的形式存在。殘留的肥料氮主要集中在40～60 cm土層，總含量為17.7 kg hm-2，占施入肥料氮的52.8%，其中標記硝態氮含量為6.85 kg hm-2，占施入肥料氮的22.8%（表2）。可見，休閑前以硝態氮形式存在于土壤的氮素經過休閑季節后會有較大一部分轉化為其他形態氮素被土壤固持。在5個試驗田塊中，田塊b微區殘留肥料氮中以硝態氮形態存在的量最大，尤其是在60 cm處，殘留的肥料氮主要是硝態氮，其次為c、d微區，a和e微區最少（圖5）。

圖4 夏季休閑后0～100cm土壤剖面15N豐度Fig. 4 15N abundance in the 0～100cm soil layer after summer fallow

表2 土壤剖面15N豐度和硝態氮15N豐度、15N標記肥料氮和硝態氮含量Table 2 15N abundance，nitrateabundance and contents of 15N labeledN fertilizerN and nitrate-N in thesoil profile

經過一個休閑季，5個田塊施入肥料氮的損失率分別為30.4%、23.8%、29.4%、26.1%和30.8%，平均為28.1%（圖6）。

圖5 施氮處理0～100 cm剖面15N標記硝態氮和全氮含量Fig. 5 Contents of NO3--15N and total N in the 0～100 cm soil layer in Treatment N30

圖6 施氮處理夏季休閑后肥料氮損失率Fig. 6 Loss rate of applied N fertilizer after summer fallow

3 討 論

3.1 夏閑期殘留肥料氮的遷移與損失

夏季休閑期間的降水量是影響氮素在土壤剖面移動的主要驅動因素［24］。本試驗夏閑期間總降水量為157 mm，顯著低于多年同期降水量（1957—2014年期間平均降水量為188mm），屬欠水年。即使如此，休閑結束后肥料氮在土壤剖面向下遷移仍然較為明顯，遷移的距離平均超過45 cm（圖4）。黃土高原旱地一般出現欠水年的概率為27%，而平水、豐水年的概率則為73%。由此可知，肥料氮在旱地夏季休閑期間實際淋溶深度會更大，所以，夏季休閑期間殘留肥料氮通過淋溶損失值得關注。

硝態氮在土壤剖面的移動與土壤水分狀況及土壤質地［25］有密切關系。從機理上看，硝態氮以離子形態由土壤高濕度（低吸力）區域會向低濕度（高吸力）區域運移［26-27］。試驗的2014年屬欠水年，夏季休閑期間肥料氮在土壤剖面的向下移動很明顯。這一方面與休閑期間總的降水量（157 mm）大于總蒸發量（100 mm）有關；同時，也與降水量的分布有關。休閑后至8月5日之前、8月15日—8月25日之間降水量小于蒸發量；而8月5日—8月15日期間出現集中降雨，僅8月5日—8月6日兩天的降水量就達69 mm，遠遠大于蒸發量（5 mm），這可能是欠水年發生硝態氮在土壤剖面隨降水向下層遷移的主要因素。黑壚土黏粒相對含量較少，質地較輕，也是發生肥料氮向下淋溶的因素之一。夏季休閑結束后5個田塊中肥料氮的回收率平均為71.9%，損失率平均為28.1%。反硝化損失可能是夏季休閑期間氮素損失的途徑之一。Nosalewicz等［28］指出，在0～30 cm土壤深度，隨著溫度或土壤含水量上升，N2O的釋放量增加。Laville等［29］指出，溫度一定，當土壤孔隙含水量達到68%時，土壤N2O釋放量為最大。本研究施入的氮肥形態為硝態氮肥，夏季休閑期間高溫多雨，可能會造成部分肥料氮發生反硝化作用，進而導致肥料氮的氣態損失。此外，本研究采用微區為PVC管，其插入土壤的深度為22 cm，肥料氮下移深度大于60 cm，所以存在肥料氮橫向遷移的可能。如Follett［30］曾指出，15N標記微區試驗存在邊界效應，會導致部分肥料氮進入微區以外的土體。因此，本研究存在高估肥料氮損失的可能。

3.2 夏閑期殘留肥料氮的固持

本研究中加入的肥料氮形態為15N標記的硝態氮，但休閑結束后，0～100 cm土壤剖面以硝態氮存在的肥料氮僅占肥料氮的2.9%～46.6%，其中，0～20 cm土壤殘留的肥料氮占0～100 cm土壤剖面殘留肥料氮的14.3%，但以硝態氮形式存在的僅占這一土層肥料氮的2.9%（表2），說明加入的硝態氮在休閑期間有相當一部分轉化成其他形態的氮素。其中的一個機理可能是，小麥收獲后，殘茬（包括地上部分及根茬）進入或保留在土壤中的有機物促進了土壤微生物對施入肥料氮的固持。有研究［31］指出，土壤微生物對氮肥的利用很迅速，施肥后5d土壤微生物對氮肥的固持達到最高，其固持量是施用肥料氮（150 kg hm-2）的5.4%。本研究中殘留在0～100 cm土壤剖面的肥料氮主要累積在20～60 cm土層，該層次殘留的肥料氮以硝態氮殘留的比例在40.0%～46.5%之間，顯著高于0～20 cm土層；但殘留的肥料氮更多仍以其他形態氮存在。由于在該土層深度，通過根茬補充的有機物相對較少，再加上微生物活動相對較弱，因此，微生物的固持作用應該有限。

近來，關于硝態氮歧化還原為銨態氮的現象受到關注。Minick等［32］和Rütting等［33］均指出，氧化還原狀況是影響硝態氮歧化還原為銨態氮的關鍵；在還原條件下培養，硝態氮歧化還原量占礦化產生的硝態氮的比例能超過60%［32］。本試驗在8月5日—8月15日之間出現大量降水，且有幾次單次降水量相對較高（圖1），會使施入的肥料氮迅速下移；同時，短期大量降水的出現使40～60 cm土層處于還原狀態，這兩個條件可能滿足了硝態氮歧化還原為銨態氮的要求，生成的銨態氮被土壤晶格固定，這可能是該層次硝態氮固持的另一個機理。

本研究采用施入15N標記硝態氮肥的方法模擬了夏季休閑期間土壤殘留硝態氮的去向，與常規的測定土壤剖面硝態氮含量方法相比，15N方法可以區分肥料氮及土壤有機質礦化的氮素，進而可定量評價施入硝態氮的去向。但研究中15N標記氮肥的加入深度為0～15 cm土層，與作物收獲后殘留在土壤剖面的肥料氮累積的深度存在差異。Ju等［34］15N標記試驗指出，氮素存在深度會影響硝態氮的垂直運移程度，硝態氮殘留的深度越深，隨水下移的程度越小。當然，為更加準確地研究旱地夏季休閑期間殘留硝態氮的去向，下一步研究有必要將15N標記氮肥在小麥季直接施入，然后觀測。

4 結 論

黃土高原旱地小麥收獲后0～200 cm土壤剖面硝態氮累積量較高，在205～268 kg hm-2之間（平均244 kg hm-2）。2014年屬欠水年，但休閑結束后，標記肥料氮向下遷移的深度達80 cm土層，主要集中在40～60 cm土層，說明，旱地休閑期間硝態氮的淋溶作用不可忽視。夏季休閑結束后，加入的15N標記肥料氮平均損失率為28%，損失機理值得進一步研究。

［1］ 高煥文，李問盈，李洪文. 中國特色保護性耕作技術.農業工程學報，2003，19（3）：1—4 Gao H W，Li W Y，Li H W. Conservation tillage technology with Chinese characteristics（In Chinese）.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2003，19（3）：1—4

［2］ Gao Y J，Li Y，Zhang J C，et al. Effects of mulch，N fertilizer，and plant density on wheat yield，wheat nitrogen uptake，and residual soilnitrate in a dryland area of China. Nutrient Cycling in Agroecosystems，2009，85（2）：109—121

［3］ TurnerN C，Li F M，Xiong Y C，et al. Agricultural ecosystem management in dry areas：Challenges and solutions. Plant and soil，2011，347（1）：1—6

［4］ He G，Wang Z H，Li F C，et al. Soil nitrate-N residue，loss and accumulation affected by soil surface management and precipitation in a winter wheatsummer fallow system on dryland. Nutrient Cycling in Agroecosystems，2016，106（1）：31—46

［5］ 山侖. 旱地農業技術發展趨向. 中國農業科學，2002，35（7）：848—855 Shan L. Development trend of dryland farming technologies（In Chinese）. Scientia Agricultura Sinica，2002，35（7）：848—855

［6］ 閆湘，金繼運，何萍，等. 提高肥料利用率技術研究進展. 中國農業科學，2008，41（2）：450—459 Yan X，Jin J Y，He P，et al. Recent advances in technology of increasing fertilizer use efficiency（In Chinese）. Scientia Agricultura Sinica，2008，41（2）：450—459

［7］ 王西娜，王朝輝，李華，等. 旱地土壤中殘留肥料氮的動向及作物有效性. 土壤學報，2016，53（5）：1202—1212 Wang X N，Wang Z H，Li H，et al. Dynamics and availability to crops of residual fertilizer nitrogen in upland soil（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2016，53（5）：1202—1212

［8］ 趙偉，梁斌，周建斌. 施入15N標記氮肥在長期不同培肥土壤的殘留及其利用. 土壤學報，2015，52（3）：587—596 Zhao W，Liang B，Zhou J B.Residual of applied15N fertilizer in soilsunder long-term different patterns of fertilization and its utilization（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2015，52（3）：587—596

［9］ Dai J，Wang Z H. Li F C，et al. Optimizing nitrogen input by balancing winter wheat yield and residual nitrate-N in soil in a long-term dryland field experiment in the Loess Plateau of China. Field Crops Research，2015，181：32—41

［10］ Zhou J Y，Gu B J，Schlesinger W H，et al. Significant accumulation of nitrate in Chinese semi-humid croplands. Scientific Reports，2016，6：Article number：25088

［11］ Conway G R，Pretty J N. Unwelcome harvest：Agriculture and pollution. London：Earthscan Publications，1991

［12］ 巨曉棠，谷保靜. 我國農田氮肥施用現狀、問題及趨勢. 植物營養與肥料學報，2014，20（4）：783—795 Ju X T，Gu B J. Status-quo，problem and trend of nitrogen fertilization in China（In Chinese）. Plant Nutrition and Fertilizer Science，2014，20（4）：783—795

［13］ Galloway J N，Aber J D，Erisman J W，et al. The nitrogen cascade. Bioscience，2003，53（4）：341—356

［14］ Wang G L，Chen X P，Cui Z L，et al. Estimated reactive nitrogen losses for intensive maize production in China. Agriculture，Ecosystems & Environment，2014，197：293—300

［15］ Kanter D R，Zhang X，Mauzerall D L. Reducing nitrogen pollution while decreasing farmers’costs and increasing fertilizer industry profits. Journal of Environmental Quality，2015，44（2）：325—335

［16］ 彭琳，彭祥林，盧宗藩. 塿土旱地土壤硝態氮季節性變化與夏季休閑的培肥增產作用. 土壤學報，1981，18（3）：211—222 Peng L，Peng X L，Lu Z F.NO3--N seasonal change in dryland and fertilization production role during summer fallow of Lou soil（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，1981，18（3）：211—222

［17］ Darwiche-Criado N，Comín F A，Sorando R，et al.Seasonal variability of NO3-mobilization during flood events in a Mediterranean catchment：The influence of intensive agricultural irrigation. Agriculture，Ecosystems & Environment，2015，200：208—218

［18］ 戴健，王朝輝，李強，等. 氮肥用量對旱地冬小麥產量及夏閑期土壤硝態氮變化的影響. 土壤學報，2013，50（5）：956—965 Dai J，Wang Z H，Li Q，et al. Effects of nitrogen application rate on winter wheat yield andsoil nitrate nitrogen during summer fallow season on dryland（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2013，50（5）：956—965

［19］ Hauck R D，Bremner J M. Use of tracers for soil and fertilizer nitrogen research. Advances in Agronomy，1976，28：219—266

［20］ Sebilo M，MayerB，Grably M，et al. The use of the ammonium diffusion method for δ15N-NH4+and δ15N-NO3-measurements：Comparison with other techniques. Environmental Chemistry，2004，1（2）：99—103

［21］ Brooks P D，Stark J M，McInteer B B，et al. Diffusion method to prepare soil extracts for automated nitrogen-15 analysis. Soil Science Society of America Journal，1989，53（6）：1707—1711

［22］ 吳義城，袁業暢，任耀武，等. 農業氣候影響評價：農作物氣候年型劃分方法（GB/T 21986-2008）. 北京：中國標準出版社，2008 Wu Y C，Yuan Y C，Ren Y W，et al. Assessment of agroclimate impact：Classification method of annual crop climate type（GB/T 21986-2008）（In Chinese）.Beijing：Standards Press of China，2008

［23］ H?gberg P. Tansleyreview No. 95∶15N natural abundance in soil-plant systems. The New Phytologist，1997，137（2）：179—203

［24］ 郭勝利，吳金水，郝明德，等. 長期施肥對 NO3--N 深層積累和土壤剖面中水分分布的影響. 應用生態學報，2003，14（1）：75—78 Guo S L，Wu J S，Hao M D，et al. Effect of longterm fertilization on NO3--N accumulation and moisture distribution in soil profiles（In Chinese）. Chinese Journal of Applied Ecology，2003，14（1）：75—78

［25］ 劉愫倩，徐紹輝，李曉鵬，等. 土體構型對土壤水氮儲運的影響研究進展. 土壤，2016，48（2）：219—224 Liu S Q，Xu S H，Li X P，et al. Effects of soil profile configuration on soil water and nitrogen storage and transportation：A review（In Chinese）. Soils，2016，48（2）：219—224

［26］ 郭大應，熊清瑞，謝成春，等. 灌溉土壤硝態氮運移與土壤濕度的關系. 灌溉排水，2001，20（2）：66—68 Guo D Y，Xiong Q R，Xie C C，et al. Feasibility analysis on irrigation return flow reuse system in Hetao irrigation district in Inner Mongolia（In Chinese）.Irrigation and Drainage，2001，20（2）：66—68

［27］ 陳效民，鄧建才，柯用春，等. 硝態氮垂直運移過程中的影響因素研究. 水土保持學報，2003，17（2）：12—15 Chen X M，Deng J C，Ke Y C，et al. Study on influence factors in process of nitrate vertical transport（In Chinese）. Journal of Soil and Water Conservation，2003，17（2）：12—15

［28］ Nosalewicz M，Stepniewska Z，Nosalewicz A. Effect of soil moisture and temperature on N2O and CO2concentrations in soil irrigated with purified wastewater.International Agrophysics，2013，27（3）：299—304

［29］ Laville P，Lehuger S，Loubet B，et al. Effect of management，climate and soil conditions on N2O and NO emissions from an arable crop rotation using high temporal resolution measurements. Agricultural and Forest Meteorology，2011，151（2）：228—240

［30］ Follett RF. Innovative15N microplot research techniques to study nitrogen use sufficiency under different ecosystems. Communications in Soil Science and Plant Analysis，2001，32（7/8）：951—979

［31］ 韓曉日，郭鵬程，陳恩芬，等. 土壤微生物對施入肥料氮的固持及其動態研究. 土壤學報，1998，35（3）：412—418 Han X R，Guo P C，Chen E F，et al. Immobilization of fertilizer nitrogen by soil microbes and its changes（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，1998，35（3）：412—418

［32］ Minick K J，PandeyC B，Fox T R，et al. Dissimilatory nitrate reduction to ammonium and N2O flux：Effect of soil redox potential and N fertilization in loblolly pine forests. Biology and Fertility of Soils，2016，52（5）：601—614

［33］ Rütting T，Boeckx P，Müller C，et al. Assessment of the importance of dissimilatory nitrate reduction to ammonium for the terrestrial nitrogen cycle.Biogeosciences，2011，8（7）：1779—1791

［34］ Ju X T，Gao Q，Christie P，et al. Interception of residual nitrate from a calcareous alluvial soil profile on the North China Plain by deep-rooted crops：A15N tracer study. Environmental Pollution，2007，146（2）：534—542

Fate of15N Labeled Nitrate in Dryland under Summer Fallow on the Loess Plateau

XIA Mengjie CHEN Zhujun LIU Zhanjun ZHOU Jianbin?
（College of Natural Resources and Environmental，Northwest A&F University，Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agrienvironment in Northwest China，Ministry of Agriculture，Yangling，Shaanxi712100，China）

【Objective】Summer fallow after winter wheat is harvested in dryland on the Loess Plateau is a very common practice to save rain water，and restore soil fertility for the next crop. Nowadays，the content of nitrogen（N）（mainly in nitrate form）in the soil of the dryland as residue of the fertilizer applied to winter wheat is increasing steadily. As summer is the rainy season in this region，whether or not the high rainfall would increase NO3--N leaching loss is an important issue deserving further study. The method of adding15N labeled nitrate after winter wheat is harvested in dryland is one to quantitativelyexplore fate of the residual fertilizer N in the dryland under summer fallow in the Loess Plateau，and hence to provide a scientific basis for managing Nin dryland.【Method】The15N labeled fertilization micro-plot（Polyvinylchloridecolumn，25 cm diameter and 25 cm long）method was used to study fate of the residual fertilizer N in the dryland under summer fallow in a field experiment，which hadfive tracts of cropland and two N treatments set up with and without N application（0 and 30 kg N hm-2）.15N labeled nitrate was mixed with the surface soil（0～15 cm）in the micro-plot at a rate equal to the content of the residual fertilizer N in the field after winter wheat was harvested. At the end of the summer fallow，soil samples throughout the soil profile（0～200 cm）were taken fromthe micro-plots，for analysis the contents of soil total nitrogen，NO3--N，and their15N abundance.【Result】Results show that at the beginning of the summer fallow，the content of NO3--N accumulated in the 0～200 cm soil was quite high，ranging between 205 and 268 kg hm-2and averaging 244 kg hm-2；At the end of the summer fallow，apparent NO3--N accumulation peaks were found in the soil，40～80 cm in depth，and15N abundance ranged between 0.408% and 0.482% and averaged 0.429%，being the highest in the soil 60 cm in depth，averaged 0.372% in the soil 80 cm in depth，being higher than the background value of15N abundance in the soil（0.36715N atom%），and was 0.369 % in the soil 100 cm in depth，more or less the same as the background value，in Treatments N30 in all the five tracts of cropland. In the five tracts of cropland，15N labeled nitrate abundance was the highest in the 40～60 cm soil layer in the soil profiles（0～100 cm），averaging 2.151%；and the lowest abundance was in the 80～100 cm soil layer，averaging 0.407%，both significantly higher than the background value. Although the rainfall during the summer fallow season was only 157 mm，making it a dry year，it still leached15N labeled nitrate down to 80 cm in depth，through a 45～65 cm thick soil layer，and even15N labeled nitrate was found in 100 cm depth. At the end of the fallow，the content of residual N averaged 21.6 kg hm-2or ranged between 20.8 and 22.9 kg hm-2in the 0～100 cm soil profile，accounting for 71.9% of the applied N fertilizer in all the five tracts of cropland.The content of residual labeled N was 4.5 kg hm-2，2.9% of which was in the form of NO3-- N in the 0～20 cm soil layer；Residual fertilizer N was mainly distributed in the 40～60 cm soil layer，and averaged 17.7 kg hm-2in content，accounting for 52.8% of the total N fertilizer applied，in which15N labeled nitrate content was 6.8 kg hm-2. After the summer fallow，the applied15N labeled N fertilizer was found lost at a rate of 23.8%～30.8%（averaging 28.1%）.【Conclusion】Residual fertilizer N accumulated significantly in the 0～200cm soil layer of the dryland after wheat was harvested，posing a potential risk of leaching. In 2014，though it was a dry year，the effect of rain water leaching NO3--N was still quite significant，indicating that the NO3--N leaching in the dryland during the summer fallow season should not be ignored and further studies should be done on mechanisms of its leaching loss.

Dryland；Summer fallow；15N labeled fertilization method；Residual fertilizer N；Nitrate leaching

S158.5

A

10.11766/trxb201704120060

* 國家自然科學基金項目（31372137）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 31372137）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：jbzhou@nwsuaf.edu.cn

夏夢潔（1990—），女，浙江嘉興人，博士研究生，主要研究植物營養與調控。E-mail：xmj629@126.com

2017-04-12；

2017-05-12；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-05-24

（責任編輯：陳榮府）