施氮與添加碳源對橡膠林土壤氮肥殘留的影響

摘""要：氮肥在土壤中的殘留是氮肥施用后的重要去向，熱帶磚紅壤中碳源的缺乏可能限制了橡膠林土壤對肥料氮的持留。本研究采用田間微區試驗結合15N同位素示蹤技術，在添加外源碳（100"kg/hm2）條件下，設置4個施氮處理：未施氮（N0）；低氮，施氮量100"kg/hm2（N100）；中氮，施氮量200"kg/hm2（N200）；高氮，施氮量400"kg/hm2（N400），分析不同施氮水平下橡膠林土壤氮殘留特征。結果表明：添加碳后，氮肥施用當年的殘留率為8.8%～17.6%，2"a后氮肥的土壤殘留率介于6.6%～16.5%之間。隨著施氮量的增加，氮肥的土壤殘留率呈逐漸下降趨勢。與未施氮處理相比，添加外源碳條件下，較低的施氮水平（100"kg/hm2）更有利于提升土壤全氮含量和有機碳含量；從2"a的田間試驗結果綜合來看，添加碳后不同施氮處理的氮肥殘留率高于未添加碳處理。方差分析結果表明，添加碳對氮肥殘留率存在極顯著正效應，添加碳能夠有效增加土壤對肥料氮的持留。綜上所述，土壤碳源的缺乏是導致橡膠林氮肥施用后土壤中殘留率低的重要影響因素，橡膠林施肥生產中應該重視化肥配施有機肥，且施氮量不宜過高。

關鍵詞：橡膠林；氮肥；外源碳添加；氮肥殘留中圖分類號：S794.1；S714.8""""""文獻標志碼：A

Effects"of"Nitrogen"Application"and"Carbon"Addition"on"Soil"Residual"Nitrogen"in"Rubber"Plantation

ZHAN"Shan1，2，"MA"Zhaona1，3，"WANG"Guihua1，2，"LIN"Chenming1，2，"WU"Min1，2，"CHA"Zhengzao1，2*，"WANG"Dapeng1，2*

1."Rubber"Research"Institute，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"2."Danzhou"Soil"Environment"ofnbsp;Rubber"Plantation，"Hainan"Observation"and"Research"Station，"Danzhou，"Hainan"571737，"China;"3."College"of"Resources"and"Environmental"Sciences，"China"Agricultural"University，"Beijing"100193，"China

Abstract："The"residue"of"nitrogen"fertilizer"in"soil"is"an"important"destination"after"nitrogen"fertilizer"application."Under"tropical"acidic"soil"conditions，"it"is"hypothesized"that"the"lack"of"carbon"may"further"limit"soil"retention"of"nitrogen"fertilizer"in"rubber"plantation."A"field"micro-experiment"utilizing"15N"isotope"tracer"technology"was"conducted"to"investigate"the"soil"nitrogen"residual"characteristics"in"rubber"plantations"with"different"nitrogen"application"levels"（0"kg/hm2，"N0;"100"kg/hm2，"N100;"200"kg/hm2，"N200;"400"kg/hm2，"N400）"under"the"addition"of"exogenous"carbon"（100"kg/hm2）."The"results"showed"that"the"soil"residual"rate"of"nitrogen"fertilizer"was"8.8%-17.6%"in"the"first"year"and"6.6%-16.5%"two"years"later"after"adding"carbon."Notably，"the"residual"rate"of"nitrogen"fertilizer"showing"a"downward"trend"was"observed"with"the"increasing"of"nitrogen"application;"compared"with"the"treatment"without"nitrogen"fertilizer，"the"lower"nitrogen"application"level"（100"kg/hm2）"under"carbon"addition"had"a"significant"effect"on"enhancing"both"soil"total"nitrogen"and"organic"carbon"content."The"2-year"field"trial"revealed"that"the"residual"rate"under"different"nitrogen"application"with"carbon"addition"was"higher"than"that"without"such"addition."Variance"analysis"showed"that"exogenous"carbon"addition"had"a"significant"positive"effect"on"the"residual"rate"of"nitrogen"fertilizer;"and"carbon"addition"could"effectively"enhance"the"soil"retention"of"nitrogen"fertilizer."In"conclusion，"the"deficiency"of"soil"carbon"emerged"as"a"critical"factor"contributing"to"the"low"nitrogen"residue"rates"in"rubber"plantations;"therefore，"it"is"imperative"to"combine"chemical"fertilizers"with"organic"fertilizers"during"the"fertilization"process"in"rubber"plantations，"while"the"nitrogen"application"rate"remains"moderate.

Keywords："rubber"plantation;"nitrogen"fertilizer;"exogenous"carbon"addition;"residual"nitrogen"fertilizer

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2025.05.025

氮肥進入土壤后，主要有3種去向：（1）被作物吸收；（2）在土壤中殘留（以各種形態）；（3）損失到環境中去。各種去向之間聯系密切，并受作物特性、土壤質地、農業措施和氣象條件等多種因素的影響，是研究氮肥農學效應和環境效應的共同基礎，同時也是制定氮素管理及調控措施的最基本依據[1-2]。關于我國北方冬小麥的研究表明，作物收獲后土壤（0～150"cm）中氮肥殘留的比例在26.0%～44.0%之間[3]。夏玉米上的研究結果顯示，氮肥在土壤中的殘留約占氮肥施用量的45.0%～60.0%[4]。而稻田土壤中氮肥的殘留率為35.4%～37.1%[5]。在火炬松人工林上的研究結果顯示，僅在表層土壤（0～30"cm）的氮肥殘留率高達28.4%[6]。可見，氮肥在土壤中的殘留是當季氮肥施入土壤后的重要去向。殘留在土壤中的肥料氮（特指來源于氮肥的氮，此時氮肥已經失去原有形態，轉化為各種形態殘留在土壤中，故稱為肥料氮）后期會以各種形式參與土壤氮庫的內循環，是土壤氮庫的重要補充，對于維持土壤氮肥力具有重要作用[7-8]。一個非常值得注意的問題是，殘留在土壤中的肥料氮仍會被后期作物吸收利用[8-9]。研究表明，后2季作物對殘留的肥料氮的利用率仍高達8.3%～17.3%[10]。而長期定位研究結果也顯示，后期作物對殘留在土壤中的肥料氮的再吸收和利用過程甚至可以持續數十年以上[8]。由此可見，氮肥施用后的殘留，既是土壤氮庫的重要補充，也是作物氮素吸收的重要來源，對于穩定作物高產具有積極意義。

海南植膠區地處熱帶北緣，屬熱帶季風性氣候，其特點是高溫、高濕、降雨充沛。土壤類型普遍為酸性磚紅壤，具有強酸性、寡營養（低碳、低氮）的特點。由于氮肥在環境中的去向在不同生態條件下迥然不同。因此，以熱帶季風氣候條件下的酸性磚紅壤橡膠林為研究對象是研究氮肥殘留的重要補充。同時，對橡膠林氮肥施用后殘留和固持特征的了解還很少。本課題組前期研究發現，熱帶季風氣候條件下的橡膠林土壤表現出較低的氮肥殘留率[11]。土壤碳源的缺乏，可能是導致氮肥在土壤中殘留率低的重要原因[12]，由此推測外源碳的添加可能會增加橡膠林氮肥施用后土壤對肥料氮的持留。綜上所述，本研究擬采用15N穩定性同位素示蹤的技術手段，對外源碳添加條件下橡膠林不同施氮水平的肥料氮的殘留特征進行研究，以期促進橡膠林氮肥去向的基礎研究，在應用上為橡膠樹養分資源管理提供理論依據。

1""材料與方法

1.1"nbsp;研究區概況

試驗區位于中國熱帶農業科學院試驗場五隊土壤肥料試驗站（109°29′8.4″E，"19°29′8.4″N），熱帶季風氣候特征顯著，年均降雨量為1600～"2000"mm，月均氣溫為18.75～28.9"℃。試驗期間（2020年1月至2021年12月），試驗區2020年降雨量為1788.9"mm，2021年降雨量為1862.1"mm。研究區橡膠樹（Hevea"brasiliensis）品種為熱研7-33-97，樹齡為20"a，割齡為13"a，株行距為3.5"m×"6.0"m。試驗區土壤是由花崗片麻巖發育的磚紅壤，土壤（0～20"cm）基本理化性質：pH"4.87，有機碳為6.33"g/kg，全氮為0.68"g/kg，有效磷為19.93"mg/kg，速效鉀為47.83"mg/kg。

1.2""方法

1.2.1""試驗設計""田間試驗采用兩因素裂區設計，以施氮量為主區，共設置4個氮肥處理：對照，未施氮（N0）；低氮處理，施氮量100"kg/hm2（N100）；中氮處理，施氮量200"kg/hm2（N200）；高氮處理，施氮量400"kg/hm2（N400）。以施碳量為裂區，設置1個碳添加處理，施用量為100"kg/hm2。試驗設置3次重復，隨機區組。每個試驗小區橡膠樹9株，面積189"m2。試驗小區內建立面積為1"m2的2個試驗微區，微區中心位置距離橡膠樹樹干2"m，微區之間間隔1"m。采用304不銹鋼板（厚1"mm、高10"cm、長寬各1"m，連接處用氬弧焊焊接）制作微區隔離框，壓入土壤5"cm。2個微區內部按照施氮處理均勻施入15N標記尿素，其中1個微區（裂區）中施入碳源。15N標記尿素（豐度為10.04%，含N"46%）由上海化工研究院提供。添加碳源為葡萄糖（SIGMA，優級純）。試驗的第1年，按照試驗處理將15N標記尿素均分為3份，分別于4月上旬、7月上旬和9月上旬均勻撒施于試驗微區。葡萄糖于4月上旬隨氮肥一次性施于試驗微區；試驗的第2年，按照試驗處理將普通尿素（含N"46%）平均分3次撒施于微區內（4月上旬、7月上旬和9月上旬）。磷肥品種選用鈣鎂磷肥（含P2O5"18%），施用量為75"kg/hm2。鉀肥選用氯化鉀（含K2O"60%），施用量為150"kg/hm2。其中，磷鉀肥每年4月上旬一次性集中施入。

1.2.2""土壤樣品采集與分析""分別于每年試驗結束（大致在12月下旬）后，使用半圓鑿鉆采集0～100"cm原狀土壤樣品，以20"cm為間隔。采樣后須回填樣洞，避免試驗后期土壤優先流的干擾。土壤樣品采集后需盡快帶回實驗室制樣。土壤有機碳含量、全氮含量及15N豐度采用元素分析儀（vario"PYRO"cube，德國Elementar公司）、穩定性同位素質譜聯用儀（Isoprime"100，德國Elementar公司）測定[13-14]。

1.3""數據處理

土壤中肥料氮的殘留量和殘留率計算公式：肥料氮殘留量（kg/hm2）=TN×BD×D×100×"APES/APEU，式中，TN為土壤全氮（g/kg），BD為土壤容重（g/cm3），D為土層厚度（cm），APES為土壤樣品的15N原子百分超，APEU為15N標記尿素的原子百分超。肥料氮殘留率=肥料氮殘留量（kg/hm2）/氮肥施用量（kg/hm2）×100%，式中，由于橡膠樹吸收根主要集中在0～40"cm淺層土壤中，而遷移到深層土壤（gt;100"cm）中的肥料氮后期很難被橡膠樹吸收利用，因此15N標記肥料氮殘留率僅計算到0～100"cm土層。

采用Microsoft"Excel"2016軟件進行試驗數據處理和圖表制作。通過SAS（SAS"Institute"Inc.，"Cary，"NC，"USA）軟件采用最小顯著差異法（LSD）在0.05水平下進行不同處理間多重比較分析，采用IBM"SPSS"Statistics"20軟件進行雙因素方差分析研究添加外源碳和施氮處理及其交互作用對土壤有機碳儲量、肥料氮殘留和氮殘留率的影響。

2""結果與分析

2.1""不同施氮水平下15N豐度的垂直變化

1"a試驗結束后，添加碳的各施氮處理土壤剖面中的15N豐度變化趨勢較為一致，其峰值均出現在表層（0～20"cm）土壤，且具有較高的豐度（0.40%～0.44%）。深層土壤15N豐度變化相對平緩，但比自然豐度（0.37%）較大程度的提高。未添加碳的土壤表層中15N豐度為0.39%～0.41%，此時高氮處理深層土壤的15N豐度大大增加，說明肥料氮已遷移到深層土壤。2"a試驗結束后，各處理在土壤剖面中的15N豐度較上一年均有不同程度的下降，但峰值仍出現在表層土壤。其中，添加碳的各處理土壤表層15N豐度為0.40%～"0.43%，未添加碳的15N豐度為0.39%～0.41%。同時，深層土壤15N豐度變化相對平緩（圖1）。結果表明，氮肥施用后肥料氮在根層土壤中的殘留主要聚積在表層土壤，后期不同土層中積累的肥料氮豐度逐漸下降，可能或被進一步吸收或發生損失。

2.2""不同施氮水平下土壤全氮含量分析

1"a試驗結束后，不同施氮處理的土壤全氮含量隨土壤深度的增加呈逐漸下降的趨勢。在0～"20"cm表層土壤中，添加碳條件下低氮處理（N100）土壤全氮含量顯著高于N0處理（Plt;0.05）；隨土層的加深，不同施氮處理的全氮含量無顯著差異；未添加碳處理的土壤全氮含量變化趨勢與添加碳處理大致相同。2"a試驗結束后，與N0相比，添加碳條件下低氮處理（N100）在0～20、20～40、80～100"cm土層的土壤全氮含量均有顯著提升（Plt;0.05）；僅0～20"cm土層的N400處理全氮含量顯著高于N0，其他土層無顯著差異；N200處理各土層全氮含量與N0相比均無顯著變化（圖2）。綜合2"a的田間試驗結果來看，在外源碳添加的條件下較低的施氮水平（100"kg/hm2）更有利于提升土壤全氮含量。

2.3""不同施氮水平下土壤有機碳含量分析

各施氮處理的土壤有機碳含量隨土壤深度的增加呈逐漸降低的趨勢（圖3）。1"a試驗結束后，與不施氮處理相比，添加碳條件下低氮處理（N100）顯著增加了表層土壤有機碳含量（Plt;0.05），而其他土層深度不同處理之間無顯著差異；未添加碳時，40～60"cm土層N100處理的土壤有機碳含量顯著高于N0處理（Plt;0.05）。2"a試驗結束后，與N0相比，添加碳后的N100處理顯著增加了土壤有機碳含量（Plt;0.05）。這種增加不僅表現在表層土壤中，而且同樣發生在深層土壤中。說明碳氮互作有利于提高土壤有機碳含量，且較低的施氮量更易提高土壤有機碳含量。未添加碳時，不同施氮處理對土壤有機碳含量影響不大。

1"a試驗結束后，添加碳條件下各施氮處理的土壤有機碳儲量存在顯著差異（表1），其中，N100處理顯著高于其他處理（Plt;0.05）；未添加碳的各個處理間土壤有機碳儲量差異不顯著。2"a試驗結束后，添加碳的各施氮處理土壤有機碳儲量同樣存在顯著差異，其中，N100處理顯著高于N0和N200處理（Plt;0.05）；未添加碳條件下，土壤有機碳儲量以N100處理最高，且顯著高于N400處理（Plt;0.05）。方差分析結果表明，添加碳對土壤有機碳儲量影響不顯著，而添加氮對土壤有機碳儲量有極顯著正效應（表2）。

2.4""不同施氮水平下肥料氮在土壤中的殘留分析

1"a試驗結束后，添加碳條件下N400處理表層土壤中的肥料氮殘留顯著高于N100處理（Plt;"0.05）。隨土層的加深，肥料氮殘留總體以N400處理最高，在60～80"cm土層中有顯著差異；未添加碳時，表層土壤中的肥料氮殘留以N200處理最高，隨土層加深，以N400處理的肥料氮殘留最高。2"a試驗結束后，添加碳條件下表層土壤中的肥料氮殘留以N200處理最高，但處理間差異不顯著，隨土壤深度增加肥料氮殘留大多呈降低趨勢，除表層土壤以外，不同深度土壤肥料氮殘留量基本以N400處理最高；未添加碳的各處理肥料氮殘留迅速下降，其中在80～100"cm土層N400處理顯著高于其他2個處理（圖4）。

1"a試驗后，添加碳后各施氮處理肥料氮在根層土壤（0～100"cm）殘留介于17.63～34.99"kg/hm2之間（表1），其中N400處理的肥料氮殘留顯著高于N100處理（Plt;0.05）；從氮殘留率來看，3個施氮處理的氮殘留率介于8.8%～17.6%之間，N400處理顯著低于其他處理（Plt;0.05）。未添加碳時，不同施氮處理的氮殘留率介于7.6%～15.3%之間，表現為N100gt;N200gt;N400。2"a試驗后，添加碳后氮肥殘留率為6.6%～16.5%，較上一年均有不同程度的降低，且N100、N200處理顯著高于N400（Plt;0.05）。未添加碳時，不同施氮處理的氮肥殘留率僅有5.3%～13.6%，以N100處理最高。方差分析顯示（表2），施氮和添加碳對氮殘留量均有極顯著正效應（Plt;0.01），且二者之間存在交互作用；在2"a的田間試驗中，添加碳對氮殘留率存在極顯著正效應（Plt;0.01）。上述結果表明，添加碳能夠有效提高肥料氮的土壤殘留。

3""討論

國內外大量研究均已證實，氮肥在土壤中的殘留是氮肥施用后的重要去向，是土壤氮庫的重要補充[7-8]。然而，氮肥施用后如果在土壤中殘留過高意味著存在較高的損失風險，而過低的氮素殘留則預示著會進一步消耗土壤氮庫[1-2，"8]。因此，氮肥施用后需確保其在土壤中的殘留率維持在一個合理的范圍，這是研究氮肥農學效應和環境效應的重要指標，對于穩定土壤氮肥力、減少環境損失和實現作物高產具有重要意義[1-2]。

本研究中，施用橡膠林氮肥（施氮量100～"400"kg/hm2）當年的土壤氮肥殘留率僅有7.6%～"15.3%，2"a后的氮肥殘留率低至5.3%～13.6%。前人研究表明，大田作物當季的氮肥殘留率大致在30.0%～50.0%之間[4-5，"15]。關于小麥-玉米輪作體系的一項研究顯示，施氮量為75～300"kg/hm2，2"a后氮肥在土壤中的殘留率仍然有22.1%～32.8%[16]。由此可見，本研究中的氮肥殘留率遠低于大田作物的氮肥殘留率。究其原因，氮肥在土壤中的殘留主要受施氮量、作物品種、土壤類型、氣候條件及管理方式等多種因素的綜合影響。結合研究區的年均降雨量（1600"mm）來分析，很可能發生了較為嚴重的淋洗損失，同時也意味著在本研究獨特的氣候條件、土壤類型及栽培作物條件下，施用氮肥后土壤對肥料氮的固持能力很低。近期研究發現，海南植膠區土壤有機碳平均含量僅為8.33"g/kg[17]，為碳限制型土壤，無法有效地固持或保存未被作物吸收利用的肥料氮，這進一步印證了本研究結果。SEBILO等[7]利用15N同位素示蹤技術田間原位研究了肥料氮的長期去向，發現早期施入的氮肥在長達25"a的時間里，約有61.0%～65.0%的氮肥被植物吸收，但仍然有12.0%～15.0%的氮肥（大多以有機態氮形式）殘留在土壤中。ZHAO等[18]在水稻-小麥輪作系統中開展長達17"a的田間15N示蹤試驗，衰減函數擬合結果顯示肥料氮在土壤中的停留時間為23～31"a。可見，土壤中殘留的肥料氮參與了土壤氮庫的內循環，后續能夠被作物持續吸收利用，是土壤氮庫的重要補充[19]。因此，從這個意義出發，需要在一定程度上提高橡膠林施用氮肥后的土壤殘留率，以維持或增加土壤氮肥力。

本研究表明，高氮處理下氮肥在土壤中的殘留量雖然高于中、低氮處理，但是其殘留量并未呈現出倍數級增加趨勢。已有研究證實，礦質氮肥在提高氮素利用率和土壤氮肥力方面存在一定局限性[20]。長期施用礦質肥料的土壤中，很大一部分氮肥通過氨揮發[21]、淋洗[22]及硝化-反硝化[23]等過程而損失。而合理的施氮量及化肥配施有機肥是提高土壤氮肥力、減少環境損失的重要措施[24-25]。前期研究發現，橡膠林磚紅壤中碳源的缺乏是限制土壤氮轉化過程的主要因素，同時土壤碳源的缺乏，可能也限制了土壤對氮肥的持留[12]。為此，本研究開展了添加外源碳條件下不同施氮水平的田間試驗，發現施氮和添加碳對肥料氮殘留量均有極顯著影響，二者之間存在交互作用；同時，添加碳對肥料氮殘留率存在極顯著正效應。上述結果支持了添加碳能增加橡膠林肥料氮的土壤殘留這一假設。究其原因，可能是外源碳的添加能夠增加土壤可利用有機碳，改善土壤結構以及提高土壤緩沖能力[26]，增強了土壤對肥料氮的物理吸附和化學固定能力[27-29]；同時，外源碳的添加（如葡萄糖等）也大大增加了微生物的可利用碳源[30-32]，激發了土壤微生物活性，促進了微生物對肥料氮的利用和固持，在一定程度上能提高肥料氮在土壤中的持留[33-35]。本研究中，在低施氮量水平下外源碳的添加使肥料氮土壤持留的增加情況尤為明顯。同時，與對照相比，低氮處理對增加土壤全氮含量的效果優于高氮處理。研究表明，碳、氮等外源物質的施用對土壤碳氮過程存在一個激發效應（priming"effects，"PEs），而這個過程受諸多因素的驅動[36]。其中，外源物料C/N是影響激發效應方向（正激發或負激發）和強度的關鍵因素[36-37]。有研究發現，添加葡萄糖和氮后，隨著外源物料C/N的下降土壤正激發效應隨之增強，表現出外源氮有效性的增加誘導出更高的正激發效應，從而加速土壤有機氮等的礦化分解[38]。本研究中，隨著施氮量的增加，外源物料C/N下降，中、高氮處理可能對土壤產生了比低氮處理更強的正激發效應，在一定程度上可能會促進土壤有機氮的分解，同時在激發條件下也可能大大增加肥料氮的環境損失，從而不利于土壤對肥料氮的固持。這可能是高氮處理下土壤全氮含量較低的主要原因。

綜上所述，本研究揭示了添加碳源能夠有效增加橡膠林土壤對肥料氮的持留，佐證了橡膠林施肥生產中應該重視化肥配施有機肥。

4""結論

通過田間試驗，采用15N同位素示蹤技術研究了外源碳添加條件下橡膠林氮肥施用后的土壤殘留，研究發現，熱帶季風氣候條件下，橡膠林氮肥施用后具有較低的土壤殘留率，其殘留率隨著施氮量的增加呈下降趨勢；外源碳添加條件下低氮水平（100"kg/hm2）更有利于提升土壤全氮含量和有機碳含量；添加碳對肥料氮殘留量和殘留率均具有極顯著的正效應，碳源的添加能夠有效地增加橡膠林土壤對肥料氮的持留。研究證實，土壤碳源的缺乏是導致橡膠林氮肥施用后在土壤中殘留率低的重要影響因素，橡膠林施肥生產中應該重視化肥配施有機肥，且施氮量不宜過高。

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