苗圃潮土氮肥淋溶特征1)

刘 健 马履一 贾忠奎 张田田 于 航

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学),北京,100083)

精准施肥来源于农业,是根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理。但在林业上尚未见应用。在林业上根据苗木在不同生长时期对养分的需求定时定量施肥,一方面,可以减少化肥由于土壤的淋溶作用带来的损失,节约成本;另一方面,也可以防止淋溶到深层的养分元素进入地下水,避免环境污染[1]。

尿素作为苗圃常用氮肥具有含氮量高、肥效快等特点,但同时也存在易淋溶和反硝化而造成损失等缺点[2]。土壤中施入尿素后结合灌溉,尿素首先以分子态形式随水分下移,同时也在进行着分解作用,转化为铵态氮和硝态氮[3]。研究尿素施入土壤后,随水下移过程中氮素的淋溶形态、淋溶量对于苗圃合理施肥具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试潮土来自北京林学会新品种培育示范基地苗圃。土壤样品(H)分 0≤H≤20 cm,20 cm＜H≤40 cm,40 cm＜H≤60 cm 3个层次采集,风干后过 2mm筛,土壤为沙壤土,基本理化性质见表1。供试肥料为尿素(全氮,46.2%)。模拟土柱为长 30、50、70 cm,内径 5 cm的 PVC管,下部用 300目尼龙网布包扎,垫2 cm洁净石英砂粒。

表1 土壤基本理化性质

1.2 试验设计

尿素设 N1、N2、N3、N4共 4个施肥处理,各处理施肥量见表2,另设不施肥处理 N0作为对照,每个处理 2次重复。

将 0≤H≤20cm、20cm＜H≤40 cm、40 cm＜H≤60 cm土层土壤分别按照土壤密度依次回填装入不同长度的PVC管,即：长度为 30 cm的 PVC管中按照土壤密度 1.52g◦cm-3装入 0≤H≤20 cm土壤597g;长度为 50 cm的 PVC管中先装入土壤密度为 1.49g◦cm-3的 20cm＜H≤40cm土壤 585g,再装入土壤密度为 1.52g◦ cm-3的 0≤H≤20 cm土壤 597g;长度为 70 cm的 PVC管中先装入土壤密度为 1.52g◦cm-3的 40 cm＜H≤60 cm土壤 597g,再装入土壤密度为 1.49g◦cm-3的 20 cm＜H≤40 cm土壤 585g,最后装入土壤密度为 1.52g◦cm-3的 0≤H≤20 cm土壤 597g。装土过程中,一边装土一边压实土壤,使土壤和PVC管管壁间没有空隙,得到长度分别为 20、40、60cm的土柱,用以模拟苗圃 0～20 cm、0～40 cm、0～60 cm深度的土壤。肥料与少量 0≤H≤20 cm土层土壤混匀后一次性装入管中,土层上部覆 2 cm厚洁净石英砂粒,防止加水后扰动土壤表层,最后用保鲜膜封住 PVC管顶部,防止水分蒸发。土柱分别用去离子水淋洗至土壤饱和,第二天开始第一次淋洗,每个土柱用 94m L去离子水淋洗,淋溶液用塑料瓶承接,待不再有淋溶液流出时,测量淋溶液体积,并进行各项指标的测定。每隔 6 d进行 1次,共淋洗 12次,淋洗水总量大致相当于北京地区的年平均降水量(572mm)。

表2 氮肥施入量

1.3 试验方法

土壤样品按照常规方法分析[4]。淋溶液铵态氮N)质量浓度用纳氏试剂—分光光度法测定;硝态氮N)质量浓度用紫外分光光度法测定;全氮(TN)质量浓度用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定。

1.4 数据处理

某形态氮素累积淋溶量：

式中：Li为处理 i的某形态氮累计淋溶量(kg◦ hm-2);Cij为处理 i第 j次淋溶试验淋溶液某形态氮质量浓度(mg◦L-1);Vij为处理 i第 j次淋溶试验淋溶液体积(mL);S为土柱横截面积(cm2)。

无机氮淋溶量为铵态氮与硝态氮淋溶量之和;肥料氮淋溶率 =(施肥处理氮淋溶量-对照处理氮淋溶量)/施氮量×100%。

试验数据用 SPSS16.0软件进行方差分析及LSD多重比较,并进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 施肥量(0～20 cm)对氮素淋溶的影响

从表3中可以看出,土层 0～20cm,随着施肥量的增加,铵态氮累积淋溶量逐渐增大,各施肥处理间差异显著(p＜0.05),N1、N2、N3和 N4处理铵态氮累积淋溶量分别是对照的 1.12、1.35、2.87、3.29倍。铵态氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间的关系可用回归方程表示为 y=0.0064x+1.933 3(R2=0.944 2);与铵态氮相比,硝态氮的淋溶量明显增大,也呈现出随施肥量增加硝态氮淋溶量增大的趋势,其中N1处理与对照相比差异不显著,而 N2、N3、N4处理硝态氮的淋溶量显著大于对照不施肥处理,其中 N4处理硝态氮累积淋溶量为 476.72 kg◦hm-2,是对照淋溶量的 4.88倍,这说明当施氮量较低时,硝态氮的淋溶并不明显,一旦施肥量增大,在土壤没有种植植物的情况下,硝态氮极易发生淋溶而损失。0～20 cm土壤硝态氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间存在显著线性关系,用回归方程可表达为：y=0.475 8x+72.145(R2=0.9631);0～20 cm土壤全氮的淋溶量也随施肥量的增加而增大,其中 N1、N2处理与对照相比差异不显著,而N3和N4处理全氮的淋溶量则显著高于对照,分别是对照全氮淋溶量的 4.43倍和 2.38倍。20cm处土壤全氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间的关系可用回归方程表示为：y=0.5555x+99.888(R2=0.9857)。

表3 土壤深度 0～20cm各处理氮素累积淋溶量 kg◦hm-2

N1、N2、N3、N4处理的铵态氮淋溶量占全氮淋溶量的比例分别为：1.50%、1.47%、1.77%、1.22%,硝态氮的比例分别为：76.29%、87.61%、71.43%、85.14%,这说明 0～20 cm土壤氮素发生淋溶的主要形态为硝态氮;各处理无机氮淋溶量分别占全氮淋溶量的 77.80%、89.08%、73.19%、86.36%,这说明 0～20 cm土壤无机氮占全氮的 70%以上,20%左右的氮素以有机态等形式淋溶。各施肥处理肥料氮淋溶率分别为：27.84%、32.30%、43.69%和 54.19%,这说明 0～20 cm土壤施肥量越高,氮素的淋溶损失越大。

2.2 施肥量(0～40 cm)对氮素淋溶的影响

从表4可以看出,0～40 cm土壤铵态氮的淋溶量随施肥量的增加而增大,各处理间差异显著(p＜0.05),并且均显著高于对照不施肥处理,N1、N2、N3和 N4处理铵态氮累积淋溶量分别是对照的 1.10、1.24、1.35、1.50倍。 0～40 cm土壤铵态氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间的关系可用回归方程表示为：y=0.0014x+2.468 9(R2=0.923 6);硝态氮的淋溶量与铵态氮相比明显增大,并且也随着施肥量的增加而增大。各施肥处理硝态氮的淋溶量与对照相比显著增大,其中N1与 N2处理差异不显著,N3、N4处理硝态氮淋溶量分别为对照的 2.37倍和 3.08倍,这说明施肥后硝态氮的淋溶量显著增加,很容易发生硝态氮淋溶,对于低施氮量的处理N1和N2(施氮量 100～200 kg◦hm-2)硝态氮的淋溶效果是相同的。40 cm处土壤硝态氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间存在显著的线性关系,用回归方程表示为：y=0.3497x+129.63(R2=0.9975);全氮的淋溶量变化与硝态氮相似,也随施肥量的增加而增大。各施肥处理全氮的淋溶量显著大于对照不施肥处理,但 N1与N2处理差异不显著,而 N3和 N4处理全氮的淋溶量分别是对照全氮淋溶量的 4.43倍和 2.38倍。0～40 cm土壤全氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间的关系可用回归方程表示为：y=0.370 8x+148.25(R2=0.968 9)。

表4 土壤深度 0～40cm各处理氮素累积淋溶量 kg◦hm-2

N1、N2、N3、N4的铵态氮淋溶量占全氮淋溶量的比例分别为：1.37%、1.42%、0.95%、0.81%,硝态氮的比例分别为：90.84%、93.11%、81.97%、94.95%,这说明 0～40 cm土壤氮素发生淋溶的主要形态为硝态氮;各处理无机氮淋溶量分别占全氮淋溶量的 92.21%、94.53%、82.92%、95.76%,这说明0～40 cm土壤无机氮占全氮的 80%以上,只有 10%左右的氮素以有机态等形式淋溶。各施肥处理肥料氮淋溶率分别为：45.64%、31.34%、47.40%和 36.19%。

2.3 施肥量(0～60 cm)对氮素淋溶的影响

从表5可以看出,0～60 cm土壤铵态氮的淋溶量随施肥量的增加而增大,各处理与对照差异显著(p＜0.05),N1、N2、N3和 N4处理铵态氮累积淋溶量分别是对照的 1.31、1.40、1.54、2.33倍,但 N1与 N2处理差异不显著。0～60 cm土壤铵态氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间存在显著的线性关系,用回归方程表示为 y=0.001 4x+0.945 8(R2=0.967 9);与铵态氮相似,硝态氮的淋溶量也随施肥量的增加而增大,但硝态氮的淋溶量明显高于铵态氮。0～60 cm土壤只有 N3、N4处理硝态氮的淋溶量与对照不施肥处理相比有显著增加,N3、N4处理硝态氮的淋溶量分别是对照的 1.61倍和 1.79倍,N1、N2处理与对照差异不显著,这说明当施肥量小于 200 kg◦hm-2时,由于施肥造成的硝态氮的淋溶并不明显。0～60 cm土壤硝态氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间的关系可用回归方程表示为：y=0.216 7x+200.91(R2=0.9133);0～60 cm土壤全氮的淋溶量也随着施肥量的增加而增大,其中N3和N4处理全氮的淋溶量显著高于对照不施肥处理,N3和N4处理全氮的淋溶量分别为对照的 1.69倍和 1.89倍,但 N3和 N4处理之间差异不显著,N1、N2处理和对照的差异不显著,这说明当施氮量小于 200 kg◦hm-2时,由于施肥造成的全氮的淋溶并不明显,同时当施氮量为 400～800 kg◦hm-2时,全氮的淋溶效果是相似的。0～60 cm土壤全氮的累积淋溶量(y)与施肥量(x)之间的关系可用回归方程表示为：y=0.250 8x+220.67(R2=0.929 7)。

表5 土壤深度 0～60 cm各处理氮素累积淋溶量 kg◦hm-2

N1、N2、N3、N4处理的铵态氮淋溶量占全氮淋溶量的比例分别为：0.49%、0.49%、0.39%、0.52%,硝态氮的比例分别为：89.05%、88.60%、90.14%、88.94%,这说明 0～40 cm土壤氮素发生淋溶的主要形态为硝态氮;各处理无机氮淋溶量分别占全氮淋溶量的 89.54%、89.08%、90.53%、89.46%,这说明 0～60 cm土壤无机氮占全氮的 90%左右,只有 10%左右的氮素以有机态等形式淋溶。各施肥处理肥料氮淋溶率分别为：26.08%、21.36%、35.97%和 23.85%。

2.4 不同深度各形态氮素淋溶特征对比

对比 3个土壤深度各形态氮素的淋溶量可以发现,0～60 cm土壤铵态氮的累积淋溶量显著小于 0～20 cm和 0～40 cm土壤(p＜0.05),这说明铵态氮在随水下移的过程中易被胶体吸附和被矿物晶穴固定,从而减少了淋溶的发生[5];而对于硝态氮和全氮,3个深度这两种形态的氮素淋溶量差异并不显著(p＜0.05),这是因为硝态氮和土壤颗粒均带有负电荷,导致硝态氮在土壤中不易被吸附,移动性强[6]。结合不同深度土壤硝态氮淋溶量占全氮淋溶量的比例可以发现,淋溶的氮素中有 70%以上是以硝态氮的形式损失的,这也验证了硝态氮是氮素淋溶的主要形态的结论[7]。对比 3个土壤深度有机态氮占全氮的比例可以发现,0～20 cm土壤氮素以有机态等形式淋溶的比例大于0～40cm和 0～60cm土壤的,这可能是由于有机态氮素在下移的过程中被土壤胶体固定或者是在硝化细菌和酶的作用下发生了分解。

对比不同土壤深度氮肥的淋溶率可以发现,0～60 cm土壤氮肥的淋溶率小于 0～20cm和 0～40cm土壤的,这意味着当尿素施入土壤后,在随水下移的过程中,会较多地累积在深层土壤中,从而减少了由于施肥而带来的淋溶损失。不同土壤深度不同形态氮素的淋溶量与施氮量之间的关系可用线性方程表示,这与林清火等人的研究结果一致[8-10]。

3 小结

硝态氮是氮素淋溶的主要形态,不同土壤深度不同处理硝态氮淋溶量占全氮淋溶量的 70%以上,而铵态氮的比例不到 7%,另外,有 5%～27%以有机氮的形式淋溶。苗圃施肥后结合灌溉,如果灌溉后土壤水分达到饱和,尿素在土壤中的分解与转化迅速,氮素容易随水淋溶。选择在苗木生长旺季定量施肥,保证淋溶至苗木根系范围内的养分能够被苗木吸收利用,从而减少肥料损失。

氮肥淋溶率为 21.36%～54.19%,0～60 cm土壤氮肥的淋溶率小于 0～20 cm和 0～40 cm土壤的。不同深度土壤各施肥处理氮素的累积淋溶量均随施肥量的增加而增大。

不同土壤深度不同形态氮素的淋溶量(y)与施氮量(x)之间的关系均可用线性回归方程进行模拟,其中各深度全氮的回归方程为：0～20 cm：y=0.555 5x+99.888(R2=0.985 7);0～40 cm：y=0.370 8x+148.25(R2=0.968 9);0～ 60 cm：y=0.250 8x+220.67(R2=0.9297)。

本试验是在室内用回填土柱的方法模拟土壤尿素的淋溶情况,土壤中没有栽培植物,因此试验得到的氮素淋溶量会高于苗圃栽培植物条件下土壤实际的氮素淋溶量,在苗圃实际施肥过程中,需将植物吸收氮素的量与土壤淋溶氮素的量相结合制定施肥方案。

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