长期施肥对红壤旱地剖面硝态氮累积的影响

黄 晶 ，王伯仁 ，刘宏斌 ，秦 琳

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南 祁阳 426182）

中国是世界上最大的氮肥消耗国，但氮肥的利用率仅为30%～40%[1]。关于土壤氮素的淋失，从不同施肥状况、肥料种类、土壤性质、耕作方式、作物种类和种植方式等因素对农田氮素淋溶损失的影响都有研究，特别是对土壤NO3--N淋失研究相对较多[2～8]。中国南方大面积分布的红壤具有酸性强、养分含量低等特点，同时由于其地处热带、亚热带，降雨量大且分布不匀，土壤持水保肥性能较差，营养元素易遭淋失[9]。南方是我国粮食作物的主产区，且肥料的投入量逐年增加，因此，开展肥料合理施用和提高肥料利用率的研究极为必要。对南方丘陵区红壤旱地18 a长期试验不同施肥处理土壤剖面硝态氮含量进行了研究，为有效控制氮素淋溶损失，优化农业面源污染的管理与控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验设计

研究在中国农业科学院红壤实验站（北纬26°45′12″，东经 111°52′32″）内的国家红壤旱地肥力与肥料效益监测基地进行，供试土壤为第四纪红土发育的旱地红壤。海拔高度120 m左右，年平均温度18.0℃，年均降雨1 296 mm，年蒸发量1 470 mm，无霜期292 d。

国家红壤旱地肥力与肥料效益监测试验开始于1990年，共设12个处理，两次重复。小区面积200 m2，各小区之间用100 cm深水泥埂隔开，无灌溉设施，不灌水，实行冬小麦－夏玉米轮作。研究选取了（1）对照不施肥（CK）；（2）氮磷（NP）；（3）氮钾（NK）；（4）氮磷钾（NPK）；（5）常量氮磷钾 + 常量有机肥（NPKM）；（6）增量 50%氮磷钾 +增量 50%有机肥（1.5NPKM）；（7）撂荒（CK0）7个处理进行测定。冬小麦和夏玉米的肥料用量分别占施肥总量的30%和70%，在作物播种前做基肥一次施入。各处理的施肥量见表1，在施用有机肥料处理中，有机氮占70%，化肥氮占30%，有机肥料为猪粪。

表1 不同处理施肥量设置 （kg/hm2）

1.2 测定项目及方法

2008年9月6日，每小区按 0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm分5个层次采集土样，新鲜土样采回后分2份，一份用烘干法测定土壤含水量，另一份用蒸馏水浸提-酚二磺酸比色法测定硝态氮含量[10]。

1.3 数据分析

试验数据采用EXCEL和SPSS13.0进行数据统计分析及作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理硝态氮累积量

不同施肥处理下，由于土壤本身的矿化作用，土体中会存有少量的NO3--N[11]。由不同处理0～100 cm土体中NO3--N累积量可见（表2），在CK、CK0处理中，0～100 cm土体中分别累积约43.26 kg/hm2和16.62 kg/hm2的NO3--N，可见在不施肥的情况下，连续耕作能增加土体中NO3--N累积量。其他施肥处理，随着不同肥料的施用，各处理0～100 cm土体中NO3--N累积量发生了显著变化。NP和NPK的土体中NO3--N累积量分别比CK增加了184.22和110.32 kg/hm2，NK的土体中NO3--N累积量达到了492.21 kg/hm2，累积量是CK的11.38倍。硝态氮累积量与氮肥施用量直接相关[12-13]。与不施肥处理（CK）相比，长期施用化肥的各处理均能显著增加土体中NO3--N累积量（Ρ<0.05）。长期不平衡施用化肥处理（NP和NK）和氮磷钾配施（NPK）相比，其土体中NO3--N累积量相对较高，尤其是是氮钾配施（NK），其土体中NO3--N累积量极显著高于其他各处理（Ρ<0.01）。在南方红壤旱地，磷素通常为养分限制因子，磷肥的施用能显著降低土体中NO3--N累积量，这可能是因为磷肥能增加作物根系的吸收范围从而降低土壤硝酸盐[14]。

表2 不同施肥处理下硝态氮累积量 （kg/hm2）

NPKM、1.5NPKM与NPK相比，土体中NO3--N累积量显著降低（Ρ<0.05），这与文献[4]报道一致。1.5NPKM处理没有引起土体中NO3--N累积量增加，有机肥料施用能够减少土体中NO3--N积累，但有机肥料也有一个适宜用量问题。据研究表明，即使是同一地区同一利用方式的土壤，因管理模式的不同也存在着不同的有机肥适宜施用量[15]。

2.2 不同施肥处理硝态氮在土壤剖面中的分布

图1 不同施肥处理剖面NO3--N分布

不同施肥处理的NO3--N含量在0～100 cm土体各层次间存在较大差异，由图1可以看出，各处理土壤硝态氮在各土层分布体现出一定的规律性。从垂直分布来看，不施肥处理（CK）和撂荒处理（CK0）的土壤硝态氮浓度随深度的增加呈降低趋势，但在40～60 cm土层出现累积峰，60～100 cm土层形成了明显的低值区域，CK处理的NO3--N含量变化范围在 3.31～4.08 mg/kg之间，CK0处理的NO3--N含量已接近于0。各施肥处理在土壤剖面的各层次的NO3--N含量均显著高于CK（Ρ<0.05）。0～20 cm表层土壤中，长期施用有机肥的两个处理NPKM和1.5NPKM，NO3--N含量比长期施用化肥的NP、NK、NPK 3个处理要低，且1.5NPKM处理的NO3--N含量显著低于其余各施用化肥的处理。

各施肥处理随着土层深度的增加，NO3--N含量有上升趋势，NP、NPK、NPKM和1.5NPKM处理均在40～60 cm土层出现累积峰，峰值分别为22.55、13.43、11.81 和 10.46 mg/kg，NK 处理在 20～40 cm土层出现累积峰，峰值高达70.72 mg/kg，可见磷肥的施用能显著降低这一土层土壤NO3--N含量。相比于NP、NK处理，NPK和NPK配施有机肥处理在20～60 cm土层中能显著降低NO3--N的累积。60～100 cm土层中，各处理的NO3--N含量开始呈下降趋势，NP、NK、NPK 3个处理的NO3--N含量有所降低，但未见显著差异。施用有机肥的处理NPKM和1.5NPKM的NO3--N含量在60～100 cm土层中显著下降（Ρ<0.05）。可见，施用化肥的各个处理，NPK配施能够有效的降低土壤NO3--N在0～60 cm土层中的积累，但不能阻止土壤NO3--N往更深层次土体的运移。而有机肥的施用，在0～100 cm土层中，不仅能降低剖面中NO3--N含量，而且能够有效的阻止NO3--N往深层土壤的运移。总体来看，长期不同施肥处理后，除NK处理外，其余各处理各土层的硝态氮含量均较低，均小于30 mg/kg，对土壤环境和地下水环境威胁不大[16]。

2.3 不同施肥处理下硝态氮的残留率

表3为各不同施肥处理的硝态氮残留率，计算公式为：残留率（%）＝[（A－B）／C]×100

公式中：A表示某土层施肥处理NO3--N累积量；B表示某土层不施肥处理NO3--N累积量；C表示1990年试验开始后总的施氮量。

表3 不同施肥处理NO3--N残留率 （%）

连续18 a不同施肥处理后，各处理间0～100 cm土层中NO3--N残留率发生显著变化。NK处理，被淋洗到0～100 cm土层的硝态氮占其历年累积施氮量的8.31%，显著高于其余各施肥处理（Ρ<0.05）。与NK处理相比，NP、NPK配施显著降低了0～100 cm土层中NO3--N残留率。同时，施用有机肥的NPKM和1.5NPKM处理在0～100 cm土层中NO3--N残留率仅为1.34%和0.69%。各处理在0～100 cm剖面各层次之间的NO3--N残留率未呈现很明显的规律性。据前人对我国旱作生产中氮肥的损失程度的粗略估计，其值可能在45%左右[17]。据此推算，本试验各处理0～100 cm土层中NO3--N淋溶损失占氮素损失的1.53%～18.48%，与前人[6,18]的研究结果相比偏低。这可能是因为本研究只对0～100 cm土层中NO3--N进行测定，100 cm以下的土层有没有NO3--N的累积层，还有待进一步研究。

3 结论

（1）南方红壤旱地，在不施肥的情况下，连续耕作能增加土体中NO3--N累积量。磷肥的施用能显著降低0～100 cm土体中NO3--N累积量，在施用化肥的基础上配合施用有机肥，也能够降低0～100 cm土体中NO3--N累积量。

（2）肥料的施用对土壤NO3--N垂直分布特征的影响较大，各施肥处理随着土层深度的增加，NO3--N含量有增加趋势。20 cm以下各土层，均以NK处理的NO3--N含量为最高，峰值高达70.72 mg/kg。NPK配施能够有效的降低土壤NO3--N在0～60 cm土层中的积累，但不能阻止土壤NO3--N往60 cm以下土层的运移；而有机肥的施用，不仅能降低剖面中NO3--N含量，并能够有效的阻止NO3--N往深层土壤的运移。

（3）由本试验看出，长期不同施肥处理后，各处理0～100 cm土体中NO3--N残留率发生显著变化，粗略估算各处理0～100 cm土层中NO3--N淋溶损失占氮素损失的1.53%～18.48%。因本试验只对0～100 cm土层中NO3--N进行测定，长期不同施肥处理对100 cm以下的土层中NO3--N的影响还有待进一步研究。

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