施用氮肥对砖红壤硝态氮和盐基离子淋失特征的影响

余 泺， 高 明， 黄利玲， 王洋清， 张 倩

(1 西南大学资源环境学院，重庆北碚 400716; 2 璧山县农业技术推广中心，重庆璧山 402760;3 淮北市杜集区安全生产监督管理局，安徽淮北 235037; 4 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆渝北 401122)

施用氮肥对砖红壤硝态氮和盐基离子淋失特征的影响

余 泺1,2， 高 明1*， 黄利玲3， 王洋清4， 张 倩1

(1 西南大学资源环境学院，重庆北碚 400716; 2 璧山县农业技术推广中心，重庆璧山 402760;3 淮北市杜集区安全生产监督管理局，安徽淮北 235037; 4 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆渝北 401122)

氮肥品种的合理选用对作物增产增收、 土壤酸化改良有重要的影响。本文以海南省海口市观澜湖采集的砖红壤为研究对象，采用室内土柱模拟试验，对尿素、 硝酸铵和硫酸铵3种氮肥处理下砖红壤硝态氮及盐基离子(Ca2+、 Mg2+、 K+、 Na+)淋失特征进行了研究。结果表明， 1)硝态氮累积淋溶量表现为硫酸铵>硝酸铵>尿素>N0，且硝态氮的淋溶量与施肥量呈正相关关系，整个淋溶过程中硝态氮累积淋溶量(y kg/hm2)与施肥量(x kg/hm2)之间满足线性方程 y=3.3064x+315.74(R2=0.8848); 2)尿素、 硝酸铵、 硫酸铵处理整个淋溶过程的盐基离子淋溶量均表现为Ca2+>Mg2+>K+>Na+，且盐基离子淋溶总量(kg/hm2)表现为硫酸铵(1821.12)>硝酸铵(1080.27)>尿素(872.24)>N0(417.23); 3)砖红壤盐基离子迁移速率表现为硫酸铵(26.28%)>硝酸铵(13.37%)>尿素(11.78%)，尿素、 硝酸铵和硫酸铵处理分别以线性方程y=0.1178x+123.18(R2=0.9121)、 乘幂方程y=15.634x0.4423(R2=0.9259)和对数方程y=128.38e0.0007x(R2= 0.9244)的拟合度最高。

尿素; 硝酸铵; 硫酸铵; 硝态氮; 盐基离子

Keywords: urea; ammonium nitrate; ammonium sulfate; nutrient nitrogen; base cations

1 材料与方法

1.1 供试土壤

1.2 试验设计

图1 淋溶装置示意图Fig.1 The design of leaching

每次施肥后，用保鲜膜封住土柱顶部，以防止铵态氮的挥发损失，再使其在自然状态下硝化反应21d以后开始作淋溶试验(此过程通过每日18:00采用TDR土壤水分测定仪监测一次，确定需要补给的灌水量，并定时定量进行补给，控制含水率为田间持水量的60%左右，室内平均温度为25°C)。

1.3 测定项目与方法

土壤有机质含量用K2Cr2O7-H2SO4容量法; 土壤pH用pHS-4C酸度计电位法测定，土水比1 ∶1; 全氮用开氏法; 全磷用NaOH熔融—钼蓝比色法; 全钾用NaOH熔融—火焰光度法; 有效磷用钼蓝比色法; 有效钾用NH4OAC浸提—火焰光度法测定。土壤容重用环刀法; 颗粒组成用比重计法[6]测定。

淋溶液中离子含量的测定: 淋溶液用0.45μm滤膜过滤后，铵态氮用靛酚蓝比色法测定; 硝态氮用酚二磺酸比色法测定; Ca2+、 Mg2+、 K+、 Na+用原子吸收光谱法测定[7-8]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003、 SPSS13.0等统计软件进行处理，用CurveExpert 1.3软件进行线性拟合。

某形态氮素累积淋溶量计算公式为，

式中: Li为处理i的某形态氮累计淋溶量(kg/hm2); Cij为处理i第j次淋溶试验淋溶液中某形态氮质量浓度(mg/L); 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)。

图2 氮肥种类对砖红壤累积淋失量的影响Fig.2 Effect of nitrogen fertilizer forms on the accumulative leaching amounts of N-N

2 结果与分析

2.1 施用氮肥对砖红壤硝态氮淋失特征的影响

2.2 施用氮肥对砖红壤盐基离子淋失特征的影响

由表1可以看出，N0、 尿素、 硝酸铵和硫酸铵处理的盐基离子淋溶总量分别为417.23、 872.24、 1080.27和1821.12 kg/hm2，表现为硫酸铵 >硝酸铵 >尿素 >N0，与砖红壤硝态氮淋失量规律相吻合。3种氮肥处理中盐基离子淋溶总量均表现为Ca2+>Mg2+>K+>Na+，这是因为砖红壤发育在高温高湿的环境中，长期处于盐基流失状态，一价盐基离子的含量低，而二价盐基离子相对含量较高，同时，根据质量作用定律，在外源质子入侵时二价离子也首先被交换出来[18]。而试验中各处理Ca2+淋失量均显著大于其他盐基离子(P<0.05)，N0、 尿素、 硝酸铵和硫酸铵4个处理盐基离子淋溶量中Ca2+的比例分别达78.46%、 87.41%、 90.01%和90.51%。这是因为钙不仅在地壳中含量最高，而且砖红壤的阳离子交换量cmol(+)/kg中含量也最高; Ca2+(0.90)>Mg2+(0.235)>Na+(0.101)>K+(0.043)cmol(+)/kg]。分别观察各阶段盐基离子的淋溶特征差异性可知，N0在三个阶段中各盐基离子的淋溶特征表现为: 各阶段Na+均显著大于K+，Mg2+在一、 二阶段显著大于K+，而随着Mg2+淋溶量的快速减少，到第三阶段Mg2+、 K+差异不显著， Na+显著大于Mg2+(P<0.05)。尿素处理则表现为各阶段Mg2+、 K+均显著大于Na+，而Mg2+、 K+则表现为差异不显著—显著—不显著(P<0.05)。可以看出，K+随着淋溶的进行表现出了先降低后升高的趋势，这是由于硅铝质砖红壤的母质花岗岩的主要组成矿物为长石、 石英和云母通过风化释放出钾离子使得后期K+离子淋溶量随淋溶阶段进行而逐渐增加[19-20]。硝酸铵处理表现为各阶段Mg2+、 K+差异不显著，但均显著大于Na+(P<0.05)，同时，从淋溶量可以看出除第二阶段Mg2+淋溶量略高于K+淋溶量外，其余两个阶段均是K+淋溶量更高。这是由于砖红壤为高度风化的淋溶土纲，土壤粘粒含量较高，土壤颗粒所吸附或固定的K+在淋溶初期较多的交换淋溶，又随着施肥淋溶的不断进行，K+的结合力遭到破坏，使得淋溶后期K+的释放加剧补充了K+，且土壤中Mg2+含量随淋溶逐渐降低，因此出现了K+与Mg2+比较呈现高—低—高的变化趋势[21]。硫酸铵处理表现为: 三阶段Mg2+、 K+均显著大于Na+，而Mg2+除第一阶段与K+差异不显著外，均显著大于K+(P<0.05)，可知，硫酸铵不同于其他处理，随着淋溶的进行Mg2+的淋溶量较K+高。

表1 氮肥种类对砖红壤盐基离子迁移量的影响 (kg/hm2)

注(Note)： 同列数据后不同字母表示同一阶段处理间差异达5%显著水平Data followed by different letters are significant among the treatments at the same stage at the 5% level.

2.3 施用氮肥对砖红壤硝酸根离子和盐基离子的耦合迁移特征的影响

土壤胶粒表面的盐基离子被交换下来后，根据电中性法则，其必定与带负电的离子一起淋失，而硝态氮不仅带负电，而且容易随水流失，所以推测土壤盐基离子的淋失与土壤硝态氮的淋失具有耦合迁移特征。为探明不同氮肥种类对硝态氮与盐基离子的耦合迁移特征的影响，分别以y=ax+b，y=lnx+b，y=axb，lny=ax+b四个方程进行回归分析，拟合方程见表2。

由表2可知，3种氮肥处理下硝态氮淋失量(x)与盐基离子迁移总量(y)的拟合度均较理想(R2>0.90)，尿素、 硝酸铵和硫酸铵处理拟合线性方程分别为y=0.1178x+123.18(R2=0.9121)、 y=0.1337x+156.99(R2=0.9035)和y=0.2628x+81.803(R2=0.9102)，可知盐基离子的迁移量随硝态氮淋溶量的增加而增大，其中斜率表示盐基离子在砖红壤中的淋失速率。可见，3种氮肥处理土柱淋溶过程中盐基离子的迁移速率表现为硫酸铵最大为26.28%，其次为硝酸铵为13.37%，尿素最低为11.78%。这是因为铵态氮施入土壤中每1 mol NH4+转化为NO3-可以释放出4 mol的H+，这样铵态氮比尿素施入土壤能产生更强的酸化作用[22]，释放的H+越多就越易将土壤胶体上的盐基离子更多的交换下来。与此同时，生理酸性肥硫酸铵施入酸性土壤砖红壤时，进一步降低土壤的酸度，促进矿物风化及盐基离子淋失。

硝态氮淋溶量与各盐基离子迁移量的拟合方程中，3种氮肥处理均以Ca2+的拟合效果最优，本试验中，迁移的盐基离子量主要以Ca2+为主，其中，硫酸铵处理Ca2+的迁移速率为26.32%，较尿素处理的11.46%和硝酸铵处理的13.69%分别高出14.86 和12.63 个百分点。总体来看，砖红壤硝态氮淋失量与盐基离子的迁移量在尿素、 硝酸铵和硫酸铵处理中均表现为Ca2+的耦合迁移程度最高，其次为Na+，而K+、 Mg2+相对拟合程度较差，这是因为当H+不断积累，土壤的电化学平衡被打破后，Ca2+与土壤的结合能量随pH的降低而急剧减少，这样就使得吸附在土壤胶体上的Ca2+加速溶出随渗漏水而淋失[23]，使Ca2+的迁移淋失占据绝对优势。又从离子的交换能力可知，较Mg2+、 K+，H+更易将Na+交换下来随渗漏液淋失。同时，供试砖红壤粘粒含量较高、 颗粒细，土壤颗粒易形成较厚的膜状水[24]，减缓了K+的运移速度，增加其与土壤颗粒的接触面积和接触时间，使得K+与硝态氮的耦合淋溶程度降低。其中，尿素处理各盐基离子迁移特征表现为Ca2+(R2=0.9)>K+(R2=0.6976)>Na+(R2=0.6862)>Mg2+(R2=0.6182)，硝酸铵处理硝态氮淋溶量与Ca2+的耦合程度最高(R2>0.90)，其次为Na+(R2=0.6162)，与Mg2+、 K+耦合迁移特征差异不显著，而硫酸铵处理表现为Ca2+(R2>0.90)>Na+(R2=0.8726)>K+(R2=0.1472)>Mg2+(R2=0.2553)。

3 结论

2)氮肥品种对盐基离子的淋失也有一定影响，表现为硫酸铵>硝酸铵>尿素>N0，与硝态氮的淋溶趋势一致，且二价阳离子的淋失量较一价阳离子高。

3)硝态氮淋溶量与盐基离子的耦合性较好，随着硝态氮淋失量的增加，盐基离子淋失量增大。砖红壤上盐基离子随硝态氮的迁移速率表现为硫酸铵>硝酸铵>尿素。

[1] 吕殿青, 同延安, 孙本华. 氮肥施用对环境污染影响的研究[J]. 植物营养与肥料学报, 1998, 4(1): 8-15. Lu D Q, Tong Y A, Sun B H. Study on effect of nitrogen fertilizer use on environment pollution[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 1998, 4(1): 8-15.

[3] 张福珠, 熊先哲, 戴同顺, 韩淑华. 应用15N研究土壤-植物系统中氮素淋失动态[J]. 环境科学, 1984, 5(1): 21-24. Zhang F Z, Xiong X Z, Dai T S, Han S H. Study of nitrogen leaching losses of soil-plant system by 15N[J]. Chin. J. Envir. Sci., 1984, 5(1): 21-24.

[4] 林清火. 砖红壤中氮钾的淋溶特征研究[D]. 重庆: 西南农业大学硕士学位论文, 2004. Lin Q H. Study of nitrogen and potassium leaching in the latosol [D]. Chongqing: Ms thesis, Southwest Agric. Univ., 2004.

[5] 孙波, 王兴祥, 张桃林. 红壤养分淋失的影响因子[J]. 农业环境科学学报, 2003, 22(3): 257-263. Sun B, Wang X X, Zhang T L. Influencing factors of leaching nutrients in red soils[J]. J. Agro-Environ.Sci., 2003, 22(3): 257-263.

[6] 杨剑虹, 王成林, 代亨林. 土壤农化学分析与环境监测[M ]. 北京: 中国大地出版社, 2008. Yang J H, Wang C L, Dai H L. Method of analysis in soil and environmental monitoring[M]. Beijing: China Land Press, 2008.

[7] 鲁如坤主编. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京:中国农业科技出版社, 1999. Lu R K. Method of analysis in soil[M]. Beijing: China Agriculture Science and Technology Press, 1999.

[8] 国家环境保护总局编委会编. 水和废水监测分析方法[M]. 北京:中国环境科学出版社, 2002. Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China. Water and exhausted water monitoring analysis method[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[9] Wang F L, Alva A K. Leaching of nitrogen from slow-release urea source in sandy soils[J]. Soil Sci. Soc. Am. J., 1996, 60: 1454-1458.

[10] 袁新民, 杨学云, 同延安, 等. 不同施氮量对土壤硝态氮累积的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2001, 19(1): 7-13. Yuan X M, Yang X Y, Tong Y Aetal. Effect of N-fertilizer rate on soil nitrate nitrogen accumulation[J]. Agric. Res. Arid Areas, 2001, 19(1): 7-13.

[11] 刘宏斌, 李志宏, 张维理, 林葆. 露地栽培条件下大白菜氮肥利用率与硝态氮淋溶损失研究[J]. 植物营养与肥料学报,2004, 10(3): 286-291. Liu H B, Li Z H, Zhang W L, Lin B. Study on N use efficiency of Chinese cabbage and nitrate leaching under open field cultivation[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 2004, 10(3): 286-291.

[12] 易秀, 薛澄泽. 氮肥在娄土中的渗漏污染研究[J]. 农业环境保护, 1993, 12(6): 250-253. Yi X, Xue C Z. On determination of nitrogen fertilizer pollution in lotu soil using lysimetric method[J]. Agro-Environ. Prot., 1993, 12(6): 250-253.

[13] 范丙全, 胡春芳, 平建立. 灌溉施肥对壤质潮土硝态氮淋溶的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 1998, 4(1): 16-21. Fan B Q, Hu C F, Ping J L. Effect of irrigation and fertilization on nitrate leaching in loamy fluvo-aquic soil[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 1998, 4(1): 16-21.

[14] 陈子明, 袁锋明, 姚造华, 等. 氮肥施用对土体中氮素移动利用及其对产量的影响[J]. 土壤肥料, 1995, 4: 36-42. Chen Z M, Yuan F M , Yao Z Hetal. Study on effect of nitrogen fertilizer use on nitrogen migration、 utilization and yield[J]. Soil Fert., 1995, 4: 36-42.

[15] 张贵龙, 任天志, 李志宏, 等. 施氮量对白萝卜硝酸盐含量和土壤硝态氮淋溶的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(4): 877-883. Zhang G L, Ren T Z, Li Z Hetal. Effects of nitrogen fertilization on nitrate content of radish (RaphanussativusL.) and soil nitrate leaching[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 2009, 15(4): 877-883.

[16] 陈子聪, 章明清, 陈防, 等. 氮肥对菜园土壤硝态氮淋溶流失的影响[J]. 生态环境, 2008, 17(3): 1230-1234. Chen Z C, Zhan M Q, Chen Fetal. Effect of fertilizer on nitrate-nitrogen loss from garden soils[J]. Ecol. & Environ., 2008, 17(3): 1230-1234.

[17] 阮云泽. 热带地区旱地砖红壤上氮肥氮去向及两种叶用蔬菜对氮吸收利用的研究[D]. 广州: 华南热带农业大学硕士学位论文, 2004. Ruan Y Z. Study on the behaviors and absorbing utilization of nitrogen fertilizer in latosol of dryland in tropical zone[D]. Guangzhou: Ms thesis, Agricultural College South China University of Tropical Agriculture, 2004.

[18] 岑慧贤, 王树功, 仇荣亮, 马灵芳. 模拟酸雨对土壤盐基离子的淋溶释放影响[J]. 环境污染与防治, 2001, 23(1): 13-15,26. Cen H X, Wang S G, Chou R L, Ma L F. The influence of simulated acid rain on leaching and release of base ions[J]. Environ. Poll. Control, 2001, 23(1): 13-15,26.

[19] 蒋梅茵, 罗家贤. 土壤中含钾矿物的研究-含钾矿物中钾的形态及其释放[J]. 土壤学报, 1979, 16(4): 414. Jiang M Y, Luo J X. Study on the potassium bearing minerals in soil-The forms and release of potassium[J]. Acta Pedol. Sin., 1979, 16(4): 414.

[20] 熊毅, 陈家坊, 武玫玲, 等. 土壤中钾的固定与释放-土壤胶体(第三册)[M]. 北京: 科学出版社, 1990.466-473. Xiong Y, Chen J F, Wu M Letal. The fixation and release of potassium in soil-Soil colloid (3 vol.)[M]. Beijing: Science Press, 1990. 466-473.

[21] 凌大炯, 章家恩, 黄倩春, 等. 模拟酸雨对砖红壤盐基离子迁移和释放的影响[J]. 土壤学报, 2007, 44(3): 444-450. Ling D J, Zhang J E, Huang Q Cetal. Influences of simulated acid rain on leaching and release of base ions in latosol[J]. Acta Pedol. Sin., 2007, 44(3): 444-450.

[22] Bolan N S, Hedley M J. Role of carbon, nitrogen, and sulfur cycles in soil acidification[A]. Rengel Z. Handbook of soil acidity[C]. New York: Marcel Dekker Inc, 2003. 42-69.

[23] 陈建芳, 戎秋涛, 刘建明, 等. 模拟酸雨对不同层次的红壤元素迁移作用的影响[J]. 农业环境保护, 1996, 15(4): 150-154. Chen J F, Rong Q T, Liu J Metal. The influence of simulated acid rain on the element transportation in different red loam layer[J]. Agro-Environ. Prot., 1996, 15(4): 150-154.

[24] 赵玉安, 王玉. 娄土不同层次钾运移研究[J]. 河南农业科学, 2003, (11): 37-39. Zhao Y A, Wang Y. Study on the migration of potassium in different levels of lou soil[J]. J. Henan Agric. Sci., 2003, (11): 37-39.

YU Luo1,2， GAO Ming1*， HUANG Li-ling3， WANG Yang-qing4， ZHANG Qian1

(1CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China; 2BishanCountyAgriculturalTechnologyandPopularizationCenter,Chongqing402760,China; 3HuaibeiCityDujiAdministrationofWorkSafety,Huaibei,Anhui235037,China; 4ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology,ChineseAcademyofSciences,Chongqing401122,China)

S153.6+1; S143.1

A

1008-505X(2013)03-0698-07

2012-09-25接受日期2013-03-01

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD141318)

余泺(1987—)，女，重庆璧山，硕士研究生，主要从事土壤质量与环境方面的研究。E-mail: yuluo1987@163.com *通信作者 E-mail: gaoming@swu.edu.cn