橡胶林氮肥施用后在土壤中的残留、累积和迁移

王大鹏 ，罗雪华 ，郭澎涛，陈传洋，张永发，薛欣欣，赵春梅，吴小平*，茶正早*

1. 中国热带农业科学院橡胶研究所，海南 儋州 571737；2. 中国热带农业科学院土壤肥料研究中心，海南 儋州 571737

氮肥在作物产量和品质形成中发挥了关键作用。氮肥施入土壤后，主要有3种去向：被作物吸收、在土壤残留和损失。其中，残留在土壤中的氮约占氮肥施用量的 26%－60%（Jia et al.，2011；Yang et al.，2011）。大量研究证实（Ju et al.，2011；Sebilo et al.，2013；王西娜等，2016），土壤残留是残留肥料氮后期去向的重要形式，残留肥料氮已经成为土壤氮库的一部分，参与了土壤氮素的内循环。另外研究表明（巨晓棠，2014；赵伟等，2013），残留在土壤中的肥料氮对后茬作物仍有较高的肥效，后 2季作物对残留氮肥的利用率可达 8.3%－17.3%。而这一过程甚至可以持续数 10年以上（Sebilo et al.，2013）。由此可见，氮肥在土壤中的残留是土壤氮库的重要补充，其对于维持土壤氮水平和保证作物高产具有重要作用。残留在土壤中的肥料氮多以有机氮的形式存在（赵伟等，2015）。然而值得注意的是，在通透性好、具有较强矿化和硝化能力的旱地土壤中，残留氮素有相当一部分以硝态氮的形式在土壤剖面不同层次累积，为硝态氮淋洗提供了条件（Ju et al.，2007；王大鹏等，2017）。因此，虽然残留肥料氮对提高土壤肥力、补充土壤氮库具有重要作用，但是残留氮的环境损失也非常值得重视。

研究表明（Ju，2014），施氮不足时，施氮量不能满足作物对氮素的需求、土壤及微生物对氮素的固定，土壤氮库被大量消耗，肥料氮在土壤中的残留很少，其环境损失也很低（Sebilo et al.，2013）；平衡施氮，土壤氮素循环大致平衡，土壤氮含量能够维持在一个较为适宜的范围内（Ju et al.，2009；Wang et al.，2018）；过量施氮，施氮量远远超过作物吸收和土壤固持能力，土壤中存在大量氮素盈余，在一定条件下可能导致严重的淋洗损失（Ju et al.，2007；倪玉雪等，2013）。可见，施氮量是影响氮素在土壤中残留的重要因素，明确不同施氮量水平下肥料氮在土壤中的残留、累积和迁移，对于制定氮肥管理措施及减少氮素淋洗具有重要意义。

橡胶（Hevea brasiliensis）是热带地区典型的经济作物，在热带农业中具有特殊和重要地位。海南岛地处热带北缘，是中国发展橡胶的重要基地。自上世纪50年代海南岛开始大规模植胶，经过60年来的植胶生产，该区已面临单产提升困难、土壤养分大面积下降等问题（何向东等，2002）。如海南植胶区土壤全氮平均含量从 1954年植胶初期的 1.57 g·kg-1下降到 2010年的 0.82 g·kg-1（王大鹏等，2013）。热带季风气候条件下的橡胶林，具有高温、高湿和强降雨气候特征，土壤大多为酸性砖红壤。这种独特的气候条件下，过高的氮素残留意味着很高的淋失风险，而较低的氮素残留则预示土壤氮库的进一步消耗。因此，合理地施用氮肥对于橡胶树获得高产优质、减少氮素淋洗损失和维持土壤氮肥力具有重要作用。而与此同时，我们对该气候条件和土壤类型下橡胶林施用氮肥后残留特征的了解还很少。本文采用15N标记尿素研究了海南橡胶林不同施氮水平下肥料氮的残留、累积和迁移，为橡胶林氮素优化管理和土壤培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在海南省儋州市中国热带农业科学院橡胶所五队基地（109°29′11.219″E，19°29′6.215″N）进行。该区属典型热带季风气候，年平均气温23.8 ℃，年平均降雨量 1650 mm。受热带季风气候的影响，该区年内降雨分布极不均匀，具有明显的干湿交替。全年大部分降雨集中在雨季（5－11月），约占全年降雨总量的70%－90%。而旱季（12月至来年4月）降雨量仅占全年降雨总量的10%－30%。试验期间日均气温及降雨量见图 1，其中，2015年4月－2016年3月降雨1289 mm，2016年4月－2017年3月降雨2438 mm。橡胶树品种为热研7-33-97，1997年定植，2003年开割，株距3.5 m，行距6 m。该区土壤为花岗片麻岩发育砖红壤，试验区0－100 cm土壤基本理化性质见表1。

1.2 研究方法

图1 试验区日均气温及降雨量Fig. 1 Daily mean air temperature and daily precipitation at the experimental site

表1 试验区土壤基本理化性质Table 1 Soil physicochemical characteristics in the experimental site

试验共设4个氮肥（尿素）处理，3次重复，随机区组。4个氮肥处理：（1）不施氮，N0；（2）施氮量 100 kg·hm-2，N100；（3）施氮量 200 kg·hm-2，N200；（4）施氮量 400 kg·hm-2，N400。每试验小区胶树9株，小区面积18 m×10.5 m=189 m2。胶树之间用粘土砖做田垄隔离，宽11.5 cm，高15.9 cm。每小区建立15N试验微区1个，面积1 m2，微区中心位置距离橡胶树树干2 m。微区采用304不锈钢板隔离，钢板厚1 mm，高10 cm，长宽各1 m，连接处氩弧焊焊接，压入土壤中5 cm。标记源为15N标记尿素（上海化工研究院提供），丰度5.16%，N 46%。根据施氮处理，于试验第一年将标记尿素平均分3次撒施入微区内（2015年4月7日、7月12日和9月8日）。同时为了符合生产实际和反映残留氮肥的真实情况，于试验第二年将普通尿素（含N 46%）平均分3次撒施入微区内（2016年4月7日、7月7日和9月6日）。磷钾肥均作为基肥每年4月上旬随氮肥一次性施入，P2O575 kg·hm-2（钙镁磷肥，含 18% P2O5）；K2O 150 kg·hm-2（氯化钾，含60% K2O）。

将试验微区均匀划成4个采样小区，依次于第一次施标记尿素后（2015年6月30日，第二次施肥前）和第二次施标记尿素后（2015年8月31日，第三次施肥前）采用土钻法采集0－100 cm土壤样品，于第一年试验结束（2016年3月29日）和第二年试验结束（2017年3月29日）采集0－200 cm土壤样品。采用半圆凿钻（直径3 cm）采集原状土壤样品，采样时以20 cm为间隔，各点间和各层间要避免污染。采样后回填样洞，以避免优先流的发生。采集的样品用于测定土壤全氮的15N丰度、土壤硝态氮及铵态氮。用元素分析仪（Thermo Flash EA1112，美国）-稳定性同位素质谱联用仪（GV IsoPrime GB312，英国）测定土壤全氮15N丰度。土壤硝态氮用1 mol·L-1KCl浸提，连续流动分析仪（AA3，德国）测定。

1.3 数据处理

土壤中15N标记肥料残留量和残留率计算公式如下：

式中，15N Ra为15N标记肥料氮残留量（kg·hm-2）；TN 为土壤全氮（g·kg-1）；BD 为土壤容重（g·cm-3）；D 为土层厚度（cm）；APES为样品15N原子百分超；APEU为15N标记尿素原子百分超

式中，15N Rr为15N标记肥料氮残留率（%）；15N Ra为 0－100 cm土壤剖面标记肥料氮残留量（kg·hm-2）；Na 为标记氮肥施用量（kg·hm-2）

数据处理采用Microsoft Excel 2003。采用SAS 8.1（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）进行方差和相关性分析，多重比较比较采用最小显著差异法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面15N丰度的变化

第一次施肥后，不同施氮处理15N丰度在0－20 cm或20－40 cm土层最高（图2a）。此时，不同施氮处理 0－100 cm土壤剖面中的15N丰度（0.3721%－0.4030%）仅略高于自然丰度0.3663%。第二次施肥后，不同施氮处理15N丰度仍表现为0－40 cm土层最高，但40 cm以下土层的15N丰度明显增加（图2b）。0－100 cm土壤剖面中的15N丰度介于0.3765%－0.4981%。一年试验结束后，不同施氮处理15N丰度分别在0－20 cm和60－100 cm土层出现峰值（图2c），表明一定量标记氮已迁移到较深层次土壤。此时，从整个土壤剖面（0－200 cm）来看，仍以根层（0－100 cm）土壤15N丰度较高，而深层土壤（100－200 cm）15N丰度仍然较低。2年试验结束时，土壤剖面中的15N丰度峰值除出现在0－20 cm表层土壤外，深层土壤（100－200 cm）15N丰度增加很大，说明残留肥料氮已迁移到根层以下土壤（图2d）。

2.2 15N标记肥料氮在土壤剖面中的残留

第一次施肥后，由于施氮量较少，根层（0－100 cm）土壤剖面中肥料氮的累积很少（图3a）。第二次施肥后，肥料氮大多在浅层土壤 0－40 cm累积（图 3b）。1年试验结束后，肥料氮主要仍在根层土壤中（0－100 cm）累积（图3c）。不同施氮水平下根层土壤肥料残留量为 23.36－109.36 kg·hm-2，残留率为23.36%－31.85%（表2）。但此时，已有部分肥料氮迁移出根层土壤，100－200 cm土层肥料氮残留量约4.28－12.11 kg·hm-2。统计分析表明，施氮量的升高显著增加了肥料氮的根层残留量，但对肥料氮的残留率无显著影响。2年试验结束后，不同施氮水平下N100、N200和N400根层土壤肥料氮的残留量仅 20.45、27.22和 41.78 kg·hm-2，残留率分别仅有 20.45%、13.61%和 10.45%（表 2）。可见，2年试验后肥料氮在根层土壤中的残留急剧减少（残留量较上一年降低 12.5%－61.8%），同时有较多肥料氮已迁移到更深层土壤（图3d）。统计分析表明，2年试验结束后施氮量的增加对肥料氮在根层土壤中的残留量无显著影响，但显著降低了肥料氮在根层土壤中的残留率。

表2 15N标记肥料氮的残留量和残留率Table 2 Residual amount and residual rate of 15N labeled N fertilizer

图2 土壤剖面中15N丰度的垂直分布Fig. 2 Distribution of 15N abundance in the soil profile

2.3 硝态氮在土壤剖面中的累积和分布

第一次施肥后（图 4a）和第二次施肥后（图4b），不同施氮水平下硝态氮主要在根层（0－100 cm）土壤剖面中累积，其累积峰基本在20－40 cm处。此时，根层土壤中硝态氮累积量较低。1年试验结束后，土壤剖面中的硝态氮累积峰发生了明显地下移，达到80－100 cm处（图4c）。不同施氮水平下N0、N100、N200和N400根层土壤硝态氮累积分别为 24.61、35.42、93.98 和 172.47 kg·hm-2，且随着施氮量的增加呈显著增加趋势（表 3）。在100－200 cm土层，不同施氮水平下硝态氮累积量介于 13.89－51.66 kg·hm-2，且处理之间无显著差异。2年试验结束后，土壤剖面中的硝态氮累积峰继续下移，达到110－170 cm处（图4 d）。不同施氮水平下根层土壤硝态氮累积量介于 5.39－22.95 kg·hm-2，处理间无显著差异。与此同时，100－200 cm土层中不同施氮水平下N0、N100、N200和N400硝态氮累积量分别为10.10、53.36、78.53和 201.42 kg·hm-2，且随着施氮量的增加呈增加趋势。说明2年试验结束后，大量根层累积的土壤硝态氮向下迁移到土壤深层，发生了明显的淋洗。上述结果，硝态氮在土壤剖面中的累积受施氮量的影响很大。降雨偏少年份（2015年）0－100 cm土层和降雨偏多年份（2016年）100－200 cm土层中的硝态氮累积量与施氮量均呈极显著正相关关系（r=0.872**，P=0.000，n=12；r=0.833**，P=0.001，n=12；图5）。

表3 硝态氮在0－200 cm土壤剖面中的累积Table 3 NO3--N accumulation (kg·hm-2) in 0-200 cm soil profile

图3 15N标记肥料氮在土壤剖面中的残留Fig. 3 Residual of 15N labeled N fertilizer in the soil profile

3 讨论

肥料氮在土壤中的残留是氮肥施用后的重要去向，对于补充土壤氮库和提高土壤肥力具有重要作用。氮肥施入土壤后，在土壤中的残留率是普遍关注的问题之一。国内长期施肥土壤上的15N微区试验结果表明（赵伟等，2013），肥料氮施用量165 kg·hm-2，1季作物收获后肥料氮根层土壤（0－100 cm）残留率高达38%－88%，3季作物收获后肥料氮的残留率仍有20%－22%。华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系的研究结果（董娴娴等，2012）表明，施氮量为75－300 kg·hm-2，经2年4季作物种植后，肥料氮根层土壤残留率仍高达22.1%－32.8%。美国火炬松人工林施用尿素（表面撒施，施氮量 224 kg·hm-2）一年后，肥料氮仅在0－30 cm土层中的残留率就达28.4%（Raymond et al.，2016）。本研究表明，氮肥施用（施氮量 100－400 kg·hm-2）1年后，根层土壤肥料氮的残留率为 23.36%－31.85%（表2）。氮肥施用2年后，不同施氮水平下根层土壤肥料氮的残留率仅有10.45%－20.45%。从上述结果大致可以看出，热带季风气候条件下的橡胶林氮肥施用后的土壤残留率较低。Sebilo et al.（2013）利用同位素长期示踪技术研究了肥料氮的去向：标记氮肥施用 30年后，肥料氮在土壤中的残留率仍有12%－15%。这种结果反映了低施氮水平下肥料氮参与土壤内循环下的残留和淋失机制，具有较高的作物吸收率、土壤残留率和较低的损失率。而在高施氮水平下，则表现为较高的土壤残留量和氮肥损失量，以及较低的作物吸收量（左红娟等，2012；Ju，2014）。本研究结果表明，试验第1年，施氮量的升高显著增加了肥料氮在根层土壤中的残留量。试验2年后，施氮量的增加显著降低了肥料氮在根层土壤中的残留率。可见，在试验前期，低氮量（100 kg·hm-2）的投入下由于胶树的吸收，肥料氮在土壤中的残留很低（23.36 kg·hm-2）。而在高氮量（400 kg·hm-2）的投入下由于施氮量远远超过胶树的吸收能力，土壤中有较多的氮素残留（109.36 kg·hm-2）。然而值得注意的是，在试验区土壤氮贫瘠的条件下，即使在高施氮水平下肥料氮在土壤中残留也不高，说明该区土壤对肥料氮的固持能力有限，大量施入的氮肥可能已损失到环境中。在试验后期，肥料氮在土壤中的残留大量减少（特别是高施氮水平下），除被胶树继续吸收外，我们推测这些残留的肥料氮可能进一步发生了较为严重的损失。以上结果说明了，热带季风气候条件下的橡胶林，肥料氮较低的残留率和可能更高的损失率。

图4 土壤剖面中硝态氮的分布Fig. 4 Distribution of NO3--N in the soil profile

图5 硝态氮累积量与施氮量的关系Fig. 5 Relationships between the soil NO3--N accumulation and N rate

硝态氮作为土壤矿质氮的主要形态之一，是氮肥在土壤中残留和转化的重要产物，其含量水平反映了土壤实际的供氮能力。研究表明（Huang et al.，2017；Wang et al.，2015；Yang et al.，2015），硝态氮在土壤剖面中的残留、累积和迁移是施氮量、作物吸收、土壤残留和损失的综合结果。一般认为，过量施氮后，土壤中盈余的硝态氮主要在土壤剖面不同层次累积，具有很大的淋洗风险。而灌溉或降雨则是导致土壤中累积硝态氮向深层土壤淋洗迁移的重要原因（Boy-Roura et al.，2016；Wang et al.，2010；Wang et al.，2015）。从2年的试验结果来看，试验第1年（枯水年）在中、低施氮水平下（施氮量 200 kg·hm-2和 100 kg·hm-2）硝态氮根层累积并不多（分别为 93.98 kg·hm-2和 35.42 kg·hm-2）。而高施氮水平下（400 kg·hm-2）硝态氮的根层土壤累积高达 172.47 kg·hm-2。此时，不同施氮处理下深层土壤（100－200 cm）硝态氮累积较低（34.93－51.66 kg·hm-2）。试验第2年（丰水年），不同施氮水平下根层土壤硝态氮累积很低（仅有 10.04－22.95 kg·hm-2）。而此时，深层土壤（100－200 cm）硝态氮均有不同程度的累积，特别是高施氮水平下硝态氮累积量甚至高达 201.42 kg·hm-2。从施氮量和硝态氮在土壤剖面中累积量的相关关系分析，降雨偏少年份（2015年）根层土壤和降雨偏多年份（2016年）深层土壤的硝态氮累积量与施氮量均呈极显著正相关关系（图 5）。由此可见，施氮量是影响橡胶林土壤硝态氮累积和分布的重要因素，这与前人研究结果基本一致（Ju，2014；王大鹏等，2017）。而另一个值得注意的问题是，即使在同一施氮处理下，不同年份间硝态氮在土壤剖面中的累积和迁移变化差异很大。Yang et al.（2015）研究表明，硝态氮的淋洗主要发生在灌溉或夏季强降雨后，且年际变化很大。年淋洗总量与年灌溉总量或年降水总量的关系不大，而与月灌溉和降水总量显著相关。本试验区多年平均降雨量1650 mm，2015试验年份降雨1289 mm，2016试验年份降雨2438 mm（其中，2016年8月17－18日2日内降雨高达523.7 mm）。从研究结果来看，在降雨偏少年份（即使年降雨总量达1289 mm），硝态氮主要在根层土壤累积，淋洗、迁移到深层土壤的硝态氮不多。而在降雨偏多年份，很可能由于极端降水条件的发生，导致了严重淋洗、迁移。这种情况说明，极端降水条件可能是橡胶林土壤硝态氮淋洗损失发生的另一重要因素。然而在本研究条件下，并没有得出降雨量与淋洗量的相关关系，这种特殊降水条件下的淋洗特征关系需要进一步研究。

4 结论

橡胶林酸性砖红壤，肥料氮当年根层土壤残留率为23.36%－31.85%。2年后的残留率仅有10.45%－20.45%，施氮量的增加显著降低了肥料氮在根层土壤中的残留率。可见，热带季风气候条件下的橡胶林，氮肥施用后的土壤残留率较低。施氮量是影响橡胶林氮肥施用后硝态氮累积和淋洗的重要因素。在降雨偏少年份，硝态氮主要在根层土壤累积。而在降雨偏多年份，则发生了严重淋洗迁移。