黄土高原旱地长期施肥对土壤硝态氮淋失的影响

2014-09-21郝明德李占斌

水土保持研究 2014年2期

关键词：硝态氮磷剖面

陈磊, 郝明德, 李占斌

(1.长安大学杂志社, 西安 710064 ; 2.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌712100)

黄土高原旱地长期施肥对土壤硝态氮淋失的影响

陈磊1,2, 郝明德2, 李占斌2

(1.长安大学杂志社, 西安 710064 ; 2.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌712100)

对1984年建设的渭北旱塬的长期肥料定位试验土壤剖面硝态氮含量进行了分析，结果表明：施肥12 a后单施有机肥处理的硝态氮含量在60 cm以下土层，与CK、P含量接近，未发现硝态氮淋溶；NPM处理的累积峰在60—140 cm，氮磷配施在100—120 cm。22 a后，除CK和P外，各处理均在40—100 cm土层出现累硝态氮积峰，其中N、NP、NPM处理硝态氮分布呈现出双峰曲线(在60 cm和200 cm处均出现累积峰)，表现出向更深土层淋溶的趋势。单施氮肥平均每年累积量高达73.5 kg/hm2，虽然NP和NPM年均累积速率比N处理分别减少了57.7%和78.6%，长期超量施用有机肥依然存在生态风险，必将造成氮素的大量损失，但该区的地下水埋藏深厚(50 m)，对地下水污染风险小。

长期试验; 施肥; 土壤剖面; 硝态氮; 累积; 淋溶

本文基于1984年建立的黄土高原旱地长期定位试验，对比分析长期施肥对硝态氮淋失的影响，揭示长期施肥后硝态氮在土壤剖面中分布特征，以期为该区合理施肥、非点源污染防治提供理论依据。

1 材料与方法

长期肥料定位试验位于黄土高原中南部的陕西省长武县十里铺村旱地上(东经107°40′，北纬35°12′)，黄土堆积深厚，土壤为黄盖黏黑垆土，试验地海拔1 200 m，年均降水578.5 mm，是典型的雨养农业区。1984年布设试验时耕层土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾含量分别为10.5 g/kg，0.57 g/kg，37.0 mg/kg，0.659 mg/kg，3.0 mg/kg，129.3 mg/kg。试验地在黄土高原旱地有一定代表性。

该长期试验包括36个处理的轮作试验和24个处理的肥料配比试验，本文选取小麦连作6个处理：(1) CK(不施肥)；(2) N(单施氮肥)；(3) P(单施磷肥)；(4) NP(配施氮、磷肥)；(5) M(单施有机肥)；(6) NPM (配施氮、磷和有机肥)。随机区组设计，3次重复，试验小区面积6.6×10=66.6 m2。氮肥(尿素)为纯N 120 kg/hm2，磷肥(过磷酸钙)为纯P 26.4 kg/hm2，有机肥为厩肥75 t/hm2(全氮含量为2.65 g/kg，相当于纯氮198.8 kg/hm2)。小麦9月下旬播种，6月下旬收获，6—9月为休闲期。每年小麦播种前将肥料撒施地表，翻入土中。

对1997年和2006年采集的土壤样品进行分析(取样深度为0—300 cm，分层为20 cm)，取风干储存的土样10 g，于150 ml塑料瓶中；加入100 ml浓度为0.01 mol/L的KCl提取液，并振荡60 min，定量分析滤纸过滤。浸提液的硝态氮(NO3-N)含量用流动注射分析仪测定(结果以风干基计)。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面硝态氮分布

对1997年时长期施肥试验中6个处理土壤硝态氮含量分析发现，土壤剖面硝态氮分布受施肥的显著影响(图1，2)：连续种植冬小麦13 a后，对照和P处理(未施用氮肥)耕层含量略有增加；因长期缺乏N肥的补给，加之小麦吸收利用，60—300 cm含量低于1.0 mg/kg，趋于耗竭。施用有机肥和单施氮肥的硝态氮含量在0—60 cm土层显著增加；但在60 cm以下，单施有机肥与对照无差异，而单施氮肥各土层均显著增加；在0—300 cm内硝态氮累积量为对照的15倍以上。耕层土壤硝态氮含量以氮磷有机肥配施最高，达25.5 mg/kg；单施氮肥和有机肥分别为氮磷有机肥配施的29.1%和38.9%；对照和单施磷肥相当，仅占9.8%；氮磷配施仅占2.8%。在20—60 cm土层的硝态氮含量，氮磷有机肥配施约为10 mg/kg；单施氮肥、氮磷配施和单施有机肥含量为2.3～4.0 mg/kg；CK和P含量仅为0.8～1.6 mg/kg。在60 cm以下土层，对照、单施磷肥和单施有机肥均未发现硝态氮淋溶，而施氮处理(N、NP、NPM)的硝态氮累积显著。单施氮肥硝态氮累最高，在80—220 cm出现累积现象，在220 cm以下含量为3.7～9.4 mg/kg，仍显著高于其他处理；有机肥的施用能显著提高耕层硝态氮累积量，但对耕层以下的影响不大。其原因可能与氮磷配施、氮磷有机肥配施促进小麦根系生长，提高了深层土壤中氮素的吸收利用，其土壤硝态氮累积峰分别出现在作物易利用区(60—140 cm和100—120 cm)，残留累积量显著减少。

图11997年土壤剖面硝态氮分布图22006年土壤剖面硝态氮分布

2006年时N、NP、NPM处理土壤硝态氮在60 cm和200 cm处均出现累积现象，分布呈现双峰曲线。耕层土壤中CK处理土壤硝态氮含量为6.5 g/kg，与CK相比，N与CK相当；NP增加了24.9%，M和NPM含量大于15 g/kg，增加了2倍以上。在40—80 cm土层，除CK和P外，N、NP、M、NPM处理均出现硝态氮累积峰，80—200 cm土层硝态氮含量均显著下降，其中单施氮肥下降至10 mg/kg左右，其它处理下降至1.0 mg/kg左右。值得注意的是NP、NPM和N处理在200 cm以下硝态氮含量呈增加趋势，维持在10～40 mg/kg，在250 cm处再次出现累积峰，呈现出向深层土壤淋溶的趋势。

2.2 土壤硝态氮残留量

结合已有监测资料和近3 a的土壤容重分析，0—40，40—80，80—140，160—200，200—300 cm土层容重取值分别取1.30，1.40，1.35，1.32，1.30 g/cm3，计算各层土壤硝态氮累积，结果见表1。由表1可知，耕层土壤硝态氮累积显著，在1997年时，以NPM最大，达66.40 kg/hm2；N和M相当，约20 kg/hm2左右；而12 a未施用任何氮肥的CK和P处理约为6.8 kg/hm2。22 a后，N处理土壤硝态氮含量略有减少，NPM减少了23.58%，CK、P、M、NP分别增加了91.14%，29.02%，70.01%，140.06%。

1997年时，与对照相比，单施磷肥各土层硝态氮累积略有增加；N在0—300 cm增加了21.2倍，NPM增加了18.7倍(0—60 cm增加尤为显著)。与1997年的试验结果比较，2006年时0—60 cm土层硝态氮累积量均增加，其中NPM仅增加了26.25%，其它处理增加显著(206.15%～475.82%)。在0—300 cm土壤剖面内，CK的硝态氮累积量为69.37 kg/hm2。与CK相比，长期单施磷肥减少了6.2%；N的残留量高达1 006.41 kg/hm2，增加了13.5倍；NPM和NP分别增加了6.2倍和5.7倍，单施M增加了1.7倍。

表1 土壤剖面硝态氮累积量

2.3 深层土壤硝态氮累积率

表2 1997-2006年土壤硝态氮累积率

1997—2006年，硝态氮累积量以单施氮肥的最大，达661.1 kg/hm2，每年平均的累积速率为73.5 kg/hm2，相当于年施肥量的56.23%；氮磷肥配施累积量为399.6 kg/hm2，比单施氮肥减少了39.6%，年累积速率为44.4 kg/hm2，减少显著，相当于年施肥量的32.01%；有机肥处理均能显著减少硝态氮累积，相当于肥料施用量的5%，其中M和NPM硝态氮累积量分别为141.5，193.8 kg/hm2，年平均累积速率为15.7，21.5 kg/hm2，配施有机肥是减少土壤硝态氮累积率的有效途径，其原因与有机肥不仅增加土壤中的氮素，同时P、K等元素也显著提高，促进小麦的氮利用率。

3 结论

土壤硝态氮淋溶是黄土高原旱地氮素损失的重要途径之一。长期施肥22 a后，在40—80 cm土层，除CK和P外，N、NP、NPM、M处理均出现硝态氮累积峰，在200 cm以下土层，施N处理(NP、NPM和N)的显著增加，硝态氮含量维持在10～40 mg/kg，250 cm处再次出现累积峰，有向深层土壤淋溶的趋势。9 a后0—300 cm土壤硝态氮累积残留量，以N处理最高，高达1 006.41 kg/hm2，NPM、NP分别为500.89，464.03 kg/hm2，M为184.18 kg/hm2，CK的硝态氮累积量为69.37 kg/hm2，P比CK减少了6.2%。

单施氮肥的硝态氮累积率相当于当年施肥的56.23%残留于土壤中，NP相当于32.01%，M仅相当于5%。配施有机肥是减少土壤硝态氮累积率的有效途径，NPM累积量比NP减少了22.9 kg/hm2。

平衡施肥是保证作物产量，提高氮肥利用率，避免过量氮素向环境流失的关键。1997—2006年间的长期试验结果表明，长期单施氮肥的土壤硝态氮年累积量高达73.5 kg/hm2，氮磷配合施用也高达44.4 kg/hm2。1997年时，M处理在60 cm以下的硝态氮含量与CK、P含量接近，未发现累积与淋溶现象；而9 a后，有机肥处理也出现累积峰。英国洛桑试验站预测厩肥区和化肥区的硝态氮淋溶损失分别为124.25 kg/hm2，表明长期超量施用有机肥造成大量的氮素损失，依然存在生态风险。但黄土高原地区地下水埋藏深厚，对地下水污染较小。

[1] 朱兆良,文启孝.中国土壤氮素[M].南京:江苏科学技术出版社,1992.

[2] Galloway J N, Dentener F J, Capone D G,, et al. Nitrogen cycles: past, present, and future[J]. Biogeochemistry,2004,70(2):153-226.

[3] Nosengo N. Fertilized to death[J]. Nature,2003,425:894-895.

[4] 蔡祖聪,钦绳武.华北潮土长期试验中的作物产量、氮肥利用率及其环境效应[J].土壤学报,2006,31(11):885-89.

[5] 邹诚,徐福利,闫亚丹.黄土高原丘陵沟壑区不同土地利用模式对土壤氮素淋溶的影响[J].水土保持研究,2009,16(3):114-116.

[6] 张维理,田哲旭,张宁,等.我国北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染的调查[J].植物营养与肥料学报,1995,l(2):80-87.

[7] 彭琳,彭祥林,卢宗凡.娄土旱地土壤硝态氮季节性变化与夏季休闲的培肥增产作用[J].土壤学报,1981,18(3):212-222.

[8] 郭胜利,吴金水,郝明德,等.长期施肥对NO3-N深层积累和土壤剖面中水分分布的影响[J].应用生态学报.2003,14(1):75-78.

[9] 樊军,郝明德,党廷辉.旱地长期定位施肥对土壤剖面硝态氮分布与累积的影响[J].土壤与环境,2000,9(1),23-26.

[10] 刘晓宏,田梅霞,郝明德,等.黄土旱塬长期轮作施肥土壤剖面硝态氮的分布与累积[J].土壤肥料,2001(1):9-12.

[11] 巨晓棠,刘学军,邹国元,等冬小麦/夏玉米轮作体系中氮素的损失途径[J].中国农业科学,2002,35(12):1493-1499.

[12] Yang S M, Malhi S, Li F M, et al. Long-term effects of manure and fertilization on soil organic matter and quality parameters of a calcareous soil in Northwestern China[J]. Plant and Soil Sci.,2007,170(2):234-243.

[13] Macdonald A J, Poulton P R, Jenkinson D S. The fate of residual 15N labelled fertilizer in arable soil: its availability to susbsequent crops and retention in soil[J]. Plant and Soil,2002,242(1):123-12738.

[14] 李世清,李生秀.旱地农田生态系统氮肥利用率的评价[J].中国农业科学,2000,33(1):76-81.

[15] 党廷辉,高长青,彭琳,等.长武旱塬轮作与肥料长期定位试验[J].水土保持研究,2003,10(1):61-64,103.

[16] 党廷辉,郭胜利,郝明德.黄土旱塬长期施肥下硝态氮深层累积的定量研究[J].水土保持研究,2003,10(3):58-60.

EffectsofLong-termApplicationofFertilizersonNitrateAccumulationintheLoessPlateauDryland

CHEN Lei1,2, HAO Ming-de2, LI Zhan-bin2

(1.MagazinesCompany,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)