长期定位施肥土壤硝态氮和铵态氮积累特征及其与玉米产量的关系

南镇武,刘树堂,袁铭章,刘锦涛,辛　励,陈晶培

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛　266109)



长期定位施肥土壤硝态氮和铵态氮积累特征及其与玉米产量的关系

南镇武,刘树堂,袁铭章,刘锦涛,辛励,陈晶培

(青岛农业大学 资源与环境学院,山东 青岛266109)

摘要：为潮土中硝态氮和铵态氮的运移、积累特征及其与夏玉米产量之间的关系,以始于1978年的莱阳长期定位施肥试验为基础,在2014,2015年夏玉米收获后,分别测定0～20,20～40,40～60,60～80,80～100 cm土层硝态氮、铵态氮含量,并计算0～100 cm不同土层硝态氮、铵态氮积累量及夏玉米产量。结果表明:施用有机肥或化学氮肥均能提高土壤硝态氮或铵态氮含量及其积累量;在0～100 cm土层中各处理硝态氮的垂直迁移趋势不同,而铵态氮的垂直迁移趋势基本一致;与化肥相比,施用有机肥可滞缓硝态氮向土壤深层淋溶,但两者对铵态氮向土壤深层迁移趋势的影响不明显;长期施用有机肥、氮肥对硝态氮、铵态氮积累量的影响均达极显著水平,且对土壤硝态氮积累量存在极显著的交互效应;与长期不施肥M0N0(CK)相比,施肥处理(M0N1、M0N2、M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2)硝态氮积累量、铵态氮积累量分别显著增加112%～396%和69%～259%(P<0.05);在0～20,0～40,0～60,0～80,0～100 cm各土层中，硝态氮、铵态氮积累量与夏玉米产量具有不同线性关系。研究表明,合理的有机无机肥配施可以降低土壤硝态氮、铵态氮淋溶及其积累,从而有利于提高作物产量，维持农田土壤生态系统的稳定性，促进农业可持续发展并保护地下水源。

关键词：长期定位施肥;硝态氮;铵态氮;积累特征;玉米产量

与常规试验相比,长期定位施肥具有时间长期性和气候代表性等优点,即可揭示土壤肥力演变、评价肥料效益,又可研究施肥对农田生态系统可持续发展的影响[1]。在农田生态系统中,氮素循环具有不可替代的作用[2],而氮素在土壤中主要以矿质氮形态进行运移。矿质氮主要包括硝态氮和铵态氮,是植物吸收的主要氮素形态,也是植物营养氮素研究的主要切入点。关于硝态氮、铵态氮在土壤中的运移或积累特征已进行了大量研究。刘顺国等[3]研究表明,施用有机肥和化肥都能提高土壤硝态氮、铵态氮含量;孙志高等[4]认为,草甸沼泽土和腐殖质沼泽土表层土壤的硝态氮和铵态氮垂向迁移能力较强,当湿地水分增加后将不利于有效氮的保持;谢永春等[5]研究认为,铵态氮含量在耕层土壤中较高,且随土壤深度的增加而逐渐下降;张慧霞等[6]研究表明,硝态氮随施氮量的增加而增加,长期高施氮量处理的硝态氮在土壤深层的含量及累积明显增加;杨合法等[7]研究表明,与施用化学肥料相比,施用有机肥能明显降低土壤剖面硝态氮含量,控制其累积峰的下移,但不合理施用有机肥也会产生硝态氮淋洗而污染环境。此外,苗艳芳等[8]研究认为,旱地土壤铵态氮和硝态氮累积特征与作物产量之间具有相关性。但在非石灰性潮土长期定位施肥上,仅于2003年研究了0～100 cm土层硝态氮的动态变化[9],关于铵态氮和硝态氮累积特征及其与玉米产量关系的研究尚未见报道,且夏玉米是山东半岛地区的主要粮食作物之一,在小麦-玉米轮作体系中占据极其重要的地位。因此,在2014,2015年夏玉米收获后,对连续2年的长期定位施肥试验0～100 cm土层硝态氮和铵态氮的积累特征及其与玉米产量的关系进行了相关研究,以期对作物施肥、提高肥料利用、维持农田生态系统的稳定性以及促进农业的可持续发展提供理论支持。

1材料和方法

1.1供试材料

本试验设在青岛农业大学(原莱阳农学院)莱阳长期定位试验站,东经120.7°,北纬36.9°,属暖温带半湿润季风气候,年均气温11.2 ℃,无霜期209～243 d,年降雨量约780 mm,年蒸发量约2 000 mm,降雨多集中于6-9月份,雨热同期。土壤类型为非石灰性潮土,发育于冲积母质、表土质地轻壤。定位试验开始时(1978年)耕层(0～20 cm,下同)土壤有机质含量4.10 g/kg,全氮0.50 g/kg,全磷0.46 g/kg,有效磷15 mg/kg,速效钾38 mg/kg,土壤阳离子代换量11.80 cmol/kg,pH值(H2O)为6.8。

1.2试验设计

长期定位施肥试验从1978年开始,实施冬小麦-夏玉米轮作,每年2作,冬小麦品种为烟优361,夏玉米品种为鲁玉16号。试验初设(1984年增加氮磷钾配施试验,本研究未作试验)有机肥(M)3个水平:M0(0 kg/hm2)、M1(30 000 kg/hm2)、M2(60 000 kg/hm2);氮肥(N)3个水平:N0(0 kg/hm2)、N1(138 kg/hm2)、N2(276 kg/hm2);共9个处理:M0N0(CK)、M0N1、M0N2、M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2。每个处理3次重复,共计27个小区,每个小区面积33.3 m2,随机排列,小区间用1.0 m深玻璃钢板隔开,互不渗漏且能独立排灌。有机肥全部作基肥,氮肥作冬小麦种肥及起身、拔节期和夏玉米拔节、穗期追肥。

1.3测定项目及方法

本试验于2014,2015年夏玉米收获后,分别取0～20,20～40,40～60,60～80,80～100 cm的土样,处理、待测。土壤硝态氮、铵态氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提(新鲜土样12 g;浸提液50 mL),振荡30 min,过滤后利用流动分析仪测定[3-4,9]。

1.4数据处理

方差分析,LSD多重比较方法(n=3),试验数据运用SPSS 19.0进行统计分析。因2年气候因素相差较小,且试验结果趋势基本一致,本研究分析2年数据均值。

2结果与分析

2.1长期定位施肥对0～100 cm各土层硝态氮、铵态氮含量的影响

2.1.1长期定位施肥对0～100 cm各土层硝态氮含量的影响长期不同施肥对夏玉米收获后0～100 cm土层硝态氮含量的影响如图1所示。随土壤深度的增加,长期不施肥M0N0(CK)在20～40 cm土层达到最高,之后逐渐下降。与M0N0(CK)相比,各施肥处理(M0N1、M0N2、M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2)0～100 cm土层硝态氮含量动态变化趋势不同。单施氮肥处理(M0N1、M0N2)0～100 cm土层硝态氮含量的变化趋势基本一致,随土壤深度的增加均在60～80 cm土层达最大值,之后均逐渐下降;有机肥及其配施氮肥处理(M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2)0～100 cm土层硝态氮含量的动态变化趋势类似,随土壤深度的增加均在40～60 cm土层达最大值,之后均降低。相同土层硝态氮含量相比,M0N0(CK)在各土层中硝态氮含量均最低,而各个施肥处理在0～20,20～40,40～60 cm各土层硝态氮含量高低基本一致,且M2N2含量均最高;但60～80,80～100 cm土层含量高低有明显变化,M2N2含量虽在60～80 cm最高,但在80～100 cm含量次于M0N2。在同一有机肥投入水平下,施用氮肥越多,硝态氮含量越高;在同一化学氮肥投入水平下,施用有机肥越多,硝态氮含量越高。

图1　长期定位施肥对0～100 cm土层硝态氮含量的影响

2.1.2长期定位施肥对0～100 cm各土层铵态氮含量的影响长期不同施肥对夏玉米收获后0～100 cm土层铵态氮含量的影响如图2所示。各处理在0～100 cm土层铵态氮含量变化趋势基本一致,均在0～20 cm土层铵态氮含量最高,且均随土壤深度的增加而逐渐下降,但降低的幅度不同。相同土层铵态氮含量相比,M0N0(CK)在各土层中铵态氮含量均最低,M2N2含量均最高。各个施肥处理在0～20,20～40 cm土层中铵态氮含量高低基本一致,但在40～60,60～80,80～100 cm土层出现波动,且60～80 cm土层波动最明显。在同一有机肥或化学氮肥投入水平下,其变化趋势与硝态氮含量变化一致。

图2　长期定位施肥0～100 cm土层铵态氮含量的影响

kg/hm2

注:同列不同字母表示在0.05水平上差异显著(P<0.05);*、**分别表示在0.05和0.01水平上差异显著。

Note:Different letters indicate significant differences atP<0.05；*,**.Respectively significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels.

2.2长期定位施肥对0～100 cm土层硝态氮、铵态氮积累量的影响

长期施用有机肥、氮肥对硝态氮、铵态氮积累量的影响均达极显著水平,且对土壤硝态氮积累量存在极显著的交互效应(表1);与M0N0(CK)相比,施肥处理硝态氮、铵态氮积累量分别显著增加112%～396%和69%～259%。有机肥影响土壤硝态氮积累量的F值大于氮肥的F值(FM=43.40**,FN=23.84**);

而2种肥料影响铵态氮积累量的F值基本一致(FM=457.68**,FN=469.26**),且不存在交互效应。在同一有机肥水平下,土壤硝态氮、铵态氮积累量均随氮肥施用量的增加呈增加趋势,即N2>N1>N0;在同一氮肥水平下,土壤硝态氮、铵态氮积累量均随有机肥施用量的增加呈增加趋势,即M2>M1>M0。长期定位施肥条件下,施肥量及肥料类型是影响0～100 cm土层中硝态氮积累量、铵态氮积累量的重要因素。

图3　0～20，0～40，0～60，0～80，0～100 cm土层硝态氮累积量、铵态氮累积量与夏玉米产量的关系

2.3硝态氮积累量、铵态氮积累量与玉米产量的关系

为确定不同深度硝态氮、铵态氮对夏玉米产量的贡献,计算了不同土壤深度,即0～20,0～40,0～60,0～80,0～100 cm土层的硝态氮、铵态氮累积量,拟合了夏玉米收获后不同深度硝态氮、铵态氮积累量与产量的关系(图3)。可以看出,0～20,0～40,0～60,0～80,0～100 cm土层硝态氮、铵态氮积累量与夏玉米产量均呈正相关。硝态氮0～60 cm土层的积累量与夏玉米产量关系最密切,而铵态氮则是0～40 cm土层的积累量与夏玉米产量关系最密切。比较各拟合方程R2值,不同深度各土层中,土壤硝态氮积累量对夏玉米产量的贡献度大于铵态氮。可见,土壤硝态氮、铵态氮积累量与夏玉米产量具有线性关系,硝态氮是决定夏玉米产量的主要因素。

3讨论与结论

长期施用有机肥或化肥及其配施均能提高土壤各土层硝态氮、铵态氮含量及其积累量。已有研究表明,硝态氮含量随施氮量的增加而增加,长期高施氮量处理的硝态氮在土壤深层的含量及累积明显增加[6]。本试验结果表明,施用有机肥可滞缓硝态氮向土壤深层淋溶,而化学氮肥中氮素容易淋失。这可能与长期不同施肥导致土壤水分构成、溶质运移方式[4]产生差异有关,也可能与长期施肥导致土壤氮素供用过量有关,此外,与肥料类型、施肥方式[5]也可能有一定的关系。Siemens等[10]认为,氮肥过量或不合理施用是引起设施土壤硝态氮累积与淋溶的主要原因,但除速效氮肥外,有机肥带入的氮素也不容忽视。研究发现,有机肥分解过程中产生大量的低分子量有机酸,能够对土壤吸附的硝态氮进行替换[11],此时在灌水或降水的情况下,易于造成硝态氮向下层迁移[11-12]。因此,合理的配施及合理的配施比可以降低土壤特别是深层土壤硝态氮的累积,从而减轻硝态氮淋溶的风险[6,13]。

施肥对铵态氮向土壤深层迁移趋势的影响不明显,但对铵态氮含量高低的变化存在影响。这主要是因为不同处理使硝态氮和铵态氮垂向迁移能力与水分饱和条件下不同土层黏粒含量及其对铵态氮吸附饱和程度、水分构成、溶质运移方式以及硝化-反硝化作用产生差异而导致[4,14];王少平等[15]也认为,与硝态氮相比,铵态氮更易被土壤吸附,它只有在特定条件如土壤水分接近饱和的情况下借助下渗流的驱动才可能在土壤剖面中随水迁移。另外,马力等[16]通过长期施肥研究表明,长期施用化肥的土壤氮素向下迁移损失污染地下水的风险可能高于施有机肥的土壤,而长期施有机肥及其与化肥或秸秆配施对提高耕层土壤的供氮能力有更明显效果,并有利于维持农田土壤生态系统的稳定性。

长期施肥使土壤0～100 cm硝态氮积累量、铵态氮积累量显著提高,这可能是因为连续37年施肥使土壤氮素积累过剩,增加矿化氮源,进而增加淋失氮源[17-18]。本试验结果表明,长期定位施肥条件下,施肥量及肥料类型是影响0～100 cm土层中硝态氮、铵态氮积累量的重要因素。原因可能是化肥处理氮肥主要集中在前期施用,随着植物吸收、土壤淋溶和挥发,后期剩余氮素较少,致使单施化肥处理在夏玉米收获后硝态氮、铵态氮积累量低于有机肥处理[19];而有机肥又因施肥量不同导致夏玉米收获后硝态氮、铵态氮积累量不同。此外,倪康等[20]在潮土上研究发现,有机无机肥配施可以显著减少土壤氨的挥发损失,而单施氮肥或者有机肥的田间氨挥发量则较高。另有一些报道表明,施氮量对0～100 cm土体硝态氮、铵态氮积累有显著影响,硝态氮、铵态氮积累量随施氮量的增加而增加[5,21-23];而对油菜的研究已经表明,氮肥施用量超过最佳供氮率也会使收获期土壤硝态氮含量增加[11,24]。

玉米根系发达,有效深度100 cm以上,可以充分利用0～100 cm土体的有效氮素[25]。本试验研究发现,不同深度土壤硝态氮、铵态氮积累量与夏玉米产量均具有一定的线性关系,硝态氮是决定夏玉米产量的主要因素。这说明不同土层深度的硝态氮或铵态氮均可作夏玉米直接吸收利用的有效氮素。土壤中硝态氮积累量对夏玉米产量的贡献度大于铵态氮,这可能是因为玉米对硝态氮的吸收量大于铵态氮的吸收量。此外,有些研究认为土壤的硝态氮数量占铵态氮和硝态氮总量的90%以上,在反应土壤供氮特性方面与两者之和的趋势完全一致[1,7]。另外,夏玉米生长期间正值莱阳地区的雨热季,降雨、高温会促使施入的氮肥随着水分向土壤深层淋溶[26-27],导致氮素累积。也有学者研究认为,在夏玉米-冬小麦轮作体系中,氮素损失及对生态环境的影响主要发生在夏玉米季[28];李世清等[29]已验证,玉米之后种植小麦可以显著提高氮肥利用率,可以大幅度减少土壤剖面中硝态氮的残留;而刘瑞等[30]认为在夏玉米生长季,土壤氮素平衡决定了土壤剖面中硝酸盐的累积状况,这也可能与夏玉米收获后土壤硝态氮、铵态氮的积累存在关系。

施用有机肥或化学氮肥均能提高土壤硝态氮、铵态氮含量及其积累量,且随施肥量的增加而增加。在0～100 cm土层中硝态氮、铵态氮的垂向运移趋势不同;施用有机肥可滞缓硝态氮向土壤深层淋溶,而化学氮肥较有机肥容易淋失,但施肥对铵态氮向土壤深层迁移趋势的影响不明显。长期定位施肥对土壤0～100 cm土层硝态氮、铵态氮积累量的影响显著;施肥量及肥料类型是影响硝态氮、铵态氮积累量的重要因素。土壤硝态氮、铵态氮积累量与夏玉米产量均具有线性关系,但硝态氮是决定夏玉米产量的主要因素。总之,合理的施肥配比及合理的有机无机肥配施可以降低土壤硝态氮、铵态氮的积累及淋溶,有利于提高作物产量,维持农田土壤生态系统的稳定性,促进农业可持续发展及保护地下水资源。

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Characteristics of Nitrate Nitrogen and Ammonium Nitrogen Accumulation in Soil and Its Relationship with Maize Yield on Long-term Located Fertilization

NAN Zhenwu,LIU Shutang,YUAN Mingzhang,LIU Jintao,XIN Li,CHEN Jingpei

(College of Resources and Environment,Qingdao Agricultural University,Qingdao266109,China)

Abstract：Based on the long-term located fertilization experiment of Laiyang,Shandong Province,China,began in 1978,to study the transport and accumulation characteristics of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in the Fluvo-aquic soil and its relationship with the summer maize yield.The test set organic fertilizer(M),nitrogen fertilizer(N)2 factors,3 levels,9 treatment;3 levels of organic fertilizer(M):M0(0 t/ha),M1(30 t/ha),M2(60 t/ha),and 3 levels of nitrogen fertilizer(N):N0(0 kg/ha),N1(138 kg/ha),N2(276 kg/ha).After summer corn harvest in 2014 and 2015,the contents of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in soil 0-20,20-40,40-60,60-80 and 80-100 cm were measured respectively,the accumulation of nitrate nitrogen,ammonium nitrogen in different soil depth of 0-100 cm and the summer corn yield were calculated.The results showed that the amount of nitrate nitrogen,ammonium nitrogen and its accumulation amount in soil could be improved by applying organic fertilizer or nitrogen fertilizer.In the 0-100 cm soil layer,the vertical migration trends of nitrate nitrogen of different treatments were different,but the vertical migration trend of ammonium nitrogen were basically the same.Compared with chemical fertilizer,application of organic fertilizer could slow nitrate to the deep soil leaching,but both of ammonium nitrogen to influence the trend of migration in deep soil was not obvious.Long-term application of organic fertilizer,nitrogen fertilizer on nitrate nitrogen,ammonium nitrogen accumulation amount of the impact of extremely significant level,there was extremely significant interaction effect on the accumulation of nitrate nitrogen in soil.Compared with the M0N0(CK),the accumulation of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in the addition of fertilization treatments were significantly respectively increased by 112%-396% and 69%-259% at P<0.05.In 0-20,0-40,0-60,0-80 , 0-100 cm in each soil layer,the nitrate nitrogen accumulation and the ammonium nitrogen accumulation had different linear relationship with summer maize yield.Research showed that rational application of organic and inorganic fertilizers could reduce the accumulation of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in soil and the leaching,and it is advantageous to improve the yield of crops,maintain the stability of the soil ecosystem,promote the sustainable development of agriculture and protect the groundwater resources.

Key words:Long-term located fertilization;Nitrate nitrogen;Ammonium nitrogen;Accumulation characteristics;Maize yield

doi:10.7668/hbnxb.2016.02.029

中图分类号：S157;S158

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)02-0176-06

作者简介：南镇武(1991-),男,山东安丘人,在读硕士,主要从事植物营养与施肥技术研究。通讯作者：刘树堂(1962-),男,山东安丘人,教授,博士,主要从事植物营养与施肥技术研究。

基金项目：山东省现代农业产业技术体系建设经费资助系项目(SDAIT-01-022-06);鲁东丘陵区小麦玉米水肥自然资源高效利用综合技术集成与示范研究项目(2013BAD07B06-03);公益性行业(农业)科研专项(201203030)

收稿日期：2016-02-14