不同施肥处理下热带土壤硝态氮累积特征及与土壤pH值、辣椒产量的关系

陈 淼，李小娟，陈 歆，李 宁，杨桂生，彭黎旭*，李 玮 (1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所，海南 海口 571101；2.农业部儋州农业环境科学观测实验站，海南 儋州 571737)

【研究意义】氮素养分是蔬菜需求量最大的矿质营养元素，它是制约蔬菜产量的重要因子。蔬菜生长周期短、种植密度大、复种指数高且多为浅根系作物，因而蔬菜种植的施肥量和灌溉量大且频繁，水肥条件优越，其养分含量尤其是土壤全N和NO3--N 含量较高。生产中，菜田施氮量通常高出常规大田作物的几倍甚至10倍以上，超过实际需求量的数倍。而蔬菜地氮肥利用率更低，仅在10 %左右[1-2]。长期过量的氮肥施用，造成土壤板结酸化、养分循环和供给能力降低、蔬菜和地下水硝酸盐污染及地表水富营养化等农业面源污染问题。【前人研究进展】过量施肥是引起菜地土壤中氮素淋失的直接原因，施肥量与氮素淋失量呈显著正相关关系[3]。氮素主要以硝态氮的形式发生淋溶迁移[4]。倪玉雪等研究表明，当施氮量超过400 kg/hm2，菜地土壤硝态氮的平均淋失量占施氮总量的30 %[5]。南镇武等研究表明，施用有机肥或化学氮肥均能提高土壤硝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致[6]。此外，苗艳芳等研究表明，旱地土壤硝态氮累积特征与作物产量之间具有相关性[7]。而沈灵凤等研究表明，土壤硝态氮含量与 pH 值呈极显著负相关关系，表明硝态氮在土壤中大量累积会造成土壤pH 值的下降[8]。海南是我国重要的冬季瓜菜生产基地，化肥施用总量较高，且属于我国热带酸性土壤区，降雨频繁。过量施肥造成的氮素累积等生态环境风险问题亦不容忽视。【本研究切入点】本研究针对以上情况，探讨不同施肥处理下菜地土壤硝态氮垂直运移特征，分析土壤硝态氮累积对作物产量和土壤pH值的影响。【拟解决的关键问题】以期为热带菜地养分管理及农业面源污染控制提供理论基础。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点位于海南省文昌市中国热带农业科学院环境与植物保护研究所试验基地。地处东经110.46°，北纬19.32°，土壤质地为沙壤土，土壤类型为砖红壤，肥力水平较低，土壤基本理化性质见表1。常年降雨量1721.6 mm，雨季主要集中在5～10月份，占全年的79 %。年均温度23.9 ℃，积温为8474.3 ℃，为热带海洋季风气候。极端天气通常为夏季暴雨和春季干旱。辣椒品种为“湘辣十七号”，湖南湘研种业有限公司生产。

1.2 试验处理

试验小区为平地，每个小区面积50 m2(长10 m，宽5 m)。监测地块四周设置10 m保护行，监测小区之间、小区与保护行之间均以田埂分隔，田埂宽度24 cm。田埂地面以下部分深度为60 cm，地面以上部分为10 cm。田埂采用砖混结构，水泥砂浆抹面。试验小区种植制度为南方湿润平原区露地蔬菜轮作模式。设7个施肥处理：①不施肥(CK)；②单施化肥(CF)；③化肥+秸秆还田(CFS)；④化肥+有机肥(CO)；⑤75 %化肥+有机肥(TCO)；⑥50 %化肥+有机肥(HCO)；⑦有机肥(OF)。7种施肥处理的施肥量见表2。

试验采用随机区组设计，每个处理3次重复。秸秆还田后，采用旋耕灭茬，使秸秆均是分布在0～20 cm土层中。辣椒株、行距为45 cm×50 cm，覆膜，其他田间管理措施同大田生产管理。

1.3 样品采集与测定

本试验于 2015年9月开始，2016年8月结束，分别于试验开始前后在每个试验小区，按照0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm分5层随机取3点，同层混合，处理、待测。土壤硝态氮含量的测定采用酚二磺酸法测定。玻璃电极法(水土比 2.5∶1.0)测定土壤pH值；烘干法测定土壤含水量；环刀法测定土壤容重。

1.4 数据处理

土壤剖面硝态氮累积量计算公式：

A=C×(D×H×S)×10-6

式中：A为每一土层的硝态氮累积量，kg/hm2；C为该土层硝态氮含量，mg/kg；D为该土层土壤容重，kg/m3；H为该土层的厚度，m；S为每公顷土地的面积，100 m×100 m。试验数据采用Microsoft Excel 2010、SPSS17.0进行数据处理。

表2 试验施肥处理Table 2 Experiment design for fertilizer treatment

注：化肥为三元复合肥(基肥为N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15；追肥为N∶P2O5∶K2O=15∶5∶15)、钙镁磷肥(12 %)；有机肥为商品有机肥；秸秆为玉米秸秆。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对菜地土壤硝态氮垂直分布的影响

辣椒收获后各施肥处理土壤在0～100 cm土层硝态氮垂直分布如图1所示。不同施肥处理对土壤剖面中各土层硝态氮含量的影响不同。与不施肥处理相比，各施肥处理增加了0～100 cm土层土壤硝态氮含量。不施肥处理(CK)土壤0～100 cm土层硝态氮含量极显著低于本底含量(P<0.01)，出现氮素亏损现象。各施肥处理土壤中菜地土壤0～20 cm土层硝态氮含量明显高于20～40 cm土层硝态氮含量，这是由于施肥后造成菜地土壤中硝态氮的累积。各施肥处理土壤40～60 cm土层硝态氮含量增大，形成土壤剖面中第2个峰值，CO处理第2个峰值出现在60～80 cm土层。这是由于施入的肥料一部分被辣椒吸收，一部分残留在剖面土壤中，由于硝态氮带负电荷，很难被土壤胶体吸附而迁移能力较强。同时辣椒是浅根系作物，其根系主要集中在0～30 cm的表层土壤中，菜地土壤氮素淋洗到30 cm以下就很难再被吸收。因此，大量的硝态氮在降雨或灌溉水的驱动下淋溶至土壤深层，且施氮量越高，淋溶作用越强烈。此外，CF和CO处理硝态氮淋溶作用明显强于其他施肥处理，这表明增施有机肥和秸秆还田可以降低硝态氮的淋溶作用，但当施肥处理氮含量超过500 kg/hm2也会发生强烈的淋溶作用。因此合理施肥可降低硝态氮在土壤中的迁移和累积。

图1 施肥对菜地土壤硝态氮垂直分布的影响Fig.1 Effect of different fertilizations on vertical distribution of nitrate nitrogen in vegetable soil

2.2 不同施肥处理对菜地土壤硝态氮积累量的影响

由图2可知，不同施肥处理对0～100 cm不同土层土壤硝态氮累积量存在极显著差异(P<0.01)。

图2 不同施肥处理对不同土层土壤硝态氮累积的影响Fig.2 Effect of different fertilizations on nitrate nitrogen accumulation in different soil profiles

施肥处理各土壤剖面硝态氮累积量均明显高于CK处理，表明肥料的施用导致菜地土壤中硝态氮的不断累积。除CF处理外，其他各施肥处理0～20 cm土层硝态氮累积量明显高于深层土壤硝态氮累积量，表明辣椒收获后，施肥造成了土壤中硝态氮的累积。但耕作层以下土层(40～60、60～80、80～100 cm)各土壤剖面硝态氮累积量也明显高于CK处理，这表明在灌溉和自然降雨的驱动下硝态氮易在热带菜地土壤中向下淋溶迁移。

由图2可知，CO处理个土层硝态氮累积量均高于其他施肥处理，且由图3可知，随着施肥量的增加，0～100 cm土壤硝态氮累积量逐渐增加，各施肥处理0～100 cm硝态氮累积量与施肥氮折纯量极显著相关(r=0.9679，P<0.01)。当有机无机配施氮折纯量为539.35 kg/hm2时，0～100 cm土壤硝态氮累积量为39.67 kg/hm2，是CK处理的12.7倍。

CF、CFS、CO、TCO、HCO、OF处理40～100 cm土层硝态氮累积量占其在0～100 cm土壤剖面硝态氮总累积量的比例分别为68.45 %、55.83 %、58.73 %、56.81 %、55.11 %、54.72 %。由CO、TCO、HCO、OF处理40～100 cm土壤硝态氮所占比例可知，在同一有机肥水平下，土壤硝态氮累积量随化肥施用量的增加而逐渐增加；由CF、CFS、CO处理40～100 cm土壤硝态氮所占比例可知，在同一化肥施用量下，增施有机肥和秸秆还田可降低40～100 cm土壤硝态氮的累积量。这表明施肥量是影响土壤中硝态氮累积量的重要因素，且单施化肥更容易造成硝态氮向土壤深层淋溶迁移，而适量施用有机肥或秸秆还田能够降低硝态氮在土壤中的向下淋溶迁移。

2.3 菜地土壤硝态氮含量与pH值的关系

图3 不同施肥处理对0～100 cm土壤硝态氮累积的影响Fig.3 Effect of different fertilizations on nitrate nitrogen accumulation in 0-100 cm soils

2.4 硝态氮累积与辣椒产量的关系

由图5可知，随着施肥量的增加，辣椒产量逐渐增加，施肥氮折纯量与辣椒产量极显著相关(r=0.9781，P<0.01)。田间小区实验辣椒产量最高的处理为CO， CK处理辣椒产量与其它各处理间差异均达极显著水平(P<0.01)；与CF相比，CFS、CO、TCO、HCO 4种施肥处理分别增产7.56 %、37.61 %、25.39 %、19.90 %。与CK处理相比，6种施肥处理产量增幅为16.04 %～124.13 %。

为分析0～100 cm不同土层深度土壤剖面硝态氮累积量对辣椒产量的贡献，分别计算了0～20、0～40、0～60、0～80、0～100 cm土层土壤硝态氮累积量，并同辣椒产量进行线性拟合(图6)。0～20、0～40、0～60、0～80、0～100 cm土层土壤硝态氮累积量与辣椒产量均具有正相关关系，且均达极显著相关(r>0.6961，P<0.01)。但辣椒属于浅根系作物，其根系一般分布于0～30 cm土层中，对土壤中氮素吸收的深度有限，而辣椒吸收的氮素主要来自其根系所能触及的土层，因此由0～20和0～40 cm土层土壤硝态氮累积量与辣椒产量关系可知，土壤硝态氮累积量对辣椒产量具有重要影响。

图4 土壤硝态氮含量与土壤pH值得关系Fig.4 Relationship between nitrate nitrogen concentration and pH

图5 不同施肥处理下辣椒产量Fig.5 Chili yield under different fertilizer treatments

图6 辣椒产量与不同土层土壤硝态氮累积量的关系Fig.6 Relationship between chili yield and nitrate nitrogen accumulation amount in different soil profiles

3 讨 论

氮是土壤肥力中最活跃的因子，也是农业生产活动中限制农作物产量的首要因子，施肥是获得农作物高产最有效的措施。但过量施肥或不合理的施肥方式会导致氮肥利用率降低，造成硝态氮在土壤剖面中的大量累积，这些累积的硝态氮若未被植物有效吸收利用，硝态氮会在降雨或灌溉水的驱动下逐渐纵向迁移，最终淋溶出耕作层，进而造成地下水污染。而硝态氮在土壤剖面中的含量及其空间分布特征是表征硝态氮淋失风险的重要指标[9]。本研究表明，施用有机肥、化肥或有机肥化肥混施等施肥处理均能提高土壤剖面硝态氮含量及累积量，且随着施肥量的增加而增加。相关研究也表明，不合理的肥料施用会造成土壤剖面中硝态氮的大量积累[10]。当有机无机配施氮折纯量为539.35 kg/hm2时，0～100 cm土壤硝态氮累积量为39.67 kg/hm2，是CK处理的12.7倍。辣椒属于浅根系作物，根系分布在0～30 cm，淋洗到30 cm以下的硝态氮就难以被辣椒所吸收利用，而硝态氮很难被土壤胶体吸附而迁移能力较强，进而在降水或灌溉的驱动力下而不断向土壤深层淋溶。这与沈灵凤等人的研究基本一致[8,11]。

过量而不合理的化肥施用是造成土壤硝态氮累积和向下淋溶迁移的主要原因，但除化肥外，有机肥的不合理施用带入的氮素累积问题亦不容忽视，相关研究表明，有机肥在分解过程中会产生大量的低分子量有机酸，有机酸会对促进硝态氮在土壤上的解吸，进而造成硝态氮在降水或灌溉的驱动下向土壤下层迁移[12-13]。而本研究亦表明，CF、CFS、CO处理40～100 cm土层硝态氮累积量占其在0～100 cm土壤剖面硝态氮总累积量的比例分别为68.45 %、55.83 %、58.73 %，在同一化肥施用量下，增施有机肥和秸秆还田可降低40～100 cm土壤硝态氮的累积量； CO、TCO、HCO、OF处理40～100 cm土层硝态氮累积量占其在0～100 cm土壤剖面硝态氮总累积量的比例分别为58.73 %、56.81 %、55.11 %、54.72 %，在同一有机肥水平下，土壤硝态氮累积量随化肥施用量的增加而逐渐增加。这表明施用化肥更容易造成硝态氮在土壤中向下迁移，而合理施用有机肥或秸秆还田能够降低硝态氮在土壤中的向下淋溶迁移。这与田琳琳等人的研究基本一致[14]，因为有机肥的养分释放过程较为缓慢，可以减小土壤的养分供应强度，进而防止硝态氮的过量累积。

施用肥料是提供作物生长必需营养元素的重要途径，是作物获得高产的重要措施。本研究表明，随着施肥量的增加，辣椒产量逐渐增加，施肥氮折纯量与辣椒产量极显著相关(r=0.9781，P<0.01)；与CK处理相比，6种施肥处理产量增幅为16.04 %～124.13 %。 0～20、0～40 cm土层土壤硝态氮累积量与辣椒产量均具有正相关关系，且均达极显著相关(r>0.6961，P<0.01)，这表明土壤硝态氮累积量对辣椒产量具有重要影响。这与南镇武等人的研究结果基本一致[6,15]。总之，合理的有机无机配施、秸秆还田等施肥措施不仅可以降低硝态氮在土壤中的累积和淋溶迁移，而且还有利于提高作物产量，维持土壤氮素平衡，促进农业可持续发展和降低农业面源污染风险。

4 结 论

(1)施用有机肥和化肥或有机肥化肥混施等施肥处理均能提高土壤剖面硝态氮含量及累积量，且随着施肥量的增加而增加。

(2)不同施肥处理对0～100 cm不同土层土壤硝态氮累积量的影响达极显著水平(P<0.01)。在同一化肥施用量下，增施有机肥和秸秆还田可降低土壤硝态氮的累积量。不同施肥处理对硝态氮在热带土壤中迁移能力影响不同，施用化肥更容易造成硝态氮在土壤中向下迁移，而合理施用有机肥或秸秆还田能够降低硝态氮在土壤中的向下淋溶迁移。

(3)土壤硝态氮含量与土壤pH值存在负相关关系，但未达显著性水平；土壤硝态氮累积量对辣椒产量具有重要影响，0～20、0～40、0～60、0～80、0～100 cm土层土壤硝态氮累积量与辣椒产量均具有正相关关系，且均达极显著相关(r>0.6961，P<0.01)。

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