膨润土-腐植酸与氮肥配施对科尔沁沙地土壤 无机氮淋溶和生物有效性的影响

郑 毅，李丰义，刘庭玉，刘景辉

（1．内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010019；2．内蒙古民族大学，内蒙古 通辽 028000）

膨润土作为土壤改良剂已广泛用于改善土壤性质和调节植物生长［1-4］。膨润土属于黏土，具有较好的持水性能，可提高土壤保水保肥能力，减少肥料损失，尤其是土壤氮素的损失，从而提高土壤肥力［5-6］。腐植酸作为一种有机添加物也常被应用于土壤改良与保育，它是土壤有机质的重要组成部分，施入土壤后可提高土壤有机碳含量，有利于土壤微生物的生长，能促进有机质形成，起到了提高肥力的作用［7-8］。

膨润土和腐植酸作为土壤改良剂在改土提质中已取得了一系列的研究成果，例如，孙荣国等［9］将作物秸秆、膨润土和聚丙烯酰胺按一定比例配制后作为改良材料，研究秸秆改良材料种类、改良材料剂量与配比、土培时间等因素对改良材料改良效应的影响，结果表明，秸秆改良材料可以改善沙质土壤团粒结构。卢其明等［10］通过淋溶和蒸发试验研究了聚合物-膨润土复合材料在土壤中的水肥调控性能。结果表明，聚合物-膨润土复合材料具有显著的保水性能。Xu［11］等在干旱半干旱地区施用腐植酸，在无灌溉的条件下，施用腐植酸的处理明显的改善了土壤水分状况。宋明元等［12］同样在科尔沁沙地的风沙土上按不同比例添加黏土、有机肥和腐植酸，发现在风沙土中添加有机物料和黏土明显提高了风沙土的持水能力。但是，关于施用膨润土和腐植酸对土壤无机氮生物有效性和淋溶损失方面的研究较少，且多数试验均是通过短期（＜6 个月）模拟培育或土柱实验获得，长期田间定点观测研究目前尚不多见［13-14］，尤其是在沙土中的研究。另外，单施膨润土和腐植酸作为土壤改良剂的研究多，对两者混合加工施用的报道少，因为通过添加一定量的腐植酸制备出颗粒状改性膨润土产品在膨胀性、分散性、悬浮性、流变性上均得到显著改善［15］，对土壤改良效果可能更好。

此外，在以往的研究中一般土壤无机氮通常是在室温（25℃）条件下由2mol·L-1KCl 振荡1h 浸提测定［16］，但是该方法不能完全提取吸附在膨润土内部的NO3--N［16-17］，50%以上的NO3--N仍然可被继续提取［18］。因此，本研究利用改进提取方法（2mol·L-1KCl，60℃振荡2h）明确膨润土-腐植酸改良剂对土壤无机氮的固持能力，利用离子交换膜明确土壤残留无机氮的活性，在西辽河平原典型沙质土壤上进行了定位田间试验，研究膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配施对西辽河平原沙质土壤氮素淋溶和养分有效性的影响，为西辽河平原沙质土壤改良和水肥调控性能改善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

西辽河平原处于42°18′～44°30′N，119°14′～123°42′E，坐落于内蒙古自治区，是西辽河及其支流冲刷下形成的冲积平原，是我国春玉米生产的主要地区之一。西辽河平台属于典型的温带大陆性季风气候，年度日照时间长，雨热同季，历年平均日照时数超过3100h，年均气温6.5℃，无霜期140～160d。总体来说，西辽河平原地处世界春玉米生产的黄金地带，光热资源丰富，灌溉条件良好，具有规模春玉米生产的天然优势。

供试土壤属风沙侵蚀砂壤土，机械组成为：砂粒为82.8%，粉粒为12.16%，黏粒为5.04%。0～20cm土层土壤理化性质为土壤pH值7.86、阳离子交换量10.03cmol·kg-1、 碱 解 氮48.71mg·kg-1、 有效磷5.81mg·kg-1、 速效钾71.70mg·kg-1、NO3--N1.58mg·kg-1、NH4+-N1.83mg·kg-1。采用电位法测定土壤pH 值（土水比为1︰2.5）；氯化铵-乙酸铵交换法测定土壤阳离子交换量；碱解扩散法测定碱解氮含量；NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷含量；醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾含量；2mol·L-1KCl 震荡1h 浸提土壤NO3--N 和NH4+-N，流动分析仪测定土壤NO3--N 和NH4+-N 含量。

1.2 膨润土-腐植酸改良剂

本研究使用的钠基膨润土由内蒙古三岩矿业有限公司提供，膨润土中的主要化学组分为：73.2%SiO2，11.4%Al2O3，2.67%CaO，2.58%K2O，1.05%MgO，0.31%Na2O和0.29%Fe2O3。腐植酸购买于内蒙古润泽源生物科技股份有限公司，由褐煤提取而成。将膨润土和腐植酸以10︰1 的比例混合，加入一定量的蒸馏水，加热溶解成黏稠的液体，随后通过制丸机挤压撞条造粒成3mm 的颗粒，造粒后置于100℃的干燥箱中干燥，制得膨润土-腐植酸改良剂。

1.3 试验设计

本研究采用双因素随机区组设计。试验设置3种膨润土-腐植酸改良剂水平和3 种氮肥（尿素）水平，膨润土-腐植酸改良剂水平分别为0、20、40t·hm-2，依次记为A0、A1和A2；氮肥水平分别为0、120、240kg·hm-2，依次记为N0、N1和N2。共计9 个处理，重复3 次。试验小区面积为60m2（6m×10m）。小区间铺设宽为0.5m 小路以避免交叉污染和处理效应。供试作物为玉米（郑单958），采用常规田间管理方法。试验实施的上一年秋季（2016 年10 月），将膨润土-腐植酸改良剂均匀添加到耕层土壤（0～20cm）。在2017 年，随机取样的玉米植株地上部分在65℃下烘干至恒重以测定地上总生物量。为准确反映种植周期结束时NO3--N 和NH4+-N 的有效性，于2017 年5 月将3 对阴阳离子交换膜随机插到各小区0～20cm 土层中，并于2017 年10 月移除。离子交换膜上积累的离子量通常会随着提取时间的延长而增加［19］，因此长时间（大于3 个月）提取能够准确预测土壤氮素平衡［20］。本研究使用的离子交换膜购于上海凯思普科技有限责任公司。试验开始前先将大小为20cm×2cm 阴阳离子交换膜嵌入塑料管中，交换膜上反离子分别为Na+和HCO3-。

1.4 土壤取样和分析

2017 年春玉米收获后，每个小区内随机选取5 个采样点，使用内径为4cm 的土钻采集0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60cm6 个土层样品。在挑除根系和其他杂质后，土壤样品过2mm 土筛。各小区中相应土层的5 个样品混合后立刻保存在冰箱中供测定土壤NO3--N 和NH4+-N 含量。

利用标准方法测定土壤NO3--N 和NH4+-N 含量。10g 土壤样品加入40mL 的KCl（2mol·L-1）溶液，在25℃条件下以200r·min-1转速震荡1h，随后过滤上清液，采用流动注射分析仪测定滤液中NO3--N 和NH4+-N 含 量。滤 液 中NO3--N 和NH4+-N总含量即为土壤无机氮（SIN）含量。

利用改进方法测定耕层土壤（0～20cm）样品中NO3--N 和NH4+-N 含量。10g 土壤样品中加入40mL 的KCl（2mol·L-1）溶液，在60℃条件下以200r·min-1转速震荡2h，随后过滤上清液。当温度大于50℃时，水在多孔颗粒中从二维表面流动转为三维孔隙流动［16，20］。因此，本研究所使用的试验条件能够缩短平衡时间，促进膨润土向提取液中释放被其捕获的土壤无机氮。

用蒸馏水冲洗粘附在离子交换膜上的土壤颗粒，随后将干净的离子交换膜放入50mL KCl（2mol·L-1）溶液，在25℃条件下以200r·min-1转速震荡1h，利用流动注射分析仪测定提取液中NO3--N 和NH4+-N 含量。

玉米成熟后，每个处理选择2m2进行测产，每个处理重复3 次，玉米地上部生物量为秸秆和籽粒之和。

1.5 数据处理

采 用Excel2013、Origin8.0 及SPSS19.0 软 件进行数据处理与分析，并绘制图表。处理间的差异显著性采用Duncan 方法标注字母。对于正态分布数据，采用Pearson’s correlation 进行相关分析；对于非正态分布数据，采用Spearman’s correlation 进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 春玉米籽粒产量和地上生物量

膨润土-腐植酸改良剂（A）、氮肥（N）及改良剂与氮肥互作（A×N）对春玉米籽粒产量和地上生物量的增长趋势基本一致，达到显著增产效应（图1）。单独施用膨润土-腐植酸改良剂（N0）表现出增产趋势，但没有显著差异。施用氮肥水平为120kg·hm-2（N1）条件下，改良剂（A）表现出显著增产效果，A1N1、A2N1比A0N1春玉米籽粒产量和地上生物量分别提高了19.1%、18.5%和10.2%、1.2%，表明在施氮肥基础上配施膨润土-腐植酸改良剂能够提高土壤养分利用，并提高春玉米籽粒产量和地上生物量。当施用氮肥水平为240kg·hm-2（N2）时，春玉米籽粒产量表现出先升后降趋势，A1N2比A0N2比籽粒产量和地上生物量分别提高了14.3%和13.5%；但A2N2比A1N2籽粒产量和地上生物量却分别降低了14.1%和14.8%。表明膨润土-腐植酸改良剂施用量对春玉米籽粒产量和地上生物量存在阈值，过量施用会引起产量下降。A2处理中改良剂的施用量已超过阈值，未体现出改良剂应有的作用，A1处理中改良剂的施用量在阈值合理范围之内，并与氮肥配施达到了显著增产 效果。

图1 不同处理下春玉米籽粒产量及地上生物量变化

2.2 土壤中残留的和土壤无机氮

由方差分析可见，膨润土-腐植酸改良剂（A）、氮肥（N）及改良剂与氮肥互作（A×N）显著影响了土壤剖面中和土壤无机氮（SIN）的含量（表1）。Spearman 相关分析显示膨润土-腐植酸改良剂施用量（A）与和土壤无机氮均呈负相关，且与达到显著水平；施氮肥（N）与和土壤无机氮相关程度相近，均呈中等正相关，表明施用膨润土-腐植酸改良剂能够改善土壤的微环境，抑制离子的反硝化作用，有利于提高土壤肥力。Pearson 相关分析表明土壤无机氮与呈正相关，且达到显著水平，而与呈负相关关系，表明随土壤无机氮含量的增加，随之会增加，在一定的条件下，和彼此之间相互转化，而膨润土-腐植酸改良剂的介入会影响这种此消彼长的依存 关系。

表1 土壤中 和土壤无机氮含量的分析

表1 土壤中 和土壤无机氮含量的分析

注：*表示达到显著水平（P＜0.05），**表示达到极显著水平（P＜0.01）。

方差分析（F 值）Spearman 相关分析 Pearson 相关分析含量 A N A×N A N NO3--N NH4+-N SIN NO3--N 5.84* 21.84** 18.46** -0.708* 0.583 1 -0.326 0.892*NH4+-N 10.86** 9.36** 3.90* -0.438 0.353 1 0.513 SIN 10.32** 16.89** 6.53** -0.486 0.436 1

2.2.1 土壤中残留NO3--N 含量

由图2 可见，NO3--N 的残留量随氮肥施用量的增加而增加。施用膨润土-腐植酸改良剂使耕层土壤（0～20cm）NO3--N 含量略有增加，但总体来说对下层土壤（20～60cm）NO3--N 总量影响不大，主要体现在垂直方向上分布规律差异较大。施用氮肥水平为120kg·hm-2（N1）时，土壤中残留NO3--N 的含量随着改良剂的施用而降低，与单独施用氮肥处理相比（A0N1），A1N1处理中下层土壤NO3--N 含量下降14.5%。施用氮肥水平为240kg·hm-2（N2）时，与单独施用氮肥处理相比（A0N2），A1N2处理中下层土壤NO3--N 含量下降7.7%，A1N2土壤中的NO3--N 主要集中在更容易被植物利用的（20～40cm）土层。但是A1N2处理中下层土壤NO3--N 含量大约是A1N1处理的3.5 倍，且产量没有明显提高。表明膨润土-腐植酸改良剂具有极高吸附力，当膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配施后，改变了耕层土壤的微环境，抑制NO3--N 离子的反硝化作用，减少土壤氮素排放损失。240kg·hm-2（N2）的氮肥水平时超过改良剂能承受的量，过量的氮肥淋溶到土壤深层。

图2 土壤剖面中NO-3-N 含量

2.2.2 土壤中残留NH4+-N 含量

由图3 可以看出，试验处理中的NH4+-N 含量沿土壤剖面呈现波动趋势。单独施用膨润土-腐植酸改良剂（N0）耕层土壤（0～20cm）NH4+-N 含量较高，并表现出明显差异，中下层土壤（20～60cm）NH4+-N 含量逐渐下降。施用氮肥水平为120kg·hm-2（N1）时，耕层土壤（0～20cm）NH4+-N含量相对较低，以后波动上升。施用氮肥水平为240kg·hm-2（N2）条件下，耕层土壤（0～20cm）NH4+-N 含量较低，中层土壤（20～40cm）NH4+-N含量最高，而深层土壤（40～60cm）NH4+-N 含量又开始下降，表现出先升后降的变化趋势。表明膨润土-腐植酸改良剂的作用受氮肥用量影响较大，适量氮肥水平120kg·hm-2（N1）下膨润土-腐植酸改良剂的作用更为明显，有效抑制NH4+-N 离子的气态损失，提高氮素肥料利用率。

2.2.3 土壤残留无机氮含量

由图4 可显示，膨润土-腐植酸改良剂的改良效果取决于氮肥用量。单独施用膨润土-腐植酸改良剂（N0）各耕层土壤无机氮含量在较低水平上波动，没有明显变化。施氮肥水平为120kg·hm-2（N1）时，耕层与中层土壤（0～40cm）无机氮含量均较低，深层土壤（40～60cm）残留上升。在施氮肥水平为240kg·hm-2（N2）条件下，耕层土壤（0～20cm）无机氮含量最低，中层土壤（20～40cm）开始上升，特别是深层土壤（40～60cm）上升速度较快。表明膨润土-腐植酸改良剂的改良效果受氮肥用量制约，而氮肥的增产作用也受益于膨润土-腐植酸改良剂的吸附力，适量增加膨润土-腐植酸改良剂（20t·hm-2），有效抑制氮素肥料的气态损失和淋溶渗漏，使大量无机氮吸附于土壤表层，供作物吸收利用。

图3 土壤剖面中NH4+-N 含量

图4 土壤剖面中无机氮（SIN）含量

2.3 不同方法提取的耕层土壤NO3--N、NH4+-N 和无机氮

2.3.1 提取土壤NO3--N

由表2 可见，膨润土-腐植酸改良剂改良效果（A）、氮肥效应（N）及改良剂与氮肥互作（A×N）在耕层土壤NO3--N、NH4+-N 和无机氮含量基本达到了显著或极显著水平，且3 种方法提取的耕层土壤NO3--N、NH4+-N 和无机氮均呈正相关，特别是改进方法、离子交换膜法与标准方法高度正相关。由改进方法提取的NO3--N 含量与标准方法相比差异较大，这种差异（NO3--Nm-s）达到3.1%～133.3%（ 图5a）， 且（NO3--Nm-s） 达到显著水平。由离子交换膜法提取的NO3--NIEM含量为19.82～178.46mg·m-2，随着氮肥水平提高而增加。表明受膨润土-腐植酸改良剂吸附作用的影响，由标准方法提取的NO3--N 含量低于实际含量。

2.3.2 提取土壤NH4+-N

图5b 可以看出，由改进方法提取的NH4+-N含量与标准方法提取的NH4+-N 含量有高有低，NH4+-Nm-s差异范围从低1.2%到高12.1%，NH4+-Nm-s没有显著差异（表2）。与土壤含量不同，两种方法所提取出的NH4+-N 含量的差异（NH4+-Nm-s）主要受氮肥施用量影响，而膨润土-腐植酸改良剂影响较小。在同一氮肥水平下，离子交换膜法提取的含量随着膨润土-腐植酸改良剂施用量的增加而增大。表明膨润土-腐植酸改良剂表面带有负电荷的官能团，靠静电吸引使在耕层含量有所增加，所以两种方法结果差异很小。

2.3.3 提取土壤无机氮

如图5c 所示，由改进方法提取的土壤无机氮含量显著高于标准方法提取的土壤无机氮含量，高幅达到20.9%～62.7%。单独施用膨润土-腐植酸改良剂（N0）对土壤无机氮含量影响不大。SINm-s随氮肥施用量的增加而增大，膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配施模式下，土壤无机氮（SINm-s）含量随着膨润土-腐植酸改良剂施用量的增加而增大，SINIEM含量随着膨润土-腐植酸改良剂施用量的增加呈先增后降的变化趋势。此外，在膨润土-腐植

酸改良剂与氮肥配施模式下，离子交换膜法提取的土壤无机氮（SINIEM）含量也是随着膨润土-腐植酸改良剂施用量的增加而增大。表明长时间高温震荡可以使被膨润土-腐植酸改良剂吸附的土壤无机氮释放。

表2 不同方法提取耕层土壤NO3--N、NH4+-N 和土壤无机氮含量的分析

图5 不同方法提取的耕层土壤NO3--N、NH4+-N、无机氮含量

3 讨论

3.1 膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配施对氮素有效性和淋溶的影响

本研究结果表明单独施用膨润土-腐植酸改良剂对氮素有效性和淋溶损失影响不大，而膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配施对氮素有效性和淋溶损失有显著影响，与之前常菲等的研究结果一致［1］。单独施用膨润土-腐植酸改良剂对春玉米产量及地上生物量有轻微地促进作用，主要是增加耕层土壤中NO-3-N 含量。由于本研究所使用改良剂中腐植酸含有少量NO-3-N，但含量要远低于试验区土壤NO-3-N含量，因此，耕层土壤中NO-3-N 含量的提高不是直接获取膨润土-腐植酸改良剂中所含有的氮素所致，而是源于膨润土-腐植酸改良剂吸附了微生物分解土壤有机氮。

在膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配施模式下，20t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂施用量（A1）显著提高春玉米产量和地上生物量，40t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂施用量（A2）春玉米产量和地上生物量反而有所降低。表明氮素有效性对膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配施模式非常敏感。在配施模式下，膨润土-腐植酸改良剂的施用量影响了春玉米对氮素的吸收。研究表明，10t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂与氮肥配合施用能够提高土壤氮素矿化速率，从而促进作物氮素吸附和干物质生产。在本研究中，20t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂（A1）与氮肥配合施用不仅提高氮素的利用率，而且降低有效NO3--N 的淋溶损失。氮素有效性的提高也合理地解释了在A1N1和A1N2处理中春玉米产量和地上生物量的增加与20～60cm 土层NO3--N 残留量的显著减少有关。本研究结果A1N1和A1N2处理中春玉米产量和生物量没有显著差异，但A1N2处理20～60cm 土层NO3--N残留量远高于A1N1处理。表明240kg·hm-2氮肥施用量非但不会提高作物产量，长期施用反而会导致大量的NO3

--N 残留在土壤底层，增加随降雨而淋溶损失的风险［1］。与其他处理相比，尽管40t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂施用量（A2）能够有效地抑制土壤无机氮淋溶损失，但由于春玉米产量和生物量的减少，故40t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂（A2）与氮肥配施模式是不合理的。因此，20t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂与120kg·hm-2氮肥配合（A1N1）施用，既兼顾提高作物产量和降低环境风险的最佳策略。

研究表明，高施用量膨润土改良剂虽然不能促进作物生长，但能够降低底土层中无机氮含量［1］。此外，盆栽试验结果也显示高施用量膨润土改良剂（80t·hm-2）能够捕获NO3--N 导致春玉米产量显著下降［21］，与这本研究结果相一致。尽管膨润土改良剂能够增加土壤总持水能力，但其中大部分由膨润土改良剂固持的土壤水不能被作物吸收利用，这也影响土壤无机氮，特别是可溶性NO3--N 的有效性［22］。因此，最佳膨润土改良剂施用量田间阈值远低于培养试验和盆栽试验。高施用量膨润土改良剂长时间大量吸附NO3--N，从而降低作物吸收和淋溶的NO3--N［21］，这一结论合理解释膨润土-腐植酸改良剂高施用量条件下作物生物量和土壤无机氮残留量同时减小这一矛盾现象。

3.2 膨润土-腐植酸改良剂对土壤无机氮的固持以及残留土壤无机氮的有效性

本研究使用改进提取方法和离子交换膜法提取耕层土壤无机氮，以此确定膨润土-腐植酸改良剂对土壤无机氮的固持强度以及残留于土壤无机氮的有效性。结果表明，长时间高温震荡可以促进膨润土-腐植酸改良剂释放土壤无机氮（特别是NO3--N）。在同一氮肥水平下，NO3--Nm-s和SINm-s含量随着膨润土-腐植酸改良剂施用量的增加而增加，也可以说明受膨润土-腐植酸改良剂固持作用的影响，由标准方法提取的要低于实际含量。根据Haider 等［17］的研究可知，除时间、温度等因素外，KCl 对NO3--N 的提取能力与膨润土-腐植酸改良剂的孔隙分布和膨润土-腐植酸改良剂对NO3--N 的固持机制有关。因此，本研究所采用的改进方法可能仍然不足以提取所有被膨润土-腐植酸改良剂固持的NO3--N。这些信息进一步说明膨润土-腐植酸改良剂对NO3--N 潜在的固持能力。

施用氮肥后，NO3--NIEM含量随着膨润土-腐植酸改良剂施用量的增加而降低，表明膨润土-腐植酸改良剂即降低了土壤中残留NO3--N 的生物有效性，也减少了淋溶损失风险。Agegnehu 等［23］在小麦研究中发现，不论施肥水平如何，多孔隙土壤改良剂施用都会降低SINIEM以及植株中氮的含量，说明经膨润土-腐植酸改良剂改良后，土壤中NO3--N 生物有效性降低，并具有明显的抗淋溶作用，这与本研究中在20t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂与240kg·hm-2氮肥配施模式下的结果一致，此时耕层土壤中NO3--N 含量增加，而底层土壤中NO3--NIEM和NO3--Ns含量减少。因此，虽然NO3--NIEM和NO3--Ns/NO33--Nm之间存在显著的正相关关系，但是在大多数情况下，NO3--Nm仅提供经膨润土-腐植酸改良剂改良土壤中相对准确含量的数值，可能不足以作为土壤精准管理建议的参考标准。因此，确定被膨润土-腐植酸改良剂固持即具有生物有效性又具有抗淋溶作用的NO3--N 比例是下一步工作的重点。

由于膨润土表面具有负电荷的官能团静电吸附NH4+-N，因此土壤NH4+-N 的吸附或保留机制常被认为与施用膨润土-腐植酸改良剂导致土壤阳离子交换量的增加有关［24］。由于静电作用是很弱的作用力，标准方法可以很容易地提取通过静电吸引吸附的NH4+-N，因此40t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂处理中NH4+-Nm-s略有增加。随着时间的推移，吸附于膨润土-腐植酸改良剂的氮素可能被解吸，重新具有生物有效性，导致NH4+-NIEM含量增加。

4 结论

单独施用膨润土-腐植酸改良剂对春玉米产量和地上生物量以及土壤残留无机氮的淋溶影响不大。对于旱地农田系统，20t·hm-2膨润土-腐植酸与120kg·hm-2氮肥配合施用是兼顾提高作物产量和降低环境风险的最佳策略。40t·hm-2膨润土-腐植酸改良剂施用量抑制土壤无机氮素淋溶损失的同时也降低了土壤无机氮的生物有效性。经过两年田间老化后，膨润土-腐植酸改良剂可以捕获NO3--N，降低土壤NO3--N 休耕期淋溶风险。