不同施氮量及施氮比例对橡胶园土壤无机氮运移特征的影响

任常琦 张永发 王帅 罗雪华 薛欣欣 赵春梅 王文斌

关键词：橡胶园；施肥量；铵态氮；硝态氮；水平；垂直

天然橡胶是世界各国国防和经济发展不可或缺的战略物资。在全球2500种以上的产胶植物中，橡胶树（Heveabrasiliensis）是商品天然橡胶生产的唯一来源。因此，橡胶树被大量种植于亚洲、非洲、大洋洲、拉丁美洲40多个国家和地区。我国也是天然橡胶的主产国之一，种植面积约为116.1万hm2，居世界第3位。然而，近年来，随着天然橡胶消费量的持续增长，如何保障天然橡胶稳产、增产已成为我国急需解决的难题。

土壤肥力是限制橡胶树产胶能力的重要因子。然而，在过去的50年中，由于长期持续割胶和施肥不当，胶园土壤肥力下降严重，肥力综合质量指数仅为0.30～0.66[1]。其中，土壤氮素亏损最为严重。仅1977—1998年，胶园土壤全氮含量即下降了0.23%～0.33%[2]。因此，近来年，施用氮肥成为调控胶园土壤肥力的重要举措。然而，目前对于胶园土壤的氮素管理，大多仅关注氮肥的肥力效应，少有关注氮肥施用对土壤氮素组分运移规律的影响。这限制了胶园土壤氮素的精准管理和风险调控。要想促进橡胶树快速生长，提高胶乳产量，提高胶乳品质和延长经济寿命，同时提高肥料利用率，合理施肥是一项重要的措施。

众所周知，土壤氮主要包括硝态氮、铵态氮和有机态氮，其中硝态氮和铵态氮是可直接被吸收利用的，但这2种形态的氮含量不足氮素的5%，且极易损失[3-4]。施用氮肥可提升土壤有效态氮含量，但由于土壤氮素生物化学转化、吸附-解吸、植物吸收等过程的影响[5-6]，氮肥施用量和施用方式因土壤类型和作物类型而异。不当的氮肥施用方式不但会降低氮肥利用率[7]，也可能导致无机氮淋失引起的水体污染等环境问题[8-10]。与温带土壤不同，我国胶园土壤为砖红壤，土壤偏酸性，且该区域具有高温、降雨强度大、淋溶性强等特点。这意味着胶园土壤氮素淋失风险高，急需摸清氮肥施用量对土壤无机氮组分赋存特征和运移规律，以减少氮淋失。同时，与其他作物不同，橡胶树作为一种热带特有的多年生、大型经济乔木，不但在垂直-水平方向根圈范围广，且常年经历割胶行为对氮素的损耗，因此，还应进一步在垂直-水平方向上，评价不同时期施肥对土壤氮素的影响。然而，过去的研究不但少有关注氮肥施用对胶园土壤氮素组分的影响，更仅考虑一次施肥的影响。

综上，根据橡胶树管理特点和种植区砖红壤氮素易淋失的特点，本研究在田间尺度上，研究不同氮肥施用量、施用时期对胶园土壤无机氮组分的水平和垂直运移特征。研究结果可为胶园土壤的合理施肥和氮素的精准管理提供依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

研究地点位于海南省儋州市中国热带农业科学院试验场（109°29′11.219″E，19°29′6.215″N）。该地区属热带季风气候，年平均气温为23.8℃，年均降雨量约为1650mm，但降雨分布不均，5—11月是雨季，占全年降水量的70%～90%，12月至翌年4月是旱季。選取长势一致的热研7-33-97成龄橡胶树，树龄为14a，割龄为6a，于2005年定植，2013年开割，胶园内株行距为3.0m×7.0m，土壤基本理化性质如下：pH4.80，有机碳为6.33g/kg，全氮为0.59g/kg，有效磷为19.65mg/kg，速效钾为41.17mg/kg，硝态氮为3.98mg/kg，铵态氮为2.59mg/kg，容重为1.46g/cm3，砂粒为52.07%，粉粒为29.77%，黏粒为18.16%。

1.2方法

1.2.1试验设计在橡胶树种植过程中，通常每年施肥3次，本研究以全年的常规施肥量为基础，减少20%的施肥量作为减量施肥处理，以及在减少20%用量的同时，将施肥量后移，作为同步施肥处理，所施肥料均为复合肥，N∶P2O5∶K2O=14∶7∶9，具体施肥量见表1。试验采用完全随机区组设计，设置4个处理：①空白对照（CK），不施肥；②常规施肥（C，施肥总量2kg/株，前期∶中期∶后期=5∶3∶2）；③减量施肥（J，施肥总量1.6kg/株，前期∶中期∶后期=5∶3∶2），减量施肥相当于常规施肥减量20%。④同步施肥（T，施肥总量1.6kg/株，前期∶中期∶后期=3∶3∶2），前期同步施肥相当于常规施肥减量40%，中期和后期与常规施肥量相同。每个处理重复3次，共12个小区，总面积为2.73hm2。肥料分别于研究当年的4月底（前期）、6月底（中期）和9月底（后期）施入施肥穴内并覆土，施肥穴位于2株橡胶树之间，距离橡胶树主干垂直距离1.5m，大小为80cm×20cm×20cm。

1.2.2样品采集于施肥当年的5月底（前期）、7月底（中期）、10月底（后期）采集施肥穴土壤样品。每个小区分别选择3个施肥穴用土钻法采集土样，以施肥穴为取样原位点，在施肥穴里面均匀布置3个原位点，每个原位点进行距离施肥穴边缘横向0（原位点）、5、15、30、45、60cm的布点取样，采样深度均为0～20、20～40、40～60、60～80cm，每个施肥穴3个原位点等距离、同一土层的土壤样品混合成1个样品，每个施肥穴共采集土样72个。

1.2.3样品分析铵态氮和硝态氮用1mol/L的KCl浸提，浸提液使用AA3连续流动分析仪（德国seal）分析。

1.3数据处理

前期施肥数据已经以论文形式发表，本研究选取中期和后期施肥的数据进行分析，使用SPSS20.0软件进行单因素方差分析，利用Excel2019软件绘制图表。

2结果与分析

2.1不同施氮水平无机氮在土壤中的水平运移

2.1.1土壤铵态氮的水平运移由图1可看出知，施肥后，土壤铵态氮含量显著增加，尤其是在施肥穴处，常规施肥和同步施肥处理显著高于CK，并且常规施肥处理和同步处理显著高于减量20%处理，这是因为减量20%施肥量较少，表明施肥量对土壤铵态氮残留影响较大，施肥量越多，土壤铵态氮残留量越多。施肥穴垂直深度为0～20cm时，在不同的水平距离下，随着距离的增加，土壤铵态氮含量呈降低趋势，尤其是在距施肥穴5cm处，降低明显，在中期施肥中，常规施肥处理由118.54mg/kg降至32mg/kg，降低了73.18%；同步施肥处理降低了13.84%；在后期施肥中，常规施肥和减量施肥处理在5cm处分别降低了88.66%、39.67%。当距施肥穴位置超过30cm后，土壤铵态氮含量不再有明显变化，各处理之间含量达到相近水平。说明施肥量增加，仅在施肥穴处效果显著，并不能提高距施肥穴30cm以外的土壤铵态氮含量。

2.1.2土壤硝态氮的水平运移由图2可看出，施肥后，土壤硝态氮含量增加。施肥穴垂直深度为0～20cm时，在中期施肥时期，硝态氮含量在距施肥穴5cm处达到最大值，随后显著降低，在30cm以外，变化不再明显，在60cm处，减量施肥、同步施肥、CK处理的硝态氮含量趋于相近水平，但常规施肥处理土壤的硝态氮含量仍明显高于这3种处理。说明硝态氮含量很不稳定，施用过多的氮肥，土壤硝态氮可能会随着雨水径流发生水平运移。在后期施肥时期，随着水平距离的增加，土壤硝态氮含量呈降低趋势，尤其是在距施肥穴5cm处，降低明显，常规施肥和减量施肥处理分别降低83.02%、90.3%，在30cm以外，变化不再明显，在60cm处趋于接近水平。

2.1.3土壤无机氮的水平运移由图3可看出，施肥后，土壤无机氮含量明显增加，尤其是在施肥穴处的常规施肥和同步施肥处理，显著高于其他2种处理。施肥穴垂直深度为0～20cm时，在中期施肥中，随着距离的增加，常规施肥和同步施肥处理无机氮含量逐渐降低，而减量施肥处理在距离施肥穴5cm处，无机氮含量达到最高值，为116mg/kg，随着距离的增加，也逐渐降低；在后期施肥中，随着距离的增加，无机氮含量呈降低趋势，尤其是在距施肥穴5cm处，降低明显，常规施肥和减量施肥处理分别降低86.12%、80.32%，当距离超过30cm后，变化不再明显，并在60cm处达到相似水平。

2.2不同施氮水平下无机氮在土壤中的垂直运移

2.2.1土壤铵态氮的的垂直运移施肥后，在垂直方向上，土壤铵态氮含量显著增加。在中期施肥时期，在垂直深度为20～40cm时，铵态氮含量大小依次是常规施肥＞减量施肥＞同步施肥＞空白处理，但其他深度的铵态氮含量大小均为常规施肥＞同步施肥＞减量施肥＞空白处理，尤其是常规施肥处理，铵态氮含量显著高于其他3种处理，这与施肥量有关，施氮量越高，土壤中铵态氮含量越高。随着垂直深度的增加，常规施肥土壤铵态氮含量呈现出先降低后增加的趋势，在0～20cm处铵态氮含量最高，为118.54mg/kg，在40～60cm含量最低，为94.33mg/kg。同步施肥处理呈现出先增加后降低的趋势，在40～60cm含量达到最大值77.99mg/kg。减量施肥处理呈现出先增加后降低的趋势，在40～60cm含量达到最大值72.35mg/kg（图4）。这表明中期施肥会加速铵态氮向深层土壤淋洗，可淋洗至60～80cm，但多集中在40～60cm土层。

在后期施肥时期，在垂直深度为20～40cm时，铵态氮含量大小依次是常规施肥>同步施肥>减量施肥>空白处理，但其他深度的铵态氮含量大小均为常规施肥>减量施肥>同步施肥>空白处理，尤其是常規施肥处理，铵态氮含量显著高于其他3种处理。随着垂直深度的增加，常规施肥土壤铵态氮含量呈现出先降低后增加的趋势，在0～20cm处铵态氮含量最高，为92.74mg/kg，在40～60cm含量最低，为31.21mg/kg。同步施肥处理呈现出先增加后降低的趋势，在20～40cm含量达到最大值11.47mg/kg。减量施肥处理呈现出先降低后增加再降低的趋势，在40～60cm含量达到最大值25.8mg/kg（图4）。这表明后期施肥会加速铵态氮向深层土壤淋洗，可淋洗至60～80cm，但多集中在0～20cm土层。

2.2.2土壤硝态氮的垂直运移中期施肥后，在施肥穴处，常规施肥处理的土壤硝态氮含量显著增加，其他3种处理的影响并不明显。在垂直方向上，随着深度的增加，常规施肥处理的硝态氮含量呈先增加后降低的趋势，在40～60cm处达到最大值200.39mg/kg（图5）。说明中期施肥后，硝态氮可淋洗至60～80cm，但多集中在40～60cm土层。

后期施肥后，在施肥穴处，各土层的土壤硝态氮含量增加，随着深度的增加，其硝态氮含量呈先降低后增加的趋势，常规施肥和同步施肥在0～20cm残留较多，分别为76.17、106.9mg/kg。减量施肥在40～60cm残留较多，为42.86mg/kg（图5）。这说明后期施肥，硝态氮向下淋溶减弱。

2.2.3土壤无机氮的垂直运移在中期施肥后（图6），常规施肥呈现出先增加后降低的趋势，在40～60cm处达到最大值294.73mg/kg；同步施肥处理呈现出先增加后降低的趋势，在20～40cm处含量最低，为39.28mg/kg，在40～60cm达到最大值80.05mg/kg；减量施肥呈现出先增加后降低的趋势，在40～60cm处达到最大值74.71mg/kg；总体来看，常规施肥>同步施肥>减量施肥，虽然本次常规施肥和同步施肥的施氮量相同，但在第一次施肥中，常规施肥的施氮量比同步施肥多20%。这说明施肥量会增加土壤无机氮含量，无机氮主要迁移至40～60cm土层。

在后期施肥后（图6），在施肥穴处，各土层的土壤无机氮含量增加，随着深度的增加，施肥处理无机氮含量呈先降低后增加的趋势，常规施肥和同步施肥是在0～20cm残留较多，分别为115.67、168.9mg/kg。减量施肥在40～60cm残留较多，为68.66mg/kg。

2.3施肥中期不同施氮水平对水平方向上铵态氮和硝态氮占比的影响

由表2可知，中期施肥降低了铵态氮的占比，并且在水平方向上呈波动的变化趋势。CK在不同水平距离下，铵态氮占比无较大变化，减量施肥和同步施肥的铵态氮占比接近，高于常规施肥处理。施肥增加了硝态氮占比，表现为常规施肥>减量施肥>同步施肥。硝态氮占比在水平方向上呈波动的变化趋势，在距施肥穴5cm处占比较高。说明施肥改变了土壤中的铵态氮和硝态氮的分布和运移。

由表2可知，后期施肥降低了铵态氮的占比，并且在水平方向上呈波动的变化趋势，呈现减量施肥>常规施肥>同步施肥。施肥增加了硝态氮占比，表现为常规施肥>同步施肥>减量施肥。硝态氮占比在水平方向上呈波动的变化趋势，在距施肥穴15cm处占比较高。说明施肥改变了土壤中的铵态氮和硝态氮的分布和运移。

2.4不同施氮水平对垂直方向上铵态氮和硝态氮占比的影响

由表3可知，常规施肥处理降低了垂直方向上铵态氮占比，减量施肥和同步施肥处理与CK差别小。随着深度的增加，常规施肥处理铵态氮占比呈先降低后增加，在0～20cm占比最高，这与常规施肥处理表层较高的铵态氮含量有关；减量处理和同步处理铵态氮占比呈先增加后降低的趋势，并在40～60cm达到最高值，说明铵态氮迁移主要停留在40～60cm土层。

常规施肥处理增加了垂直方向上硝态氮占比，减量施肥和同步施肥处理与CK差别小。随着深度的增加，常规施肥处理铵态氮占比呈先增加后降低，在40～60cm达到最大值；而减量施肥和同步施肥呈先降低后增加的趋势，在0～20cm占比较高。说明本次施肥硝态氮在0～20cm土层聚集，但施肥量增加，引起硝态氮向下淋洗，使其在40～60cm聚集较多。

由表3可知，后期施肥降低了铵态氮占比，铵态氮占比呈常规处理＞减量处理＞同步处理，随着深度的增加，各施肥处理铵态氮占比呈先增加后降低的趋势，在20～40cm占比最高，说明铵态氮迁移主要停留在20～40cm土层。后期施肥增加了硝态氮占比，硝态氮占比呈同步处理＞减量处理＞常规处理，随着深度的增加，各施肥处理铵态氮占比呈先降低后增加的趋势，常规处理和同步处理的硝态氮在0～20cm占比最高，减量处理在60～80cm占比最高。说明硝态氮能迁移至60～80cm土层，但在0～20cm聚集较多。

3讨论

施肥量和施肥方式会综合影响土壤水分和溶质运移[11]，在阳离子交换量低的橡胶园土壤，雨季降雨量大且频繁，淋洗严重，施入的氮肥极易随雨水淋溶[12]，氮肥过量或不合理施用是引起土壤硝态氮淋溶的主要原因[13]。并且施氮水平越高，淋溶损失越大[14]。

王火焰等[15]研究指出，肥料养分利用率低是由于常规施肥措施下，土壤中肥料养分的供应时间、空间、浓度和用量无法与作物需求匹配。但分次施用氮肥能改善作物氮素需求与供应的匹配度，提高氮素利用效率[16]。本研究结果也驗证了该观点，中期施肥，各施肥处理的铵态氮、硝态氮和无机氮含量整体水平方向的残留情况为：CK<同步施肥＜减量施肥<常规施肥；后期施肥，各施肥处理的硝态氮和无机氮含量整体水平方向的残留情况为：CK＜减量施肥<同步施肥<常规施肥，且常规施肥方式的残留量远远大于其他施肥方式。因此，在不同时期调整施肥量，对于减少氮肥损失，提高肥料利用率是十分必要的。

本研究中，在水平方向上，铵态氮含量随着距离的增加逐渐降低，在0～5cm内骤降，但硝态氮含量在中期0～5cm内增加，后期0～5cm内骤降，随后变化不明显，这可能与该地区的温度和降水有关。硝态氮是一种通过静电力与土壤胶体发生作用的非专性吸附阴离子，通常不易被带负电的土壤胶体所吸附，主要以溶质的形式存在于土壤溶液中，其运移速率随土壤含水量的不同而相应地变化。已有研究表明，硝态氮受土壤含水量影响较大，其水平运移浓度随土壤含水量增加而减少[17]。本研究中，中期较后期温度更高，降水更少，使中期的硝态氮水平运移增加，含量升高。祁栋灵等[18]也发现，橡胶林土壤硝态氮含量季节性变化明显，6月份含量最高。此外，硝态氮的运移受土层中水分横向移动较弱的限制，在水平方向6cm以内，硝态氮运移速率较大，超过6cm，运移速率变化较小[17]。因此，远离施肥穴的土壤硝态氮变化不明显。而铵态氮易被土壤胶体吸附，相对稳定，水平迁移并不明显。本研究还发现，在水平方向上，常规施肥的铵态氮占比明显低于对照。这可能与氮素在土壤中生物化学转化、吸附-解吸、植物吸收等过程有关[5-6]。如前所述，土壤氮素亏损是橡胶种植土壤肥力的限制因子[1-2]。因此，氮肥施加量越大，土壤养分就越充足，微生物的活性就越大。这将会增强土壤的反硝化过程，进而加剧土壤氮素的流失[7-10]。尤其在表层土壤，因与肥料直接接触，土壤的硝化、反硝化过程会更强烈，氮素流失效应更强。在常规施肥中，大量的氮肥施入，通常对橡胶生长具有更强的促进作用，这也会加剧土壤中氮素的损耗。此外，施肥方式不同，对土壤结构、矿物组成等物理性状的影响也不同，进而影响土壤氮素在土壤中的持留和淋失[8-10]。

在合理施肥的情况下，铵态氮和硝态氮含量会随着土层深度的增加而减少，但SIEMENS等[13]研究发现，不合理施肥会导致硝态氮淋溶及土壤深层硝态氮的累积。尤其是在雨热季，降雨、高温会促使施入的氮肥随着水分向土壤深层淋溶[19]，导致氮素累积。本研究结果显示，施肥量对橡胶园土壤垂直方向上氮素运移有显著影响，铵态氮、硝态氮、无机氮含量整体上表现为：中期，常规施肥＞同步施肥＞减量施肥＞空白处理；后期，常规施肥＞减量施肥＞同步施肥＞空白处理，同步施肥和减量施肥氮素迁移远低于常规施肥，说明这2种施肥量是橡胶园合理的施肥用量。中期施肥，铵态氮和硝态氮发生垂直运移，主要迁移至40～60cm土层，并且硝态氮迁移是在施肥量较大的常规施肥处理中，迁移较为明显。后期施肥，相对于硝态氮来说，铵态氮迁移不明显，并且硝态氮和铵态氮均主要集中在0～20cm。说明调整全年施肥比例后，土壤氮素的运移更加接近合理施肥情况下的氮素变化规律。与硝态氮相比，通常铵态氮更易被土壤吸附，在特定条件下借助下渗流的驱动才可能在土壤剖面中随水迁移[20]。但本研究中，土壤氮素主要以铵态氮的形式存在。土壤铵态氮占比大于硝态氮占比，但随着水平距离和垂直深度的增加，在施肥量较多的常规处理中，硝态氮占比大于铵态氮。这可能是因为尿素在施入土壤后，除少量以分子态被土壤吸附，大部分在土壤中脲酶的作用下，水解为碳酸铵，并释放出铵态氮[21]，在其发生硝化作用之前就发生了迁移，引起铵态氮占比增加。但施肥量增加，土壤硝态氮占比也随之提高，这是由于土壤硝态氮含量会随施氮量的增加而升高[22]。施肥后，土壤的铵态氮占比降低。与不施肥处理相比，氮肥（尿素）施入土壤后，铵态氮的比例降低。这可能与氮肥对土壤微生物的激发效应有关。微生物是激发效应的驱动者，在自然条件下，大部分微生物处于休眠或潜在活跃状态[23]，当向系统中投入无机氮肥后，能够促进土壤硝化微生物——氨氧化细菌的增长繁殖[24-26]，从而产生正激发效应。这增加了微生物对土壤无机氮的利用，而微生物会优先选择能量消耗小的铵态氮利用。这可能会增加对土壤铵态氮的消耗，表现出施肥后土壤铵态氮占比降低的情况。

土壤中铵态氮和硝态氮的分布趋势还取决于多种因素，除氮肥施用量、施肥时间的变化外，作物吸收、微生物对NH4+和NO3–的固定、反硝化、氨挥发等过程均是决定其动态变化的重要因素[8，27-29]。因此，对于橡胶林氮素水平-垂直方向运移，后续还需进行更多、更深入的研究，才能明确其变化的主导过程及关键因子。

4结论

不同施肥处理土壤氮素迁移特点有所不同，以垂直运移为主。土壤氮素水平运移呈现出递减趋势，在5cm内变化剧烈，超过30cm后，变化不再明显。中期施肥铵态氮主要迁移至40～60cm，而后期施肥铵态氮主要停留在0～20cm。无机氮的变化趋势与铵态氮一致，无机氮主要以铵态氮的形式运移，在后期施肥，铵态氮和硝态氮的迁移能力均有所减弱，向深层土壤的迁移减少。说明调整施肥量和施肥时间，对于减少土壤氮素向深层迁移，改善氮肥流失有积极作用。