施用氮肥對(duì)磚紅壤硝態(tài)氮和鹽基離子淋失特征的影響

余 濼， 高 明， 黃利玲， 王洋清， 張 倩

(1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶北碚 400716; 2 璧山縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，重慶璧山 402760;3 淮北市杜集區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，安徽淮北 235037; 4 中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶渝北 401122)

施用氮肥對(duì)磚紅壤硝態(tài)氮和鹽基離子淋失特征的影響

余 濼1,2， 高 明1*， 黃利玲3， 王洋清4， 張 倩1

(1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶北碚 400716; 2 璧山縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，重慶璧山 402760;3 淮北市杜集區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，安徽淮北 235037; 4 中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶渝北 401122)

氮肥品種的合理選用對(duì)作物增產(chǎn)增收、 土壤酸化改良有重要的影響。本文以海南省?？谑杏^瀾湖采集的磚紅壤為研究對(duì)象，采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，對(duì)尿素、 硝酸銨和硫酸銨3種氮肥處理下磚紅壤硝態(tài)氮及鹽基離子(Ca2+、 Mg2+、 K+、 Na+)淋失特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明， 1)硝態(tài)氮累積淋溶量表現(xiàn)為硫酸銨>硝酸銨>尿素>N0，且硝態(tài)氮的淋溶量與施肥量呈正相關(guān)關(guān)系，整個(gè)淋溶過程中硝態(tài)氮累積淋溶量(y kg/hm2)與施肥量(x kg/hm2)之間滿足線性方程 y=3.3064x+315.74(R2=0.8848); 2)尿素、 硝酸銨、 硫酸銨處理整個(gè)淋溶過程的鹽基離子淋溶量均表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>K+>Na+，且鹽基離子淋溶總量(kg/hm2)表現(xiàn)為硫酸銨(1821.12)>硝酸銨(1080.27)>尿素(872.24)>N0(417.23); 3)磚紅壤鹽基離子遷移速率表現(xiàn)為硫酸銨(26.28%)>硝酸銨(13.37%)>尿素(11.78%)，尿素、 硝酸銨和硫酸銨處理分別以線性方程y=0.1178x+123.18(R2=0.9121)、 乘冪方程y=15.634x0.4423(R2=0.9259)和對(duì)數(shù)方程y=128.38e0.0007x(R2= 0.9244)的擬合度最高。

尿素; 硝酸銨; 硫酸銨; 硝態(tài)氮; 鹽基離子

Keywords: urea; ammonium nitrate; ammonium sulfate; nutrient nitrogen; base cations

1 材料與方法

1.1 供試土壤

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 淋溶裝置示意圖Fig.1 The design of leaching

每次施肥后，用保鮮膜封住土柱頂部，以防止銨態(tài)氮的揮發(fā)損失，再使其在自然狀態(tài)下硝化反應(yīng)21d以后開始作淋溶試驗(yàn)(此過程通過每日18:00采用TDR土壤水分測(cè)定儀監(jiān)測(cè)一次，確定需要補(bǔ)給的灌水量，并定時(shí)定量進(jìn)行補(bǔ)給，控制含水率為田間持水量的60%左右，室內(nèi)平均溫度為25°C)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤有機(jī)質(zhì)含量用K2Cr2O7-H2SO4容量法; 土壤pH用pHS-4C酸度計(jì)電位法測(cè)定，土水比1 ∶1; 全氮用開氏法; 全磷用NaOH熔融—鉬藍(lán)比色法; 全鉀用NaOH熔融—火焰光度法; 有效磷用鉬藍(lán)比色法; 有效鉀用NH4OAC浸提—火焰光度法測(cè)定。土壤容重用環(huán)刀法; 顆粒組成用比重計(jì)法[6]測(cè)定。

淋溶液中離子含量的測(cè)定: 淋溶液用0.45μm濾膜過濾后，銨態(tài)氮用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定; 硝態(tài)氮用酚二磺酸比色法測(cè)定; Ca2+、 Mg2+、 K+、 Na+用原子吸收光譜法測(cè)定[7-8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003、 SPSS13.0等統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理，用CurveExpert 1.3軟件進(jìn)行線性擬合。

某形態(tài)氮素累積淋溶量計(jì)算公式為，

式中: Li為處理i的某形態(tài)氮累計(jì)淋溶量(kg/hm2); Cij為處理i第j次淋溶試驗(yàn)淋溶液中某形態(tài)氮質(zhì)量濃度(mg/L); Vij為處理i第j次淋溶試驗(yàn)淋溶液體積(mL); S為土柱橫截面積(cm2)。

圖2 氮肥種類對(duì)磚紅壤累積淋失量的影響Fig.2 Effect of nitrogen fertilizer forms on the accumulative leaching amounts of N-N

2 結(jié)果與分析

2.1 施用氮肥對(duì)磚紅壤硝態(tài)氮淋失特征的影響

2.2 施用氮肥對(duì)磚紅壤鹽基離子淋失特征的影響

由表1可以看出，N0、 尿素、 硝酸銨和硫酸銨處理的鹽基離子淋溶總量分別為417.23、 872.24、 1080.27和1821.12 kg/hm2，表現(xiàn)為硫酸銨 >硝酸銨 >尿素 >N0，與磚紅壤硝態(tài)氮淋失量規(guī)律相吻合。3種氮肥處理中鹽基離子淋溶總量均表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>K+>Na+，這是因?yàn)榇u紅壤發(fā)育在高溫高濕的環(huán)境中，長(zhǎng)期處于鹽基流失狀態(tài)，一價(jià)鹽基離子的含量低，而二價(jià)鹽基離子相對(duì)含量較高，同時(shí)，根據(jù)質(zhì)量作用定律，在外源質(zhì)子入侵時(shí)二價(jià)離子也首先被交換出來[18]。而試驗(yàn)中各處理Ca2+淋失量均顯著大于其他鹽基離子(P<0.05)，N0、 尿素、 硝酸銨和硫酸銨4個(gè)處理鹽基離子淋溶量中Ca2+的比例分別達(dá)78.46%、 87.41%、 90.01%和90.51%。這是因?yàn)殁}不僅在地殼中含量最高，而且磚紅壤的陽離子交換量cmol(+)/kg中含量也最高; Ca2+(0.90)>Mg2+(0.235)>Na+(0.101)>K+(0.043)cmol(+)/kg]。分別觀察各階段鹽基離子的淋溶特征差異性可知，N0在三個(gè)階段中各鹽基離子的淋溶特征表現(xiàn)為: 各階段Na+均顯著大于K+，Mg2+在一、 二階段顯著大于K+，而隨著Mg2+淋溶量的快速減少，到第三階段Mg2+、 K+差異不顯著， Na+顯著大于Mg2+(P<0.05)。尿素處理則表現(xiàn)為各階段Mg2+、 K+均顯著大于Na+，而Mg2+、 K+則表現(xiàn)為差異不顯著—顯著—不顯著(P<0.05)。可以看出，K+隨著淋溶的進(jìn)行表現(xiàn)出了先降低后升高的趨勢(shì)，這是由于硅鋁質(zhì)磚紅壤的母質(zhì)花崗巖的主要組成礦物為長(zhǎng)石、 石英和云母通過風(fēng)化釋放出鉀離子使得后期K+離子淋溶量隨淋溶階段進(jìn)行而逐漸增加[19-20]。硝酸銨處理表現(xiàn)為各階段Mg2+、 K+差異不顯著，但均顯著大于Na+(P<0.05)，同時(shí)，從淋溶量可以看出除第二階段Mg2+淋溶量略高于K+淋溶量外，其余兩個(gè)階段均是K+淋溶量更高。這是由于磚紅壤為高度風(fēng)化的淋溶土綱，土壤粘粒含量較高，土壤顆粒所吸附或固定的K+在淋溶初期較多的交換淋溶，又隨著施肥淋溶的不斷進(jìn)行，K+的結(jié)合力遭到破壞，使得淋溶后期K+的釋放加劇補(bǔ)充了K+，且土壤中Mg2+含量隨淋溶逐漸降低，因此出現(xiàn)了K+與Mg2+比較呈現(xiàn)高—低—高的變化趨勢(shì)[21]。硫酸銨處理表現(xiàn)為: 三階段Mg2+、 K+均顯著大于Na+，而Mg2+除第一階段與K+差異不顯著外，均顯著大于K+(P<0.05)，可知，硫酸銨不同于其他處理，隨著淋溶的進(jìn)行Mg2+的淋溶量較K+高。

表1 氮肥種類對(duì)磚紅壤鹽基離子遷移量的影響 (kg/hm2)

注(Note)： 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示同一階段處理間差異達(dá)5%顯著水平Data followed by different letters are significant among the treatments at the same stage at the 5% level.

2.3 施用氮肥對(duì)磚紅壤硝酸根離子和鹽基離子的耦合遷移特征的影響

土壤膠粒表面的鹽基離子被交換下來后，根據(jù)電中性法則，其必定與帶負(fù)電的離子一起淋失，而硝態(tài)氮不僅帶負(fù)電，而且容易隨水流失，所以推測(cè)土壤鹽基離子的淋失與土壤硝態(tài)氮的淋失具有耦合遷移特征。為探明不同氮肥種類對(duì)硝態(tài)氮與鹽基離子的耦合遷移特征的影響，分別以y=ax+b，y=lnx+b，y=axb，lny=ax+b四個(gè)方程進(jìn)行回歸分析，擬合方程見表2。

由表2可知，3種氮肥處理下硝態(tài)氮淋失量(x)與鹽基離子遷移總量(y)的擬合度均較理想(R2>0.90)，尿素、 硝酸銨和硫酸銨處理擬合線性方程分別為y=0.1178x+123.18(R2=0.9121)、 y=0.1337x+156.99(R2=0.9035)和y=0.2628x+81.803(R2=0.9102)，可知鹽基離子的遷移量隨硝態(tài)氮淋溶量的增加而增大，其中斜率表示鹽基離子在磚紅壤中的淋失速率?？梢?，3種氮肥處理土柱淋溶過程中鹽基離子的遷移速率表現(xiàn)為硫酸銨最大為26.28%，其次為硝酸銨為13.37%，尿素最低為11.78%。這是因?yàn)殇@態(tài)氮施入土壤中每1 mol NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-可以釋放出4 mol的H+，這樣銨態(tài)氮比尿素施入土壤能產(chǎn)生更強(qiáng)的酸化作用[22]，釋放的H+越多就越易將土壤膠體上的鹽基離子更多的交換下來。與此同時(shí)，生理酸性肥硫酸銨施入酸性土壤磚紅壤時(shí)，進(jìn)一步降低土壤的酸度，促進(jìn)礦物風(fēng)化及鹽基離子淋失。

硝態(tài)氮淋溶量與各鹽基離子遷移量的擬合方程中，3種氮肥處理均以Ca2+的擬合效果最優(yōu)，本試驗(yàn)中，遷移的鹽基離子量主要以Ca2+為主，其中，硫酸銨處理Ca2+的遷移速率為26.32%，較尿素處理的11.46%和硝酸銨處理的13.69%分別高出14.86 和12.63 個(gè)百分點(diǎn)?？傮w來看，磚紅壤硝態(tài)氮淋失量與鹽基離子的遷移量在尿素、 硝酸銨和硫酸銨處理中均表現(xiàn)為Ca2+的耦合遷移程度最高，其次為Na+，而K+、 Mg2+相對(duì)擬合程度較差，這是因?yàn)楫?dāng)H+不斷積累，土壤的電化學(xué)平衡被打破后，Ca2+與土壤的結(jié)合能量隨pH的降低而急劇減少，這樣就使得吸附在土壤膠體上的Ca2+加速溶出隨滲漏水而淋失[23]，使Ca2+的遷移淋失占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。又從離子的交換能力可知，較Mg2+、 K+，H+更易將Na+交換下來隨滲漏液淋失。同時(shí)，供試磚紅壤粘粒含量較高、 顆粒細(xì)，土壤顆粒易形成較厚的膜狀水[24]，減緩了K+的運(yùn)移速度，增加其與土壤顆粒的接觸面積和接觸時(shí)間，使得K+與硝態(tài)氮的耦合淋溶程度降低。其中，尿素處理各鹽基離子遷移特征表現(xiàn)為Ca2+(R2=0.9)>K+(R2=0.6976)>Na+(R2=0.6862)>Mg2+(R2=0.6182)，硝酸銨處理硝態(tài)氮淋溶量與Ca2+的耦合程度最高(R2>0.90)，其次為Na+(R2=0.6162)，與Mg2+、 K+耦合遷移特征差異不顯著，而硫酸銨處理表現(xiàn)為Ca2+(R2>0.90)>Na+(R2=0.8726)>K+(R2=0.1472)>Mg2+(R2=0.2553)。

3 結(jié)論

2)氮肥品種對(duì)鹽基離子的淋失也有一定影響，表現(xiàn)為硫酸銨>硝酸銨>尿素>N0，與硝態(tài)氮的淋溶趨勢(shì)一致，且二價(jià)陽離子的淋失量較一價(jià)陽離子高。

3)硝態(tài)氮淋溶量與鹽基離子的耦合性較好，隨著硝態(tài)氮淋失量的增加，鹽基離子淋失量增大。磚紅壤上鹽基離子隨硝態(tài)氮的遷移速率表現(xiàn)為硫酸銨>硝酸銨>尿素。

[1] 呂殿青, 同延安, 孫本華. 氮肥施用對(duì)環(huán)境污染影響的研究[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 1998, 4(1): 8-15. Lu D Q, Tong Y A, Sun B H. Study on effect of nitrogen fertilizer use on environment pollution[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 1998, 4(1): 8-15.

[3] 張福珠, 熊先哲, 戴同順, 韓淑華. 應(yīng)用15N研究土壤-植物系統(tǒng)中氮素淋失動(dòng)態(tài)[J]. 環(huán)境科學(xué), 1984, 5(1): 21-24. Zhang F Z, Xiong X Z, Dai T S, Han S H. Study of nitrogen leaching losses of soil-plant system by 15N[J]. Chin. J. Envir. Sci., 1984, 5(1): 21-24.

[4] 林清火. 磚紅壤中氮鉀的淋溶特征研究[D]. 重慶: 西南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2004. Lin Q H. Study of nitrogen and potassium leaching in the latosol [D]. Chongqing: Ms thesis, Southwest Agric. Univ., 2004.

[5] 孫波, 王興祥, 張?zhí)伊? 紅壤養(yǎng)分淋失的影響因子[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 22(3): 257-263. Sun B, Wang X X, Zhang T L. Influencing factors of leaching nutrients in red soils[J]. J. Agro-Environ.Sci., 2003, 22(3): 257-263.

[6] 楊劍虹, 王成林, 代亨林. 土壤農(nóng)化學(xué)分析與環(huán)境監(jiān)測(cè)[M ]. 北京: 中國(guó)大地出版社, 2008. Yang J H, Wang C L, Dai H L. Method of analysis in soil and environmental monitoring[M]. Beijing: China Land Press, 2008.

[7] 魯如坤主編. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1999. Lu R K. Method of analysis in soil[M]. Beijing: China Agriculture Science and Technology Press, 1999.

[8] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局編委會(huì)編. 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2002. Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China. Water and exhausted water monitoring analysis method[M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[9] Wang F L, Alva A K. Leaching of nitrogen from slow-release urea source in sandy soils[J]. Soil Sci. Soc. Am. J., 1996, 60: 1454-1458.

[10] 袁新民, 楊學(xué)云, 同延安, 等. 不同施氮量對(duì)土壤硝態(tài)氮累積的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2001, 19(1): 7-13. Yuan X M, Yang X Y, Tong Y Aetal. Effect of N-fertilizer rate on soil nitrate nitrogen accumulation[J]. Agric. Res. Arid Areas, 2001, 19(1): 7-13.

[11] 劉宏斌, 李志宏, 張維理, 林葆. 露地栽培條件下大白菜氮肥利用率與硝態(tài)氮淋溶損失研究[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2004, 10(3): 286-291. Liu H B, Li Z H, Zhang W L, Lin B. Study on N use efficiency of Chinese cabbage and nitrate leaching under open field cultivation[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 2004, 10(3): 286-291.

[12] 易秀, 薛澄澤. 氮肥在婁土中的滲漏污染研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 1993, 12(6): 250-253. Yi X, Xue C Z. On determination of nitrogen fertilizer pollution in lotu soil using lysimetric method[J]. Agro-Environ. Prot., 1993, 12(6): 250-253.

[13] 范丙全, 胡春芳, 平建立. 灌溉施肥對(duì)壤質(zhì)潮土硝態(tài)氮淋溶的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 1998, 4(1): 16-21. Fan B Q, Hu C F, Ping J L. Effect of irrigation and fertilization on nitrate leaching in loamy fluvo-aquic soil[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 1998, 4(1): 16-21.

[14] 陳子明, 袁鋒明, 姚造華, 等. 氮肥施用對(duì)土體中氮素移動(dòng)利用及其對(duì)產(chǎn)量的影響[J]. 土壤肥料, 1995, 4: 36-42. Chen Z M, Yuan F M , Yao Z Hetal. Study on effect of nitrogen fertilizer use on nitrogen migration、 utilization and yield[J]. Soil Fert., 1995, 4: 36-42.

[15] 張貴龍, 任天志, 李志宏, 等. 施氮量對(duì)白蘿卜硝酸鹽含量和土壤硝態(tài)氮淋溶的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2009, 15(4): 877-883. Zhang G L, Ren T Z, Li Z Hetal. Effects of nitrogen fertilization on nitrate content of radish (RaphanussativusL.) and soil nitrate leaching[J]. Plant Nutr. Fert. Sci., 2009, 15(4): 877-883.

[16] 陳子聰, 章明清, 陳防, 等. 氮肥對(duì)菜園土壤硝態(tài)氮淋溶流失的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2008, 17(3): 1230-1234. Chen Z C, Zhan M Q, Chen Fetal. Effect of fertilizer on nitrate-nitrogen loss from garden soils[J]. Ecol. & Environ., 2008, 17(3): 1230-1234.

[17] 阮云澤. 熱帶地區(qū)旱地磚紅壤上氮肥氮去向及兩種葉用蔬菜對(duì)氮吸收利用的研究[D]. 廣州: 華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2004. Ruan Y Z. Study on the behaviors and absorbing utilization of nitrogen fertilizer in latosol of dryland in tropical zone[D]. Guangzhou: Ms thesis, Agricultural College South China University of Tropical Agriculture, 2004.

[18] 岑慧賢, 王樹功, 仇榮亮, 馬靈芳. 模擬酸雨對(duì)土壤鹽基離子的淋溶釋放影響[J]. 環(huán)境污染與防治, 2001, 23(1): 13-15,26. Cen H X, Wang S G, Chou R L, Ma L F. The influence of simulated acid rain on leaching and release of base ions[J]. Environ. Poll. Control, 2001, 23(1): 13-15,26.

[19] 蔣梅茵, 羅家賢. 土壤中含鉀礦物的研究-含鉀礦物中鉀的形態(tài)及其釋放[J]. 土壤學(xué)報(bào), 1979, 16(4): 414. Jiang M Y, Luo J X. Study on the potassium bearing minerals in soil-The forms and release of potassium[J]. Acta Pedol. Sin., 1979, 16(4): 414.

[20] 熊毅, 陳家坊, 武玫玲, 等. 土壤中鉀的固定與釋放-土壤膠體(第三冊(cè))[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1990.466-473. Xiong Y, Chen J F, Wu M Letal. The fixation and release of potassium in soil-Soil colloid (3 vol.)[M]. Beijing: Science Press, 1990. 466-473.

[21] 凌大炯, 章家恩, 黃倩春, 等. 模擬酸雨對(duì)磚紅壤鹽基離子遷移和釋放的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2007, 44(3): 444-450. Ling D J, Zhang J E, Huang Q Cetal. Influences of simulated acid rain on leaching and release of base ions in latosol[J]. Acta Pedol. Sin., 2007, 44(3): 444-450.

[22] Bolan N S, Hedley M J. Role of carbon, nitrogen, and sulfur cycles in soil acidification[A]. Rengel Z. Handbook of soil acidity[C]. New York: Marcel Dekker Inc, 2003. 42-69.

[23] 陳建芳, 戎秋濤, 劉建明, 等. 模擬酸雨對(duì)不同層次的紅壤元素遷移作用的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 1996, 15(4): 150-154. Chen J F, Rong Q T, Liu J Metal. The influence of simulated acid rain on the element transportation in different red loam layer[J]. Agro-Environ. Prot., 1996, 15(4): 150-154.

[24] 趙玉安, 王玉. 婁土不同層次鉀運(yùn)移研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2003, (11): 37-39. Zhao Y A, Wang Y. Study on the migration of potassium in different levels of lou soil[J]. J. Henan Agric. Sci., 2003, (11): 37-39.

YU Luo1,2， GAO Ming1*， HUANG Li-ling3， WANG Yang-qing4， ZHANG Qian1

(1CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China; 2BishanCountyAgriculturalTechnologyandPopularizationCenter,Chongqing402760,China; 3HuaibeiCityDujiAdministrationofWorkSafety,Huaibei,Anhui235037,China; 4ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology,ChineseAcademyofSciences,Chongqing401122,China)

S153.6+1; S143.1

A

1008-505X(2013)03-0698-07

2012-09-25接受日期2013-03-01

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD141318)

余濼(1987—)，女，重慶璧山，碩士研究生，主要從事土壤質(zhì)量與環(huán)境方面的研究。E-mail: yuluo1987@163.com *通信作者 E-mail: gaoming@swu.edu.cn