不同種植條件下片麻巖新成土壤硝態(tài)氮分布特征

王紅+張瑞芳+李愛永+李正楠

摘要：以片麻巖新成土壤為研究對象，選取不施肥休閑地、不施肥喬木地、施肥灌木地、施肥蔬菜地、施肥谷子地、施肥花生地等6種土壤剖面進(jìn)行取樣（按20 cm間隔取樣，取樣到基巖層），研究 NO-3-N的分布特征。結(jié)果表明，不同種植條件的片麻巖新成土壤NO-3-N含量和累積量均有差異，土壤剖面縱向NO-3-N含量也存在顯著差異。土壤剖面硝態(tài)氮平均值介于0.23 mg/kg至18.9 mg/kg之間，變化幅度較大。除金銀木（灌木）地外，其他3個施肥地塊在垂直方向上整體表現(xiàn)為：隨著土層深度的增加，硝態(tài)氮含量先降低后增加，在接近基巖的土壤疏松層含量最高。片麻巖新成土壤疏松層硝態(tài)氮累積量在不同種植條件下差異顯著，整體表現(xiàn)為種植喬木地<種植灌木地≈休閑地<種植谷子地<種植花生地<種植蔬菜地。片麻巖新成土壤區(qū)，為避免發(fā)生面源污染，不適宜種植需肥量較大的蔬菜，在控制施肥量的基礎(chǔ)上，更適合種植喬、灌木。

關(guān)鍵詞：片麻巖；新成土壤；土地利用方式；土壤硝態(tài)氮

中圖分類號： S153.6+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0292-03

收稿日期：2013-06-18

基金項目：河北省自然科學(xué)基金（編號：C2009000565）。

作者簡介：王紅（1976—），女，河北定州人，副研究員，主要從事退化山地土壤治理及生態(tài)恢復(fù)方面的研究。E-mail：wanghong@hebau.edu.cn。片麻巖是一種古老的變質(zhì)巖，極易破碎，在我國許多片麻巖地區(qū)，利用爆破巖石，人工加速巖石的物理風(fēng)化過程，使古老的片麻巖在外力作用下變成了能夠生長作物的疏松的粗骨土。在疏松的粗骨土上種植作物，培肥土壤等人類活動，人為加快了土壤的形成過程。這些土壤的形成在一定程度上緩解了人地矛盾問題，減少了水土流失，使山區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境得到修復(fù)。同時，各種氮肥以不同的用量被施入土壤中，不同程度地增加了農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生危險。

在過去的幾百年中，人類活動已經(jīng)向全球陸地氮循環(huán)中輸入了大量的氮素，過量施用氮肥導(dǎo)致氮肥利用率低和一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[1-2]。目前我國絕大多數(shù)的高產(chǎn)田，每季作物施氮量普遍超過250 kg/hm2，氮肥施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國際標(biāo)準(zhǔn)。北方旱地長期大量施用氮肥，造成土壤剖面中氮素的大量積累[3-4]，并逐漸成為威脅生態(tài)環(huán)境的“化學(xué)定時炸彈”[5]。國外早在20世紀(jì)60 年代就開始在干旱地區(qū)開展土壤中氮的轉(zhuǎn)化和利用問題，針對作物施肥及利用低效問題而進(jìn)行了研究[6-7]。近些年來，農(nóng)田氮素問題一直也是國內(nèi)研究的熱門課題，郭勝利[8]等綜述了干旱半干旱農(nóng)田硝態(tài)氮累積與影響因素，吳金水[9]等對半干旱區(qū)農(nóng)田土壤無機氮累積與遷移機理進(jìn)行了研究，認(rèn)為作物利用限制了農(nóng)田土壤硝態(tài)氮向深層遷移。葉靈，巨曉棠等認(rèn)為農(nóng)村地下水NO-3-N主要源于地表NO-3-N的淋溶，過量氮肥的施用是地下水NO-3-N污染的主要原因[10-11]。

國內(nèi)外針對氮素施用、運移、硝態(tài)氮累積、淋失等研究很多，主要集中在平原農(nóng)田、蔬菜地，針對片麻巖新成土壤的氮素運移研究很少。本研究通過調(diào)查不同種植條件下的長期定位試驗地，分析土壤剖面中硝態(tài)氮分布特征以及氮素的累積特征，為降低片麻巖新成土壤氮素淋溶風(fēng)險以及新成土壤合理種植與施用氮肥提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)選擇

本研究選取河北省太行山區(qū)的唐縣、易縣兩個縣的片麻巖丘陵區(qū)作為研究對象，通過調(diào)查長期定位試驗地塊的土壤硝態(tài)氮分布，分析不同開墾培肥年限的片麻巖新成土壤硝態(tài)氮分布狀況。

研究區(qū)從20世紀(jì)80年代末開始，在片麻巖丘陵區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的人工爆破整地、修整梯田等工程。在修建梯田后，該區(qū)多栽植果樹，部分地區(qū)種植灌木、糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物等，在栽培過程中進(jìn)行了不同程度的培肥。本研究選擇6種不同農(nóng)業(yè)種植條件下的片麻巖新成土壤為研究對象，分別為爆破成土后20年未施肥休閑地、連續(xù)培肥20年的金銀木地、種植核桃樹15年未施肥地、培肥10年的白菜地、培肥5年的花生地、開發(fā)培肥1年谷子地。為消除微地貌條件對研究結(jié)果的影響，取樣點全部選取坡度、坡向一致的第一階梯梯田進(jìn)行取樣，取樣點的土壤開發(fā)、種植、培肥歷史見表1。每塊地取3個樣點，按20 cm間隔分層取樣，取土到基巖層為止，分別測定硝態(tài)氮含量。取樣時間為2011年10月下旬。

1.2樣品采集分析

用土鉆隨機采集土壤樣品，樣品采集后用塑料袋密封，立即帶回實驗室在-4 ℃的冰箱中保存，分析土壤NO-3-N含量。

NO-3-N的測定：采集的新鮮土樣過5 mm篩后，稱取12.00 g的土樣于180 mL的塑料瓶中，加入100 mL濃度為 0.01 mol/L 的氯化鈣溶液，振蕩1 h后過濾，濾液稀釋后采用連續(xù)流動分析儀法測定濾液中NO-3-N含量。

1.3統(tǒng)計與計算

土壤硝態(tài)氮積累量（kg/hm2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×土壤硝態(tài)氮含量（mg/kg）/10；

試驗數(shù)據(jù)用 Excel 進(jìn)行處理，方差分析用SPSS18. 0 中的 Duncans法進(jìn)行差異性檢驗。

2結(jié)果與分析

2.1土壤剖面硝態(tài)氮分布

圖1顯示，6種種植條件下，片麻巖新成土壤剖面中硝態(tài)氮的含量為0.23～18.9 mg/kg，變化幅度較大，最大值出現(xiàn)在白菜地土壤剖面的表層，最小值出現(xiàn)在核桃樹地20～40 cm土層。

開墾20年的片麻巖新成土壤休閑地，硝態(tài)氮含量為表層較高，20～40 cm土層中較低，40～60 cm土層中又有所升高，土壤中硝態(tài)氮含量整體處于較低水平。種植金銀木20年的片麻巖新成土壤，隨著土壤深度的增加，硝態(tài)氮含量顯著降低。種植核桃樹15年的片麻巖新成土壤，土壤剖面中硝態(tài)氮含量整體較低，僅為0.23～0.66 mg/kg，遠(yuǎn)低于休閑地和種植金銀木的土壤。開墾種植10年蔬菜的片麻巖新成土壤，土壤剖面中硝態(tài)氮含量整體偏高，其中表層含量最高，達(dá)到 18.91 mg/kg，隨著土層深度的增加，硝態(tài)氮含量逐漸降低，40～60 cm 土層最低，硝態(tài)氮含量為3.74 mg/kg，60～80 cm處硝態(tài)氮含量又升高到13.98 mg/kg。開墾種植花生5年的土壤，土壤剖面中硝態(tài)氮含量為3.1～6.2 mg/kg，土壤剖面上下土層間變化較小，在40～60 cm 土層中硝態(tài)氮含量稍高于表層，向下又有降低的趨勢。開墾培肥1年種植谷子的土壤，土層中硝態(tài)氮含量隨著深度的增加而增加的趨勢十分明顯，說明培肥1年的土壤，年施氮量120 kg/hm2，硝態(tài)氮已經(jīng)淋溶到60 cm 土層，并已經(jīng)到基巖層。endprint

在沙性土壤中，硝態(tài)氮更容易向下層土壤遷移累積。片麻巖新開墾土壤為質(zhì)地較粗的粗骨土，土壤孔隙度高、透水性好，因而硝態(tài)氮更容易向下層遷移。本研究調(diào)查的6種種植條件，土壤疏松層厚度僅為60～100 cm，因而土壤剖面中累積的硝態(tài)氮極有可能已經(jīng)淋溶到基巖層，進(jìn)而對地下水產(chǎn)生污染。種植蔬菜處理土壤剖面中硝態(tài)氮含量最高，而土層厚度僅為80 cm，因而進(jìn)入基巖影響環(huán)境的風(fēng)險最大。

0～20 cm土層，不同種植條件下的片麻巖新成土壤硝態(tài)氮含量在0.66 mg/kg至18.91 mg/kg之間。喬木地表層土壤硝態(tài)氮含量最低，且與其他5個處理差異顯著；種植蔬菜含量最高，與其他5個處理間差異達(dá)顯著水平。具體表現(xiàn)為：種植喬木地<休閑地<種植灌木地<種植花生地<種植谷子地<種植蔬菜地。休閑地、種植灌木地、種植花生地、種植谷子地間差異不顯著。

20～40 cm土層，不同種植條件下的片麻巖新成土壤硝態(tài)氮含量為0.23～6.35 mg/kg。種植喬木處理土壤硝態(tài)氮含量最低，與休閑地間差異不顯著，顯著低于其他4個處理。種植蔬菜含量最高，與種植谷子處理間差異不顯著，顯著高于其他4個處理。具體表現(xiàn)為：種植喬木<休閑地<種植灌木地<種植花生地<種植谷子地種<種植蔬菜地。

40～60 cm土層，不同種植條件下的片麻巖新成土壤硝態(tài)氮含量為0.64～8.21 mg/kg。種植喬木處理土壤硝態(tài)氮含量最低，顯著低于其他5個處理。種植谷子含量最高，顯著高于其他5個處理。具體表現(xiàn)為：種植喬木地<種植灌木地<種植蔬菜地<休閑地<種植花生地<種植谷子地。

各土層硝態(tài)氮含量整體表現(xiàn)為20～40 cm土層含量最低。除種植灌木和休閑地處理外，其他處理均在疏松層的最底層硝態(tài)氮含量出現(xiàn)升高趨勢，其中種植蔬菜處理升最為明顯。這是由于疏松層的底層與堅硬的基巖接觸，硝酸鹽淋溶到此層后需要順著基巖裂隙進(jìn)入基巖層，相對疏松層淋溶難度增加，因而在此處發(fā)生累積。

2.2不同種植條件下硝態(tài)氮的累積

由表3可以看出，不同種植條件下，0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量種植喬木地最低，只有5.21 kg/hm2，顯著低于其他5個處理硝態(tài)氮累積量；種植蔬菜累積量最高，達(dá)到 83.21 kg/hm2，顯著高于其他5個處理。具體表現(xiàn)為：種植喬木地<休閑地<種植灌木地<種植花生地<種植谷子地<種植蔬菜地。

疏松層硝態(tài)氮累積量仍表現(xiàn)為種植喬木地累積量最低，種植蔬菜處理類累積量最高，且與其他處理之間差異顯著。具體表現(xiàn)為：種植喬木<種植灌木地≈休閑地<種植谷子地種<種植花生地<種植蔬菜地。種植深根植物如喬木、灌木后土壤疏松層硝態(tài)氮累積量低于休閑地，土壤養(yǎng)分有虧缺跡象。種植谷子1年后土壤疏松層硝態(tài)氮累積量稍高于休閑20年土壤，但差異不顯著，說明培肥1年后土壤中硝態(tài)氮沒有產(chǎn)生顯著累積。

3討論

開墾20年未施肥休閑地，土壤中硝態(tài)氮沒有產(chǎn)生明顯累積，這與張麗娟等得出的裸地休閑會導(dǎo)致氮素的淋失[12]的結(jié)果存在差異，主要原因可能是由于試驗區(qū)休閑地為新成土壤，土壤自身養(yǎng)分含量很低，且從未進(jìn)行過培肥。

高亞軍等的研究結(jié)果顯示：不論是春玉米還是冬小麥，當(dāng)生育期施氮量大于225 kg/hm2時0～2 m土層均有明顯的硝態(tài)氮累積，施氮量高的累積量較高[13]，孫美等認(rèn)為硝態(tài)氮有隨土壤深度的增加呈降低的趨勢[14]。樊軍等[15]在渭北旱塬旱地蘋果園的研究結(jié)果顯示，高投入與高產(chǎn)出經(jīng)營方式導(dǎo)致了土壤深層累積了大量的硝態(tài)氮，累積層在 40～260 cm；在農(nóng)田土壤中的研究結(jié)果顯示，硝態(tài)氮主要累積層在100 cm以下土層中[16]。本研究中，由于種植核桃的土壤20年沒有進(jìn)行培肥，土壤養(yǎng)分含量極低，土壤中硝態(tài)氮沒有產(chǎn)生累積，顯著低于休閑地。種植金銀木的處理，施肥量僅為60 kg/hm2，土壤硝態(tài)氮含量也沒有產(chǎn)生累積，疏松層硝態(tài)氮累積量低于休閑地。施肥量控制在60 kg/hm2時，片麻巖新開墾土壤種植喬木、灌木，既可以培肥土壤，同時也不會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生面源污染的危險。在施肥量大于120 kg/hm2時，種植蔬菜、花生、谷子等農(nóng)作物，可導(dǎo)致土壤疏松層硝態(tài)氮累積。4個施肥片麻巖新成土壤地塊硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為隨土層深度增加而先降低后升高的趨勢。

汪智軍等在巖溶地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，不同土壤剖面硝態(tài)氮含量為耕地土>灌叢土>退耕還林土>草地土>林地土，其含量均隨深度增加而升高，具有累積效應(yīng)[17]。

綜合分析不同培肥年限，栽植不同植物的土壤氮素狀況可以看出，在片麻巖區(qū)爆破新成土壤，種植需肥量較大的蔬菜極易導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮的累積與淋失；在控制施肥量的基礎(chǔ)上，更適合種植果樹或其他喬灌木，既能人為加快土壤形式進(jìn)程，有能防止氮素淋溶造成的農(nóng)業(yè)面源污染問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳新平，張福鎖. 小麥-玉米輪作體系養(yǎng)分資源綜合管理理論與實踐[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2]Zhang W L，Tian Z X，Zhang N，et al. Nitrate pollution of groundwater applied to maize grown on a calcareous fluvio-aquic soil in North China[J]. Pedosphere，1996，2：171-178.

[3]趙俊曄，于振文. 不同土壤肥力條件下施氮量對小麥氮肥利用和土壤硝態(tài)氮含量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2006，26（3）：815-822.

[4]孟建，李雁鳴，黨紅凱.施氮量對冬小麥氮素吸收利用、土壤中硝態(tài)氮積累和籽粒產(chǎn)量的影響[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，30（2）：1-5.

[5]龔子同，黃標(biāo). 關(guān)于土壤中“化學(xué)定時炸彈”及其觸爆因素的探討[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，1998，13（2）：184-191.endprint

[6]Viets F G. Fertilizers and the efficient use of water[J]. Advances in Agronomy，1962，14：223-264.

[7]Brown P L. Water use and soil water depletion by dry land wheat as effected by nitrogen fertilization[J]. Agronomy Journal，1971，63：43-46.

[8]郭勝利，張文菊，黨廷輝，等. 干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田土壤NO-3-N深層積累及其影響因素[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（4）：584-591.

[9]吳金水，郭勝利，黨廷輝. 半干早區(qū)農(nóng)田土壤無機氮積累與遷移機理[J]. 生態(tài)學(xué)報，2003，23（10）：2041-2049.

[10]葉靈，巨曉棠，劉楠，等. 華北平原不同農(nóng)田類型土壤硝態(tài)氮累積及其對地下水的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2010，24（2）：165-168，178.

[11]張永春，孫麗，李慶康，等. 試論農(nóng)業(yè)的清潔生產(chǎn)及其施肥技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003（2）：71-74.

[12]張麗娟，巨曉棠，吉艷芝，等. 夏季休閑與種植對華北潮土剖面殘留硝態(tài)氮[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2010，16（2）：312-320.

[13]高亞軍，李生秀，李世清，等. 施肥與灌水對硝態(tài)氮在土壤中殘留的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2005，19（6）：61-64.

[14]孫美，蒙格平，張曉琳，等. 集約化種植區(qū)硝態(tài)氮在土壤剖面中的分布與累積特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，32（4）：902-908.

[15]樊軍，邵明安，郝明德，等. 渭北旱塬蘋果園土壤深層干燥化與硝酸鹽累積[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（7）：1213-1216.

[16]樊軍，邵明安，郝明德，等. 黃土旱源源面生態(tài)系統(tǒng)土壤硝酸鹽累積分布特征[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2005，11（1）：8-12.

[17]汪智軍，梁軒，袁道先. 巖溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征[J]. 水土保持學(xué)報，2010，24（6）：83-87，93.endprint

[6]Viets F G. Fertilizers and the efficient use of water[J]. Advances in Agronomy，1962，14：223-264.

[7]Brown P L. Water use and soil water depletion by dry land wheat as effected by nitrogen fertilization[J]. Agronomy Journal，1971，63：43-46.

[8]郭勝利，張文菊，黨廷輝，等. 干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田土壤NO-3-N深層積累及其影響因素[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（4）：584-591.

[9]吳金水，郭勝利，黨廷輝. 半干早區(qū)農(nóng)田土壤無機氮積累與遷移機理[J]. 生態(tài)學(xué)報，2003，23（10）：2041-2049.

[10]葉靈，巨曉棠，劉楠，等. 華北平原不同農(nóng)田類型土壤硝態(tài)氮累積及其對地下水的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2010，24（2）：165-168，178.

[11]張永春，孫麗，李慶康，等. 試論農(nóng)業(yè)的清潔生產(chǎn)及其施肥技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003（2）：71-74.

[12]張麗娟，巨曉棠，吉艷芝，等. 夏季休閑與種植對華北潮土剖面殘留硝態(tài)氮[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2010，16（2）：312-320.

[13]高亞軍，李生秀，李世清，等. 施肥與灌水對硝態(tài)氮在土壤中殘留的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2005，19（6）：61-64.

[14]孫美，蒙格平，張曉琳，等. 集約化種植區(qū)硝態(tài)氮在土壤剖面中的分布與累積特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，32（4）：902-908.

[15]樊軍，邵明安，郝明德，等. 渭北旱塬蘋果園土壤深層干燥化與硝酸鹽累積[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（7）：1213-1216.

[16]樊軍，邵明安，郝明德，等. 黃土旱源源面生態(tài)系統(tǒng)土壤硝酸鹽累積分布特征[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2005，11（1）：8-12.

[17]汪智軍，梁軒，袁道先. 巖溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征[J]. 水土保持學(xué)報，2010，24（6）：83-87，93.endprint

[6]Viets F G. Fertilizers and the efficient use of water[J]. Advances in Agronomy，1962，14：223-264.

[7]Brown P L. Water use and soil water depletion by dry land wheat as effected by nitrogen fertilization[J]. Agronomy Journal，1971，63：43-46.

[8]郭勝利，張文菊，黨廷輝，等. 干旱半干旱地區(qū)農(nóng)田土壤NO-3-N深層積累及其影響因素[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（4）：584-591.

[9]吳金水，郭勝利，黨廷輝. 半干早區(qū)農(nóng)田土壤無機氮積累與遷移機理[J]. 生態(tài)學(xué)報，2003，23（10）：2041-2049.

[10]葉靈，巨曉棠，劉楠，等. 華北平原不同農(nóng)田類型土壤硝態(tài)氮累積及其對地下水的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2010，24（2）：165-168，178.

[11]張永春，孫麗，李慶康，等. 試論農(nóng)業(yè)的清潔生產(chǎn)及其施肥技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003（2）：71-74.

[12]張麗娟，巨曉棠，吉艷芝，等. 夏季休閑與種植對華北潮土剖面殘留硝態(tài)氮[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2010，16（2）：312-320.

[13]高亞軍，李生秀，李世清，等. 施肥與灌水對硝態(tài)氮在土壤中殘留的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2005，19（6）：61-64.

[14]孫美，蒙格平，張曉琳，等. 集約化種植區(qū)硝態(tài)氮在土壤剖面中的分布與累積特征[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，32（4）：902-908.

[15]樊軍，邵明安，郝明德，等. 渭北旱塬蘋果園土壤深層干燥化與硝酸鹽累積[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（7）：1213-1216.

[16]樊軍，邵明安，郝明德，等. 黃土旱源源面生態(tài)系統(tǒng)土壤硝酸鹽累積分布特征[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2005，11（1）：8-12.

[17]汪智軍，梁軒，袁道先. 巖溶流域不同土壤剖面溶解性碳氮分布和淋失特征[J]. 水土保持學(xué)報，2010，24（6）：83-87，93.endprint