長期定位施肥土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮積累特征及其與玉米產量的關系

南鎮(zhèn)武,劉樹堂,袁銘章,劉錦濤,辛　勵,陳晶培

(青島農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院,山東 青島　266109)

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長期定位施肥土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮積累特征及其與玉米產量的關系

南鎮(zhèn)武,劉樹堂,袁銘章,劉錦濤,辛勵,陳晶培

(青島農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院,山東 青島266109)

摘要：為潮土中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的運移、積累特征及其與夏玉米產量之間的關系,以始于1978年的萊陽長期定位施肥試驗為基礎,在2014,2015年夏玉米收獲后,分別測定0～20,20～40,40～60,60～80,80～100 cm土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量,并計算0～100 cm不同土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量及夏玉米產量。結果表明:施用有機肥或化學氮肥均能提高土壤硝態(tài)氮或銨態(tài)氮含量及其積累量;在0～100 cm土層中各處理硝態(tài)氮的垂直遷移趨勢不同,而銨態(tài)氮的垂直遷移趨勢基本一致;與化肥相比,施用有機肥可滯緩硝態(tài)氮向土壤深層淋溶,但兩者對銨態(tài)氮向土壤深層遷移趨勢的影響不明顯;長期施用有機肥、氮肥對硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量的影響均達極顯著水平,且對土壤硝態(tài)氮積累量存在極顯著的交互效應;與長期不施肥M0N0(CK)相比,施肥處理(M0N1、M0N2、M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2)硝態(tài)氮積累量、銨態(tài)氮積累量分別顯著增加112%～396%和69%～259%(P<0.05);在0～20,0～40,0～60,0～80,0～100 cm各土層中，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量與夏玉米產量具有不同線性關系。研究表明,合理的有機無機肥配施可以降低土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮淋溶及其積累,從而有利于提高作物產量，維持農田土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展并保護地下水源。

關鍵詞：長期定位施肥;硝態(tài)氮;銨態(tài)氮;積累特征;玉米產量

與常規(guī)試驗相比,長期定位施肥具有時間長期性和氣候代表性等優(yōu)點,即可揭示土壤肥力演變、評價肥料效益,又可研究施肥對農田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的影響[1]。在農田生態(tài)系統(tǒng)中,氮素循環(huán)具有不可替代的作用[2],而氮素在土壤中主要以礦質氮形態(tài)進行運移。礦質氮主要包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮,是植物吸收的主要氮素形態(tài),也是植物營養(yǎng)氮素研究的主要切入點。關于硝態(tài)氮、銨態(tài)氮在土壤中的運移或積累特征已進行了大量研究。劉順國等[3]研究表明,施用有機肥和化肥都能提高土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量;孫志高等[4]認為,草甸沼澤土和腐殖質沼澤土表層土壤的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮垂向遷移能力較強,當濕地水分增加后將不利于有效氮的保持;謝永春等[5]研究認為,銨態(tài)氮含量在耕層土壤中較高,且隨土壤深度的增加而逐漸下降;張慧霞等[6]研究表明,硝態(tài)氮隨施氮量的增加而增加,長期高施氮量處理的硝態(tài)氮在土壤深層的含量及累積明顯增加;楊合法等[7]研究表明,與施用化學肥料相比,施用有機肥能明顯降低土壤剖面硝態(tài)氮含量,控制其累積峰的下移,但不合理施用有機肥也會產生硝態(tài)氮淋洗而污染環(huán)境。此外,苗艷芳等[8]研究認為,旱地土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積特征與作物產量之間具有相關性。但在非石灰性潮土長期定位施肥上,僅于2003年研究了0～100 cm土層硝態(tài)氮的動態(tài)變化[9],關于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積特征及其與玉米產量關系的研究尚未見報道,且夏玉米是山東半島地區(qū)的主要糧食作物之一,在小麥-玉米輪作體系中占據極其重要的地位。因此,在2014,2015年夏玉米收獲后,對連續(xù)2年的長期定位施肥試驗0～100 cm土層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的積累特征及其與玉米產量的關系進行了相關研究,以期對作物施肥、提高肥料利用、維持農田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

1材料和方法

1.1供試材料

本試驗設在青島農業(yè)大學(原萊陽農學院)萊陽長期定位試驗站,東經120.7°,北緯36.9°,屬暖溫帶半濕潤季風氣候,年均氣溫11.2 ℃,無霜期209～243 d,年降雨量約780 mm,年蒸發(fā)量約2 000 mm,降雨多集中于6-9月份,雨熱同期。土壤類型為非石灰性潮土,發(fā)育于沖積母質、表土質地輕壤。定位試驗開始時(1978年)耕層(0～20 cm,下同)土壤有機質含量4.10 g/kg,全氮0.50 g/kg,全磷0.46 g/kg,有效磷15 mg/kg,速效鉀38 mg/kg,土壤陽離子代換量11.80 cmol/kg,pH值(H2O)為6.8。

1.2試驗設計

長期定位施肥試驗從1978年開始,實施冬小麥-夏玉米輪作,每年2作,冬小麥品種為煙優(yōu)361,夏玉米品種為魯玉16號。試驗初設(1984年增加氮磷鉀配施試驗,本研究未作試驗)有機肥(M)3個水平:M0(0 kg/hm2)、M1(30 000 kg/hm2)、M2(60 000 kg/hm2);氮肥(N)3個水平:N0(0 kg/hm2)、N1(138 kg/hm2)、N2(276 kg/hm2);共9個處理:M0N0(CK)、M0N1、M0N2、M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2。每個處理3次重復,共計27個小區(qū),每個小區(qū)面積33.3 m2,隨機排列,小區(qū)間用1.0 m深玻璃鋼板隔開,互不滲漏且能獨立排灌。有機肥全部作基肥,氮肥作冬小麥種肥及起身、拔節(jié)期和夏玉米拔節(jié)、穗期追肥。

1.3測定項目及方法

本試驗于2014,2015年夏玉米收獲后,分別取0～20,20～40,40～60,60～80,80～100 cm的土樣,處理、待測。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用0.01 mol/L CaCl2浸提(新鮮土樣12 g;浸提液50 mL),振蕩30 min,過濾后利用流動分析儀測定[3-4,9]。

1.4數據處理

方差分析,LSD多重比較方法(n=3),試驗數據運用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析。因2年氣候因素相差較小,且試驗結果趨勢基本一致,本研究分析2年數據均值。

2結果與分析

2.1長期定位施肥對0～100 cm各土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的影響

2.1.1長期定位施肥對0～100 cm各土層硝態(tài)氮含量的影響長期不同施肥對夏玉米收獲后0～100 cm土層硝態(tài)氮含量的影響如圖1所示。隨土壤深度的增加,長期不施肥M0N0(CK)在20～40 cm土層達到最高,之后逐漸下降。與M0N0(CK)相比,各施肥處理(M0N1、M0N2、M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2)0～100 cm土層硝態(tài)氮含量動態(tài)變化趨勢不同。單施氮肥處理(M0N1、M0N2)0～100 cm土層硝態(tài)氮含量的變化趨勢基本一致,隨土壤深度的增加均在60～80 cm土層達最大值,之后均逐漸下降;有機肥及其配施氮肥處理(M1N0、M1N1、M1N2、M2N0、M2N1、M2N2)0～100 cm土層硝態(tài)氮含量的動態(tài)變化趨勢類似,隨土壤深度的增加均在40～60 cm土層達最大值,之后均降低。相同土層硝態(tài)氮含量相比,M0N0(CK)在各土層中硝態(tài)氮含量均最低,而各個施肥處理在0～20,20～40,40～60 cm各土層硝態(tài)氮含量高低基本一致,且M2N2含量均最高;但60～80,80～100 cm土層含量高低有明顯變化,M2N2含量雖在60～80 cm最高,但在80～100 cm含量次于M0N2。在同一有機肥投入水平下,施用氮肥越多,硝態(tài)氮含量越高;在同一化學氮肥投入水平下,施用有機肥越多,硝態(tài)氮含量越高。

圖1　長期定位施肥對0～100 cm土層硝態(tài)氮含量的影響

2.1.2長期定位施肥對0～100 cm各土層銨態(tài)氮含量的影響長期不同施肥對夏玉米收獲后0～100 cm土層銨態(tài)氮含量的影響如圖2所示。各處理在0～100 cm土層銨態(tài)氮含量變化趨勢基本一致,均在0～20 cm土層銨態(tài)氮含量最高,且均隨土壤深度的增加而逐漸下降,但降低的幅度不同。相同土層銨態(tài)氮含量相比,M0N0(CK)在各土層中銨態(tài)氮含量均最低,M2N2含量均最高。各個施肥處理在0～20,20～40 cm土層中銨態(tài)氮含量高低基本一致,但在40～60,60～80,80～100 cm土層出現波動,且60～80 cm土層波動最明顯。在同一有機肥或化學氮肥投入水平下,其變化趨勢與硝態(tài)氮含量變化一致。

圖2　長期定位施肥0～100 cm土層銨態(tài)氮含量的影響

kg/hm2

注:同列不同字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05);*、**分別表示在0.05和0.01水平上差異顯著。

Note:Different letters indicate significant differences atP<0.05；*,**.Respectively significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels.

2.2長期定位施肥對0～100 cm土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量的影響

長期施用有機肥、氮肥對硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量的影響均達極顯著水平,且對土壤硝態(tài)氮積累量存在極顯著的交互效應(表1);與M0N0(CK)相比,施肥處理硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量分別顯著增加112%～396%和69%～259%。有機肥影響土壤硝態(tài)氮積累量的F值大于氮肥的F值(FM=43.40**,FN=23.84**);

而2種肥料影響銨態(tài)氮積累量的F值基本一致(FM=457.68**,FN=469.26**),且不存在交互效應。在同一有機肥水平下,土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量均隨氮肥施用量的增加呈增加趨勢,即N2>N1>N0;在同一氮肥水平下,土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量均隨有機肥施用量的增加呈增加趨勢,即M2>M1>M0。長期定位施肥條件下,施肥量及肥料類型是影響0～100 cm土層中硝態(tài)氮積累量、銨態(tài)氮積累量的重要因素。

圖3　0～20，0～40，0～60，0～80，0～100 cm土層硝態(tài)氮累積量、銨態(tài)氮累積量與夏玉米產量的關系

2.3硝態(tài)氮積累量、銨態(tài)氮積累量與玉米產量的關系

為確定不同深度硝態(tài)氮、銨態(tài)氮對夏玉米產量的貢獻,計算了不同土壤深度,即0～20,0～40,0～60,0～80,0～100 cm土層的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮累積量,擬合了夏玉米收獲后不同深度硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量與產量的關系(圖3)。可以看出,0～20,0～40,0～60,0～80,0～100 cm土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量與夏玉米產量均呈正相關。硝態(tài)氮0～60 cm土層的積累量與夏玉米產量關系最密切,而銨態(tài)氮則是0～40 cm土層的積累量與夏玉米產量關系最密切。比較各擬合方程R2值,不同深度各土層中,土壤硝態(tài)氮積累量對夏玉米產量的貢獻度大于銨態(tài)氮?？梢?土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量與夏玉米產量具有線性關系,硝態(tài)氮是決定夏玉米產量的主要因素。

3討論與結論

長期施用有機肥或化肥及其配施均能提高土壤各土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量及其積累量。已有研究表明,硝態(tài)氮含量隨施氮量的增加而增加,長期高施氮量處理的硝態(tài)氮在土壤深層的含量及累積明顯增加[6]。本試驗結果表明,施用有機肥可滯緩硝態(tài)氮向土壤深層淋溶,而化學氮肥中氮素容易淋失。這可能與長期不同施肥導致土壤水分構成、溶質運移方式[4]產生差異有關,也可能與長期施肥導致土壤氮素供用過量有關,此外,與肥料類型、施肥方式[5]也可能有一定的關系。Siemens等[10]認為,氮肥過量或不合理施用是引起設施土壤硝態(tài)氮累積與淋溶的主要原因,但除速效氮肥外,有機肥帶入的氮素也不容忽視。研究發(fā)現,有機肥分解過程中產生大量的低分子量有機酸,能夠對土壤吸附的硝態(tài)氮進行替換[11],此時在灌水或降水的情況下,易于造成硝態(tài)氮向下層遷移[11-12]。因此,合理的配施及合理的配施比可以降低土壤特別是深層土壤硝態(tài)氮的累積,從而減輕硝態(tài)氮淋溶的風險[6,13]。

施肥對銨態(tài)氮向土壤深層遷移趨勢的影響不明顯,但對銨態(tài)氮含量高低的變化存在影響。這主要是因為不同處理使硝態(tài)氮和銨態(tài)氮垂向遷移能力與水分飽和條件下不同土層黏粒含量及其對銨態(tài)氮吸附飽和程度、水分構成、溶質運移方式以及硝化-反硝化作用產生差異而導致[4,14];王少平等[15]也認為,與硝態(tài)氮相比,銨態(tài)氮更易被土壤吸附,它只有在特定條件如土壤水分接近飽和的情況下借助下滲流的驅動才可能在土壤剖面中隨水遷移。另外,馬力等[16]通過長期施肥研究表明,長期施用化肥的土壤氮素向下遷移損失污染地下水的風險可能高于施有機肥的土壤,而長期施有機肥及其與化肥或秸稈配施對提高耕層土壤的供氮能力有更明顯效果,并有利于維持農田土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

長期施肥使土壤0～100 cm硝態(tài)氮積累量、銨態(tài)氮積累量顯著提高,這可能是因為連續(xù)37年施肥使土壤氮素積累過剩,增加礦化氮源,進而增加淋失氮源[17-18]。本試驗結果表明,長期定位施肥條件下,施肥量及肥料類型是影響0～100 cm土層中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量的重要因素。原因可能是化肥處理氮肥主要集中在前期施用,隨著植物吸收、土壤淋溶和揮發(fā),后期剩余氮素較少,致使單施化肥處理在夏玉米收獲后硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量低于有機肥處理[19];而有機肥又因施肥量不同導致夏玉米收獲后硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量不同。此外,倪康等[20]在潮土上研究發(fā)現,有機無機肥配施可以顯著減少土壤氨的揮發(fā)損失,而單施氮肥或者有機肥的田間氨揮發(fā)量則較高。另有一些報道表明,施氮量對0～100 cm土體硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累有顯著影響,硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量隨施氮量的增加而增加[5,21-23];而對油菜的研究已經表明,氮肥施用量超過最佳供氮率也會使收獲期土壤硝態(tài)氮含量增加[11,24]。

玉米根系發(fā)達,有效深度100 cm以上,可以充分利用0～100 cm土體的有效氮素[25]。本試驗研究發(fā)現,不同深度土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量與夏玉米產量均具有一定的線性關系,硝態(tài)氮是決定夏玉米產量的主要因素。這說明不同土層深度的硝態(tài)氮或銨態(tài)氮均可作夏玉米直接吸收利用的有效氮素。土壤中硝態(tài)氮積累量對夏玉米產量的貢獻度大于銨態(tài)氮,這可能是因為玉米對硝態(tài)氮的吸收量大于銨態(tài)氮的吸收量。此外,有些研究認為土壤的硝態(tài)氮數量占銨態(tài)氮和硝態(tài)氮總量的90%以上,在反應土壤供氮特性方面與兩者之和的趨勢完全一致[1,7]。另外,夏玉米生長期間正值萊陽地區(qū)的雨熱季,降雨、高溫會促使施入的氮肥隨著水分向土壤深層淋溶[26-27],導致氮素累積。也有學者研究認為,在夏玉米-冬小麥輪作體系中,氮素損失及對生態(tài)環(huán)境的影響主要發(fā)生在夏玉米季[28];李世清等[29]已驗證,玉米之后種植小麥可以顯著提高氮肥利用率,可以大幅度減少土壤剖面中硝態(tài)氮的殘留;而劉瑞等[30]認為在夏玉米生長季,土壤氮素平衡決定了土壤剖面中硝酸鹽的累積狀況,這也可能與夏玉米收獲后土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的積累存在關系。

施用有機肥或化學氮肥均能提高土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量及其積累量,且隨施肥量的增加而增加。在0～100 cm土層中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的垂向運移趨勢不同;施用有機肥可滯緩硝態(tài)氮向土壤深層淋溶,而化學氮肥較有機肥容易淋失,但施肥對銨態(tài)氮向土壤深層遷移趨勢的影響不明顯。長期定位施肥對土壤0～100 cm土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量的影響顯著;施肥量及肥料類型是影響硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量的重要因素。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮積累量與夏玉米產量均具有線性關系,但硝態(tài)氮是決定夏玉米產量的主要因素?？傊?合理的施肥配比及合理的有機無機肥配施可以降低土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的積累及淋溶,有利于提高作物產量,維持農田土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展及保護地下水資源。

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Characteristics of Nitrate Nitrogen and Ammonium Nitrogen Accumulation in Soil and Its Relationship with Maize Yield on Long-term Located Fertilization

NAN Zhenwu,LIU Shutang,YUAN Mingzhang,LIU Jintao,XIN Li,CHEN Jingpei

(College of Resources and Environment,Qingdao Agricultural University,Qingdao266109,China)

Abstract：Based on the long-term located fertilization experiment of Laiyang,Shandong Province,China,began in 1978,to study the transport and accumulation characteristics of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in the Fluvo-aquic soil and its relationship with the summer maize yield.The test set organic fertilizer(M),nitrogen fertilizer(N)2 factors,3 levels,9 treatment;3 levels of organic fertilizer(M):M0(0 t/ha),M1(30 t/ha),M2(60 t/ha),and 3 levels of nitrogen fertilizer(N):N0(0 kg/ha),N1(138 kg/ha),N2(276 kg/ha).After summer corn harvest in 2014 and 2015,the contents of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in soil 0-20,20-40,40-60,60-80 and 80-100 cm were measured respectively,the accumulation of nitrate nitrogen,ammonium nitrogen in different soil depth of 0-100 cm and the summer corn yield were calculated.The results showed that the amount of nitrate nitrogen,ammonium nitrogen and its accumulation amount in soil could be improved by applying organic fertilizer or nitrogen fertilizer.In the 0-100 cm soil layer,the vertical migration trends of nitrate nitrogen of different treatments were different,but the vertical migration trend of ammonium nitrogen were basically the same.Compared with chemical fertilizer,application of organic fertilizer could slow nitrate to the deep soil leaching,but both of ammonium nitrogen to influence the trend of migration in deep soil was not obvious.Long-term application of organic fertilizer,nitrogen fertilizer on nitrate nitrogen,ammonium nitrogen accumulation amount of the impact of extremely significant level,there was extremely significant interaction effect on the accumulation of nitrate nitrogen in soil.Compared with the M0N0(CK),the accumulation of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in the addition of fertilization treatments were significantly respectively increased by 112%-396% and 69%-259% at P<0.05.In 0-20,0-40,0-60,0-80 , 0-100 cm in each soil layer,the nitrate nitrogen accumulation and the ammonium nitrogen accumulation had different linear relationship with summer maize yield.Research showed that rational application of organic and inorganic fertilizers could reduce the accumulation of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in soil and the leaching,and it is advantageous to improve the yield of crops,maintain the stability of the soil ecosystem,promote the sustainable development of agriculture and protect the groundwater resources.

Key words:Long-term located fertilization;Nitrate nitrogen;Ammonium nitrogen;Accumulation characteristics;Maize yield

doi:10.7668/hbnxb.2016.02.029

中圖分類號：S157;S158

文獻標識碼：A

文章編號：1000-7091(2016)02-0176-06

作者簡介：南鎮(zhèn)武(1991-),男,山東安丘人,在讀碩士,主要從事植物營養(yǎng)與施肥技術研究。通訊作者：劉樹堂(1962-),男,山東安丘人,教授,博士,主要從事植物營養(yǎng)與施肥技術研究。

基金項目：山東省現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設經費資助系項目(SDAIT-01-022-06);魯東丘陵區(qū)小麥玉米水肥自然資源高效利用綜合技術集成與示范研究項目(2013BAD07B06-03);公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203030)

收稿日期：2016-02-14