長期施用有機肥對潮土土壤肥力及硝態(tài)氮運移規(guī)律的影響

李彥，孫翠平，井永蘋，羅加法，5，張英鵬，仲子文，孫明，薄錄吉，劉兆輝

(1.山東省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所,濟南 250100；2.農業(yè)部黃淮海重點實驗室,濟南 250100；3.山東省農業(yè)面源污染防控重點實驗室,濟南 250100；4.山東省農業(yè)科學院,濟南 250100；5.新西蘭農業(yè)科學院魯亞庫拉研究中心,新西蘭哈密爾頓 3240）

長期施用有機肥對潮土土壤肥力及硝態(tài)氮運移規(guī)律的影響

李彥1，2，3，孫翠平1，井永蘋1，2，3，羅加法1，5，張英鵬1，2，3，仲子文1，2，3，孫明1，2，3，薄錄吉1，2，3，劉兆輝2，3，4*

(1.山東省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所,濟南 250100；2.農業(yè)部黃淮海重點實驗室,濟南 250100；3.山東省農業(yè)面源污染防控重點實驗室,濟南 250100；4.山東省農業(yè)科學院,濟南 250100；5.新西蘭農業(yè)科學院魯亞庫拉研究中心,新西蘭哈密爾頓 3240）

以連續(xù)不同年限定位施用有機肥的小麥-玉米輪作農田為研究對象,設置4個處理.連續(xù)施用化肥(長期施用化肥,未施用有機肥）；3年連續(xù)施用有機肥(不施化肥）；5年連續(xù)施用有機肥(不施化肥）；20年連續(xù)施用有機肥(不施化肥）,探索不同年限連續(xù)有機施肥下土壤肥力、小麥產量和土體硝態(tài)氮累積量分布的變化。結果表明,連續(xù)施用有機肥可顯著降低土壤容重、增加土壤中速效養(yǎng)分含量,且年限越長,效果越明顯?；侍幚淼男←湲a量顯著高于有機肥處理,有機肥處理中小麥產量隨施肥年限的增加而降低,但無顯著性差異。不同土壤深度硝態(tài)氮累積量表現為有機肥處理大于無機肥處理,小麥季大于玉米季；隨著土壤深度增加土壤硝態(tài)氮累積量呈現先降低后增加的趨勢,且各土層硝態(tài)氮累積量隨施用有機肥年限增加而增加；通過分析80～100 cm土層硝態(tài)氮累積量發(fā)現,20年連續(xù)施用有機肥處理在此層的累積量最大達240 kg·hm-2。由此可見,連續(xù)施用有機肥可降低小麥產量,連續(xù)20年施用有機肥土壤硝態(tài)氮總累積量和土體下層累積量均達到最大,具有一定的硝態(tài)氮淋失風險。因此,需采取一定的措施來增加作物產量,減少硝態(tài)氮累積,防止地下水硝態(tài)氮污染。

有機肥；小麥-玉米輪作；有機質；速效養(yǎng)分；硝態(tài)氮淋失

土壤肥力是影響作物產量至關重要的因素,尤其以氮肥的增產效果最為顯著,因此,為提高作物產量農民向農田投入大量氮肥,導致土壤養(yǎng)分失衡及硝態(tài)氮累積,硝酸鹽的淋失風險增強,這不僅會造成土體中氮素的損失,影響其有效性,還會惡化環(huán)境［1］。由于各地重化肥、輕有機肥,有機肥用量逐年減少,導致肥料經濟效益總體下降,農業(yè)生產成本升高。另外,隨著養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；l(fā)展,畜禽糞便的隨意堆放成為面源污染加劇的另一重要因素,其對農業(yè)環(huán)境構成的威脅不容忽視,而有機肥在農業(yè)生產中具有改土培肥、凈化廢物、提高作物產量和改善作物品質的功效,但也有研究表明有機肥的不合理使用會給農業(yè)環(huán)境帶來污染［2-3］。關于長期定位施用有機肥對土壤肥力、作物產量和環(huán)境的影響研究較少,還需要進一步研究。因此,為合理使用畜禽糞便有機肥、保證作物產量和防控農業(yè)面源污染,探索長期單獨施用有機肥對土壤肥力及硝態(tài)氮運移規(guī)律的影響具有重要意義。長遠來看,種養(yǎng)結合模式,是符合物質守恒定律的有機肥最佳消納途徑,有機肥的長期定位試驗為有機肥的合理施用提供了必要的理論依據。

長達26年的定位試驗結果顯示,與單施化肥相比,單施有機肥和有機無機肥配施能調節(jié)土壤養(yǎng)分平衡,從土壤物理、化學、生物方面綜合提升土壤肥力水平,提高土壤養(yǎng)分供應能力［4］。有機廢物和殘余物管理可以通過提高有機碳穩(wěn)定性來增加土壤有機質,土壤有機碳的儲存在改善土壤性質、保持作物生產力和環(huán)境質量方面具有重要作用［5-6］。有機肥在提升土壤肥力的同時,過量和長期的施用也會造成一定的氮磷污染。硝態(tài)氮不易被土壤膠體所吸附,遷移性強,容易引起地下水的污染［2］。楊林章等［7］提到施肥和降雨是影響農田養(yǎng)分流失的關鍵因素,施肥后降雨將會使徑流水中養(yǎng)分濃度迅速增大。地下淋溶是華北地區(qū)農田土壤氮素的主要損失途徑,過量施用有機肥會導致設施土壤中硝態(tài)氮的累積［3,8］。而有研究表明,施用有機肥可增加土壤粒徑及團聚體含量,提高CEC代換量,增加對硝態(tài)氮的固持,減緩硝態(tài)氮向下遷移［9］。施用有機肥對土壤硝態(tài)氮累積影響的結論存在矛盾,這從一個側面說明該領域研究相對薄弱。

目前,大多研究主要集中在有機無機肥配施以及減少化肥施用量對土壤肥力、作物產量、氮素吸收的影響方面［10］,對于長期單獨施用有機肥條件下土壤肥力和氮素淋失的研究鮮有報道。本文對不同年限下連續(xù)施用有機肥對土壤理化性狀、土壤硝態(tài)氮累積和作物產量的影響進行了研究,以期了解土壤肥力變化及硝態(tài)氮運移的規(guī)律,揭示有機肥施用與土壤培肥和氮素流失環(huán)境風險之間的相關性,為有機肥的合理利用提供科學依據,進而達到增加作物產量、減少環(huán)境污染的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地位于山東省菏澤市曹縣曹城鎮(zhèn)五里墩村銀香偉業(yè)集團的科技示范園內(115°34′55″E,34°50′38″N）。該試驗地位于典型的華北平原地區(qū),地勢平坦,屬北亞熱帶季風氣候地區(qū),年均氣溫13～14℃,年均日照2147 h,年均降雨量610～710 mm,無霜期205～230 d。供試土壤類型為潮土,為黃河沉積物。供試前0～20 cm土層土壤有機質13.25 g·kg-1,全氮1.33 g·kg-1,堿解氮93.54 mg·kg-1,有效磷17.76 mg· kg-1,速效鉀129.17 mg·kg-1,pH 8.56。供試作物冬小麥、夏玉米輪作,一年兩熟。

1.2 試驗設計

試驗共設4個處理,分別為①CF(連續(xù)施用化肥, 1995—2015年）；②CM3(3年連續(xù)施用有機肥,2012—2015年）；③CM5(5年連續(xù)施用有機肥,2010—2015年）；④CM20(20年連續(xù)施用有機肥,1995—2015年）,各個處理試驗前均按農民習慣施肥與管理,每個處理3次重復,隨機排列,試驗小區(qū)面積64 m2,每年的施肥量保持不變。

供試有機肥為牛糞。氮、磷、鉀化肥分別選用尿素、重過磷酸鈣、硫酸鉀,化肥年施用量.N 420 kg· hm-2,P2O575 kg·hm-2,K2O 105 kg·hm-2。牛糞養(yǎng)分含量見表1,每年牛糞施用量根據養(yǎng)分含量以等氮量為依據計算。小麥季和玉米季各施一半,且均為播種前基施,后期不再追肥。氮、磷、鉀肥總用量分別在小麥、玉米季各施一半。磷、鉀肥和一半量的氮肥在小麥、玉米播種前基施,剩余的氮肥分別在小麥拔節(jié)期和玉米大喇叭口期追施。

表1 牛糞有機肥養(yǎng)分含量Table 1 Nutrients content in the cow manure

供試小麥品種為濟麥22,采用機械25 cm等行距播種,每公頃播種量為187.5 kg；玉米品種為鄭丹958,播種方式為點種,60 cm等行距播種,株距25 cm,品種均為當地主要栽培品種。化肥和牛糞有機肥于10月播種小麥前和6月播種玉米前撒施,機械旋耕,水、管理等措施參考當地傳統(tǒng)種植習慣,采用常規(guī)栽培模式。冬小麥和玉米分別于6月和9月收獲。試驗期作物不同生育階段的平均降水量見圖1。玉米茬口內總降水468.1 mm.播種～拔節(jié)期85.3 mm,拔節(jié)～喇叭口期144.4 mm,喇叭口～開花期67.5 mm,開花～乳熟期107.2 mm,乳熟～完熟期63.7 mm。小麥茬口內總降水178.7 mm.播種～入冬期32.6 mm,入冬期～返青期35.4 mm,返青～拔節(jié)期16.2 mm,拔節(jié)～揚花期35.8 mm,揚花～成熟期58.7 mm。

1.3 樣品采集

圖1 降雨量隨發(fā)育期變化Figure 1 Rainfall during crop growth period

土樣于小麥季的入冬期、返青期、拔節(jié)期、成熟期,玉米季的幼苗期、拔節(jié)期、開花期和收獲期進行采集,測量土壤硝態(tài)氮含量。土樣分5層采集(0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm）,相同土層每個小區(qū)內隨機取3個點混合作為1個重復,置于冰柜中冷凍保存或立時測定。小麥季成熟期和玉米季收獲期0～20 cm土樣經晾干、磨碎,分別過20目和100目篩,用于測量土壤速效養(yǎng)分含量和有機質含量。

1.4 土壤分析

土壤樣品分析均采用常規(guī)方法［11］。有機質采用丘林法,堿解氮采用堿解擴散法,有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法(Olsen法）,速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法。土壤硝態(tài)氮測定.鮮土用2 mol·L-1KCl浸提,濾液通過流動注射分析儀測定土壤硝態(tài)氮含量。植株全氮、全磷和全鉀含量測定.均采用濃硫酸-雙氧水消煮,全氮利用半微量凱氏定氮法測定,全磷采用釩鉬黃比色法測定,全鉀測定采用火焰光度法。

1.5 計算與統(tǒng)計方法

根據所測定的各土層硝態(tài)氮含量和土壤容重計算每一土層(20 cm）的硝態(tài)氮累積量,土壤剖面各個土層的硝態(tài)氮累積量相加,即為一定深度土壤剖面硝態(tài)氮累積總量［12］。

土壤剖面硝態(tài)氮累積量的計算.

式中：Ri為每一土層的硝態(tài)氮累積量,kg·hm-2；C為該土層土壤硝態(tài)氮含量,mg·kg-1；D為土層土壤容重,g· cm-3；H為土層厚度,m；A為每公頃土地的面積,100 m×100 m。

土壤容重采用環(huán)刀法測定,計算公式.

土壤容重(g·cm-3）=干土質量/容積。

應用SPSS 16.0分析數據,利用單因素分析進行差異性分析(P＜0.05）,文中所列數據均為3次重復平均值。

2 結果與分析

2.1 土壤容重變化趨勢

土壤容重是土壤最基本的物理性狀之一,能夠影響植物賴以生存的土壤環(huán)境中水、肥、氣、熱的狀況,進而影響植物的生長［13］。

試驗對4個處理的0～20、20～40、40～60 cm的土層進行了土壤容重分析(圖2）。從圖中可以看出,隨著年限的增加,土壤容重呈現下降趨勢；對于耕作層和犁底層,化肥處理和3年有機肥處理明顯高于20年有機肥處理,而5年有機肥處理與其他3個處理差異不顯著；對于40～60 cm土層,20年有機肥處理土壤容重明顯低于其他3個處理。對于不同土層,耕作層以下土壤容重大于耕作層,原因可能是耕作層含有大量植物根系,能增加土壤空隙；而20～40 cm土層的土壤容重大于40～60 cm土層的,明顯是由于20～40 cm存在犁底層。

2.2 耕層土壤有機質含量變化趨勢

土壤有機質含量是土壤肥力的重要表征之一,而施用肥料時間的長短和肥料的種類會對有機質含量產生明顯影響。

從圖3可以看出,4個處理中土壤有機質含量在小麥收獲期和玉米收獲期的變化趨勢相同且含量相差不大,有機肥處理比化肥處理更能增加土壤中有機質含量,且隨有機肥施用年限的增加而增大。與供試前土壤相比,化肥處理土壤有機質含量略有下降,可能是作物對有機質的吸收量大于施用量。而經過3、 5、20年連續(xù)有機肥施用后,土壤有機質含量年遞增率平均分別為0.775、2.442、1.130 g·kg-1·a-1,可見隨著年限的增加土壤有機質含量增加速率呈現先增大后減小的趨勢。

圖2 化肥及不同年限有機肥處理對土壤容重的影響Figure 2 Effect of fertilizer and different durations of organic manure application on soil bulk density

圖3 收獲期化肥及不同年限有機肥處理土壤有機質含量變化Figure 3 Change in soil organic matter for fertilizer and different durations of organic manure application at harvest stages

2.3 耕層土壤速效養(yǎng)分含量變化趨勢

對于土壤堿解氮含量的變化,與供試前土壤相比,化肥處理土壤堿解氮含量明顯降低(表2）,在相同施氮量下有機肥處理堿解氮含量顯著增加,連續(xù)施用3、5、20年有機肥后堿解氮含量分別增加了32%、36.81%、18.04%,原因可能是化肥氮的徑流損失量較多,而施用有機肥可增加土壤中有機氮的來源。

對于土壤有效磷含量的變化,與供試前土壤相比,施用化肥和有機肥均明顯增加了土壤有效磷含量(表2）。與供試前土壤相比,3、5、20年有機肥處理有效磷年遞增量分別為12.84、12.16、12.09 mg·kg-1,由此可見,土壤中有效磷含量與施入有機肥的年限有較高相關性。

與供試前土壤相比,化肥處理和連續(xù)3、5年有機肥處理的土壤速效鉀含量變化不大,連續(xù)施用20年有機肥能明顯增加土壤中速效鉀含量(表2）。3、5、20年有機肥處理的年遞增量分別為17.28、17.83、33.88 mg·kg-1,可見施用有機肥的年限越長,土壤速效鉀含量增加速度越快。

表2 長期施肥對土壤速效養(yǎng)分的影響Table 2 Effect of long-term fertilization on available nutrients

2.4 小麥產量及養(yǎng)分吸收的變化

不同處理對小麥產量的影響見圖4。4個處理中化肥處理小麥產量最高,為5 889.95 kg·hm-2,明顯高于其他3個處理(P＜0.05）；有機肥處理中,小麥產量隨施用有機肥年限的增加而降低,但差異不顯著(P＞0.05）。

不同處理對小麥(籽粒和秸稈）養(yǎng)分累積的影響見圖5。對于氮素養(yǎng)分累積,由于化肥處理小麥產量較高,氮累積量最高；隨著有機肥施用年限增加,氮元素累積量逐漸增加,3年有機肥連續(xù)處理小麥氮累積量最少,顯著低于20年有機肥處理,化肥和20年有機肥處理兩者無顯著性差異。對于磷素養(yǎng)分累積,4個處理差異不顯著。對于鉀素養(yǎng)分累積,隨施用有機肥年限的增加,鉀累積量增大,20年有機肥處理顯著高于化肥和3年有機肥處理,與5年有機肥處理無顯著性差異。

2.5 土體硝態(tài)氮累積運移規(guī)律

2.5.1 土體硝態(tài)氮累積隨時間和土壤深度變化

圖4 不同處理對小麥產量的影響Figure 4 Effect of different treatments on wheat yield

圖5 不同處理對小麥養(yǎng)分累積量的影響Figure 5 Effect of different treatments on nutrient accumulation in wheat

不同深度土壤硝態(tài)氮累積現狀是土壤各層硝態(tài)氮的本底累積量、作物吸收和灌溉降水引起的施入肥料運移等共同作用的結果［14］。

從圖6中可以看出,隨土層深度的增加,土體剖面中硝態(tài)氮累積量及其空間分布明顯不同,對于化肥處理,土壤硝態(tài)氮累積量隨土壤深度增加變化不大；對于3年和5年連續(xù)有機肥處理,土壤硝態(tài)氮隨土壤深度呈先下降后緩慢上升趨勢；而20年連續(xù)有機肥處理,不同土壤深度硝態(tài)氮累積量均較高,平均為151.39 kg·hm-2。由此可以看出,隨著施用有機肥年限的增加,土壤硝態(tài)氮已逐漸淋溶至下層。

隨著發(fā)育期的變化,降水、溫度、植物生長情況等因素不斷發(fā)生變化,導致不同處理在不同深度土壤中硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期呈先升高后降低的趨勢?；侍幚碓诟鲗油馏w中硝態(tài)氮累積量均小于連續(xù)有機肥處理,且化肥處理硝態(tài)氮累積量在小麥苗期時最大,有機肥處理硝態(tài)氮累積量于小麥收獲期和玉米苗期時達到最大,這可能與有機肥分解相對較慢、氮素釋放滯后等因素有關。對于連續(xù)施用有機肥處理,從圖6A和圖6B兩圖可看出,在0～40 cm土體中,小麥季時,土壤硝態(tài)氮累積量隨年限增加呈現下降趨勢；玉米季時,呈現上升趨勢；這種區(qū)別與溫度、濕度和兩種作物的吸收利用不同有關。在40～100 cm土體,隨施用有機肥年限增加土層中硝態(tài)氮累積量均呈升高趨勢,連續(xù)20年有機肥處理的土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于3年和5年有機肥處理,在雨熱同期的小麥收獲期和玉米幼苗期,連續(xù)20年有機肥處理土壤硝態(tài)氮累積量存在較大的淋失風險。

2.5.2 土體硝態(tài)氮累積淋溶風險分析

土體剖面硝態(tài)氮累積量及其空間分布特征是硝態(tài)氮淋失風險的重要指標［15］。土層80～100 cm位于作物根區(qū)以下,其氮素很難被作物根系吸收,具有淋失的風險。分析此層土壤硝態(tài)氮累積量對評估硝態(tài)氮淋失風險具有重要意義。

農田土壤中一般將80～100 cm的土層稱為淋溶層,從圖7中可以看出,隨著發(fā)育期的變化,此淋溶層中化肥處理和3、5年連續(xù)有機肥處理的土壤硝態(tài)氮累積量呈現總體下降的趨勢,而20年有機肥處理呈現先增大后減小趨勢,這可能與作物的吸收利用和硝態(tài)氮的累積有關?；侍幚砹苋軐酉鯌B(tài)氮累積量最低,在100 kg·hm-2以下；隨著有機肥施用年限的增加,淋溶層硝態(tài)氮的累積量增大,20年有機肥處理在雨熱同期時淋溶層硝態(tài)氮累積量最大達到240 kg· hm-2?？梢?20年連續(xù)有機肥處理中淋溶層土壤硝態(tài)氮累積量大,且空間分布也呈現下層比例較大的特征,存在較強的淋失風險。

圖6 不同深度土壤硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期變化Figure 6 Change in soil NO-3-N accumulation with change in crop maturity at different depths

圖7 80～100 cm土層硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期的變化Figure 7 Change in soil nitrate nitrogen accumulation in soil at 80～100 cm depth over the crop growth period

3 討論

3.1 長期施肥對土壤容重和有機質的影響

與化肥處理相比,長期施用有機肥可降低土壤容重,且施用有機肥的年限越長,土壤容重降低幅度越大,這種差別是由不同施肥處理對作物生長和土壤根系的影響造成的［16］。高慧等［17］研究表明,設施菜地土壤耕作層中不同深度土壤容重隨著種植年限的增加呈現下降趨勢,與本研究結果一致。

與供試前土壤相比,長期使用有機肥能夠顯著提高土壤中有機質含量,而長期使用化肥降低了土壤有機質含量,此研究結果與其他研究結論一致。王磊等［18］通過定位試驗發(fā)現長期施用有機肥能明顯提高土壤中有機質含量,烏魯木齊連續(xù)12年施用有機肥于灰漠土后,土壤有機質增加了38.3%,且有機質的增加量和年限之間具有良好的正相關性。每年以60 t·hm-2的量連續(xù)20年施用農家肥(平均碳含量為0.31 g·g-1）能顯著增加有機質的含量［19］。在華北潮土中經過20年化肥處理,土壤有機質含量平均每10年下降0.855～1.195 g·kg-1,同樣在連續(xù)30年單施化肥后,東北黑土有機質每10年下降1 g·kg-1左右［20］?？梢娡寥烙袡C質含量的變化及變化量的大小與肥料類型、施用量和土壤性質有關。

3.2 長期施肥對耕層速效養(yǎng)分的影響

對于堿解氮的變化,有機肥處理中土壤堿解氮含量增加,而相同施氮量下化肥處理反而略微降低。有研究表明,施入有機肥后土壤中堿解氮占全氮的比例增大［18］。隨施肥年限的增加,堿解氮含量呈現先增加后減小的趨勢,原因可能是20年有機肥處理土壤硝態(tài)氮遷移至下層的含量明顯增加(通過硝態(tài)氮淋溶數據可以看出）。對于土壤中有效磷含量的變化,長期連續(xù)施用有機肥能明顯增加有效磷含量且與施入有機肥的年限呈正相關,一方面與有機肥的施入累積量有關,另一方面,有機質和有機肥中胡敏酸和富里酸及其他有機小分子占據了土壤磷吸附位點,進而減少無機磷的固定,增加有效磷的溶解［21］。連續(xù)施用有機肥可增加土壤中速效鉀含量,年限越長增加量越多。當前農田常規(guī)施肥方式下的鉀虧缺正在逐步加大,通過補充鉀肥或配合施用有機肥來增加土壤中鉀含量的方式應當被重視。有研究表明,配施有機肥或秸稈均可顯著提高灰漠土鉀肥利用率［22］。

3.3 長期施肥對小麥產量的影響

長期施用有機肥雖增加土壤養(yǎng)分含量,但降低了小麥產量,且施用有機肥年限越長,小麥產量降低越多,其原因與大量使用化肥對作物帶來的危害一樣。過量施用有機肥造成土壤中缺水、供養(yǎng)不平衡,使土壤中硝酸離子成份聚積,硝酸鹽含量超標,從而使作物發(fā)生肥害,表現為根部吸水困難,易發(fā)生燒根黃葉、僵苗不長、葉片畸形等病狀,嚴重可導致作物逐漸萎縮而枯死,因此小麥產量隨施用有機肥年限增加而降低。

為避免長期施用有機肥帶來的肥害,需要根據土壤狀況、栽種作物與有機肥的肥性狀況合理施用,對土壤進行適時深耕；對腐熟程度高的有機肥,通過改變施肥方式,如可在定植穴內施用或挖溝施用,將其集中施在作物根系部位,充分發(fā)揮肥效,從而減小肥害,增加作物產量。

3.4 土壤硝態(tài)氮累積及淋溶風險評價

掌握長期施用有機肥處理下土壤硝態(tài)氮累積量的運移規(guī)律對有機肥的科學合理利用及有效控制氮素淋失等具有重要意義。從不同年限連續(xù)施用有機肥的研究結果來看,隨著施有機肥年限的增加,不同深度、不同發(fā)育期土壤硝態(tài)氮累積量均增加。通過分析不同深度土層硝態(tài)氮累積量隨發(fā)育期的變化發(fā)現,硝態(tài)氮的累積與降水和溫度等外界環(huán)境及作物的吸收利用有很大關系。在華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作種植制度下,小麥季土壤硝態(tài)氮累積量大于玉米季。小麥生長后期,土體硝態(tài)氮累積量達到最大、遷移速度加快,這與作物利用氮素下降以及在較高溫度下其他形式氮的轉化有關。而喬俊等［23］提到根圈土壤溶液礦質態(tài)氮含量于苗期達到最高值,這與化肥溶解較快有關。隨著土層深度的增加,土壤硝態(tài)氮累積量呈現增加趨勢,可能是硝態(tài)氮淋失及原始積累不同造成的［14］。總體來看,對于化肥處理,土壤硝態(tài)氮累積量隨土壤深度的增加變化不大,而有機肥處理變化明顯,可見土壤硝態(tài)氮累積量運移規(guī)律與肥料種類和施肥年限有關。

近年來,地下水硝態(tài)氮污染已成為全球關注的熱點問題。長期施用有機肥會提高土壤氮素水平,容易造成硝態(tài)氮在土壤中的累積,引發(fā)氮素向深層土壤遷移從而增加淋溶風險［24］。長期定位試驗是評價施肥環(huán)境效應的重要手段［15］。綜合分析得出,5年之內連續(xù)有機肥處理淋溶層土壤硝態(tài)氮累積量相對較小,而20年連續(xù)施用有機肥淋溶層土體硝態(tài)氮累積量較大,具有一定的淋溶風險。因此,應控制有機肥用量、合理灌溉,對土壤進行適時深耕,必要時進行適當的撂荒,以降低土壤中硝態(tài)氮累積量。

4 結論

(1）隨施肥年限的增加,土壤容重逐漸降低；由于犁底層存在于20～40 cm,所以該層土壤容重大于40～60 cm層的土壤容重。

(2）與供試前土壤相比,化肥處理能顯著增加土壤中有效磷含量,而有機質、堿解氮和速效鉀含量基本保持平衡；連續(xù)施用有機肥處理均能提高土壤中有機質及速效養(yǎng)分含量,且隨施肥年限增加而增多。

(3）對于小麥產量的影響,化肥處理明顯高于有機肥處理,但3個不同年限有機肥處理中小麥產量無顯著性差異。建議在定植穴內或挖溝施用有機肥,將其集中施在作物根系部位,充分發(fā)揮肥效,改善土壤結構,提高作物產量。

(4）對于硝態(tài)氮運移規(guī)律,土壤硝態(tài)氮累積量隨著土壤深度增加呈現先降低后增加的趨勢,有機肥處理大于無機肥處理,且硝態(tài)氮累積量隨施用有機肥年限增加而增加,尤其在雨熱同期時土壤硝態(tài)氮下移現象顯著。

(5）通過具體分析80～100 cm土層硝態(tài)氮累積量發(fā)現,20年連續(xù)有機肥處理硝態(tài)氮累積量最大達240 kg·hm-2,具有較強的淋溶風險。

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［1］李輝,姚麗萍.南水北調東線工程濟寧段農業(yè)面源污染現狀及控制對策［J］.山東水利,2007,10(13）.35-37.

LI Hui,YAO Li-ping.Situation and control countermeasures of agricultural non-point source pollution in Jining Section of Eastern Route of South-to-North Water Transfer Project［J］.Shandong Water Resources, 2007,10(13）.35-37.

［2］郭勝利,余存祖,戴鳴鈞.有機肥對土壤剖面硝態(tài)氮淋失影響的模擬研究［J］.水土保持研究,2000,7(4）.123-126.

GUO Sheng-li,YU Cun-zu,DAI Ming-jun.Simulated test of effects of organic manure on leaching of NO-3-N in soil profile［J］.Research of Soil and Water Conservation,2000,7(4）.123-126.

［3］袁新民,同延安,楊學云,等.有機肥對土壤NO-3-N累積的影響［J］.土壤與環(huán)境,2000,9(3）.197-200.

YUAN Xin-min,TONG Yan-an,YANG Xue-yun,et al.Effect of organic manure on soil nitrate nitrogen accumulation［J］.Soil and Environmental Sciences,2000,9(3）.197-200.

［4］溫延臣,李燕青,袁亮,等.長期不同施肥制度土壤肥力特征綜合評價方法［J］.農業(yè)工程學報,2015,31(7）.91-99.

WEN Yan-chen,LI Yan-qing,YUAN Liang,et al.Comprehensive assessment methodology of characteristics of soil fertility under different fertilization regimes in North China［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(7）.91-99.

［5］Liang B,Yang X Y,He X H,et al.Effects of 17-year fertilization on soil microbial biomass C and N and soluble organic C and N in loessial soil during maize growth［J］.Biology and Fertility of Soils,2011,47(2）.121-128.

［6］Banger K,Kukal S S,Toor G,et al.Impact of long-term additions of chemical fertilizers and farm yard manure on carbon and nitrogen sequestration under rice-cowpea cropping system in semi-arid tropics［J］.Plant and Soil,2009,318(1）.27-35.

［7］楊林章,王德建,夏立忠.太湖地區(qū)農業(yè)面源污染特征及控制途徑［J］.中國水利,2004(20）.29-30.

YANG Lin-zhang,WANG De-jian.XIA Li-zhong.Characteristics and control of agricultural non-point source pollution in Taihu Lake region［J］.ChinaWater Resources,2004(20）.29-30.

［8］郭穎,趙牧秋,吳蕊,等.有機肥對設施菜地土壤-植物系統(tǒng)硝酸鹽遷移累積的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報,2008,27(5）.1831-1835.

GUO Ying,ZHAO Mu-qiu,WU Rui,et al.Effects of organic manure on nitrate accumulation in soil-cucumber system under protected cultivation condition［J］.Journal of Agro-Environment Science,2008,27(5）. 1831-1835.

［9］黃東風,王果,李衛(wèi)華,等.不同施肥模式對蔬菜生長、氮肥利用及菜地氮流失的影響［J］.應用生態(tài)學報,2009,20(3）.631-638.

HUANG Dong-feng,WANG Guo,LI Wei-hua,et al.Effects of different fertilization modes on vegetable growth,fertilizer nitrogen utilization, and nitrogen loss from vegetable field［J］.Chinese Journal of Applied E-cology,2009,20(3）.631-638.

［10］張愛平,楊世琦,易軍,等.寧夏引黃灌區(qū)水體污染現狀及污染源解析［J］.中國生態(tài)農業(yè)學報,2010,18(6）.1295-1301.

ZHANG Ai-ping,YANG Shi-qi,YI Jun,et al.Analysis on current situation of water pollution and pollutant sources in Ningxia Yellow River irrigation region［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture,2010,18(6）. 1295-1301.

［11］鮑士旦.土壤農化分析［M］.北京.中國農業(yè)出版社,2000.

BAO Shi-dan.Soil and Agricultural Chemistry Analysis［M］.Beijing. China Agriculture Press,2000.

［12］王春陽,周建斌,鄭險峰,等.不同栽培模式及施氮量對半旱地冬小麥氮素累積及分配的影響［J］.西北農林科技大學學報(自然科學版）,2008,36(1）.101-108.

WANG Chun-yang,ZHOU Jian-bin,ZHENG Xian-feng,et al.Effects of different cultivation methods and nitrogen fertilizer application on nitrogen accumulation and distribution in winter wheat on semi-dryland farming［J］.Journal of Northwest A&F University(Natural Science Edition）,2008,36(1）.101-108.

［13］張寶峰,曾路生,李俊良,等.優(yōu)化施肥處理下設施菜地土壤容重與孔隙度的變化［J］.中國農學通報,2013,29(32）.309-314.

ZHANG Bao-feng,ZENG Lu-sheng,LI Jun-liang,et al.Soil bulk density and porosity in greenhouse vegetables field under the optimized fertilization treatment［J］.Chinese Agricultural Science Bulletin,2013, 29(32）.309-314.

［14］劉微.小麥-玉米兩熟制下土壤硝態(tài)氮運移淋失規(guī)律及灌水施氮量推薦［D］.保定.河北農業(yè)大學,2005.

LIU Wei.Leaching loss and movement of nitrate in the soil of wheatcorn double cropping system and nitrogen fertilizer and irrigation recommendation［D］.Baoding.Agricultural University of Hebei,2005.

［15］張云貴,劉宏斌,李志宏,等.長期施肥條件下華北平原農田硝態(tài)氮淋失風險的研究［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報,2005,11(6）.711-716.

ZHANG Yun-gui,LIU Hong-bin,LI Zhi-hong,et al.Study of nitrate leaching potential from agricultural land in Northern China under long-term fertilization conditions［J］.Plant Nutrition and Fertilizer Science,2005,11(6）.711-716.

［16］馬俊永,曹彩云,鄭春蓮,等.長期施用化肥和有機肥對土壤有機碳和容重的影響［J］.中國土壤與肥料,2010(6）.38-42.

MA Jun-yong,CAO Cai-yun,ZHENG Chun-lian,et al.Effect of longterm application of chemical fertilizer and organic manure on soil organic carbon and bulk density［J］.Soil and Fertilizer in China,2010(6）.38-42.

［17］高慧,馮佳萍,劉奕.不同種植年限設施土壤容重與孔性分析［J］.安徽農業(yè)科學,2010,38(26）.14399-14400.

GAO Hui,FENG Jia-ping,LIU Yi.Analysis about the volume-weight and porosity of the facilities soil with different period of planting［J］.Journal of Anhui Agriculture Science,2010,38(26）.14399-14400.

［18］王磊.長期施用有機肥和秸稈還田對土壤有機質含量與土壤養(yǎng)分作物有效率的影響［J］.科學之友,2011,6(4）.162-163.

WANG Lei.Long-term employment organic fertilizer and straw stalk also field to soil ulmin content and soil nutrient crops effectiveness influence［J］.Friend of Science Amateurs,2011,6(4）.162-163.

［19］Bidisha M,Joerg R,Yakov K.Effects of aggregation processes on distribution of aggregate size fractions and organic C content of a longterm fertilized soil［J］.European Journal of Soil Biology,2010,46(6）. 365-370.

［20］張淑香,張文菊,沈仁芳,等.我國典型農田長期施肥土壤肥力變化與研究展望［J］.植物營養(yǎng)與肥料學報,2015,21(6）.1389-1393.

ZHANG Shu-xiang,ZHANG Wen-ju,SHEN Ren-fang,et al.Variation of soil quality in typical farmlands in China under long-term fertilization and research expedition［J］.Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2015,21(6）.1389-1393.

［21］史吉平,張夫道,林葆.長期施用氮磷鉀化肥和有機肥對土壤氮磷鉀養(yǎng)分的影響［J］.中國土壤與肥料,1998(1）.7-10.

SHI Ji-ping,ZHANG Fu-dao,LIN Bao.Effect of long-term application of NPK fertilizer and organic manure on soil NPK nutrient［J］.Soil and Fertilizer in China,1998(1）.7-10.

［22］王西和,呂金嶺,劉驊.灰漠土小麥-玉米-棉花輪作體系鉀平衡與鉀肥利用率［J］.土壤學報,2016,53(1）.213-223.

WANG Xi-he,Lü Jin-ling,LIU Hua.Gray desert soil potassium balance and potassium utilization in maize-cotton rotation system［J］.Acta PedologicaSinica,2016,53(1）.213-223.

［23］喬俊,湯芳,朱勵軍,等.太湖地區(qū)水稻產量、根圈土壤礦質態(tài)氮及氮素徑流損失對氮肥的響應［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報,2015,34 (11）.2140-2145.

QIAO Jun,TANG Fang,ZHU Li-jun,et al.Responses of rice yield, rhizospheric soil mineral N and N runoff loss to fertilizer N in the Tai Lake region［J］.Journal of Agro-Environment Science,2015,34(11）. 2140-2145.

［24］劉汝亮,張愛平,李友宏,等.長期配施有機肥對寧夏引黃灌區(qū)水稻產量和稻田氮素淋失及平衡特征的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報, 2015,34(5）.947-954.

LIU Ru-liang,ZHANG Ai-ping,LI You-hong,et al.Rice yield,nitrogen use efficiency(NUE）and nitrogen leaching losses as affected by long-term combined applications of manure and chemical fertilizers in Yellow River irrigated region of Ningxia,China［J］.Journal of Agro-Environment Science,2015,34(5）.947-954.

Effectsof long-term application of organic manure on soil fertility and nitrate-N transport in fluvo-aquic soil

LI Yan1,2,3,SUN Cui-ping1,JING Yong-ping1,2,3,LUO Jia-fa1,5,ZHANG Ying-peng1,2,3,ZHONG Zi-wen1,2,3,SUN Ming1,2,3,BO Lu-ji1,2,3,LIU Zhao-hui2,3,4*
(1.Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Ji′nan 250100,China;2.Key Laboratory of Agro-Environment in Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agriculture,Ji′nan 250100,China;3.Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural Non-Point Source Pollution Control,Ji′nan 250100,China;4.Shandong Academy of Agricultural Sciences,Ji′nan 250100,China;5.AgResearch,Ruakura Research Centre,Hamilton 3240,New Zealand）

organic manure;wheat-maize rotation;organic matter;available nutrients;nitrate leaching

increasing attention.A long-term field experiment was established in an intensively cultivated alluvial soil in the North China Plain,where a wheat-maize rotation was practiced.Treatments included continuous application of mineral fertilizer(no organic manure application）and three durations of organic manure application with no mineral fertilizer(3,5,and 20 years）.Changes in soil fertility,crop yield,and soil nitrate accumulation were explored.The results showed that the longer the period of continuous organic manure application,the more significantly the soil bulk density decreased and the soil nutrient content increased.The crop yield from the mineral fertilizer treatment was significantly higher than that from the organic manure treatments.The yield decreased as the number of organic manure application years increased,but there was no significant difference among the three organic manure treatments.In the soil profiles,it was shown that the NO-3-N accumulation in the organic manure treatment was greater than that in the mineral fertilizer treatment.The NO-3-N accumulation firstly decreased and then increased with increasing soil depth,and there was a positive relationship between NO-3-N content and the number of organic manure application years.The amount of accumulated NO-3-N in the 80～100 cm soil layer was up to 240 kg·hm-2after 20 years of continuous organic manure application.Therefore,continuous application of organic manure could reduce crop yield and there is a definite risk of nitrate leaching after 20 years of organic manure application.More research is required to develop measures to increase crop yield,alleviate the accumulation ofNO-3-N,and preventnitrate pollution of groundwater when continuously applying organic manure.

李彥,孫翠平,井永蘋,等.長期施用有機肥對潮土土壤肥力及硝態(tài)氮運移規(guī)律的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36(7）.1386-1394.

LI Yan,SUN Cui-ping,JING Yong-ping,et al.Effects of long-term application of organic manure on soil fertility and nitrate-N transport in fluvo-aquic soil［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1386-1394.

2017-03-09

李彥(1970—）,女,黑龍江肇源縣人,研究員,主要從事農業(yè)面源污染防控研究。E-mail:nkyliyan@126.com

*通信作者：劉兆輝E-mail:liuzhaohuinky@163.com

公益性農業(yè)行業(yè)科研專項(201503106）；山東省農業(yè)科學院農業(yè)科技創(chuàng)新工程項目(CXGC2016B09）；“海外泰山學者”建設工程專項；山東省自然科學基金項目(ZR2016DB28）；山東省農業(yè)科學院青年科研基金項目(2016YQN40）

Project supported：Special Scientific Research Fund of Agricultural Public Welfare Profession of China(201503106）；Agricultural Science and Technology Innovation Project of Shandong Academy of Agricultural Sciences(CXGC2016B09）；Special Construction Project of“Overseas Taishan Scholar”；The Natural Science Foundation of Shandong Province,China(ZR2016DB28）；The Young Scientists Fund Project of Shandong Academy of Agricultural Sciences(2016YQN40）

X592

A

1672-2043(2017）07-1386-09

10.11654/jaes.2017-0316

Abstract：The environmental problems caused by long-term fertilization,especially groundwater pollution resulting from leaching of nitrate nitrogen(NO-3-N）,have