橡膠林氮肥施用后在土壤中的殘留、累積和遷移

王大鵬 ，羅雪華 ，郭澎濤，陳傳洋，張永發(fā)，薛欣欣，趙春梅，吳小平*，茶正早*

1. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，海南 儋州 571737；2. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究中心，海南 儋州 571737

氮肥在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。氮肥施入土壤后，主要有3種去向：被作物吸收、在土壤殘留和損失。其中，殘留在土壤中的氮約占氮肥施用量的 26%－60%（Jia et al.，2011；Yang et al.，2011）。大量研究證實(shí)（Ju et al.，2011；Sebilo et al.，2013；王西娜等，2016），土壤殘留是殘留肥料氮后期去向的重要形式，殘留肥料氮已經(jīng)成為土壤氮庫(kù)的一部分，參與了土壤氮素的內(nèi)循環(huán)。另外研究表明（巨曉棠，2014；趙偉等，2013），殘留在土壤中的肥料氮對(duì)后茬作物仍有較高的肥效，后 2季作物對(duì)殘留氮肥的利用率可達(dá) 8.3%－17.3%。而這一過(guò)程甚至可以持續(xù)數(shù) 10年以上（Sebilo et al.，2013）。由此可見(jiàn)，氮肥在土壤中的殘留是土壤氮庫(kù)的重要補(bǔ)充，其對(duì)于維持土壤氮水平和保證作物高產(chǎn)具有重要作用。殘留在土壤中的肥料氮多以有機(jī)氮的形式存在（趙偉等，2015）。然而值得注意的是，在通透性好、具有較強(qiáng)礦化和硝化能力的旱地土壤中，殘留氮素有相當(dāng)一部分以硝態(tài)氮的形式在土壤剖面不同層次累積，為硝態(tài)氮淋洗提供了條件（Ju et al.，2007；王大鵬等，2017）。因此，雖然殘留肥料氮對(duì)提高土壤肥力、補(bǔ)充土壤氮庫(kù)具有重要作用，但是殘留氮的環(huán)境損失也非常值得重視。

研究表明（Ju，2014），施氮不足時(shí)，施氮量不能滿(mǎn)足作物對(duì)氮素的需求、土壤及微生物對(duì)氮素的固定，土壤氮庫(kù)被大量消耗，肥料氮在土壤中的殘留很少，其環(huán)境損失也很低（Sebilo et al.，2013）；平衡施氮，土壤氮素循環(huán)大致平衡，土壤氮含量能夠維持在一個(gè)較為適宜的范圍內(nèi)（Ju et al.，2009；Wang et al.，2018）；過(guò)量施氮，施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)作物吸收和土壤固持能力，土壤中存在大量氮素盈余，在一定條件下可能導(dǎo)致嚴(yán)重的淋洗損失（Ju et al.，2007；倪玉雪等，2013）?？梢?jiàn)，施氮量是影響氮素在土壤中殘留的重要因素，明確不同施氮量水平下肥料氮在土壤中的殘留、累積和遷移，對(duì)于制定氮肥管理措施及減少氮素淋洗具有重要意義。

橡膠（Hevea brasiliensis）是熱帶地區(qū)典型的經(jīng)濟(jì)作物，在熱帶農(nóng)業(yè)中具有特殊和重要地位。海南島地處熱帶北緣，是中國(guó)發(fā)展橡膠的重要基地。自上世紀(jì)50年代海南島開(kāi)始大規(guī)模植膠，經(jīng)過(guò)60年來(lái)的植膠生產(chǎn)，該區(qū)已面臨單產(chǎn)提升困難、土壤養(yǎng)分大面積下降等問(wèn)題（何向東等，2002）。如海南植膠區(qū)土壤全氮平均含量從 1954年植膠初期的 1.57 g·kg-1下降到 2010年的 0.82 g·kg-1（王大鵬等，2013）。熱帶季風(fēng)氣候條件下的橡膠林，具有高溫、高濕和強(qiáng)降雨氣候特征，土壤大多為酸性磚紅壤。這種獨(dú)特的氣候條件下，過(guò)高的氮素殘留意味著很高的淋失風(fēng)險(xiǎn)，而較低的氮素殘留則預(yù)示土壤氮庫(kù)的進(jìn)一步消耗。因此，合理地施用氮肥對(duì)于橡膠樹(shù)獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、減少氮素淋洗損失和維持土壤氮肥力具有重要作用。而與此同時(shí)，我們對(duì)該氣候條件和土壤類(lèi)型下橡膠林施用氮肥后殘留特征的了解還很少。本文采用15N標(biāo)記尿素研究了海南橡膠林不同施氮水平下肥料氮的殘留、累積和遷移，為橡膠林氮素優(yōu)化管理和土壤培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在海南省儋州市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠所五隊(duì)基地（109°29′11.219″E，19°29′6.215″N）進(jìn)行。該區(qū)屬典型熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.8 ℃，年平均降雨量 1650 mm。受熱帶季風(fēng)氣候的影響，該區(qū)年內(nèi)降雨分布極不均勻，具有明顯的干濕交替。全年大部分降雨集中在雨季（5－11月），約占全年降雨總量的70%－90%。而旱季（12月至來(lái)年4月）降雨量?jī)H占全年降雨總量的10%－30%。試驗(yàn)期間日均氣溫及降雨量見(jiàn)圖 1，其中，2015年4月－2016年3月降雨1289 mm，2016年4月－2017年3月降雨2438 mm。橡膠樹(shù)品種為熱研7-33-97，1997年定植，2003年開(kāi)割，株距3.5 m，行距6 m。該區(qū)土壤為花崗片麻巖發(fā)育磚紅壤，試驗(yàn)區(qū)0－100 cm土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 研究方法

圖1 試驗(yàn)區(qū)日均氣溫及降雨量Fig. 1 Daily mean air temperature and daily precipitation at the experimental site

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical characteristics in the experimental site

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)氮肥（尿素）處理，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組。4個(gè)氮肥處理：（1）不施氮，N0；（2）施氮量 100 kg·hm-2，N100；（3）施氮量 200 kg·hm-2，N200；（4）施氮量 400 kg·hm-2，N400。每試驗(yàn)小區(qū)膠樹(shù)9株，小區(qū)面積18 m×10.5 m=189 m2。膠樹(shù)之間用粘土磚做田壟隔離，寬11.5 cm，高15.9 cm。每小區(qū)建立15N試驗(yàn)微區(qū)1個(gè)，面積1 m2，微區(qū)中心位置距離橡膠樹(shù)樹(shù)干2 m。微區(qū)采用304不銹鋼板隔離，鋼板厚1 mm，高10 cm，長(zhǎng)寬各1 m，連接處氬弧焊焊接，壓入土壤中5 cm。標(biāo)記源為15N標(biāo)記尿素（上?；ぱ芯吭禾峁?，豐度5.16%，N 46%。根據(jù)施氮處理，于試驗(yàn)第一年將標(biāo)記尿素平均分3次撒施入微區(qū)內(nèi)（2015年4月7日、7月12日和9月8日）。同時(shí)為了符合生產(chǎn)實(shí)際和反映殘留氮肥的真實(shí)情況，于試驗(yàn)第二年將普通尿素（含N 46%）平均分3次撒施入微區(qū)內(nèi)（2016年4月7日、7月7日和9月6日）。磷鉀肥均作為基肥每年4月上旬隨氮肥一次性施入，P2O575 kg·hm-2（鈣鎂磷肥，含 18% P2O5）；K2O 150 kg·hm-2（氯化鉀，含60% K2O）。

將試驗(yàn)微區(qū)均勻劃成4個(gè)采樣小區(qū)，依次于第一次施標(biāo)記尿素后（2015年6月30日，第二次施肥前）和第二次施標(biāo)記尿素后（2015年8月31日，第三次施肥前）采用土鉆法采集0－100 cm土壤樣品，于第一年試驗(yàn)結(jié)束（2016年3月29日）和第二年試驗(yàn)結(jié)束（2017年3月29日）采集0－200 cm土壤樣品。采用半圓鑿鉆（直徑3 cm）采集原狀土壤樣品，采樣時(shí)以20 cm為間隔，各點(diǎn)間和各層間要避免污染。采樣后回填樣洞，以避免優(yōu)先流的發(fā)生。采集的樣品用于測(cè)定土壤全氮的15N豐度、土壤硝態(tài)氮及銨態(tài)氮。用元素分析儀（Thermo Flash EA1112，美國(guó)）-穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀（GV IsoPrime GB312，英國(guó)）測(cè)定土壤全氮15N豐度。土壤硝態(tài)氮用1 mol·L-1KCl浸提，連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國(guó)）測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤中15N標(biāo)記肥料殘留量和殘留率計(jì)算公式如下：

式中，15N Ra為15N標(biāo)記肥料氮?dú)埩袅浚╧g·hm-2）；TN 為土壤全氮（g·kg-1）；BD 為土壤容重（g·cm-3）；D 為土層厚度（cm）；APES為樣品15N原子百分超；APEU為15N標(biāo)記尿素原子百分超

式中，15N Rr為15N標(biāo)記肥料氮?dú)埩袈剩?）；15N Ra為 0－100 cm土壤剖面標(biāo)記肥料氮?dú)埩袅浚╧g·hm-2）；Na 為標(biāo)記氮肥施用量（kg·hm-2）

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003。采用SAS 8.1（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）進(jìn)行方差和相關(guān)性分析，多重比較比較采用最小顯著差異法（LSD）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面15N豐度的變化

第一次施肥后，不同施氮處理15N豐度在0－20 cm或20－40 cm土層最高（圖2a）。此時(shí)，不同施氮處理 0－100 cm土壤剖面中的15N豐度（0.3721%－0.4030%）僅略高于自然豐度0.3663%。第二次施肥后，不同施氮處理15N豐度仍表現(xiàn)為0－40 cm土層最高，但40 cm以下土層的15N豐度明顯增加（圖2b）。0－100 cm土壤剖面中的15N豐度介于0.3765%－0.4981%。一年試驗(yàn)結(jié)束后，不同施氮處理15N豐度分別在0－20 cm和60－100 cm土層出現(xiàn)峰值（圖2c），表明一定量標(biāo)記氮已遷移到較深層次土壤。此時(shí)，從整個(gè)土壤剖面（0－200 cm）來(lái)看，仍以根層（0－100 cm）土壤15N豐度較高，而深層土壤（100－200 cm）15N豐度仍然較低。2年試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，土壤剖面中的15N豐度峰值除出現(xiàn)在0－20 cm表層土壤外，深層土壤（100－200 cm）15N豐度增加很大，說(shuō)明殘留肥料氮已遷移到根層以下土壤（圖2d）。

2.2 15N標(biāo)記肥料氮在土壤剖面中的殘留

第一次施肥后，由于施氮量較少，根層（0－100 cm）土壤剖面中肥料氮的累積很少（圖3a）。第二次施肥后，肥料氮大多在淺層土壤 0－40 cm累積（圖 3b）。1年試驗(yàn)結(jié)束后，肥料氮主要仍在根層土壤中（0－100 cm）累積（圖3c）。不同施氮水平下根層土壤肥料殘留量為 23.36－109.36 kg·hm-2，殘留率為23.36%－31.85%（表2）。但此時(shí)，已有部分肥料氮遷移出根層土壤，100－200 cm土層肥料氮?dú)埩袅考s4.28－12.11 kg·hm-2。統(tǒng)計(jì)分析表明，施氮量的升高顯著增加了肥料氮的根層殘留量，但對(duì)肥料氮的殘留率無(wú)顯著影響。2年試驗(yàn)結(jié)束后，不同施氮水平下N100、N200和N400根層土壤肥料氮的殘留量?jī)H 20.45、27.22和 41.78 kg·hm-2，殘留率分別僅有 20.45%、13.61%和 10.45%（表 2）。可見(jiàn)，2年試驗(yàn)后肥料氮在根層土壤中的殘留急劇減少（殘留量較上一年降低 12.5%－61.8%），同時(shí)有較多肥料氮已遷移到更深層土壤（圖3d）。統(tǒng)計(jì)分析表明，2年試驗(yàn)結(jié)束后施氮量的增加對(duì)肥料氮在根層土壤中的殘留量無(wú)顯著影響，但顯著降低了肥料氮在根層土壤中的殘留率。

表2 15N標(biāo)記肥料氮的殘留量和殘留率Table 2 Residual amount and residual rate of 15N labeled N fertilizer

圖2 土壤剖面中15N豐度的垂直分布Fig. 2 Distribution of 15N abundance in the soil profile

2.3 硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積和分布

第一次施肥后（圖 4a）和第二次施肥后（圖4b），不同施氮水平下硝態(tài)氮主要在根層（0－100 cm）土壤剖面中累積，其累積峰基本在20－40 cm處。此時(shí)，根層土壤中硝態(tài)氮累積量較低。1年試驗(yàn)結(jié)束后，土壤剖面中的硝態(tài)氮累積峰發(fā)生了明顯地下移，達(dá)到80－100 cm處（圖4c）。不同施氮水平下N0、N100、N200和N400根層土壤硝態(tài)氮累積分別為 24.61、35.42、93.98 和 172.47 kg·hm-2，且隨著施氮量的增加呈顯著增加趨勢(shì)（表 3）。在100－200 cm土層，不同施氮水平下硝態(tài)氮累積量介于 13.89－51.66 kg·hm-2，且處理之間無(wú)顯著差異。2年試驗(yàn)結(jié)束后，土壤剖面中的硝態(tài)氮累積峰繼續(xù)下移，達(dá)到110－170 cm處（圖4 d）。不同施氮水平下根層土壤硝態(tài)氮累積量介于 5.39－22.95 kg·hm-2，處理間無(wú)顯著差異。與此同時(shí)，100－200 cm土層中不同施氮水平下N0、N100、N200和N400硝態(tài)氮累積量分別為10.10、53.36、78.53和 201.42 kg·hm-2，且隨著施氮量的增加呈增加趨勢(shì)。說(shuō)明2年試驗(yàn)結(jié)束后，大量根層累積的土壤硝態(tài)氮向下遷移到土壤深層，發(fā)生了明顯的淋洗。上述結(jié)果，硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積受施氮量的影響很大。降雨偏少年份（2015年）0－100 cm土層和降雨偏多年份（2016年）100－200 cm土層中的硝態(tài)氮累積量與施氮量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.872**，P=0.000，n=12；r=0.833**，P=0.001，n=12；圖5）。

表3 硝態(tài)氮在0－200 cm土壤剖面中的累積Table 3 NO3--N accumulation (kg·hm-2) in 0-200 cm soil profile

圖3 15N標(biāo)記肥料氮在土壤剖面中的殘留Fig. 3 Residual of 15N labeled N fertilizer in the soil profile

3 討論

肥料氮在土壤中的殘留是氮肥施用后的重要去向，對(duì)于補(bǔ)充土壤氮庫(kù)和提高土壤肥力具有重要作用。氮肥施入土壤后，在土壤中的殘留率是普遍關(guān)注的問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期施肥土壤上的15N微區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明（趙偉等，2013），肥料氮施用量165 kg·hm-2，1季作物收獲后肥料氮根層土壤（0－100 cm）殘留率高達(dá)38%－88%，3季作物收獲后肥料氮的殘留率仍有20%－22%。華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系的研究結(jié)果（董嫻嫻等，2012）表明，施氮量為75－300 kg·hm-2，經(jīng)2年4季作物種植后，肥料氮根層土壤殘留率仍高達(dá)22.1%－32.8%。美國(guó)火炬松人工林施用尿素（表面撒施，施氮量 224 kg·hm-2）一年后，肥料氮僅在0－30 cm土層中的殘留率就達(dá)28.4%（Raymond et al.，2016）。本研究表明，氮肥施用（施氮量 100－400 kg·hm-2）1年后，根層土壤肥料氮的殘留率為 23.36%－31.85%（表2）。氮肥施用2年后，不同施氮水平下根層土壤肥料氮的殘留率僅有10.45%－20.45%。從上述結(jié)果大致可以看出，熱帶季風(fēng)氣候條件下的橡膠林氮肥施用后的土壤殘留率較低。Sebilo et al.（2013）利用同位素長(zhǎng)期示蹤技術(shù)研究了肥料氮的去向：標(biāo)記氮肥施用 30年后，肥料氮在土壤中的殘留率仍有12%－15%。這種結(jié)果反映了低施氮水平下肥料氮參與土壤內(nèi)循環(huán)下的殘留和淋失機(jī)制，具有較高的作物吸收率、土壤殘留率和較低的損失率。而在高施氮水平下，則表現(xiàn)為較高的土壤殘留量和氮肥損失量，以及較低的作物吸收量（左紅娟等，2012；Ju，2014）。本研究結(jié)果表明，試驗(yàn)第1年，施氮量的升高顯著增加了肥料氮在根層土壤中的殘留量。試驗(yàn)2年后，施氮量的增加顯著降低了肥料氮在根層土壤中的殘留率?？梢?jiàn)，在試驗(yàn)前期，低氮量（100 kg·hm-2）的投入下由于膠樹(shù)的吸收，肥料氮在土壤中的殘留很低（23.36 kg·hm-2）。而在高氮量（400 kg·hm-2）的投入下由于施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)膠樹(shù)的吸收能力，土壤中有較多的氮素殘留（109.36 kg·hm-2）。然而值得注意的是，在試驗(yàn)區(qū)土壤氮貧瘠的條件下，即使在高施氮水平下肥料氮在土壤中殘留也不高，說(shuō)明該區(qū)土壤對(duì)肥料氮的固持能力有限，大量施入的氮肥可能已損失到環(huán)境中。在試驗(yàn)后期，肥料氮在土壤中的殘留大量減少（特別是高施氮水平下），除被膠樹(shù)繼續(xù)吸收外，我們推測(cè)這些殘留的肥料氮可能進(jìn)一步發(fā)生了較為嚴(yán)重的損失。以上結(jié)果說(shuō)明了，熱帶季風(fēng)氣候條件下的橡膠林，肥料氮較低的殘留率和可能更高的損失率。

圖4 土壤剖面中硝態(tài)氮的分布Fig. 4 Distribution of NO3--N in the soil profile

圖5 硝態(tài)氮累積量與施氮量的關(guān)系Fig. 5 Relationships between the soil NO3--N accumulation and N rate

硝態(tài)氮作為土壤礦質(zhì)氮的主要形態(tài)之一，是氮肥在土壤中殘留和轉(zhuǎn)化的重要產(chǎn)物，其含量水平反映了土壤實(shí)際的供氮能力。研究表明（Huang et al.，2017；Wang et al.，2015；Yang et al.，2015），硝態(tài)氮在土壤剖面中的殘留、累積和遷移是施氮量、作物吸收、土壤殘留和損失的綜合結(jié)果。一般認(rèn)為，過(guò)量施氮后，土壤中盈余的硝態(tài)氮主要在土壤剖面不同層次累積，具有很大的淋洗風(fēng)險(xiǎn)。而灌溉或降雨則是導(dǎo)致土壤中累積硝態(tài)氮向深層土壤淋洗遷移的重要原因（Boy-Roura et al.，2016；Wang et al.，2010；Wang et al.，2015）。從2年的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)第1年（枯水年）在中、低施氮水平下（施氮量 200 kg·hm-2和 100 kg·hm-2）硝態(tài)氮根層累積并不多（分別為 93.98 kg·hm-2和 35.42 kg·hm-2）。而高施氮水平下（400 kg·hm-2）硝態(tài)氮的根層土壤累積高達(dá) 172.47 kg·hm-2。此時(shí)，不同施氮處理下深層土壤（100－200 cm）硝態(tài)氮累積較低（34.93－51.66 kg·hm-2）。試驗(yàn)第2年（豐水年），不同施氮水平下根層土壤硝態(tài)氮累積很低（僅有 10.04－22.95 kg·hm-2）。而此時(shí)，深層土壤（100－200 cm）硝態(tài)氮均有不同程度的累積，特別是高施氮水平下硝態(tài)氮累積量甚至高達(dá) 201.42 kg·hm-2。從施氮量和硝態(tài)氮在土壤剖面中累積量的相關(guān)關(guān)系分析，降雨偏少年份（2015年）根層土壤和降雨偏多年份（2016年）深層土壤的硝態(tài)氮累積量與施氮量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖 5）。由此可見(jiàn)，施氮量是影響橡膠林土壤硝態(tài)氮累積和分布的重要因素，這與前人研究結(jié)果基本一致（Ju，2014；王大鵬等，2017）。而另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，即使在同一施氮處理下，不同年份間硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積和遷移變化差異很大。Yang et al.（2015）研究表明，硝態(tài)氮的淋洗主要發(fā)生在灌溉或夏季強(qiáng)降雨后，且年際變化很大。年淋洗總量與年灌溉總量或年降水總量的關(guān)系不大，而與月灌溉和降水總量顯著相關(guān)。本試驗(yàn)區(qū)多年平均降雨量1650 mm，2015試驗(yàn)?zāi)攴萁涤?289 mm，2016試驗(yàn)?zāi)攴萁涤?438 mm（其中，2016年8月17－18日2日內(nèi)降雨高達(dá)523.7 mm）。從研究結(jié)果來(lái)看，在降雨偏少年份（即使年降雨總量達(dá)1289 mm），硝態(tài)氮主要在根層土壤累積，淋洗、遷移到深層土壤的硝態(tài)氮不多。而在降雨偏多年份，很可能由于極端降水條件的發(fā)生，導(dǎo)致了嚴(yán)重淋洗、遷移。這種情況說(shuō)明，極端降水條件可能是橡膠林土壤硝態(tài)氮淋洗損失發(fā)生的另一重要因素。然而在本研究條件下，并沒(méi)有得出降雨量與淋洗量的相關(guān)關(guān)系，這種特殊降水條件下的淋洗特征關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

橡膠林酸性磚紅壤，肥料氮當(dāng)年根層土壤殘留率為23.36%－31.85%。2年后的殘留率僅有10.45%－20.45%，施氮量的增加顯著降低了肥料氮在根層土壤中的殘留率?？梢?jiàn)，熱帶季風(fēng)氣候條件下的橡膠林，氮肥施用后的土壤殘留率較低。施氮量是影響橡膠林氮肥施用后硝態(tài)氮累積和淋洗的重要因素。在降雨偏少年份，硝態(tài)氮主要在根層土壤累積。而在降雨偏多年份，則發(fā)生了嚴(yán)重淋洗遷移。