早期不同施氮量下橡膠園土壤中無機氮的運移

王帥 張永發(fā) 任常琦 羅雪華 薛欣欣 趙春梅 馬鈞耀 耿建梅 王文斌

摘 ?要：橡膠園土壤中無機氮形態(tài)和含量呈現(xiàn)季節(jié)性的動態(tài)變化，本研究通過設(shè)置不同氮肥用量進行田間試驗，分析早期施肥后橡膠園土壤中氮素運移規(guī)律。結(jié)果表明：不同施氮量土壤中礦質(zhì)氮素的運移特點有所不同，但均以垂直運移為主;土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在不同層次的水平遷移主要在30 cm以內(nèi);各施肥處理土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均存在明顯的向下遷移，銨態(tài)氮主要遷移至40～60 cm深度，常規(guī)施肥、減量20%處理銨態(tài)氮含量分別達到209.43 mg/kg、133.32 mg/kg;硝態(tài)氮主要遷移至20～40 cm深度，常規(guī)施肥和減量20%硝態(tài)氮含量分別為127.21 mg/kg和114.29 mg/kg;不同施肥處理無機氮向下的遷移量也存在明顯差異，減量40%施肥的無機氮在深層土壤中低于常規(guī)施肥和減量20%施肥處理，進一步減少了無機氮的向下淋溶損失;不同施肥處理土壤礦質(zhì)氮的主要形式為銨態(tài)氮，施肥增加了硝態(tài)氮的占比，這可能與氮肥輸入以及土壤pH有關(guān)。

關(guān)鍵詞：橡膠林;施肥配比;銨態(tài)氮;硝態(tài)氮;水平方向;垂直方向

中圖分類號：S794.1 ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The form and content of inorganic nitrogen in rubber plantation showed seasonal dynamic changes. In this study， field experiments with different nitrogen application rates were conducted to study the transportation of nitrogen in rubber plantation after fertilization at the early stage. The transportation characteristics of mineral nitrogen were different with different nitrogen application rates， but vertical transportation was the main pathway. The horizontal transportation of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in soil at different levels was mainly within 30 cm. There was obvious downward transportation of ammonium and nitrate nitrogen in the soil under different fertilization treatments. Ammonium nitrogen was mainly transported to the depth of 40–60 cm， and the content of ammonium nitrogen reached 209.43 mg/kg in conventional fertilization and 133.32 mg/kg in 20% reduced fertilization， respectively. Nitrate nitrogen was mainly transported to 20–40 cm depth， and the nitrate nitrogen content of conventional and 20% reduced fertilization was 127.21 mg/kg and 114.29 mg/kg， respectively. There were also significant differences in the downward transportation of inorganic nitrogen under different fertilization treatments. The inorganic nitrogen under 40% reduced fertilization was lower in the deep soil than that under traditional fertilization and 20% reduced fertilization， which indicated further reducing of N leaching loss. The main form of soil mineral nitrogen under different fertilization treatments was ammonium nitrogen. Fertilization increased the proportion of nitrate nitrogen， which may be related to nitrogen fertilizer input and soil pH.

Keywords： rubber plantation; fertilization ratio; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen; horizontal direction; vertical direction

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.12.018

橡膠樹（Hevea brasiliensis）是一種重要的經(jīng)濟樹種，是天然橡膠的主要來源。天然橡膠的種植對于國家工業(yè)發(fā)展、國防不可或缺。海南是我國主要的橡膠種植地區(qū)，橡膠種植總面積由20世紀50年代的1萬hm2增加到目前的52.7萬hm2，約占海南人工林面積的84%[1]。海南屬于高溫多雨的熱帶季風氣候，土壤呈酸性，鐵鋁氧化物含量高，土壤高度風化，導致土壤肥力下降[2]。尤其是氮素養(yǎng)分流失嚴重。海南植膠區(qū)土壤全氮含量比植膠初期降低了40%[3]。

氮是影響橡膠樹生長的主要營養(yǎng)元素，土壤中氮素形態(tài)及其含量影響著橡膠樹的生長發(fā)育以及橡膠樹膠乳產(chǎn)量[4]。土壤中的氮素形態(tài)主要包括有機氮和無機氮。無機氮包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮。作物可吸收的氮是無機態(tài)氮，而無機態(tài)氮僅占土壤總氮的5%[5]。施肥后，土壤中的氮素主要通過淋洗、徑流、氨揮發(fā)等途徑損失，導致氮肥利用率較低[6-7]。目前，橡膠園氮素養(yǎng)分管理已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注[8-10]，在橡膠園氮素養(yǎng)分淋溶損失方面也已開展相關(guān)研究[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)橡膠園土壤中的氮素形態(tài)變化明顯，淋溶運移的特點也就不同。孟盈等[13]對橡膠林土壤中氮素的季節(jié)變化動態(tài)進行研究，發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量及氮素礦化速率主要受到溫度、濕度的限制。陳永川等[14]研究發(fā)現(xiàn)，橡膠林土壤氮素含量存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律，土壤銨態(tài)氮含量在2、4月低于8、11月，硝態(tài)氮含量在2、8月低于4、11月。

因此，根據(jù)橡膠園土壤氮素變化特點進行合理施肥，對于橡膠林養(yǎng)分管理、提高肥料利用率等方面具有重要意義。目前，關(guān)于早期橡膠園施肥后的土壤氮素變化規(guī)律研究較少，對不同氮肥用量條件下的淋溶遷移規(guī)律研究不多，所以我們開展田間試驗研究，研究了不同施肥量條件下早期橡膠園土壤中無機氮運移特點，為生產(chǎn)中的合理施肥管理提供依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

試驗在海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗場（109°29′11.219″ E，19°29′6.215″ N）進行。該區(qū)屬典型熱帶季風氣候，年平均氣溫23.8 ℃，年平均降雨量1650 mm。受熱帶季風氣候的影響，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月至翌年4月）降雨量僅占全年降雨總量的10%～ 30%。選擇生長情況（即莖圍和樹高）相對一致的橡膠樹作為研究對象，這些橡膠樹于2005年定植，2013年開割，樹齡為14 a，割齡為6 a，橡膠樹品種為‘熱研7-33-97’。膠園內(nèi)株行距為3.0 m×7.0 m，小區(qū)面積為2.73 hm2。

1.2 ?方法

1.2.1 ?試驗設(shè)計 ?橡膠生產(chǎn)中一般每年施肥3次，分別按照50%、30%和20%的比例在不同時期施入，本研究以全年的施肥量為基礎(chǔ)，探究了在全年習慣施肥用量的基礎(chǔ)上，減少20%的肥料用量;以及減少20%的肥料用量的同時，將肥料后移，進一步減少早期施肥用量后，土壤中的無機氮的運移特點。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4個處理，分別為：① 空白對照（CK）;② 常規(guī)施肥（CF100），本次施入全年用量的50%;③ 減量20%施肥（CF80），本次施入全年用量的50%;④ 減量20%施肥，本次施入全年用量的37.5%，其余用量后移，本次施肥相對常規(guī)施肥減少40%用量（CF60）。

常規(guī)施肥全年施肥量N∶P2O5∶K2O為14∶7∶9的復合肥2 kg/株，即280 g N，140 g P2O5，180 g K2O，相當于單質(zhì)肥料為609 g尿素，875 g過磷酸鈣（P2O5含量為16%），300 g氯化鉀（K2O含量為60%），本次施入全年用量的50%，氮肥用量為140 g N/株;減量20%施肥處理（CF80），全年用量為復合肥1.6 kg/株，本次施入全年用量的50%，氮肥用量為112 g N/株;常規(guī)減量40%處理（CF60）全年用量為復合肥1.6 kg/株，本次施入全年用量的37.5%，氮肥用量為84 g N/株。

每個處理重復3次，共設(shè)12個小區(qū)，每個小區(qū)約有橡膠樹60株。肥料于2019年4月底進行施用。施肥方式為穴施，施肥穴長80 cm、寬20 cm、深20 cm，位于2株橡膠樹之間，距離橡膠樹主干垂直距離1.5 m，將肥料均勻施于穴中后，隨即覆土。

1.2.2 ?樣品采集 ?在試驗期間，于2019年5月底采集施肥穴土壤樣品。每個小區(qū)分別選擇3個施肥點用土鉆法采集土樣，以施肥穴為取樣原位點，在施肥穴里面均勻布置3個彼此平行的原位點，每個原位點進行距離施肥穴邊緣橫向0（原位點）、5、15、30、45、60 cm布點取樣，采樣深度均為0～20、20～40、40～60、60～80 cm，每個施肥穴3個原位點等距離、同一土層的土壤樣品混合成1個樣品，每個施肥位置橫向和縱向共采集土樣24個，共采集864個樣品。

1.2.3 ?樣品分析 ?測定大田土壤中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。測定方法：稱取5 g土壤樣品，加25 mL 1 mol/L KCl浸提、過濾，濾液用AA3連續(xù)流動分析儀（德國Seal）測定銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)應用SPSS 20軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA），差異顯著性為P<0.05水平，運用Excel軟件進行圖表繪制。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同施氮條件下無機氮在土壤中的水平運移

2.1.1 ?土壤銨態(tài)氮的水平運移 ?由圖1可知，施肥后銨態(tài)氮的含量明顯增加，尤其是在施肥穴處（0 cm），常規(guī)施肥和減量20%顯著高于空白處理;常規(guī)施肥與減量20%的銨態(tài)氮含量均高于減量40%施肥處理，這與減量40%施肥處理的施肥量最少有關(guān)，表明施肥量對土壤銨態(tài)氮殘留影響較大：施肥量越大，土壤中殘留銨態(tài)氮含量越大。在距施肥穴不同水平距離下，隨著距離的增加，土壤銨態(tài)氮含量呈減小趨勢，常規(guī)施肥和減量20%處理，在5 cm處分別衰減至施肥穴處的32.94%和34.56%，15 cm處時分別為施肥穴的29.29%和23.23%，30 cm開始銨態(tài)氮含量不再有明顯變化，說明銨態(tài)氮在距離施肥穴30 cm處，遷移能力明顯減弱。并且在60 cm處，各處理的土壤銨態(tài)氮含量趨于相近。

2.1.2 ?土壤硝態(tài)氮的水平運移 ?由圖2可知，施肥后硝態(tài)氮的含量明顯增加。在距施肥穴不同水平距離的土壤中，空白處理硝態(tài)氮含量未表現(xiàn)出明顯的變化，維持在3.41 mg/kg左右;隨著距離的增加，施肥處理硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)出明顯的遞減趨勢，在距離施肥穴30 cm處，硝態(tài)氮含量變化不再明顯，遷移能力明顯減弱。在60 cm處，各處理的土壤硝態(tài)氮含量趨于相近水平。

2.1.3 ?土壤無機氮的水平運移 ?由圖3可知，施肥后在施肥穴處（0 cm），各施肥處理無機氮含量均顯著高于空白處理;在距施肥穴不同水平距離下，隨著距離的增加，土壤無機氮含量呈下降趨勢，各施肥處理在5 cm處無機氮含量迅速降低，15 cm處無機氮含量下降趨勢減緩，30 cm開始無機氮含量不再有明顯變化，說明無機氮在距離施肥穴30 cm處，遷移能力明顯減弱，并且在60 cm處，各處理的土壤無機氮含量趨于相近。

2.2 ?不同施氮條件下無機氮在土壤中的垂直運移

2.2.1 ?土壤銨態(tài)氮的垂直運移 ?由圖4可知，施肥顯著增加了銨態(tài)氮的含量，這顯然與施氮量有關(guān)，施氮量越高，銨態(tài)氮含量越高;常規(guī)施肥、減量20%均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在40～ 60 cm處分別達到最大值209.44、133.32 mg/kg;減量40%施肥表現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢，在60～ 80 cm處達到最大值87.73 mg/kg。說明這一時期所施氮肥向下淋洗明顯，可達到60～80 cm土層，但在40～60 cm土層分布較多。

2.2.2 ?土壤硝態(tài)氮的垂直運移 ?由圖5可知，施肥增加了硝態(tài)氮的含量，施氮量越大，土壤中硝態(tài)氮含量越高。常規(guī)施肥、減量20%施肥表現(xiàn)出先增后減的趨勢，在20～40 cm處達到最大值127.22、114.30 mg/kg;減量40%施肥表現(xiàn)出先減后增的趨勢，在40～60 cm處達到最小值23.02 mg/kg。這一時期硝態(tài)氮主要遷移至20～40 cm土層。常規(guī)施肥、減量20%、減量40%施肥硝態(tài)氮含量分別為127.22、114.30、46.74 mg/kg。

2.2.3 ?土壤無機氮的垂直運移 ?由圖6可知，施肥增加了土壤無機氮的含量。常規(guī)施肥表現(xiàn)出先增后減的趨勢，在40～60 cm處達到最大值292.53 mg/kg;減量20%表現(xiàn)出先增后減的趨勢，在20～40 cm處達到最大值190.07 mg/kg;減量40%施肥表現(xiàn)出遞增的趨勢，在60～80 cm處達到最大值129.89 mg/kg。在幾個土層中，常規(guī)施肥高于減量20%，高于減量40%施肥處理，說明施氮量越高，土壤中無機氮含量越高。無機氮主要遷移至40～60 cm土層。常規(guī)施肥、減量施肥、減量40%施肥在40～60 cm土層無機氮含量分別為292.53、189.84、105.56 mg/kg。說明無機氮能移動到60～ 80 cm深度土層，但主要停留于40～60 cm土層。

2.3 ?不同施氮量對水平方向土壤中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量比例的影響

由表1可以看出，施肥降低了銨態(tài)氮的占比，空白對照明顯高于施肥處理，空白對照在不同水平距離上銨態(tài)氮占比沒有明顯變化，常規(guī)施肥與減量20%的銨態(tài)氮占比相近，高于減量40%施肥，這可能與施肥量有關(guān)。水平方向上施肥處理表現(xiàn)波動變化的趨勢，遠施肥穴處相較于施肥穴處均有明顯增大。說明距離施肥穴邊緣越遠，銨態(tài)氮所占比例越大。

施肥增加了硝態(tài)氮的占比，常規(guī)施肥與減量20%相近，低于減量40%施肥。水平方向上，施肥組表現(xiàn)出波動變化的趨勢，遠施肥穴處相較于施肥穴整體而言均出現(xiàn)明顯減小。說明距離施肥穴邊緣越遠，硝態(tài)氮所占比例越小。

2.4 ?不同施氮量對垂直方向土壤中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量比例的影響

由表2可以看出，施肥后銨態(tài)氮占比降低，空白對照明顯高于施肥處理，常規(guī)施肥與減量20%相近，高于減量40%施肥，應與施肥量有關(guān)。垂直方向上，常規(guī)施肥、減量20%表現(xiàn)出明顯的先減后增趨勢;減量40%施肥表現(xiàn)出明顯的先增后減趨勢，均在40～60 cm土層達到最大值，說明銨態(tài)氮在土壤中的垂直遷移，主要停留在40～ 60 cm土層。

施肥后硝態(tài)氮占無機氮總量的比例隨氮肥的施入而降低，空白對照明顯低于施肥組，常規(guī)施肥與減量20%相近，低于減量40%施肥，應與施氮量有關(guān)。垂直方向上，常規(guī)施肥、減量20%表現(xiàn)出明顯的先增后減趨勢，在20～40 cm土層達到最大值;減量40%施肥表現(xiàn)出先減后增的趨勢，在0～20 cm處達到最大值，但20～40 cm與0～ 20 cm的所占比例相對持平，故而證明硝態(tài)氮在土壤中經(jīng)過淋洗遷移，主要停留在20～40 cm土層。

3 ?討論

研究表明，淋溶損失是氮素從土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)流失的主要途徑之一[15]。這可能與長期不同施肥導致土壤水分構(gòu)成、溶質(zhì)運移方式產(chǎn)生差異有關(guān)[16]，也可能與長期施肥導致土壤氮素供用過量有關(guān)，此外，與肥料類型、施肥方式也可能有一定的關(guān)系[17]。Siemens等[18]認為，氮肥過量或不合理施用是引起設(shè)施土壤硝態(tài)氮累積與淋溶的主要原因。本研究結(jié)果顯示，各施肥處理的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機氮含量整體水平方向的殘留情況為：空白處理<減量40%施肥<減量20%<常規(guī)施肥，且常規(guī)施肥方式的殘留量遠遠大于其他施肥方式。這說明，橡膠園土壤早期施氮量增加，會引起氮素在土壤中的殘留。因此，為提高氮肥利用率，減少肥料損失，在不同時期調(diào)整施肥量是十分必要的。

此外，各處理銨態(tài)氮、硝態(tài)氮主要殘留在施肥穴處，隨著水平距離的增加表現(xiàn)出遞減趨勢，從0～5 cm發(fā)生明顯減少，隨后變化不再明顯。這

可能與土壤水分運移有關(guān)，由于土層中水分的橫向移動能力較弱，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮水平移動距離有限。這與前人研究結(jié)果相似，韓國君等[19]研究顯示，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量隨著距滴灌施肥點距離的增加而降低，且銨態(tài)氮累積在距施肥點水平向0～7.5 cm的范圍內(nèi)。并且，穴施尿素土壤銨態(tài)氮含量的空間變幅比滴灌施肥減小12%～28%。

施肥量對膠園土壤中氮素在垂直方向上的遷移有顯著影響。各施肥處理的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和無機氮含量整體垂直方向的殘留情況為：空白處理<減量40%施肥<減量20%<常規(guī)施肥。并且施肥量增加，土壤氮素向下遷移量也隨之增加。減量20%和減量40%施肥遷移量低于常規(guī)施肥，略高于空白處理，說明這2種施肥量有利于橡膠園早期氮素持留，是本研究中膠園氮素施肥的合理用量。

有研究表明，由于硝態(tài)氮（NO3–）帶負電，與銨態(tài)氮相比，更容易從土壤中淋失[20]。但是，本研究結(jié)果顯示，橡膠園土壤施肥早期，土壤中的銨態(tài)氮更易向下遷移，銨態(tài)氮主要遷移至40～ 60 cm土層，硝態(tài)氮主要遷移至20～40 cm土層，說明這一時期在土壤中無機氮主要以銨態(tài)氮的形式移動，硝態(tài)氮的遷移能力弱于銨態(tài)氮。這可能與肥料在土壤中的轉(zhuǎn)化以及作物的吸收利用有關(guān)。一方面，肥料中的尿素脲酶的作用下，水解為碳酸銨，并釋放出銨態(tài)氮，還沒有經(jīng)過硝化作用轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮即發(fā)生遷移[21]，土壤中的氮素以銨態(tài)氮形式向下遷移。另一方面，深層土壤的環(huán)境不利于硝化反應的發(fā)生，減少了深層土壤硝態(tài)氮含量。此外，也有可能是由于橡膠樹是喜硝作物，硝態(tài)氮更容易被橡膠根系吸收，故而可向下遷移的量變少。

本研究結(jié)果顯示，在不施肥的條件下，在橡膠林土壤中土壤無機氮主要以銨態(tài)氮形式存在。這可能與土壤pH有關(guān)。研究表明：硝化細菌活性適宜的pH范圍為6.7～8.3[22]，當土壤pH值遠離該范圍時，則硝化細菌活性受到抑制，硝化過程被削弱[23-24]。本研究中橡膠林土壤pH值在4.5～ 5.5之間，土壤中無機氮轉(zhuǎn)化過程主要以氨化作用為主。因此，當尿素施入土壤后，尿素主要被脲酶轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮而逐漸累積。

施肥后，土壤的銨態(tài)氮占比降低，硝態(tài)氮占比增加，并且表現(xiàn)為，銨態(tài)氮在40～60 cm的土層占比高，硝態(tài)氮在20～40 cm的土層占比高。這進一步體現(xiàn)了膠園早期施肥后銨態(tài)氮、硝態(tài)氮在土壤中的分布規(guī)律。與不施肥處理相比，氮肥（尿素）施入土壤后，銨態(tài)氮的比例降低。這可能與氮肥對土壤微生物的激發(fā)效應有關(guān)。微生物是激發(fā)效應的驅(qū)動者，在自然條件下，大部分微生物處于休眠或潛在活躍狀態(tài)[25]，當向系統(tǒng)中投入無機氮肥后，能夠促進土壤硝化微生物——氨氧化細菌的增長繁殖[26-28]，從而產(chǎn)生正激發(fā)效應。這增加了微生物對土壤無機氮的利用，而微生物會優(yōu)先選擇能量消耗小的銨態(tài)氮利用。這可能會增加對土壤銨態(tài)氮的消耗，表現(xiàn)出施肥后土壤銨態(tài)氮占比降低的情況。

土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的遷移還是取決于多種因素，除因作物不同生育期吸收量不同外，氮肥施用量、施肥方式、灌溉量、灌溉時間、氨揮發(fā)等都是決定其動態(tài)變化的主要重要因素[19～20]。因此，對于膠林氮素水平、垂直方向遷移和淋洗過程，還要進行更深入的研究和探討才能明確引起其變化的具體因素。

4 ?結(jié)論

不同施肥處理土壤中礦質(zhì)氮素的運移特點有所不同，但均以垂直運移為主。土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在不同層次的水平運移均表現(xiàn)出遞減趨勢，運移主要在30 cm以內(nèi)。銨態(tài)氮存在明顯的向下遷移，主要遷移至40～60 cm深度，常規(guī)施肥、減量20%分別達到最大值209.43、133.32 mg/kg;在60～80 cm土層，各施肥處理銨態(tài)氮含量也顯著增加。不同施肥處理的無機氮垂直遷移量也發(fā)生顯著變化，減量40%施肥的無機氮在深層土壤中低于常規(guī)施肥和減量20%，進一步減少了無機氮的向下淋溶損失。在土壤中無機氮主要以銨態(tài)氮的形式移動，硝態(tài)氮的遷移能力弱于銨態(tài)氮。與不施肥處理相比，氮肥（尿素）施入土壤后，銨態(tài)氮的比例降低。這與其低pH有關(guān)。

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