施肥對菜地土壤、蔬菜、徑流中δ¹⁵N組成的影響

張麗君 胡燕芳 王京文 章明奎

摘要：為了解施肥對蔬菜地土壤、蔬菜和地表水體中δ15N豐度的影響，選擇2012至2018內(nèi)施用不同肥料的28塊蔬菜地（包括13塊施用化肥蔬菜地、8塊施用畜禽糞蔬菜地和7塊施用商品有機肥加化肥蔬菜地），采樣分析表層土壤、蔬菜地上部分和地下部分及地表徑流樣的δ15N豐度。結(jié)果表明：施肥種類對土壤、蔬菜和地表徑流中δ15N豐度均可產(chǎn)生顯著影響，其豐度值由高至低依次為：畜禽肥>商品有機肥加化肥>化肥。蔬菜和地表水與土壤之間的δ15N豐度存在正相關(guān)。分析認為，蔬菜產(chǎn)品中氮同位素組成可以作為鑒定有機蔬菜的輔助依據(jù)，地表水體中δ15N豐度可作為水體中氮素污染源的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：蔬菜地；δ15N豐度；有機蔬菜；有機肥；化肥；污染源識別

中圖分類號：S158文獻標(biāo)志碼：A論文編號：cjas20190900203

Effects of Fertilization on the Composition ofδ15N in Soil， Vegetables and Runoff of Vegetable Field

Zhang Lijun1， Hu Yanfang2， Wang Jingwen3， Zhang Mingkui4

（1Pingyang County Agricultural and Rural Bureau， Pingyang 325400， Zhejiang， China； 2Kecheng District Soil-fertilizer and Rural Energy Technology Extension Station of Quzhou City， Quzhou 324000， Zhejiang， China； 3Hangzhou Plant Protection and Soil-fertilizer Station， Hangzhou 310020， Zhejiang， China； 4College of Environmental and Resource Sciences， Zhejiang University， Hangzhou 310058， Zhejiang， China）

Abstract： To understand the effect of fertilization on the abundance ofδ15N in soil， vegetables and surface water， 28 plots of vegetable field applied with different fertilizers during 2012 to 2018， including 13 plots with chemical fertilizer， 8 plots with livestock manure and 7 plots with commercial organic fertilizer and chemical fertilizer， were selected. The surface soil， both aboveground and groundwater parts of vegetables， and surface runoff samples in the fields were collected and their abundance ofδ15N was measured. The results showed that fertilizer types had significant effects on the abundance ofδ15N in soil， vegetables and surface runoff， and the abundance decreased in the order of livestock and poultry fertilizer > commercial organic fertilizer + chemical fertilizer > chemical fertilizer. There was a positive correlation between the abundance ofδ15N in vegetables and surface water and soil. It is concluded that the nitrogen isotope composition of vegetable products could be used as an auxiliary basis for the identification of organic vegetables， and the abundance ofδ15N in surface water could be used as an indicator of nitrogen pollution sources in water body.

Keywords： Vegetable Field；δ15N Abundance； Organic Vegetables； Organic Fertilizer； Chemical Fertilizer； Pollution Source Identification

0引言

氮是植物生長重要的必需元素，植物需要的氮素主要來源于土壤和肥料，因此，土壤中氮素的水平、形態(tài)及肥料施用的種類及施肥量對植物氮素組成有很大的影響[1-3]。自然界中氮素有多種同位素，而不同同位素氮的性狀有所差異，因此自然界中氮素同位素的分布是不均勻的，植物對不同同位素氮的吸收能力有所差異[4-8]。15N是自然界重要的同位素氮，20世紀(jì)70年代以來，有研究者發(fā)現(xiàn)農(nóng)田作物中δ15N值（δ15N自然豐度）會因肥料來源不同而產(chǎn)生差異[9-15]。一般來說，化肥氮具有穩(wěn)定的N同位素值，其δ15N接近于空氣中的δ15N=0，在-2‰～2‰之間[11，16]。而在有機體中發(fā)生的生化反應(yīng)或者物理化學(xué)反應(yīng)可增加氮分餾效應(yīng)，動物糞便、堆肥、植物秸稈等δ15N偏正，其中動物糞便δ15N在10‰～20‰之間[17-21]，土壤有機氮源δ15N為4‰～9‰。因此，有研究認為通過測定土壤和作物中δ15N可跟蹤農(nóng)田施用的肥料種類[22-23]，據(jù)此，有人認為有機農(nóng)產(chǎn)品的δ15N應(yīng)高于一般農(nóng)產(chǎn)品[16，21]。

筆者在浙江省選擇代表性蔬菜基地28個，采集表土樣和對應(yīng)的蔬菜樣品及雨季徑流樣，探討化肥與有機肥蔬菜基地土壤與蔬菜中δ15N豐度的差異，分析不同施肥對地表水體中氮素同位素的影響，以期驗證浙江省不同蔬菜基地因肥料施用的差異是否會導(dǎo)致土壤、農(nóng)產(chǎn)品及地表徑流中δ15N的差異。

1材料與方法

1.1試驗材料

于2018年在浙江省選擇代表性蔬菜基地28個，采集表土樣（0～15 cm）和對應(yīng)的蔬菜樣品及雨季地表徑流樣。根據(jù)采樣蔬菜基地采樣前7年（2012至2018年）內(nèi)施肥特點，可把采樣區(qū)分為3類：一類是長期施用化肥的蔬菜基地（基本上不施用有機肥，年化肥施用量在510～840 kg/hm2之間），共13個樣地（采自杭州、溫州、衢州、紹興等地）；第二類為同時施用商品有機肥和化肥的蔬菜地（年化肥施用量在185～460 kg/hm2之間；年商品有機肥用量1.0～2.5 t/hm2之間），共7個樣地（采自杭州、溫州、衢州、紹興等地）；第3類為長期施用畜禽糞的蔬菜地（年畜禽糞用量2.3～4.5 t/hm2之間），共8個樣地（采自杭州、溫州、衢州、紹興等地）。表土樣由采樣田塊內(nèi)6個點位樣混合而成；蔬菜樣由土樣采集點對應(yīng)的6株蔬菜混合而成，蔬菜種類包括：白菜、芹菜、蘿卜、波菜。雨季地表徑流樣從采樣田塊的排水溝中采集。

1.2分析方法

采集的土樣風(fēng)干后，過篩、備用。蔬菜樣帶回實驗室105℃殺青后，55℃烘干，并用微型粉碎機及球磨機將植物樣品粉碎保存待測。全N和全C采用元素分析儀測定。穩(wěn)定同位素δ15N采用同位素質(zhì)譜儀（Delta Plus XP）進行測定，精度為0.15‰。

δ15N豐度表示如式（1）所示。

δ15N樣品=[（R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)）-1]×1000‰………………（1）式中，R樣品為樣品中15N與14N的比值；R標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（空氣氮庫）中15N與14N的比值（15N/14N=0.00368）。

1.3統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003處理，統(tǒng)計分析采用SPSS 12.0軟件完成。不同處理之間變量的顯著性檢驗采用最小顯著差異法（LSD）。

2結(jié)果與分析

2.1不同蔬菜基地土壤中δ15N特征

由表1可知，因施肥的不同，土壤中δ15N特征也發(fā)生了較大的變化。長期施用化肥的土壤δ15N值明顯低于長期施用有機肥的土壤，兩者之間δ15N的平均值存在顯著差異，前者δ15N值多數(shù)在6.8‰以下，而后者的δ15N值基本上在6.8‰以上；而有機肥料與化肥配合施用的土壤δ15N值介于長期施用化肥的土壤與長期施用有機肥的土壤之間。這一結(jié)果表明，有機肥長期施用可增加土壤的δ15N值。

2.2不同蔬菜基地蔬菜中δ15N特征

蔬菜中的δ15N值高于相應(yīng)的土壤（見表1），且蔬菜不同部位組織樣品的δ15N值也有差異，地上部分（葉）高于地下部分（根）。其中，根部δ15N值高出土壤0～3.19‰，葉中δ15N值高出土壤0.27‰～4.99‰，平均分別高出1.26‰和2.78‰。由表1可知，不同施肥情況下蔬菜中δ15N值也有與土壤類似的變化，施用有機肥料和有機無機配合施用的蔬菜明顯高于施用化肥的蔬菜，而施用有機肥料也明顯高于施用有機無機配合施用的蔬菜。

2.3不同蔬菜基地地表徑流中δ15N特征

施化肥的蔬菜基地與施用有機肥的蔬菜基地地表徑流中δ15N值差異非常明顯（見表1），這種差異遠高于在土壤和蔬菜中的差異。其原因是：施化肥情況下徑流中的δ15N值遠低于相應(yīng)的土壤和蔬菜，而施有機肥的徑流中δ15N值又高于相應(yīng)的土壤和蔬菜。據(jù)計算，在施用化肥情況下，徑流中δ15N值分別比土壤、蔬菜地上部分和蔬菜地下部分分別降低-0.47‰～7.41‰、1.60‰～11.10‰和1.56‰～10.43‰，平均分別為3.72‰、6.71‰和5.64‰；在施用有機肥情況下，徑流中δ15N值分別比土壤、蔬菜地上部分和蔬菜地下部分分別高出-0.33‰～12.67‰、-4.07‰～8.11‰和-1.71‰～ 9.91‰，平均分別高出4.48‰、0.54‰和2.90‰。

2.4土壤與蔬菜、地表徑流間δ15N值的關(guān)系

表2的結(jié)果表明，土壤與蔬菜、地表徑流間δ15N值存在顯著的相關(guān)。這一結(jié)果進一步表明，有機肥的長期施用增加了土壤中有機肥來源的氮素，當(dāng)有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮后，將有更多比例的有機肥來源的氮素被植物吸收利用，從而增加了蔬菜中δ15N值，因此，蔬菜與土壤δ15N值之間顯示出顯著的相關(guān)性。

3結(jié)論

研究證實施肥種類對土壤、蔬菜和地表徑流中δ15N均可產(chǎn)生顯著影響，其豐度值由高至低依次為畜禽肥>商品有機肥加化肥>化肥。蔬菜、地表水與土壤之間的δ15N豐度存在正相關(guān)。認為蔬菜產(chǎn)品中氮位同位素組成可以作為鑒定有機蔬菜的輔助依據(jù)；地表水體中氮同位素組成可作為水體中氮素污染源的指標(biāo)。該研究結(jié)果對研究其他蔬菜的氮肥種類的追溯分析同樣具有借鑒意義。

4討論

氮的同位素可以用來示蹤生態(tài)系統(tǒng)氮的循環(huán)，在自然界中，各種物理、化學(xué)和生物化學(xué)等因素都會引起同位素自然豐度的變異，這種現(xiàn)象被稱為同位素分餾作用，其結(jié)果是不同環(huán)境物質(zhì)中同位素組成比例會有顯著的不同。據(jù)報道，有機肥和化肥之間氮同位素組成差異很大，這與15N比14N質(zhì)量大、容易在某些自然體中富集有關(guān)。一般來說，在生物鏈中級別越高的生物越容易富集15N，因此在農(nóng)作物中15N更易比14N富集。相反，由于化學(xué)合成氮肥主要來源于空氣，因此化學(xué)法氮肥中15N的含量與大氣中的含量相當(dāng)。而制作有機肥的有機物料最終來源于動植物體。因此應(yīng)用于農(nóng)地的有機肥料中15N豐度明顯要高于化學(xué)法氮肥。而因有機肥與化肥之間N同位素組成的差異，當(dāng)它們施入土壤后勢必會影響土壤中N同位素的組成。當(dāng)作物吸收土壤N時，有2個方面的原因影響作物（本文中的蔬菜）中同位素組成的差異，一是因施肥不同導(dǎo)致土壤N同位素組成差異引起的差異；二是作物對不同N同位素吸收遷移的差異。

有機農(nóng)業(yè)是遵照一定的有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其不使用化學(xué)肥料，有機物料是其養(yǎng)分氮的主要來源。因此有機產(chǎn)品與常規(guī)產(chǎn)品具有不同的氮穩(wěn)定同位素組成[21]，常用千分差δ值來表示穩(wěn)定同位素比值。本研究的結(jié)果表明，有機蔬菜的δ15N值高于常規(guī)蔬菜，這種現(xiàn)象也已被許多研究所證實[16～20]。早在20世紀(jì)70年以來，許多科學(xué)家通過穩(wěn)定同位素來研究植物、土壤和肥料的關(guān)系，認為氮同位素組成是個追蹤田間氮源的很好方法。有關(guān)研究都表明，不同施肥的生產(chǎn)系統(tǒng)中蔬菜的氮同位素組成差異顯著，其中有機產(chǎn)品的15N富集明顯。結(jié)合本研究的結(jié)果，可以認為，同位素分析可很好地區(qū)分有機蔬菜和常規(guī)蔬菜。同樣因地表徑流中氮素同位素與土壤之間相關(guān)，與施肥存在關(guān)聯(lián)，可以認為地表水體中氮同位素組成可作為水體中氮素污染源的指標(biāo)。

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