黃土高原旱地長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤硝態(tài)氮淋失的影響

陳 磊, 郝明德, 李占斌

(1.長(zhǎng)安大學(xué)雜志社, 西安 710064 ; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

黃土高原旱地長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤硝態(tài)氮淋失的影響

陳 磊1,2, 郝明德2, 李占斌2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)雜志社, 西安 710064 ; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100)

對(duì)1984年建設(shè)的渭北旱塬的長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)土壤剖面硝態(tài)氮含量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：施肥12 a后單施有機(jī)肥處理的硝態(tài)氮含量在60 cm以下土層，與CK、P含量接近，未發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮淋溶；NPM處理的累積峰在60—140 cm，氮磷配施在100—120 cm。22 a后，除CK和P外，各處理均在40—100 cm土層出現(xiàn)累硝態(tài)氮積峰，其中N、NP、NPM處理硝態(tài)氮分布呈現(xiàn)出雙峰曲線(在60 cm和200 cm處均出現(xiàn)累積峰)，表現(xiàn)出向更深土層淋溶的趨勢(shì)。單施氮肥平均每年累積量高達(dá)73.5 kg/hm2，雖然NP和NPM年均累積速率比N處理分別減少了57.7%和78.6%，長(zhǎng)期超量施用有機(jī)肥依然存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，必將造成氮素的大量損失，但該區(qū)的地下水埋藏深厚(50 m)，對(duì)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)小。

長(zhǎng)期試驗(yàn); 施肥; 土壤剖面; 硝態(tài)氮; 累積; 淋溶

本文基于1984年建立的黃土高原旱地長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，對(duì)比分析長(zhǎng)期施肥對(duì)硝態(tài)氮淋失的影響，揭示長(zhǎng)期施肥后硝態(tài)氮在土壤剖面中分布特征，以期為該區(qū)合理施肥、非點(diǎn)源污染防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

長(zhǎng)期肥料定位試驗(yàn)位于黃土高原中南部的陜西省長(zhǎng)武縣十里鋪村旱地上(東經(jīng)107°40′，北緯35°12′)，黃土堆積深厚，土壤為黃蓋黏黑壚土，試驗(yàn)地海拔1 200 m，年均降水578.5 mm，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。1984年布設(shè)試驗(yàn)時(shí)耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀含量分別為10.5 g/kg，0.57 g/kg，37.0 mg/kg，0.659 mg/kg，3.0 mg/kg，129.3 mg/kg。試驗(yàn)地在黃土高原旱地有一定代表性。

該長(zhǎng)期試驗(yàn)包括36個(gè)處理的輪作試驗(yàn)和24個(gè)處理的肥料配比試驗(yàn)，本文選取小麥連作6個(gè)處理：(1) CK(不施肥)；(2) N(單施氮肥)；(3) P(單施磷肥)；(4) NP(配施氮、磷肥)；(5) M(單施有機(jī)肥)；(6) NPM (配施氮、磷和有機(jī)肥)。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積6.6×10=66.6 m2。 氮肥(尿素)為純N 120 kg/hm2，磷肥(過磷酸鈣)為純P 26.4 kg/hm2，有機(jī)肥為廄肥75 t/hm2(全氮含量為2.65 g/kg，相當(dāng)于純氮198.8 kg/hm2)。小麥9月下旬播種，6月下旬收獲，6—9月為休閑期。每年小麥播種前將肥料撒施地表，翻入土中。

對(duì)1997年和2006年采集的土壤樣品進(jìn)行分析(取樣深度為0—300 cm，分層為20 cm)，取風(fēng)干儲(chǔ)存的土樣10 g，于150 ml塑料瓶中；加入100 ml濃度為0.01 mol/L的KCl提取液，并振蕩60 min，定量分析濾紙過濾。浸提液的硝態(tài)氮(NO3-N)含量用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定(結(jié)果以風(fēng)干基計(jì))。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面硝態(tài)氮分布

對(duì)1997年時(shí)長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)中6個(gè)處理土壤硝態(tài)氮含量分析發(fā)現(xiàn)，土壤剖面硝態(tài)氮分布受施肥的顯著影響(圖1，2)：連續(xù)種植冬小麥13 a后，對(duì)照和P處理(未施用氮肥)耕層含量略有增加；因長(zhǎng)期缺乏N肥的補(bǔ)給，加之小麥吸收利用，60—300 cm含量低于1.0 mg/kg，趨于耗竭。施用有機(jī)肥和單施氮肥的硝態(tài)氮含量在0—60 cm土層顯著增加；但在60 cm以下，單施有機(jī)肥與對(duì)照無差異，而單施氮肥各土層均顯著增加；在0—300 cm內(nèi)硝態(tài)氮累積量為對(duì)照的15倍以上。耕層土壤硝態(tài)氮含量以氮磷有機(jī)肥配施最高，達(dá)25.5 mg/kg；單施氮肥和有機(jī)肥分別為氮磷有機(jī)肥配施的29.1%和38.9%；對(duì)照和單施磷肥相當(dāng)，僅占9.8%；氮磷配施僅占2.8%。在20—60 cm土層的硝態(tài)氮含量，氮磷有機(jī)肥配施約為10 mg/kg；單施氮肥、氮磷配施和單施有機(jī)肥含量為2.3～4.0 mg/kg；CK和P含量?jī)H為0.8～1.6 mg/kg。在60 cm以下土層，對(duì)照、單施磷肥和單施有機(jī)肥均未發(fā)現(xiàn)硝態(tài)氮淋溶，而施氮處理(N、NP、NPM)的硝態(tài)氮累積顯著。單施氮肥硝態(tài)氮累最高，在80—220 cm出現(xiàn)累積現(xiàn)象，在220 cm以下含量為3.7～9.4 mg/kg，仍顯著高于其他處理；有機(jī)肥的施用能顯著提高耕層硝態(tài)氮累積量，但對(duì)耕層以下的影響不大。其原因可能與氮磷配施、氮磷有機(jī)肥配施促進(jìn)小麥根系生長(zhǎng)，提高了深層土壤中氮素的吸收利用，其土壤硝態(tài)氮累積峰分別出現(xiàn)在作物易利用區(qū)(60—140 cm和100—120 cm)，殘留累積量顯著減少。

圖11997年土壤剖面硝態(tài)氮分布圖22006年土壤剖面硝態(tài)氮分布

2006年時(shí)N、NP、NPM處理土壤硝態(tài)氮在60 cm和200 cm處均出現(xiàn)累積現(xiàn)象，分布呈現(xiàn)雙峰曲線。耕層土壤中CK處理土壤硝態(tài)氮含量為6.5 g/kg，與CK相比，N與CK相當(dāng)；NP增加了24.9%，M和NPM含量大于15 g/kg，增加了2倍以上。在40—80 cm土層，除CK和P外，N、NP、M、NPM處理均出現(xiàn)硝態(tài)氮累積峰，80—200 cm土層硝態(tài)氮含量均顯著下降，其中單施氮肥下降至10 mg/kg左右，其它處理下降至1.0 mg/kg左右。值得注意的是NP、NPM和N處理在200 cm以下硝態(tài)氮含量呈增加趨勢(shì)，維持在10～40 mg/kg，在250 cm處再次出現(xiàn)累積峰，呈現(xiàn)出向深層土壤淋溶的趨勢(shì)。

2.2 土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?/p>

結(jié)合已有監(jiān)測(cè)資料和近3 a的土壤容重分析，0—40，40—80，80—140，160—200，200—300 cm土層容重取值分別取1.30，1.40，1.35，1.32，1.30 g/cm3，計(jì)算各層土壤硝態(tài)氮累積，結(jié)果見表1。由表1可知，耕層土壤硝態(tài)氮累積顯著，在1997年時(shí)，以NPM最大，達(dá)66.40 kg/hm2；N和M相當(dāng)，約20 kg/hm2左右；而12 a未施用任何氮肥的CK和P處理約為6.8 kg/hm2。22 a后，N處理土壤硝態(tài)氮含量略有減少，NPM減少了23.58%，CK、P、M、NP分別增加了91.14%，29.02%，70.01%，140.06%。

1997年時(shí)，與對(duì)照相比，單施磷肥各土層硝態(tài)氮累積略有增加；N在0—300 cm增加了21.2倍，NPM增加了18.7倍(0—60 cm增加尤為顯著)。與1997年的試驗(yàn)結(jié)果比較，2006年時(shí)0—60 cm土層硝態(tài)氮累積量均增加，其中NPM僅增加了26.25%，其它處理增加顯著(206.15%～475.82%)。在0—300 cm土壤剖面內(nèi)，CK的硝態(tài)氮累積量為69.37 kg/hm2。與CK相比，長(zhǎng)期單施磷肥減少了6.2%；N的殘留量高達(dá)1 006.41 kg/hm2，增加了13.5倍；NPM和NP分別增加了6.2倍和5.7倍，單施M增加了1.7倍。

表1 土壤剖面硝態(tài)氮累積量

2.3 深層土壤硝態(tài)氮累積率

表2 1997-2006年土壤硝態(tài)氮累積率

1997—2006年，硝態(tài)氮累積量以單施氮肥的最大，達(dá)661.1 kg/hm2，每年平均的累積速率為73.5 kg/hm2，相當(dāng)于年施肥量的56.23%；氮磷肥配施累積量為399.6 kg/hm2，比單施氮肥減少了39.6%，年累積速率為44.4 kg/hm2，減少顯著，相當(dāng)于年施肥量的32.01%；有機(jī)肥處理均能顯著減少硝態(tài)氮累積，相當(dāng)于肥料施用量的5%，其中M和NPM硝態(tài)氮累積量分別為141.5，193.8 kg/hm2，年平均累積速率為15.7，21.5 kg/hm2，配施有機(jī)肥是減少土壤硝態(tài)氮累積率的有效途徑，其原因與有機(jī)肥不僅增加土壤中的氮素，同時(shí)P、K等元素也顯著提高，促進(jìn)小麥的氮利用率。

3 結(jié) 論

土壤硝態(tài)氮淋溶是黃土高原旱地氮素?fù)p失的重要途徑之一。長(zhǎng)期施肥22 a后，在40—80 cm土層，除CK和P外，N、NP、NPM、M處理均出現(xiàn)硝態(tài)氮累積峰，在200 cm以下土層，施N處理(NP、NPM和N)的顯著增加，硝態(tài)氮含量維持在10～40 mg/kg，250 cm處再次出現(xiàn)累積峰，有向深層土壤淋溶的趨勢(shì)。9 a后0—300 cm土壤硝態(tài)氮累積殘留量，以N處理最高，高達(dá)1 006.41 kg/hm2，NPM、NP分別為500.89，464.03 kg/hm2，M為184.18 kg/hm2，CK的硝態(tài)氮累積量為69.37 kg/hm2，P比CK減少了6.2%。

單施氮肥的硝態(tài)氮累積率相當(dāng)于當(dāng)年施肥的56.23%殘留于土壤中，NP相當(dāng)于32.01%，M僅相當(dāng)于5%。配施有機(jī)肥是減少土壤硝態(tài)氮累積率的有效途徑，NPM累積量比NP減少了22.9 kg/hm2。

平衡施肥是保證作物產(chǎn)量，提高氮肥利用率，避免過量氮素向環(huán)境流失的關(guān)鍵。1997—2006年間的長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期單施氮肥的土壤硝態(tài)氮年累積量高達(dá)73.5 kg/hm2，氮磷配合施用也高達(dá)44.4 kg/hm2。1997年時(shí)，M處理在60 cm以下的硝態(tài)氮含量與CK、P含量接近，未發(fā)現(xiàn)累積與淋溶現(xiàn)象；而9 a后，有機(jī)肥處理也出現(xiàn)累積峰。英國(guó)洛桑試驗(yàn)站預(yù)測(cè)廄肥區(qū)和化肥區(qū)的硝態(tài)氮淋溶損失分別為124.25 kg/hm2，表明長(zhǎng)期超量施用有機(jī)肥造成大量的氮素?fù)p失，依然存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。但黃土高原地區(qū)地下水埋藏深厚，對(duì)地下水污染較小。

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EffectsofLong-termApplicationofFertilizersonNitrateAccumulationintheLoessPlateauDryland

CHEN Lei1,2, HAO Ming-de2, LI Zhan-bin2

(1.MagazinesCompany,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

long-term experiment; fertilization; soil profile; nitrate; accumulation; leaching

2013-08-15

：2013-09-24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“農(nóng)田水土保持關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2011BAD31B01);寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)科技推廣項(xiàng)目(NTKJ-2013-03-1)

陳磊(1982—),男,陜西三原人,博士,主要從事黃土高原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)方面的研究。E-mail:chenl061@163.com

郝明德(1957—),男,陜西華縣人,研究員,博士研究生導(dǎo)師,主要從事黃土高原綜合治理。E-mail:mdhao@ms.iswc.ac.cn

S153.6+1

：A

：1005-3409(2014)02-0043-04