不同施肥處理下熱帶土壤硝態(tài)氮累積特征及與土壤pH值、辣椒產(chǎn)量的關(guān)系

陳 淼，李小娟，陳 歆，李 寧，楊桂生，彭黎旭*，李 瑋 (1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南 海口 571101；2.農(nóng)業(yè)部儋州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，海南 儋州 571737)

【研究意義】氮素養(yǎng)分是蔬菜需求量最大的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，它是制約蔬菜產(chǎn)量的重要因子。蔬菜生長周期短、種植密度大、復(fù)種指數(shù)高且多為淺根系作物，因而蔬菜種植的施肥量和灌溉量大且頻繁，水肥條件優(yōu)越，其養(yǎng)分含量尤其是土壤全N和NO3--N 含量較高。生產(chǎn)中，菜田施氮量通常高出常規(guī)大田作物的幾倍甚至10倍以上，超過實際需求量的數(shù)倍。而蔬菜地氮肥利用率更低，僅在10 %左右[1-2]。長期過量的氮肥施用，造成土壤板結(jié)酸化、養(yǎng)分循環(huán)和供給能力降低、蔬菜和地下水硝酸鹽污染及地表水富營養(yǎng)化等農(nóng)業(yè)面源污染問題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】過量施肥是引起菜地土壤中氮素淋失的直接原因，施肥量與氮素淋失量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[3]。氮素主要以硝態(tài)氮的形式發(fā)生淋溶遷移[4]。倪玉雪等研究表明，當(dāng)施氮量超過400 kg/hm2，菜地土壤硝態(tài)氮的平均淋失量占施氮總量的30 %[5]。南鎮(zhèn)武等研究表明，施用有機肥或化學(xué)氮肥均能提高土壤硝態(tài)氮含量及其積累量，在0～100 cm 土層中各處理硝態(tài)氮的垂直遷移趨勢不同致[6]。此外，苗艷芳等研究表明，旱地土壤硝態(tài)氮累積特征與作物產(chǎn)量之間具有相關(guān)性[7]。而沈靈鳳等研究表明，土壤硝態(tài)氮含量與 pH 值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明硝態(tài)氮在土壤中大量累積會造成土壤pH 值的下降[8]。海南是我國重要的冬季瓜菜生產(chǎn)基地，化肥施用總量較高，且屬于我國熱帶酸性土壤區(qū)，降雨頻繁。過量施肥造成的氮素累積等生態(tài)環(huán)境風(fēng)險問題亦不容忽視?！颈狙芯壳腥朦c】本研究針對以上情況，探討不同施肥處理下菜地土壤硝態(tài)氮垂直運移特征，分析土壤硝態(tài)氮累積對作物產(chǎn)量和土壤pH值的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以期為熱帶菜地養(yǎng)分管理及農(nóng)業(yè)面源污染控制提供理論基礎(chǔ)。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地點位于海南省文昌市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所試驗基地。地處東經(jīng)110.46°，北緯19.32°，土壤質(zhì)地為沙壤土，土壤類型為磚紅壤，肥力水平較低，土壤基本理化性質(zhì)見表1。常年降雨量1721.6 mm，雨季主要集中在5～10月份，占全年的79 %。年均溫度23.9 ℃，積溫為8474.3 ℃，為熱帶海洋季風(fēng)氣候。極端天氣通常為夏季暴雨和春季干旱。辣椒品種為“湘辣十七號”，湖南湘研種業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗處理

試驗小區(qū)為平地，每個小區(qū)面積50 m2(長10 m，寬5 m)。監(jiān)測地塊四周設(shè)置10 m保護(hù)行，監(jiān)測小區(qū)之間、小區(qū)與保護(hù)行之間均以田埂分隔，田埂寬度24 cm。田埂地面以下部分深度為60 cm，地面以上部分為10 cm。田埂采用磚混結(jié)構(gòu)，水泥砂漿抹面。試驗小區(qū)種植制度為南方濕潤平原區(qū)露地蔬菜輪作模式。設(shè)7個施肥處理：①不施肥(CK)；②單施化肥(CF)；③化肥+秸稈還田(CFS)；④化肥+有機肥(CO)；⑤75 %化肥+有機肥(TCO)；⑥50 %化肥+有機肥(HCO)；⑦有機肥(OF)。7種施肥處理的施肥量見表2。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理3次重復(fù)。秸稈還田后，采用旋耕滅茬，使秸稈均是分布在0～20 cm土層中。辣椒株、行距為45 cm×50 cm，覆膜，其他田間管理措施同大田生產(chǎn)管理。

1.3 樣品采集與測定

本試驗于 2015年9月開始，2016年8月結(jié)束，分別于試驗開始前后在每個試驗小區(qū)，按照0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm分5層隨機取3點，同層混合，處理、待測。土壤硝態(tài)氮含量的測定采用酚二磺酸法測定。玻璃電極法(水土比 2.5∶1.0)測定土壤pH值；烘干法測定土壤含水量；環(huán)刀法測定土壤容重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤剖面硝態(tài)氮累積量計算公式：

A=C×(D×H×S)×10-6

式中：A為每一土層的硝態(tài)氮累積量，kg/hm2；C為該土層硝態(tài)氮含量，mg/kg；D為該土層土壤容重，kg/m3；H為該土層的厚度，m；S為每公頃土地的面積，100 m×100 m。試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010、SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表2 試驗施肥處理Table 2 Experiment design for fertilizer treatment

注：化肥為三元復(fù)合肥(基肥為N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15；追肥為N∶P2O5∶K2O=15∶5∶15)、鈣鎂磷肥(12 %)；有機肥為商品有機肥；秸稈為玉米秸稈。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對菜地土壤硝態(tài)氮垂直分布的影響

辣椒收獲后各施肥處理土壤在0～100 cm土層硝態(tài)氮垂直分布如圖1所示。不同施肥處理對土壤剖面中各土層硝態(tài)氮含量的影響不同。與不施肥處理相比，各施肥處理增加了0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量。不施肥處理(CK)土壤0～100 cm土層硝態(tài)氮含量極顯著低于本底含量(P<0.01)，出現(xiàn)氮素虧損現(xiàn)象。各施肥處理土壤中菜地土壤0～20 cm土層硝態(tài)氮含量明顯高于20～40 cm土層硝態(tài)氮含量，這是由于施肥后造成菜地土壤中硝態(tài)氮的累積。各施肥處理土壤40～60 cm土層硝態(tài)氮含量增大，形成土壤剖面中第2個峰值，CO處理第2個峰值出現(xiàn)在60～80 cm土層。這是由于施入的肥料一部分被辣椒吸收，一部分殘留在剖面土壤中，由于硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，很難被土壤膠體吸附而遷移能力較強。同時辣椒是淺根系作物，其根系主要集中在0～30 cm的表層土壤中，菜地土壤氮素淋洗到30 cm以下就很難再被吸收。因此，大量的硝態(tài)氮在降雨或灌溉水的驅(qū)動下淋溶至土壤深層，且施氮量越高，淋溶作用越強烈。此外，CF和CO處理硝態(tài)氮淋溶作用明顯強于其他施肥處理，這表明增施有機肥和秸稈還田可以降低硝態(tài)氮的淋溶作用，但當(dāng)施肥處理氮含量超過500 kg/hm2也會發(fā)生強烈的淋溶作用。因此合理施肥可降低硝態(tài)氮在土壤中的遷移和累積。

圖1 施肥對菜地土壤硝態(tài)氮垂直分布的影響Fig.1 Effect of different fertilizations on vertical distribution of nitrate nitrogen in vegetable soil

2.2 不同施肥處理對菜地土壤硝態(tài)氮積累量的影響

由圖2可知，不同施肥處理對0～100 cm不同土層土壤硝態(tài)氮累積量存在極顯著差異(P<0.01)。

圖2 不同施肥處理對不同土層土壤硝態(tài)氮累積的影響Fig.2 Effect of different fertilizations on nitrate nitrogen accumulation in different soil profiles

施肥處理各土壤剖面硝態(tài)氮累積量均明顯高于CK處理，表明肥料的施用導(dǎo)致菜地土壤中硝態(tài)氮的不斷累積。除CF處理外，其他各施肥處理0～20 cm土層硝態(tài)氮累積量明顯高于深層土壤硝態(tài)氮累積量，表明辣椒收獲后，施肥造成了土壤中硝態(tài)氮的累積。但耕作層以下土層(40～60、60～80、80～100 cm)各土壤剖面硝態(tài)氮累積量也明顯高于CK處理，這表明在灌溉和自然降雨的驅(qū)動下硝態(tài)氮易在熱帶菜地土壤中向下淋溶遷移。

由圖2可知，CO處理個土層硝態(tài)氮累積量均高于其他施肥處理，且由圖3可知，隨著施肥量的增加，0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積量逐漸增加，各施肥處理0～100 cm硝態(tài)氮累積量與施肥氮折純量極顯著相關(guān)(r=0.9679，P<0.01)。當(dāng)有機無機配施氮折純量為539.35 kg/hm2時，0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積量為39.67 kg/hm2，是CK處理的12.7倍。

CF、CFS、CO、TCO、HCO、OF處理40～100 cm土層硝態(tài)氮累積量占其在0～100 cm土壤剖面硝態(tài)氮總累積量的比例分別為68.45 %、55.83 %、58.73 %、56.81 %、55.11 %、54.72 %。由CO、TCO、HCO、OF處理40～100 cm土壤硝態(tài)氮所占比例可知，在同一有機肥水平下，土壤硝態(tài)氮累積量隨化肥施用量的增加而逐漸增加；由CF、CFS、CO處理40～100 cm土壤硝態(tài)氮所占比例可知，在同一化肥施用量下，增施有機肥和秸稈還田可降低40～100 cm土壤硝態(tài)氮的累積量。這表明施肥量是影響土壤中硝態(tài)氮累積量的重要因素，且單施化肥更容易造成硝態(tài)氮向土壤深層淋溶遷移，而適量施用有機肥或秸稈還田能夠降低硝態(tài)氮在土壤中的向下淋溶遷移。

2.3 菜地土壤硝態(tài)氮含量與pH值的關(guān)系

圖3 不同施肥處理對0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積的影響Fig.3 Effect of different fertilizations on nitrate nitrogen accumulation in 0-100 cm soils

2.4 硝態(tài)氮累積與辣椒產(chǎn)量的關(guān)系

由圖5可知，隨著施肥量的增加，辣椒產(chǎn)量逐漸增加，施肥氮折純量與辣椒產(chǎn)量極顯著相關(guān)(r=0.9781，P<0.01)。田間小區(qū)實驗辣椒產(chǎn)量最高的處理為CO， CK處理辣椒產(chǎn)量與其它各處理間差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01)；與CF相比，CFS、CO、TCO、HCO 4種施肥處理分別增產(chǎn)7.56 %、37.61 %、25.39 %、19.90 %。與CK處理相比，6種施肥處理產(chǎn)量增幅為16.04 %～124.13 %。

為分析0～100 cm不同土層深度土壤剖面硝態(tài)氮累積量對辣椒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，分別計算了0～20、0～40、0～60、0～80、0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量，并同辣椒產(chǎn)量進(jìn)行線性擬合(圖6)。0～20、0～40、0～60、0～80、0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量與辣椒產(chǎn)量均具有正相關(guān)關(guān)系，且均達(dá)極顯著相關(guān)(r>0.6961，P<0.01)。但辣椒屬于淺根系作物，其根系一般分布于0～30 cm土層中，對土壤中氮素吸收的深度有限，而辣椒吸收的氮素主要來自其根系所能觸及的土層，因此由0～20和0～40 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量與辣椒產(chǎn)量關(guān)系可知，土壤硝態(tài)氮累積量對辣椒產(chǎn)量具有重要影響。

圖4 土壤硝態(tài)氮含量與土壤pH值得關(guān)系Fig.4 Relationship between nitrate nitrogen concentration and pH

圖5 不同施肥處理下辣椒產(chǎn)量Fig.5 Chili yield under different fertilizer treatments

圖6 辣椒產(chǎn)量與不同土層土壤硝態(tài)氮累積量的關(guān)系Fig.6 Relationship between chili yield and nitrate nitrogen accumulation amount in different soil profiles

3 討 論

氮是土壤肥力中最活躍的因子，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中限制農(nóng)作物產(chǎn)量的首要因子，施肥是獲得農(nóng)作物高產(chǎn)最有效的措施。但過量施肥或不合理的施肥方式會導(dǎo)致氮肥利用率降低，造成硝態(tài)氮在土壤剖面中的大量累積，這些累積的硝態(tài)氮若未被植物有效吸收利用，硝態(tài)氮會在降雨或灌溉水的驅(qū)動下逐漸縱向遷移，最終淋溶出耕作層，進(jìn)而造成地下水污染。而硝態(tài)氮在土壤剖面中的含量及其空間分布特征是表征硝態(tài)氮淋失風(fēng)險的重要指標(biāo)[9]。本研究表明，施用有機肥、化肥或有機肥化肥混施等施肥處理均能提高土壤剖面硝態(tài)氮含量及累積量，且隨著施肥量的增加而增加。相關(guān)研究也表明，不合理的肥料施用會造成土壤剖面中硝態(tài)氮的大量積累[10]。當(dāng)有機無機配施氮折純量為539.35 kg/hm2時，0～100 cm土壤硝態(tài)氮累積量為39.67 kg/hm2，是CK處理的12.7倍。辣椒屬于淺根系作物，根系分布在0～30 cm，淋洗到30 cm以下的硝態(tài)氮就難以被辣椒所吸收利用，而硝態(tài)氮很難被土壤膠體吸附而遷移能力較強，進(jìn)而在降水或灌溉的驅(qū)動力下而不斷向土壤深層淋溶。這與沈靈鳳等人的研究基本一致[8,11]。

過量而不合理的化肥施用是造成土壤硝態(tài)氮累積和向下淋溶遷移的主要原因，但除化肥外，有機肥的不合理施用帶入的氮素累積問題亦不容忽視，相關(guān)研究表明，有機肥在分解過程中會產(chǎn)生大量的低分子量有機酸，有機酸會對促進(jìn)硝態(tài)氮在土壤上的解吸，進(jìn)而造成硝態(tài)氮在降水或灌溉的驅(qū)動下向土壤下層遷移[12-13]。而本研究亦表明，CF、CFS、CO處理40～100 cm土層硝態(tài)氮累積量占其在0～100 cm土壤剖面硝態(tài)氮總累積量的比例分別為68.45 %、55.83 %、58.73 %，在同一化肥施用量下，增施有機肥和秸稈還田可降低40～100 cm土壤硝態(tài)氮的累積量； CO、TCO、HCO、OF處理40～100 cm土層硝態(tài)氮累積量占其在0～100 cm土壤剖面硝態(tài)氮總累積量的比例分別為58.73 %、56.81 %、55.11 %、54.72 %，在同一有機肥水平下，土壤硝態(tài)氮累積量隨化肥施用量的增加而逐漸增加。這表明施用化肥更容易造成硝態(tài)氮在土壤中向下遷移，而合理施用有機肥或秸稈還田能夠降低硝態(tài)氮在土壤中的向下淋溶遷移。這與田琳琳等人的研究基本一致[14]，因為有機肥的養(yǎng)分釋放過程較為緩慢，可以減小土壤的養(yǎng)分供應(yīng)強度，進(jìn)而防止硝態(tài)氮的過量累積。

施用肥料是提供作物生長必需營養(yǎng)元素的重要途徑，是作物獲得高產(chǎn)的重要措施。本研究表明，隨著施肥量的增加，辣椒產(chǎn)量逐漸增加，施肥氮折純量與辣椒產(chǎn)量極顯著相關(guān)(r=0.9781，P<0.01)；與CK處理相比，6種施肥處理產(chǎn)量增幅為16.04 %～124.13 %。 0～20、0～40 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量與辣椒產(chǎn)量均具有正相關(guān)關(guān)系，且均達(dá)極顯著相關(guān)(r>0.6961，P<0.01)，這表明土壤硝態(tài)氮累積量對辣椒產(chǎn)量具有重要影響。這與南鎮(zhèn)武等人的研究結(jié)果基本一致[6,15]?？傊?，合理的有機無機配施、秸稈還田等施肥措施不僅可以降低硝態(tài)氮在土壤中的累積和淋溶遷移，而且還有利于提高作物產(chǎn)量，維持土壤氮素平衡，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險。

4 結(jié) 論

(1)施用有機肥和化肥或有機肥化肥混施等施肥處理均能提高土壤剖面硝態(tài)氮含量及累積量，且隨著施肥量的增加而增加。

(2)不同施肥處理對0～100 cm不同土層土壤硝態(tài)氮累積量的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)。在同一化肥施用量下，增施有機肥和秸稈還田可降低土壤硝態(tài)氮的累積量。不同施肥處理對硝態(tài)氮在熱帶土壤中遷移能力影響不同，施用化肥更容易造成硝態(tài)氮在土壤中向下遷移，而合理施用有機肥或秸稈還田能夠降低硝態(tài)氮在土壤中的向下淋溶遷移。

(3)土壤硝態(tài)氮含量與土壤pH值存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)顯著性水平；土壤硝態(tài)氮累積量對辣椒產(chǎn)量具有重要影響，0～20、0～40、0～60、0～80、0～100 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量與辣椒產(chǎn)量均具有正相關(guān)關(guān)系，且均達(dá)極顯著相關(guān)(r>0.6961，P<0.01)。

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