陳 淼，李小娟，陳 歆，李 寧，楊桂生，彭黎旭*，李 瑋 (1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南 ?？?571101；2.農(nóng)業(yè)部儋州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)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(yíng)養(yǎng)元素，它是制約蔬菜產(chǎn)量的重要因子。蔬菜生長(zhǎng)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(guò)實(shí)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(zhǎng)期過(guò)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(yíng)養(yǎng)化等農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題。【前人研究進(jìn)展】過(guò)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(guò)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(jī)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(shì)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(huì)造成土壤pH 值的下降[8]。海南是我國(guó)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(guó)熱帶酸性土壤區(qū)，降雨頻繁。過(guò)量施肥造成的氮素累積等生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題亦不容忽視。【本研究切入點(diǎn)】本研究針對(duì)以上情況，探討不同施肥處理下菜地土壤硝態(tài)氮垂直運(yùn)移特征，分析土壤硝態(tài)氮累積對(duì)作物產(chǎn)量和土壤pH值的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)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(yàn)地點(diǎn)位于海南省文昌市中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所試驗(yàn)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(jiàn)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(hào)”，湖南湘研種業(yè)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)小區(qū)為平地，每個(gè)小區(qū)面積50 m2(長(zhǎng)10 m，寬5 m)。監(jiān)測(cè)地塊四周設(shè)置10 m保護(hù)行，監(jiān)測(cè)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(yàn)小區(qū)種植制度為南方濕潤(rùn)平原區(qū)露地蔬菜輪作模式。設(shè)7個(gè)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(jī)肥(CO)；⑤75 %化肥+有機(jī)肥(TCO)；⑥50 %化肥+有機(jī)肥(HCO)；⑦有機(jī)肥(OF)。7種施肥處理的施肥量見(jiàn)表2。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)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(cè)定

本試驗(yàn)于 2015年9月開(kāi)始，2016年8月結(jié)束，分別于試驗(yàn)開(kāi)始前后在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，按照0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm分5層隨機(jī)取3點(diǎn)，同層混合，處理、待測(cè)。土壤硝態(tài)氮含量的測(cè)定采用酚二磺酸法測(cè)定。玻璃電極法(水土比 2.5∶1.0)測(cè)定土壤pH值；烘干法測(cè)定土壤含水量；環(huán)刀法測(cè)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(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010、SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表2 試驗(yàn)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(jī)肥為商品有機(jī)肥；秸稈為玉米秸稈。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)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(duì)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(gè)峰值，CO處理第2個(gè)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(qiáng)。同時(shí)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(dòng)下淋溶至土壤深層，且施氮量越高，淋溶作用越強(qiáng)烈。此外，CF和CO處理硝態(tài)氮淋溶作用明顯強(qiáng)于其他施肥處理，這表明增施有機(jī)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(guò)500 kg/hm2也會(huì)發(fā)生強(qiáng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(gè)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(jī)無(wú)機(jī)配施氮折純量為539.35 kg/hm2時(shí)，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(jī)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(jī)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(jī)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)辣椒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，分別計(jì)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(duì)土壤中氮素吸收的深度有限，而辣椒吸收的氮素主要來(lái)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(duì)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(dòng)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(guò)量施肥或不合理的施肥方式會(huì)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(huì)在降雨或灌溉水的驅(qū)動(dòng)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(xiǎn)的重要指標(biāo)[9]。本研究表明，施用有機(jī)肥、化肥或有機(jī)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(huì)造成土壤剖面中硝態(tài)氮的大量積累[10]。當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)配施氮折純量為539.35 kg/hm2時(shí)，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(qiáng)，進(jìn)而在降水或灌溉的驅(qū)動(dòng)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(guò)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(jī)肥的不合理施用帶入的氮素累積問(wèn)題亦不容忽視，相關(guān)研究表明，有機(jī)肥在分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的低分子量有機(jī)酸，有機(jī)酸會(huì)對(duì)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(dòng)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(jī)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(jī)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(jī)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?yàn)橛袡C(jī)肥的養(yǎng)分釋放過(guò)程較為緩慢，可以減小土壤的養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而防止硝態(tài)氮的過(guò)量累積。

施用肥料是提供作物生長(zhǎng)必需營(yíng)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(duì)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(jī)無(wú)機(jī)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(xiǎn)。

4 結(jié) 論

(1)施用有機(jī)肥和化肥或有機(jī)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(duì)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(jī)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(duì)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(jī)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(duì)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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