冀東褐土剖面堿解氮、no-3-n含量時空遷移變化研究

冀東褐土剖面堿解氮、no-3-n含量時空遷移變化研究

冬季小麥和夏季玉米是北方主要的谷物輪作形式。近十年來,作物產(chǎn)量有了大幅度地提高,勿容置疑,化肥的使用起了巨大作用。隨著氮肥投入量的不斷增加,在作物產(chǎn)量逐步提高的同時,施肥的負(fù)面效應(yīng)在生產(chǎn)中日益暴露出來。一方面,農(nóng)業(yè)投資成本隨氮肥用量的增加也隨之提高,出現(xiàn)氮肥報酬遞減及利用率嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。另一方面,農(nóng)田有機肥的施用量逐年遞減,作物生產(chǎn)過分依賴化肥投入,盲目粗放地施肥,尤其過量施用氮肥,NO-3-N積累嚴(yán)重,給土壤生態(tài)環(huán)境帶來不良后果。因此,保護生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)產(chǎn)投效應(yīng)開始引起人們的日益關(guān)注,尋求既能降低成本、提高產(chǎn)量,又能培肥地力,促進農(nóng)業(yè)持續(xù)增長的科學(xué)肥料管理途徑仍然是當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所關(guān)心的重點。為此,本文對堿解氮、硝態(tài)氮在土體內(nèi)周年的遷移規(guī)律及空間分布、氮肥施用安全值進行了研究。1冬小麥—材料與方法試驗于1996～1999年在河北遵化市團瓢莊鄉(xiāng)進行。土壤類型為褐土(干潤淋溶土),常年種植冬小麥—夏玉米。耕層有機質(zhì)12.5gkg-1、全氮(N)0.814gkg-1、堿解氮68.79mgkg-1、速效磷14.6mgkg-1、速效鉀50.8mgkg-1。試驗前作為玉米。試驗處理采用隨機區(qū)組排列,重復(fù)3次,小區(qū)面積為33.33m2。冬小麥品種為冬豐1號,玉米為唐抗5號。氮肥用量設(shè)置3個水平:0kghm-2(N0)、270kghm-2(N1)、540(N2)kghm-2,磷肥180kghm-2,鉀肥180kghm-2。氮肥1/3施于冬小麥,2/3施于夏玉米,磷肥每個輪作周期內(nèi)作為底肥一次施用,鉀肥2/5施于冬小麥,3/5施于夏玉米。冬小麥—夏玉米生長過程中主要生育時期以及播種前收獲后采集0～120cm層次土壤樣品供堿解氮、硝態(tài)氮含量分析。堿解氮采用堿解擴散法測定,硝態(tài)氮采用酚二酸法測定。圖中數(shù)據(jù)均為3年平均資料。2結(jié)果與分析2.1在冬季的小麥轉(zhuǎn)化期，土壤中的堿解氮對土壤有機影響的時空變化2.1.1堿解氮的時間變化2.1.1.施足量活性肥,對土壤堿解氮含量的影響由圖1可以看出,在冬小麥生長季內(nèi),土壤堿解氮的動態(tài)變化受施肥狀況的制約,并與作物的生長狀況密切相關(guān)。施用氮肥使0～20cm、20～40cm的兩層堿解氮含量均有所提高,增加幅度分別為4.165～12.92mgkg-1、7.41～32.73mgkg-1,而不施氮肥則使兩層土壤堿解氮含量分別下降10.70～12.51mgkg-1、1.25～36.98mgkg-1。在冬小麥開花期,N0處理和N1處理0～20cm土層的堿解氮含量最低,分別為74.48和68.54mgkg-1,N2處理維持較高水平,為114.24mgkg-1。開花期過后,除N2處理,其余各處理均有不同程度的回升。說明施用足量的氮肥,可以保證土壤較高的氮素供應(yīng)強度,促進了植株對氮素的吸收。而不足量的氮肥及缺氮條件下,土壤氮素水平較低,尤其在冬小麥拔節(jié)和開花期,限制了植株生長和養(yǎng)分的吸收。2.1.1.土壤堿解氮含量夏玉米生育期內(nèi),增施氮肥使土壤堿解氮含量可保持較高水平(圖1)。N2處理在整個夏玉米生育時期內(nèi),0～20cm土壤堿解氮含量始終保持在121mgkg-1以上。N0處理的堿解氮含量最低,N1處理介于兩者之間。N1、N0處理均造成夏玉米生育期內(nèi)堿解氮值的下降,降幅為0.9～40.6mgkg-1,N2處理反而提高3.15mgkg-1。說明合理足量的施用氮肥,增加了土壤氮素的供應(yīng),培肥了地力,提高了產(chǎn)量和效益。2.1.2堿解氮的空間變化2.1.2.施氮水平對土壤堿解氮含量的影響由圖1、圖2可以看出,冬小麥生育期內(nèi)不同氮肥處理的土壤堿解氮的空間變化趨勢基本一致,均是自上而下逐漸降低,但降低幅度有所差異。施氮或不施氮處理在60cm以下的各層土壤堿解氮含量基本都維持在一個相對穩(wěn)定而又較低的水平,均低于43mgkg-1。而0～60cm各層土壤堿解氮含量的變化受施氮水平影響較為顯著,施用氮肥,并未提高20～60cm土層堿解氮含量,其下降幅度平均為17.88～26.70mgkg-1。而不施氮處理20～60cm各土層堿解氮含量較高,降幅較小為21.20mgkg-1,說明施用氮肥,促進了冬小麥根系下扎,對氮素吸收較多,導(dǎo)致20～60cm土層堿解氮含量相對較低,尤其N2處理,在20～40cm土層的氮素出現(xiàn)嚴(yán)重“虧缺”,平均含量僅為62.72mgkg-1,這與刺激根系強烈吸收有關(guān)。反之,不施氮肥,冬小麥根系發(fā)育受到抑制,對氮素的吸收減少,致使20～60cm土層堿解氮含量維持相對較高含量。2.1.2.堿解氮處理夏玉米生育期內(nèi),土壤剖面內(nèi)堿解氮的變化趨勢受施肥的影響較小,均為自上而下遞減(圖1,圖2)。但N2處理的在20～40cm土層出現(xiàn)氮素相對“虧缺”區(qū),N0和N1處理的氮素虧缺區(qū)不明顯。施氮處理可以提高40～60cm土層的堿解氮含量,不施氮處理堿解氮含量相對較低。60cm土層以下堿解氮含量基本趨于平衡,在低水平下浮動。80～120cm土層堿解氮含量N2處理趨于增加,這可能與礦化態(tài)氮的釋放和淋溶有關(guān)。2.2施肥量對夏玉米土壤no-3-n含量的影響由圖3、圖4可以看出,NO-3-N含量在0～120cm土層的空間變化趨勢,基本上呈“V”字型變化,即表層最高,依次遞減,至80～100cm降至低谷,之后又有回升。表層NO-3-N含量顯著高于其它土層,20～120cm各土層之間差異不顯著,變化幅度較小。冬小麥生長期間,表層NO-3-N含量隨生育進程發(fā)生變化,返青期和孕穗期NO-3-N含量較高,其它時期較低,這可能與前期土壤干旱、植株不易吸收、下移緩慢有關(guān)。夏玉米生長期間,苗期至拔節(jié)期,采取干旱蹲苗措施,抑制了氮素的轉(zhuǎn)化,土壤NO-3-N含量呈下降趨勢,拔節(jié)期僅為1.49mgkg-1,以后隨降雨增多和大喇叭口期施氮肥,表層根系養(yǎng)分富集,NO-3-N含量逐漸上升,灌漿期達(dá)高峰,夏玉米收獲時土壤NO-3-N含量又較低。從總體分析,冬小麥生長期間,表層NO-3-N含量較高,夏玉米生長季節(jié)較低,這與全年輪作周期內(nèi)降雨分布數(shù)量關(guān)系密切。施用氮肥顯著地增加了表層NO-3-N含量,對底層土壤影響較小。低氮處理,冬小麥吸收氮素后,土壤氮素不能得到及時補充,NO-3-N含量變幅較大。N2處理,氮素供應(yīng)充足,NO-3-N含量變化較平緩。夏玉米生長季節(jié),低氮處理,由于淋失下移和植株吸收,表層NO-3-N含量隨時間而下降,約降低3.7mgkg-1,而高氮處理,盡管淋失和吸收,NO-3-N含量仍有盈余,其全量增加,達(dá)8.85mgkg-1。2.3施高量化肥,提高作物產(chǎn)量NO-3-N向下層遷移的深度和數(shù)量與降水量和施肥量有顯著相關(guān)(表1)。低氮處理主要增加了表層NO-3-N含量,大部分用于植株的吸收,向下遷移的數(shù)量很少,冬小麥?zhǔn)斋@后,60cm土層以下NO-3-N含量為3.4～9.6mgkg-1。夏玉米收獲后,40cm土層以下NO-3-N含量僅為1.05～1.87mgkg-1,說明每年施N270kghm-2不能滿足作物高產(chǎn)的需要。施用高量氮肥,0～40cm土層NO-3-N含量明顯提高,冬小麥孕穗期高達(dá)13.50mgkg-1,60cm土層以下同樣有所增加,收獲時100～120cm土層為9.56mgkg-1,說明NO-3-N含量已下移至深層。但由于冬小麥生長季節(jié)較為干旱,NO-3-N對地下水污染尚未超標(biāo)。夏玉米生長季節(jié),正值降雨高峰,NO-3-N向下淋失量較多,至100～120cm土層NO-3-N含量高達(dá)13.68mgkg-1,已超過世界衛(wèi)生組織WHO提出的10mgkg-1標(biāo)準(zhǔn),表明年施540kghm-2氮肥而且增加夏玉米施氮量已超出土壤環(huán)境承載力。但加施有機肥,可以協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng),提高作物產(chǎn)量,增加對土壤氮的回收,因而減少NO-3-N對地下水污染。夏玉米收獲后,100～120cm土層NO-3-N含量為10.31mgkg-1,雖然已達(dá)標(biāo)準(zhǔn),與未施有機肥處理相比,NO-3-N含量降低了3.55mgkg-1。因此,N2處理施肥量屬于過量施肥,試驗土壤環(huán)境投氮安全值介于N1和N2之間,可以推斷,在本試驗條件下,冬小麥—夏玉米輪作條件下達(dá)到高產(chǎn)的土壤環(huán)境投氮安全值定為420～450kghm-2是較為適宜的。3施氮、低氮污染環(huán)境3.1土壤中堿解氮含量可以反映氮素供應(yīng)水平,影響地上部植株的生長狀況。從空間變化來看,土壤剖面堿解氮含量自上而下依次遞減,80cm以上下降速度較快,以下變化較為平緩。施用氮肥可以提高土壤中尤其是60cm以上土層中堿解氮含量。在冬小麥—夏玉米輪作周期內(nèi),堿解氮含量的動態(tài)變化顯著與氮肥供應(yīng)水平及植物生長狀況相關(guān)。不施氮肥使得作物生長受到嚴(yán)重抑制,減少了植物對氮素的吸收,土壤堿解氮含量高于施肥處理。高氮水平下,植株生長健壯,加大了對氮素的吸收數(shù)量,尤其在開花前后生長的旺盛階段,20～40cm土層中堿解氮含量出現(xiàn)了虧缺,生產(chǎn)上應(yīng)注意堿解氮的變化特點,盡量滿足作物生長對氮素的需要。3.2NO-3-N含量在0～120cm土層中的變化基本上成“V”字型。表層NO-3-N含量變化幅度較大,60cm以下較小。冬小麥生長期間,表層NO-3-N含量較高,夏玉米生長季節(jié)較低,這可能與降雨數(shù)量有關(guān)。不施氮和低氮處理,由于氮素供應(yīng)不足,表層NO-3-N含量變化幅度較大,高氮條件下則變化較為平緩。3.3氮肥過量使用,易造成地下水中NO-3-N超標(biāo)積累,引起污染。合理肥料運籌既要使作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),又必須保證土壤環(huán)境的安全。本試驗結(jié)果表明,NO-3-N向下遷移的深度和數(shù)量與氮肥水平呈正相關(guān),低氮處理的NO-3-N含量大部分用于植株的吸收,向下遷移的數(shù)量很少,但不能滿足全年作物生長的需要。高氮處理的NO-3-N在冬小麥生長季節(jié)對地