冀东褐土剖面碱解氮、no-3-n含量时空迁移变化研究

冀东褐土剖面碱解氮、no-3-n含量时空迁移变化研究

冬季小麦和夏季玉米是北方主要的谷物轮作形式。近十年来,作物产量有了大幅度地提高,勿容置疑,化肥的使用起了巨大作用。随着氮肥投入量的不断增加,在作物产量逐步提高的同时,施肥的负面效应在生产中日益暴露出来。一方面,农业投资成本随氮肥用量的增加也随之提高,出现氮肥报酬递减及利用率严重下降的现象。另一方面,农田有机肥的施用量逐年递减,作物生产过分依赖化肥投入,盲目粗放地施肥,尤其过量施用氮肥,NO-3-N积累严重,给土壤生态环境带来不良后果。因此,保护生态环境、农业产投效应开始引起人们的日益关注,寻求既能降低成本、提高产量,又能培肥地力,促进农业持续增长的科学肥料管理途径仍然是当今农业生产中所关心的重点。为此,本文对碱解氮、硝态氮在土体内周年的迁移规律及空间分布、氮肥施用安全值进行了研究。1冬小麦—材料与方法试验于1996～1999年在河北遵化市团瓢庄乡进行。土壤类型为褐土(干润淋溶土),常年种植冬小麦—夏玉米。耕层有机质12.5gkg-1、全氮(N)0.814gkg-1、碱解氮68.79mgkg-1、速效磷14.6mgkg-1、速效钾50.8mgkg-1。试验前作为玉米。试验处理采用随机区组排列,重复3次,小区面积为33.33m2。冬小麦品种为冬丰1号,玉米为唐抗5号。氮肥用量设置3个水平:0kghm-2(N0)、270kghm-2(N1)、540(N2)kghm-2,磷肥180kghm-2,钾肥180kghm-2。氮肥1/3施于冬小麦,2/3施于夏玉米,磷肥每个轮作周期内作为底肥一次施用,钾肥2/5施于冬小麦,3/5施于夏玉米。冬小麦—夏玉米生长过程中主要生育时期以及播种前收获后采集0～120cm层次土壤样品供碱解氮、硝态氮含量分析。碱解氮采用碱解扩散法测定,硝态氮采用酚二酸法测定。图中数据均为3年平均资料。2结果与分析2.1在冬季的小麦转化期，土壤中的碱解氮对土壤有机影响的时空变化2.1.1碱解氮的时间变化2.1.1.施足量活性肥,对土壤碱解氮含量的影响由图1可以看出,在冬小麦生长季内,土壤碱解氮的动态变化受施肥状况的制约,并与作物的生长状况密切相关。施用氮肥使0～20cm、20～40cm的两层碱解氮含量均有所提高,增加幅度分别为4.165～12.92mgkg-1、7.41～32.73mgkg-1,而不施氮肥则使两层土壤碱解氮含量分别下降10.70～12.51mgkg-1、1.25～36.98mgkg-1。在冬小麦开花期,N0处理和N1处理0～20cm土层的碱解氮含量最低,分别为74.48和68.54mgkg-1,N2处理维持较高水平,为114.24mgkg-1。开花期过后,除N2处理,其余各处理均有不同程度的回升。说明施用足量的氮肥,可以保证土壤较高的氮素供应强度,促进了植株对氮素的吸收。而不足量的氮肥及缺氮条件下,土壤氮素水平较低,尤其在冬小麦拔节和开花期,限制了植株生长和养分的吸收。2.1.1.土壤碱解氮含量夏玉米生育期内,增施氮肥使土壤碱解氮含量可保持较高水平(图1)。N2处理在整个夏玉米生育时期内,0～20cm土壤碱解氮含量始终保持在121mgkg-1以上。N0处理的碱解氮含量最低,N1处理介于两者之间。N1、N0处理均造成夏玉米生育期内碱解氮值的下降,降幅为0.9～40.6mgkg-1,N2处理反而提高3.15mgkg-1。说明合理足量的施用氮肥,增加了土壤氮素的供应,培肥了地力,提高了产量和效益。2.1.2碱解氮的空间变化2.1.2.施氮水平对土壤碱解氮含量的影响由图1、图2可以看出,冬小麦生育期内不同氮肥处理的土壤碱解氮的空间变化趋势基本一致,均是自上而下逐渐降低,但降低幅度有所差异。施氮或不施氮处理在60cm以下的各层土壤碱解氮含量基本都维持在一个相对稳定而又较低的水平,均低于43mgkg-1。而0～60cm各层土壤碱解氮含量的变化受施氮水平影响较为显著,施用氮肥,并未提高20～60cm土层碱解氮含量,其下降幅度平均为17.88～26.70mgkg-1。而不施氮处理20～60cm各土层碱解氮含量较高,降幅较小为21.20mgkg-1,说明施用氮肥,促进了冬小麦根系下扎,对氮素吸收较多,导致20～60cm土层碱解氮含量相对较低,尤其N2处理,在20～40cm土层的氮素出现严重“亏缺”,平均含量仅为62.72mgkg-1,这与刺激根系强烈吸收有关。反之,不施氮肥,冬小麦根系发育受到抑制,对氮素的吸收减少,致使20～60cm土层碱解氮含量维持相对较高含量。2.1.2.碱解氮处理夏玉米生育期内,土壤剖面内碱解氮的变化趋势受施肥的影响较小,均为自上而下递减(图1,图2)。但N2处理的在20～40cm土层出现氮素相对“亏缺”区,N0和N1处理的氮素亏缺区不明显。施氮处理可以提高40～60cm土层的碱解氮含量,不施氮处理碱解氮含量相对较低。60cm土层以下碱解氮含量基本趋于平衡,在低水平下浮动。80～120cm土层碱解氮含量N2处理趋于增加,这可能与矿化态氮的释放和淋溶有关。2.2施肥量对夏玉米土壤no-3-n含量的影响由图3、图4可以看出,NO-3-N含量在0～120cm土层的空间变化趋势,基本上呈“V”字型变化,即表层最高,依次递减,至80～100cm降至低谷,之后又有回升。表层NO-3-N含量显著高于其它土层,20～120cm各土层之间差异不显著,变化幅度较小。冬小麦生长期间,表层NO-3-N含量随生育进程发生变化,返青期和孕穗期NO-3-N含量较高,其它时期较低,这可能与前期土壤干旱、植株不易吸收、下移缓慢有关。夏玉米生长期间,苗期至拔节期,采取干旱蹲苗措施,抑制了氮素的转化,土壤NO-3-N含量呈下降趋势,拔节期仅为1.49mgkg-1,以后随降雨增多和大喇叭口期施氮肥,表层根系养分富集,NO-3-N含量逐渐上升,灌浆期达高峰,夏玉米收获时土壤NO-3-N含量又较低。从总体分析,冬小麦生长期间,表层NO-3-N含量较高,夏玉米生长季节较低,这与全年轮作周期内降雨分布数量关系密切。施用氮肥显著地增加了表层NO-3-N含量,对底层土壤影响较小。低氮处理,冬小麦吸收氮素后,土壤氮素不能得到及时补充,NO-3-N含量变幅较大。N2处理,氮素供应充足,NO-3-N含量变化较平缓。夏玉米生长季节,低氮处理,由于淋失下移和植株吸收,表层NO-3-N含量随时间而下降,约降低3.7mgkg-1,而高氮处理,尽管淋失和吸收,NO-3-N含量仍有盈余,其全量增加,达8.85mgkg-1。2.3施高量化肥,提高作物产量NO-3-N向下层迁移的深度和数量与降水量和施肥量有显著相关(表1)。低氮处理主要增加了表层NO-3-N含量,大部分用于植株的吸收,向下迁移的数量很少,冬小麦收获后,60cm土层以下NO-3-N含量为3.4～9.6mgkg-1。夏玉米收获后,40cm土层以下NO-3-N含量仅为1.05～1.87mgkg-1,说明每年施N270kghm-2不能满足作物高产的需要。施用高量氮肥,0～40cm土层NO-3-N含量明显提高,冬小麦孕穗期高达13.50mgkg-1,60cm土层以下同样有所增加,收获时100～120cm土层为9.56mgkg-1,说明NO-3-N含量已下移至深层。但由于冬小麦生长季节较为干旱,NO-3-N对地下水污染尚未超标。夏玉米生长季节,正值降雨高峰,NO-3-N向下淋失量较多,至100～120cm土层NO-3-N含量高达13.68mgkg-1,已超过世界卫生组织WHO提出的10mgkg-1标准,表明年施540kghm-2氮肥而且增加夏玉米施氮量已超出土壤环境承载力。但加施有机肥,可以协调土壤养分供应,提高作物产量,增加对土壤氮的回收,因而减少NO-3-N对地下水污染。夏玉米收获后,100～120cm土层NO-3-N含量为10.31mgkg-1,虽然已达标准,与未施有机肥处理相比,NO-3-N含量降低了3.55mgkg-1。因此,N2处理施肥量属于过量施肥,试验土壤环境投氮安全值介于N1和N2之间,可以推断,在本试验条件下,冬小麦—夏玉米轮作条件下达到高产的土壤环境投氮安全值定为420～450kghm-2是较为适宜的。3施氮、低氮污染环境3.1土壤中碱解氮含量可以反映氮素供应水平,影响地上部植株的生长状况。从空间变化来看,土壤剖面碱解氮含量自上而下依次递减,80cm以上下降速度较快,以下变化较为平缓。施用氮肥可以提高土壤中尤其是60cm以上土层中碱解氮含量。在冬小麦—夏玉米轮作周期内,碱解氮含量的动态变化显著与氮肥供应水平及植物生长状况相关。不施氮肥使得作物生长受到严重抑制,减少了植物对氮素的吸收,土壤碱解氮含量高于施肥处理。高氮水平下,植株生长健壮,加大了对氮素的吸收数量,尤其在开花前后生长的旺盛阶段,20～40cm土层中碱解氮含量出现了亏缺,生产上应注意碱解氮的变化特点,尽量满足作物生长对氮素的需要。3.2NO-3-N含量在0～120cm土层中的变化基本上成“V”字型。表层NO-3-N含量变化幅度较大,60cm以下较小。冬小麦生长期间,表层NO-3-N含量较高,夏玉米生长季节较低,这可能与降雨数量有关。不施氮和低氮处理,由于氮素供应不足,表层NO-3-N含量变化幅度较大,高氮条件下则变化较为平缓。3.3氮肥过量使用,易造成地下水中NO-3-N超标积累,引起污染。合理肥料运筹既要使作物优质高产,又必须保证土壤环境的安全。本试验结果表明,NO-3-N向下迁移的深度和数量与氮肥水平呈正相关,低氮处理的NO-3-N含量大部分用于植株的吸收,向下迁移的数量很少,但不能满足全年作物生长的需要。高氮处理的NO-3-N在冬小麦生长季节对地