2014, Vol. 33文章信息
- 杨万忠, 牟思维, 韩清芳, 许卫娜, 贾志宽, 杨丽, 杨宝平, 杨海迪
- YANG Wan-zhong, MOU Si-wei, HAN Qing-fang, XU Wei-na, JIA Zhi-kuan, YANG Li, YANG Bao-ping, YANG Hai-di
- 不同水分条件下平衡施肥对旱地冬小麦土壤硝态氮运移的影响
- Effects of Balanced Fertilization on Soil Nitrate Transport in Rainfed Winter Wheat Field Under Different Water Conditions
- 农业环境科学学报, 2014, 33(10): 1956-1963
- Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(10): 1956-1963
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2014.10.012
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文章历史
- 收稿日期：2014-3-12
2. 西北农林科技大学农学院, 陕西 杨凌 712100
2. College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, China
农业生产中化肥的不合理使用易造成肥料利用率降低、损失严重、环境污染等不良后果，过量施肥会导致小麦产量降低和地下水污染[1,2,3].农田生态系统中过量施用的氮肥除了有一部分残留在土壤中，其余的会以氨挥发、反硝化、淋洗、径流等途径损失掉，给自然环境和人类健康带来严重危害[4].过度施用氮肥对农田生态环境的负效应备受关注[5].硝态氮是反映农田土壤氮素水平的一个重要指标[3,6,7],也是旱地农田土壤无机氮存在的主要形态[8],过量施氮会造成旱地土壤硝态氮大量累积[9].硝态氮在土壤中不易被吸附，土壤剖面中累积的硝态氮易随水分从上层不断向下淋溶，对地下水造成污染[10].硝态氮污染已成为国际上普遍关注的问题，我国地下水质量已不同程度地受到了硝态氮污染的影响[11,12,13].大量研究表明，农田土壤硝态氮的累积和运移受作物氮素吸收利用率、养分管理、降雨、灌溉、土壤特征等诸多因素的影响[14].目前，对小麦地土壤硝态氮的研究多集中于施氮量和灌水量等方面[15,16,17],且受大田试验条件的限制，以一定施肥条件下不同灌溉量和一定水分条件下不同施肥量的研究为主，灌水和施氮不仅影响小麦对氮素的吸收而且影响氮素尤其是硝态氮在土壤剖面的积累和淋溶[18].Campbell等[19]的研究表明，受灌溉水的影响，许多硝态氮的淋溶甚至发生在低于作物最佳施氮量的处理。合理的肥料施用配合适宜的水分管理可以减少硝态氮在土壤中的累积，实现肥料和水分的高效利用，从而减轻施肥对环境的负面效应[20].本研究通过防雨棚池栽试验，设置不同水分和施肥处理组合，研究不同水分下施肥对旱地冬小麦主要生育时期0～160 cm土层土壤硝态氮的影响，以期为旱地冬小麦肥料和水分管理提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验区概况
试验于2011-2012年在陕西杨凌西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院的移动式防雨棚内进行。棚内设置栽培池，池壁为水泥砖墙，每池面积2.13 m×3.15 m=6.7 m2,深2.5 m,分层填入相应深度挖出的过筛塿土，池底设滤层（0.5 m厚沙子和碎石）.池内0～40 cm土壤的基本理化性状如表 1.
试验为水分与肥料双因素随机区组设计，共16个处理，每池为1个重复，每个处理重复3次。供试小麦品种为“长旱58”.播种前所有处理统一控制0～200 cm土层底墒为650 mm,所有肥料播前一次性均匀施入，2011年10月18日播种，2012年6月6日收获。按照2.25×104株·hm-2的密度，人工点播，行距25 cm.田间管理措施同高产大田。试验期间通过试验场内的大型电动防雨棚控制自然降水。
设置4个水分水平：依据年降雨量400～600 mm地区小麦生育期的实际降雨量，在控雨条件下，设计冬小麦生育期0、112、156、200 mm 4个补水量水平，按照小麦返青后（2月至成熟）降雨量占生育期降雨的50%,在小麦返青后分三次用水表控制，在栽培池内均匀补灌0 mm（R0）、56 mm（R1）、78 mm（R2）、100 mm（R3）4个不同水量水平（表 2）.
设置4个施肥水平：以不施肥（Y0）为对照，依据养分平衡规律（植物带出=投入利用）,氮、磷、钾肥利用率分别以35%、20%、30%计算，按照目标籽粒产量设计施肥水平Y1（目标产量2625 kg·hm-2）、Y2（目标产量4875 kg·hm-2）、Y3（目标产量7125 kg·hm-2）.N用量：Y1（13.95 kg·hm-2）、Y2（97.5 kg·hm-2）、Y3（181.2 kg·hm-2）.P2O5用量：Y1（4.65 kg·hm-2）、Y2（32.7 kg·hm-2）、Y3（60.6 kg·hm-2）.K2O用量：Y1（15.3 kg·hm-2）、Y2（107.6 kg·hm-2）、Y3（199.8 kg·hm-2）.氮肥施用尿素（N,46%）,磷肥施用过磷酸钙（P2O5,16%）,钾肥施用硫酸钾（K2O,50%）. 1.3 测定项目与方法 1.3.1 土壤硝态氮含量测定
于冬小麦开花期、灌浆期、成熟期，分别在各小区按20 cm为一层用土钻取0～160 cm土层土样，每小区随机取两点，相同层次的土壤混合为1个样，立即装入自封袋中并置于-20 ℃冰柜冷冻保存。测定时将土壤鲜样解冻，充分混匀后过1 mm筛，称取5 g土壤样品，加入25 mL 0.01 mol·L-1的CaCl2溶液浸提，振荡30 min后过滤，即为浸提液。用德国产AA3型连续流动分析仪测定土壤硝态氮含量，同时测定土壤含水量，计算干土硝态氮含量。 1.3.2 土壤硝态氮累积量计算
土壤硝态氮累积量（kg·hm-2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤硝态氮含量（mg·kg-1）÷10 1.3.3 数据处理分析
用Microsoft Excel 2007处理数据、图表；DPS 7.5进行数据统计分析，不同处理间多重比较采用Duncan新复极差法。 2 结果与分析 2.1 施肥对不同生育期0~160 cm土层土壤硝态氮含量的影响
2.1.1 开花期
开花期各土层硝态氮含量随土层深度增加呈逐渐降低的趋势（图 1）,在0~80 cm以上土层较高，向80 cm以下土层运移较少。在R0水分条件下，0~100 cm土层的土壤硝态氮含量均表现为施肥处理Y1、Y2、Y3显着大于不施肥处理Y0（P<0.05）,平均分别增加111.3%、228.2%和286.6%;100~140 cm土层为Y2、Y3>Y0、Y1（P<0.05）;140~160 cm土层各处理间无显着差异。R1水分条件下，0~20 cm、80~120 cm土层土壤硝态氮含量表现为处理Y2、Y3显着高于Y0、Y1 （P<0.05）;20~80 cm土层为Y3>Y2>Y1>Y0 （P<0.05）;120~160 cm土层各处理间土壤硝态氮含量均无显着差异。R2水分条件下，0~160 cm土层处理Y2、Y3的土壤硝态氮含量显着高于Y0、Y1 （P<0.05）.R3水分条件下，0~60 cm土层土壤硝态氮含量均表现为处理Y2、Y3>Y1>Y0,Y1、Y2和Y3较Y0分别增加115.3%、273.6%和274.2% （P<0.05）;60~120 cm土层硝态氮含量均表现为Y3处理显着高于其他处理。
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| 图 1 冬小麦开花期0～160 cm土层硝态氮含量 Figure 1 Contents of NO-3-N in 0～160 cm soil layers at flowering stage of winter wheat |
以上结果表明，增加施肥量会导致冬小麦开花期上层（0~80 cm）土壤硝态氮含量明显增加，随着施肥量的增加，硝态氮含量也逐渐升高；随土壤水分的增加，施肥量Y2、Y3可导致下层硝态氮含量的增加，使硝态氮向下层土壤淋失的风险加大。
同一肥力水平下水分条件对土壤硝态氮含量的影响各不相同。Y0水平下，0~40 cm土层硝态氮含量表现为R1>R0、R2、R3（P<0.05）;40~160 cm土层各处理间无显着差异。Y1水平下，0~60 cm土层硝态氮含量表现为R0、R1、R3>R2（P<0.05）;60~160 cm土层各处理间无显着差异。Y2、Y3水平下，0~160 cm土层硝态氮含量各处理间无显着差异。 2.1.2 灌浆期
与开花期相比，灌浆期土壤硝态氮含量较高的土层下移至80~100 cm,说明随着生育进程的推进，土壤硝态氮有下移趋势（图 2）.在R0水分条件下，0~100 cm土层的土壤硝态氮含量均表现为Y3>Y2>Y1、Y0（P<0.05）,Y2、Y3较Y0分别增加150.8%、269.1%;100~160 cm土层，Y3处理显着大于其他处理（P<0.05）.施肥量Y2、Y3增加了0~80 cm土层的土壤硝态氮含量，并分别在60~80 cm、80~100 cm处出现明显累积峰。R1水分条件下，0~100 cm土层硝态氮含量也表现为Y2、Y3>Y1、Y0 （P<0.05）;100~160 cm土层，Y1、Y2、Y3较Y0分别增加137.7%、201.7%、197.7% （P<0.05）.R2水分条件下，0~60 cm土层处理Y2和Y3土壤硝态氮含量分别较Y0增加126.31%、149.44%（P<0.05）;60～160 cm土层硝态氮含量各处理间均无显着差异。R3水分条件下，0～140 cm土层土壤硝态氮含量均表现为处理Y2、Y3显着高于Y0和Y1 （P<0.05）,在0~80 cm土层处理Y1显着高于Y0 （P<0.05）.表明施肥增加了灌浆期0~100 cm土层的土壤硝态氮含量；在补水条件下，较高的施肥量（Y2、Y3）会导致下层土壤硝态氮含量增加。
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| 图 2 冬小麦灌浆期0～160 cm土层硝态氮含量 Figure 2 Contents of NO-3-N in 0～160 cm soil layers at filling stage of winter wheat |
同一肥力水平下水分条件对土壤硝态氮含量的影响表现为处理R1、R2的浅层（0~40 cm）土壤硝态氮含量大于R0、R3,这可能是因为土壤水分不足时硝态氮的产生受到了抑制，而高土壤水分增加了作物对氮素的吸收。
与开花期相比，冬小麦灌浆期各处理上层（0~100 cm）土壤硝态氮含量无明显变化，100~160 cm土层硝态氮含量有一定减少，在R2、R3水分条件下减少幅度较大，可能是由于氮素被植株吸收利用和随水分迁移造成的。 2.1.3 成熟期
如图 3所示，在R0、R1水分条件下，0~100 cm土层的土壤硝态氮含量均表现为Y2、Y3显着大于Y0、Y1 （P<0.05）,其中在R0条件下，Y1处理在60~80 cm土层出现硝态氮累积峰；100~160 cm土层各处理间硝态氮含量均无显着差异。R2水分条件下，0~40 cm土层土壤硝态氮含量表现为Y2、Y3>Y1、Y0（P<0.05）;40~140 cm土层Y3处理的土壤硝态氮含量显着高于其他处理（P<0.05）;140~160 cm土层硝态氮含量各处理间无显着差异。R3水分条件下，0~40 cm土层土壤硝态氮含量表现为Y2、Y3>Y0、Y1,差异显着（P<0.05）;40~80 cm土层为Y3>Y2>Y0、Y1（P<0.05）,Y1与Y0间无显着差异；80~160 cm土层各处理间硝态氮含量无显着差异。以上结果说明，施肥量Y2、Y3增加了0~80 cm土层的土壤硝态氮含量；施肥量Y3可显着增加R2水分条件下40~140 cm土层的土壤硝态氮含量。
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| 图 3 冬小麦成熟期0～160 cm土层硝态氮含量 Figure 3 Contents of NO-3-N in 0～160 cm soil layers at maturity stage of winter wheat |
同一肥力水平下水分对硝态氮含量的影响：Y0水平下，0~20 cm土层硝态氮含量表现为R2>R0、R1、R3（P<0.05）;60~100 cm土层表现为R1、R2、R3>R0 （P<0.05）;其余土层硝态氮含量各处理间无显着差异。Y2水平下，0~20 cm土层硝态氮含量表现为R2、R3>R0、R1（P<0.05）;20~160 cm土层硝态氮含量各处理间无显着差异。Y1、Y3水平下，0~160 cm土层硝态氮含量各处理间无显着差异。
随着生育期的推进和灌浆期的补水，R0水分条件下成熟期0~160 cm土层硝态氮较灌浆期有不同程度的增加；在R1、R2、R3水分条件下，80 cm以下土层土壤硝态氮含量均有明显降低。说明硝态氮的迁移对水分的响应非常灵敏，随着生育期的推进，在较高水分条件下，80 cm以下土层土壤硝态氮向深层淋溶加剧。 2.2 施肥对土壤剖面硝态氮累积的影响
如表 3所示，开花期0~160 cm土层的土壤硝态氮累积量与0~80 cm土层表现一致：Y3>Y2>Y1>Y0,在R0、R1、R3水分条件下各处理间均差异显着（P<0.05）,R2水分条件下仅Y0、Y1间差异不显着。80~160 cm土层的土壤硝态氮累积量表现为：R0水分条件下，Y3>Y2>Y1>Y0（P<0.05）;R1水分条件下为Y2、Y3显着大于Y0、Y1 （P<0.05）;R2 、R3水分条件下为Y3>Y2>Y0、Y1.随施肥量的增加，土壤硝态氮累积量逐渐增加；当施肥量大于Y2水平时，显着增加了0~160 cm土层中土壤硝态氮累积量，且主要增加了80~160 cm土层中的累积量。
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成熟期，在R0、R1、R3水分条件下，施肥处理的0~80 cm土层土壤硝态氮累积量显着高于不施肥处理（P<0.05）,其中Y3处理最高，Y2次之；R2水分条件下，Y3>Y2>Y0、Y1（P<0.05）.80~160 cm土层中的硝态氮累积量表现为：R0水分条件下，Y2、Y3>Y1>Y0（P<0.05）;R1、R2、R3水分条件下均为其他处理显着大于Y1（P<0.05）,Y3处理最高。0~160 cm土层，在R0水分条件下，土壤硝态氮累积量表现为：Y3>Y2>Y1>Y0（P<0.05）;在R1水分条件下为Y2、Y3显着高于Y0、Y1（P<0.05）;R2、R3水分条件下为Y3>Y2>Y0、Y1 （P<0.05）.表明当施肥量大于Y2水平时，可显着增加0~160 cm土层中土壤硝态氮累积量，增加淋溶的可能性。经过一季冬小麦的生长消耗，成熟期0~160 cm土体的硝态氮累积主要集中在0~80 cm土层，成熟期80~160 cm土层硝态氮累积量较开花期显着降低。 3 讨论
在北方旱区农田，施入土壤的氮大部分经硝化作用被氧化成硝态氮，是作物吸收利用的主要形态，硝态氮在土体中的大量积累在遇到较强降雨和灌水时会导致其向下淋溶损失[21].关于施氮量对土壤硝态氮影响的研究结论基本一致，即随施氮量增加，各土层硝态氮含量显着增加，长期大量施用氮肥会造成硝态氮在土壤中的累积[22,23,24].亦有研究认为，高施氮量促进作物氮素吸收，以致当施氮量超过作物最佳需氮量时，土壤硝态氮含量变化很小[14].Bergstrom等[25]研究表明，施氮量小于100 kg·hm-2时，硝酸盐的淋失量缓和，施氮量在100～200 kg·hm-2,淋失量随着施氮量的增加而增加。土壤水分对硝态氮运移的影响研究结论不尽一致。陈子明等[26]对潮土的研究表明[26],土壤硝态氮的淋失与土壤水分含量有关，灌水量或降水量越多，土壤水分条件越好，硝态氮淋失就越多。王晓英等[27]认为，灌水是导致冬小麦收获期0~100 cm土层中硝态氮累积量提高的主导因素，施氮量和灌水共同影响了硝态氮向深层的淋失，且灌水效应大于施氮效应。但也有研究表明，在作物生长期，虽然灌水量较大，但硝态氮的淋失并不多[28].高亚军等[29]进行的水氮互作研究也表明，施氮量是造成土壤中硝态氮累积的主要因素，但灌水量对硝态氮积累量的影响较小。
本研究结果表明，冬小麦不同生长阶段，同一施肥水平下，不同水分条件对0～160 cm土层土壤硝态氮含量无显着影响。在同一水分条件下，随施肥量的增加，土壤硝态氮含量增加，当施肥量大于Y2水平时，0～80 cm土层土壤硝态氮含量增加，加大了向下层土壤淋失的风险。开花前土壤中的硝态氮主要集中在0～80 cm土层，向80 cm土层以下运移较少。灌浆期与开花期相比，硝态氮在土体中的移动加深，在80～100 cm土层硝态氮含量有一定程度的减少，一方面可能是因为冬小麦植株的吸收利用，另外，随着水分的迁移，一部分氮素也会向下淋失。成熟期与灌浆期相比，R0水分条件下0～160 cm土层土壤硝态氮在土体中的移动继续向下加深；其他水分条件下，0～80 cm土层土壤硝态氮含量无明显变化，80 cm以下土层土壤硝态氮含量明显降低，说明随着生育期的推进，在较高水分条件下，下层的土壤硝态氮向深层淋溶加剧，不利于肥料利用率的提高。
冬小麦开花期，各水分条件下，0～160 cm土层的土壤硝态氮累积量随施肥量的增加而逐渐增加，当施肥量大于Y2水平时，80～160 cm土层土壤硝态氮累积量显着增加。成熟期各水分条件下，当施肥量大于Y2水平时，可显着增加0～80 cm土层土壤硝态氮累积量，而80～160 cm土层中各处理间土壤硝态氮累积量较开花期显着降低，这可能同时受冬小麦吸收和硝态氮随水分迁移淋溶的影响。 4 结论
根据不同施肥量对冬小麦0～160 cm土层土壤剖面的硝态氮含量和硝态氮累积量的影响结果，从满足冬小麦的营养需求、减少土壤硝态氮的累积从而降低环境危害、提高肥料利用效率以增加肥料效益等方面综合考虑，3种不同水分条件下冬小麦的合理施肥量以Y2水平（N 97.5 kg·hm-2、P2O5 32.7 kg·hm-2、K2O 107.6 kg·hm-2）为宜。
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