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长期施氮与灌溉对毛白杨人工林土壤硝态氮分布与积累的影响

张润哲 朱嘉磊 王江 聂浩亮 黄梦遥 宋连君 聂立水

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Citation:

长期施氮与灌溉对毛白杨人工林土壤硝态氮分布与积累的影响

    通讯作者: 聂立水, nielishui@sohu.com
  • 基金项目:

    “十二五”国家科技支撑计划资助 2015BAD09B02

  • 中图分类号: S718.5

Effects of Long-term Irrigation and Nitrogen Application on Distribution and Accumulation of Soil Nitrate in Populus tomentosa var. tomentosa Plantations

    Corresponding author: Li-shui NIE, nielishui@sohu.com
  • CLC number: S718.5

  • 摘要: 目的 研究灌溉和施氮对硝态氮在毛白杨林地土壤中积累与分布的影响,为毛白杨速生丰产林科学精准施肥和减少硝态氮淋失提供依据。 方法 在华北平原毛白杨适生地河北威县,利用"十二五"毛白杨大径材培育研究长期试验地,研究了通过灌溉保持不同土壤水分状况(田间持水量45%、60%、75%)和施氮量(0.0、101.6、203.2、304.8 kg·hm-2)对土壤硝态氮分布与积累的影响。 结果 土壤硝态氮分布具有明显的表聚性,在0200 cm土层呈先下降后上升再下降的"S"型变化趋势,且施氮量越大,硝态氮在60100 cm土层累积的趋势越明显。随着土壤水分的增加,土壤硝态氮的淋洗峰所在土层深度分别在4060、6080、80100 cm。土壤硝态氮累积量随施氮量的增加而增加,随灌水量的增加则呈先增加后减少的趋势;水氮交互作用对硝态氮的分布与积累影响显著。林地不同水氮组合土壤硝态氮积累量为86.11259.29 kg·hm-2 结论 施氮量与土壤水分含量对毛白杨林地土壤硝态氮的分布与积累影响显著,在0200 cm土层内,随着施氮量的增加,硝态氮的积累量呈上升趋势;随着土壤含水量的增加,硝态氮积累峰所在的土层呈逐渐下移的趋势。与农田生态系统相比,试验林地0200 cm土层内硝态氮积累量较低,林地生态系统庞大林木根系对硝态氮吸收作用值得重视。同时,为了减少硝态氮的淋失,建议减少氮肥的施用,并将田间持水量控制在60% 75%。
  • 图 1  不同田间持水量和施氮水平下毛白杨林地土壤剖面硝态氮含量分布

    Figure 1.  Nitrate nitrogen content distribution in soil profile of Populus tomentosa var. tomentosa under different field water capacity and nitrogen application levels

    图 2  施氮量对毛白杨林地土壤硝态氮积累的影响

    Figure 2.  Effects of nitrogen application on soil nitrate accumulation in Populus tomentosa var. tomentosa forestland

    图 3  不同田间持水量对毛白杨林地土壤硝态氮积累的影响

    Figure 3.  Effects of different field water holdup on soil nitrate accumulation in Populus tomentosa var. tomentosa forestland

    表 1  不同水氮组合间土壤硝态氮含量方差分析

    Table 1.  Variance analysis of soil nitrate N content under different water nitrogen coupling levels

    变异来源
    Sources of variation
    Ⅲ类平方和
    Type Ⅲ sums of squares
    自由度
    df
    均方
    Mean square
    F 显著性
    sig.
    施氮量×灌水量Nitrogen Application×Irrigation 109.033 6 18.172 6.179 <0.01
    施氮量Nitrogen Application 499.682 3 166.561 56.639 <0.01
    灌水量Irrigation 153.159 2 76.580 26.041 <0.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-06
  • 录用日期:  2019-07-03
  • 刊出日期:  2019-12-01

长期施氮与灌溉对毛白杨人工林土壤硝态氮分布与积累的影响

    通讯作者: 聂立水, nielishui@sohu.com
  • 1. 北京林业大学林学院, 北京 100083
  • 2. 威县苗圃场, 河北 邢台 054700
基金项目:  “十二五”国家科技支撑计划资助 2015BAD09B02

摘要:  目的 研究灌溉和施氮对硝态氮在毛白杨林地土壤中积累与分布的影响,为毛白杨速生丰产林科学精准施肥和减少硝态氮淋失提供依据。 方法 在华北平原毛白杨适生地河北威县,利用"十二五"毛白杨大径材培育研究长期试验地,研究了通过灌溉保持不同土壤水分状况(田间持水量45%、60%、75%)和施氮量(0.0、101.6、203.2、304.8 kg·hm-2)对土壤硝态氮分布与积累的影响。 结果 土壤硝态氮分布具有明显的表聚性,在0200 cm土层呈先下降后上升再下降的"S"型变化趋势,且施氮量越大,硝态氮在60100 cm土层累积的趋势越明显。随着土壤水分的增加,土壤硝态氮的淋洗峰所在土层深度分别在4060、6080、80100 cm。土壤硝态氮累积量随施氮量的增加而增加,随灌水量的增加则呈先增加后减少的趋势;水氮交互作用对硝态氮的分布与积累影响显著。林地不同水氮组合土壤硝态氮积累量为86.11259.29 kg·hm-2 结论 施氮量与土壤水分含量对毛白杨林地土壤硝态氮的分布与积累影响显著,在0200 cm土层内,随着施氮量的增加,硝态氮的积累量呈上升趋势;随着土壤含水量的增加,硝态氮积累峰所在的土层呈逐渐下移的趋势。与农田生态系统相比,试验林地0200 cm土层内硝态氮积累量较低,林地生态系统庞大林木根系对硝态氮吸收作用值得重视。同时,为了减少硝态氮的淋失,建议减少氮肥的施用,并将田间持水量控制在60% 75%。

English Abstract

  • 在通气良好土壤中,硝态氮是植物吸收氮的主要形态[1-3],但硝酸根离子水溶性极强,不易被土壤胶体吸附,很容易随土壤下渗水淋失。据统计, 全球每年施入土壤中的氮肥量高达8 500~9 000万t[4],我国每年氮肥的施用量超过270万t[5],而氮肥利用率不足50%[6]。其中的原因之一是过量施氮造成硝态氮淋失,从而导致地下水和地表水污染日益严重[7]。因此,研究长期施氮下林地土壤硝态氮淋失状况,可为农林业提高氮肥利用率和减少硝态氮淋失提供科学依据。

    目前,农业土壤硝态氮淋失的报道很多,且不同土地利用类型下硝态氮积累量存在较大差异[8]。0~2 m土层内农田硝态氮的积累量可超过325 kg·hm-2,菜地、果园的土壤硝态氮积累量分别为124~3 459、93~6 791 kg·hm-2 [8-12]。大量单因素试验结果表明,施氮量直接影响硝态氮在土壤中的动态变化,而灌溉或降雨也是影响硝态氮运移的一个重要因素[13-16],特别是在通气良好的砂质土壤中,水分的渗透作用增强,可能会增加硝态氮淋失的风险[17-19]。Bergström等[20]研究表明,施用过量的氮肥会造成硝态氮在土壤剖面形成累积峰,而植物根系同样也是影响土壤硝态氮淋失的一个重要因素。王朝晖等[21]发现,根系分布较深的植物比浅根植物更能有效地吸收氮素,减少深层土壤硝态氮积累。

    杨树人工林作为我国速生丰产林的重要组成部分,种植面积多达850万hm2[22]。由于速生丰产林种植面积广,而且相对于其他速生树种,杨树所需要的水分及氮肥的供应也十分巨大。长期以来,人们把提高灌溉水利用率和增加化肥用量作为提高农林业产量的重要手段,因此,有不少学者对水肥因素之间的耦合机理进行了深入研究。因地制宜地调节水分和肥料,使其处于合理的范围,使水肥产生协同作用,达到“以水促肥”和“以肥促水”的目的,是实现林业生产节水节肥和高产高效的主要途径。贺勇等[23]发现,滴灌施肥处理下107杨幼林对N、P、K的吸收能力增强,最佳施氮量为120 g·株-1。陈兰岭等[24]在研究灌水与林木生长的关系时发现,增加灌水次数,将田间供水量控制在10 t·株-1,材积年增量最大;而毛白杨(Populus tomentosa var. tomentosa)作为我国北方优良乡土树种,生长迅速、材质优良,是华北地区主要的速生丰产用材林。基于培育大径材毛白杨速生丰产用材林,施氮与灌水显著影响林木的生长,也选育出了许多优良三倍体品种,如S86、BT17等;但杨树人工林地的硝态氮淋失状况研究较少[25],而长期施氮和灌水下的毛白杨人工林硝态氮淋失状况更是鲜有报道。随着氮肥常年定期施用以及水分的定期补充,使得硝态氮在林地中淋失的风险不断增加,最终可能会导致地下水污染,所以,长期不同水氮条件下的毛白杨人工林硝态氮淋失状况值得关注。

    本研究以毛白杨S86为研究对象,探讨灌水和施肥对毛白杨林地硝态氮分布及积累的影响,为毛白杨人工林地科学精准施肥,提高氮肥利用率和减少硝态氮淋失提供依据。

    • 试验地位于河北省邢台市威县国家重点杨树良种基地—威县苗圃场(113°52′~115°49′ E,36°50′~37°47′ N),属于华北平原南部,地势低平;属暖温带大陆性半干旱季风气候,年平均气温13℃,极端最高气温为41.6℃,极端最低气温为-21.4℃;年平均降水量为497.7 mm,降水多集中在夏末秋初;全年日照总时数为2 574.8 h,无霜期历时198 d。

      供试材料三倍体毛白杨无性系S86来自河北省威县苗圃场。选择生长状况基本一致的2年生苗木,平均苗高5.8 m,平均胸径6.1 cm,于2007年4月统一造林。造林总面积为1.21 hm2,株行距为4 m×3 m(造林密度平均为1 270株·hm-2),共计36个小区,小区面积为252 m2,小区间设有保护行,林间无间作作物,每年3月份进行耕地松土1次。林地内土壤为砂壤质潮土,总孔隙度46.7%,田间持水量26%,土壤密度1.43 g·cm-3。浅层地下水平均埋深15.12 m,深层地下水平均埋深52.81 m[26-27]。2007年试验地土壤的有机质为8.6 g·kg-1,全氮为0.58 g·kg-1,碱解氮为87.83 mg·kg-1,有效磷为8.09 mg·kg-1,速效钾为90.0 mg·kg-1

    • 本试验采用主处理为水,副处理为氮的裂区设计(简称灌水量和施氮量)。土壤含水量划分3个梯度水平:W1、W2、W3,分别指田间持水量的45%、60%、75%。氮肥按纯氮量计算共设4个用量水平:N0、N1、N2、N3,分别为0.0、101.6、203.2、304.8 kg·hm-2,即:0、80、160、240 g·株-1。试验共设12个处理,3次重复,共计36个小区[26-27]。为避免土壤磷素和钾素缺乏而干扰不同处理效果,试验采用所有处理补施足量磷肥和钾肥作为肥底。

      自2007年至2018年,每年分别在5月末、6月末、7月末分3次连续施肥。每次施入肥料的1/3。施肥方法采用穴施,在供试样木两侧各挖1个20~30 cm深的穴,穴与树干的距离依据树冠的投影而定,施肥后立即覆土、灌水。氮、磷、钾肥同步,分别为尿素(N46%)、过磷酸钙(P2O5 16%)和硫酸钾(K2O 50%)。磷肥按P2O5计算,用量为101.6 kg·hm-2 (80 g·株-1),钾肥按K2O计算,用量为50.80 kg·hm-2 (40 g·株-1),且各处理磷钾肥施用量一致。

      用ML2x土壤水分测量仪(国产)监测土壤含水量,在距离供试样木20 cm深的土层处测定土壤水分,得到土壤体积含水率,根据公式“土壤密度=体积含水率/质量含水率”换算得到质量含水率。若每个区组的含水量低于试验设计的水分值,则进行灌溉补充水分,测定每隔3 d进行1次,每次测定均在10:00进行。

    • 于2018年11月待树木生长停止时,在每个小区内进行土壤样品采集。为保证样品具有足够代表性,在每个小区内按S形路线采样,共采集5个样点,每个点垂直方向按机械层次划分为0~20、20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~200 cm 7个层次,再将5个样点同层次混合,用四分法取大约1 kg的样品装入塑封袋密封,在0~4℃下保存带回实验室分析,共采集252个土壤样品。

      新鲜土样过2 mm筛后,取1/2放入冰箱,在-6~-7℃[28]保存,用于测定土壤的硝态氮。土壤硝态氮用1 mol· L-1的KCl浸取[29],紫外分光光度计法测定[30]

    • 硝态氮累积量I = h×C×B/10

      式中:I为硝态氮累积量(kg·hm-2);h为土层厚度(cm);C为硝态氮含量(mg·kg-1);B为该土层的平均密度(g·cm-3)[31]

      采用Excel2010进行数据整理和图表绘制,利用SPSS24.0进行数学统计分析,采用一般线性模型(GLM)中Univariate(单因变量)分析检验不同田间持水量、不同施氮量及水氮交互作用对毛白杨S86林地土壤硝态氮积累量的差异和硝态氮分布的差异,对其中显著的效应运用Duncan检验法进行多重比较。

    • 连续11年不同水、氮处理后S86无性系林地0~20、20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~200 cm土层的土壤硝态氮含量分别为:3.78~13.36、3.32~10.74、2.82~10.49、2.61~10.49、3.099~.53、3.54~9.01、3.0~48.45 mg·kg-1。0~200 cm各土层内硝态氮平均含量变化范围为5.59~8.82 mg·kg-1,且呈逐层递减的趋势。硝态氮含量在林地土壤中有明显的表聚现象,且随着土层深度的增加,硝态氮含量总体有下降的趋势。

      表 1表明:施氮量、灌水量和水氮交互作用均对土壤硝态氮含量影响极显著(p<0.01)。由F值大小可知:三者影响程度表现为施氮量>灌水量>水氮交互作用。

      表 1  不同水氮组合间土壤硝态氮含量方差分析

      Table 1.  Variance analysis of soil nitrate N content under different water nitrogen coupling levels

      变异来源
      Sources of variation
      Ⅲ类平方和
      Type Ⅲ sums of squares
      自由度
      df
      均方
      Mean square
      F 显著性
      sig.
      施氮量×灌水量Nitrogen Application×Irrigation 109.033 6 18.172 6.179 <0.01
      施氮量Nitrogen Application 499.682 3 166.561 56.639 <0.01
      灌水量Irrigation 153.159 2 76.580 26.041 <0.01

      氮肥对硝态氮分布的影响较明显,基本表现为N3>N2>N1>N0。施用氮肥后,硝态氮在土层中的残留量明显增加,施氮量增大,硝态氮在土壤剖面各层次中的分布也呈现升高的趋势,施氮量越大,硝态氮在剖面内的起伏变化越大,而N0处理在整个剖面未出现明显的淋洗峰;土壤中硝态氮含量与施氮量的高低成正比,施氮量越高,硝态氮在土壤剖面中出现的峰值也越高(图 1)。

      图  1  不同田间持水量和施氮水平下毛白杨林地土壤剖面硝态氮含量分布

      Figure 1.  Nitrate nitrogen content distribution in soil profile of Populus tomentosa var. tomentosa under different field water capacity and nitrogen application levels

      灌水量的不同,也造成了硝态氮分布的差异性,W1处理中,N0硝态氮平均含量为2.61~3.78 mg·kg-1; 而W2处理中,N3硝态氮平均含量为7.37~11.80 mg·kg-1。根据硝态氮累积量公式I=h×C×B/10可计算出两组合0~200 cm的积累量为86.11~252.29 kg·hm-2。随着灌水量的增加,土壤硝态氮的淋洗峰所在土层深度在逐渐下降(图 1)。在W1水平下,硝态氮主要集中在0~60 cm处,在60 cm以下,硝态氮含量有起伏,但总体呈现下降的趋势。在W2水平下,硝态氮含量大多呈现先下降后上升再下降的趋势,峰值出现在80~100 cm处,在100~200 cm处硝态氮含量有明显的下降趋势。在W3水平下,硝态氮含量大多呈现先下降后上升再下降的趋势,峰值大多出现在100 cm处,在100 cm以下,硝态氮含量呈现下降趋势。

    • 施氮量对土壤中硝态氮的积累有显著影响(图 2)。在同一灌水量条件下,土壤硝态氮积累量随施氮量的增加而增大。具体表现为N3(240 g·株-1)>N2(160 g·株-1)>N1(80 g·株-1)>N0(0 g·株-1),其中,施氮量在N3水平下土壤硝态氮积累量最大,达到696.90 kg·hm-2,是N0的1.87倍。

      图  2  施氮量对毛白杨林地土壤硝态氮积累的影响

      Figure 2.  Effects of nitrogen application on soil nitrate accumulation in Populus tomentosa var. tomentosa forestland

      灌水量对土壤中硝态氮的积累也有显著影响(图 3)。在同一施氮条件下,土壤硝态氮的积累量随灌水量的增加呈先上升后下降的趋势,表现为W2(60%)>W3(75%)>W1(45%),当田间持水量达到60%时,林地土壤中硝态氮积累量最大为832.88 kg·hm-2,是W1的1.40倍。

      图  3  不同田间持水量对毛白杨林地土壤硝态氮积累的影响

      Figure 3.  Effects of different field water holdup on soil nitrate accumulation in Populus tomentosa var. tomentosa forestland

    • 在干旱或半干旱地区,通过人工施肥输入的氮素在土壤中转化为硝态氮后成为植物吸收利用的主要形态。一般情况下,将尿素施入土壤后,尿素先水解为碳酸铵,进一步水解后分解为碳酸氢铵和氢氧化铵。由于本研究区内土质是潮质沙壤土,通气状况良好,故易发生硝化作用,将NH4+氧化为NO3。研究发现,硝态氮含量大多随土层深度增加呈先下降后上升加再下降的趋势,这与刘微等[32]的结果一致。本研究结果显示:0~200 cm平均硝态氮含量为5.59~8.82 mg·kg-1,且大多集中于土层0~100 cm处,但在120~200 cm处,硝态氮含量相对较少,这与左海军等[33]的研究结果不一致。分析可能有以下原因:由于施肥时期选择在5、6、7三个月份,此时正处于毛白杨生长旺盛期,树高和胸径生长最快[26-27],毛白杨对硝态氮的吸收利用也是一年中最大的;其次,由于试验地采用氮、磷、钾肥配施的方法,能够增加氮肥利用率,从而减少土壤硝态氮的淋失[34]

      研究发现,灌水量同样显著影响硝态氮在土壤剖面上的分布。在不同田间持水量下,土壤硝态氮的分布主要集中在0~100 cm土层处,在120 cm以下未出现硝态氮大量积累的情况,这与戴腾飞等[35]的研究结果一致。分析可能的原因是灌水和施肥时处于毛白杨生长旺盛期,需要大量的水分和养分。植物对土壤水分吸收越多,对NO3-的吸收也就越多。每年的5—8月是毛白杨生长旺盛期,试验区域内土质为砂壤土,土壤孔隙较大,随着温度逐渐升高,地面蒸散量增加,使水分上移。

      研究还发现,随着灌水施氮的进行,硝态氮在土壤剖面上形成了不同层次的积累峰,且随着灌水量的增加积累峰所在土层也在逐渐下移,但大多集中在40~100 cm处。谷晓博等[36]在研究油菜地土壤硝态氮分布时也发现,硝态氮含量峰值所在土层深度随灌水量的增加而下移。导致这种状况出现可能与植物根系有不可分割的关系。按质量分析,毛白杨根系主要集中在树木周围2.0 m,深度0~100 cm区域内,大约占总根重的86%[37-38],其中,细根具有吸收水分和养分的功能[38]。秘洪雷等[39]发现,滴灌条件下杨树人工林细根主要分布在0~40 cm;邸楠等[40]发现,0~110 cm土层内有较多的细根分布,约占细根总量的53%。当施入氮肥时,由于上层根系对NO3-有较强的吸收和拦截能力,将大部分氮素截留在密集根区附近,从而使深层土壤硝态氮含量减少,进一步降低了硝态氮淋失的风险。

    • 研究表明,灌水和施氮均显著影响土壤硝态氮的积累。当施氮量达到240 g·株-1时,土壤硝态氮含量最大,土壤硝态氮的积累量随着施氮量的增加显著增加,与前人的研究结论基本一致[41-42]。本研究中,不同水氮组合毛白杨S86林地土壤硝态氮在土层0~2 m的积累量达86.11~259.29 kg·hm-2。杨荣等[43]的研究结果表明,不同利用方式下农田土壤硝态氮积累存在较大差异,蔬菜大棚0~300 cm土层硝态氮平均积累量可达2 171.45 kg·hm-2,小麦-玉米轮作农田土壤硝态氮平均积累量达207.07 kg·hm-2;但枣树园土壤硝态氮的平均积累量却只有123.15 kg·hm-2,与本研究结果相近。王朝晖等[44]研究同样发现,黄土高原地区1 m深土层累积的矿质氮可达150~225 kg·hm-2,其中,硝态氮占60%~65%。有灌溉条件的地区,2 m以下仍有大量累积,黄土高原南部关中灌区,8年以上果园2~4 m的土层内残留硝态氮达1 812 kg·hm-2,15年以上菜园681 kg·hm-2,高产农田214 kg·hm-2,一般农田也在100 kg·hm-2以上。相比而言,本研究中,毛白杨S86林地硝态氮积累量偏小,分析可能有以下几个方面的原因:运用科学的水肥管理措施,做到精准施肥以及灌水;毛白杨作为华北主要的速生树种,其对水分和养分的汲取能力是巨大的。

      随着硝态氮不断被根系吸收利用,并不断引起土壤下层水分携带NO3-向上运动,使得深层土壤的硝态氮积累量减少;但是如果硝态氮的含量超过植物需要时,施氮和灌水将导致硝态氮在土壤中大量积累。因此,水肥管理是影响人工林生态系统氮素利用的重要因素,应在保持林木稳产、高产,土壤NO3-残留最低的基础上,保证氮肥的限量指标和灌溉定额。

    • 研究表明,施氮与灌水对毛白杨林地土壤硝态氮的分布与积累影响显著,在0~200 cm土层内,不同水氮组合硝态氮的积累量为86.11~259.29 kg·hm-2。随着施氮量的增加,硝态氮的积累量呈上升趋势;随着灌水量的增加,硝态氮积累峰所在的土层呈逐渐下移的趋势。与农田生态系统相比,试验林地0~200 cm土层内硝态氮积累量较低,而二者的差异可能与多种因素有关,包括气候、土壤质地、植被类型、肥料种类以及施肥方式等。由于林地生态系统与农田生态系统主要区别于植被类型,所以建议在后续研究中考虑林木根系对硝态氮吸收(集流和扩散)作用,而且大量灌水情况下硝态氮是否淋溶至土层2 m以下的问题也需要后续探索。同时,为了减少硝态氮的淋失,建议减少氮肥的施用,并将田间持水量控制在60%~75%。

参考文献 (44)

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