不同施氮量及施氮比例對橡膠園土壤無機氮運移特征的影響

任常琦 張永發 王帥 羅雪華 薛欣欣 趙春梅 王文斌

關鍵詞：橡膠園；施肥量；銨態氮；硝態氮；水平；垂直

天然橡膠是世界各國國防和經濟發展不可或缺的戰略物資。在全球2500種以上的產膠植物中，橡膠樹（Heveabrasiliensis）是商品天然橡膠生產的唯一來源。因此，橡膠樹被大量種植于亞洲、非洲、大洋洲、拉丁美洲40多個國家和地區。我國也是天然橡膠的主產國之一，種植面積約為116.1萬hm2，居世界第3位。然而，近年來，隨著天然橡膠消費量的持續增長，如何保障天然橡膠穩產、增產已成為我國急需解決的難題。

土壤肥力是限制橡膠樹產膠能力的重要因子。然而，在過去的50年中，由于長期持續割膠和施肥不當，膠園土壤肥力下降嚴重，肥力綜合質量指數僅為0.30～0.66[1]。其中，土壤氮素虧損最為嚴重。僅1977—1998年，膠園土壤全氮含量即下降了0.23%～0.33%[2]。因此，近來年，施用氮肥成為調控膠園土壤肥力的重要舉措。然而，目前對于膠園土壤的氮素管理，大多僅關注氮肥的肥力效應，少有關注氮肥施用對土壤氮素組分運移規律的影響。這限制了膠園土壤氮素的精準管理和風險調控。要想促進橡膠樹快速生長，提高膠乳產量，提高膠乳品質和延長經濟壽命，同時提高肥料利用率，合理施肥是一項重要的措施。

眾所周知，土壤氮主要包括硝態氮、銨態氮和有機態氮，其中硝態氮和銨態氮是可直接被吸收利用的，但這2種形態的氮含量不足氮素的5%，且極易損失[3-4]。施用氮肥可提升土壤有效態氮含量，但由于土壤氮素生物化學轉化、吸附-解吸、植物吸收等過程的影響[5-6]，氮肥施用量和施用方式因土壤類型和作物類型而異。不當的氮肥施用方式不但會降低氮肥利用率[7]，也可能導致無機氮淋失引起的水體污染等環境問題[8-10]。與溫帶土壤不同，我國膠園土壤為磚紅壤，土壤偏酸性，且該區域具有高溫、降雨強度大、淋溶性強等特點。這意味著膠園土壤氮素淋失風險高，急需摸清氮肥施用量對土壤無機氮組分賦存特征和運移規律，以減少氮淋失。同時，與其他作物不同，橡膠樹作為一種熱帶特有的多年生、大型經濟喬木，不但在垂直-水平方向根圈范圍廣，且常年經歷割膠行為對氮素的損耗，因此，還應進一步在垂直-水平方向上，評價不同時期施肥對土壤氮素的影響。然而，過去的研究不但少有關注氮肥施用對膠園土壤氮素組分的影響，更僅考慮一次施肥的影響。

綜上，根據橡膠樹管理特點和種植區磚紅壤氮素易淋失的特點，本研究在田間尺度上，研究不同氮肥施用量、施用時期對膠園土壤無機氮組分的水平和垂直運移特征。研究結果可為膠園土壤的合理施肥和氮素的精準管理提供依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

研究地點位于海南省儋州市中國熱帶農業科學院試驗場（109°29′11.219″E，19°29′6.215″N）。該地區屬熱帶季風氣候，年平均氣溫為23.8℃，年均降雨量約為1650mm，但降雨分布不均，5—11月是雨季，占全年降水量的70%～90%，12月至翌年4月是旱季。選取長勢一致的熱研7-33-97成齡橡膠樹，樹齡為14a，割齡為6a，于2005年定植，2013年開割，膠園內株行距為3.0m×7.0m，土壤基本理化性質如下：pH4.80，有機碳為6.33g/kg，全氮為0.59g/kg，有效磷為19.65mg/kg，速效鉀為41.17mg/kg，硝態氮為3.98mg/kg，銨態氮為2.59mg/kg，容重為1.46g/cm3，砂粒為52.07%，粉粒為29.77%，黏粒為18.16%。

1.2方法

1.2.1試驗設計在橡膠樹種植過程中，通常每年施肥3次，本研究以全年的常規施肥量為基礎，減少20%的施肥量作為減量施肥處理，以及在減少20%用量的同時，將施肥量后移，作為同步施肥處理，所施肥料均為復合肥，N∶P2O5∶K2O=14∶7∶9，具體施肥量見表1。試驗采用完全隨機區組設計，設置4個處理：①空白對照（CK），不施肥；②常規施肥（C，施肥總量2kg/株，前期∶中期∶后期=5∶3∶2）；③減量施肥（J，施肥總量1.6kg/株，前期∶中期∶后期=5∶3∶2），減量施肥相當于常規施肥減量20%。④同步施肥（T，施肥總量1.6kg/株，前期∶中期∶后期=3∶3∶2），前期同步施肥相當于常規施肥減量40%，中期和后期與常規施肥量相同。每個處理重復3次，共12個小區，總面積為2.73hm2。肥料分別于研究當年的4月底（前期）、6月底（中期）和9月底（后期）施入施肥穴內并覆土，施肥穴位于2株橡膠樹之間，距離橡膠樹主干垂直距離1.5m，大小為80cm×20cm×20cm。

1.2.2樣品采集于施肥當年的5月底（前期）、7月底（中期）、10月底（后期）采集施肥穴土壤樣品。每個小區分別選擇3個施肥穴用土鉆法采集土樣，以施肥穴為取樣原位點，在施肥穴里面均勻布置3個原位點，每個原位點進行距離施肥穴邊緣橫向0（原位點）、5、15、30、45、60cm的布點取樣，采樣深度均為0～20、20～40、40～60、60～80cm，每個施肥穴3個原位點等距離、同一土層的土壤樣品混合成1個樣品，每個施肥穴共采集土樣72個。

1.2.3樣品分析銨態氮和硝態氮用1mol/L的KCl浸提，浸提液使用AA3連續流動分析儀（德國seal）分析。

1.3數據處理

前期施肥數據已經以論文形式發表，本研究選取中期和后期施肥的數據進行分析，使用SPSS20.0軟件進行單因素方差分析，利用Excel2019軟件繪制圖表。

2結果與分析

2.1不同施氮水平無機氮在土壤中的水平運移

2.1.1土壤銨態氮的水平運移由圖1可看出知，施肥后，土壤銨態氮含量顯著增加，尤其是在施肥穴處，常規施肥和同步施肥處理顯著高于CK，并且常規施肥處理和同步處理顯著高于減量20%處理，這是因為減量20%施肥量較少，表明施肥量對土壤銨態氮殘留影響較大，施肥量越多，土壤銨態氮殘留量越多。施肥穴垂直深度為0～20cm時，在不同的水平距離下，隨著距離的增加，土壤銨態氮含量呈降低趨勢，尤其是在距施肥穴5cm處，降低明顯，在中期施肥中，常規施肥處理由118.54mg/kg降至32mg/kg，降低了73.18%；同步施肥處理降低了13.84%；在后期施肥中，常規施肥和減量施肥處理在5cm處分別降低了88.66%、39.67%。當距施肥穴位置超過30cm后，土壤銨態氮含量不再有明顯變化，各處理之間含量達到相近水平。說明施肥量增加，僅在施肥穴處效果顯著，并不能提高距施肥穴30cm以外的土壤銨態氮含量。

2.1.2土壤硝態氮的水平運移由圖2可看出，施肥后，土壤硝態氮含量增加。施肥穴垂直深度為0～20cm時，在中期施肥時期，硝態氮含量在距施肥穴5cm處達到最大值，隨后顯著降低，在30cm以外，變化不再明顯，在60cm處，減量施肥、同步施肥、CK處理的硝態氮含量趨于相近水平，但常規施肥處理土壤的硝態氮含量仍明顯高于這3種處理。說明硝態氮含量很不穩定，施用過多的氮肥，土壤硝態氮可能會隨著雨水徑流發生水平運移。在后期施肥時期，隨著水平距離的增加，土壤硝態氮含量呈降低趨勢，尤其是在距施肥穴5cm處，降低明顯，常規施肥和減量施肥處理分別降低83.02%、90.3%，在30cm以外，變化不再明顯，在60cm處趨于接近水平。

2.1.3土壤無機氮的水平運移由圖3可看出，施肥后，土壤無機氮含量明顯增加，尤其是在施肥穴處的常規施肥和同步施肥處理，顯著高于其他2種處理。施肥穴垂直深度為0～20cm時，在中期施肥中，隨著距離的增加，常規施肥和同步施肥處理無機氮含量逐漸降低，而減量施肥處理在距離施肥穴5cm處，無機氮含量達到最高值，為116mg/kg，隨著距離的增加，也逐漸降低；在后期施肥中，隨著距離的增加，無機氮含量呈降低趨勢，尤其是在距施肥穴5cm處，降低明顯，常規施肥和減量施肥處理分別降低86.12%、80.32%，當距離超過30cm后，變化不再明顯，并在60cm處達到相似水平。

2.2不同施氮水平下無機氮在土壤中的垂直運移

2.2.1土壤銨態氮的的垂直運移施肥后，在垂直方向上，土壤銨態氮含量顯著增加。在中期施肥時期，在垂直深度為20～40cm時，銨態氮含量大小依次是常規施肥＞減量施肥＞同步施肥＞空白處理，但其他深度的銨態氮含量大小均為常規施肥＞同步施肥＞減量施肥＞空白處理，尤其是常規施肥處理，銨態氮含量顯著高于其他3種處理，這與施肥量有關，施氮量越高，土壤中銨態氮含量越高。隨著垂直深度的增加，常規施肥土壤銨態氮含量呈現出先降低后增加的趨勢，在0～20cm處銨態氮含量最高，為118.54mg/kg，在40～60cm含量最低，為94.33mg/kg。同步施肥處理呈現出先增加后降低的趨勢，在40～60cm含量達到最大值77.99mg/kg。減量施肥處理呈現出先增加后降低的趨勢，在40～60cm含量達到最大值72.35mg/kg（圖4）。這表明中期施肥會加速銨態氮向深層土壤淋洗，可淋洗至60～80cm，但多集中在40～60cm土層。

在后期施肥時期，在垂直深度為20～40cm時，銨態氮含量大小依次是常規施肥>同步施肥>減量施肥>空白處理，但其他深度的銨態氮含量大小均為常規施肥>減量施肥>同步施肥>空白處理，尤其是常規施肥處理，銨態氮含量顯著高于其他3種處理。隨著垂直深度的增加，常規施肥土壤銨態氮含量呈現出先降低后增加的趨勢，在0～20cm處銨態氮含量最高，為92.74mg/kg，在40～60cm含量最低，為31.21mg/kg。同步施肥處理呈現出先增加后降低的趨勢，在20～40cm含量達到最大值11.47mg/kg。減量施肥處理呈現出先降低后增加再降低的趨勢，在40～60cm含量達到最大值25.8mg/kg（圖4）。這表明后期施肥會加速銨態氮向深層土壤淋洗，可淋洗至60～80cm，但多集中在0～20cm土層。

2.2.2土壤硝態氮的垂直運移中期施肥后，在施肥穴處，常規施肥處理的土壤硝態氮含量顯著增加，其他3種處理的影響并不明顯。在垂直方向上，隨著深度的增加，常規施肥處理的硝態氮含量呈先增加后降低的趨勢，在40～60cm處達到最大值200.39mg/kg（圖5）。說明中期施肥后，硝態氮可淋洗至60～80cm，但多集中在40～60cm土層。

后期施肥后，在施肥穴處，各土層的土壤硝態氮含量增加，隨著深度的增加，其硝態氮含量呈先降低后增加的趨勢，常規施肥和同步施肥在0～20cm殘留較多，分別為76.17、106.9mg/kg。減量施肥在40～60cm殘留較多，為42.86mg/kg（圖5）。這說明后期施肥，硝態氮向下淋溶減弱。

2.2.3土壤無機氮的垂直運移在中期施肥后（圖6），常規施肥呈現出先增加后降低的趨勢，在40～60cm處達到最大值294.73mg/kg；同步施肥處理呈現出先增加后降低的趨勢，在20～40cm處含量最低，為39.28mg/kg，在40～60cm達到最大值80.05mg/kg；減量施肥呈現出先增加后降低的趨勢，在40～60cm處達到最大值74.71mg/kg；總體來看，常規施肥>同步施肥>減量施肥，雖然本次常規施肥和同步施肥的施氮量相同，但在第一次施肥中，常規施肥的施氮量比同步施肥多20%。這說明施肥量會增加土壤無機氮含量，無機氮主要遷移至40～60cm土層。

在后期施肥后（圖6），在施肥穴處，各土層的土壤無機氮含量增加，隨著深度的增加，施肥處理無機氮含量呈先降低后增加的趨勢，常規施肥和同步施肥是在0～20cm殘留較多，分別為115.67、168.9mg/kg。減量施肥在40～60cm殘留較多，為68.66mg/kg。

2.3施肥中期不同施氮水平對水平方向上銨態氮和硝態氮占比的影響

由表2可知，中期施肥降低了銨態氮的占比，并且在水平方向上呈波動的變化趨勢。CK在不同水平距離下，銨態氮占比無較大變化，減量施肥和同步施肥的銨態氮占比接近，高于常規施肥處理。施肥增加了硝態氮占比，表現為常規施肥>減量施肥>同步施肥。硝態氮占比在水平方向上呈波動的變化趨勢，在距施肥穴5cm處占比較高。說明施肥改變了土壤中的銨態氮和硝態氮的分布和運移。

由表2可知，后期施肥降低了銨態氮的占比，并且在水平方向上呈波動的變化趨勢，呈現減量施肥>常規施肥>同步施肥。施肥增加了硝態氮占比，表現為常規施肥>同步施肥>減量施肥。硝態氮占比在水平方向上呈波動的變化趨勢，在距施肥穴15cm處占比較高。說明施肥改變了土壤中的銨態氮和硝態氮的分布和運移。

2.4不同施氮水平對垂直方向上銨態氮和硝態氮占比的影響

由表3可知，常規施肥處理降低了垂直方向上銨態氮占比，減量施肥和同步施肥處理與CK差別小。隨著深度的增加，常規施肥處理銨態氮占比呈先降低后增加，在0～20cm占比最高，這與常規施肥處理表層較高的銨態氮含量有關；減量處理和同步處理銨態氮占比呈先增加后降低的趨勢，并在40～60cm達到最高值，說明銨態氮遷移主要停留在40～60cm土層。

常規施肥處理增加了垂直方向上硝態氮占比，減量施肥和同步施肥處理與CK差別小。隨著深度的增加，常規施肥處理銨態氮占比呈先增加后降低，在40～60cm達到最大值；而減量施肥和同步施肥呈先降低后增加的趨勢，在0～20cm占比較高。說明本次施肥硝態氮在0～20cm土層聚集，但施肥量增加，引起硝態氮向下淋洗，使其在40～60cm聚集較多。

由表3可知，后期施肥降低了銨態氮占比，銨態氮占比呈常規處理＞減量處理＞同步處理，隨著深度的增加，各施肥處理銨態氮占比呈先增加后降低的趨勢，在20～40cm占比最高，說明銨態氮遷移主要停留在20～40cm土層。后期施肥增加了硝態氮占比，硝態氮占比呈同步處理＞減量處理＞常規處理，隨著深度的增加，各施肥處理銨態氮占比呈先降低后增加的趨勢，常規處理和同步處理的硝態氮在0～20cm占比最高，減量處理在60～80cm占比最高。說明硝態氮能遷移至60～80cm土層，但在0～20cm聚集較多。

3討論

施肥量和施肥方式會綜合影響土壤水分和溶質運移[11]，在陽離子交換量低的橡膠園土壤，雨季降雨量大且頻繁，淋洗嚴重，施入的氮肥極易隨雨水淋溶[12]，氮肥過量或不合理施用是引起土壤硝態氮淋溶的主要原因[13]。并且施氮水平越高，淋溶損失越大[14]。

王火焰等[15]研究指出，肥料養分利用率低是由于常規施肥措施下，土壤中肥料養分的供應時間、空間、濃度和用量無法與作物需求匹配。但分次施用氮肥能改善作物氮素需求與供應的匹配度，提高氮素利用效率[16]。本研究結果也驗證了該觀點，中期施肥，各施肥處理的銨態氮、硝態氮和無機氮含量整體水平方向的殘留情況為：CK<同步施肥＜減量施肥<常規施肥；后期施肥，各施肥處理的硝態氮和無機氮含量整體水平方向的殘留情況為：CK＜減量施肥<同步施肥<常規施肥，且常規施肥方式的殘留量遠遠大于其他施肥方式。因此，在不同時期調整施肥量，對于減少氮肥損失，提高肥料利用率是十分必要的。

本研究中，在水平方向上，銨態氮含量隨著距離的增加逐漸降低，在0～5cm內驟降，但硝態氮含量在中期0～5cm內增加，后期0～5cm內驟降，隨后變化不明顯，這可能與該地區的溫度和降水有關。硝態氮是一種通過靜電力與土壤膠體發生作用的非專性吸附陰離子，通常不易被帶負電的土壤膠體所吸附，主要以溶質的形式存在于土壤溶液中，其運移速率隨土壤含水量的不同而相應地變化。已有研究表明，硝態氮受土壤含水量影響較大，其水平運移濃度隨土壤含水量增加而減少[17]。本研究中，中期較后期溫度更高，降水更少，使中期的硝態氮水平運移增加，含量升高。祁棟靈等[18]也發現，橡膠林土壤硝態氮含量季節性變化明顯，6月份含量最高。此外，硝態氮的運移受土層中水分橫向移動較弱的限制，在水平方向6cm以內，硝態氮運移速率較大，超過6cm，運移速率變化較小[17]。因此，遠離施肥穴的土壤硝態氮變化不明顯。而銨態氮易被土壤膠體吸附，相對穩定，水平遷移并不明顯。本研究還發現，在水平方向上，常規施肥的銨態氮占比明顯低于對照。這可能與氮素在土壤中生物化學轉化、吸附-解吸、植物吸收等過程有關[5-6]。如前所述，土壤氮素虧損是橡膠種植土壤肥力的限制因子[1-2]。因此，氮肥施加量越大，土壤養分就越充足，微生物的活性就越大。這將會增強土壤的反硝化過程，進而加劇土壤氮素的流失[7-10]。尤其在表層土壤，因與肥料直接接觸，土壤的硝化、反硝化過程會更強烈，氮素流失效應更強。在常規施肥中，大量的氮肥施入，通常對橡膠生長具有更強的促進作用，這也會加劇土壤中氮素的損耗。此外，施肥方式不同，對土壤結構、礦物組成等物理性狀的影響也不同，進而影響土壤氮素在土壤中的持留和淋失[8-10]。

在合理施肥的情況下，銨態氮和硝態氮含量會隨著土層深度的增加而減少，但SIEMENS等[13]研究發現，不合理施肥會導致硝態氮淋溶及土壤深層硝態氮的累積。尤其是在雨熱季，降雨、高溫會促使施入的氮肥隨著水分向土壤深層淋溶[19]，導致氮素累積。本研究結果顯示，施肥量對橡膠園土壤垂直方向上氮素運移有顯著影響，銨態氮、硝態氮、無機氮含量整體上表現為：中期，常規施肥＞同步施肥＞減量施肥＞空白處理；后期，常規施肥＞減量施肥＞同步施肥＞空白處理，同步施肥和減量施肥氮素遷移遠低于常規施肥，說明這2種施肥量是橡膠園合理的施肥用量。中期施肥，銨態氮和硝態氮發生垂直運移，主要遷移至40～60cm土層，并且硝態氮遷移是在施肥量較大的常規施肥處理中，遷移較為明顯。后期施肥，相對于硝態氮來說，銨態氮遷移不明顯，并且硝態氮和銨態氮均主要集中在0～20cm。說明調整全年施肥比例后，土壤氮素的運移更加接近合理施肥情況下的氮素變化規律。與硝態氮相比，通常銨態氮更易被土壤吸附，在特定條件下借助下滲流的驅動才可能在土壤剖面中隨水遷移[20]。但本研究中，土壤氮素主要以銨態氮的形式存在。土壤銨態氮占比大于硝態氮占比，但隨著水平距離和垂直深度的增加，在施肥量較多的常規處理中，硝態氮占比大于銨態氮。這可能是因為尿素在施入土壤后，除少量以分子態被土壤吸附，大部分在土壤中脲酶的作用下，水解為碳酸銨，并釋放出銨態氮[21]，在其發生硝化作用之前就發生了遷移，引起銨態氮占比增加。但施肥量增加，土壤硝態氮占比也隨之提高，這是由于土壤硝態氮含量會隨施氮量的增加而升高[22]。施肥后，土壤的銨態氮占比降低。與不施肥處理相比，氮肥（尿素）施入土壤后，銨態氮的比例降低。這可能與氮肥對土壤微生物的激發效應有關。微生物是激發效應的驅動者，在自然條件下，大部分微生物處于休眠或潛在活躍狀態[23]，當向系統中投入無機氮肥后，能夠促進土壤硝化微生物——氨氧化細菌的增長繁殖[24-26]，從而產生正激發效應。這增加了微生物對土壤無機氮的利用，而微生物會優先選擇能量消耗小的銨態氮利用。這可能會增加對土壤銨態氮的消耗，表現出施肥后土壤銨態氮占比降低的情況。

土壤中銨態氮和硝態氮的分布趨勢還取決于多種因素，除氮肥施用量、施肥時間的變化外，作物吸收、微生物對NH4+和NO3–的固定、反硝化、氨揮發等過程均是決定其動態變化的重要因素[8，27-29]。因此，對于橡膠林氮素水平-垂直方向運移，后續還需進行更多、更深入的研究，才能明確其變化的主導過程及關鍵因子。

4結論

不同施肥處理土壤氮素遷移特點有所不同，以垂直運移為主。土壤氮素水平運移呈現出遞減趨勢，在5cm內變化劇烈，超過30cm后，變化不再明顯。中期施肥銨態氮主要遷移至40～60cm，而后期施肥銨態氮主要停留在0～20cm。無機氮的變化趨勢與銨態氮一致，無機氮主要以銨態氮的形式運移，在后期施肥，銨態氮和硝態氮的遷移能力均有所減弱，向深層土壤的遷移減少。說明調整施肥量和施肥時間，對于減少土壤氮素向深層遷移，改善氮肥流失有積極作用。