环境科学  2014, Vol.35 Issue (8): 3083-3090   PDF    
引用本文
刘希玉, 邹敬东, 徐丽丽, 张心昱, 杨风亭, 戴晓琴, 王忠强, 孙晓敏. 不同肥料种类对稻田红壤碳氮淋失的影响[J]. 环境科学, 2014, 35(8): 3083-3090.
LIU Xi-yu, ZOU Jing-dong, XU Li-li, ZHANG Xin-yu, YANG Feng-ting, DAI Xiao-qin, WANG Zhong-qiang, SUN Xiao-min. Effects of Different Fertilizer Species on Carbon and Nitrogen Leaching in a Reddish Paddy Soil[J]. Environmental Science, 2014, 35(8): 3083-3090.
不同肥料种类对稻田红壤碳氮淋失的影响
刘希玉1,2, 邹敬东3, 徐丽丽2, 张心昱2 , 杨风亭2, 戴晓琴2, 王忠强1, 孙晓敏2    
1. 东北师范大学地理科学学院, 长春 130024;
2. 中国科学院地理科学与资源研究所, 生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101;
3. 江西省吉安市农业科学研究所, 吉安 343000
收稿日期: 2014-1-3; 修订日期: 2014-2-28.
基金项目： 国家自然科学基金项目（41171153）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2-EW-310）；中国科学院地理科学与资源研究所自主部署创新项目（201003006）
作者简介：刘希玉（1989~），女，硕士研究生，主要研究方向为土壤碳氮循环，E-mail：liuxiyudexinxiang@163.com
通讯联系人,张心昱,E-mail:zhangxy@igsnrr.ac.cn
摘要：土壤中碳、 氮淋失降低土壤肥力，污染水体环境. 为探究不同施肥种类对稻田红壤碳氮淋失影响，本试验依托中国科学院千烟洲生态站（114°53'E，26°48'N）1998年建立的红壤稻田长期定位控制试验，选用负压法采集土壤溶液，研究秸秆还田（ST）、 有机肥（OM）、 化肥（NPK）对土壤碳、 氮淋失状况及时间动态的影响. 结果表明：1稻田土壤中氮素淋失以铵态氮（NH4+-N）为主，施用NPK使土壤中NH4+-N（1.2 mg·L-1±0.1 mg·L-1）淋失最严重，施用OM使土壤中可溶解性有机碳（DOC）（27.3 mg·L-1±1.6 mg·L-1）淋失最严重，且土壤中DOC和NH4+-N均在水稻营养生长期淋失最严重（P<0.05）；2施用OM与NPK可以增加稻田红壤中NH4+-N、 DOC、 总有机碳（SOC）和总氮（TN）含量，且施用NPK增加TN效果最显著，施用OM增加SOC最显著；3土壤渗漏液中DOC含量与稻田红壤中SOC含量呈显著正相关（P<0.01），土壤渗漏液中NH4+-N含量与稻田红壤中TN含量呈显著正相关（P<0.01）.
关键词： 稻田红壤     土壤渗漏液     铵态氮     可溶解性有机碳     化肥     有机肥     营养生长期     生殖生长期    
Effects of Different Fertilizer Species on Carbon and Nitrogen Leaching in a Reddish Paddy Soil
LIU Xi-yu1,2, ZOU Jing-dong3, XU Li-li2, ZHANG Xin-yu2 , YANG Feng-ting2, DAI Xiao-qin2, WANG Zhong-qiang1, SUN Xiao-min2    
1. College of Geographic Science, Northeast Normal University, Changchun 130024, China;
2. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
3. Institute of Ji'an Agricultural Sciences, Jiangxi Province, Ji'an 343000, China
Abstract: Enhanced fertilization could decrease nitrogen utilization rate and increase carbon and nitrogen leaching, leading to water pollution in agricultural ecosystem. A long-term field experiment had been established on a reddish paddy soil of Qianyanzhou Ecological Experimental Station (114°53'E, 26°48'N) in Jiangxi Province in 1998. Soil solution samples were collected by clay tube and vacuum pump. Four fertilizer species treatments were selected: control with no fertilizer (CK), straw return (ST), nitrogen, phosphorus and potassium mineral fertilizers (NPK) and pig manure (OM), aiming to evaluate the effects of different species of fertilizer on carbon and nitrogen leaching in a double rice cropping system. The results showed that: 1 ammonium nitrogen (NH4+-N) was the major type of N in soil leachate in reddish paddy soil. The application of NPK could significantly increase the ammonium nitrogen concentration (1.2 mg·L-1±0.1 mg·L-1) compared with the CK, ST and OM treatments, and the application of OM could significantly increase the dissolved organic carbon (DOC) concentration (27.3 mg·L-1±1.6 mg·L-1) in soil leachate. The carbon and nitrogen leaching were more notable in the vegetative growth stage than the reproductive growth stage of rice (P<0.05); 2 the long-term application of NPK and OM increased the NH4+-N, DOC, soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) contents. The NPK was best beneficial to improve TN contents and OM to improve SOC contents. 3 The DOC contents in soil leachate and SOC in paddy soil had a positive correlation (P<0.01), while NH4+-N contents in soil leachate and TN contents in paddy soil had a positive correlation (P<0.01).
Key words: reddish paddy soil     soil leachate     NH4+-N     DOC     NPK     OM     vegetative growth stage     reproductive growth stage    

我国是世界上水稻种植面积第二大国，水稻产量位居世界首位，大规模水稻种植导致的营养物质污染主要集中在我国南方亚热带中部[1,2]. 红壤在我国南方热带和亚热带地区所占面积为2035300 km2，丰富的降水量和适宜的温度，使该区域成为我国农业重要产区，该区域作物以水稻为主，其水稻生产量占世界产量的29%[3]. 碳素和氮素是评价土壤肥力和质量的重要指标之一[4]，肥料的施用使我国稻田红壤中碳氮含量增加约一倍[5]. 近年来为追求高产，满足粮食需求，现代农业生产大量施用化肥，施肥量与20世纪80年代相比提高约2倍[6]，我国稻田氮肥施用量占世界水稻氮肥总消耗量的37%[7]，而吸收利用率仅为30%~35%[8]. 大量氮肥施用到土壤后，降低了氮素利用效率，土壤中氮素向下淋溶[9]，且通过地表径流、 农田排水和淋溶途径进入水体[10]，导致土壤养分流失增多，水体富营养化[11]和地下水体中硝酸盐污染[12]现象严重.

土壤可溶性有机碳淋失是水体中有机碳污染的重要来源[13]，针对农业生态系统的研究表明，施用氮肥使土壤中可溶解性有机碳和硝态氮淋失量增多[14]. 目前，土壤中碳、 氮淋失导致环境污染现象严重[15]，针对土壤中碳、 氮淋失的研究也越来越多. 化肥和有机肥的长期施用导致深层土壤中氮素累积量大幅增加，氮素淋失严重[16]. 从2002~2007年，华北平原区潜水与承压水中硝态氮含量增长了约一倍[17]. 但对于不同施肥种类对稻田红壤中碳氮淋失状况及其与土壤中碳、 氮含量相关研究还较少.

本研究依托中国科学院千烟洲生态站1998年建立的红壤稻田长期定位施肥试验，采用负压法采集土壤溶液，研究秸秆还田(ST)、 有机肥(OM)、 化肥(NPK)对土壤碳、 氮淋失状况及时间动态的影响，以期为不同肥料种类对稻田土壤碳氮淋失评价提供依据，为稻田施肥的合理管理提供依据.

1 材料与方法 1.1 试验地概况

中国科学院千烟洲生态试验站位于江西省泰和县(26°48′N，114°531′E)，为典型红壤丘陵区，地处中亚热带季风气候区，雨量充沛，四季分明，年平均气温17.8℃，年平均无霜期为280 d，年均降雨量为1471 mm. 试验地位于河漫滩，地势平坦.

1.2 试验设计

长期定位试验于1998年开始，一年两季种植水稻，早稻每年4月底移栽，7月底收获，晚稻7月底移栽，11月初收获. 每个处理3次重复，每个小区面积为3 m×5 m=15 m2，小区间以水泥田埂相隔. 本研究选择其中4个处理：对照(CK)：不施任何肥料; 秸秆还田(ST)：不施任何肥料，但小区收获后的秸秆还田; 有机肥(OM)：施用猪粪; 化肥(NPK)：施用氮磷钾化肥.

两季稻施肥总量：OM(猪粪，含N 0.55%)：225 kg ·(hm2 ·a)-1，做基肥一次性施用; ST(秸秆还田，含N 0.55%，秸秆量约4500kg ·hm-2)：25 kg ·(hm2 ·a)-1，含C量为2295 kg ·(hm2 ·a)-1; NPK：施225 kg ·(hm2 ·a)-1(尿素，含N 46%)，135 kg ·(hm2 ·a)-1(钙镁磷肥，含P2O5 13%)，225 kg ·(hm2 ·a)-1(氯化钾，含K2O 60%)，早、 晚稻的施肥比例为1 ∶1.25，基追肥比为6 ∶4.

试验处理前土壤的基本性质为：pH 6.0; 土壤有机碳9.7 g ·kg-1; 全氮1.0g ·kg-1; 速效磷1.6 mg ·kg-1; 速效钾17.6 mg ·kg-1.

1.3 样品采集与分析

本研究在2011年早、 晚两季水稻生长期进行采样. 早稻于2011年4月20日施底肥，4月21日插秧，4月30日追肥，7月15日早稻收获; 晚稻于7月19日施底肥，7月20日插秧，8月2日追肥，11月5日晚稻收获.

在水稻整地后、 施底肥前，在土壤40 cm深度埋设陶土头负压采样计(图 1)，采用负压法采集土壤溶液，收集50 mL土壤溶液，4℃保存.

图 1 土壤溶液采集装置示意

Fig. 1 Sketch map of soil leachate collection device

土壤溶液采样频率为：分别在早稻和晚稻追肥前的第2 d、 第4 d、 和追肥后的第2 d、 第4 d、 第6 d和第8 d采集土壤溶液，采样频率为1次/2 d，每季各采样六次. 在早稻和晚稻插秧后的第24~38 d之间，在水稻营养生长期(秧苗期和分蘖期)，采样频率为1次/7 d，每季各采样3次. 在早稻和晚稻的第55~85 d之间，在水稻的生殖生长期(孕穗期、 抽穗开花期和灌浆结实期)，采样频率为1次/15 d，每季各采样3次，水稻收获后停止采样. 在早晚稻两个生育期内，总计采样24次.

土壤样品于2011年11月晚稻收获后，用土钻采集0~20 cm土层土壤样品，每个小区以对角线5点混合成一个样品.

土壤理化性质分析方法如下[18]：土壤NH+4-N和NO-3-N采用鲜土，用1 mol ·L-1KCl浸提，液土比10 ∶1; 土壤溶解性有机碳(DOC)采用超纯水浸提，液土比5 ∶1. 土壤浸提液和渗漏液NH+4-N和NO-3-N使用德国Bran Luebbe连续流动分析仪(AA3)测定，土壤浸提液和渗漏液中可溶解性有机碳(DOC)采用德国Elementar 总有机碳分析仪(LiquidⅡ)测定，土壤总有机碳(SOC)和总氮(TN)采用德国Elementar元素分析仪(Vario Max CN)测定.

数据使用SPSS 17.0(SPSS Inc.,Chicago,USA)进行单因素方差(One-way ANOVA)分析,采用LSD进行多重比较检验，P<0.05为差异显著.

2 结果与分析 2.1 不同肥料种类对土壤渗漏液中DOC和NH+4-N含量的影响

施用有机肥和化肥显著增加了土壤渗漏液中DOC含量，而秸秆还田处理则影响不显著[图 2(a)]. CK处理土壤渗漏液中DOC含量最低(18.8 mg ·L-1±0.8 mg ·L-1)，OM处理土壤渗漏液中DOC含量最高(27.3 mg ·L-1±1.6 mg ·L-1)，分别为CK、 ST和NPK处理的1.5、 1.4和1.2倍，且差异显著(P<0.05). NPK处理土壤渗漏液中DOC含量(22.6 mg ·L-1±1.0 mg ·L-1)显著高于CK 和ST处理，是CK和ST处理的1.2和1.1倍(P<0.05).

稻田红壤渗漏液中硝态氮(NO-3-N)含量基本未检出. 土壤渗漏液中铵态氮(NH+4-N)含量主要受施用化肥影响，秸秆还田、 有机肥对土壤渗漏液中铵态氮(NH+4-N)含量影响均不显著[图 2(b)]，其中NPK处理土壤渗漏液中NH+4-N浓度最高，为1.2 mg ·L-1±0.1 mg ·L-1，显著高于CK(0.2 mg ·L-1±0.1 mg ·L-1)、 ST(0.1 mg ·L-1±0.1 mg ·L-1)和OM(0.3 mg ·L-1±0.1 mg ·L-1)处理，且差异达到显著水平(P<0.05).

图 2 不同施肥种类对4~11月土壤渗漏液中DOC和NH+4-N含量的影响

Fig. 2 Effects of different fertilizer species on soil dissolve organic carbon and ammonium nitrogen contents of soil leachate from April to November

箱型图中从上至下三条横线分别表示上四分位数，中位数，下四分位数; “×”表示极大值和极小值; “□”表示平均值； 不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)，下同

2.2 不同肥料种类对土壤渗漏液中DOC和NH+4-N含量时间动态变化的影响

不同处理方式下两季水稻营养生长期土壤渗漏液中 DOC含量总体趋势均高于水稻生殖生长期(图 3). 与CK、 ST和NPK处理相比，施用OM增加了水稻营养生长期土壤渗漏液中DOC含量，早稻时在营养生长期DOC含量最高，达到95 mg ·L-1，生殖生长期下降到30 mg ·L-1; 晚稻时在营养生长期DOC含量最高，达到44 mg ·L-1，生殖生长期下降到23 mg ·L-1，整体看早稻营养生长期时土壤渗漏液中DOC含量明显高于晚稻. ST和NPK处理方式下，土壤渗漏液中DOC含量在早晚稻时期内的变化趋势基本保持一致，早稻在5~31 mg ·L-1，晚稻在16~30 mg ·L-1，且从整体看晚稻营养生长期时土壤渗漏液中DOC含量明显高于早稻.

图 3 不同施肥种类土壤渗漏液DOC含量的时间动态变化

Fig. 3 Effects of different fertilizer species on DOC content dynamic

为施加追肥，┆表示划分早、 晚稻，下同

施用有机肥和化肥均增加了水稻营养生长期土壤渗漏液中NH+4-N含量(图 4). 两季水稻营养生长期的土壤渗漏液中NH+4-N浓度均较高，CK与ST处理的土壤渗漏液NH+4-N浓度在早晚稻营养生长期最高值分别为0.3 mg ·L-1、 0.3mg ·L-1和0.1 mg ·L-1、0.4 mg ·L-1; ST处理在晚稻时土壤渗漏液铵态氮含量出现增高的趋势，最高值为1.4mg ·L-1; 施用NKP处理对晚稻营养生长期土壤渗漏液中NH+4-N增加效果最明显，最高值达8.5

mg ·L-1; ST和NPK处理方式下晚稻营养生长期时土壤渗漏液中NH+4-N含量明显高于早稻. 施用OM对早稻营养生长期土壤渗漏液中NH+4-N含量增加最明显，达4.1 mg ·L-1，在晚稻期间增加效果不明显，且从整体上看早稻营养生长期时土壤渗漏液中NH+4-N含量明显高于晚稻.

图 4 不同施肥种类土壤渗漏液NH+4-N含量的时间动态变化

Fig. 4 Effects of different fertilizer species on NH+4-N content dynamic

2.3 不同肥料种类对土壤中碳氮含量的影响

肥料的施用使稻田红壤中DOC和SOC含量升高[图 5(a)和5(b)]. 各处理土壤中DOC含量从高到低顺序为：NPK>OM>ST>CK，与CK处理(173.4 mg ·kg-1±13.1mg ·kg-1)相比较，ST、 OM和NPK处理分别增加土壤中DOC含量11.5%、 18.2%和27.7%，化肥增加效果显著(P<0.05). OM处理稻田红壤中SOC含量最高(21.2 g ·kg-1±2.2 g ·kg-1)，分别为CK和ST处理的2.3和

1.7倍，且差异显著(P<0.05). NPK处理稻田红壤中SOC含量(17.6 g ·kg-1±1.3g ·kg-1)是CK和ST处理的1.9和1.4倍(P<0.05).

图 5 不同施肥种类对土壤中DOC、 SOC、 TN、 NH+4-N和 NO-3-N 含量的影响

Fig. 5 Effects of different fertilizer species on soil dissolve organic carbon, soil organic carbon,total nitrogen,ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents

肥料的施用显著增加了土壤中总氮和铵态氮含量[图 5(c)和5(d)]，土壤中无机氮常以硝态氮(NO-3-N)和铵态氮(NH+4-N)形态存在. 与CK处理(1.3mg ·kg-1)相比较，ST、 OM和NPK处理增加了稻田红壤中NO-3-N含量，但差异未达到显著水平(P>0.05)[图 5(e)]. 施用NPK显著增加了土壤中TN(1.5 g ·kg-1±0.2 g ·kg-1)和NH+4-N(11.3 mg ·kg-1±0.2 mg ·kg-1)含量(P<0.05). 施用OM显著增加了土壤中NH+4-N(11.1 mg ·kg-1±0.6 mg ·kg-1)(P<0.05)，而对土壤中TN(1.2 g ·kg-1±0.1 g ·kg-1)含量增加效果不显著.

相关分析表明，稻田土壤渗漏液中DOC含量与土壤中SOC含量呈极显著正相关(P<0.01)，稻田土壤渗漏液中NH+4-N含量与土壤中TN含量呈极显著正相关(P<0.01)(图 6). 土壤渗漏液中DOC和NH+4-N含量与土壤DOC、 NH+4-N、 NO-3-N相关不显著. 结果表明，随着肥料的施用，稻田红壤中SOC和TN总量增加，土壤中碳氮淋失量也增多.

图 6 稻田红壤中SOC、 TN含量与土壤渗漏液中DOC、 NH+4-N含量之间的线性关系

Fig. 6 Linear relationships between soil organic carbon and total nitrogen contents in paddy soil and dissolved organic carbon and ammonium nitrogen contents in soil leachate

3 讨论 3.1 不同肥料种类对土壤NH+4-N淋失的影响

稻田土壤中氮素流失以铵态氮为主，土壤渗漏液中铵态氮含量显著高于硝态氮含量. 湖南长沙小流域监测研究结果也表明，随着稻田面积增加，水体中铵态氮含量增加[19]. 红壤水稻土渗漏液中NO-3-N含量基本未检出，这可能是由于监测期内土壤处于淹水条件，虽然水稻根系能分泌氧气，这些氧气在硝化微生物的作用下将NH+4 氧化成NO-3，但是在根表形成的NO-3被水稻立即吸收[20]. 吴建富等[21]研究也发现，施用化肥后红壤稻田渗漏液中NH+4-N 含量约为NO-3-N含量的2倍，水稻土渗漏液中氮素淋失以NH+4-N为主.

与施用有机肥相比，施用化肥显著增加了土壤中氮素淋失量. 施氮量与土壤中氮素淋失量呈正相关[22]. 在本研究中表明施用肥料增加了土壤渗漏液中NH+4-N含量，且化肥处理效果更显著，这与已往研究结果相一致[23, 24, 25, 26]. 这主要是由于猪粪中的氮主要是有机态氮，有机肥做为缓性肥料释放慢，而且腐解的有机物能够吸附NH+4，所以在施氮水平相同的OM与NPK中，NPK处理方式下土壤中氮素淋失量更多[27].

两季水稻土壤渗漏液中NH+4-N含量均在营养生长期较高，营养生长期过后土壤渗漏液中NH+4-N浓度有所下降，基本保持稳定. 汪军等[28]和李勇等[29]研究结果表明，氮肥施入土壤后，渗漏液中NH+4-N含量会在2~4 d左右出现峰值，氮素的淋失也主要发生在营养生长期，这可能是由于有机肥作为底肥与化肥作为追肥施用后，导致水稻营养生长期碳氮供给量高于需求量所致，同时随着水稻生长，需氮量逐渐增加，大量氮素被水稻根系吸收，减少了相应的氮素渗漏损失，因此土壤渗漏液中NH+4-N含量在营养生长期过后趋于稳定[30].

3.2 不同肥料种类对土壤DOC淋失的影响

与施用化肥相比，施用有机肥增加了土壤中DOC淋失量，土壤渗漏液中DOC含量与土壤中SOC含量呈极显著正相关. 目前鲜见不同施肥方式对土壤中碳淋失影响的研究. 已有大量研究结果表明，施用有机肥和化肥显著增加了稻田土壤中SOC含量，并且施用有机肥效果更显著[31]. 化肥的施用增加了植物根系和残体量，从而增加了土壤活性有机碳含量[32]; 施用有机肥在为植物提供充足养分同时，自身也会携带大量微生物，加速了土壤微生物代谢作用[33]，从而增加了土壤中SOC含量. 14 a长期施用有机肥和化肥，导致土壤中SOC含量累积和土壤中pH值降低[34]，土壤pH的变化可能改变土壤中离子结构组成和溶解度，从而可能改变土壤渗漏液中DOC含量[35].

本研究中也发现，土壤渗漏液中DOC含量变幅较大，并且土壤渗漏液中DOC含量在水稻营养生长期时更高. ST和NPK处理方式下晚稻营养生长期时土壤渗漏液中DOC含量明显高于早稻，这可能是由于早稻残茬增加了晚稻土壤中有机质含量，从而导致晚稻营养生长期土壤渗漏液中DOC含量明显高于早稻. 而在OM处理方式下早稻营养生长期时土壤渗漏液中DOC含量明显高于晚稻，这可能是因为有机肥是在早稻前作为基肥一次性施用，在早稻营养生长期养分供给量明显高于植物需求量所致.

4 结论

(1)在早晚稻生长周期内，土壤碳、 氮淋失多发生在水稻营养生长期; ST和NPK处理方式下，晚稻季土壤渗漏液中NH+4-N和DOC含量高于早稻，OM处理方式下早稻季土壤渗漏液中NH+4-N和DOC含量高于晚稻.

(2)土壤渗漏液中DOC含量与稻田土壤中SOC含量呈极显著正相关，土壤渗漏液中NH+4-N含量与红壤中TN含量呈极显著正相关. 化肥处理方式下土壤中NH+4-N淋失最严重，而施用有机肥使土壤中DOC淋失严重.

致谢： 感谢中国科学院千烟洲生态试验站对本研究野外工作的支持和帮助!

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