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Accumulation of soil inorganic nitrogen in mono-harvesting farmlands of northeast China in late autumn

东北一季作农田秋末土壤中无机氮的累积



全 文 :东北一季作农田秋末土壤中无机氮的累积*
陈  欣* *  张庆忠  鲁彩艳  史  奕  张  璐
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室,沈阳 110016)
摘要  在我国东北一季作农田地区, 秋季作物收获时土壤中累积的无机氮并不多, 但经过秋末一段温
度、湿度都适宜矿化作用又无作物生长利用的时期以后,封冻前旱地土壤中累积的无机氮可以达到一个较
高的水平, 单施化肥的旱地农田 1 m 土体中累积的无机氮为 999 kg!hm- 2 , 化肥和有机肥配施的农田为
145 4 kg!hm- 2 ;水田土壤中累积的无机氮较低,这是由于水田土壤长期淹水,通透性不及旱田, 尽管落水
后透气性有所改善, 但不充分的含氧条件有利于反硝化作用, 矿化的无机氮最终以 N 2O 形式损失掉.
关键词  无机氮积累  一季作农田  非生长季
文章编号  1001- 9332( 2004) 10- 1887- 04 中图分类号  S153 6+ 1 文献标识码  A
Accumulation of soil inorganic nitrogen in mono harvesting farmlands of northeast China in late autumn.
CHEN Xin1, ZHANG Qingzhong, LU Caiyan, SHI Yi, ZHANG Lu ( K ey L aborator y of T er r estr ial Ecological
Process , I nstitute of App lied Ecology , Chinese A cademy of Sciences, Shenyang 110016, China) . Chin. J . A p
p l. Ecol . , 2004, 15( 10) : 1887~ 1890.
The study showed that in northeast China, the farmlands with a monoharvesting agr icultural system had a low
accumulation of soil inorganic nitrog en after harvest. In late autumn, there was an interval of about 20~ 30 days
when the temperature and humidity were appropriate to so il N mineralization, but the mineralized nitrogen could
no t be used by crops in this nongrow ing season. T he accumulat ion of inorganic nitrogen in upland soil r eached a
high level before freezing. Its ino rganic nitrogen content in 1m depth soil was 999 kg!hm- 2 in t he treatment of
commercial fer tilizers( N 150 kg!hm- 2 ; P 16 4 kg!hm- 2 ; K 62 3 kg!hm- 2 ) and 1454 kg!hm- 2 in the treat
ment of commercial fertilizers plus manure( pig manure by a reutilization o f 80% product) . While in r ice field, its
inorganic nitrog en content w as relatively low before fr eezing . The r eason might be that the so il permeability was
no t as good as that in upland for its longterm waterlogging , and its insufficient aer ation w ould be favor able to
denitrification w hich induces the inorg anic nitrogen loss via N 2O emission.
Key words  Accumulation of inorganic nitrog en, Monoharv esting farmland, Nongrow ing season.
* 国家自然科学基金项目( 30100022)和中国科学院陆地生态过程重
点实验室基金资助项目.
* * 通讯联系人.
2003- 07- 24收稿, 2004- 05- 18接受.
1  引   言
目前我国地下水硝酸盐污染非常严重[ 6, 12, 14] ,
而农田土壤硝酸盐的淋失被认为是造成地下水硝酸
盐污染的主要原因[ 1, 4~ 7, 9, 11, 13] .鉴于硝酸盐污染的
危害, 农田土壤中硝酸盐积累与淋失的研究受到越
来越多的关注. 在我国东北一季作农田地区, 每年秋
季作物收获后, 农田开始进入季节休闲,在整个非生
长季中,除了要经历一个漫长而寒冷的冬季, 还有秋
末和春初两个温度和湿度都较适宜土壤有机氮矿化
的短暂时期.由于没有作物的吸收利用,随着气温的
迅速降低无机氮会在土壤中累积.本文以在沈阳生
态实验站进行的两组中长期田间试验为依托, 对不
同施肥制度下旱田、水田秋末土壤中无机氮的累积
进行了研究.
2  研究地区与研究方法
21  试验地点自然条件
试验地点在中国科学院沈阳生态实验站 ( 41∀32#N, 122∀
23#E) ,地处下辽河平原中部偏东, 属暖温带湿润半湿润大
陆性季风气候, 四季分明,雨热同季. 年平均气温 7~ 8 ∃ , 最
高月( 7 月)平均气温 24 ∃ ,最低月( 1 月)平均气温- 13 ∃ ,
平均> 10 ∃ 活动积温 3 300~ 3 400 ∃ , 太阳总辐射为 5 410
~ 5 600 kJ!cm- 2, 无霜期 147~ 168 d,年降雨量约 700 mm,
土壤类型为草甸棕壤, 质地相当于重壤,肥力水平中等偏上.
本地区属于城乡交错带,乡镇工农业均发达. 试验地的基本
理化性质见表 1.全 N 采用凯氏定氮法测定, 全磷和全钾采
用氢氧化钠熔融法测定, 速 P 采用碳酸氢钠法进行测定, 速
K 采用醋酸铵提取法进行测定[ 4] ,有机质采用 TOC仪测定 .
表 1  试验地耕层土壤( 0~ 20 cm)理化性状
Table 1 Characteristics of top soil( 0~ 20 cm) in experimental field
全 N
(% )
全P
( % )
全 K
(% )
速 P
(mg!kg- 1)
无机 N
(mg!kg- 1)
速 K
(mg!kg- 1) 有机质( % ) pH(水%土= 1%2 5)
009 004 1 98 105 836 874 221 67
应 用 生 态 学 报  2004年 10 月  第 15 卷  第 10 期                             
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Oct. 2004, 15( 10)%1887~ 1890
22  试验设计
沈阳生态站不同施肥制度旱地长期定位实验始于 1990
年,共设 12个处理, 本项实验选用其中 3 个处理, 考虑到水
田与旱地情况有所不同, 所以选用另一组水田中长期试验
( 1990 年开始) 3个相近的肥料处理,共 6个处理(表 2) : 1)旱
地,每处理 3 次重复, 小区面积 162 m2 ,实行玉米玉米大豆
轮作.参试玉米品种是: 丹玉 13( 1990~ 1995)、铁丹 10( 1996
~ 1997)、沈试 27( 1998~ 2001) ; 参试的大豆品种是: 铁丰 24
( 1990 ~ 1994)、铁丰 27 ( 1995 ~ 1996)、辽豆 11 ( 1997 ~
2001) .为了与当地农事管理的习惯相一致,大豆区组不施氮
肥.肥料用量分别为 N 150 kg!hm- 2、P 16 4 kg!hm- 2、K
62 3 kg!hm- 2. P、K 作为底肥, N 肥全部作为追肥, 品种分
别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾. 2)水田, 每处理 3 次重复, 小
区面积 24m2 . 基肥施有机肥 37 500 kg! hm- 2 (含 N 量约
03% )、N 61 64 kg!hm- 2和 P 75 6 kg!hm- 2; 分蘖肥施 N
61 64 kg!hm- 2; 拔节肥施 N 61 64 kg!hm- 2; 孕穗肥施 N
30 82 kg!hm- 2, 肥料品种为尿素和过磷酸钙.
表 2  田间实验处理
Table 2 Treatments of field experiment
处理
T reatments
土地利用方式
Land use pattern
施肥
Fert ilizat ion
CK 旱地 Upland 不施肥 No fert ilizat ion
NPK 旱地 Upland 化肥 N、P、K
Chemical fert il izer N, P and K
NPK+ M 旱地 Upland 化肥 NPK + 80% 收获产品喂猪,猪粪经堆腐后回田
Chemical fert ilizer N, P and K w ith a
nutrient reutilizat ion of 80% agro
products
CK 水田 Paddy f ield 不施肥 No fert ilizat ion
NP 水田 Paddy f ield 化肥 N、P
Chemical fert il izer N, P
NP+ M 水田 Paddy f ield 化肥 N、P+ 有机肥
Chemical fert il izer N, P w ith manure
23  研究方法
采样时间为 1999~ 2001 年, 每年秋季作物收获后立即
采样( 10 月) ,土壤封冻前采样( 11 月初) .每一个土壤样品是
由五点构成的混合样,采取 0~ 10、10~ 20、20~ 40、40~ 60、
60~ 80 和 80~ 100 cm 6 个层次的样品,土样被充分混匀后
带回实验室 ,采用 MgO代氏合金蒸馏法迅速分析测定样品
中 NH+4N 和 NO-3 N的含量[ 8] .通过本方法测得的 NO-3 N
量实际上是硝态氮和亚硝态氮的总和,由于亚硝态氮的量相
对于硝态氮的量极微,故本试验未将亚硝态氮从硝态氮中分
离,而是将其总量作为硝态氮的量进行分析计算.
3  结果与讨论
31  秋末旱地土壤中无机氮的累积
从表 3可以看出,玉米和大豆收获后各处理土
壤中累积的无机氮量都不高, 其中 NH+4 N 在 1 m
土体中的剖面分布相对均匀, 且都在 35 mg!kg- 1
之下, 处理之间的差异也不明显. 两个施肥处理的
NO-3 N 含量虽然高于对照处理, 但除了在 0~ 20
cm 土层中含量较高之外(也不超过 6 mg!kg- 1) , 20
cm 以下土层中的含量也较低, 这说明经过作物的吸
收利用后,此时土壤中的无机氮含量已经降到了一
个较低的水平.
表 3  作物收获后旱地土壤中 NH+4 N、NO-3 N的剖面分布( 1999~
2001年的平均值)
Table 3 Profile of NH+4 N and NO-3 N distribution in dry land after
harvesting
剖面深度
Depth( cm)
NH+4 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
NO-3 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
0~ 10 20 33 35 06 47 59
( 06) * ( 16) ( 16) ( 02) ( 23) ( 40)
10~ 20 22 26 25 07 52 56
( 05) ( 09) ( 08) ( 02) ( 22) ( 37)
20~ 40 21 21 25 03 37 24
( 07) ( 06) ( 07) ( 03) ( 07) ( 16)
40~ 60 24 20 23 01 13 18
( 06) ( 07) ( 12) ( 01) ( 07) ( 09)
60~ 80 21 18 22 01 06 12
( 10) ( 08) ( 10) ( 00) ( 03) ( 10)
80~ 100 29 21 19 03 08 11
( 08) ( 11) ( 09) ( 01) ( 00) ( 10)
* 标准差 Standard deviat ion.下同T he same below.
表 4  封冻前旱地土壤中 NH+4 N、NO-3N的剖面分布 ( 1999~ 2001年的平均值)
Table 4 Profi le of NH+4 N and NO-3 N distribution in dry land soi l be
fore freezing
剖面深度
Depth( cm)
NH+4 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
NO-3 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
0~ 10 18 48 80 20 123 181
( 16) * ( 15) ( 38) ( 14) ( 73) ( 137)
10~ 20 19 35 57 174 100 166
( 18) ( 09) ( 23) ( 11) ( 66) ( 126)
20~ 40 14 24 34 09 63 118
( 06) ( 13) ( 10) ( 08) ( 46) ( 102)
40~ 60 16 26 34 05 38 57
( 08) ( 16) ( 13) ( 03) ( 30) ( 44)
60~ 80 12 26 32 02 14 26
( 08) ( 15) ( 19) ( 02) ( 08) ( 22)
80~ 100 12 28 27 02 13 11
( 06) ( 17) ( 18) ( 03) ( 03) ( 08)
  从表 4可以看出, 不论土壤中的 NH+4 N 还是
NO-3 N 都呈随着深度的增加而降低的趋势.对照处
理 1m 土体中累积的 NH +4 N 和 NO-3 N 都不多,在
各土层一般不超过 2 mg!kg- 1.两个施肥处理土壤
中累积的 NH+4 N 和 NO-3 N 都高于对照处理, 其
中,NH+4 N 仅在 0~ 20 cm 土层出现随深度的增加
而降低的趋势, 20 cm 土体以下已趋于平稳, 且低至
4 mg!kg- 1以下,这是因为土壤中 NH +4 N的含量主
要与土壤粘土矿物类型和粘粒含量的多少有关, 而
与施肥的关系不大, 而 NO-3 N 在 60 cm 以下土层
才趋于稳定,这表明了 NO-3 N 的强烈迁移性.
由表5可见,配施由 80%农产品经喂饲堆腐形
成的猪圈粪的处理,其土壤中无机氮的累积增加,影
1888 应  用  生  态  学  报                   15卷
响可以达到 80 cm 土体以下.较之于作物刚收获时,
在土壤封冻前两个施肥处理土壤中累积的无机氮量
有所增加, 并且土壤上部的增加量多于下部. 封冻
前, NPK+ 猪圈粪处理 1 m 土体中累积的无机氮量
可达 1454 kg!hm- 2, 比之于作物收获时增加了
842 kg!hm- 2; NPK 处理 1 m 土体中累积的无机氮
量为 999 kg! hm- 2, 比之于作物收获时增加了
413 kg!hm- 2.统计分析表明, 两个施肥处理在封
冻前累积的无机氮量显著高于对照处理 ( P =
005) ,说明在我国东北一季作农田地区正常施肥仍
能导致较高的无机氮在土壤中积累.由于年际间的
差异较大, 虽然 NPK + 猪圈粪处理的累积高于
NPK处理,但两者差异不显著( P= 005) . 试验地
所在的下辽河平原地区无霜期短,早霜一般出现在
9月 25日, 10月中旬后期常有严霜,大田作物一年
只能一作,作物收获后, 农田进入季节休闲, 在土壤
封冻以前,只要温度> 5 ∃ , 矿化作用就可进行. 天
气正常情况下, 这个阶段一般会有 20~ 30 d的时
间,所以,土壤中有机氮不断矿化,在土壤中产生累
积.如果不遇到大的降雨,这个累积过程可以持续到
土壤封冻, 由于没有作物的生长利用, 1 m 土体中累
积的无机氮量相当可观. 同时,如果遇到降水, 能形
成较强的下渗水流, 大量硝态氮将被淋失.
表 5  秋末旱地土壤中无机氮累积量
Table 5 Quantity of inorganic N accumulated in dry land in later Au
tumn( kg!hm- 2)
处理
Treatment
作物收获后 After harvesting
NH
+
4 N NO-3 N TMN *
封冻前 Before freezing
NH
+
4 N NO-3 N TMN
增加量
Increment
CK 0~ 20cm 48 15 63 43 43 86 2 3
20~ 40cm 62 07 69 40 27 67 - 0 2
40~ 100cm 210 16 226 113 26 139 - 8 7
合计 Total 320 38 358 196 96 292 - 6 6
NPK 0~ 20cm 67 112 179 94 253 347 16 8
20~ 40cm 58 102 160 67 176 243 8 3
40~ 100cm 170 77 247 228 182 410 16 3
合计 Total 295 291 586 389 611 1000 41 4
NPK+ M 0~ 20cm 64 124 188 147 372 519 33 1
20~ 40cm 68 66 134 93 325 418 28 4
40~ 100cm 178 113 291 260 258 518 22 7
合计 Total 310 303 613 500 955 1455 84 2
* TMN is total mineralized N.下同 The same below.
32  秋末水田土壤中无机氮的累积
水稻收获后土壤中无机氮的剖面分布特征如表
6所示. 不论是 NH+4 N 还是 NO-3 N 在 1 m 土体中
的含量都很低且剖面分布均匀,其中NH+4 N 在1~
2 mg!kg- 1之间, NO-3 N 则在 05 mg!kg - 1上下. 封
冻前土壤中无机氮的剖面分布特征如表 7 所示, 土
壤中累积的无机氮较之于水稻收获时有所增加, 但
累积的量仍不高. NH +4 N 剖面分布均匀, 其含量在
2~ 3 mg!kg- 1之间; NO-3 N 剖面分布在 0~ 40 cm
土层呈现随着深度的增加而下降的趋势, 40 cm 以
下土体则趋于稳定, 不论在表层还是底层, 土壤中
NO-3 N 含量都不超过 4 mg!kg- 1.
表 6  水稻收获后土壤中 NH+4 N、NO-3N的剖面分布 ( 1999~ 2001
年的平均值)
Table 6 Profi le of NH+4 N and NO-3 N distribution in paddy field after
harvest
剖面深度
Depth( cm)
NH+4 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
NO-3 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
0~ 10 20 12 21 05 13 11
( 02) * ( 03) ( 05) ( 06) ( 13) ( 10)
10~ 20 17 16 17 06 10 04
( 07) ( 02) ( 05) ( 08) ( 09) ( 04)
20~ 40 16 13 15 05 06 08
( 06) ( 05) ( 06) ( 05) ( 07) ( 02)
40~ 60 19 13 16 07 05 06
( 06) ( 02) ( 05) ( 08) ( 03) ( 01)
60~ 80 18 13 13 04 07 07
( 09) ( 02) ( 02) ( 03) ( 04) ( 01)
80~ 100 13 13 12 04 05 05
( 06) ( 02) ( 01) ( 03) ( 03) ( 02)
表 7  封冻前水田土壤中 NH+4 N、NO-3N的剖面分布 ( 1999~ 2001
年的平均值)
Table 7 Profile of NH+4 N and NO-3 N distribution in paddy field be
fore freezing
剖面深度
Depth( cm)
NH+4 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
NO-3 N( mg!kg- 1)
CK NPK NPK+ M
0~ 10 26 20 29 09 20 35
( 24) * ( 16) ( 19) ( 06) ( 10) ( 09)
10~ 20 25 21 22 02 09 19
( 24) ( 20) ( 17) ( 01) ( 04) ( 01)
20~ 40 23 17 23 02 05 11
( 25) ( 15) ( 19) ( 01) ( 04) ( 04)
40~ 60 26 21 23 01 03 05
( 25) ( 20) ( 14) ( 01) ( 04) ( 06)
60~ 80 26 22 22 01 04 06
( 24) ( 21) ( 21) ( 01) ( 03) ( 03)
80~ 100 25 20 21 00 02 06
( 18) ( 18) ( 21) ( 00) ( 01) ( 05)
  封冻前 1 m土体无机氮的累积量各处理之间差
异不显著( P= 005) , 试验期间, NP+ M 处理 1 m
土体中无机氮平均累积量为 446 kg!hm- 2, NP 处
理为 358 kg!hm- 2,对照处理为 366 kg!hm- 2,比
水稻收获后分别增加了 1558、78和 68 kg!hm- 2
(见表 8) . 与旱田相比,不论施用化肥还是有机无机
配施, 秋末水田 1m 土体中累积的无机氮量都没有
明显变化,其原因可能为:旱田和水田土壤的理化性
质和生物学特性存在很大差异, 水田土壤的水分含
量明显高于旱田, 还原性强, 通透性差, 氧气含量不
充分,因此其矿化作用弱,矿化累积的无机氮少于旱
田土壤;不充分的氧气条件有利于反硝化作用. 陈冠
雄等[ 2, 3]的研究表明, 水稻收获前水田土壤长期处
于淹水状态,期间 N2O 的排放量几乎为零,但在水
188910 期             陈  欣等: 东北一季作农田秋末土壤中无机氮的累积           
稻收获后至土壤封冻前却存在着一个 N2O 的排放
高峰,因此我们估计, 由于一部分无机氮以 N2O 的
形式损失掉,所以也会导致水田土壤累计的无机氮
少于旱田土壤. 水田土壤中累积的无机氮量低,影响
到不同处理之间差异的显著性. 此外, 施肥处理
N2O排放量高,也是不同处理之间无机氮累积量差
异不显著的原因之一.
表 8  秋末水田土壤中无机氮的累积量
Table 8 Quanti ty of inorganic N accumulated in paddy field in later Au
tumn( kg!hm- 2)
处理
Treatment
水稻收获后 After harvesting
NH+4 N NO-3 N TMN *
封冻前 Before freezing
NH+4 N NO-3 N TMN
增加量
Increment
CK 0~ 20cm 47 14 61 64 13 77 1 6
20~ 40cm 45 13 58 65 07 72 1 4
40~ 100cm 139 41 180 212 05 217 3 7
合计 Total 231 68 299 341 25 366 6 7
NPK 0~ 20cm 37 29 66 54 36 90 2 4
20~ 40cm 36 17 53 47 14 61 0 8
40~ 100cm 111 49 160 185 22 207 4 7
合计 Total 184 95 279 286 72 358 7 9
NPK+ M 0~ 20cm 42 17 59 56 60 116 5 7
20~ 40cm 44 22 66 66 32 98 3 2
40~ 100cm 114 52 166 185 47 232 6 6
合计 Total 200 91 291 307 139 446 15 5
4  结   语
本项试验按照当地正常施肥水平开展, 能够反
映当地的真实生产情况. 单施化肥情况下, 1 m 土体
中累积的无机氮为 99 kg!hm - 2, 施等量化肥再辅以
自家农田所产农产品的 80%过腹还田, 1 m 土体中
累积的无机氮达到 145 kg!hm- 2.这一结果和 Ritter
等[ 10]报道的试验结果较为一致.根据文献得出的结
论是, 在我国北方地区玉米生产中氮肥的损失约在
26% ~ 52%,但对施肥的当季来说,淋失损失不是玉
米生长期中氮肥的重要损失途径,化肥氮在土壤剖
面中的下移深度大多在 60 cm 以内,在此层以下的
土壤中化肥氮的残留量很少, 氮素损失的主要途径
是氨挥发和硝化反硝化损失[ 15] . 从本试验结果来
看,我国东北一季作旱地农田地区,作物收获时土壤
中累积的无机氮量并不高,但经过秋末的累积,封冻
前 1 m 土体中的无机氮量可以达到一个可观的水
平.因此, 秋末我国北方一季作旱地农田土壤有机氮
源的矿化不容忽视, 它存在 NO-3 N 淋失的风险. 由
于气候寒冷,作物不能越冬,利用覆盖作物减少氮素
淋失的措施不可行,这就为我们如何应对非生长季
硝态氮淋失提出了新的课题.
水田由于长期处于淹水还原状态, 土壤通透性
差,氧气供应不足, 矿化速度慢, 水稻收获后土壤中
累积的无机氮很少, 同时水稻收获后至封冻前 N2O
的排放进入高峰, 因此封冻前土壤中累积的无机氮
量依然不高, 1 m 土体中累积的无机氮量在 35~ 45
kg!hm- 2左右. 因此, 在秋末冬初,水田不大可能存
在硝态氮大量淋失的问题,反硝化损失可能是这一
时期水田氮素损失的主要途径.
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作者简介  陈  欣, 男, 1968 年生, 博士, 研究员, 主要从事
农业生态、土壤作物系统中主要营养元素生态过程研究, 发
表论文 40 余篇. Email: chenxin@ iae. ac. cn
1890 应  用  生  态  学  报                   15卷