全 文 ： * ?国家自然基金项目 ( 405710937) 和中国科学院知识创新工程项目 ( K ZCX2-413)资助
收稿日期 : 2004-12-03 改回日期 : 2005-01-28
无机与有机肥配施下紫色土铵态氮、硝态氮时空变异研究
———夏玉米季 *
谢红梅 朱 波 朱钟麟
(中国科学院成都山地灾害与环境研究所 成都 610041) (四川省农业科学院土壤肥料研究所 成都 610066)
摘 要 研究分析夏玉米季几种施肥制度紫色土NH +4 -N 和NO -3 -N 含量时空分配特征结果表明 , 各处理土壤NH +4 -
N、NO -3 -N 含量负相关性强 ; 土壤NH+4 -N 含量随时间呈“波浪”形变化 , 成熟期剖面含量呈“K”字型分布 , 而土壤
NO -3 -N 含量则时空分布均较紊乱。降雨和作物根系分布是影响土壤NO -3 -N 运移的重要因子 ,降雨对土壤NO -3 -N
的淋溶影响显著 ,施肥改变了土体NO -3 -N 含量 ,增强淋溶的可能性 , 其淋溶趋势为纯化肥 > 纯猪粪 > 猪粪 + 化肥 >
对照 ( CK )处理 ; 作物根系分布与土体NO -3 -N 的吸收与淋失密切相关 , 施用有机肥促进作物根系生长 ,有利于作物对
深层次养分的吸收利用 ;合理施用有机肥猪粪对土体NO -3 -N 淋失有一定固持作用 , 阻碍了NO -3 -N 向下迁移。并指
出应重视纯化肥尿素处理土壤NO -3 -N 移出下层土体( 30～80cm)污染地下水体的危险性。
关键词 无机与有机肥配施 紫色土 NH4 + -N NO -3 -N 时空变异
Temporal-spatial variations of soil ammonia and nitrate under application of inorganic and organic fertilizers in purple
soil—Summer corn season .XIE Hong-Mei , ZHU Bo( Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese
Academy of Sciences, Chengdu610041,China) , ZHU Zhong -Lin(Soil and Fertilizer Institute, Sichuan Academyof Agricul-
ture,Chengdu 610066,China) , CJ EA , 2006, 14( 2) :103～106
Abstract The temporal-spatial variations of thecontents of Soil NH4
+
-N and NO
-
3 -N in purple soil under different fertil-
ization systems in summer corn seasen were analyzed .The results show that there are significantly negative correlation be-
tween the quantities of soil ammonia and nitrate; thecontent of soil ammoniachanges in wavelike shape with thetime . At
the ripe period, soil ammonia behaves like‘K’in the profile .However, the distribution of soil nitrate is quite irregular in
timeand space . Rainfall and the distribution of plant roots are important factors of the movement of soil nitrate . Rainfall
has a significant effect on nitrate leaching .Thequantity of soil nitrate is changed by fertilization, and possibility of leaching
increases . The leaching trend behaves like pure chemical fertilizer > pure pig manure> pig manureandchemical fertilizer>
CK .The distribution of plant roots correlates with theabsorption and utilization of soil nitrate .The growth of plant roots is
promoted by organic fertilizer, promoting theabsorption of nutrition by roots in the deep soil layer .Under the application of
organic fertilizer ,nitrate is retained to move downward slowly .I t is pointed out that weshould pay attention to the risk that
soil nitratemoves from 30～80 centimeter of soil layer and pollutes the under ground water .
Key words Application of inorganic and organic fertilizers, Purple soil, NH4 + -N, NO -3 -N , Temporal-spatial variations
( Received Dec .3,2004; revised Jan .28,2005)
紫色土缺乏有机质 , N 素是作物增产的重要限制因子 ,且紫色土土层薄、水土流失严重。本研究分析了
几种施肥制度下紫色土土壤NH +4 -N、NO -3 -N 含量的时空变异特征 ,探讨了 N 素淋滤迁移机理 ,为减少 N 素
淋失、控制环境污染及制定当地紫色土施肥制度提供参考依据。
1 研究区域概况与研究方法
试验在四川盆地中北部盐亭县林山乡中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站进行 ( 105°27′E ,
31°16′N) , 该地地处涪江支流弥江、湍江分水岭上 , 海拔高度 400～600m, 属典型亚热带湿润季风气候 , 年均
气温 17 .3°C ,≥10°C 年积温 5000～6000°C ,年均降雨量 826mm,年无霜期 297d, 土壤类型为钙质紫色土 , 质
地为中壤至重壤 ,土壤 pH 为 8 .10,有机质含量 6 .9g/ kg, 全 N0 .102g/ kg, P2 O50 .13g/ kg, K2O29g/ kg,速效磷
第 14 ?卷第 2期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .2
2 0 0 6 ?年 4 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture April, 2006
6 .5mg/ kg,速效钾 110 .4mg/ kg。在等 N 量条件下 ( 折纯 N140kg/ hm2 ) 试验共设对照 ( CK ) 、纯化肥 ( N )、猪
粪 + 化肥 (OM + N)和纯猪粪 ( OM )4个处理 , 其中猪粪 + 化肥配施处理按照 40%有机肥 + 60% 无机肥为基
本原则 (按纯 N 计 ) , 采用当地常规施肥量 ,各处理施肥类型及施肥量见表 1。小区面积为 40m2 ( 5m×8m) ,
每处理 3次重复 ,各处理随机排列 , 猪粪于耕地时混施入土壤。夏玉米播种和施肥时间为 2003 年 5 月 29
日 ,收割时间为 2003 年 9 月 14 日 , 其间无灌溉 , 与当地大田管理相一致。各小区按梅花型布置 5 点 ,
每次下大雨后用土钻按照0～30cm、30～60cm、60～80cm3个剖面层次进行采样 , 本试验共5次采样 , 采样时
表 1 夏玉米施肥量
Tab .1 Fertilizer rates in summer corn
处 理
Treatments
有机肥/ t·hm - 2 ?
Organic fertilizer
尿素/ t·hm- 2 ?
Carbamide
过磷酸钙/ t·hm - 2
Superphosphate
K 肥/ t·hm- 2
Potassium
区号
Region
CK 0 ?0 .0 0 3 ?.7 .15
N 0 ?300 .600 0 1 ?.8 .17
OM + N 9 ?.33 180 .600 0 4 ?.9 .14
OM 23 ?.33 0 .600 0 6 .21 .27
间分别为 2003年 5 月 22 日 (土壤
背景值 )、2003 年 7 月 16 日、2003
年 8月 10 日、2003 年 8月 30 日和
2003年 9月 6 日。采用 KCl 浸提-
蒸馏法 ,称取一定量的风干土样并
过 10号筛 , 加入 2mol/ L KCl 浸提
液 , 在往复振荡机上振荡30min后
用干滤纸过滤 , 吸取滤液放入全自动定 N 蒸馏器中 , 加入足量 120g/ kgMgO 悬液 , 通入蒸气蒸馏 , 冷凝管下
端用加有甲基红-溴甲酚绿混合指示剂的硼酸溶液 (20g/ kg)吸收 ,即得 NH+4 -N 浓度 , 待铵态氮去除后 ( 用纳
氏试剂检查 )按 Zn粉∶FeSO4·7H2 O = 1∶5比例加入混合还原剂 1g左右 , 继续蒸馏 ,在冷凝管下端将硼酸吸
收的氨用 0 .01mol/ LHCl 标准溶液滴定 , 即得NO -3 -N 浓度[ 1] 。
图 1 夏玉米季降雨量分布 (2003-06～09 )
Fig .1 The distribution of rainfall in summer
corn season from June to Sept .in 2003
2 结果与分析
2 .1 2003 年 6～9 月份夏玉米季降雨情况
由图 1 可 知 2003 年 夏 玉 米 季 降 雨 较 多 , 总 计
413 .6mm,且各月分布较均匀 , 6～9 月份降雨量分别为
137 .4mm、120 .1mm、149 .8mm和116 .3mm。本研究 2003
年 7月 16日、2003年 8月 10日、2003年 8月 30日、2003
年 9 月 6 日 4 次采 样 对 应降 雨 量 分 别为 25 .1mm、
29 .2mm、49 .2mm、51 .9mm。
图2 收获期各处理作物根系分布状况
Fig .2 Thedistributionof plant root
under different treatments inharvest period
2 .2 夏玉米作物根系密度分布
由图 2可知施肥对作物根系分布影响较大 , 且施化肥与有机肥处理差
异明显 , 对照处理 0～30cm土层根系占 98 .3% , 仅 0～15cm土层作物根系
含量就高达 67 .5% , 其次为纯化肥处理 , 0～30cm土层玉米根系占 94 .1% ,
猪粪 + 化肥处理 0～30cm土层根系占93 .4% , 而纯猪粪处理对应层次根系
含量为 89 .9% , 其 30～60cm层次根系含量高达 10 .1% ,与对照、纯化肥和
猪粪 + 化肥处理相比分别增加 8 .4、4 .2、3 .5 个百分点 , 表明施用有机肥促
进了作物根系的生长 ,有利于作物对深层次养分的吸收和利用。
2 .3 土壤NH+4 -N、NO -3 -N 的时间变化特征
由表 2可知 0～30cm土层土壤NH +4 -N 含量各处理变化趋势较一致 ,土
体NH +4 -N 含量经历了高→低→高→低的趋势 , 从 7月 16日到 8 月 10 日土壤NH+4 -N 含量降低的原因为 7
月 16日夏玉米处于拔节期 , 8月 10日处于抽雄期 , 该生育期夏玉米大量吸收土壤NH +4 -N 而使其含量降低。
随后由抽雄期到 8月 30日 ( 成熟期 )土壤NH+4 -N 含量有所增加 , 这可能与土壤矿化作用有关 ,收获期其含量
又开始下降。从各处理看 ,对照处理土壤NH +4 -N 含量各生育期均较低 , 纯化肥处理相对较高 , 其次为猪粪
+ 化肥处理 ,纯化肥处理土壤NH+4 -N 含量的变化波动幅度亦表现为最大。30～60cm土层土壤NH +4 -N 含
量随时间的变化趋势与 0～30cm土层极为相似 ,但土壤NH+4 -N 含量明显偏低 , 与 0～30cm土层相比对照处
理土壤NH +4 -N 含量仍为最低 ,而纯化肥处理在该层次除 7月 16日含量较高外 ,与猪粪 + 化肥和纯猪粪处理
相比 ,夏玉米生长后期均相对较低。纯猪粪与猪粪 + 化肥处理土壤NH +4 -N 含量相差不明显。60～80cm土
层土壤NH +4 -N 含量变化趋势与 0～30cm和 30～60cm土层明显不同 , 其中纯化肥、纯猪粪与猪粪 + 化肥处
理经历了低→高→低→低的变化趋势 ,而对照处理无明显规律且土壤NH +4 -N 含量仍为最低 , 纯猪粪处理土
104 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
壤NH +4 -N 含量最高 ,其次为猪粪 + 化肥处理。总之土壤NH +4 -N 含量随时间呈“波浪”形变化 , 其中 0～30cm
土层与 30～60cm土层土壤NH +4 -N 含量变化趋势相似 , 而 60～80cm土层土壤NH+4 -N 含量呈现不明显规
律 , 其原因是玉米根系集中分布在 0～60cm土层 , 加上土壤NH+4 -N 迁移机理主要为缓慢扩散[ 2] ,因而作物
根系对土壤NH +4 -N 含量的影响集中在 0～60cm土层 ,表明土壤NH+4 -N 含量高低受作物吸收利用的影响相
对较大。0～30cm土层土壤NO -3 -N 含量除纯猪粪处理 7月 16日土壤NO -3 -N 含量较高外 , 其他各处理各层
土壤NO -3 -N 含量均较低 , 以纯化肥处理最为显著 ,7月 16日为 6 .30mg/ kg, 其他时期均为痕量 , 低于对照处
理对应时期的含量。猪粪 + 化肥与纯猪粪处理土壤NO -3 -N 含量变化趋势相似 , 拔节期→抽穗期→成熟期→
收获期经历了降低→降低→升高的变化趋势 ,其中纯猪粪处理比猪粪 + 化肥处理各时期表层土壤NO -3 -N 含
量略高 ,两者在收获期含量的升高与有机肥分解释放慢有关[ 3] 。降雨对土壤NO -3 -N 淋洗有较大影响 , 与纯
化肥处理相比纯猪粪和猪粪 + 化肥处理土壤NO -3 -N 含量相对较高 ,证明有机肥对土壤NO -3 -N 下移的固持
作用[ 3] , 并体现了有机肥分解释放缓慢的特点[ 4] 。30～60cm土层土壤NO -3 -N 含量各处理变化趋势表现各
异 ,表明降雨对土壤NO -3 -N 淋洗有较大影响。对照处理随时间变化其含量下降 ,而纯化肥处理土壤NO -3 -N
含量呈明显的直线上升趋势。降雨对各处理土壤NO -3 -N 含量有较大影响 , 直接造成纯化肥处理在该层次土
壤NO -3 -N 的大量累积 , 纯猪粪处理呈“之”字型分布 ,这可能与该层次玉米根系分布及根系的吸收利用密切
相关 ,同时也表明纯猪粪处理土壤NO -3 受降雨影响相对较小 , 即有机肥的施用对土壤 NO -3 有一定固持作
用[ 4] 。60～80cm土层土壤NO -3 -N 含量对照处理各时期均呈降低趋势 , 纯化肥处理则再次证实降雨对其
NO -3 -N 淋洗影响的显著性 , 其土壤NO -3 -N 含量在该层次作物生长后期显著增加 ,表现为从拔节期到抽雄期
其土壤 NO -3 -N 含量由 9 .45 mg/ kg 下降为痕量 , 而到生长后期土壤 NO -3 -N 含量分别增加为成熟期
31 .70mg/ kg、收获期 37 .40mg/ kg。纯猪粪和猪粪 + 纯化肥处理变化趋势一致 , 且含量差异小 , 在作物生长
前期两者含量均呈降低趋势 ,而生长后期分别由成熟期的 6 .01mg/ kg、痕量上升为收获期的 23 .00mg/ kg、
24 .80mg/ kg, 其原因一方面可能与降雨有关 ,另一方面与有机肥分解释放缓慢后效性强有关。
表 2 不同施肥处理各土层NH+4 -N 与NO -3 -N 的时间变化
Tab .2 The temporal distribution of NH
+
4 -N and NO
-
3 -N in different soil layers of different fertilization treatments
土层/ cm 处 理 NH+4 ?-N 含量/ mg·kg - 1NH +4 -N Content NO -3 -N 含量/ mg·kg - 1NO -3 -N Content
Soil layers Treatments 日期 (月 -日 ) Date( month-day)
07 ?-16 08 +-10 08-30 09-06 07-16 08-10 08-30 09-06
0 L～30 CK 72 8.55 19 $.91 42 ?.95 10 .60 3 .15 7 .65 6 .15 0 .00
N 62 8.89 39 $.04 190 ?.00 106 .80 6 .30 0 .00 0 .00 0. 00
OM + N 67 8.56 14 $.99 110 ?.70 106 .90 18 .40 12 .00 0 .00 24 .40
OM 57 8.04 9 $.37 91 ?.24 18 .69 127 .00 15 .60 6 .29 31 .10
30 L～60 CK 60 8.46 15 $.87 20 ?.48 9 .48 12 .70 4 .76 6 .30 4 .74
N 81 8.90 3 $.00 40 ?.54 25 .13 3 .15 12 .00 24 .90 31 .40
OM + N 63 8.35 6 $.32 44 ?.15 40 .29 12 .70 34 .70 44 .20 9 .30
OM 40 8.41 15 $.33 50 ?.20 42 .03 21 .80 6 .13 34 .50 0 .00
60 L～80 CK 35 8.00 4 $.66 28 ?.10 18 .62 11 .70 15 .50 5 .90 2 .48
N 44 8.09 52 $.41 57 ?.03 28 .06 9 .45 0 .00 31 .70 37 .40
OM + N 38 8.51 81 $.03 66 ?.17 15 .48 17 .80 11 .60 0 .00 24 .80
OM 41 8.23 90 $.22 81 ?.18 28 .81 15 .90 9 .02 6 .01 23 .00
2 .4 土壤NH+4 -N、NO -3 -N 的空间分布特征
由表 3可知各处理土壤NH +4 -N 含量在各层次分布均匀 , 且处理间差异较小 , 其中以纯化肥处理土壤
NH +4 -N 含量相对较高 ,而纯猪粪处理相对较低 , 这与猪粪分解释放慢的特点有关。成熟期 ( 8月 30日 ) 各处
理土壤NH +4 -N 含量呈明显“K”字型分布 , 即以中层含量最低 , 上层含量为高 , 表明NH +4 -N 下移少 , 且土壤
NH +4 -N 被作物吸收利用相对较少。各处理中以对照处理土壤NH+4 -N 含量相对较低 ,而纯化肥处理表层土
壤NH +4 -N 含量最高,达190 .00mg/ kg,纯猪粪和猪粪 + 化肥处理含量差异小。
除纯猪粪处理表层土壤NO -3 -N含量较高 ,达 127 .00mg/ kg外 , 其他层次及处理间土体NO-3 -N 含量差异均
不明显 , 且含量较低。8月 30日降雨条件下土体NO-3 -N 淋溶下移趋势为纯化肥 > 纯猪粪 > 猪粪 + 化肥 > 对照
第 2 ?期 谢红梅等 : 无机与有机肥配施下紫色土铵态氮、硝态氮时空变异研究 105
表 3 不同施肥处理土壤NH+4 -N 与NO -3 -N 的剖面分配状况
Tab .3 The spatial distribution of NH
+
4 -N and NO
-
3 -N
in soil profileof different fertilization treatments
日期 (月 -日 ) 处 理 NH +4 x-N 含量/ mg·kg - 1 NH+4 ?- N content NO -3 -N 含量/ mg·kg - 1NO -3 -N content
Date ( month-day) Treatments 土层/ cm Soil layers
0 M～30 30 $～60 60 N～80 0 ?～30 30 0～60 60～80
07 ?～16 CK 72 v.55 60 9.46 35 b.00 3 ?.15 12 E.70 11 .70
N 62 v.89 81 9.90 44 b.09 6 ?.30 3 E.15 9 .45
OM + N 67 v.56 63 9.35 38 b.51 18 ?.40 12 E.70 17 .80
OM 57 v.04 40 9.41 41 b.23 127 ?.00 21 E.80 15 .90
08 ?～30 CK 42 v.95 20 9.48 28 b.10 6 ?.15 6 E.30 5 .90
N 190 v.00 40 9.54 57 b.03 0 ?.00 24 E.90 31 .70
OM + N 110 v.70 44 9.15 66 b.17 0 ?.00 44 E.20 0 .00
OM 91 v.24 50 9.20 81 b.18 6 ?.29 34 E.50 6 .01
处理 , 表 明 施 肥
改 变 了 土 体
NO -3 -N 含 量 , 增
强了淋溶的可能
性。对照处理土
体 NO -3 -N 含 量
低 , 均 < 10mg/
kg, 且 各 层 次 含
量分 布 较 均 匀 ,
纯化肥处理土壤
NO -3 -N 含量在剖
面上表现为下层
> 中层 > 表层 ,下
层含量高达 31 .70mg/ kg, 而对应层次纯猪粪及猪粪
+ 化肥处理土壤 NO -3 -N 含量分别为 6 .01mg/ kg、痕
量。纯猪粪和猪粪 + 化肥处理土壤NO -3 -N 在剖面上
表现为中层 > 表层、下层 , 且两者含量及变化趋势极为
相似 ,纯猪粪处理表层、下层土体NO -3 -N 含量略高于
猪粪 + 化肥处理。
2 .5 土壤NH +4 -N、NO -3 -N 含量的相关性分析
由表 4可知 ,各处理土壤NH +4 -N、NO -3 -N 含量负
表 4 土壤NH+4 -N、NO -3 -N 相关性分析
Tab .4 Correlation between NH+4 -N and NO
-
3 -N in soil profile
处 理 日期 (年 -月 -日 ) Date( year- month-day)
Treatments 2003 f-07-16 2003 R-08-10 2003 >-08-30 2003 *-09-06
CK - 0 ?.681
- 0 .867* - 0 .195 - 0 .919 **
N
- 1 ?.000 ** - 0 .965** - 0 .954** - 0 .984 **
OM + N - 0 ?.289 - 0 .601 - 0 .754* 0 .233
OM 0 ?.996 - 0 .284 - 0 .970** - 0 .981 **
相关性较强 , 呈较明显的此消彼涨变化趋势。其中纯化肥处理各时期两者含量的负相关系数分别为
- 1 .000、- 0 .965、- 0 .954和 - 0 .984, 均达极显著水平 , 对照处理成熟期土壤NH +4 -N、NO -3 -N 含量相关系
数为 - 0 .195, 其他时期均达显著水平 ,猪粪 + 化肥以及纯猪粪处理土壤NH +4 -N、NO -3 -N 含量在某些阶段负
相关性强 ,某些阶段不显著 , 这与有机肥分解受多因素影响有关 ,土壤NH +4 -N、NO -3 -N 含量的消涨不仅受土
壤化学与其生物化学机理控制 ,还受土壤物理结构以及降雨等外界因素的影响 , 这些都有待于进一步考证。
3 小结与讨论
各施肥处理土壤NH +4 -N、NO -3 -N 含量负相关性较强 ,呈较明显的此消彼涨变化趋势 , 其中以纯化肥处
理最为显著。土壤NH +4 -N 含量随时间呈“波浪”状变化 , 成熟期其剖面含量呈“K”字型分布 , 而土壤NO -3 -N
含量则时空分布均较紊乱。降雨和作物根系分布是影响土壤 NO -3 -N 运移的重要因子。作物根系分布对
NO -3 -N 的吸收与淋失密切相关 , 施肥对作物根系分布影响较大 ,施化肥与有机肥处理差异明显 , 有机肥的施
用促进了作物根系的生长 ,有利于作物对深层次养分的吸收和利用。降雨对夏玉米生长期间土壤NO -3 -N 淋
失有较大影响。施肥改变了土体NO -3 -N 含量 , 增强了淋溶的可能性 ,几种施肥制度下土体NO -3 -N 淋溶趋势
表现为纯化肥 > 纯猪粪 > 猪粪 + 化肥 > 对照处理。降雨直接造成纯化肥处理 60～80cm土层土壤NO -3 -N
的大量累积 ,应重视其进一步下移对水体污染构成威胁的可能性。
致谢 本试验得到中国科学院盐亭紫色土农业生态站李恩霞、殷义高、唐永康、罗贵生和陈德树等同志的支
持 ,谨表谢意 !
参 考 文 献 h
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2 朱兆良 , 文启孝 . 中国土壤氮素 . 南京 :江苏科学技术出版社 , 1992 . 89～92
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