王大鵬 ，羅雪華 ，郭澎濤，陳傳洋，張永發(fā)，薛欣欣，趙春梅，吳小平*，茶正早*

1. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所，海南 儋州 571737；2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究中心，海南 儋州 571737

氮肥在作物產(chǎn)量和品質形成中發(fā)揮了關鍵作用。氮肥施入土壤后，主要有3種去向：被作物吸收、在土壤殘留和損失。其中，殘留在土壤中的氮約占氮肥施用量的 26%－60%（Jia et al.，2011；Yang et al.，2011）。大量研究證實（Ju et al.，2011；Sebilo et al.，2013；王西娜等，2016），土壤殘留是殘留肥料氮后期去向的重要形式，殘留肥料氮已經(jīng)成為土壤氮庫的一部分，參與了土壤氮素的內(nèi)循環(huán)。另外研究表明（巨曉棠，2014；趙偉等，2013），殘留在土壤中的肥料氮對后茬作物仍有較高的肥效，后 2季作物對殘留氮肥的利用率可達 8.3%－17.3%。而這一過程甚至可以持續(xù)數(shù) 10年以上（Sebilo et al.，2013）。由此可見，氮肥在土壤中的殘留是土壤氮庫的重要補充，其對于維持土壤氮水平和保證作物高產(chǎn)具有重要作用。殘留在土壤中的肥料氮多以有機氮的形式存在（趙偉等，2015）。然而值得注意的是，在通透性好、具有較強礦化和硝化能力的旱地土壤中，殘留氮素有相當一部分以硝態(tài)氮的形式在土壤剖面不同層次累積，為硝態(tài)氮淋洗提供了條件（Ju et al.，2007；王大鵬等，2017）。因此，雖然殘留肥料氮對提高土壤肥力、補充土壤氮庫具有重要作用，但是殘留氮的環(huán)境損失也非常值得重視。

研究表明（Ju，2014），施氮不足時，施氮量不能滿足作物對氮素的需求、土壤及微生物對氮素的固定，土壤氮庫被大量消耗，肥料氮在土壤中的殘留很少，其環(huán)境損失也很低（Sebilo et al.，2013）；平衡施氮，土壤氮素循環(huán)大致平衡，土壤氮含量能夠維持在一個較為適宜的范圍內(nèi)（Ju et al.，2009；Wang et al.，2018）；過量施氮，施氮量遠遠超過作物吸收和土壤固持能力，土壤中存在大量氮素盈余，在一定條件下可能導致嚴重的淋洗損失（Ju et al.，2007；倪玉雪等，2013）?？梢?，施氮量是影響氮素在土壤中殘留的重要因素，明確不同施氮量水平下肥料氮在土壤中的殘留、累積和遷移，對于制定氮肥管理措施及減少氮素淋洗具有重要意義。

橡膠（Hevea brasiliensis）是熱帶地區(qū)典型的經(jīng)濟作物，在熱帶農(nóng)業(yè)中具有特殊和重要地位。海南島地處熱帶北緣，是中國發(fā)展橡膠的重要基地。自上世紀50年代海南島開始大規(guī)模植膠，經(jīng)過60年來的植膠生產(chǎn)，該區(qū)已面臨單產(chǎn)提升困難、土壤養(yǎng)分大面積下降等問題（何向東等，2002）。如海南植膠區(qū)土壤全氮平均含量從 1954年植膠初期的 1.57 g·kg-1下降到 2010年的 0.82 g·kg-1（王大鵬等，2013）。熱帶季風氣候條件下的橡膠林，具有高溫、高濕和強降雨氣候特征，土壤大多為酸性磚紅壤。這種獨特的氣候條件下，過高的氮素殘留意味著很高的淋失風險，而較低的氮素殘留則預示土壤氮庫的進一步消耗。因此，合理地施用氮肥對于橡膠樹獲得高產(chǎn)優(yōu)質、減少氮素淋洗損失和維持土壤氮肥力具有重要作用。而與此同時，我們對該氣候條件和土壤類型下橡膠林施用氮肥后殘留特征的了解還很少。本文采用15N標記尿素研究了海南橡膠林不同施氮水平下肥料氮的殘留、累積和遷移，為橡膠林氮素優(yōu)化管理和土壤培肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠所五隊基地（109°29′11.219″E，19°29′6.215″N）進行。該區(qū)屬典型熱帶季風氣候，年平均氣溫23.8 ℃，年平均降雨量 1650 mm。受熱帶季風氣候的影響，該區(qū)年內(nèi)降雨分布極不均勻，具有明顯的干濕交替。全年大部分降雨集中在雨季（5－11月），約占全年降雨總量的70%－90%。而旱季（12月至來年4月）降雨量僅占全年降雨總量的10%－30%。試驗期間日均氣溫及降雨量見圖 1，其中，2015年4月－2016年3月降雨1289 mm，2016年4月－2017年3月降雨2438 mm。橡膠樹品種為熱研7-33-97，1997年定植，2003年開割，株距3.5 m，行距6 m。該區(qū)土壤為花崗片麻巖發(fā)育磚紅壤，試驗區(qū)0－100 cm土壤基本理化性質見表1。

1.2 研究方法

圖1 試驗區(qū)日均氣溫及降雨量Fig. 1 Daily mean air temperature and daily precipitation at the experimental site

表1 試驗區(qū)土壤基本理化性質Table 1 Soil physicochemical characteristics in the experimental site

試驗共設4個氮肥（尿素）處理，3次重復，隨機區(qū)組。4個氮肥處理：（1）不施氮，N0；（2）施氮量 100 kg·hm-2，N100；（3）施氮量 200 kg·hm-2，N200；（4）施氮量 400 kg·hm-2，N400。每試驗小區(qū)膠樹9株，小區(qū)面積18 m×10.5 m=189 m2。膠樹之間用粘土磚做田壟隔離，寬11.5 cm，高15.9 cm。每小區(qū)建立15N試驗微區(qū)1個，面積1 m2，微區(qū)中心位置距離橡膠樹樹干2 m。微區(qū)采用304不銹鋼板隔離，鋼板厚1 mm，高10 cm，長寬各1 m，連接處氬弧焊焊接，壓入土壤中5 cm。標記源為15N標記尿素（上?；ぱ芯吭禾峁S度5.16%，N 46%。根據(jù)施氮處理，于試驗第一年將標記尿素平均分3次撒施入微區(qū)內(nèi)（2015年4月7日、7月12日和9月8日）。同時為了符合生產(chǎn)實際和反映殘留氮肥的真實情況，于試驗第二年將普通尿素（含N 46%）平均分3次撒施入微區(qū)內(nèi)（2016年4月7日、7月7日和9月6日）。磷鉀肥均作為基肥每年4月上旬隨氮肥一次性施入，P2O575 kg·hm-2（鈣鎂磷肥，含 18% P2O5）；K2O 150 kg·hm-2（氯化鉀，含60% K2O）。

將試驗微區(qū)均勻劃成4個采樣小區(qū)，依次于第一次施標記尿素后（2015年6月30日，第二次施肥前）和第二次施標記尿素后（2015年8月31日，第三次施肥前）采用土鉆法采集0－100 cm土壤樣品，于第一年試驗結束（2016年3月29日）和第二年試驗結束（2017年3月29日）采集0－200 cm土壤樣品。采用半圓鑿鉆（直徑3 cm）采集原狀土壤樣品，采樣時以20 cm為間隔，各點間和各層間要避免污染。采樣后回填樣洞，以避免優(yōu)先流的發(fā)生。采集的樣品用于測定土壤全氮的15N豐度、土壤硝態(tài)氮及銨態(tài)氮。用元素分析儀（Thermo Flash EA1112，美國）-穩(wěn)定性同位素質譜聯(lián)用儀（GV IsoPrime GB312，英國）測定土壤全氮15N豐度。土壤硝態(tài)氮用1 mol·L-1KCl浸提，連續(xù)流動分析儀（AA3，德國）測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤中15N標記肥料殘留量和殘留率計算公式如下：

式中，15N Ra為15N標記肥料氮殘留量（kg·hm-2）；TN 為土壤全氮（g·kg-1）；BD 為土壤容重（g·cm-3）；D 為土層厚度（cm）；APES為樣品15N原子百分超；APEU為15N標記尿素原子百分超

式中，15N Rr為15N標記肥料氮殘留率（%）；15N Ra為 0－100 cm土壤剖面標記肥料氮殘留量（kg·hm-2）；Na 為標記氮肥施用量（kg·hm-2）

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003。采用SAS 8.1（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）進行方差和相關性分析，多重比較比較采用最小顯著差異法（LSD）。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面15N豐度的變化

第一次施肥后，不同施氮處理15N豐度在0－20 cm或20－40 cm土層最高（圖2a）。此時，不同施氮處理 0－100 cm土壤剖面中的15N豐度（0.3721%－0.4030%）僅略高于自然豐度0.3663%。第二次施肥后，不同施氮處理15N豐度仍表現(xiàn)為0－40 cm土層最高，但40 cm以下土層的15N豐度明顯增加（圖2b）。0－100 cm土壤剖面中的15N豐度介于0.3765%－0.4981%。一年試驗結束后，不同施氮處理15N豐度分別在0－20 cm和60－100 cm土層出現(xiàn)峰值（圖2c），表明一定量標記氮已遷移到較深層次土壤。此時，從整個土壤剖面（0－200 cm）來看，仍以根層（0－100 cm）土壤15N豐度較高，而深層土壤（100－200 cm）15N豐度仍然較低。2年試驗結束時，土壤剖面中的15N豐度峰值除出現(xiàn)在0－20 cm表層土壤外，深層土壤（100－200 cm）15N豐度增加很大，說明殘留肥料氮已遷移到根層以下土壤（圖2d）。

2.2 15N標記肥料氮在土壤剖面中的殘留

第一次施肥后，由于施氮量較少，根層（0－100 cm）土壤剖面中肥料氮的累積很少（圖3a）。第二次施肥后，肥料氮大多在淺層土壤 0－40 cm累積（圖 3b）。1年試驗結束后，肥料氮主要仍在根層土壤中（0－100 cm）累積（圖3c）。不同施氮水平下根層土壤肥料殘留量為 23.36－109.36 kg·hm-2，殘留率為23.36%－31.85%（表2）。但此時，已有部分肥料氮遷移出根層土壤，100－200 cm土層肥料氮殘留量約4.28－12.11 kg·hm-2。統(tǒng)計分析表明，施氮量的升高顯著增加了肥料氮的根層殘留量，但對肥料氮的殘留率無顯著影響。2年試驗結束后，不同施氮水平下N100、N200和N400根層土壤肥料氮的殘留量僅 20.45、27.22和 41.78 kg·hm-2，殘留率分別僅有 20.45%、13.61%和 10.45%（表 2）。可見，2年試驗后肥料氮在根層土壤中的殘留急劇減少（殘留量較上一年降低 12.5%－61.8%），同時有較多肥料氮已遷移到更深層土壤（圖3d）。統(tǒng)計分析表明，2年試驗結束后施氮量的增加對肥料氮在根層土壤中的殘留量無顯著影響，但顯著降低了肥料氮在根層土壤中的殘留率。

表2 15N標記肥料氮的殘留量和殘留率Table 2 Residual amount and residual rate of 15N labeled N fertilizer

圖2 土壤剖面中15N豐度的垂直分布Fig. 2 Distribution of 15N abundance in the soil profile

2.3 硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積和分布

第一次施肥后（圖 4a）和第二次施肥后（圖4b），不同施氮水平下硝態(tài)氮主要在根層（0－100 cm）土壤剖面中累積，其累積峰基本在20－40 cm處。此時，根層土壤中硝態(tài)氮累積量較低。1年試驗結束后，土壤剖面中的硝態(tài)氮累積峰發(fā)生了明顯地下移，達到80－100 cm處（圖4c）。不同施氮水平下N0、N100、N200和N400根層土壤硝態(tài)氮累積分別為 24.61、35.42、93.98 和 172.47 kg·hm-2，且隨著施氮量的增加呈顯著增加趨勢（表 3）。在100－200 cm土層，不同施氮水平下硝態(tài)氮累積量介于 13.89－51.66 kg·hm-2，且處理之間無顯著差異。2年試驗結束后，土壤剖面中的硝態(tài)氮累積峰繼續(xù)下移，達到110－170 cm處（圖4 d）。不同施氮水平下根層土壤硝態(tài)氮累積量介于 5.39－22.95 kg·hm-2，處理間無顯著差異。與此同時，100－200 cm土層中不同施氮水平下N0、N100、N200和N400硝態(tài)氮累積量分別為10.10、53.36、78.53和 201.42 kg·hm-2，且隨著施氮量的增加呈增加趨勢。說明2年試驗結束后，大量根層累積的土壤硝態(tài)氮向下遷移到土壤深層，發(fā)生了明顯的淋洗。上述結果，硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積受施氮量的影響很大。降雨偏少年份（2015年）0－100 cm土層和降雨偏多年份（2016年）100－200 cm土層中的硝態(tài)氮累積量與施氮量均呈極顯著正相關關系（r=0.872**，P=0.000，n=12；r=0.833**，P=0.001，n=12；圖5）。

表3 硝態(tài)氮在0－200 cm土壤剖面中的累積Table 3 NO3--N accumulation (kg·hm-2) in 0-200 cm soil profile

圖3 15N標記肥料氮在土壤剖面中的殘留Fig. 3 Residual of 15N labeled N fertilizer in the soil profile

3 討論

肥料氮在土壤中的殘留是氮肥施用后的重要去向，對于補充土壤氮庫和提高土壤肥力具有重要作用。氮肥施入土壤后，在土壤中的殘留率是普遍關注的問題之一。國內(nèi)長期施肥土壤上的15N微區(qū)試驗結果表明（趙偉等，2013），肥料氮施用量165 kg·hm-2，1季作物收獲后肥料氮根層土壤（0－100 cm）殘留率高達38%－88%，3季作物收獲后肥料氮的殘留率仍有20%－22%。華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系的研究結果（董嫻嫻等，2012）表明，施氮量為75－300 kg·hm-2，經(jīng)2年4季作物種植后，肥料氮根層土壤殘留率仍高達22.1%－32.8%。美國火炬松人工林施用尿素（表面撒施，施氮量 224 kg·hm-2）一年后，肥料氮僅在0－30 cm土層中的殘留率就達28.4%（Raymond et al.，2016）。本研究表明，氮肥施用（施氮量 100－400 kg·hm-2）1年后，根層土壤肥料氮的殘留率為 23.36%－31.85%（表2）。氮肥施用2年后，不同施氮水平下根層土壤肥料氮的殘留率僅有10.45%－20.45%。從上述結果大致可以看出，熱帶季風氣候條件下的橡膠林氮肥施用后的土壤殘留率較低。Sebilo et al.（2013）利用同位素長期示蹤技術研究了肥料氮的去向：標記氮肥施用 30年后，肥料氮在土壤中的殘留率仍有12%－15%。這種結果反映了低施氮水平下肥料氮參與土壤內(nèi)循環(huán)下的殘留和淋失機制，具有較高的作物吸收率、土壤殘留率和較低的損失率。而在高施氮水平下，則表現(xiàn)為較高的土壤殘留量和氮肥損失量，以及較低的作物吸收量（左紅娟等，2012；Ju，2014）。本研究結果表明，試驗第1年，施氮量的升高顯著增加了肥料氮在根層土壤中的殘留量。試驗2年后，施氮量的增加顯著降低了肥料氮在根層土壤中的殘留率?？梢?，在試驗前期，低氮量（100 kg·hm-2）的投入下由于膠樹的吸收，肥料氮在土壤中的殘留很低（23.36 kg·hm-2）。而在高氮量（400 kg·hm-2）的投入下由于施氮量遠遠超過膠樹的吸收能力，土壤中有較多的氮素殘留（109.36 kg·hm-2）。然而值得注意的是，在試驗區(qū)土壤氮貧瘠的條件下，即使在高施氮水平下肥料氮在土壤中殘留也不高，說明該區(qū)土壤對肥料氮的固持能力有限，大量施入的氮肥可能已損失到環(huán)境中。在試驗后期，肥料氮在土壤中的殘留大量減少（特別是高施氮水平下），除被膠樹繼續(xù)吸收外，我們推測這些殘留的肥料氮可能進一步發(fā)生了較為嚴重的損失。以上結果說明了，熱帶季風氣候條件下的橡膠林，肥料氮較低的殘留率和可能更高的損失率。

圖4 土壤剖面中硝態(tài)氮的分布Fig. 4 Distribution of NO3--N in the soil profile

圖5 硝態(tài)氮累積量與施氮量的關系Fig. 5 Relationships between the soil NO3--N accumulation and N rate

硝態(tài)氮作為土壤礦質氮的主要形態(tài)之一，是氮肥在土壤中殘留和轉化的重要產(chǎn)物，其含量水平反映了土壤實際的供氮能力。研究表明（Huang et al.，2017；Wang et al.，2015；Yang et al.，2015），硝態(tài)氮在土壤剖面中的殘留、累積和遷移是施氮量、作物吸收、土壤殘留和損失的綜合結果。一般認為，過量施氮后，土壤中盈余的硝態(tài)氮主要在土壤剖面不同層次累積，具有很大的淋洗風險。而灌溉或降雨則是導致土壤中累積硝態(tài)氮向深層土壤淋洗遷移的重要原因（Boy-Roura et al.，2016；Wang et al.，2010；Wang et al.，2015）。從2年的試驗結果來看，試驗第1年（枯水年）在中、低施氮水平下（施氮量 200 kg·hm-2和 100 kg·hm-2）硝態(tài)氮根層累積并不多（分別為 93.98 kg·hm-2和 35.42 kg·hm-2）。而高施氮水平下（400 kg·hm-2）硝態(tài)氮的根層土壤累積高達 172.47 kg·hm-2。此時，不同施氮處理下深層土壤（100－200 cm）硝態(tài)氮累積較低（34.93－51.66 kg·hm-2）。試驗第2年（豐水年），不同施氮水平下根層土壤硝態(tài)氮累積很低（僅有 10.04－22.95 kg·hm-2）。而此時，深層土壤（100－200 cm）硝態(tài)氮均有不同程度的累積，特別是高施氮水平下硝態(tài)氮累積量甚至高達 201.42 kg·hm-2。從施氮量和硝態(tài)氮在土壤剖面中累積量的相關關系分析，降雨偏少年份（2015年）根層土壤和降雨偏多年份（2016年）深層土壤的硝態(tài)氮累積量與施氮量均呈極顯著正相關關系（圖 5）。由此可見，施氮量是影響橡膠林土壤硝態(tài)氮累積和分布的重要因素，這與前人研究結果基本一致（Ju，2014；王大鵬等，2017）。而另一個值得注意的問題是，即使在同一施氮處理下，不同年份間硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積和遷移變化差異很大。Yang et al.（2015）研究表明，硝態(tài)氮的淋洗主要發(fā)生在灌溉或夏季強降雨后，且年際變化很大。年淋洗總量與年灌溉總量或年降水總量的關系不大，而與月灌溉和降水總量顯著相關。本試驗區(qū)多年平均降雨量1650 mm，2015試驗年份降雨1289 mm，2016試驗年份降雨2438 mm（其中，2016年8月17－18日2日內(nèi)降雨高達523.7 mm）。從研究結果來看，在降雨偏少年份（即使年降雨總量達1289 mm），硝態(tài)氮主要在根層土壤累積，淋洗、遷移到深層土壤的硝態(tài)氮不多。而在降雨偏多年份，很可能由于極端降水條件的發(fā)生，導致了嚴重淋洗、遷移。這種情況說明，極端降水條件可能是橡膠林土壤硝態(tài)氮淋洗損失發(fā)生的另一重要因素。然而在本研究條件下，并沒有得出降雨量與淋洗量的相關關系，這種特殊降水條件下的淋洗特征關系需要進一步研究。

4 結論

橡膠林酸性磚紅壤，肥料氮當年根層土壤殘留率為23.36%－31.85%。2年后的殘留率僅有10.45%－20.45%，施氮量的增加顯著降低了肥料氮在根層土壤中的殘留率?？梢姡瑹釒Ъ撅L氣候條件下的橡膠林，氮肥施用后的土壤殘留率較低。施氮量是影響橡膠林氮肥施用后硝態(tài)氮累積和淋洗的重要因素。在降雨偏少年份，硝態(tài)氮主要在根層土壤累積。而在降雨偏多年份，則發(fā)生了嚴重淋洗遷移。