氮肥形态和覆盖对坡耕地玉米产量及土壤氮素流失通量的影响

氮肥形态和覆盖对坡耕地玉米产量及土壤氮素流失通量的影响

氮素是作物生长所必需的养分，也是增加收获和提高作物产量的主要因素。近年来，单位耕地面积的氮用量迅速增加，但氮的报酬逐渐降低。多余的氮不仅会导致土壤质量恶化，还会通过各种道路和河流进入河流和湖泊。据估算,2002年我国农田化肥氮247l万t通过损失进入环境、影响环境质量的氮量达到471.8万t,不合理的施肥对地表水和地下水的污染已逐渐受到国内外学者关注。深入系统地研究不同氮肥对作物产量、土壤侵蚀及氮素养分损失的影响规律,以期为土壤养分流失控制和农业面源污染防治提供理论基础和技术支撑。紫色土是我国南方重要的耕作土壤之一,占全省耕地面积的68%,是四川甚至全国重要的粮食和主要经济作物产区,但是紫色土母岩物理风化快、结构性差、水土流失极为严重。近年来,不少学者针对紫色土坡耕地的侵蚀产沙、土壤径流和养分迁移规律及途径等问题做过一些研究,但前人的研究主要集中在耕作方式、施肥方式、雨强、坡度及氮肥运筹等因素对养分流失的影响方面,而有关氮肥形态对养分损失的研究还处于探索阶段。将氮肥形态和覆盖对作物产量、氮素流失通量、途径等结合起来的研究较为鲜见,为此,本文以紫色土坡耕地为研究对象,利用自然降雨的方法,研究不同氮肥形态和覆盖下坡耕地玉米产量、土壤径流、土壤侵蚀、氮素流失通量及途径,以期为提高土壤氮肥利用率,减少农业面源污染提供理论依据。1材料方法1.1年—研究地概况试验布设在长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩上段,位于四川省资阳市雁江区松涛镇的响水村,地处东经104°34′12″-104°35′19″、北纬30°05′12″-30°06′44″,海拔395m。多年(1957-1985年)年均降雨量为965.8mm,70%降雨量分布在6-9月,最多年降雨量1290.7mm,最少年降雨量725.2mm。年均气温16.8℃,极端最低气温-3.6℃,极端最高气温36.5℃。供试土壤为遂宁组母质发育的紫色土红沙土,试验实施时土壤养分含量为:pH7.9,有机质含量9.2g/kg,全氮含量0.53g/kg,全磷含量0.69g/kg,全钾含量24.9g/kg,碱解氮含量42.0mg/kg,有效磷含量3.0mg/kg,有效钾含量90.2mg/kg。1.2试验设备及方法试验玉米品种为成单18号。以覆盖处理为主因素(A),A1为裸地,A2为地膜覆盖;氮肥形态为副因素(B),B1为铵态氮(碳酸氢铵),B2为硝态氮(硝酸钙),B3为酰胺态氮(尿素),B4为缓控释氮。采用二因素四水平试验设计,共8个处理,每个处理重复3次,共24个小区。在自然降雨条件下采用模拟径流小区的方法进行研究,小区坡度为10°,小区面积8m2(坡长4m,宽2m),小区四周用砖砌成,下垫面用混泥土,土层厚度60cm,土壤底部保持与土面相同坡度以收集壤中流于小区底部下端,小区坡面下部用集流装置收集地表径流。玉米种植方式是距小区两边65cm处各种1行玉米,株距25cm,每行16株,共32株,种植密度为42000株/hm2,于4月1日播种,8月5日收获,垄高10cm。磷肥用过磷酸钙,钾肥用氯化钾,都采用基肥的方式施用,氮肥采用基肥∶苗肥∶拔节肥∶攻苞肥=1∶2∶2∶5方式,施肥方式为兑水窝施,每个小区的具体施肥量见表1。1.3水样及水样的处理每次自然降雨后,测定地表径流和壤中流产流量,并分别取样分析各形态氮素流失浓度,同时取地表径流泥沙混合样测定泥沙含量,如果集流槽内沉积有泥沙,分别计入各处理。分析指标有溶解态总氮(TDN)、硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)。TDN(用0.45μm滤膜过滤后的水样)采用过硫酸钾消化(120℃,200kPa消化45min),双波长比色法。经滤纸过滤后的水样用双波长比色法测定硝态氮,用靛酚蓝比色法测定铵态氮。1.4大单次降雨产生径流的降雨试验观测期间(2011年4月1日-9月18日)降雨总量640.5mm,降雨天数29d,最大单次降雨量100mm(7月29日),单次雨量30mm以上的降雨7次,产生径流的降雨7次。玉米季生长季(2011年4月1日-8月5日)降雨量468.95mm,降雨天数24d,最大单次降雨量100mm(7月29日),单次雨量30mm以上的降雨4次,产生径流的降雨5次。2结果与分析2.1不同化肥处理对玉米产量的影响从表2可看出,地膜覆盖玉米产量较裸地条件下玉米产量提高7.16%,但是不同氮肥处理表现不一,铵态氮肥、硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓控释肥处理的玉米产量表现为地膜覆盖较裸地条件分别提高11.46%,4.66%,9.37%和3.57%,其中铵态氮和酰胺态氮肥处理玉米产量表现为地膜覆盖与裸地条件之间差异达极显著水平。从表2还可看出,地膜覆盖条件下各氮肥处理对玉米产量影响表现为缓控释肥处理较铵态氮肥处理高0.04%,铵态氮肥处理较硝态氮肥处理高2.65%,硝态氮肥处理较酰胺态氮肥处理高0.43%;裸地条件下各氮肥处理对玉米产量影响表现为缓控释肥处理较硝态氮肥处理高3.77%,硝态氮肥处理较铵态氮肥处理高3.75%,铵态氮肥处理较酰胺态氮肥处理高1.15%,其中,缓控释肥处理玉米产量显著高于酰胺态氮肥和铵态氮肥处理玉米产量,即裸地和地膜覆盖条件下均是缓控释肥处理玉米产量最高。2.2氮肥和土壤侵蚀的设计对排水和土壤侵蚀的影响2.2.1不同化肥形态对地表径流、地下径流的影响从图1中可看出,地表径流深、地下径流深和总径流深分别表现为裸地条件较地膜覆盖条件大8.25%,0.47%和7.05%,但是不同氮肥处理表现不一,铵态氮肥、硝态氮肥和酰胺态氮肥处理地表径流深表现为裸地条件较地膜覆盖条件分别大24.42%,12.10%和4.89%,而缓控释肥处理地表径流深则表现为地膜覆盖条件较裸地条件大4.90%;硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓控释肥处理地下径流深表现为裸地条件较地膜覆盖条件分别大21.65%,41.69%和95.35%,而铵态氮肥处理地下径流深表现为地膜覆盖条件较裸地条件大105.60%;铵态氮肥、硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓控释肥处理径流总深表现为裸地条件较地膜覆盖条件分别大3.83%,13.60%,9.11%和2.45%。从图1还可看出,裸地条件下各氮肥形态对地表径流、地下径流和总径流的影响变幅分别为3.07%~15.80%,1.29%~23.79%和1.88%~13.40%;地膜覆盖条件下各氮肥形态对地表径流、地下径流和总径流的影响变幅分别为0.40%~24.25%,14.85%~296.51%和0.60%~18.06%。对地表径流而言,无论是裸地还是地膜覆盖条件下均以硝态氮肥处理最低;对地下径流而言,地膜覆盖条件下酰胺态氮肥和缓控释肥处理显著低于铵态氮肥处理;对径流总深而言,地膜覆盖条件下硝态氮肥处理显著低于裸地条件下酰胺态氮肥处理。从图1还可看出,地表径流深与径流总深比例表现为地膜覆盖下较裸地条件大0.62%,但是不同氮肥处理表现不一,铵态氮肥处理地表径流深与径流总深比例表现为裸地较地膜覆盖条件大19.86%,而硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓控释肥处理地表径流深与径流总深比例表现为地膜覆盖较裸地条件分别大0.36%,5.23%和8.87%,裸地条件下各氮肥处理对地表径流深与径流总深比例的影响变幅在0.47%~3.42%之间;地膜覆盖条件下各氮肥处理对地表径流深与径流总深比例的影响变幅在4.41%~27.95%之间,各处理的地表径流均大于地下径流。2.2.2不同形式的氮肥和土壤覆盖物对土壤侵蚀的影响2.3不同形式的氮肥和土壤覆盖物对径向流的氮素浓度的影响2.3.1不同氮肥处理的效果从表4可看出,地表径流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮浓度表现为地膜覆盖较裸地分别大5.74%,1.63%,4.88%和33.05%。对于地表径流硝态氮浓度而言,铵态氮肥和酰胺态氮肥处理表现为裸地较地膜覆盖分别大26.92%和15.15%,硝态氮肥和缓控释肥处理则表现为地膜覆盖较裸地分别大80.34%和2.67%;对于地表径流铵态氮浓度而言,铵态氮肥和硝态氮肥处理表现为地膜覆盖较裸地分别大5.77%和12.5%,而缓控释肥处理则表现为裸地较地膜覆盖大12.82%;对于地表径流无机氮浓度而言,硝态氮肥处理表现为地膜覆盖较裸地大62.42%,而铵态氮肥和酰胺态氮肥处理则表现为裸地较地膜覆盖分别大16.13%和11.74%;对于地表径流水溶性总氮浓度而言,硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓控释肥处理表现为地膜覆盖较裸地分别大148.87%,19.32%和90.75%,而铵态氮肥处理条件下则表现为裸地较地膜覆盖大71.43%。从表4中还可看出,在裸地条件下,不同氮肥处理的地表径流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮浓度变幅分别为15.15%~92.31%,8.33%~30%,10.19%~71.98%和4.36%~130.08%,其中硝态氮肥处理各形态氮素流失浓度最低,铵态氮肥处理水溶性总氮流失浓度最高;地膜覆盖条件下,不同氮肥处理地表径流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮浓度变幅分别为9.48%~77.69%,14.58%~41.03%,5.88%~45.16%和3.60%~85.43%,其中铵态氮肥处理水溶性总氮浓度最低。2.3.2不同化肥处理的地下径流土壤氮素流失浓度从表5可看出,地下径流硝态氮、铵态氮浓度表现为地膜覆盖较裸地分别大17.51%和51.06%,无机氮和水溶性总氮浓度则表现为裸地较地膜覆盖分别大16.42%和3.45%。不同氮肥处理对各形态氮素流失浓度影响不一,对于地下径流硝态氮浓度而言,铵态氮肥和酰胺态氮肥处理表现为裸地较地膜覆盖分别大7.86%和91.33%,而硝态氮肥和缓控释肥处理则表现为地膜覆盖较裸地分别大29.07%和16.36%;对于地下径流铵态氮浓度而言,铵态氮肥、硝态氮肥和缓控释肥处理表现为地膜覆盖较裸地分别大96.43%,60%和42.86%;对于地下径流无机氮浓度而言,铵态氮肥和酰胺态氮肥处理表现为裸地较地膜覆盖分别大6.03%和90.10%,而硝态氮肥和缓控释肥处理则表现为地膜覆盖较裸地分别大29.60%和16.69%;对于地下径流水溶性总氮浓度而言,铵态氮肥、硝态氮肥和缓控释肥处理表现为地膜覆盖较裸地分别大16.32%,25.42%和11.72%,而酰胺态氮肥处理则表现为裸地较地膜覆盖大67.79%。从表5还可看出,裸地条件下,不同氮肥处理的地下径流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮浓度变幅分别为12.18%~176.16%,5%~40%,12.14%~173.61%和10.30%~109.17%,其中硝态氮肥处理各形态氮素流失浓度最低,其次是缓控释肥,而酰胺态氮肥处理水溶性总氮流失浓度最高;地膜覆盖条件下,不同氮肥处理地下径流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮浓度变幅分别为1.13%~11.83%,20%~120%,0.06%~11.13%和0.6%~54.44%,地膜覆盖条件下缓控释肥处理水溶性总氮流失浓度最低,其次是酰胺态氮肥处理,铵态氮肥处理水溶性总氮流失浓度最高。2.4不同形式的氮肥和土壤覆盖对径向流的不同形态氮的损失的影响2.4.1不同化肥处理的地表径流和以硝态氮流失量从表6可看出,地表径流硝态氮、水溶性总氮流失量表现为地膜覆盖较裸地分别大0.88%和5.12%,地表径流铵态氮和无机氮流失量表现为裸地较地膜覆盖分别大2.35%和0.66%,但是不同氮肥形态处理表现不一,对于地表径流硝态氮流失量而言,铵态氮肥和酰胺态氮肥处理表现为裸地较地膜覆盖分别大47.62%和11.54%;而硝态氮肥和缓控释肥处理则表现为地膜覆盖较裸地分别大43.75%和18.92%;对于地表径流铵态氮流失量而言,铵态氮肥和硝态氮肥处理表现为裸地较地膜覆盖分别大21.78%和12.5%,而酰胺态氮肥和缓控释肥处理则表现为地膜覆盖较裸地分别大18.28%和6.98%;对于地表径流无机氮流失量而言,铵态氮肥和酰胺态氮肥处理表现为裸地较地膜覆盖分别大38.71%和5.41%,而硝态氮肥和缓控释肥处理则表现为地膜覆盖较裸地分别大24%和15.22%;对于地表径流水溶性总氮流失量而言,硝态氮肥和缓控释肥处理表现为地膜覆盖较裸地条件分别大30.43%和50.82%,而铵态氮肥处理则表现为裸地较地膜覆盖高60.37%。从表6还可看出,裸地条件下,不同氮肥处理的地表径流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮流失量变幅分别为6.90%~131.25%,3.33%~40.02%,6.98%~84%和1.64%~84.78%,以硝态氮处理水溶性总氮流失量最低;地膜覆盖条件下,不同氮肥处理地表径流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮流失量变幅分别为9.52%~109.52%,8.91%~37.5%,0~70.97%和3.33%~73.59%,以铵态氮处理水溶性总氮流失量最低。2.4.2不同化肥处理的壤中流铵态氮流失量从表7可看出,壤中流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮流失量表现为地膜覆盖较裸地分别大1.24%,45.72%,1.97%和7.2%,但是不同氮肥处理表现不一,对于壤中流硝态氮流失量而言,铵态氮肥和硝态氮肥处理表现为地膜覆盖较裸地分别大138.75%和13.51%,而酰胺态氮肥和缓控释肥处理则表现为裸地较地膜覆盖分别大97.73%和66.67%;对于壤中流铵态氮流失量而言,铵态氮肥处理表现为地膜覆盖较裸地大306.32%,而硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓控释肥处理则表现为裸地较地膜覆盖分别大16.28%,56.58%和97.92%;对于壤中流无机氮流失量而言,铵态氮肥和硝态氮肥处理表现为地膜覆盖较裸地分别大140.74%和13.33%,而酰胺态氮肥和缓控释肥处理则表现为裸地较地膜覆盖分别大96.63%和65.22%;对于壤中流水溶性总氮流失量而言,铵态氮肥处理表现为地膜覆盖较裸地大115.72%,硝态氮肥、酰胺态氮肥和缓控释肥处理则表现为裸地较地膜覆盖条件分别大0.83%,60.87%和79.41%。从表7还可看出,在裸地条件下,不同氮肥处理的壤中流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮流失量变幅分别为1.35%~135.14%,0~25.26%,1.33%~133.33%和0~81.97%,以硝态氮肥和缓控释肥处理水溶性总氮流失量最低;地膜覆盖条件下,不同氮肥处理壤中流硝态氮、铵态氮、无机氮和水溶性总氮流失量变幅分别为4.76%~324.44%,13.16%~704.17%,4.71%~19和14.05%~404.41%,以缓控释肥处理水溶性总氮流失量最低。2.5地表径流和壤中流氮素流失主要形态从表8可看出,地表径流和壤中流硝态氮流失浓度分别是铵态氮流失浓度的近4倍和60倍,地表径流和壤中流硝态氮流失量分别是铵态氮流失量的近3倍和79倍,说明地表径流和壤中流氮素流失的主要形态均是硝态氮。从径流途径看,壤中流硝态氮流失浓度和流失量分别是地表径流中硝态氮流失浓度和流失量的近10倍和4倍;地表径流铵态氮流失浓度和流失量分别是壤中流铵态氮流失浓度和流失量的近1.5倍和7.56倍;壤中流水溶性总氮流失浓度和流失量分别是地表径流水溶性总氮流失浓度和流失量的5.98倍和2.49倍,差异均达极显著水平,即氮素流失主要途径是地下径流(表8)。3化肥对农田氮素流失的影响地膜覆盖作为一种增温保水农艺措施已得到广泛认可,并被大面积采用。前人研究表明,地膜覆盖能够显著提高玉米产量,有效提高氮肥利用效率,降低径流中养分浓度,提高土壤中碱解氮的含量,有效保存土壤养分。本研究结果表明,地膜覆盖能够显著增加玉米产量,降低地表径流、地下径流和土壤侵蚀,降低壤中流硝态氮、无机氮和水溶性总氮流失浓度,增加地表径流各形态氮流失浓度及地表径流、壤中流硝态氮和水溶性总氮流失量,本研究不仅从地表径流和地下径流2个角度全面分析了氮素流失途径及通量,而且深入系统地分析了地表径流和地下径流氮素流失的形态及各形态之间流失通量及途径的差异,更能够全面系统地评价氮素流失。施用氮肥对提高作物产量、改善作物品质具有重要的作用。但目前农业生产中过量施用氮肥的现象极为突出,不仅造成利用率普遍较低,而且引起水体质量损害。因此,选择合适的氮肥品种,合理施用氮肥,减少农田氮素流失已成为当前防治农