0 引言
【研究意义】全球旱地面积占土地总面积的41%,生活着近20亿的人口[1]。中国干旱、半干旱地区主要分布在北方地区,占国土面积的比例高达52.5%[2]。随着全球水资源短缺问题及气候变化的加剧,旱地农业的重要性日趋突出。以中国为例,1990—2010年的20年间新增旱地农田面积就达到2.99×106 hm2[3]。旱地生产了全球约3/4的小麦[4],在世界小麦生产中占有重要地位。【前人研究进展】自20世纪80年代以来,中国农业生产中氮肥用量不断增加[5],一季作物收获后残留在土壤的肥料氮量也随之增加,长期施用氮肥的土壤在40—100 cm深度当季硝态氮累积量达到73.5 kg·hm-2 [6];单施氮肥180 kg·hm-2,23年后0—300 cm土层硝态氮残留量高达1 500 kg·hm-2 [7]。RIMSKI-KORSAKOV等[8]15N试验表明,氮肥用量为250 kg·hm-2时,一季玉米收获后残留在土壤中的肥料氮占到33%。LIANG等[9]利用15N方法研究长期不同施肥处理土壤施用氮肥后一季小麦收获时残留在土壤中肥料氮的比例在38%—45%。水分是制约旱地小麦生产的关键因素,为了蓄水保墒,中国北方旱地小麦生产中采取了夏季休闲措施[10]。而夏季休闲期（7—9月）为这一地区的雨季,以黄土高原南部为例,年均降水量约有60%以上集中在夏季休闲期[11];缺少植被覆盖,土壤残留肥料氮淋溶损失是值得关注的问题。彭琳等[13]研究夏闲期土硝态氮季节性变化,发现在6—9月降水集中时硝态氮累积和下渗现象非常明显,平均10 mm降水可使硝态氮下渗3—5 cm。黄土高原南部在降水364 mm的夏季,休闲后硝态氮向下淋溶深度超过100 cm[12]。戴健等[14]研究指出,每10 mm降水可使土中硝态氮向下迁移2—4 cm。张丽娟等[15]研究表明,休闲地土壤剖面硝态氮随降水逐渐向下移动,在556 mm降水的作用下硝态氮会在60—80 cm土层出现累积。硝态氮淋溶与施氮量显著相关,当施氮量超过200 kg·hm-2,0—200 cm土壤剖面残留硝态氮淋失量达到40 kg·hm-2以上[16,17]。【本研究切入点】目前关于黄土高原旱地硝态氮累积状况等已有不少研究,但对旱地不同年份夏闲期硝态氮淋溶的研究尚少见报道[18,19]。随着旱地小麦氮肥用量的增加,一季作物收获后土壤剖面残留的肥料氮会随之增加,因此,有必要研究旱地夏季休闲期间的土壤剖面氮素淋溶损失特性。【拟解决的关键问题】连续3年研究了黄土高原南部旱地夏闲期土壤剖面硝态氮的变化,旨在探究不同年际间休闲期间硝态氮的淋溶特性,为进行旱地氮肥管理,减少土壤硝态氮淋溶损失提供理论依据。1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验分别在陕西杨凌西北农林科技大学农作一站和长武县王东村开展。西北农林科技大学农作一站位于黄土高原南部,地处渭河三级阶地,海拔520 m,年平均气温12.9 ℃,年降水量632 mm,主要集中在7—9月,年均蒸发量993 mm,属半湿润易旱区,供试土壤为土（土垫旱耕人为土）。陕西长武县王东村（东经107°40′,北纬35°14′）位于黄土高原中南部典型旱作农业区。该地海拔1 227 m,地势平坦,多年平均降水量580 mm,主要集中在7—9月。供试土壤为黑垆土（堆垫干润均腐土）。两地供试土壤基本理化性质见表1,试验期间降水与蒸发,多年降水量见图1和表2。Table 1
表1
表1供试土壤基本理化性质（0—20 cm土层）
Table 1Physical and chemical properties of tested soil (0—20 cm soil layer)
| 地点 Site | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 速效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|
| 长武Changwu | 13.6 | 0.79 | 23.4 | 186 |
| 杨凌Yangling | 14.0 | 0.85 | 22.8 | 158 |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1连续3年试验期间长武和杨凌降水量和蒸发量
-->Fig. 1Rainfall and evaporation in Changwu and Yangling during experiment
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Table 2
表2
表2长武、杨凌两地试验期间（2013—2015）及多年同期降水量
Table 2Rainfalls during experiment (2013-2015) and long-term average rainfalls in Changwu and Yangling
| 长武Changwu | 杨凌Yangling | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2013 | 2014 | 2015 | 2013 | 2014 | 2015 | |
| 夏季休闲降水量Rainfall in summer fallow (mm) | 296 | 157 | 200 | 220 | 346 | 288 |
| 多年夏季休闲平均降水量 Long-term average rainfall in summer fallow (mm) | 227 | 384 | ||||
| 夏季休闲期降水年型 Summer rainfall type | 丰水 Abundant rainfall | 欠水 Deficit rainfall | 平水 Normal rainfall | 欠水 Deficit rainfall | 平水 Normal rainfall | 欠水 Deficit rainfall |
| 年降水量Annual rainfall (mm) | 463 | 661 | 424 | 481 | 675 | 598 |
| 多年平均降水量 Long-term average annual rainfall (mm) | 566 | 634 | ||||
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1.2 试验设计
分别于2013—2015年在陕西杨凌西北农林科技大学农作一站和长武县洪家镇王东村采集夏季休闲前后农田土壤样品。杨凌农作一站土样采自2002年设立的旱地栽培模式及氮肥用量长期定位试验田。该试验采用裂区设计,栽培模式为主区,施氮量为副区,副区面积为28.8 m2,重复4次。氮肥为尿素,有3个水平（0、120、240 kg N·hm-2,分别用N0、N120、N240表示）,磷肥为重过磷酸钙,施用量为100 kg P2O5·hm-2,都于播种前统一施用。本研究选取该定位试验中3种栽培模式（常规、覆草和垄沟）下的3个施氮量为采样对象。每个小区选取两个采样点,采集0—200 cm土壤样品,每20 cm为一个土层,同一土层样品混匀后测定硝态氮。长武土样采自王东村不同农户采取夏季休闲的农田,田块数2013年6个,2014年12个,2015年减少为8个。调查的农户小麦季的氮肥用量在94—292 kg·hm-2之间,平均为167 kg·hm-2。各田块面积在800—1 700 m2。每个农田选取3个采样点,采集0—200 cm土层样品,每20 cm为一个土层,同一土层样品混匀后备用。
杨凌、长武两地采样农田夏季休闲初地表残留有5—10 cm左右的残茬,夏季休闲开始后不久翻地以切断土壤毛细管减少水分蒸发。
1.3 样品测定
土壤含水量采用烘干法（105 ℃下烘干8 h) 测定。硝态氮测定：1 mol·L-1 KCl 溶液浸提（水土比10﹕1）,振荡1 h,过滤,自动化连续流动分析仪（AA3, Bran+Luebbe, 德国）测定。1.4 数据处理
20 cm土层硝态氮含量（kg·hm-2）=硝态氮浓度（mg·kg-1）×土壤容重（kg·m-3）×面积（m2）×0.2（m）/1 000 000;0—200 cm土壤硝态氮累积量（kg·hm-2）=每20 cm土层硝态氮含量之和;
休闲后土壤硝态氮增加量（kg·hm-2）=休闲后土壤硝态氮累积量-休闲前土壤硝态氮累积量。
数据计算采用Excel 2007,数据统计分析采用SPSS 20.0,多重比较采用邓肯（Duncan）法。图表绘制采用Excel 2007和SigmaPlot 12.0。
2 结果
2.1 小麦收获后土壤剖面硝态氮累积量
图2结果表明,连续3年长武小麦收获后0—200 cm土壤剖面硝态氮累积量在97—328 kg·hm-2,平均193 kg·hm-2。杨凌不同氮肥用量定位试验小麦收获后0—200 cm土壤剖面硝态氮平均累积量在施氮0、120及240 kg N·hm2时分别为65、156和366 kg·hm-2。可见,随着氮肥用量的增加,旱地小麦收获后土壤剖面累积的硝态氮量显著增加。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2长武、杨凌一季小麦收获后0—200 cm土壤剖面硝态氮累积量
-->Fig. 2NO3--N accumulation in 0-200 cm soil profile after wheat harvest in Changwu and Yangling
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2.2 长武夏季休闲期间0—200 cm土壤剖面硝态氮变化
2013年休闲前土壤剖面硝态氮累积峰主要位于40—60 cm深度,休闲后到达80 cm以下,最深处到达140 cm（图3）。2014年休闲后土壤剖面硝态氮累积峰相对于休闲前并没有发生下移,这与试验期间降水量（仅157 mm,属欠水年）低于多年同期（1957—2015年7月8日至9月10日期间降水量均值为227 mm）有关。2015年休闲后剖面中硝态氮含量在60 cm以上存在明显的硝态氮累积,这可能与当季残留肥料氮随降水下移,土壤中原有氮素矿化有关;另一个累积峰位于160 cm深度,这一累积峰的存在可能是由于长武2015年上半年降水量很大,使土壤中原有氮素下移到140 cm左右累积,最终在夏季休闲降水（200 mm）作用下,累积峰发生轻度下移到达160 cm（图3）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图32013—2015年长武休闲前后0—200 cm土壤剖面硝态氮含量分布（括号中为样本数）
-->Fig. 3NO3--N distribution in 0-200 cm soil profile before and after summer fallow in Changwu from 2013 to 2015 (Number in bracket is sample number)
-->
长武农田施氮量平均为182 kg N·hm-2,连续3年夏闲期间0—200 cm土壤剖面中硝态氮的累积增加量分别为109、91和110 kg·hm-2。其中2013年和2015年休闲后土壤剖面硝态氮淋溶到100—200 cm,淋溶增加的硝态氮累积量分别是0—100 cm土壤剖面的2.5和2.7倍。2014年硝态氮累积增加量主要发生在0—100 cm土壤剖面,与这一年夏闲期降水量少有关（图4）。
2.3 杨凌夏季休闲期间0—200 cm土壤剖面硝态氮变化
长期不施氮处理休闲前后0—200 cm土壤剖面中硝态氮含量较低,无明显的累积峰;而长期施用氮肥处理土壤剖面硝态氮累积量相对较高,且存在明显的累积峰。与休闲前相比,2013年休闲后施氮120和240 kg N·hm-2处理土壤剖面硝态氮累积峰出现轻微上移,
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图42013—2015年长武休闲后0—200 cm土壤剖面硝态氮增加量
不同字母表示差异显著,P<0.05。
-->Fig. 4NO3--N accumulation in 0-200 cm soil profile after summer fallow in Changwu from 2013 to 2015
Different lowercase letters represent significantly different, P<0.05. The same as
-->
这与试验期间降水量（仅220 mm,属欠水年）低于多年同期（2003—2015年6月20日至10月10日期间降水量均值为384 mm）有关。2014年降水量达到357 mm（属平水年）,休闲后施氮120和240 kg N·hm-2处理土壤剖面累积的硝态氮发生明显下移,累积峰到达140 —160 cm深度,下移距离在60—80 cm之间,都淋出了0—100 cm土层。2015年休闲后施氮240 kg N·hm-2处理剖面中有两个硝态氮累积峰,第一个累积峰位于40 cm深度,这可能与当季残留肥料氮随降水下移有关;另一个累积峰位于140 cm深度,可能是由于休闲前土壤中原有肥料氮已在140 cm深度累积,而该阶段的降水量（288 mm,属欠水年）难以到达这一深度,因此在休闲后这一累积峰的位置并没发生下移,反而有轻微上移趋势（图5）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图52013—2015年杨凌休闲前后不同施氮处理0—200 cm土壤剖面硝态氮分布
-->Fig. 5NO3--N distribution in 0-200 cm soil profile before and after summer fallow of different N treatments in Yangling from 2013 to 2015
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比较休闲前后0—100 cm及100—200 cm土层硝态氮累积量的变化可以评价这一期间硝态氮的淋溶情况。与休闲前相比,2013年休闲后施氮120和240 kg·hm-2处理土壤剖面硝态氮均有所增加,且0—100 cm土层硝态氮的累积增加量高于100—200 cm土层（图6）,说明硝态氮淋溶作用弱, 这与这一年降水量低有关。2014、2015年100—200 cm土层硝态氮的累积增加量高于0—100 cm土层, 说明硝态氮淋溶到100—200 cm土层,其中2014年100—200 cm土壤剖面硝态氮累积增加量高于2015年,这与这一年降水量最大有关。可见降水高的年份显著增加了硝态氮的向不同剖面深层的淋溶。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图62013—2015年杨凌休闲后不同施氮处理0—200 cm土壤硝态氮增加量
-->Fig. 6NO3--N accumulation in 0-200 cm soil profile after summer fallow of different N treatments in Yangling from 2013 to 2015
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3 讨论
3.1 一季小麦收获后旱地土壤剖面硝态氮的累积量
本研究测定的长武26个旱地农田一季小麦收获后0—200 cm土壤剖面硝态氮累积量在97—328 kg·hm-2,平均193 kg·hm-2,与其他****的研究结论类似。有研究表明[21],陕西渭北旱塬连续种植两年冬小麦后0—200 cm土壤剖面中硝态氮累积在58—284 kg·hm-2。晋南旱地冬小麦施氮165 kg·hm-2,种植两年后0—200 cm土壤剖面硝态氮累积量为204 kg·hm-2[22]。可见旱地冬小麦收获后0—200 cm土壤剖面中硝态氮累积量很高。本研究同时表明,小麦收获后0—200 cm土壤剖面中硝态氮累积量随氮肥用量的增加而增加,当施氮量为240 kg·hm-2时,土壤剖面累积量达366 kg·hm-2,较不施氮处理增幅达到了5.6倍。FAN等[23]研究指出,当施氮量由90 kg·hm-2增加到180 kg·hm-2时,0—400 cm土壤剖面硝态氮总累积量从460 kg·hm-2增加到1 256 kg·hm-2。近年来,中国旱地小麦氮肥用量有了明显的增加[24],无疑小麦收获后土壤剖面累积的硝态氮量也会显著增加,其去向值得关注。而黄土高原旱地小麦收获后紧接着是夏季休闲,降水又主要集中在这一时期,很容易造成残留的硝态氮发生淋溶损失[25]。3.2 旱地夏季休闲期间硝态氮淋溶
硝态氮在土壤中的淋溶与降水量（灌水量）关系密切,国内外****已开展了不少研究[15,26-27]。但关于旱地夏季休闲期间不同年份硝态氮在0—200 cm土壤剖面淋溶的研究相对较少。本研究表明,休闲后硝态氮累积峰下移深度与降水量有关,降水量高的年份土壤剖面中硝态氮下移深度大,反之则小;若降水量过少,由于表层蒸发促使水分上移,使得硝态氮发生向上运动现象,如2013年试验期间杨凌降水量只有220 mm,土壤剖面硝态氮在休闲后累积峰出现上移现象,因为在雨养区降水是硝态氮向下迁移的驱动力[28],另外降水对硝态氮下移的作用会受到累积峰深度的影响。当累积峰位于下层土壤中时,降水很难到达,除非有连续性的大量降水。图5中2015年施氮240 kg·hm-2处理20 cm处的累积峰随降水作用下移到40 cm深度,而160 cm处的累积峰却上移到140 cm。类似结果还出现在图3中2015年的结果,位于下层的硝态氮累积峰并没有下移。JU等[29]15N标记试验发现,氮素残留深度会影响硝态氮的垂直运移。因为在相同的水分条件下,其下渗深度有限,残留氮素深度越大,随水下移的深度就会越小。本研究表明,单位降水量引起的硝态氮在土壤剖面下移的距离杨凌与长武间存在差异,其中杨凌每10 mm降水可使硝态氮平均向下迁移1.4（2015年）—1.7 cm（2014年）,而长武可以达到1.8—3.7 cm（2013年）这与两地土壤类型不同有关。长武土壤属黑垆土,黏粒含量较杨凌土少,因此,氮素向下迁移速度会加快,这与其他研究结果类似[30]。本研究连续进行了3年,两地连续3年的降水年型不同（表2）,2013年长武夏季休闲期间的降水量属于丰水年,硝态氮淋溶作用明显,而在平水（2015）和欠水（2014）年时硝态氮淋溶作用弱。可见在长武地区夏季休闲期间遇上丰水年时,存在硝态氮向下大量淋溶的风险,平水和欠水年时不存在这一问题。而杨凌的情况有所不同,夏季休闲期间遭遇平水年（2014）时硝态氮淋溶作用已经明显,大量硝态氮被淋溶到1 m以下土层,由此可知当遇上丰水年淋溶风险更大,而在欠水年（2013和2015）硝态氮淋溶作用弱,甚至还出现轻微上移。
与不施氮相比,施氮处理休闲后0—200 cm土壤剖面中硝态氮累积量有明显增加,并且施氮240 kg·hm-2处理显著高于施氮120 kg·hm-2处理。QIANG等[31]试验表明,淋溶液中的硝态氮含量随着氮肥用量的增加而迅速增加,与本研究结果一致。在相同降水量作用下,不同施氮量休闲后剖面中硝态氮累积峰的位置接近,并不因施氮量的不同而出现明显差异,与戴健等[14]2013年的试验得到的结论相一致。本研究发现,旱地夏季休闲期间降雨量高的年份土壤剖面硝态氮含量多淋溶至0—100 cm土层以下（图4,图6）,虽然小麦根系下扎深度超过2 m,但92%的根系集中在1 m范围内,因此,淋溶到1 m以下的硝态氮被认为是发生淋溶损失[32]。ZHOU等[33]指出达到单位产量硝态氮最低淋溶损失时小麦季的施氮量为162 kg·hm-2,此时的小麦产量是最高产量的90%。可见适当减少肥料氮的投入不仅可以减少夏闲期硝态氮淋溶损失,同时也不会影响作物产量。
4 结论
4.1 黄土高原旱地小麦收获后0—200 cm土壤剖面累积了相当量的硝态氮, 其中长武0—200 cm土壤剖面硝态氮累积量在97—328 kg·hm-2,平均193 kg·hm-2;土壤剖面中硝态氮累积量随着施氮量的增加而显著增加,施氮量为240 kg·hm-2时,杨凌土壤剖面硝态氮累积量达366 kg·hm-2。4.2 夏季休闲期降水量是影响硝态氮在土壤剖面移动的关键因素,降水量高的丰水年, 硝态氮淋溶至1 m以下土层; 而降水量低的欠水年,会发生硝态氮在土壤剖面的上移。长武夏季休闲期间遇上丰水年时土壤中硝态氮淋溶风险大,而杨凌遇上平水年时就会出现硝态氮淋溶风险。
The authors have declared that no competing interests exist.
