橡胶树（Hevea brasiliensis）是热带地区典型的经济林作物,是重要的人工林生态系统。近年来其生态效应愈加受到关注[1-2]。海南植胶区地处热带北缘,是中国发展橡胶的重要基地。该区自20世纪50年代开始大规模植胶,经过60 a来的植胶生产,已面临单产提升困难、土壤养分大面积下降等问题[3]。如该区土壤全氮从1954年植胶初期的1.57 g/kg下降到2010年的0.82 g/kg[4]。在该区土壤普遍退化的背景下,施用氮肥对于橡胶树增产、稳产以及土壤培肥具有重要作用[5]。
氨挥发和氮淋洗损失是氮肥损失的重要途径,在农田生态系统中已经开展了大量的研究[6⇓-8]。与此同时,氮肥的施用也逐渐成为人工林提高生产力的重要措施[9-10]。明确特定气候–土壤条件下不同人工林氮素损失去向及通量,有助于理解生态系统氮素循环过程。同时也是人工林进行氮肥优化管理和制定减排措施的重要依据。海南植胶区属热带季风气候,降雨多而集中。为了防止橡胶林养分的地表径流损失,在生产中逐渐形成了肥料穴施的管理措施。这种局部集中施肥的方式可能发生较为严重的氨挥发和氮淋洗损失。由于穴施的施肥方式会导致养分在空间上的高度变异[11],对这些损失过程进行田间定量研究仍存在较大的困难。目前对橡胶林氮肥穴施后的氨挥发和氮淋洗损失的研究鲜见报道,尤其缺乏在田间实际条件下对这些损失过程和通量同时进行原位研究。本文设置田间试验,分别采用通气法和渗漏盘法田间原位研究橡胶林氮肥穴施下的氨挥发和氮淋洗损失,以期为橡胶林氮素优化管理和高效施肥技术提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验区位于儋州市中国热带农业科学院橡胶研究所土壤肥料试验站（109°29°8.4”E,19°29°8.4N）。热带季风气候特征显著,年均降雨量1600~2000 mm,月均气温18.75~28.90℃。受热带季风气候的影响,年降雨量分布极不均匀,具有明显的干湿季交替。其中雨季为每年的5—11月,降雨大而集中,降雨量约占全年降雨总量的70%~90%。试验期间（2015—2017年）,日均气温和日降雨量见图1。橡胶树品种为‘热研7-33-97’,树龄20 a,割龄13 a,行距6 m、株距3.5 m,单位面积理论株数476株/hm2。土壤是由花岗片麻岩发育的砖红壤,0~100 cm土壤基本理化性质见表1。
图1 试验期间日均气温及日降雨量变化Fig. 1 Dynamics of daily mean air temperature and daily precipitation during experiment |
表1 试验区土壤理化性质Tab. 1 Soil physicochemical characteristics in experimental site |
| 土层深度 Soil depth/cm | pH | 有机碳 Organic C /(g·kg‒1) | 全氮 Total N /(g·kg‒1) | 有效磷 Olsen-P /(mg·kg‒1) | 速效钾 Available K /(mg·kg‒1) | 土壤容重 Bulk density /(g·cm‒3) | 砂粒 Sand/% | 粉粒 Silt/% | 黏粒 Clay/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0~20 | 4.87 | 6.33 | 0.68 | 19.93 | 47.83 | 1.46 | 52.07 | 29.77 | 18.16 |
| 20~40 | 4.60 | 5.59 | 0.56 | 6.62 | 40.65 | 1.49 | 48.23 | 31.21 | 20.56 |
| 40~60 | 4.76 | 4.18 | 0.45 | 5.42 | 30.73 | 1.40 | 47.61 | 33.11 | 19.28 |
| 60~80 | 4.97 | 3.52 | 0.40 | 4.73 | 30.57 | 1.40 | 45.39 | 32.77 | 21.84 |
| 80~100 | 4.92 | 3.19 | 0.38 | 4.52 | 29.89 | 1.37 | 40.83 | 34.83 | 24.35 |
1.2 方法
1.2.1 试验设计
根据观测资料计算,树龄16~20 a的橡胶树当年生长和产胶约需氮0.42 kg。采用氮素平衡计算公式：施氮量≈需氮量,则施氮量约为200 kg/hm2。鉴于目前海南植胶区土壤氮肥力低的现状,施氮量上调30 kg/hm2,以培育土壤氮库,提高土壤肥力。因此在试验中,将施氮量230 kg/hm2作为一个较为适宜的施氮处理,将施氮量100 kg/hm2作为低氮处理,将施氮量400 kg/hm2作为高氮处理。试验共设置氮肥处理4个,分别为：（1）对照（CK）,不施氮;（2）低氮处理（LN）,施氮量100 kg/hm2,每株施氮0.21 kg;（3）中氮处理（MN）,施氮量230 kg/hm2,每株施氮0.48 kg;（4）高氮处理（HN）,施氮量400 kg/hm2,每株施氮0.84 kg。设置3次重复,随机区组。为了较为真实地反映田间实际情况,试验采用肥料穴施的施肥方式。施肥穴宽0.3 m,长0.5 m,深0.2 m,距离树干1.5 m,每次施肥后盖土3 cm。氮肥选用尿素（含N量46%）,分3次均匀施入,施肥时间分别为每年的4月上旬、7月上旬和9月上旬。磷肥选用钙镁磷肥（含P2O5 18%）,施用量为75 kg/hm2,每株施P2O5 0.158 kg。钾肥选用氯化钾（含K2O 60%）,施用量为150 kg/hm2,每株施K2O 0.315 kg。其中,磷钾肥于1月下旬一次性集中施入。
1.2.2 指标测定
土壤氨挥发采用通气法测定[12]。该方法的氨捕获装置由PVC管制成,PVC管高13 cm,内径15 cm。以磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇,定容至1000 mL）作为氨的吸收液。将两块海绵均匀地浸取15 mL磷酸甘油溶液,分别置于PVC管中,海绵直径为16 cm,厚度为2 cm。上层海绵位置与PVC管顶部相平,下层海绵位置距离PVC管底5 cm,两层海绵间距2 cm。将PVC管的下端压入土壤中2 cm,以保证气密性。氨捕获装置外罩通气遮雨装置,每处理布置捕获装置2个。从氮肥施后第2天起,每天采集1次,连续采集至监测到不再有氨气挥发时停止采样。采样时,将氨捕获装置的下层海绵取出,装入封口袋中,密封后带回实验室处理。同时,下层位置重新放置一块浸过磷酸甘油溶液的海绵,上层海绵则2~3 d更换1次,以保证其对环境氨的过滤。带回试验室的海绵装入500 mL塑料瓶中,加入1.0 mol/L的KCl溶液300 mL,振荡1 h。采用连续流动分析仪（AA3,德国）测定浸提后溶液中的铵态氮（NH4+-N）浓度。土壤氨挥发通量的计算公式[12-13]如下：
氨挥发通量NH3-N[kg/(hm2·d)]=M/(A×D)× S×10-6
式中M为每次取样后测得的氨挥发量（NH3-N, mg）;A为氨捕获装置的横截面积（m2）;D为每次采样时的间隔时间（d）;S为施肥面积（m2）。
采用渗漏盘法[14]测定橡胶林氮肥穴施后的氮淋洗损失。由于橡胶树吸收根主要分布在0~40 cm的浅层土壤中,因此将运移100 cm以下土层的无机氮定义为氮淋洗损失。渗漏盘由PVC方盘制成（长72 cm,宽60 cm,深5 cm）,盘内填充直径为2~3 mm粗砂砾,盘面覆盖100目尼龙网。安装时,在施肥穴的侧面35 cm远处,垂直挖土壤剖面（深度为1.5 m,长宽均为1.2 m）。在土壤剖面距离地面1 m处、垂直于施肥穴横向挖掘与渗漏盘体积相当的安装穴,用于安装渗漏盘。渗漏盘安放于施肥穴的正下方,其表面距离施肥穴底部80 cm,其上为未扰动的原状土壤。渗漏盘安装好后,用砖将土壤剖面砌成永久的观测池,以方便长期连续采样（图2）。在渗漏液产生后,每隔一段时间收集渗漏液。渗漏液中的硝态氮（NO3‒-N）和铵态氮（NH4+-N）采用连续流动分析仪（AA3,德国）测定。氮淋洗量为一定时间间隔内收集的渗漏液体积乘以氮浓度（NO3‒-N和NH4+-N）。
1.3 数据处理
采用Microsoft Excel 2016软件进行试验数据的处理。采用SAS（SAS Institute Inc., Cary, NC, USA）软件ANOVA过程和CORR过程分别进行方差分析和一元线性相关性分析,采用最小显著差异法（LSD）进行多重比较分析。
2 结果与分析
2.1 不同施氮水平下氨挥发动态
2015年第1次施肥（4月,旱季;图3A）后,3个氮肥处理的氨挥发过程大致持续14 d左右,呈先增后降的趋势,其氨挥发通量在施肥后7~9 d达到峰值,峰值介于0.22~1.20 kg/(hm2·d)之间。2015年第2次施肥（7月,雨季;图3B）后,3个氮肥处理的氨挥发过程基本在9 d内完成,其氨挥发通量峰值在施肥后的1~3 d内即达到峰值[0.41~1.90 kg/(hm2·d)],其变化规律大致呈下降趋势。2015年第3次施肥（9月,雨季;图3C）后,与第2次施肥相似,3个氮肥处理的氨挥发过程基本在10 d内完成,并在施肥后的1~2 d内达到峰值[0.91~1.11 kg/(hm2·d)],变化规律也基本呈下降趋势。橡胶林氮肥穴施后,雨季与旱季表现出不同的氨挥发特征,雨季由于降雨事件的频繁,大大降低了氨的挥发。而旱季,干旱的土壤条件导致尿素水解过程延长,氨挥发损失加剧。
2016年第1次施肥（4月,旱季;图3D）后,3个氮肥处理的氨挥发过程大致持续20 d左右,均呈先增后降的趋势,其氨挥发通量峰值出现在施肥后的6~13 d,通量峰值介于0.94~1.21 kg/(hm2·d)之间。2016年第2次施肥（7月,雨季;图3E）后,同2016年雨季施肥后的结果相似,3个氮肥处理的氨挥发主要过程也基本在9 d内完成,其氨挥发通量峰值在施肥后的2~3 d内达到峰值,峰值介于0.16~0.56 kg/(hm2·d)之间,其变化规律呈下降趋势。2016年第三次施肥（9月,雨季;图3F）后,3个氮肥处理的氨挥发主要过程更短,在7 d内基本完成。其氨挥发通量峰值在施肥后的1 d内即达到了峰值[0.76~0.85 kg/(hm2·d)],其变化特点呈现较为一致的下降趋势。这些特点继续印证了上一年的试验结果。
2.2 不同施氮水平下氮淋洗动态
由图4可以看出,橡胶林氮肥穴施后氮的淋洗集中发生在雨季（5—11月）,而在旱季（12—4月）几乎未发生淋洗。2015年（枯水年,年降雨量1289 mm）,3个氮肥处理下土壤淋洗液中的NO3‒-N浓度变化较为平稳,其淋洗损失不高（图4A）。其中,高氮处理下的NO3‒-N浓度（152.77~ 192.30 mg/L）高于中氮处理（38.39~99.00 mg/L）和低氮处理（11.35~90.76 mg/L）。该年度,土壤中盈余的氮素可能主要以土壤残留为主。2016年（丰水年,年降雨量2438 mm）,3个氮肥处理下NO3‒-N均发生了较为严重的淋洗损失,且年内浓度变化很大,其中高氮处理下的NO3‒-N浓度最高可达574.98 mg/L。橡胶林氮肥穴施后,也发生了一定程度的NH4+-N淋洗（图4B）,其变化规律与硝态氮淋洗同步且相似,但其淋洗程度低于NO3‒-N淋洗。NH4+-N淋洗尤其以高氮处理最为明显,其土壤渗漏液中NH4+-N平均浓度可达60.23 mg/L。从2 a的试验结果来看,橡胶林氮肥穴施后,无论是NO3‒-N还是NH4+-N均未表现出明显的淋洗规律,其淋洗特点主要受偶然性降雨事件的影响。氮淋洗损失年际间变化很大,年内则集中发生在雨季。其中,氮淋洗损失以NO3‒-N淋洗为主,NO3‒-N淋洗约占总淋洗量的77%~ 90%。
2.3 不同施氮水平氮损失的比较
2015年橡胶林氮肥穴施后,3个氮肥处理氨挥发损失为6.95~19.70 kg/hm2（图5A）。其中,高氮处理的氨挥发损失显著高于中氮处理和低氮处理（P<0.05）,中氮处理显著高于低氮处理。2016年,3个氮肥处理氨挥发损失为11.69~ 23.38 kg/hm2,其中,高氮处理的氨挥发损失显著高于中氮处理和低氮处理（P<0.05）,而中氮处理和低氮处理之间无显著差异。2015年,3个氮肥处理氮淋洗损失为1.11~4.48 kg/hm2（图5B）。高氮处理的氮淋洗损失最高,中氮处理也显著地高于低氮处理和对照（P<0.05）,而低氮处理的氮淋洗损失与对照之间无显著差异。2016年,3个氮肥处理氮淋洗损失为3.60~13.53 kg/hm2。高氮处理的氮淋洗损失显著高于其他3个处理（P< 0.05）,中氮处理与低氮处理之间无显著差异,低氮处理和对照之间也无显著差异。综合2 a的试验结果来看,3个氮肥处理的氨挥发损失为9.32~ 21.54 kg/hm2,氮淋洗损失为2.36~9.00 kg/hm2。随着施氮量的增加,氨挥发损失量和氮淋洗损失量均呈线性增加趋势（P<0.05）。
3 讨论
氨挥发是农业生态系统氮肥损失的重要途径,氨挥发导致了一系列严重的环境问题[15-16]。对影响氨挥发的824个观测数据的整合分析表明,全球农业生态系统中所施用氮肥的氨挥发损失甚至高达64%（平均18%）[6]。中国北方石灰性土壤的氨挥发损失率为19.4%~24.7%[17]。巴西酸性砖红壤上的研究结果表明[18],尿素表施后（300 kg/hm2）的氨挥发损失率为28%~37%。前期研究发现,橡胶林尿素表施后（施氮量200 kg/hm2）的氨挥发损失率为28.19%[13]。本研究表明,橡胶林酸性砖红壤尿素穴施后的氨挥发损失并不高,且具有明显的旱季高、雨季低的损失特征。在尿素穴施的条件下,局部集中了大量的氮肥,理论上氨挥发损失应该很高,但试验结果与该假设并不一致。究其原因,可能是：（1）橡胶林尿素穴施,由于施肥后覆土3 cm,在一定程度上可能降低了氨挥发。相关研究已证实,与氮肥表施相比,将氮肥施到一定深度,水解产生的NH4+-N更多地被土壤所吸附,并能阻碍土壤中的氨向地表扩散,是降低氨挥发损失的有效措施[6,10,19]。氮肥在土壤中的施入深度对降低氨挥发损失的效果大致为7%/cm,当施氮深度大于7.5 cm,氨挥发损失基本可以忽略[20]。由此可见,橡胶林尿素穴施后覆土可能降低了氨的挥发,施肥管理应对覆土厚度进行严格要求;（2）热带季风气候条件下的橡胶林,具有明显的干湿季交替。本试验条件下,旱季氨挥发持续时间长,损失高。而雨季的氨挥发持续时间短,损失普遍较低。这种结果反映了降雨事件对氨挥发损失的影响。相关研究表明,缺乏降雨或灌溉,土壤干旱时,尿素水解缓慢,氨挥发持续时间长[21];少量的降雨或灌溉则能产生较适宜的土壤水分条件,有利于尿素的水解,增加了氨挥发损失[22];而较大降雨事件的发生,通常能有效降低氨挥发损失[21-22]。雨季频繁的降雨事件,在较大程度上也降低橡胶林氮肥施用的氨挥发损失。因此,在这种独特的生态条件和特殊的施肥方式下的橡胶林的氨挥发损失并不高。
通常认为NO3‒-N带负电荷,是最易发生淋洗的氮形式。本研究发现橡胶林尿素穴施后,土壤淋洗液中同时含有较高浓度的NH4+-N。穴施条件下,尿素水解后在局部会产生大量的NH4+-N,这些大量存在的NH4+-N在短时间内不能完全被土壤胶体所吸附,或被植物吸收、被硝化或通过氨挥发损失,在条件允许的情况下发生了淋洗。在2 a的田间试验中,不同施氮处理的年均氮素淋失总量为2.36~9.00 kg/hm2。新西兰辐射松人工林（尿素,施氮量为200 kg/hm2）的NO3‒-N淋洗为28~90 kg/hm2[9]。与其他生态系统的研究结果[23]相比,橡胶林酸性砖红壤尿素穴施后的氮素淋洗损失并不高。尤其值得注意的是,由于穴施的施肥特点,采用渗漏盘法收集穴施淋洗液还存在一定的问题：有相当一部分土壤溶液很可能发生了侧向渗漏。这种采样技术可能导致测定结果偏低,而实际损失可能更高。在氮肥穴施的条件下,目前还缺乏一种有效的田间原位监测氮淋洗的方法,这非常值得深入研究。
4 结论
橡胶林氮肥穴施后,雨季由于降雨事件的频繁发生,氨挥发潜力较低。而旱季,干旱的土壤条件导致尿素水解过程延长,氨挥发损失加剧。其氨挥发具有明显的旱季损失高、雨季损失低的排放特征。橡胶林氮肥穴施后的氮淋洗损失年际变化很大,年内则集中发生在雨季。氮淋洗损失以NO3‒-N淋洗为主,NO3‒-N淋洗约占总淋洗量的77%~90%。在这种独特的生态条件和特殊的施肥方式下,橡胶林的氨挥发损失和氮淋洗损失并不高。