农田生态系统中残留硝态氮的行为及植物利用

【摘要】： 集约化农业发展伴随着农用化学品投入的增加，氮肥的高量投入导致农田生态系统氮素持续盈余，我国北方灌溉农作体系作物收获后土壤剖面中大量残留NO_3~--N，其对后作的氮素供应潜力以及向土壤深层和地下水淋洗程度尚不清晰。本研究采用外源标记~(15)NO_3~--N注射法、高残留硝态氮土壤剖面的作物吸收法，设置田间微区试验、土柱管栽试验，通过土壤溶液提取器和土壤剖面取样技术，研究农田生态系统中土壤剖面残留硝态氮的行为及植物利用，为残留NO_3~--N的利用与管理提供理论依据，主要研究结果如下。 在本试验水氮管理条件下，菠菜对土壤不同层次标记硝态氮的利用率显著大于小麦；菠菜对土壤剖面15 cm、45 cm、75 cm位置标记硝态氮的利用率分别为28.2％、22.3％、16.3％。小堰54对相应位置标记硝态氮的利用率分别为21.8％、17.4％、11.5％，而京411为21.8％、11.6％、7.4％，小堰54显著高于京411。土柱管栽试验获得相似的结论，但由于根系吸收区域土柱管栽试验的限定，作物对土壤剖面相应层次NO_3~--N的利用率高于田间微区试验。2个小麦品种根长密度与相应土层标记硝态氮的利用率呈显著的正相关关系；田间微区试验中菠菜对土壤标记硝态氮的利用率虽然存在随根长密度增加而升高的趋势，但未达到显著水平。 在耕层施氮和不施氮的条件下，玉米对注射于土壤剖面110 cm处标记的~(15)NO_3~--N的利用率分别为11.9％和6.7％；土壤耕层施用氮肥促进了玉米中下层根系的发育，提高了对深层标记NO_3~--N的利用率；植物利用土壤深层累积NO_3~--N，避免硝态氮进一步向浅层地下水迁移具有一定的可行性。 在人为控制灌水的土柱管栽试验条件下，拔节-孕穗-扬花-成熟4个生育时期，小麦对不同深度标记硝态氮的吸收量及利用率均随深度增加而降低，拔节期对10-20 cm、40-50 cm和70-80 cm深度标记硝态氮的利用率分别为15.7％、3.4％、和1.2％，孕穗期对3个标记深度硝态氮的利用率分别为30.6％、10.7％和3.9％，扬花期分别为33.1％、13.1％和5.1％，成熟期分别为32.5％、12.4％和4.7％；试验结果表明了小麦不同生育期利用土壤硝态氮的深度，为推荐施肥中“氮素同期供应”思想提供了理论依据。 在预设的硝态氮高残留剖面上，夏季种植高丹草对土壤上层氮素的吸收消耗大于玉米，根区范围残留NO_3~--N低于种植玉米处理，高丹草比玉米在截获残留硝态氮，阻止其大量向下迁移的作用更强，体现出植物吸收的“安全网”功能；裸地休闲增加了硝态氮淋洗的危险。 在试验水氮管理条件下，作物生长期间没有明显的自由水流通过土壤剖面100 cm深处，因而在作物生长季内也没有NO_3~--N的强烈淋洗。田间微区试验土壤15 cm、45 cm、75 cm标记硝态氮在土壤中的向下移动距离较小，分别为65 cm、45 cm、25 cm，未移出作物根区(1 m)，表现出上层标记硝态氮移动距离长，下层移动距离短的规律；土壤深层110 cm处标记的硝态氮，也没有发生明显迁移，仅以标记区域为中心向上和向下扩散了20 cm左右。在夏季休闲与种植土地管理方式中，硝态氮均迁移累积于60-80 cm土壤层次。