土壤剖面累积硝态氮的植物利用与消减潜力研究

【摘要】： 氮素是人类提高粮食产量的巨大动力,然而经过长期不合理的氮肥投入,中国农田土壤已累积了大量的硝态氮,对地下水构成了严重威胁。如何解决土壤深层硝态氮高累积的问题备受人们专注。本研究分别采用外源15NO3--N注射法和硝态氮高累积剖面田间原位试验方法,通过不同根系植物和种植方式,设置田间微区试验和田间小区试验,对不同根系作物及种植方式对土壤中累积硝态氮的利用及残留运移趋势进行探讨,从而筛选出适宜的植物种类及种植方式,并且得出了以下结论: 1在常规田间管理条件下,15N微注射微区中,当季苜蓿-无芒雀麦、苜蓿、春玉米、鸭茅及黑杨对深层标记15N利用率分别为18.4%,14.5%,11.0%,9.5%和7.0%;苜蓿-无芒雀麦显著高于玉米、鸭茅和黑杨;玉米显著高于鸭茅和黑杨。第二年对应为11.8%,8.9%,14.6%,2.8%和7.7%,小麦-玉米15N利用率显著大于苜蓿、黑杨和鸭茅,但与苜蓿-无芒雀麦无显著性差异。两年15N总利用率对应为30.2%,23.4%,25.6%,12.3%和11.4%,苜蓿-无芒雀麦显著高于其他处理,苜蓿和小麦-玉米显著高于鸭茅和黑杨。两年连作对标记15N利用率最大的是牧草间作,作物轮作及苜蓿连作对底土硝态氮也有较高量的吸收,而林木(黑杨)则较差。 2硝态氮在土壤中移动性强,其空间有效性与作物根系的发育和分布关系密切。本试验研究发现,标记层区域作物的根长密度与作物对该区域的土壤标记硝态氮的利用率有很好的相关性。 3在微区常规水肥管理条件下,一季后,鸭茅、黑杨15NO-3-N明显下移至130cm;苜蓿-无芒雀麦、苜蓿和春玉米未发生强淋洗,仅扩散20cm左右。连作两年,标记氮向下运移较向上强,鸭茅最为强烈(下移超过110cm)。结果表明可以利用牧草间作、作物轮作及苜蓿连作避免硝态氮进一步向深层迁移累积乃至向浅层地下水迁移。 4硝态氮高累积剖面植物原位修复试验结果显示,连续种植两年总生物量黑杨、小麦-玉米、苇状羊茅、苜蓿-无芒雀麦和苜蓿分别为107.3,54.1,46.7 ,44.7和36.2kg/plot,黑杨显著高于其他处理,小麦-玉米显著高于苜蓿,三种牧草间无显著性差异。两年累计吸氮量对应为1053.4,595.4,902.3,854.3和826.1 g/plot;黑杨吸氮量显著高于其他处理,三种牧草之间没有明显差异,但显著高于小麦-玉米,在种植第二年吸氮量显著增加。本试验结果说明种植林木及牧草可以获得较高的生物量及吸氮量,牧草对土壤氮素吸收利用随种植年限而递增。 5不同植物种类及土地利用方式对土壤剖面硝态氮分布的影响有差异,土层中硝态氮在一季后,0~100cm均有所降低,生草休闲和苇状羊茅消减能力较强;100~180cm(除苇状羊茅外)均高于种植前,说明种植当季有硝态氮淋洗。第二季后,苇状羊茅土壤剖面累积氮的表观损失量最高, 0~200cm土层硝态氮含量均低于5mg/kg,显著低于生草休闲和黑杨(0~20cm例外),黑杨有较强淋洗;苜蓿第二季较第一季对剖面硝态氮消减显著。 6在通体高量积累硝态氮的土壤上,可以通过苇状羊茅、苜蓿-无芒雀麦及自然生草休闲的土地管理方式,实现土壤剖面硝态氮含量快速消减,但是自然生草仅在第一季效果较好。在必须考虑收获物经济利用条件下,故苇状羊茅和苜蓿-无芒雀麦为较优的选择,苜蓿在相对长期的修复中具有优势。