Migration and distribution characteristics of nitrogen fertilizer applied at different stages in rubber plantation

试验布置于海南省儋州市中国热带农业科学院试验场五队橡胶研究所土壤肥料试验基地(位于东经109°28′54.39″，北纬19°29′13.54″)，属于热带季风气候区域。年平均气温为23.8 ℃，1~2月气温最低，平均气温18 ℃，6~7月平均气温27.7 ℃，是气温最高的月份。每年划分为明显的雨季和旱季2个季节，雨季分布在4~11月，12月至翌年的3月为旱季，年平均降水量为1 650 mm。

供试土壤为花岗片麻岩发育的砖红壤。土壤的理化性状为:pH 4.92，有机质含量12.2 g·kg⁻¹，全N含量0.6 g·kg⁻¹，全P(P₂O₅)含量1.1 g·kg⁻¹, 全K(K₂O)含量2.9 g·kg⁻¹，碱解氮72.38 mg·kg⁻¹，速效磷含量4.87 mg·kg⁻¹，速效钾含量82.70 mg·kg⁻¹，交换性Ca 0.18 cmol·kg⁻¹，交换性Mg 0.04 cmol·kg⁻¹。

供试橡胶树品系为‘热研7-33-97’，1997年定植，2003年开割，试验之前进行常规割胶，割制为s/2·d/3。选择生长相对一致、排胶正常的橡胶树作为研究对象。根据试验设计共选择12株橡胶树进行试验，分为3组，每组4株，作为重复，随机排列，进行不同时期施肥试验。

按照试验区域开割橡胶树常用施肥标准进行施肥方案设置。当地橡胶树施肥多采用N-P₂O₅-K₂O为14-9-7的复混肥， 每株橡胶树年施用量为2 kg。分3次施肥，第一次在3～4月，第二次在6～7月，第三次在9～10月，每次施肥量分别为全年的50%、30%及20%。本研究采用单质肥料，按橡胶专用复混肥中的比例进行配比，其中氮肥为尿素（含N量46.3%），磷肥为普通过磷酸钙（有效P₂O₅含量为16%），钾肥为氯化钾（K₂O含量为60%），每株橡胶树年肥料用量为600 g尿素，纯N量为277.8 g，1 125 g普通过磷酸钙，233.3 g氯化钾。为准确研究肥料氮素在橡胶树生长和产胶中的分布规律，采用¹⁵N标记尿素进行试验。¹⁵N标记尿素购自上海化工研究院，¹⁵N丰度为3.614%。

为比较不同时期施肥后肥料氮素在土壤中的迁移分布规律，共设置3个施肥处理，所有处理的化肥用量一致。处理1（T1）在第一次施肥时施用¹⁵N标记氮肥，第二次施肥时施用普通氮肥，在8月底进行土壤样品采集分析；处理2（T2）在第一次和第三次施肥时施用普通氮肥，第二次施肥时施用¹⁵N标记氮肥，在第二年1月进行土壤样品采集分析；处理3（T3）在第一次和第二次施肥时施用普通氮肥，第三次施肥时施用¹⁵N标记氮肥，在第二年1月进行土壤样品采集分析。施肥时间及¹⁵N标记尿素施用情况见表1。在分析肥料氮素在土壤中的迁移分布规律的同时，另行分析了其在树体中的分布规律，对橡胶树进行了整株砍伐采样分析，土壤采样在树体采样之后进行，根据树体采样的时间确定。

于2010年第一次施肥前在所选定的橡胶树周围开挖3 m×7 m的隔离沟，深度为1.5 m，埋设油毡，以隔离根系，防止施肥后的相互影响。施肥方式为穴施，在橡胶树行间离树干1.5 m的位置进行施肥，挖40 cm长，20 cm宽，及20 cm深的施肥穴，将肥料均匀混合，撒施在施肥穴底部，然后回填覆土。为避免不同时期施用氮肥的叠加效应，施用标记氮肥与普通氮肥位置不相重叠，即选择与普通氮肥施用位置不同的区域进行标记氮肥的施用，以单独分析每次施肥后肥料氮素在土壤中的迁移分布规律。

对橡胶树进行整株采伐后采集土壤，分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5个层次进行采样，采集施肥穴位置相对应的不同层次土壤样品。土壤采集后，自然风干，称重，然后采用四分法取1 kg土壤，磨细过0.15 mm筛，备用。

样品处理好以后，土壤称样量约为30 mg，精确到0.001 mg，用百万分之一天平称样，天平型号为MX5（瑞士METTLER TOLEDO），样品用锡纸杯包裹后，挤压紧实，待测。采用元素分析仪-稳定性同位素质谱联用仪测定植株样品中¹⁵N丰度及全氮含量，其中，元素分析仪型号为Thermo Flash EA1112，稳定性同位素质谱仪型号为GV IsoPrime JB312。土壤碱解氮的测定参照鲁如坤主编土壤农业化学分析方法进行^[19]

土壤中来自于肥料氮素的比例用Ndff表示，$\mathrm{N}\mathrm{d}\mathrm{f}\mathrm{f}=\dfrac{\mathrm{样}\mathrm{品}\mathrm{中}\mathrm{的}{}^{15}\mathrm{N}\mathrm{丰}\mathrm{度}-{}^{15}\mathrm{N}\mathrm{自}\mathrm{然}\mathrm{丰}\mathrm{度}}{\mathrm{肥}\mathrm{料}\mathrm{中}\mathrm{的}{}^{15}\mathrm{N}-{}^{15}\mathrm{N}\mathrm{自}\mathrm{然}\mathrm{分}\mathrm{度}} \times 100$%。

土壤中的肥料氮素残留量=土壤质量×土壤全氮含量（%）×Ndff（%）。

采用Excel 2007软件进行数据处理和作图，SAS 9.0统计软件进行ANOVA分析，并用Duncan检验法进行多重比较，字母法进行标记。

土壤全氮反应了土壤的氮素整体含量水平，碱解氮反应了其可被植物吸收利用的氮素的水平。从表1可知，第一次施肥和第二次施肥的土壤全氮在各个层次分布差异没有达到显著水平，虽然在施肥层以下略有升高，但差异未达到显著水平。第一次施肥即T1在施肥层以下的20～40、40～60及60～80 cm土层均有所升高，分别为1.12、1.12和0.78 g·kg⁻¹，略高于最上层及80～100 cm土层。T2处理以40～60 cm土层最高，为0.75 g·kg⁻¹，但与其他土层差异不显著。第三次施肥即T3处理则达到了显著水平，以最靠近施肥层的20～40 cm土层最高，为1.52 g·kg⁻¹，说明在第三次施肥后，20～40 cm土层全氮发生了积累。

不同土层碱解氮的含量差异则比较明显，说明不同时期施肥对土壤的速效氮的影响比较大。第一次施肥和第二次施肥不同土层土壤中的碱解氮含量，都是第三层即40～60 cm土层的含量最高，分别为51.68 和29.60 mg·kg⁻¹，在施肥层以下的几个土层的碱解氮含量均有所提高，但差异不大(表2)。施用氮肥提高了施肥层以下土层中的碱解氮的含量，而第一层几乎没有受到施肥的影响。第三次施肥后只有20～40 cm土层的碱解氮显著升高，其含量为41.69 mg·kg⁻¹，高于其他土层。

不同土层土壤中¹⁵N丰度与土壤碱解氮含量的分布趋势相同，更为直接地说明了施肥对不同层次土壤速效氮的影响。其中，第一次施肥和第二次施肥后40～60 cm土层的¹⁵N丰度最高，分别为2.058 0%和1.538 3%，而第三次所施肥料氮素在20～40 cm土层的积累程度较大，¹⁵N丰度为1.929 9%(图1)。

Figure 1.  ¹⁵N abundance, Ndff and residual FN in soil with different depths at fertilizing pit

Ndff表示了土壤中来自于肥料的氮素占其全氮的比例，这一数据表明所有土层都有来自于肥料的氮素，但第一次施肥和第二次施肥对40～60 cm土层的影响最大，如图1所示，其全氮中来自于肥料氮素的比例即Ndff分别达到了52.127 4%和36.138 7%；对0～20 cm土层的影响最小，Ndff分别为7.7054%和7.8123%。第三次施用的肥料氮素对20～40 cm土层的影响最大，其全氮中来自于肥料的氮素比例为48.185 9%；对最下一层土壤即80～100 cm土层的影响最小，其Ndff仅为0.283 4%，几乎没有影响。

不同土层残留的肥料氮量与¹⁵N丰度和Ndff 的变化趋势相似。对第一次和第二次施肥来说，在40～60 cm土层中的残留最多，分别为13 633.81及63 41.33 mg N；在20～40 cm土层的残留略小于40～60 cm土层，说明肥料氮素主要发生向下的淋洗。对于第二次施肥来说，其淋洗比较充分，肥料氮素在施肥层以下分布较多。第一次施肥不同层次土壤中，肥料氮素除淋洗到40～60 cm土层外，在20～40 cm土层的残留也比较多，残留量为11 571.23 mg N，仅次于40～60 cm土层。而对第三次施肥来说，直接靠近施肥位置的 20～40 cm土层中的残留最多，其次是40～60 cm土层，分别为5 095.28及3 761.84 mg N（图1）。

研究区域内密集降雨阶段在4~8月，土壤含水量较高，消退期为9~11月，之后土壤含水量缓慢下降^[16]，这也就容易造成相应时期施入的氮肥向下的淋溶程度不同。从不同层次土壤中的全氮含量来看，施肥增加了施肥位置以下土层中的全氮含量，对第一次和第二次施肥来说，由于向下的淋洗充分，各土层之间的差异没有达到显著水平，反过来说，即土壤中的全氮分布相对均匀，没有发生明显的积累。而第三次施肥在靠近施肥位置的土层，全氮含量明显高于其他土层，其原因可能与第三次施肥后降雨减少，淋洗作用减弱有关，另外，从第三次施肥后到采取土样之间的间隔时间也短，接近2.5个月，而第一次施肥到采集土样为4个多月，第二次施肥到采样为6.5个月，随时间的延长，肥料氮素在土壤中的向下的淋洗作用也就加强。同时橡胶树根系生长活动的变化，应该也是对土壤中肥料氮素吸收利用程度不同的原因所在。橡胶树的季相特征可分为恢复生长期（3～4月），旺盛生长期（5～10月）和生长减缓期（11～12月）^[18]，橡胶树根系活动在这些时期表现出不同的活跃程度，在一定程度上也就形成了对肥料氮素的吸收利用差异。土壤水分的运移应该是肥料氮素迁移分布差异的主要因素，有待进一步研究证实。

不同土层中的碱解氮含量受施肥的影响比较大，几次施肥都增加了施肥位置以下土层中的碱解氮含量，其中第一次和第二次施肥后，下层土壤中的碱解氮含量均高于第一层土壤中的碱解氮的含量。而第三次施肥后仅有20～40 cm土层、40～60 cm土层的碱解氮的含量高于0～20 cm土层，再次说明第三次施肥后土壤向下的淋洗作用较弱。

从土壤的¹⁵N丰度和Ndff的变化及肥料氮素残留量来看，第一次施肥和第二次施肥土壤氮素向下的淋洗超过了100 cm，肥料氮素主要发生了淋洗作用，向上的迁移不多。而第三次施肥，肥料氮素向下淋洗只到60～80 cm土层，之后几乎没有分布。肥料氮素在土壤中的迁移规律与其转化特点有关，罗雪华等^[8]的研究发现，尿素施入胶园土壤一定时间后，主要以硝态氮的形式存在，容易发生向下的淋洗。华元刚等^[9]的研究表明，硝态氮在105 d后可运移到200 cm深处。在本研究中，第一次和第二次施肥后肥料氮素的淋洗均超过了105 d，所以其淋洗作用较强，超过了100 cm的深度。本研究中，不同时期施肥后氮素淋溶特点不同，应该与其施入后的形态转化特点有关，需要深入研究。

本研究结果表明，施肥增加了下层土壤中的全氮含量，第一次和第二次即早、中期施肥由于肥料氮素的淋洗比较充分，各土层之间没有显著差异；第三次即后期施肥则由于淋洗不充分，使20～40 cm土层中的全氮含量有所增加。不同层次土壤中的碱解氮的含量受施肥的影响比较大，几次施肥都增加了施肥位置以下土层中的碱解氮含量，其中早期和中期施肥土壤的碱解氮含量都是第三层（40～60 cm土层）中的含量最高，后期施肥的碱解氮与全氮的分布规律一致，20～40 cm土层中的含量最高。早期和中期施肥的¹⁵N丰度、Ndff、肥料残留量都是40～60 cm土层最高，在80～100 cm土层也有分布，说明向下的淋洗作用较强。而后期施肥在60 cm 以下的淋洗量很少。不同时期施用氮肥在橡胶园土壤中的淋溶迁移特点明显，在生产中可以结合缓控释化肥施用以及调控不同时期施肥比例等措施合理避免肥料氮肥的损失。