紅壤旱地濕沉降氮特征及其對馬唐-冬蘿卜

1、紅壤旱地濕沉降氮特征及其對馬唐-冬蘿卜連作系統(tǒng)氮素平衡的貢獻周 靜1，崔 鍵2，王國強3，馬友華2，關(guān) 靜21. 中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所，安徽 合肥 230036；3. 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210095摘要：大氣濕沉降作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的重要來源卻一直沒有得到足夠的重視。文章通過常規(guī)農(nóng)作條件，采用自動降雨收集器結(jié)合田間實驗方法，重點研究了紅壤旱地牧草馬唐（Digitaria ischaemum）和蔬菜冬蘿卜（Raphanus sativus）連作期間大氣濕沉降氮素特征，估算了濕沉降向該生態(tài)系統(tǒng)輸入的氮

2、量，討論了其對該生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡的貢獻。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該研究區(qū)域不同月份大氣濕沉降T-N平均質(zhì)量濃度為3.91 mg·L-1，其中NH4+-N、NO3-N的分別為1.21、0.61 mg·L-1；試驗期間，濕沉降輸入馬唐-冬蘿卜連作系統(tǒng)的T-N為34.34 kg·hm-2，其中冬蘿卜生長期最多，占67.88%，濕沉降T-N對該系統(tǒng)氮素輸入、輸出、盈余的貢獻分別為12.97%、17.65%、48.90%。濕沉降T-N對馬唐生態(tài)系統(tǒng)氮素輸入、輸出、盈余的貢獻分別為6.45%、16.54%、10.57%；對冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)氮素輸入、輸出的貢獻分別為24.86%和18.23%。

3、紅壤旱地普遍具有“酸瘦黏板”的特點，氮素作為一種重要的生命物質(zhì)和作物營養(yǎng)的必需元素，對作物產(chǎn)量和人民生活質(zhì)量的提高具有重要的意義。研究結(jié)果表明，濕沉降對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響不容忽視。關(guān)鍵詞：紅壤旱地；濕沉降；生態(tài)系統(tǒng)中圖分類號：X142 文獻標識碼：A 文章編號：1672-2175（2007）06-1714-05大氣氮濕沉降是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素的一個穩(wěn)定氮源1。大氣濕沉降氮主要是NO3和NH4+，以及少量的可溶性有機氮，其沉降主要與降雨強度、降雨頻率和降雨時間等有關(guān)2, 3。從全球范圍估計，每年大約有(50140)×104 t的氮素通過濕沉降（降水）帶入地球表面4。近10年來，我國大氣濕

4、沉降氮量有很大變幅，平均每年為3.035.0 kg·hm-2 5-7，部分地區(qū)高達94.13 kg·hm-2 8。目前，研究大氣濕沉降對森林、海洋和濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響較為普遍9，10，但對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，特別是生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱南方紅壤旱地生態(tài)系統(tǒng)的研究鮮見研究報道。因此，本文以中國科學院紅壤生態(tài)試驗站（鷹潭）為監(jiān)測點，初步研究了大氣濕沉降輸入紅壤旱地生態(tài)系統(tǒng)的氮量及其對常規(guī)農(nóng)作條件下馬唐和冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)的貢獻。1 材料與方法1.1 試驗地概況試驗地位于江西鷹潭中國科學院紅壤生態(tài)實驗站內(nèi)氣象自動觀測場，其地理位置為東經(jīng)116º55´，北緯28º12

5、´，屬中亞熱帶地區(qū)，氣候溫熱多雨，年平均溫度17.6 ，大于等于10 的積溫是5527.6 ，年降雨量1794.7 mm，年蒸發(fā)量1318 mm，年干燥度小于1。但降水季節(jié)分布不均，46月份降水量占全年的50%，干濕季節(jié)明顯。年無霜期260 d左右，年日照數(shù)1800 h左右，日照時數(shù)百分比約在40%左右，太陽輻射量在4.18×105 J·cm-2左右。附近有規(guī)模不一的養(yǎng)豬場數(shù)個，臨近公路和工業(yè)園區(qū)。1.2 試驗材料供試土壤為第四紀紅黏土發(fā)育的旱地紅壤，耕層土壤有機質(zhì)11.05 g·kg-1，全氮0.54 g·kg-1，堿解氮52.60 mg&#

6、183;kg-1，有效磷44.83 mg·kg-1，速效鉀283.52 mg·kg-1，水提法土壤pH為4.8。供試氮肥為臨泉產(chǎn)的尿素，含N量46.3%。供試作物為牧草馬唐(Digitaria ischaemum)和廣東汕頭培育的南畔洲晚熟冬蘿卜(Raphanus sativus)。1.3 試驗設計單因子差異重復實驗設計。實驗地面積1600 m2，試驗處理小區(qū)面積6 m×6 m，各小區(qū)土壤基本性質(zhì)、耕作措施等相同。馬唐和冬蘿卜的種植均按當?shù)胤N植習慣進行，馬唐于2005年4月16日施N 90 kg·hm-2基肥播種，于5月和7月23日兩次剪割收獲；輪作冬蘿

7、卜于2005年9月6日施N 49 kg·hm-2基肥播種，于10月以水帶肥追施N 21 kg·hm-2氮肥，于2006年1月13日采收。每季試驗均設3次重復。1.4 試驗方法1.4.1 濕沉降的收集與儀器采樣頻度為每月1次（下雨時注意防溢、隨時采記），儀器為APS-2A降雨降塵自動采樣器（天虹湖南分公司）。1.4.2 徑流水收集方法圖1 紅壤旱地馬唐-冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)降雨量動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of rainfall in graze-vegetable ecology各小區(qū)四周用水泥板封閉，水泥板厚6 cm，地下埋深1 m，地上15 cm，與

8、地表平行的處留僅一個直徑為10 cm的孔，用塑料軟管連接到徑流水收集容器內(nèi)（體積為25 L的塑料壺）盛接器。每次降雨，記錄徑流水體積，并取100 ml水樣帶回 實驗室，化驗分析全N、NH4+和NO3-。1.4.3 淋溶水收集方法在各小區(qū)底部收集1 m深處有土壤滲漏水接受裝置。用PVC導管引出的土壤滲漏液，PVC導管與塑料軟管連接，將地下1 m深處的土壤淋溶水收集到密封的容器內(nèi)（體積10 L的塑料壺）。盛接器每次降雨后收集淋溶水，記錄滲漏淋溶水的體積，并取100 mL水樣帶回 試驗室，化驗分析全N、NH4+和NO3-。1.4.4 土壤氨揮發(fā)測定與分析方法采用通氣密閉室法測定。密閉室高50 cm，

9、直徑30 cm，采用透明的有機玻璃材料制作，室底部開放，頂部留一通氣孔(直徑30 mm)與2.5 m高的通氣管連通，將通氣管架到地面2.5 m高處，以便盡可能地減少交換空氣對氨揮發(fā)測定的影響。將敞開端插入旱耕地土壤中，使土面與室頂之間形成一個有限的密閉空間。用抽氣減壓的辦法將密閉室空間內(nèi)空氣中的氨吸入裝有2%硼酸25 mL 2%硼酸的150 mL的三角瓶，使其吸收固定于硼酸溶液中，再用標準酸滴定硼酸中所吸收的NH3，再減去空白處理區(qū)硼酸所吸收的NH3，然后折算為純氮量，即為氨揮發(fā)損失的N。土壤氨揮發(fā)量于尿素施入后當天開始測定，每日測定二次，每次2 h，分別為上午8:3010:30和下午15:0

10、017:00；測定截至到測不出氨揮發(fā)為止。馬唐試驗于2005年4月14日開始測定，截至于2005年4月30日，共測定17 d，34次。1.4.5 吸收液、水樣和植物樣分析方法吸收液或水樣中銨態(tài)氮(NH4+-N)采用靛酚藍比色法（GB 85381995 40.2），硝態(tài)氮(NO3-N)采用紫外比色法（GB 85381995.42），全氮采用堿性過硫酸鉀消化-紫外比色法（GB 1189469），亞硝態(tài)氮（NO2-N）采用鹽酸萊乙二胺比色法；植物樣中氮量采用硫酸-雙氧水消化，蒸餾-滴定法。2 結(jié)果與分析2.1 紅壤旱地降雨量動態(tài)變化本試驗監(jiān)測和收集了2005年4月14日至2006年1月10日鷹潭站馬

11、唐-冬蘿卜輪作生長期內(nèi)的降雨量，其動態(tài)變化如圖1。可以看出，降雨主要集中在46月份，占作物輪作生長期總降雨量的60.1%。其中，馬唐生長期內(nèi)降雨主要集中在46月份，以5月份最高，為425.1 mm，占其整個生長期的51.6%；冬蘿卜生長期降雨偏少，主要集中在1011月份，占其整個生長期的69.0%。2.2 紅壤旱地濕沉降氮素濃度的動態(tài)變化圖2 紅壤旱地馬唐-冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)濕沉降氮素濃度的月動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic changes of N concentration from wet depositionin graze-vegetable ecology2005年4月至2006年

12、1月氣象自動觀測場10個月內(nèi)，紅壤旱地降水中全氮（T-N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）和有機態(tài)氮（ON）的濃度變化如圖2。由圖2可知，濕沉降T-N濃度有兩個波峰，均分布在馬唐和冬蘿卜生長的后期；其中T-N濃度最高峰出現(xiàn)在2005年11月份至2006年1月份，其濃度范圍為8.309.17 mg·L-1。試驗期間，NH4+-N濃度的2個波峰大小基本相同，分別出現(xiàn)在2005年67月和2005年10月2006年1月，其濃度變化分別為1.591.95和1.401.72 mg·L-1。降水中NO3-N的濃度變化不大，主要分布在0.280.62 mg·L-1，

13、但在冬蘿卜生長后期，即2005年11月份至2006年1月份，其濃度有所增加，平均為1.52 mg·L-1。降水中ON濃度的1個波峰出現(xiàn)在冬蘿卜生長后期，其范圍為5.586.30 mg·L-1；但在馬唐生長期內(nèi)，ON濃度穩(wěn)定在00.29 mg·L-1?？梢?，濕沉降各形態(tài)氮素的濃度波峰均出現(xiàn)在冬蘿卜生長后期，即2005年11月至2006年1月。這可能與當?shù)氐墓I(yè)和養(yǎng)豬場分布等有很大關(guān)系。空氣中NH4+-N主要來自土壤、肥料和家畜糞便中氨的揮發(fā)11，同時，氨在空中遷移距離較?。?lt;100 km）12?？諝庵蠳O3-N主要來自石油和生物體的燃燒及雷擊過程13，且遷移距

14、離很大，最遠可達幾千公里14。故當?shù)厥┓实绒r(nóng)業(yè)措施對NH4+-N濃度影響較大，對NO3-N的影響較小。冬季風向的改變，帶來了工業(yè)和公路粉塵等含氮顆粒，改變了空氣中ON的濃度。此外，降雨量的大小及降雨頻率也會影響濕沉降氮素的濃度。關(guān)于風向、工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、降雨量及降雨頻率對大氣氮素濃度的改變，曾有很多報道和研究9,15。本文“2.3.2”也將進一步對此分析討論。2.3 紅壤旱地濕沉降氮量及其影響影響因子分析2.3.1 紅壤旱地濕沉降輸入馬唐-冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)氮量的動態(tài)變化馬唐-冬蘿卜輪作期間，濕沉降T-N為34.34 kg·hm-2，其中冬蘿卜生長期最多，占67.88%。由圖3濕沉降輸入氮

15、量動態(tài)看出，馬唐生長期，濕沉降以NH4+-N為主，占總沉降氮的61.46%85.71%，平均為71.70%；冬蘿卜生長期，濕沉降以ON為主，占總沉降氮的40.97%75.84%，平均為62.22%。整個輪作期間，NH4+-N沉降與T-N的趨勢相近，它們的濕沉降峰值和谷值均出現(xiàn)在相同月份；NO3-N的沉降量比較平穩(wěn)，沉降量為N 0.091.18 kg·hm-2，占總沉降氮量的3.42%38.62%，平均為17.81%；ON的濕沉降在冬蘿卜生長后期，即2005年1012月，沉降量最多，占整個輪作期濕沉降ON的87.23% 。 此外，濕沉降T-N和NH4+-N沉降量均具有明顯的季節(jié)性，冬春

16、較高，夏秋較低；而NO3-N的則不具有明顯的季節(jié)性。這與張龔等15在湖南韶山的研究結(jié)果類似。這中季節(jié)性變化與空氣中T-N、NH4+-N、NO3-N的來氮及氮源分布等1,1314有關(guān)。降水中ON的研究較少，對其研究方法也多采用間接法，據(jù)王小治等1620012002年在太湖地區(qū)研究的結(jié)果，年均沉降ON占濕沉降T-N的17.4%。可見，對濕沉降ON向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的輸入研究應該重視。2.3.2 濕沉降氮影響因子分析濕沉降氮量受多種因子的綜合控制1,9,15。上述各節(jié)討論中，濕沉降氮量可能與大氣溫度、濕度、風速、風向和降雨頻率等氣象因子關(guān)聯(lián)密切，為進一步探討濕沉降氮與這些氣象因子的數(shù)值關(guān)系，以試圖找出影

17、響濕沉降氮的主要氣象因子。本文通過Microsoft Excel和SAS8.0分析軟件分析向紅壤旱地馬唐-冬蘿卜輪作生態(tài)系統(tǒng)輸入濕沉降氮量與這些氣象因子的關(guān)系，其相關(guān)陣分別見表1。輪作試驗中，濕沉降NH4+-N(y1)、NO3-N(y2)、ON(y3 )和T-N(y4)分別與其對應的大氣溫度(x1)、濕度(x2)、風速(x3)、風向(x4)和降雨頻率(x5)組成4對典型變量。SAS 8.0典型變量分析結(jié)果表明，濕沉降氮量的4對典型變量中僅有1對達到5%以上的顯著水平（p<0.05），構(gòu)成這對典型變量的線形組合為：V1=0.0389×x1+0.140×x2-0.0171

18、×x3+1.671×x4-0.170×x5W1=-194.35×y1-195.76×y2-194.45×y3+194.46×y4圖3 大氣濕沉降向紅壤旱地馬唐-冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)輸入氮量的月動態(tài)變化Fig. 3 Monthly dynamic changes of N wet deposition in graze-vegetable ecology 上述函數(shù)中V1代表氣象因子的1個線性組合；W1代表濕沉降氮量的1個線性組合；x1x5分別代表環(huán)境氣象因子中的大氣溫度、濕度、風速、風向和降雨頻率；y1y4分別代表濕沉降NH4+-N

19、、NO3-N、ON和T-N的氮量。表1 大氣濕沉降氮量及其影響因子間的相關(guān)陣Table 1 Correlations among the nitrogen from wet deposition and its factors during the whole trial環(huán)境因素因素濕沉降氮量X1X2X3X4X5NH4+-N(y1)NO3-N(y2)ON(y3 )T-N(y4)大氣溫度X11.0000-0.8925-0.50800.3458-0.44550.0191-0.68800.11570.0159大氣濕度X2-0.89251.00000.2715-0.40460.49150.15810.

20、69250.07150.2411風向X3-0.50800.27151.00000.1101-0.0863-0.24840.3397-0.39030.3687風速X40.3458-0.40460.11011.0000-0.1003-0.5925-0.3431-0.4671-0.6667降雨頻率X5-0.44550.4915-0.0863-0.10031.00000.34430.4064-0.4347-0.2228 Air Temperature; Air Humidity; Wind Direction; Wind Velocity; Rainfall Frequency每對典型變量的線形組合由

21、1個包括所有濕沉降NH4+-N、NO3-N、ON和T-N的氮量（y1y4）的線形組合（V）和1個與其對應的氣象因子（x1x5）的線形組合（W）所組成，線形組合V和W中x1x5和y1y4的系數(shù)絕對值大小決定氣象因子（x1x5）中哪些因子對濕沉降NH4+-N、NO3-N、ON和T-N的氮量（y1y4）中某個或某幾個影響最大。上述函數(shù)關(guān)系可以看出，典型變量組合V1和W1，濕度x2、風向x4和降雨頻率x5是V1中系數(shù)絕對值較大的，y1y4在W1中系數(shù)絕對值相當。說明影響濕沉降量的因子主要為濕度、風向和降雨頻率，其中風向是最主要的，降雨頻率和大氣濕度對濕沉降氮量的影響相當，而氣溫和風速對濕沉降氮量的影響

22、較小。根據(jù)SAS分析結(jié)果，31.89%的氣象因子和13.65%濕沉降氮量有顯著的意義。同時，這也可說明風向、大氣濕度、降雨頻率是濕沉降氮的季節(jié)變化的主因素。當然，風向也與氮源的位置相關(guān)，如工廠位置、農(nóng)業(yè)活動的地點及農(nóng)民生活所產(chǎn)生的氮等。表2 馬唐-冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡特征分析Table 2 Characteristic of nitrogen balance in the graze-vegetable ecology kg·hm-2植物輸入氮量輸出氮量贏余肥料濕沉降灌溉氨揮發(fā)徑流淋溶作物吸收馬唐16011.0305.032.972.8655.82104.35冬蘿卜7023.310

23、.451.1500.82125.92-34.13馬唐-冬蘿卜23034.340.456.182.973.86181.7470.222.4 濕沉降氮對紅壤旱地馬唐-冬蘿卜連作系統(tǒng)氮素輸入和輸出的貢獻馬唐-冬蘿卜輪作期間，農(nóng)田氮素的輸入和輸出量及其平衡特征見表1。輪作期間，通過肥料、濕沉降和灌溉水輸入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素總量為264.79 kg·hm-2；通過氨揮發(fā)、徑流、淋失和作物吸收輸出氮素總量為194.57 kg·hm-2，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)盈余氮素70.22 kg·hm-2。其中，馬唐生態(tài)系統(tǒng)，氮素總輸入和輸出分別為171.03和66.68 kg·hm-2，盈

24、余氮104.35 kg·hm-2；冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)，氮素總輸入和輸出分別為93.76和127.89 kg·hm-2，盈余氮-34.13 kg·hm-2。馬唐-冬蘿卜農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，濕沉降氮素總量為34.34 kg·hm-2，對紅壤旱地馬唐-冬蘿卜輪作生態(tài)系統(tǒng)氮素總輸入和輸出的貢獻分別為12.97%和17.65%，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素盈余的貢獻為48.90%。其中，馬唐生態(tài)系統(tǒng)，濕沉降氮量11.03 kg·hm-2，分別占氮素輸入和輸出的6.45%和16.54%，對該生態(tài)系統(tǒng)氮素盈余的貢獻為10.57%；冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)，氮素盈余-20.4 kg

25、3;hm-2，濕沉降氮量23.31 kg·hm-2，分別占該生態(tài)系統(tǒng)氮素輸入和輸出的24.86%和18.23%?？梢?，濕沉降氮是南方紅壤旱地氮素輸入的一個重要途徑，本試驗中，濕沉降對馬唐-冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)氮素輸入的貢獻為12.97%，其中，對冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)氮素輸入的貢獻高達24.86%。另據(jù)報道的大氣氮干沉降通量是濕沉降的2倍9，也可估算大氣干濕沉降對紅壤旱地馬唐-冬蘿卜生態(tài)系統(tǒng)氮素輸入的貢獻將達到38.91%。因此，研究大氣干濕沉降氮的動態(tài)變化規(guī)律，評價其對紅壤旱地生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡的貢獻等具有重大的指導意義和應用價值。3 結(jié)論（1）試驗期間，降雨主要集中在46月份，占作物輪作生長期總

26、降雨量的60.1%。濕沉降T-N和NH4+-N的濃度均有兩個波峰，均分布在馬唐和冬蘿卜生長的后期；不同月份大氣濕沉降T-N平均濃度為3.91 mg·L-1，其中NH4+-N、NO3-N的分別為1.21、0.61 mg·L-1。（2）試驗期間，濕沉降T-N為34.34 kg·hm-2，其中冬蘿卜生長期最多，占67.88%。濕沉降T-N對該系統(tǒng)氮素輸入、輸出、盈余的貢獻分別為12.97%、17.65%、48.90%。（3）濕沉降T-N和NH4+-N沉降量均具有明顯的季節(jié)性，冬春較高，夏秋較低；而NO3-N的則不具有明顯的季節(jié)性。影響濕沉降量的因子主要為濕度、風向和降雨

27、頻率，其中風向是最主要的，降雨頻率和大氣濕度對濕沉降氮量的影響相當，而氣溫和風速對濕沉降氮量的影響較小。致謝：特別感謝中國科學院南京土壤研究所胡正義研究員及博士生孫本華、樊建凌對本課題研究付出的勞動和支持！參考資料：1 蘇成國, 尹斌, 朱兆良, 等. 稻田氮肥的氨揮發(fā)損失與稻季大氣氮的濕沉降J. 應用生態(tài)學報, 2003, 114(11): 1884-1888. SU Chengguo, YIN Bin, ZHU Zhaoliang, et al. Ammonia volatilization loss of nitrogen fertilizer from rice field and w

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39、6-1620.Characteristic of nitrogen wet deposition and its contribution to nitrogenbalance of the graze-vegetable rotation ecosystem in upland red soilZHOU Jing1, CUI Jian2, WANG Guoqiang3, MA Youhua2, GUAN Jing21. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. Insti

40、tute of Resource, Environment and Information Technology, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China;3. College of Resources and Environment Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, ChinaAbstract: Atmospheric wet deposition plays an important role in origin of nutrition, nor can its function be neglected in farmland ecosystem. The characteristic of wet deposition was studied, the nitrogen input by wet deposition was reckoned and the contribution of the nitrogen input to nitrogen bala