施肥对菜地土壤、蔬菜、径流中δ¹⁵N组成的影响

张丽君 胡燕芳 王京文 章明奎

摘要：为了解施肥对蔬菜地土壤、蔬菜和地表水体中δ15N丰度的影响，选择2012至2018内施用不同肥料的28块蔬菜地（包括13块施用化肥蔬菜地、8块施用畜禽粪蔬菜地和7块施用商品有机肥加化肥蔬菜地），采样分析表层土壤、蔬菜地上部分和地下部分及地表径流样的δ15N丰度。结果表明：施肥种类对土壤、蔬菜和地表径流中δ15N丰度均可产生显著影响，其丰度值由高至低依次为：畜禽肥>商品有机肥加化肥>化肥。蔬菜和地表水与土壤之间的δ15N丰度存在正相关。分析认为，蔬菜产品中氮同位素组成可以作为鉴定有机蔬菜的辅助依据，地表水体中δ15N丰度可作为水体中氮素污染源的指标。

关键词：蔬菜地；δ15N丰度；有机蔬菜；有机肥；化肥；污染源识别

中图分类号：S158文献标志码：A论文编号：cjas20190900203

Effects of Fertilization on the Composition ofδ15N in Soil， Vegetables and Runoff of Vegetable Field

Zhang Lijun1， Hu Yanfang2， Wang Jingwen3， Zhang Mingkui4

（1Pingyang County Agricultural and Rural Bureau， Pingyang 325400， Zhejiang， China； 2Kecheng District Soil-fertilizer and Rural Energy Technology Extension Station of Quzhou City， Quzhou 324000， Zhejiang， China； 3Hangzhou Plant Protection and Soil-fertilizer Station， Hangzhou 310020， Zhejiang， China； 4College of Environmental and Resource Sciences， Zhejiang University， Hangzhou 310058， Zhejiang， China）

Abstract： To understand the effect of fertilization on the abundance ofδ15N in soil， vegetables and surface water， 28 plots of vegetable field applied with different fertilizers during 2012 to 2018， including 13 plots with chemical fertilizer， 8 plots with livestock manure and 7 plots with commercial organic fertilizer and chemical fertilizer， were selected. The surface soil， both aboveground and groundwater parts of vegetables， and surface runoff samples in the fields were collected and their abundance ofδ15N was measured. The results showed that fertilizer types had significant effects on the abundance ofδ15N in soil， vegetables and surface runoff， and the abundance decreased in the order of livestock and poultry fertilizer > commercial organic fertilizer + chemical fertilizer > chemical fertilizer. There was a positive correlation between the abundance ofδ15N in vegetables and surface water and soil. It is concluded that the nitrogen isotope composition of vegetable products could be used as an auxiliary basis for the identification of organic vegetables， and the abundance ofδ15N in surface water could be used as an indicator of nitrogen pollution sources in water body.

Keywords： Vegetable Field；δ15N Abundance； Organic Vegetables； Organic Fertilizer； Chemical Fertilizer； Pollution Source Identification

0引言

氮是植物生长重要的必需元素，植物需要的氮素主要来源于土壤和肥料，因此，土壤中氮素的水平、形态及肥料施用的种类及施肥量对植物氮素组成有很大的影响[1-3]。自然界中氮素有多种同位素，而不同同位素氮的性状有所差异，因此自然界中氮素同位素的分布是不均勻的，植物对不同同位素氮的吸收能力有所差异[4-8]。15N是自然界重要的同位素氮，20世纪70年代以来，有研究者发现农田作物中δ15N值（δ15N自然丰度）会因肥料来源不同而产生差异[9-15]。一般来说，化肥氮具有稳定的N同位素值，其δ15N接近于空气中的δ15N=0，在-2‰～2‰之间[11，16]。而在有机体中发生的生化反应或者物理化学反应可增加氮分馏效应，动物粪便、堆肥、植物秸秆等δ15N偏正，其中动物粪便δ15N在10‰～20‰之间[17-21]，土壤有机氮源δ15N为4‰～9‰。因此，有研究认为通过测定土壤和作物中δ15N可跟踪农田施用的肥料种类[22-23]，据此，有人认为有机农产品的δ15N应高于一般农产品[16，21]。

笔者在浙江省选择代表性蔬菜基地28个，采集表土样和对应的蔬菜样品及雨季径流样，探讨化肥与有机肥蔬菜基地土壤与蔬菜中δ15N丰度的差异，分析不同施肥对地表水体中氮素同位素的影响，以期验证浙江省不同蔬菜基地因肥料施用的差异是否会导致土壤、农产品及地表径流中δ15N的差异。

1材料与方法

1.1试验材料

于2018年在浙江省选择代表性蔬菜基地28个，采集表土样（0～15 cm）和对应的蔬菜样品及雨季地表径流样。根据采样蔬菜基地采样前7年（2012至2018年）内施肥特点，可把采样区分为3类：一类是长期施用化肥的蔬菜基地（基本上不施用有机肥，年化肥施用量在510～840 kg/hm2之间），共13个样地（采自杭州、温州、衢州、绍兴等地）；第二类为同时施用商品有机肥和化肥的蔬菜地（年化肥施用量在185～460 kg/hm2之间；年商品有机肥用量1.0～2.5 t/hm2之间），共7个样地（采自杭州、温州、衢州、绍兴等地）；第3类为长期施用畜禽粪的蔬菜地（年畜禽粪用量2.3～4.5 t/hm2之间），共8个样地（采自杭州、温州、衢州、绍兴等地）。表土样由采样田块内6个点位样混合而成；蔬菜样由土样采集点对应的6株蔬菜混合而成，蔬菜种类包括：白菜、芹菜、萝卜、波菜。雨季地表径流样从采样田块的排水沟中采集。

1.2分析方法

采集的土样风干后，过筛、备用。蔬菜样带回实验室105℃杀青后，55℃烘干，并用微型粉碎机及球磨机将植物样品粉碎保存待測。全N和全C采用元素分析仪测定。稳定同位素δ15N采用同位素质谱仪（Delta Plus XP）进行测定，精度为0.15‰。

δ15N丰度表示如式（1）所示。

δ15N样品=[（R样品/R标准）-1]×1000‰………………（1）式中，R样品为样品中15N与14N的比值；R标准为标准物质（空气氮库）中15N与14N的比值（15N/14N=0.00368）。

1.3统计分析

所有数据采用Microsoft Excel 2003处理，统计分析采用SPSS 12.0软件完成。不同处理之间变量的显著性检验采用最小显著差异法（LSD）。

2结果与分析

2.1不同蔬菜基地土壤中δ15N特征

由表1可知，因施肥的不同，土壤中δ15N特征也发生了较大的变化。长期施用化肥的土壤δ15N值明显低于长期施用有机肥的土壤，两者之间δ15N的平均值存在显著差异，前者δ15N值多数在6.8‰以下，而后者的δ15N值基本上在6.8‰以上；而有机肥料与化肥配合施用的土壤δ15N值介于长期施用化肥的土壤与长期施用有机肥的土壤之间。这一结果表明，有机肥长期施用可增加土壤的δ15N值。

2.2不同蔬菜基地蔬菜中δ15N特征

蔬菜中的δ15N值高于相应的土壤（见表1），且蔬菜不同部位组织样品的δ15N值也有差异，地上部分（叶）高于地下部分（根）。其中，根部δ15N值高出土壤0～3.19‰，叶中δ15N值高出土壤0.27‰～4.99‰，平均分别高出1.26‰和2.78‰。由表1可知，不同施肥情况下蔬菜中δ15N值也有与土壤类似的变化，施用有机肥料和有机无机配合施用的蔬菜明显高于施用化肥的蔬菜，而施用有机肥料也明显高于施用有机无机配合施用的蔬菜。

2.3不同蔬菜基地地表径流中δ15N特征

施化肥的蔬菜基地与施用有机肥的蔬菜基地地表径流中δ15N值差异非常明显（见表1），这种差异远高于在土壤和蔬菜中的差异。其原因是：施化肥情况下径流中的δ15N值远低于相应的土壤和蔬菜，而施有机肥的径流中δ15N值又高于相应的土壤和蔬菜。据计算，在施用化肥情况下，径流中δ15N值分别比土壤、蔬菜地上部分和蔬菜地下部分分别降低-0.47‰～7.41‰、1.60‰～11.10‰和1.56‰～10.43‰，平均分别为3.72‰、6.71‰和5.64‰；在施用有机肥情况下，径流中δ15N值分别比土壤、蔬菜地上部分和蔬菜地下部分分别高出-0.33‰～12.67‰、-4.07‰～8.11‰和-1.71‰～ 9.91‰，平均分别高出4.48‰、0.54‰和2.90‰。

2.4土壤与蔬菜、地表径流间δ15N值的关系

表2的结果表明，土壤与蔬菜、地表径流间δ15N值存在显著的相关。这一结果进一步表明，有机肥的长期施用增加了土壤中有机肥来源的氮素，当有机氮转化为无机氮后，将有更多比例的有机肥来源的氮素被植物吸收利用，从而增加了蔬菜中δ15N值，因此，蔬菜与土壤δ15N值之间显示出显著的相关性。

3结论

研究证实施肥种类对土壤、蔬菜和地表径流中δ15N均可产生显著影响，其丰度值由高至低依次为畜禽肥>商品有机肥加化肥>化肥。蔬菜、地表水与土壤之间的δ15N丰度存在正相关。认为蔬菜产品中氮位同位素组成可以作为鉴定有机蔬菜的辅助依据；地表水体中氮同位素组成可作为水体中氮素污染源的指标。该研究结果对研究其他蔬菜的氮肥种类的追溯分析同样具有借鉴意义。

4讨论

氮的同位素可以用来示踪生态系统氮的循环，在自然界中，各种物理、化学和生物化学等因素都会引起同位素自然丰度的变异，这种现象被称为同位素分馏作用，其结果是不同环境物质中同位素组成比例会有显著的不同。据报道，有机肥和化肥之间氮同位素组成差异很大，这与15N比14N质量大、容易在某些自然体中富集有关。一般来说，在生物链中级别越高的生物越容易富集15N，因此在农作物中15N更易比14N富集。相反，由于化学合成氮肥主要来源于空气，因此化学法氮肥中15N的含量与大气中的含量相当。而制作有机肥的有机物料最终来源于动植物体。因此应用于农地的有机肥料中15N丰度明显要高于化学法氮肥。而因有机肥与化肥之间N同位素组成的差异，当它们施入土壤后势必会影响土壤中N同位素的组成。当作物吸收土壤N时，有2个方面的原因影响作物（本文中的蔬菜）中同位素组成的差异，一是因施肥不同导致土壤N同位素组成差异引起的差异；二是作物对不同N同位素吸收迁移的差异。

有机农业是遵照一定的有机农业生产标准进行农业生产，其不使用化学肥料，有机物料是其养分氮的主要来源。因此有机产品与常规产品具有不同的氮稳定同位素组成[21]，常用千分差δ值来表示稳定同位素比值。本研究的结果表明，有机蔬菜的δ15N值高于常规蔬菜，这种现象也已被许多研究所证实[16～20]。早在20世纪70年以来，许多科学家通过稳定同位素来研究植物、土壤和肥料的关系，认为氮同位素组成是个追踪田间氮源的很好方法。有关研究都表明，不同施肥的生产系统中蔬菜的氮同位素组成差异显著，其中有机产品的15N富集明显。结合本研究的结果，可以认为，同位素分析可很好地区分有机蔬菜和常规蔬菜。同样因地表径流中氮素同位素与土壤之间相关，与施肥存在关联，可以认为地表水体中氮同位素组成可作为水体中氮素污染源的指标。

参考文献

[1]许晓丽.长期施肥对雷竹林和水稻田土壤磷形态及13C和15N自然丰度的影响[D].杭州：浙江农林大学，2018：1-58.

[2]沙建川，葛顺峰，陈建明，等.袋控肥对苹果土壤Nmin及15N-氮素吸收利用和损失的影响[J].水土保持学报，2017，31（2）：267-271.

[3]王前登，何雪菲，丁邦新，等.基于15N示踪的库尔勒香梨园土壤无机氮残留分布特征[J].经济林研究，2019，37（1）：181-186.

[4]文哲.15N同位素稀释技术和示踪技术在森林土壤N素研究中的应用[J].南方农业，2016，10（30）：102-103，109.

[5]杨梦凡.天津不同盐渍化程度土壤有机碳、总氮含量及其δ13C、δ15N的分布研究[D].天津：天津师范大学，2016：1-47.

[6]曹亚澄，钟明，龚华，等.N2O产生法测定土壤无机态氮15N丰度[J].土壤学报，2013，50（1）：113-119.

[7]诸葛玉平，苏志慧，张彤，等.北京郊区有机蔬菜土壤养分平衡及δ15N特征分析[J].农业环境科学学报，2011，30（11）：2313-2318.

[8]刘沧棽，彭宗仁.分析植体氮同位素组成鉴别有机蔬菜之初步评估[J].台湾农业研究，2009，58（3）：169-175.

[9]Flores P， Fenoll J， Hellín P. The Feasibility of Usingδ15N andδ13C values for discriminating between conventionally and organically fertilized pepper （Capsicum annuum L.）[J].Agricultural and Food Chemistry，2007，55（14）：5740-5745.

[10]Rossmann A， Haberhauer G， H？lzl S， et al. The potential of multielement stable isotope analysis for regional origin assignment of butter[J].European Food Research Technology，2000，211（1）：32-40.

[11]Schmidt O， Quilter J M， Bahar B， et al. Inferring the origin and dietary history of beef from C， N and S stable isotope ratio analysis[J].Food Chemistry，2005，91（3）：545-549.

[12]Boner M， F？rstel H. Stable isotope variation as a tool to trace the authenticity of beef[J].Analytical and Bioanalytical Chemistry，2004， 378（2）：301-310.

[13]Camin F， Wietzerbin K， Blanch Cordes A， et al. Application of multielement stable isotope ratio analysis to the characterization of French， Italian， and Spanish cheeses [J].Agricultural and Food Chemistry，2004，52（21）：6592-6601.

[14]Choi W J， Lee S M， Ro H M， et al. Natural15N abundances of maize and soil amended with urea and composted pig manure[J].Plant and Soil，2002，245（2）：223-232.

[15]Lim S S， Choi W J， Kwak J H， et al. Nitrogen and carbon isotope responsesofChinesecabbageandchrysanthemumtothe application of liquid pig manure [J].Plant and Soil，2007，295（1）：67-77.

[16]諸葛玉平，苏志慧，张彤，等.北京郊区有机蔬菜土壤养分平衡及δ15N特征分析[J].农业环境科学学报，2011，30（11）：2313-2318

[17]del Amor F M， Navarro J， Aparicio P M. Isotopic Discrimination as a tool f or organic farming certification in sweet pepper[J].Journal of Environmental Quality，2008，37（1）：182-185.

[18]Kendall C， Silva S R， Kelly V J. Carbon and nitrogen isotopic compositions of particulate organic matter in four large river systems across the United States [J].Hydrological Processes，2001，15（7）：1301-1346.

[19]Rogers K M. Nitrogen isotopes as a screening tool to determine the growing regimen of some organic and nonorganic supermarket produce from New Zealand[J].Agricultural and Food Chemistry， 2008，56（11）：4078-4083.

[20]Choi W J， Ro H M， Lee S M. Natural15N abundances of inorganic nitrogen in soil treated with fertilizer and compost under changing soil moisture regimes[J].Soil Biology & Biochemistry，2003，35（10）： 1289-1298.

[21]袁玉偉，张志恒，等，稳定同位素的印记规律与有机食品鉴别[J].核农学报，2009，23（4）：659-663659.

[22]Kreitler C W. Nitrogen- isotope ratio studies of soils and groundwater nitrate from alluvial fan aquifers in Texas[J].Journal of Hydrologyl，1979，42（1）：147-170.

[23]Girard P， Hillaire- Marcel C. Determining the source of nitrate pollutionintheNigerdiscontinuousaquifersusingthe natural15N/14N ratios[J].Journal of Hydrologyl，1997，199（3）：239-251.

[24]Gormly J R， Spalding R F. Sources and concentrations of nitratenitrogen in ground water of the Central Platte Region， Nebraska[J]. Ground Water，1979，17（3）：291-301.