不同施氮量下雙季稻連作體系土壤氨揮發損失研究

王 淳，周 衛，李祖章，劉秀梅，孫 剛，夏文建，，王秀斌，劉光榮*

(1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業部植物營養與養分循環重點開放實驗室，北京100081;2江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，南昌330200)

氨揮發是水稻田(無論其土壤pH的高低)氮素損失的重要途徑，其損失量可高達施氮量的40% ～50%［1］，因此不合理的施氮量會帶來大量的資源浪費，增加農業投入成本。氨揮發不僅是水稻田土壤氮素氣態損失的一種機制，也是引起地表氮素富集的一條途徑。土壤中揮發的氣態氨與大氣中的酸性漂浮物質以及云水滴中的 H2SO4結合，生成(NH4)2SO4經由干濕沉降又重新進入陸地生態系統，進而導致土壤和水體中的氮素積累形成水體富營養化和土壤酸化［2］;同時積累在大氣中的氨還會被氧化成NO和N2O等氣體，引起空氣質量惡化以及溫室效應［3］。所以從資源利用率和環境保護方面，科學合理控制水稻田氨揮發具有重要意義。

土壤氨揮發極易受氣候、土壤、作物自身生理狀況等自然因素和施肥措施、灌溉等人為因素的影響，在確定這些因素對土壤中NH3揮發作用的影響方面前人已經做了大量工作。朱兆良等［4］研究結果表明，受土壤、田面水的pH和溫度的交互影響，北方石灰性潮土的單季稻田和南方非石灰性水稻土上的雙季晚稻田中氨揮發損失嚴重，而南方非石灰性水稻土上的單季稻田中則較低;在稻麥輪作體系下的氨揮發研究也多表現水稻季氨揮發量要大于小麥季［5－6］;另有研究證實雙季稻田土壤氨揮發速率短期內與田面水NH4+－N的動態變化相一致，并有很好的正相關性［7－8］;研究表明，氨揮發損失量表面撒施要大于以水帶氮/無水層混施［5］、深施［9］，黏土因其對NH4+的吸附固定作用而使得氨揮發量要低于砂土條件［10］，而施用碳酸氫銨的大于施尿素［11］，有機肥或有機無機化肥配施［1］、工施用控釋肥［12］或者各種抑制劑、采取節水灌溉［13］等可以減少氨揮發損失。迄今，有關不同施氮量對土壤氨揮發損失的影響在華北小麥－玉米輪作體系以及太湖地區稻麥輪作體系已經有了大量研究，而有關長江中下游地區主要的種植模式之一的雙季稻連作體系還缺乏相關較為系統詳盡的研究;基于此，本文研究了長江中下游典型的雙季稻連作種植區(江西)在不同施氮量下土壤氨揮發特征，旨在明確該地區及雙季稻連作種植體系下施氮量與土壤氨揮發損失量的關系，并可以為雙季稻田優化施氮技術、提高氮肥利用率以及減少氮素損失對環境的影響提供理論依據和技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設置在江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所南昌試驗基地(23°21'14″N，115°54'25″E)，該區屬于亞熱帶濕潤氣候，海拔高度20 m，平均氣溫17.8℃，≧10℃積溫5432.2℃，無霜期長達240～307d，年降水量1662 mm，降水季節分配不均，全年降水50%以上集中在4～7月。供試土壤為第四紀紅粘土發育的潮砂泥田土壤，土壤質地為壤土。主要種植模式為早稻—晚稻即雙季稻連作模式。播前0—20 cm土壤有機質含量26.25 g/kg，全氮1.50 g/kg，硝態氮和銨態氮含量分別為5.78 mg/kg和 14.13 mg/kg，有效磷 12.56 mg/kg，速效鉀124.83 mg/kg，pH 5.24，土壤容重為 1.07 g/cm3。

1.2 試驗設計

1.2.1 早稻田間試驗 試驗設置6個處理，施氮量分別為 N 0、60、120、180、240、300 kg/hm2，以N0、N60、N120、N180、N240、N300表示;各小區磷、鉀肥用量相同，為 P2O590 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，磷肥全部做基肥，氮肥與鉀肥均以5∶2∶3的比例分別做基肥、分蘗期和孕穗肥。氮、磷、鉀肥分別用尿素(含N 46.4%)、鈣鎂磷肥(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。小區面積5 m×6 m=30m2，3次重復，隨機區組排列。基肥為撒施后混入土壤，追肥為薄水表面撒施。各小區田埂用地膜覆蓋以防串水串肥，單灌單排。田間管理如農藥、除草劑等的應用與當地農民常規管理措施一致。2010年早稻4月1日播種，5月9日施基肥，混入土壤后，移栽拋秧，品種為春光1號，基本苗30×104株/hm2，氮、鉀肥追肥時間為2010年5月23日傍晚(分蘗肥)和6月11日傍晚(孕穗肥)，7月19日收獲。

1.2.2 晚稻田間試驗 早稻收割以后，各小區單獨翻地，繼續種植晚稻，施肥方式同早稻。種植品種為贛晚秈37號。2010年7月26日下午施基肥，接著插秧，密度20 cm×20 cm，每穴兩粒谷苗，秧苗氮、鉀肥追肥時間分別為2010年8月6日傍晚(分蘗肥)，9月6日傍晚(孕穗肥)，11月2日收獲。

1.3 氨氣的捕獲方法

本實驗在田間原位采用密閉室間歇通氣法［14］采集氨氣，密閉室為由透明有機玻璃制成的底部開放的圓柱體，內徑20 cm，高30 cm，室頂端有兩個通氣孔，一個為直徑30 mm的通氣孔，與離地面高2.50 m(以減少田面空氣中NH3帶來測定的影響)的PVC通氣管相連;另一個通氣孔(直徑12 mm)與裝有硼酸吸收液(80 mL，H3BO320 g/L)的氣體洗瓶相連(圖1)，裝置各連接口處用密封膠密封，并置于水中檢驗氣密性。方法原理是利用真空泵抽氣減壓，使密閉室所覆蓋土壤揮發的氨氣隨空氣流動通過末端洗瓶被硼酸吸收固定，吸收液用標準酸(0.005 mol/L H2SO4)滴定并計算所吸收的氨量。換氣速率為16 ～20 次/min［9］。

土壤氨揮發于尿素施入后第2、3、4、5、6、8、11、16 d測定，直至各處理與對照無明顯差異為止。每天8:00～10:00和14:00～16:00共抽氣4 h，作為當天氨揮發的平均值。每次抽氣時同時記錄田間氣溫和5 cm地溫。

圖1 田間小區氨揮發收集裝置示意圖Fig.1 Sketch of NH3absorption equipment in the field plots

1.4 測定方法及計算

采用0.005 mol/L H2SO4滴定硼酸中所吸收的氨;土壤NH4+－N、NO3－－N用2 mol/L KCL浸提，采用SmartChemTM200 discrete chemistry analyzer(West-Co Scientific Instruments，Brookfield，CT，USA)進行分析測定;土壤pH采用1∶1的土水比，電位計法測定;土壤有機質、速效磷、速效鉀采用常規方法測定。

土壤氨揮發速率和土壤氨揮發累計損失量的計算公式如下:

式中:V為土壤氨揮發速率［NH3－N kg/(hm2·d)］;m為施肥處理吸收液中NH3－N的平均含量(g);m0為空白吸收液中NH3－N的平均含量(g);S為密閉室面積(m2);6×10為換算系數。

式中:F為土壤氨揮發累計損失量(NH3－N kg/hm2);n表示施肥后測定的次數，Ti即第i次測定施肥后的第Ti天(d);Vi為第i次測定時氨揮發速率［N kg/(hm2·d)］。

采用Excel 2003和SAS 8.01軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 早稻土壤氨揮發

2.1.1 早稻土壤氨揮發速率的動態變化 從整個早稻生育期來看(圖2)，在施肥后各處理的氨揮發動態變化趨勢基本一致，峰值主要出現在第3～5 d，之后逐日下降，15 d內基本損失殆盡。從各個處理來看，氨揮發速率及持續時間表現為隨著施氮量的增加而增加，且氨揮發速率峰值均為基肥期＞分蘗期＞孕穗期。

圖2 早稻土壤氨揮發損失速率Fig.2 NH3－N volatilization rate by soil during the early rice season

基肥時期，N300處理在第3和4 d的氨揮發速率均較高，分別為 N 22.82、23.87 kg/(hm2·d)，第4 d并沒有因為降水和溫度下降的影響而減緩揮發速率，而其他處理均在第3 d達到峰值，N0、N60、N120、N180、N240處理氨揮發速率分別為N 0.2、4.82、11.86、18.24、22.13 kg/(hm2·d)，之后隨著強降水及溫度驟降，其揮發速率明顯下降，第8 d氣溫及地溫回升，氨揮發又出現一個較為平緩的排放曲線。本時期，氣溫及地溫相對較低(圖3)，但隨著春暖回溫進入梅雨季節，雨量較多，在15 d內平均氣溫及5 cm平均地溫分別為21.87、21.69℃，總降水量達到256.7 mm。

早稻分蘗期氣溫逐漸上升，但由于降水影響，溫度變化幅度較大，最高平均溫度比最低平均溫度相差近7℃，平均氣溫和5 cm平均地溫分別為23.95、23.90℃，本時期降水量相對較少，總量只有63.5mm(圖3)。各處理土壤氨揮發速率在施肥后第3 d達到第一個峰值，N0、N60、N120、N180、N240處理氨揮發速率分別為N 0.07、0.58、1.29、1.85、4.80、8.72 kg/(hm2·d)，第4 d由于降水溫度下降，氨揮發速率明顯降低，第5 d白天晴天溫度上升，氨揮發速率出現第2個峰值，各處理分別為N 0.11、0.74、1.17、1.81、5.62、7.21 kg/(hm2·d)，第6 d又突降大雨，溫度驟降，但此后的氨揮發速率逐漸下降，大約持續16 d左右，各施肥處理間基本無差異。

圖3 早稻試驗期間氣溫、5 cm地溫及降水量Fig.3 Air temperature，soil temperature in 5 cm depth and precipitation during the early rice experiment period

孕穗期雖然平均氣溫和地溫已經有所上升，平均氣溫及5 cm平均地溫分別為25.05、25.09℃，但是此期間又迎來大量降水，對氨揮發產生很大影響。本時期較之前面兩個時期氨揮發速率明顯降低。各處理氨揮發速率在第3 d達到最大，其峰值僅為N 0.11(N0)、0.36(N60)、0.76(N120)、1.87(N180)、 1.57 (N240)、 3.88 (N300)kg/(hm2·d)。之后逐漸下降，到第11d，氨揮發速率趨于零，各處理間無顯著差異。

2.1.2 早稻土壤氨揮發累計損失量與損失率及與施氮量的擬合關系 從表1可以看出，各處理在不同施肥時期氨揮發累計損失的動態趨勢基本一致，各施肥期損失量和總損失量均隨著施氮量的增加而遞增，并呈顯著線性關系;各處理在早稻季氨揮發損失總量存在顯著性差異;基肥、分蘗肥和孕穗肥三個時期的平均損失率(氨揮發損失量占總施氮量的百分比)分別為24.9%、12.1%及2.5%;整個早稻季氨揮發損失總量占施氮量的百分比經回歸分析也表現極顯著的線性關系。總的來看，在雙季稻田生產系統中，早稻季氨揮發損失量一般占施氮量的29.3%～52.3%;從水稻生長的不同施肥時期來看，本次晚稻試驗的基肥、分蘗肥和孕穗肥氨揮發平均損失比例(各處理氨揮發損失占總損失量的百分比的均值)分別為60.81%、29.67%和9.52%。

2.2 晚稻土壤氨揮發

2.2.1 晚稻土壤氨揮發速率的動態變化 整個晚稻生育期(圖4)，施肥后各處理的氨揮發動態趨勢基本一致，峰值主要出現在第3 d，之后逐日下降，基肥時期持續最長，達到11 d左右，分蘗期和孕穗期施肥后8 d以內，氨揮發基本結束。整個晚稻生育期的氣溫和地溫較高(圖5)，而且降水量較早稻季節明顯減少，對溫度帶來的波動性也比早稻小，雖然偶有強降雨出現，但對氨揮發強烈的時段里沒有造成很大的影響。從各個處理來看，氨揮發速率及持續時間表現為隨著施氮量的增加而增加，且氨揮發速率峰值表現為基肥期＞孕穗期＞分蘗期。

表1 早稻各生育期施肥后的氨揮發累積損失量與損失率及其與施氮量的擬合方程Table 1 Cumulative amount of NH3－N volatilization loss and loss rate after the fertilization and the relation of fitting between N application rate and NH3－N volatilization rate，loss during the early rice season

圖4 晚稻土壤氨揮發損失速率Fig.4 NH3－N volatilization rate by soil during the late rice period

施用基肥后第2d氨揮發速率相對較高(圖4)，在第3d達到峰值，各處理氨揮發速率為N 0(N0)、3.40(N60)、7.00(N120)、10.63(N180)、16.17(N240)、18.15(N300)kg/(hm2·d)之后逐漸降低，持續到第11d后各施肥處理無顯著差異。基肥期間的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和5 cm平均地溫分別為 32.47、37.88、28.59和30.40℃(圖5)，總降水量為180.0 mm，其中第11 d降水量達到139.0 mm，但此時土壤氨揮發速率已經很低，故影響也相對較小。

圖5 晚稻試驗期間氣溫、5 cm地溫及降水量Fig.5 Air temperature，soil temperature in 5 cm depth and precipitation during the late rice experiment season

晚稻分蘗肥與基肥間隔較短，在施用基肥后第12 d開始施用分蘗肥。由于分蘗肥的施肥比例占總施氮量的20%，所以土壤氨揮發的速率也較之另兩個時期有所下降。本時期各施肥處理土壤氨揮發速率的峰值出現在第3 d(圖4)，分別為N 0(N0)、1.43(N60)、4.52(N120)、7.73(N180)、9.39(N240)、12.66(N300)kg/(hm2·d)，之后逐漸降低，到第8d時，各處理間無明顯差異。施肥后的前9 d溫度變化趨勢比較平穩(圖5)，平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和5 cm平均地溫分別為32.35、36.70、28.86及30.49℃;之后幾天，溫度波動較大，主要是在第10、14、15 d出現強降雨，總量達到238.0 mm，但對土壤氨揮發速率沒有產生很大影響。

晚稻孕穗期進入九月份，氣溫開始下降，16 d內平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和5 cm平均地溫分別為29.12、33.38、25.95、28.09℃ (圖5);雨天也極少，只在第8 d有9.0 mm的降水。孕穗肥氮肥施用占總施氮量的30%，故較之分蘗期土壤氨揮發速率也提高不少。各施肥處理均在第3d達到最高 (圖5)，峰值分別為N 0.03(N0)、2.28(N60)、5.18(N120)、9.38(N180)、13.89(N240)、18.33(N300)kg/(hm2·d)。之后氨揮發速率迅速降低，第8 d后各處理未達顯著差異水平。

2.2.2 晚稻土壤氨揮發累計損失量與損失率及與施氮量的擬合關系 從表2中可以看出，各處理在不同施肥時期氨揮發累計損失動態變化趨勢基本一致，各施肥期損失量和總損失量均隨著施氮量的增加而遞增，并呈顯著線性關系;各處理在晚稻季氨揮發損失總量存在顯著性差異;基肥、分蘗肥和孕穗肥三個時期的平均損失率(氨揮發損失量占總施氮量的百分比)分別為19.7%、10.8%及10.1%;整個晚稻季氨揮發損失總量占施氮量的百分比經回歸分析也表現極顯著的線性關系。總的來看，在雙季稻田生產系統中，晚稻季氨揮發損失量一般占施氮量的35.8% ～46.8%;從水稻生長的不同施肥時期來看，本次晚稻試驗基肥、分蘗肥和孕穗肥氨揮發平均損失比例(各處理氨揮發損失占總損失量的百分比的均值)分別為48.31%、27.13%和24.56%，可見氨揮發損失在移栽后的兩周內所損失的氮素約占整個水稻生長周期的50%，因此在本時期，對減少氮素損失，提高氮素利用率仍存在著較大空間。

2.3 雙季稻連作周期土壤氨揮發損失特征及與子粒產量的關系

整個雙季稻連作周期(表3)，不同施氮量處理土壤氨揮發損失總量在NH3－N 5.93～303.4 kg/hm2，肥料氮氨揮發損失率在32.5% ～49.6%之間。對雙季稻連作周期下氨揮發損失總量、損失率與施氮量擬合關系，得出:Y(氨揮發損失總量N，kg/hm2)=0.5356X －38.318，R2=0.9845(P ＜0.01);y(氨揮發損失率，%)=0.0357X+27.209，R2=0.9825(P＜0.01)，由此可見，雙季稻連作體系中土壤氨揮發損失量、損失率均隨著施氮量的增加而呈顯著的正向線性關系。

在作物產量上，與不施氮處理相比，早稻各施氮處理分別增產26.39%(N60)、52.16%(N120)、54.78% (N180)、 52.41% (N240)、 47.95%(N300);晚稻分別增產9.599%(N60)、15.18%(N120)、 21.57% (N180)、 18.72% (N240)、19.54%(N300)。可見，作物產量并非隨著施氮量的增加而增加，反而達到一定最高值后有持平或下降趨勢;另由表1我們已經得出施氮量與早稻氨揮發損失總量呈顯著的正向線性關系，即施氮量越高氨揮發越高(如圖6)。因此當產量達到最大，此時對應的氨揮發損失量并非最大，即滿足較高經濟效益的最佳施氮量也可以認為其有較好的環境效益。利用線性加平臺模型［15］擬合氨揮發損失量與作物產量的關系，早稻季為 y=25.316x+4136.8(x＜105)，y=6795(x＞105)，R2=0.9896，即早稻最佳產量施氮量為N 105 kg/hm2，作物產量可以達到6795 kg/hm2;晚稻擬合模型為y=7.8026x+6192(x＜152)，y=7378(x＞152)，R2=0.9786，即晚稻最佳產量施氮量為N 152 kg/hm2，作物產量可以達到7378 kg/hm2。

表2 晚稻各生育期施肥后的氨揮發累積損失量與損失率及其與施氮量的擬合方程Table 1 Cumulative amount of NH3－N volatilization loss and loss rate after the fertilization and the relation of fitting between N application rate and NH3－N volatilization rate，loss during the late rice season

表3 雙季稻連作周期土壤氨揮發損失及子粒產量Table 3 NH3－N volatilization loss in double-harvest rice season and grain yield

圖6 早稻和晚稻季施氮量與產量、氨揮發損失量的關系Fig.6 Relationship of nitrogen application rate with yield and total amount of NH3－N volatilization loss in early rice and late rice season

3 討論與結論

研究報道NH3的損失速率取決于NH3(水)和溶液上方大氣中NH3(PNH3)之間的分壓差，由于空氣中的NH3的濃度很低而且相對恒定，所以NH3(水)的濃度便起到直接主導作用。在長期淹水的稻田中，土壤氨揮發顯著受到氣候因素(溫度及降水)的影響［16］。朱兆良［4］的研究表明在江蘇和浙江的非石灰性水稻土中田面水的pH低于8或8左右，尿素的氨揮發損失率只有9～11%，而其在江西鷹潭非石灰性水稻土的雙季晚稻的試驗結果表明，雖然水面pH在8左右與江浙兩地相近，但是氨揮發損失率高達40%，分析其主要原因是日間光照強烈，田面水溫很高(高達40℃)，尿素水解迅速，促進了氨揮發損失。由此可見，在南方稻田，因日照光強造成的很高的田面水溫對氨揮發的影響要遠遠大于田面水pH的作用，各種因素因時空變異而表現的主導作用是不同的。作為雙季稻主產區的江西，晚稻季雨水相對較少，而早稻季多降水，而且這個時期的溫度受降水的影響變異性也很大(圖3)，因此其對氨揮發持續時間帶來很大影響。吳萍萍等［7］研究發現，氨揮發損失早稻持續14 d左右，晚稻為7d左右;李菊梅［1］等研究顯示，早稻氨揮發持續20 d左右，晚稻季持續9～10 d。本研究結果表明，該地區早稻季土壤氨揮發持續時間為11～15d，而晚稻的持續時間為6～8d，早稻季比晚稻季持續時間長，其主要原因可能是晚稻季的平均溫度(30.82℃)比早稻季的平均溫度(23.57℃)高，水分蒸發速率大，田間水中的NH3(水)的分壓大，使得氨揮發主要集中發生在較短的時間內。

從氨揮發損失量看，李菊梅［1］等的研究表明，早、晚稻施尿素(NPK，N 150 kg/hm2)處理的氨揮發損失率達41.4%和39.9%;管建新［17］等在2005～2008年4年試驗中，雙季總施氮量N 300 kg/hm2處理在連作周期的氨揮發損失率分別為41.3%、40.7%、38.8%和38.8%;本研究結果顯示，早、晚稻氨揮發損失量相差不大(表3)，早稻略高一點，但基本上各占總損失量的50%，早稻施肥處理氨揮發損失量為 N 22.60～162.0 kg/hm2，損失率為29.29% ～52.32%(表1);晚稻施肥處理氨揮發損失量為N 22.35～141.4 kg/hm2，損失率為35.75%～46.82%(表2)，整個連作周期的氨揮發損失率為32.52%～49.57%(表3)。本研究結果與上述兩人的研究在相似條件的處理相近并均與朱兆良［18］等利用微氣象學質量平衡法的觀察結果相一致;而吳萍萍等［7］施用NPK肥的處理其早、晚稻損失率分別為13.2%和16.9%;王國強［19］相近處理氨揮發損失率早稻為 7.29% ～7.71%，晚稻為12.07%～29.95%均比本研究結果低很多，其可能是由于本研究在施肥方式上采用了表面撒施以及很高的田面水溫，是這兩個因素雙重作用的結果。

本研究中施肥量與氨揮發損失量的關系顯示，在一定的施氮范圍內，同一個生育階段，隨著施氮量的增加氨揮發損失量是遞增的;早、晚稻及整個稻—稻連作周期氨揮發損失量、損失率均與施氮量呈線性增長關系，這與鄧美華等［5］研究的太湖地區稻—麥輪作體系及董文旭等人研究［20－21］的華北平原冬小麥－夏玉米輪作體系的研究結果相一致。

由此可見，長江中下游地區雙季稻連作體系的農田氨揮發損失是肥料氮素損失的重要途徑，過量施肥會增加肥料氮素氨揮發損失，從而降低了氮肥利用率以及對環境產生一定危害。本研究為下一步進行優化施氮，減少氮肥用量及損失，實現生態與經濟效益雙贏提供了重要依據。

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