遼河平原玉米田不同施肥下的土壤氨揮發(fā)特征

趙欣周，張世春，李穎，鄭益旻，趙洪亮，謝立勇

（1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110161；2中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102）

0 引言

【研究意義】化肥在全球逐漸普及極大促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展。然而，近年來化肥過量施用已造成土壤和水體的環(huán)境污染[1]，而農(nóng)田化肥施用導(dǎo)致溫室氣體（CO2、N2O、NH3等）排放也成為全球氣候變暖的原因之一[2]，其中化肥施入農(nóng)田后所排入大氣中的氨（NH3）可與硫酸、硝酸等酸性氣體成分反應(yīng)生成二次無機(jī)氣溶膠（SIA，主要包括(NH4)2SO4、NH4NO3、NH4Cl等）[3]，從而影響空氣質(zhì)量、能見度和人類健康。此外，不合理的施肥也可導(dǎo)致農(nóng)業(yè)氮肥利用率偏低，例如近年來玉米氮肥表觀利用率僅為29.1%[4]。鑒于氨在大氣環(huán)境、生態(tài)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的重要性，對其排放、沉降及其轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究已成為當(dāng)前環(huán)境和生態(tài)領(lǐng)域的研究熱點之一。【前人研究進(jìn)展】近年來我國學(xué)者主要參考借鑒國外的氨排放因子，對各區(qū)域及全國的氨排放量進(jìn)行了大致估算，并對相關(guān)影響因素進(jìn)行了分析[5-6]，例如關(guān)于長三角氨排放清單的研究[7-8]，關(guān)于珠三角氨排放清單的研究[9]，以及關(guān)于全國和其他地區(qū)氨排放趨勢的研究[10-12]。但由于我國區(qū)域差異大，目前仍缺乏足夠的代表各典型區(qū)域的本地化氨排放數(shù)據(jù)。肥料對農(nóng)田土壤氨揮發(fā)的影響比較復(fù)雜，近年來各類化肥和生物炭影響土壤氨揮發(fā)的研究越來越多。不同程度老化的生物炭對土壤氨揮發(fā)產(chǎn)生不同的影響，例如高溫裂解制備的新鮮玉米秸稈生物炭，在經(jīng)過凍融循環(huán)或高溫裂解老化后添加至農(nóng)田土壤中，可使氨揮發(fā)累積量減少30%，而添加自然老化或新鮮玉米秸稈生物炭和玉米秸稈粉末的氨揮發(fā)累積量只減少 19%—23%[13]。不同種類生物炭對不同作物不同土壤類型氨揮發(fā)產(chǎn)生不同的影響，例如在施氮450 kg N·hm-2的情況下，棉花秸稈生物炭還田減少滴灌棉田氨揮發(fā)40.59%[14]；生物炭添加對稻田氨揮發(fā)損失有明顯的促進(jìn)效應(yīng)，且具有階段性特征，氨揮發(fā)總量增加 69%[15]；鹽漬化土壤的情況下，常規(guī)施肥+生物炭有效抑制了氨揮發(fā)，添加生物炭對滴灌和漫灌氨揮發(fā)累積損失量分別降低了 57%、44%[16]?？梢姼鞣N施肥和生物炭影響不同作物的土壤氨揮發(fā)有著比較明顯的差異性?！颈狙芯壳腥朦c】東北平原是我國面積最大的平原，屬于世界三大黑土區(qū)之一，是中國主要的糧食產(chǎn)區(qū)。農(nóng)田化肥的大量施用是當(dāng)?shù)卮髿獍钡闹匾欧旁础５壳瓣P(guān)于東北地區(qū)氨排放因子的試驗研究仍較為匱乏，更缺少詳細(xì)地針對該區(qū)域的本地化氨排放清單?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過遼河平原地區(qū)農(nóng)田試驗，分析不同施肥措施影響農(nóng)田氨揮發(fā)的時間特征，獲得沈陽地區(qū)化肥施用本地化氨排放因子，以供大氣環(huán)境和生態(tài)等領(lǐng)域的相關(guān)研究參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗場概況

試驗地位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地（41°82’N，123°56’E），屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔為50 m，地勢平坦，年均降雨量為608 mm，年均氣溫 8.0℃，年均最高氣溫 13.0℃，年均最低氣溫3.0℃。晝夜及季節(jié)氣溫溫差較大，四季分明。試驗地土壤為棕壤，0—20 cm土層基本性狀為：有機(jī)質(zhì)含量18.3 g·kg-1，pH 6.9，堿解氮 90.6 mg·kg-1，全氮 0.8 g·kg-1，速效磷 151.0 mg·kg-1，速效鉀 123.6 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

供試的作物為春玉米（品種：東單1331）。肥料為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)普遍采用的樹脂包衣緩釋化肥（N:P:K為30:10:12）、尿素（含氮量46%）和玉米秸稈生物炭（缺氧條件下450℃高溫制備而成，pH 9.6，含碳量40%）。

1.3 試驗設(shè)計

以基肥施樹脂包衣緩釋化肥、拔節(jié)期追施尿素為常規(guī)施肥方式，共設(shè)置5個處理：①T0（無氮處理），不施任何肥料；②T1（常規(guī)施肥減半），基肥施入半量緩釋包衣化肥，拔節(jié)期追施半量尿素；③T2（常規(guī)施肥+生物炭），基肥施緩釋包衣化肥，覆蓋 3 000 kg·hm-2生物炭，拔節(jié)期追施尿素；④T3（常規(guī)施肥一次性施入），不追肥，一次性基施緩釋包衣化肥；⑤T4（常規(guī)施肥），基肥施緩釋包衣化肥，拔節(jié)期追施尿素。小區(qū)面積6 m×10.3 m=61.8 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，每個處理設(shè)置3次重復(fù)，共18個小區(qū)。各處理施氮水平見表1。

表1 各處理施氮水平Table 1 Nitrogen application level of each treatment

本試驗于2018年開展，播種日期為5月10日，追肥日期為7月5日。播種的同時施用基肥，基肥和追肥均采用穴施方式。

1.4 樣品采集與分析

施肥后土壤氨揮發(fā)量的測量：采用目前使用較多的通氣法[17]進(jìn)行采樣。該法準(zhǔn)確度高，操作簡便易行，適合進(jìn)行小區(qū)控制試驗。將兩塊厚度為2 cm、直徑16 cm的海綿均勻浸以15 mL的磷酸甘油溶液，置于內(nèi)徑15 cm、高12 cm的聚乙烯硬質(zhì)塑料管中，下層海綿距土壤表面5 cm，上層海綿與管頂相平，將聚乙烯硬質(zhì)塑料管隨機(jī)分別放置于每個小區(qū)；24 h后將下層海綿取出，迅速裝入密封袋中，同時換上另一塊剛浸過磷酸甘油溶液的海綿，上層海綿視干濕情況3—7 d更換一次；將換下的海綿帶回實驗室，放入 500 mL廣口塑料瓶中；向塑料瓶中加 300 mL KCl溶液（1 mol·L-1），使海綿完全浸入其中，將塑料瓶封口后振蕩1 h，而后取出靜置，吸取一定量清液，于24 h內(nèi)用流動分析儀（AA3）氨模塊（MT7）進(jìn)行分析。

氨揮發(fā)速率（Fi, g N·hm-2·d-1）、生長季內(nèi)氨揮發(fā)損失累積量（Fcum, kg N·hm-2）分別計算為：

式中，Ai為第i次采樣收集到的 NH3量（g N），Di為第i次采樣的收集時間（d），S為NH3收集裝置的有效橫截面積（m2），ti+1-ti為兩個相鄰測定日期的間隔（d）[18]，0.99為該收集裝置的 NH3回收率[17]。

在土壤氨揮發(fā)量采樣的同時，對土壤銨態(tài)氮含量進(jìn)行采樣分析。采用5點取土法采樣。每小區(qū)每次取5個采樣點，分別于10 cm土層處取20 g鮮土，將其浸入 200 mL KCl溶液（1 mol·L-1），振蕩 1 h，待懸濁液澄清后，吸取一定量上層清液，于24 h內(nèi)用流動分析儀進(jìn)行分析。

土壤氨揮發(fā)和土壤銨態(tài)氮含量的取樣分別在施基肥和追肥后第1、2、3、5、7、10、15、20天進(jìn)行一次，其余時期每10天取樣一次。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Microsoft Office Excel 2016和IBM SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、相關(guān)性分析和顯著性分析。

2 結(jié)果

2.1 不同施肥措施對土壤氨揮發(fā)速率的影響

如圖1所示，施基肥后氨揮發(fā)速率呈現(xiàn)雙峰趨勢，各處理在分別于施肥后1—2 d 或5—7 d 達(dá)到氨揮發(fā)速率最大值。施用基肥后1 d ，T1就達(dá)到了最大單日排放量，為113.67 g N·hm-2·d-1，其余處理排放量不明顯；第 2天 T1排放量急劇降為 59.31 g N·hm-2·d-1，T3 排放量突增一倍，達(dá) 95.77 g N·hm-2·d-1；第 3 天 T3下降至40.50 g N·hm-2·d-1，T1繼續(xù)呈下降趨勢；前3 d T2排放量呈逐漸增大態(tài)勢，分別排放66.78、82.71、88.98 g N·hm-2·d-1；第 5 天 T2 排放量為 112.72 g N·hm-2·d-1達(dá)到峰值，其他各處理排放量均有上升；到第 7天時 T1排放量達(dá) 82.59 g N·hm-2·d-1，T3回升至98.57 g N·hm-2·d-1且達(dá)到該處理峰值，T4為 91.11 g N·hm-2達(dá)到該處理峰值，T2仍排放 108.16 g N·hm-2·d-1；第10天 各處理均急劇下降，第15天 各處理出現(xiàn)回升，隨后緩慢下降；至第40天，各處理排放量降至 45—61 g N·hm-2·d-1范圍內(nèi)。

玉米生長季第56天各處理施用追肥。施入追肥后第1天，各處理（除T3外）氨揮發(fā)速率均達(dá)到追肥期最大，其中 T1為 254.16 g N·hm-2·d-1、T2為412.41 g N·hm-2·d-1、T4 為 447.58 g N·hm-2·d-1。T4 當(dāng)日排放量為T1的1.8倍，為T3的6倍，T2與T4有相似表現(xiàn)，二者僅差8.5%。第2天T3氨揮發(fā)速率達(dá)到最大值79.92 g N·hm-2·d-1，隨后各處理氨揮發(fā)速率急劇下降，并保持輕微波動。直至第15天，T2當(dāng)日氨揮發(fā)速率驟升至140.67 g N·hm-2·d-1，隨后下降。第20天和第50天各處理當(dāng)日氨揮發(fā)速率極其微弱。施追肥后各處理氨揮發(fā)速率如圖2所示。

圖1 施基肥后各處理氨揮發(fā)速率Fig. 1 Ammonia volatilization rate after basal fertilizer application

圖2 施追肥后各處理氨揮發(fā)速率Fig. 2 Ammonia volatilization rate after top dressing

整體而言，T4和T2氨揮發(fā)速率較高，T1和T3氨揮發(fā)速率較小。施入追肥后氨揮發(fā)更加迅速。施基肥后各處理氨揮發(fā)速率最大值表現(xiàn)為：常規(guī)施肥減半（T1）＞常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥一次性施入（T3）＞常規(guī)施肥（T4）＞無氮處理（T0）；施追肥后各處理氨揮發(fā)速率最大值表現(xiàn)為：常規(guī)施肥（T4）＞常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥減半（T1）＞常規(guī)施肥一次性施入（T3）＞無氮處理（T0）。

2.2 不同施肥措施對氨揮發(fā)損失累積量的影響

施基肥后40 d ，T3與T2氨揮發(fā)損失累積量較其他處理大，分別為2.84、3.03 kg N·hm-2，而T4、T1分別為2.56、2.2 kg N·hm-2。氨揮發(fā)損失累積量對比：常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥一次性施入（T3）＞常規(guī)施肥（T4）＞常規(guī)施肥減半（T1）＞無氮處理（T0）。施追肥后50 d，T1氨揮發(fā)損失累積量為1.94 kg N·hm-2，T2 為 3.16 kg N·hm-2，T3 為 1.71 kg N·hm-2，T4為2.52 kg N·hm-2，氨揮發(fā)損失累積量大小對比：常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥（T4）＞常規(guī)施肥減半（T1）＞常規(guī)施肥一次性施入（T3）＞無氮處理（T0）。常規(guī)施肥一次性施入（T3）處理由于沒有追肥，所以后期排放不明顯。各處理的氨揮發(fā)損失累積量如圖3所示。

整個生長季內(nèi)氨揮發(fā)損失累積量表現(xiàn)為：常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥（T4）＞常規(guī)施肥減半（T1）＞常規(guī)施肥一次性施入（T3）＞無氮處理（T0）。各處理氨揮發(fā)損失率表現(xiàn)為：常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥減半（T1）＞常規(guī)施肥（T4）＞常規(guī)施肥一次性施入（T3）。與施入緩釋化肥最多的T3相比，總施氮量相同的T2和T4氨揮發(fā)損失累積量分別增加了35.7%和15.6%。與施入生物炭的T2相比，總施氮量相同的 T4氨排放損失累積量降低了 17.8%。雖然T4基肥和追肥施氮量為T1的2倍，但T4氨揮發(fā)損失累積量卻僅為T1氨揮發(fā)損失累積量的1.22倍。土壤氨揮發(fā)損失率和氨揮發(fā)損失率如表3所示。

圖3 各處理氨揮發(fā)損失累積量Fig. 3 Cumulative ammonia volatilization loss of each treatment

表2 土壤氨揮發(fā)損失累積量和氨揮發(fā)損失率Table 2 Soil ammonia volatilization loss accumulation and ammonia volatilization loss rate

2.3 不同施肥措施下土壤銨態(tài)氮含量與氨揮發(fā)速率的關(guān)系

不同施肥措施下的土壤銨態(tài)氮含量變化特征如圖4所示。施入基肥后第1天 ，各處理土壤銨態(tài)氮含量顯現(xiàn)為生長季較高水平，其中T1和T2達(dá)到施基肥后最高水平，分別為22.2、26.5 kg N·hm-2，隨后第2天 各處理土壤銨態(tài)氮含量急劇下降，此處可能與降水有關(guān)。第5天各處理土壤銨態(tài)氮含量回升，其中T4達(dá)到最高水平，為16.8 kg N·hm-2，第7天各處理回落至較低水平。第10天后各處理土壤銨態(tài)氮含量開始升高，第15天時T3和T4土壤銨態(tài)氮含量達(dá)到最高水平，分別為19.5、18.1 kg N·hm-2，此時各處理土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為：常規(guī)施肥一次性施入（T3）＞常規(guī)施肥（T4）＞常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥減半（T1）＞無氮處理（T0），此高水平態(tài)勢波動保持至第30天，第40天各處理下降至較低水平。

施入追肥后第1天 T1、T4土壤銨態(tài)氮含量達(dá)到生長季最高水平，分別為：23.3、24.6 kg N·hm-2。隨后10 d 土壤銨態(tài)氮含量下降，直至第10天各處理土壤銨態(tài)氮含量升到了較高水平，其中T4達(dá)17.0 kg N·hm-2，為T0同一天的1.64倍，此時各處理土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為：常規(guī)施肥（T4）＞常規(guī)施肥+生物炭（T2）＞常規(guī)施肥減半（T1）＞常規(guī)施肥一次性施入（T3）＞無氮處理（T0），與施入追肥量排序一致。第 15天后，各處理土壤銨態(tài)氮含量下降。

圖4 不同施肥措施下的土壤銨態(tài)氮含量變化特征Fig. 4 Variation characteristics of ammonium nitrogen content in soil under different fertilization measures

整體而言，基肥期土壤銨態(tài)氮含量峰值出現(xiàn)的時間靠后，其中有3個處理峰值出現(xiàn)在第15天，而追肥期土壤銨態(tài)氮含量峰值出現(xiàn)的時間均為第1天。根據(jù)顯著性分析，各處理間的土壤銨態(tài)氮含量差異并不顯著。無氮處理（T0）仍有較高的土壤銨態(tài)氮含量，這可能與生長季雨水多且無氮處理（T0）小區(qū)大多處于農(nóng)田排水口有關(guān)。

圖5 不同施肥措施下土壤銨態(tài)氮含量與土壤氨揮發(fā)速率時間變化Fig. 5 Time variation diagram of soil ammonium nitrogen content and soil ammonia volatilization rate under different fertilization measures

如圖 5所示，T1、T2、T3、T4的土壤銨態(tài)氮含量和同時期土壤氨揮發(fā)速率呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，施追肥后兩者的變化趨勢比施基肥后更加相似。如表3所示，對土壤銨態(tài)氮含量和土壤氨揮發(fā)速率之間采用 Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果顯示基肥期各處理的土壤銨態(tài)氮和土壤氨揮發(fā)速率之間相關(guān)性弱或相關(guān)不顯著。施追肥后 T1、T4的土壤銨態(tài)氮含量和土壤氨揮發(fā)速率之間為極強(qiáng)正相關(guān)、T2施追肥后兩者為強(qiáng)正相關(guān)，結(jié)果均為顯著。

表 3 不同施肥措施下土壤氨揮發(fā)速率與土壤銨態(tài)氮含量的Pearson相關(guān)性分析Table 3 Pearson correlation analysis of soil ammonia volatilization rate and soil ammonium nitrogen content under different fertilization measures

3 討論

本研究基于當(dāng)前東北地區(qū)普遍采用的農(nóng)田施肥措施，觀測玉米施入基肥期后 40 d 和施入追肥后50 d 的土壤氨揮發(fā)速率及土壤銨態(tài)氮含量，探討了不同施肥措施影響農(nóng)田氨揮發(fā)的時間特征。本試驗中，追肥初期比基肥初期氨揮發(fā)更為明顯，可能的原因是基肥施用緩釋包衣化肥，追肥除常規(guī)施肥一次性施入（T3）處理外皆用尿素，而尿素的氨揮發(fā)損失率比緩釋包衣化肥更高。施基肥和追肥后土壤銨態(tài)氮峰值出現(xiàn)時間的差異說明尿素比緩釋肥料釋放銨態(tài)氮更加迅速。相比于緩釋化肥，施用尿素使得土壤銨態(tài)氮含量和土壤氨揮發(fā)速率之間呈現(xiàn)強(qiáng)正相關(guān)，這說明尿素在迅速釋放銨態(tài)氮的時候，也在迅速增加氨揮發(fā)，而緩釋化肥釋放銨態(tài)氮則更加穩(wěn)定[19-20]。

本研究得出的結(jié)論為生物炭促進(jìn)氨揮發(fā)[21]。生物炭對氨排放的促進(jìn)作用可能主要是由于水和土壤中 pH和 NH4+-N濃度的增加導(dǎo)致的[22]。對比前人研究采用生物炭肥料（經(jīng)包覆酸化生物炭的尿素顆粒）顯著降低了氨揮發(fā)[23]，本研究所用玉米秸稈生物炭pH為9.6，呈堿性，反而導(dǎo)致氨揮發(fā)累積量的增加。另外，老化生物炭相較于新鮮生物炭 pH更偏中性[24-25]，可相對降低NH3排放量，避免有效氮的積累，可用于改良土壤[26]。玉米秸稈生物炭具有孔隙度和比表面積大、吸附效果強(qiáng)、堿性強(qiáng)的特點[27-28]，雖然其促進(jìn)了 NH3排放，但施用生物炭同時降低了溫室氣體強(qiáng)度（GHGI）和CO2排放量[29-30]，并顯著降低了N2O排放量[31]。此外，不同類型生物炭影響不同農(nóng)田 NH3排放的內(nèi)在機(jī)制研究還不完善，今后有待深入。

土壤氨揮發(fā)研究是構(gòu)建精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)氨排放清單的重要基礎(chǔ)。本研究采用通氣法取樣和流動分析儀測量了不同化肥施用措施下的土壤氨排放速率和排放通量，補(bǔ)充了東北地區(qū)本地化農(nóng)田化肥施用氨排放因子數(shù)據(jù)。與其他的氨排放研究相比[32-34]，本研究中獲得的氨排放因子數(shù)值較小，其原因可能包括：（1）基肥期所采用的緩釋化肥可顯著減少氨揮發(fā)，各類研究表明各類緩釋化肥（包括樹脂包衣）的氨揮發(fā)累積量與尿素相比下降幅度介于 21.7%—64.6%[35-39]；（2）在氨揮發(fā)試驗的106 d中，有34 d降雨，且在施肥后較集中，過多呈酸性的降水可能導(dǎo)致氨揮發(fā)減少。因此當(dāng)?shù)厥┓史N類、方式等農(nóng)業(yè)耕作習(xí)慣以及各地區(qū)土壤、氣候等自然特征可能導(dǎo)致了土壤氨揮發(fā)的顯著地區(qū)差異性。今后仍需要加強(qiáng)開展典型區(qū)域的氨揮發(fā)研究，獲得其時間、空間特征和影響因素，從而為完善構(gòu)建精準(zhǔn)的東北地區(qū)農(nóng)田化肥施用本地化氨排放清單提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

氨揮發(fā)隨著施氮量增加呈現(xiàn)邊際遞減效應(yīng)。在本研究中減少 50%施氮量，氨揮發(fā)損失累積量只減少了20%。生物炭促進(jìn)了玉米農(nóng)田氨揮發(fā)。在施氮量相同的情況下，加施堿性生物炭氨揮發(fā)損失累積量增加22%。一次性施入緩釋化肥而不采取尿素追肥顯著降低了氨揮發(fā)。全生長季施氮量相同的情況下，一次性施入緩釋化肥而不采取尿素追肥的措施比以尿素作為追肥的措施的氨揮發(fā)累積量減少12%。與緩釋化肥相比，尿素釋放銨態(tài)氮更加迅速，同時氨揮發(fā)也相對較快。