保護(hù)地菜田土壤氨揮發(fā)損失及影響因素研究

習(xí) 斌,張繼宗,左強(qiáng),鄒國元,翟麗梅,劉宏斌*

(1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京100081;2北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所,北京100097;3中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京100101)

隨著我國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整,近年來蔬菜種植面積所占比例逐年增加,據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示,2006年北京市耕地面積總計(jì)為232575 hm2,主要農(nóng)作物播種面積為219581.5 hm2,全市蔬菜種植面積為81551.0 hm2,約占主要農(nóng)作物播種面積的37.1%;日光溫室占地面積為3213.9 hm2,塑料大棚占地面積為3926.3 hm2,兩者占蔬菜種植面積的8.8%[1]。在施肥方面,保護(hù)地施氮量較大,據(jù)山東壽光調(diào)查結(jié)果,保護(hù)地蔬菜的氮素養(yǎng)分投入嚴(yán)重超量,以黃瓜為例,平均施入化肥氮為1782 kg/hm2,是推薦用量的2～6倍[2-3],而其它溫室作物施氮量也均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)?shù)氐耐扑]施氮量[4-5]。氮素過量施用易使氨揮發(fā)加劇,相關(guān)研究表明,農(nóng)田氨揮發(fā)損失的氮素占總施氮量的1%～47%[6-7],露地蔬菜地氨揮發(fā)率在11%～18%[8-10],但目前關(guān)于保護(hù)地土壤氨揮發(fā)的研究較少。保護(hù)地內(nèi)由于灌溉頻繁,土壤長期保持濕潤,又大部分時間土壤溫度均高于露地菜田[11],使土壤蒸發(fā)和植物蒸騰作用均較露天栽培強(qiáng),加上施肥量大,因而易發(fā)生氨揮發(fā),甚至在保護(hù)地白天敞風(fēng)時可能造成大量的氮素氨揮發(fā)損失,基于此,本試驗(yàn)設(shè)置不同施肥措施,對保護(hù)地番茄的土壤氨揮發(fā)狀況進(jìn)行監(jiān)測,以期探明不同施肥模式下保護(hù)地土壤氨揮發(fā)損失的基本規(guī)律和減少氨揮發(fā)損失的主要措施,為氮肥的合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在北京市房山區(qū)韓村河農(nóng)業(yè)技術(shù)開發(fā)中心12號溫室進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤類型為褐土,0—20 cm表層土壤養(yǎng)分含量為:有機(jī)質(zhì) 53.97 g/kg,全氮3.35g/kg,全磷 1.32g/kg,全鉀 19.19g/kg,銨態(tài)氮66.7mg/kg,硝態(tài)氮 2.4mg/kg,有效磷178.8 mg/kg,速效鉀629.5 mg/kg,pH(H2O)7.35。供試作物為番茄(Lycopersicon esculentum Miller),品種為硬粉18。

試驗(yàn)設(shè)對照(不施肥CK)、單施有機(jī)肥(OM)、推薦施肥(REF)、常規(guī)施肥(CON)和常規(guī)+C/N(即加小麥秸桿)(CNC)5個處理,具體施肥量見表1。每個處理3次重復(fù),小區(qū)面積4m×6.5 m,隨機(jī)區(qū)組排列。常規(guī)施肥量根據(jù)京郊保護(hù)地菜田施肥量調(diào)查數(shù)據(jù)(北京市土壤肥料站)而定,推薦施肥處理為當(dāng)?shù)赝扑]施肥量。試驗(yàn)用氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為過磷酸鈣(含P2O517%),鉀肥為硫酸鉀(含K2O 60%),有機(jī)肥為商品雞糞(N、P2O5、K2O含量分別為1%、0.95%、0.86%),秸稈為粉碎的小麥秸(長度為1～3 cm)。常規(guī)處理中30%的氮肥作基肥,其余70%平分3次作追肥;推薦施肥處理中25%的氮肥和鉀肥作基肥,其余平分3次作追肥施入,追肥方式為撒施后澆水。第一次追肥在第一穗果坐果期,第二次在第一穗果膨大期,第三次在第二、三穗果膨大期。各處理中有機(jī)肥、秸稈和磷肥、常規(guī)處理的鉀肥均作為基肥撒施后耕翻入土。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 The experiment design

于2008年3月2日育苗,4月5日定植,7月19日收獲,共留三穗果。種植模式為“小高畦”種植(圖1),作物在壟上種植,在壟背上進(jìn)行灌水,為節(jié)水灌溉模式,屬于目前京郊大棚種植普遍推行的方式。株行距為25 cm×60 cm,過道寬70 cm。每次灌水量均為280 m3/hm2。

圖1 “小高畦”種植模式Fig.1 “Narrow and high ridge” crop cultivation mode

1.2 采樣與測定方法

氨揮發(fā)采用密閉室間歇通氣法測定[12]。密閉室為直徑20 cm、高15 cm的無底圓筒,將其嵌入土中,露出地表5 cm。每天在溫室敞風(fēng)期間測定,測定時間為30 min/次,換氣頻率20次/min以上,在洗氣瓶中裝20 mL 1mol/L KCl(pH值=1)溶液以吸收NH3,吸收液用連續(xù)流動注射分析儀(AA3)測定。以0.5 h的通量值作為每天氨揮發(fā)的平均通量。施肥第二天開始測定,直至施氮處理與對照的氨揮發(fā)通量無差異時停止測定。同時用特制采土器采集各小區(qū)表層(0—1 cm)新鮮土,保存于冰柜中,解凍后測定其含水量、pH和銨態(tài)氮含量。土壤采用 0.01 mol/L的CaCl2(水∶土比為10∶1)浸提,浸提液中銨態(tài)氮用連續(xù)流動注射分析儀(AA3)測定;土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法,全氮采用開氏法,有效磷采用碳酸氫鈉法,有效鉀采用乙酸銨浸提,火焰光度計(jì)法,pH采用pH計(jì)法(土水比為1∶5)[13]測定。

1.3 計(jì)算方法

氨揮發(fā)總量=不同施肥處理揮發(fā)總量-不施肥對照揮發(fā)總量

氨揮發(fā)累積量中化肥的貢獻(xiàn)率=(施肥處理氨揮發(fā)量-單施有機(jī)肥處理氨揮發(fā)量)/(施肥處理氨揮發(fā)量-不施肥對照氨揮發(fā)量)×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理基肥施用后表層(0—1 cm)土壤銨態(tài)氮含量的變化

保護(hù)地菜田在施入基肥后0—1 cm土壤銨態(tài)氮含量變化情況見圖2。常規(guī)施肥和推薦施肥兩處理?xiàng)l件下銨態(tài)氮含量均在施肥后第1 d達(dá)到最高值,分別為14.8mg/kg和7.8mg/kg,常規(guī)施肥處理銨態(tài)氮含量隨著監(jiān)測期推移迅速下降,而推薦施肥處理變化不明顯,其銨態(tài)氮含量變化比較平穩(wěn);常規(guī)+C/N處理在施肥后第3 d達(dá)到最高值,為12.1 mg/kg,之后迅速下降并趨于穩(wěn)定,但在氨揮發(fā)監(jiān)測的第5 d后常規(guī)+C/N處理的銨態(tài)氮含量略高于常規(guī)施肥處理,表明秸稈的施入延緩了尿素的水解;單施有機(jī)肥處理在第5 d氨揮發(fā)達(dá)到高峰,銨態(tài)氮含量為7.4 mg/kg,但具有一定的波動性,整體呈下降趨勢。施肥第5 d后,各處理表層土壤銨態(tài)氮含量均比較接近,第9 d后,各處理表層土壤銨態(tài)氮含量接近不施肥對照處理,在此時監(jiān)測的氨揮發(fā)速率亦接近不施肥對照處理。

通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(圖3),常規(guī)施肥、常規(guī)+C/N和推薦施肥處理下監(jiān)測期內(nèi)0—1cm土壤銨態(tài)氮含量變化和氨揮發(fā)速率成正相關(guān),R2值分別為0.798*、0.651和0.668,其中常規(guī)施肥處理達(dá)到了顯著水平(P＜0.05),單施有機(jī)肥處理相關(guān)性較低。

圖3 氨揮發(fā)速率與0—1 cm土壤銨態(tài)氮含量的相關(guān)性Fig.3 The correlativity between NH3lose flux and the NH+4-N of soil(0-1 cm)

2.2 不同處理基肥施用后表層(0—1 cm)土壤pH值的變化

番茄種植期內(nèi),基肥施入后不同施肥處理0—1 cm土壤pH值較不施肥對照在1～5 d內(nèi)均呈逐漸下降的趨勢(圖4),其中常規(guī)施肥處理降幅最大,達(dá)0.50個pH單位;單施有機(jī)肥處理降幅最小,為0.32個pH單位。常規(guī)施肥處理在施肥后前3 d下降速度最快,添加秸稈的常規(guī)+C/N處理開始時下降較慢,但在施肥第4 d后,兩處理pH值變化情況基本相同;推薦施肥處理監(jiān)測前期下降幅度小于常規(guī)施肥處理。在施肥5 d以后,各處理pH值均有所回升,而此時各處理氨揮發(fā)速率接近不施肥對照水平,氨揮發(fā)監(jiān)測結(jié)束時基本恢復(fù)到施肥前水平,但略低于施肥前。pH值前期下降幅度的大小同氮肥施用量成正比,即施氮量越大,pH值下降幅度越大。對土壤氨揮發(fā)速率和pH值的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明(圖5),常規(guī)施肥、常規(guī)+C/N、推薦施肥和單施有機(jī)肥處理的氨揮發(fā)速率和pH值均達(dá)到正相關(guān)性,R2值分別為 0.938**、0.651、0.713和0.739,其中常規(guī)施肥處理達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。

圖4 基肥施肥后表層土壤(0—1cm)pH值動態(tài)變化Fig.4 Surface soil(0-1 cm)pH following fertilization

圖5 氨揮發(fā)速率與pH的相關(guān)性Fig.5 The correlativity between ammonia volatilization and pH

2.3 氨揮發(fā)過程

施用基肥后,各處理氨揮發(fā)速率第1 d就達(dá)到了最高峰(圖6),隨著時間推移氨揮發(fā)速率迅速下降,在施肥第5 d后,各施肥處理氨揮發(fā)速率接近不施肥對照處理。各試驗(yàn)處理中常規(guī)+C/N處理氨揮發(fā)量峰值最高,為0.768 kg/(hm2?d),分別為推薦施肥和單施有機(jī)肥處理的1.8和3.4倍,接近于常規(guī)施肥峰值;常規(guī)+C/N處理氨揮發(fā)速率變幅較大,在施肥后第2 d下降了 0.491 kg/(hm2?d),整個基肥監(jiān)測時期氨揮發(fā)累積量為1.538 kg/hm2,小于常規(guī)施肥處理,為1.563kg/hm2,表明小麥秸稈和尿素的混施減少了氨揮發(fā)的損失。在整個基肥施用后氨揮發(fā)監(jiān)測期內(nèi),各處理的氨揮發(fā)累積損失量大小為常規(guī)施肥＞常規(guī)+C/N＞推薦施肥＞單施有機(jī)肥(表2)。

圖6 不同施肥模式下番茄生長期氨揮發(fā)速率Fig.6 Rate of NH3volatilization under different fertilization modes

番茄生長期內(nèi)進(jìn)行了3次追肥,番茄第1次追肥后(圖6追肥1),常規(guī)施肥和推薦施肥處理在施肥后第2 d氨揮發(fā)速率達(dá)到最高峰,分別為0.211 kg/(hm2?d)和 0.134 kg/(hm2?d),而常規(guī) +C/N 處理在第3 d達(dá)到最高峰,為0.12 kg/(hm2?d),有研究表明施用秸稈有可能推遲氨揮發(fā)速率高峰[14]。第2次追肥后(圖6追肥2),常規(guī)施肥處理在施肥后第2 d出現(xiàn)氨揮發(fā)高峰,速率為0.153 kg/(hm2?d),其它處理均在施肥后第1 d達(dá)到高峰,累積揮發(fā)量大小為:常規(guī)施肥＞推薦施肥＞常規(guī)+C/N＞單施有機(jī)肥≈不施肥對照,而推薦施肥和常規(guī)+C/N處理累積氨揮發(fā)基本相當(dāng)(見表2)。第3次追肥后(圖6追肥3),推薦施肥處理在施肥后第2 d出現(xiàn)氨揮發(fā)高峰,速率為0.141 kg/(hm2?d),其它處理均在施肥后第1 d達(dá)到高峰,在施肥后第4 d各處理均有一個小高峰,由于在第4 d時氣溫突然升高,使土壤溫度上升,有可能造成氨揮發(fā)速率較高。有研究表明,土壤溫度與氨揮發(fā)速率呈顯著正相關(guān)[15]。單施有機(jī)肥處理在3次追肥期間氨揮發(fā)累積量略高于不施肥對照。

對追肥期間各處理氨揮發(fā)速率規(guī)律進(jìn)行比較,得到以下結(jié)果:整個追肥期間氨揮發(fā)累積量大小順序?yàn)?表2)常規(guī)施肥＞推薦施肥＞常規(guī)+C/N＞單施有機(jī)肥;3次追肥期間各施肥處理在施肥7 d后接近不施肥對照水平;每次追肥監(jiān)測期間,各處理均在施肥后第2 d或第3 d時出現(xiàn)揮發(fā)高峰;常規(guī)+C/N處理的3次追肥氨揮發(fā)規(guī)律有所不同,在第2次追肥監(jiān)測期間一直呈下降趨勢,其余兩次追肥在監(jiān)測期間均有一次小高峰,但峰值均小于相同施肥量的常規(guī)施肥處理,有研究表明,添加秸稈能夠降低氨揮發(fā)的高峰[16],而對氨揮發(fā)速率具體影響因素還不明確。常規(guī)+C/N處理在整個監(jiān)測期間氨揮發(fā)累積量低于常規(guī)施肥處理(見表3),表明施用秸稈有助于減少氮素的氨揮發(fā)損失。在整個追肥監(jiān)測期間單施有機(jī)肥處理的氨揮發(fā)速率同CK基本相當(dāng),在追肥期間未產(chǎn)生氨揮發(fā),表明施入的有機(jī)肥在50 d內(nèi),土壤表層銨態(tài)氮的硝化過程可能已經(jīng)完成或隨水下滲到深層土壤。

表2 不同施肥模式下番茄土壤氨揮發(fā)累積狀況Table 2 Accumulation of NH3volatilization of soil following fertilization

2.4 番茄生長期間氨揮發(fā)損失量

番茄生長期各處理的氨揮發(fā)如表3所示。與對照相比,不管在基肥期還是追肥期施用氮肥后的氨揮發(fā)損失量都很少,均在氮肥總施用量的1%左右(減去不施肥對照損失量),其大小順序?yàn)槌Ｒ?guī)施肥＞常規(guī)+C/N＞推薦施肥＞單施有機(jī)肥。其中,添加秸稈的常規(guī)+C/N處理氨揮發(fā)累積量比常規(guī)施肥低0.26 kg/hm2。本研究中化肥氮在氨揮發(fā)損失中的貢獻(xiàn)率較高,均在70%以上,其中在常規(guī)施肥處理中為80.88%。

3 討論

田光明等對稻田施肥后土壤pH值測定發(fā)現(xiàn),在施肥后前3 d pH值呈下降趨勢,之后又逐漸波動上升[14];賀發(fā)云等對菜田土壤氨揮發(fā)監(jiān)測期中表層土壤pH的測定結(jié)果表明,氨揮發(fā)過程中,施氮量越大,pH下降得越明顯,較對照最高下降0.8個pH單位[8]。本研究發(fā)現(xiàn),pH下降趨勢同以上研究結(jié)果相似,在氨揮發(fā)過程中常規(guī)施肥處理相對起始pH值下降了0.5個pH單位,表明氨揮發(fā)的發(fā)生是土壤酸化的原因之一,無機(jī)氮肥的大量施入有可能造成土壤pH的降低;另外,硝化作用也是一個酸化過程,尿素水解成銨態(tài)氮后隨著進(jìn)行的硝化作用,亦可能使土壤pH降低。目前我國菜田土壤酸化問題比較嚴(yán)重,同長期無機(jī)氮素的大量施用有很大關(guān)系[17]。

表3 番茄試驗(yàn)各處理的氨揮發(fā)累積量及其所占施氮量的比例Table 3 Ammonia volatilization from different treatments in the tomato experiment

在沒有限制因素存在的條件下,氨揮發(fā)速率隨表層土壤銨態(tài)氮含量的增加而增大,兩者間呈顯著正相關(guān)[8,16]。本研究得到結(jié)果相似,其中常規(guī)施肥處理的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(R2=0.798*),但常規(guī)+C/N和單施有機(jī)肥處理相關(guān)性較低,分析其原因,秸稈的添加有可能對銨態(tài)氮有固定作用,而單施有機(jī)肥后表層土壤銨態(tài)氮含量較小,受土壤濕度、溫度、硝化作用等因素的影響較大,表現(xiàn)的相關(guān)性較低。氨揮發(fā)速率同pH變化成顯著正相關(guān),其中常規(guī)施肥處理達(dá)到極顯著水平(R2=0.938**),表明pH值越高氨揮發(fā)速率越大。

賀發(fā)云等在對露地菜田土壤氨揮發(fā)的研究中發(fā)現(xiàn),追肥氨揮發(fā)速率的峰值出現(xiàn)在第1或2 d,氨揮發(fā)延續(xù)時間在12d～18d[8]。本試驗(yàn)條件下,常規(guī)和推薦施肥處理在4次施肥監(jiān)測過程中表現(xiàn)規(guī)律比較一致,在施肥后第1 d或第2 d就達(dá)到揮發(fā)高峰,之后下降速度較快,基肥和追肥時期分別在5 d和7 d后接近不施肥對照處理,其原因可能是,由于保護(hù)地土壤含水量長期保持在較高水平,而含水量較高會加快尿素的水解和硝化作用的進(jìn)行。常規(guī)+C/N處理氨揮發(fā)速率一般在施肥后2～3 d才達(dá)到峰值,其余處理在施肥后第1 d達(dá)到峰值,整個監(jiān)測期間常規(guī)+C/N處理的氨揮發(fā)累積量小于常規(guī)施肥處理,說明添加秸稈推后了氨揮發(fā)的峰值,并減少了土壤氨揮發(fā)損失量,董文旭等[16]的盆栽試驗(yàn),李紅梅等[18]的小麥大田氨揮發(fā)試驗(yàn)研究也得到類似結(jié)果。

從本試驗(yàn)的研究結(jié)果看,不同施肥方式下保護(hù)地菜田化肥和有機(jī)肥的大量施用,并未造成氨揮發(fā)的大量損失,不同處理在整個氨揮發(fā)監(jiān)測期間以常規(guī)施肥損失量最大,而添加秸稈的常規(guī)+C/N處理氨揮發(fā)量僅略高于推薦施肥處理,表明施用秸稈、減少氮素施用量是降低氨揮發(fā)損失的有效途徑,董文旭等的研究也得到類似結(jié)果[16]。同其它研究菜田土壤氨揮發(fā)損失的結(jié)果相比(損失量一般為11%～18%)[8-10],本研究中氨揮發(fā)損失量較小,除單施有機(jī)肥處理外,各處理中氨揮發(fā)損失量小于總施氮量的1%,主要原因?yàn)?1)同施肥方式有一定關(guān)系,基肥為撒施后深翻,隨后立即灌溉導(dǎo)致滯留在土壤表面的肥料極少,而追肥時,肥料表面撒施后立即灌溉,使得很大部分尿素在水解之前隨入滲水進(jìn)入深層土壤[19],同樣抑制了氨揮發(fā)的發(fā)生,如曹兵等[20]對冬小麥不同基肥施用方式(表施、深施和表施結(jié)合灌溉)下的土壤氨揮發(fā)損失進(jìn)行了研究,其結(jié)果為,尿素表施方式下的氨揮發(fā)損失率最高達(dá)46.08%,而深施和表施結(jié)合灌溉處理方式下的氨揮發(fā)損失率則分別達(dá)6.24%和3.75%,其它研究也發(fā)現(xiàn),肥料穴施、條施等均能夠減少氨揮發(fā)損失[18,21];2)保護(hù)地溫室通風(fēng)時間較短,空氣流通較差,溫室的空氣濕度較大,據(jù)調(diào)查在溫室內(nèi)空氣濕度較高,一般均在80%以上,在剛灌溉之后,幾天內(nèi)濕度均在95%以上,而NH3又極易溶于水,土壤揮發(fā)出的NH3有可能已溶于空氣水中,然后水滴冷凝,重新回落入土壤中,因此空氣濕度同氨揮發(fā)的關(guān)系以及保護(hù)地溫室內(nèi)氮素的干濕沉降問題有待研究。

減少無機(jī)氮素的施肥量、尿素和秸稈混施都是降低氨揮發(fā)損失量的有效措施,但添加秸稈對尿素的水解和對銨態(tài)氮硝化作用的影響還不明確。另外,保護(hù)地高溫高濕條件對土壤氨揮發(fā)的影響也有待進(jìn)一步研究。

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