含氯氮肥對太湖稻麥輪作體系氨揮發(fā)及作物產(chǎn)量的影響

張博文，趙淼，敖玉琴，張維，田玉華，李曉，葛仁山，尹斌*，朱兆良

含氯氮肥對太湖稻麥輪作體系氨揮發(fā)及作物產(chǎn)量的影響

張博文1,2，趙淼3，敖玉琴1，張維1，田玉華1，李曉4，葛仁山4，尹斌1*，朱兆良1

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3 成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川成都 610225；4 江蘇華昌化工股份有限公司，江蘇張家港 215600）

【目的】通過研究尿素、氯化銨以及二者混合高塔造粒而成的含氯脲銨氮肥對太湖地區(qū)稻麥輪作體系作物產(chǎn)量、氮肥利用率、氨揮發(fā)損失、土壤氯殘留和耕層土壤 pH 的影響，為新型含氯氮肥的推廣，降低環(huán)境風(fēng)險提供理論依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^兩年稻麥輪作季的田間小區(qū)試驗，在當(dāng)?shù)剡m宜施氮量條件下，以 CK (不施氮)和施用普通尿素為對照，研究了兩種含氯氮肥的施用對稻麥輪作體系作物產(chǎn)量和氮肥利用率的影響。采集作物收獲后 0—20 cm、20—40 cm 土壤樣品，采用硫氰酸汞比色法測定土壤氯殘留；施肥后采用密閉室間歇通氣－稀硫酸吸收法測定氨揮發(fā)通量?！窘Y(jié)果】尿素、氯化銨和含氯脲銨處理對稻麥產(chǎn)量無顯著影響，但與尿素相比含氯脲銨對稻麥有增產(chǎn)的趨勢，而氯化銨對小麥有減產(chǎn)趨勢。與尿素相比施用含氯脲銨顯著提高氮肥利用率7.0% (P < 0.05)。氨揮發(fā)主要發(fā)生在稻季，與施用尿素相比單施氯化銨使麥季氨揮發(fā)降低 26.3% (1.39 kg/hm2)，而使稻季氨揮發(fā)增加 10.4% (2.67 kg/hm2)；含氯脲銨使麥季和稻季的氨揮發(fā)分別降低 5.2% (0.55 kg/hm2) 和12.9% (6.16 kg/hm2)。施用含氯氮肥土壤氯殘留表現(xiàn)為稻季顯著增加，而麥季則顯著降低的趨勢，收獲期耕層土壤 (0—20 cm) 氯離子含量最高不超過 160 mg/kg，低于水稻和小麥的耐氯臨界值。經(jīng)過兩個稻麥輪作循環(huán)后，施用氯化銨土壤 pH 比尿素下降 0.88 個單位，而施含氯脲銨土壤 pH 與尿素沒有顯著差異?！窘Y(jié)論】在太湖地區(qū)稻麥輪作體系中，綜合考慮產(chǎn)量和環(huán)境效益，含氯脲銨氮肥與兩種單質(zhì)肥料相比有一定優(yōu)勢，為氨揮發(fā)減排和氯化銨施用難題的解決提供了依據(jù)。

含氯氮肥；稻麥輪作；氨揮發(fā)；氮素轉(zhuǎn)化；氮肥利用率

隨著我國聯(lián)堿工業(yè)的發(fā)展，其副產(chǎn)物氯化銨的產(chǎn)量在不斷增加，2015 年達(dá) 1221 萬噸[1]，是世界上生產(chǎn)和施用氯化銨最多的國家。氯化銨大部分被用作農(nóng)用肥料，而其物理性狀 (粉末，吸濕性強(qiáng)) 導(dǎo)致其難以儲存運輸，易結(jié)塊，不便于農(nóng)業(yè)機(jī)械操作，施用困難。

氯是植物需求量最多的微量元素，植物以 Cl–形態(tài)吸收氯元素，由于土壤、水和空氣中氯的廣泛存在，一般大田作物很少出現(xiàn)缺氯癥狀[2]。有研究表明施氯量超過植物耐氯臨界值時，將對植物產(chǎn)生毒害[3]，且長期施用氯化銨有造成作物減產(chǎn)、土壤酸化和土壤生物活性下降等一系列風(fēng)險[4–5]。楊林生等[5]，鄒長明等[6]在紅壤和紫色土 20 年以上的長期試驗結(jié)果表明，含氯氮肥對水稻和小麥均有減產(chǎn)趨勢。

Hahn 等[7]，劉康等[8]，周丕東等[9]等研究發(fā)現(xiàn)含氯氮肥中 Cl–對硝化作用有抑制作用，能夠降低土壤中 NH4+-N 硝化速率，Cl–抑制了亞硝化細(xì)菌的活性，進(jìn)而可降低硝酸鹽的反硝化、淋溶和徑流等損失風(fēng)險，能夠延長 NH4+-N 在土壤中的存留時間[10–11]，增強(qiáng)保氮能力。氯化銨作為酸性肥料，可降低土壤或田面水 pH 值，其中的氯離子可顯著降低脲酶活性[5]，有利于降低農(nóng)田 NH3揮發(fā)損失風(fēng)險。吳金桂等[12]，崔玉珍等[13]分別在潴育性水稻土和壤質(zhì)草甸土研究發(fā)現(xiàn)含氯氮肥對作物有增產(chǎn)效果；Freeman等[14]及黃啟為等[15]研究發(fā)現(xiàn)合理施用氯化銨或者將氯化銨與尿素配合施用能夠提高作物產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品硝酸鹽含量，提高作物品質(zhì)，增加土壤微團(tuán)聚體數(shù)量，減少Cl–在土壤中的積累。

本研究中氯脲銨氮肥是由江蘇華昌化工股份有限公司利用高塔噴漿造粒技術(shù)將尿素和氯化銨按一定比例混合造粒而成的新型脲銨氮肥，為有效解決氯化銨施用難題并減少過量 Cl–對土壤和作物造成的危害進(jìn)行了探索。目前國內(nèi)已有一些關(guān)于含氯氮肥在西南地區(qū)紫色土和南方紅壤丘陵地區(qū)的長期施用效果研究[5, 16–18]。本試驗是在太湖地區(qū)優(yōu)化施氮量(240 kg/hm2) 的基礎(chǔ)上[19–20]，研究含氯氮肥對稻麥輪作體系下氨揮發(fā)損失、產(chǎn)量和土壤氯殘留的影響，為尿素、氯化銨兩種單質(zhì)肥料的施用以及將二者混合造粒而成的含氯脲銨的施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于 2013 年 11 月～2015 年 6 月 在中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站 (31°32′45″N，120°41′57″E)進(jìn)行。屬北亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫 15.5℃，年降雨量 1038 mm，無霜期 224 d (圖 1)。稻–麥輪作為該地區(qū)的主要耕作制度，供試土壤為太湖流域有代表性的烏柵土，基本理化性質(zhì)及測定方法：pH 7.35 (水土比 2.5∶1)；陽離子交換量 (CEC) 17.7 cmol/kg，NH4OAc 法測定；有機(jī)質(zhì)含量 35 g/kg，K2Cr2O7氧化法測定；有效磷含量 5 mg/kg，Olsen 法測定；速效氮含量 12.4 mg/kg，堿解擴(kuò)散法測定；全氮含量 2.01 g/kg，半微量開氏法測定。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè) 4 個處理：空白不施氮 (CK)、尿素(U)、氯化銨 (NH4Cl) 和含氯脲銨 (尿素氮∶氯化銨氮 = 15∶15，總含 N 30%，由江蘇華昌化工提供，UAMF)，各處理 4 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，每個小區(qū)面積為 42 m2(6 m × 7 m)。稻季氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥 = 4∶2∶4 的比例施入，施氮處理施氮量均為 240 kg/hm2，小麥季氮肥按基肥∶返青肥∶拔節(jié)肥 = 4∶3∶3 比例施入，施氮量為稻季的 70%。磷肥 (過磷酸鈣) 和鉀肥 (氯化鉀) 均以基肥一次性施入，4 個處理的磷鉀肥用量保持一致。

試驗小區(qū)以水泥筑埂，水泥埂下埋 80 cm，高出地面 30 cm，水稻生長期間，除分蘗期烤田及成熟前1 周不灌水，其他時間保持 3～5 cm 深的水層。供試水稻品種為常優(yōu) 5 號，水稻秧苗 4～5 葉齡移栽，行間距 20 cm × 20 cm；小麥品種為揚麥 16 號，播種量為 180 kg/hm2。雜草和病蟲害管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)一致。2014 年小麥于 2013/11/14 播種，2014/6/2 收獲，水稻于 2014/6/24 插秧，2014/11/3 收獲；2015 年小麥于 2014/11/13 播種，2015/6/4 收獲，水稻于2015/6/23 插秧，2015/11/5 收獲。

1.3 樣品采集與測定方法

氨揮發(fā)采用密閉室間歇通氣法，稀硫酸吸收—靛酚藍(lán)比色法測定[21–22]，密閉室為直徑 20 cm、高 15cm 底部開放的有機(jī)玻璃罩，頂部留有直徑 2.5 cm 的通氣孔與高 2.5 m 通氣桿連通，密閉室內(nèi)的換氣頻率為 15～20 次/min。下午 5 點左右施肥，第二天上午開始進(jìn)行氨揮發(fā)采集，采集時間為每天 7:00～9:00和 15:00～17:00，以這 4 h 的氨揮發(fā)通量值作為每天平均通量計算全天的氨揮總量，以空白處理的氨揮發(fā)量作為背景值, 直至施氮處理與空白處理的氨揮發(fā)日通量無差異時停止本次氨揮發(fā)的采集。氨揮發(fā)通量計算公式為：

圖1 2014～2015 稻/麥季日平均氣溫與降雨量Fig. 1 Daily air temperature and precipitation during 2014 and 2015 wheat and rice seasons in Changshu[注（Note）：a、b、c、d 分別代表 2014 麥季、2014 稻季、2015 麥季和 2015 稻季的施肥事件a, b, c and drepresent fertilization events for 2014 wheat season, 2014 rice season, 2015 wheat season and 2015 rice season, respectively.]

表1 2013～2015 年稻麥季各處理施肥量 (N∶P2O5∶K2O∶Cl) (kg/hm2)Table1 Fertilizer application rates of rice-wheat rotation system in 2013–2015

式中：FNH3排放通量 kg/(d·m2)；n 為施肥后采集天數(shù)；c 為靛酚藍(lán)比色法求得吸收液中 NH4+-N 濃度(mg/L)；v 為稀硫酸吸收液體積 (mL)；6 為換算為一天排放通量；s 為收集氨揮發(fā)的密閉室面積 (cm2)；10–9為換算系數(shù)。

稻季田面水采集：氨揮發(fā)采集期間每天上午8:00 采集田面水樣品，帶回實驗室過濾，測定田面水 pH 和其中的 NH4+-N 濃度。

土壤樣品采集：在水稻和小麥?zhǔn)┤牖屎妥贩屎蠖ㄆ诓杉?0—20 cm 的土壤樣品，收獲期采集0—20 cm 和 20—40 cm 的土壤樣品，風(fēng)干磨細(xì)過 2 mm 篩測定氯含量 (SmartChem200 全自動化學(xué)分析儀水浸提-硫氰酸汞比色法測定[23]) 和耕層土壤 0—20 cm 土壤 pH (水∶土 = 2.5∶1)。

作物收獲時，對每個小區(qū)進(jìn)行單獨收割—脫?！L(fēng)干—測產(chǎn)，并采集考種樣品分為秸稈和籽粒，70℃ 烘干至恒重，分別稱取干物重后粉碎，后采用凱氏定氮法測定植株中的全氮含量，用以下公式計算氮肥利用率：

氮肥利用率 = (施氮處理水稻吸氮量 – 空白區(qū)水稻吸氮量)/施氮量

1.4 數(shù)據(jù)計算及分析

試驗數(shù)據(jù)用 SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，Origin9.1 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻麥季氨揮發(fā)的動態(tài)變化

麥季氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后的 15 d 內(nèi)，各處理氨揮發(fā)的峰值出現(xiàn)在施肥后的 2～6 d (圖 2)，其中尿素處理氨揮發(fā)峰值最高，為 0.7 kg/(hm2·d)，隨后氨揮發(fā)速率逐漸降低，到第 15 d 氨揮發(fā)日通量降至與空白無明顯差異。2014 年麥季氨揮發(fā)主要發(fā)生時期在基肥期，而 2015 年麥季氨揮發(fā)主要發(fā)生于后期兩次追肥期間。由表 2 可知，2014 和 2015 年麥季空白、尿素、氯化銨和含氯脲銨處理氨揮發(fā)通量平均值分別為 1.59、5.28、3.89 和 5.0 kg/hm2，均顯著低于稻季，與之前研究結(jié)果一致[24–25]。2014 年麥季氨揮發(fā)通量不同肥料品種間沒有顯著性差異，2015 年麥季氨揮發(fā)通量氯化銨比尿素和含氯脲銨低 2.39 和2.17 kg/hm2，達(dá)到顯著水平 (P < 0.05)。兩年麥季氨揮發(fā)總量，與尿素處理相比，氯化銨和含氯脲銨處理氨揮發(fā)量分別降低了 26.33% 和 5.21%，其中氯化銨達(dá)顯著水平。2014 年麥季尿素和含氯脲銨處理氨揮發(fā)通量均小于 2015 年，而氯化銨和空白處理相反，原因可能是 2015 年三次氨揮發(fā)監(jiān)測期間氣溫和降雨量分別比 2014 年高 1.6℃ 和 86.8 mm，較高的溫度和較多的雨水促進(jìn)了麥季土壤尿素態(tài)氮的水解和 NH4+-N 濃度的升高，進(jìn)而促進(jìn)了氨揮發(fā)的產(chǎn)生，雨水對氯化銨和空白處理產(chǎn)生的徑流作用可能是產(chǎn)生年際間結(jié)果相反的原因。

由圖 2 稻季氨揮發(fā)通量圖可知，氨揮發(fā)通量受氮肥品種影響顯著。稻季氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)在施肥后1～3 d，氯化銨處理氨揮發(fā)峰值最高，為 5.86 kg/(hm2·d)，氨揮發(fā)過程持續(xù) 5～7 d，之后與空白處理無顯著差異。不同施肥處理稻季氨揮發(fā)累積排放通量在 2014 年為 2.96～26.21 kg/hm2，平均為 17.87 kg/hm2；2015 為 4.41～30.54 kg/hm2，平均為 22.21 kg/hm2。兩年稻季氨揮發(fā)總排放量，與尿素處理相比，氯化銨處理氨揮發(fā)量增加了 10.41%，而含氯脲銨處理則降低了 12.86%，均達(dá)到顯著水平 (P < 0.05)。與 2015 年相比，2014 年基肥期氨揮發(fā)通量較低，因為施肥后連續(xù)的降雨事件降低了田面水中NH4+-N 濃度，導(dǎo)致基肥期氨揮發(fā)量較低。

2.2 含氯氮肥對稻季田面水銨態(tài)氮濃度和 pH 的影響

通過對田面水的監(jiān)測發(fā)現(xiàn) (圖 3)，施肥后田面水NH4+-N 濃度迅速升高，氯化銨處理第 1 天便達(dá)到峰值，而尿素和含氯脲銨在第 2～3 天達(dá)到峰值，隨后開始下降，施肥一周后降至與空白無異。2014 年氨揮發(fā)監(jiān)測期間尿素、氯化銨和含氯脲銨田面水NH4+-N 濃度范圍為 0.01～52.4 mg/L，平均濃度分別為 9.41、16.15 和 9.01 mg/L，而 pH 范圍為 7.48～8.65，平均值分別為 8.06、7.85 和 7.98；2015 年氨揮發(fā)監(jiān)測期間田面水 NH4+-N 濃度范圍為 0.051～66.85 mg/L，平均濃度分別為 11.86、19.03 和 11.78 mg/L，而 pH 范圍為 7.26～8.24，平均分別為 8.03、7.62 和 7.82。兩年處理間 pH 規(guī)律大致表現(xiàn)為氯化銨 <含氯脲銨 < 空白 < 尿素，田面水銨氮濃度表現(xiàn)為空白 < 含氯脲銨 < 尿素 < 氯化銨。

表2 2014～2015 兩個稻麥季不同氮肥品種氨揮發(fā)損失量 (kg/hm2) 和損失率 (%)Table2 Ammonia volatilization loss (kg/hm2) and loss rate (%) of different kinds of nitrogen fertilizers in different seasons

圖3 2014～2015 年稻田田面水中 NH4+-N 濃度和 pH 值的動態(tài)變化Fig. 3 Seasonal variations of NH4+-N concentration and pH in surface water after the N fertilizer application during the 2014 and 2015 rice growing periods

2.3 含氯氮肥對作物產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

與稻季相比，麥季施氮比不施氮增產(chǎn)效果更為顯著，麥季平均增產(chǎn)率達(dá) 186.5%～334.8%，小麥季產(chǎn)量變化范圍為 1014～4409 kg/hm2，不同施肥處理間產(chǎn)量無顯著差異。產(chǎn)量表現(xiàn)為含氯脲銨 > 尿素 >氯化銨 > 空白 (表 3)，麥季施用含氯脲銨有增產(chǎn)趨勢，而氯化銨有減產(chǎn)的趨勢。2014 年小麥季處理間氮肥利用率無顯著差異，2015 年麥季，含氯脲銨顯著比尿素和氯化銨高出 9.2 和 6.3 個百分點 (P < 0.05)。

表3 含氯氮肥對稻麥產(chǎn)量、吸氮量和氮肥利用率的影響Table3 Effects of the chlorine-containing N fertilizer on crop yields, N uptake and nitrogen use efficiency (NUE)

由表 3 可知，在稻麥輪作制度下，兩年水稻產(chǎn)量變化范圍為 5413～9043 kg/hm2，與不施氮肥相比，施用氮肥均能顯著提高作物產(chǎn)量，2014 和 2015年稻季增產(chǎn)率分別為 19.7%～26.2% 和 58.5%～67.1%，不同氮肥品種間產(chǎn)量無顯著差異。施用含氯脲銨水稻產(chǎn)量最高，兩年平均 8761.5 kg/hm2，相比尿素有增產(chǎn)趨勢，且含氯脲銨氮肥可顯著增加水稻植株地上部吸氮量，氮肥利用率兩年平均比尿素高 9.1 個百分點，達(dá)顯著水平 (P < 0.05)；氯化銨與尿素在產(chǎn)量和氮肥利用率方面沒有顯著差異。

小麥籽粒氮含量各處理兩年平均為 17.94 (空白)、19.08 (尿素)、20.27 (氯化銨) 和 20.65 (含氯脲銨) g/kg；水稻季籽粒氮含量各處理兩年平均為 10.61 (空白)、13.08 (尿素)、13.72 (氯化銨) 和 14.35 (含氯脲銨) g/kg。含氯氮肥對籽粒氮含量的提高有一定促進(jìn)作用，氯化銨處理小麥和水稻籽粒氮含量比尿素高出 6.2% 和 4.9%；含氯脲銨處理小麥和水稻籽粒氮含量比尿素高出 8.2% 和 9.7%，達(dá)顯著水平 (P < 0.05)。

2.4 含氯氮肥對土壤氯殘留和 pH 的影響

每年空白、尿素、氯化銨和含氯脲銨處理帶入農(nóng)田氯含量 (包括含氯氮肥和氯化鉀) 分別為，218、218、1252 和 735 kg/hm2，耕層土壤 0—20 cm土層 Cl–殘留量范圍，麥季為 40.8～88.9 mg/kg，稻季為 99.5～151.9 mg/kg，表現(xiàn)為麥季顯著降低，稻季顯著升高的規(guī)律 (圖 4)，其中氯化銨處理氯殘留量顯著高于其他處理。20—40 cm 土層 Cl–含量為67.37～101.7 mg/kg，施含氯肥料處理比空白高出4.95～26.66 mg/kg，各收獲季節(jié)不同處理間均無顯著差異。

圖5 反映了不同施肥處理對耕層土壤 pH 的影響，pH 呈現(xiàn)麥季升高，而稻季下降的規(guī)律，從 2014麥季到 2015 稻季 pH 范圍分別為 7.81～7.96、7.58～7.69、8.0～8.45 和 6.83～7.71。經(jīng)過兩個稻麥輪作季節(jié)后，施用氯化銨土壤 pH 平均較施用尿素處理下降0.88 個單位 (P < 0.05)，而施含氯脲銨土壤 pH 與尿素沒有差異。在太湖流域稻麥輪作體系下長期施用氯化銨對土壤pH有降低的風(fēng)險，故不推薦將氯化銨作為單一氮肥長期施用。

圖4 2014～2015 年稻麥季收獲后 0—20 cm 和 20—40 cm 土壤中 Cl–含量Fig. 4 Cl–contents in 0–20 cm and 20–40 cm soil after the harvest during the 2014–2015 rice-wheat rotation seasons[注（Note）：柱上不同字母表示施氮處理間差異達(dá) 5% 顯著水平Different letters above the bars mean significant among the fertilizers at the 5% levels.]

圖5 收獲季耕層土壤 0—20 cm 土壤 pH 值Fig. 5 Soil pH in 0–20 cm after the harvest

3 討論

3.1 含氯氮肥的氨揮發(fā)特征

溫度和降雨等氣象條件對農(nóng)田氨揮發(fā)均產(chǎn)生重要影響[26–27]，這些因素直接或間接的影響氮肥在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化。2014 年麥季氨揮發(fā)主要發(fā)生在基肥時期，而 2015 年主要發(fā)生在后兩次追肥。這主要與施肥后的降雨事件和當(dāng)時的溫度有關(guān)。在太湖流域水旱輪作制度下，麥季氨揮發(fā)通量顯著低于稻季，原因是麥季施肥量僅為稻季 70%，且麥季低溫以及麥季土壤在非淹水條件下硝化速率較高，降低了土壤中 NH4+-N 濃度，而多以 NO3–-N 形式存在于土體[28]。麥季氯化銨氨揮發(fā)通量低于尿素，與劉康[11]等研究結(jié)果一致，原因可能是氯化銨作為一種酸性肥料降低了表層土壤 pH。

氨揮發(fā)通量與田面水 NH4+-N 濃度以及 pH 顯著相關(guān)[21, 29]。與麥季不同，稻季水田處于淹水條件下，肥料氮素水解后主要以 NH4+-N 形式存在。氯化銨施入后迅速溶解，增加了田面水 NH4+-N 濃度，在氨揮發(fā)監(jiān)測期間，氯化銨田面水 NH4+-N 濃度兩年平均值比尿素高出 65.4%，雖然其 pH 值較尿素低 0.31 個單位，但是氯化銨的氨揮發(fā)通量仍然最高。相比氯化銨，在氨揮發(fā)監(jiān)測期間，含氯脲銨田面水 NH4+-N 濃度兩年平均值比尿素低 2.3%，且 pH 值比尿素低0.145 個單位，故含氯脲銨氨揮發(fā)通量最小。含氯脲銨作為尿素和氯化銨的混合造粒產(chǎn)物，使得田面水NH4+-N 濃度和 pH 均低于尿素處理，可能因為含氯脲銨處理中 Cl–1抑制了脲酶活性[30]并且在一定層度上降低了田面水 pH 所致。

3.2 含氯氮肥的產(chǎn)量效應(yīng)

有研究報道，Cl–能抑制土壤氮素的硝化作用[31]，并促進(jìn)對氮素的吸收[32]，但也有研究報道稱 Cl–能夠抑制作物對 P、Ca、Mn 和 Si 等元素吸收[6]。關(guān)于氯化銨的施用，周丕東[9]通過玉米盆栽實驗以及沈陽農(nóng)學(xué)院土化系[33]在遼寧省主要土壤類型上的氯化銨試驗已經(jīng)驗證了氯化銨的硝化抑制作用和增產(chǎn)效果。但是氯化銨在太湖流域稻麥輪作制度下對小麥卻有減產(chǎn)趨勢，可能與該地土壤條件有關(guān)，水旱輪作的土壤在小麥播種前翻耕土地，土地表層分布著諸多土塊易導(dǎo)致施肥不均勻，高濃度的 Cl–易對小麥幼苗產(chǎn)生毒害作用；也可能是因為與稻季相比，麥季氮素多以 NO3–-N 形式存在于土體，Cl–與 NO3–-N 之間的拮抗作用抑制了小麥對氮素的吸收，以上兩點原因掩蓋了 Cl–對硝化抑制進(jìn)而增產(chǎn)的效果。

氨揮發(fā)是農(nóng)田氮素主要的損失途徑之一，減少氨揮發(fā)損失對于提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率至關(guān)重要。本研究結(jié)果表明含氯脲銨氮肥氨揮發(fā)量平均比尿素和氯化銨降低 14.79% 和 26.68%，進(jìn)而減少了氮素?fù)p失，有助于提高氮素利用率。另外，含氯氮肥對籽粒氮含量的提高方面有一定促進(jìn)作用，含氯氮肥處理的水稻和小麥籽粒氮含量較尿素高出 4.9%～9.7%，這可能與肥料中 Cl–促進(jìn)了作物對氮素的吸收有關(guān)[32]，與吳金桂[12]等研究結(jié)果一致。

3.3 含氯氮肥氯殘留和 pH 分析

有研究表明施氯量超過植物耐氯臨界值時，將對植物產(chǎn)生毒害[2–3]，長期施用氯化銨會有造成作物減產(chǎn)、土壤酸化和土壤生物活性下降等一系列風(fēng)險[4–5]。氯是植物必需的微量營養(yǎng)元素，但是含氯氮肥中 Cl–含量和鹽指數(shù)都較高，關(guān)于含氯氮肥施用對土壤氯殘留的影響，毛知耘等[2]根據(jù)氯水平對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響總結(jié)出水稻耐氯臨界值為 750～850 mg/kg，為強(qiáng)耐氯作物，小麥耐氯臨界值為 500～600 mg/kg，屬于中等耐氯作物。本研究結(jié)果表明，在太湖地區(qū)稻麥輪作體系下，空白、尿素、氯化銨和含氯脲銨四個處理年施氯量分別為 218、218、1252 和735 kg/hm2的情況下，收獲季土壤氯殘留量最高不超過 160 mg/kg，遠(yuǎn)低于該臨界值，因而不會對稻麥產(chǎn)量和品質(zhì)造成負(fù)面影響。本研究中施用含氯肥料土壤氯殘留量表現(xiàn)為在稻季顯著增加，而麥季顯著降低的趨勢，主要原因為麥季施氯量小于稻季，且麥季降雨對 Cl–有淋洗作用。連續(xù)施用含氯氮肥對耕層土壤 pH 有降低的趨勢，單施氯化銨酸化最為嚴(yán)重，與吳金桂等[12]在蘇南地區(qū)研究結(jié)果一致。在太湖流域稻麥輪作體系下應(yīng)避免連續(xù)施用單質(zhì)氮肥氯化銨，而與氯化銨相比，含氯脲銨在減緩?fù)寥浪峄矫婢哂袃?yōu)勢。

4 結(jié)論

氨揮發(fā)主要發(fā)生在稻季，受田面水 NH4+-N 濃度和 pH 影響較大。含氯脲銨在稻麥季氨揮發(fā)量均低于兩種單質(zhì)肥料，氯化銨在稻季氨揮發(fā)量最高，而麥季相反。在適宜施氮量下，施用含氯脲銨能顯著提高氮肥利用率且對稻麥均有增產(chǎn)的趨勢，而氯化銨對小麥有減產(chǎn)趨勢。施用含氯氮肥土壤氯殘留量表現(xiàn)為在稻季顯著增加，而麥季顯著降低的趨勢。經(jīng)過兩個稻麥輪作循環(huán)后，連續(xù)兩年施用氯化銨對土壤 pH 有降低的作用，而施含氯脲銨土壤 pH 與尿素沒有差異。綜合考慮產(chǎn)量和環(huán)境效益，與單施尿素或氯化銨兩種單質(zhì)氮肥相比，兩種肥料混合造粒而成的含氯脲銨具有明顯優(yōu)勢，為氨揮發(fā)減排和聯(lián)堿工業(yè)副產(chǎn)物氯化銨的施用提供了依據(jù)。

[1]2015年全國純堿、氯化銨產(chǎn)量[J]. 純堿工業(yè), 2016, (2): 33. 2015 national soda ash, ammonium chloride production[J]. Soda Industry, 2016, (2): 33.

[2]毛知耘, 周則芳, 石孝均, 等. 再論氯化銨氮肥的發(fā)展前景[J]. 純堿工業(yè), 2000, (4): 3–9. Mao ZY, Zhou ZF, Shi XJ, et al. Further discussion on development prospect of ammonium chloride nitrogen fertilizer[J]. Soda Industry, 2000, (4): 3–9.

[3]金安世, 郭鵬程, 張秀英. 作物耐氯力及氯對產(chǎn)量品質(zhì)的影響[J].土壤通報, 1992, 23(6): 257–259. Jin AS, Guo PC, Zhang XY. Crop chlorine tolerance and effect of chlorine on yield and quality of crops[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1992, 23(6): 257–259.

[4]王德清, 郭鵬程, 董翔云. 氯對作物毒害作用的研究[J]. 土壤通報, 1990, (6): 258–261. Wang DQ, Guo PC, Dong YX. Study on the toxic effect of chlorine on crops[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1990, (6): 258–261.

[5]楊林生, 張宇亭, 黃興成, 等. 長期施用含氯化肥對稻-麥輪作體系土壤生物肥力的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49(4): 686–694. Yang LS, Zhang YT, Huang XC, et al. Effects of long-term application of chloride containing fertilizers on the biological fertility of purple soil under arice-wheat rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(4): 686–694.

[6]鄒長明, 高菊生, 王伯仁, 申華平. 長期施用含氯化肥對水稻生長和養(yǎng)分吸收的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2004, 20(6): 182–195. Zou CM, Gao JS, Wang BR, Shen HP. Effects of long-term application of chlorine-containing chemical fertilizers on growth and nutrients absorption of rice[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2004, 20(6): 182–195.

[7]Hahn BE, Olson FR, Roberts JL. Influence of potassium chloride on nitrification in bedford silt loam[J]. Soil Science, 1942, 54(2): 113–122.

[8]劉康, 殷歐. 氯化銨硝化抑制效應(yīng)的初步研究[J]. 土壤肥料, 1990, (1): 21–23. Liu K, Yin O. Preliminary study on nitrification inhibition of ammonium chloride[J]. Soils and Fertilizers, 1990, (1): 21–23.

[9]周丕東, 石孝均, 毛知耘. 氯化銨中氯的硝化抑制效應(yīng)研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2001, 7(4): 397–403. Zhou PD, Shi XJ, Mao ZY. Effect of chlorine of ammonium chloride on restraining nitrification[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2001, 7(4): 397–403.

[10]凌德, 李婷, 王火焰, 等. 施用方式和氮肥種類對水稻土中氮素遷移的影響效應(yīng)[J]. 土壤, 2015, 47(3): 478–482. Ling D, Li T, Wang HY, et al. Effects of fertilization methods and forms of nitrogen fertilizers on nitrogen diffusion and migration in paddy soil[J]. Soils, 2015, 47(3): 478–482.

[11]劉康, 殷鷗. 氯化銨的硝化抑制和氨化損失[J]. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報, 1988, 4(1): 70–74.Liu K, Yin O. Inhibited nitrification and ammonia volatilization of ammonium chloride[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 1988, 4(1): 70–74.

[12]吳金桂, 婁德仁, 寧運旺, 等. 對含氯化肥農(nóng)田應(yīng)用效果的評價[J].土壤學(xué)報, 1995, 32(3): 321–326. Wu JG, Lou DR, Ning YW, et al. Evaluation on efficiency of chloride-bearing fertilizer applied in farmland[J]. Acta Pedologica Sinica, 1995, 32(3): 321–326.

[13]崔玉珍, 金安世, 董甲珠. 氯化銨的增產(chǎn)效果及其對土壤性質(zhì)影響的研究[J]. 土壤通報, 1991, 21(1): 38–40. Cui YZ, Jin AS, Dong JZ. Effect of ammonium chloride on yield and soil properties[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1991, 21(1): 38–40.

[14]Freeman K, Girma K, Mosali J, et al. Response of winter wheat to chloride fertilization in sandy loam soils[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2006, 37(13–14): 1947–1955.

[15]黃啟為, 彭建偉, 楊志輝, 等. 氯化銨對小白菜產(chǎn)量品質(zhì)及土壤性質(zhì)的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2001, 27(5): 355–358. Huang QW, Peng JW, Yang ZH, et al. Effects of application rates of ammonium chloride on yield and quality of Chinese Cabbage-Pak-Choi and soil property[J]. Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences), 2001, 27(5): 355–358.

[16]侯曉娟, 徐明崗, 李冬初, 等. 長期施用含硫含氯化肥稻田土壤化學(xué)性質(zhì)的演變特征[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 43(12): 2460–2468. Hou XJ, Xu MG, Li DC, et al. Evolution of the soil chemical properties in paddy field under long-term application of sulfurcontaining and chloride-containing fertilizers[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(12): 2460–2468.

[17]陳銘, 孫富臣, 劉更另. 含硫及含氯化肥對湘南水田土壤酸度和養(yǎng)分有效性的影響[J]. 熱帶亞熱帶土壤科學(xué), 1993, 2(4): 189–194. Chen M, Sun FC, Liu GL. Effect of SO42-and Cl-fertilizers on soil acidity and nutrient availability of paddy in southern Hunan provence[J]. Tropical and Subtropical Soil Science, 1993, 2(4): 189–194.

[18]沈浦, 李冬初, 高菊生, 等. 長期施用含硫與含氯肥料對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 43(2): 322–328. Shen P, Li DC, Gao JS, et al. Effects of long-term application of sulfur-containing and chloride-containing chemical fertilizers on rice yield and its components[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 43(2): 322–328.

[19]Qiao J, Yang LZ, Yan TM, et al. Nitrogen fertilizer reduction in rice production for two consecutive years in the Taihu Lake area[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2012, 146(1): 103–112.

[20]Hofmeier M, Roelcke M, Han Y, et al. Nitrogen management in a rice-wheat system in the Taihu region: recommendations based on field experiments and surveys[J]. Agriculture, Ecosystems& Environment, 2015, 209: 60–73.

[21]Cao YS, Tian YH, Yin B, et al. Assessment of ammonia volatilization from paddy fields under crop management practices aimed to increase grain yield and Nefficiency[J]. Field Crops Research, 2013, 147: 23–31.

[22]敖玉琴, 張維, 田玉華, 等. 脲胺氮肥對太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)及氮肥利用率的影響[J]. 土壤, 2016, 48(2): 248–253. Ao YQ, Zhang W, Tian YH, et al. Effects of urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer on ammonia volatilization and nitrogen use efficiency in paddy field of Taihu Lake region[J]. Soils, 2016, 48(2): 248–253.

[23]劉艷梅. 硝酸銀滴定法與硫氰酸汞分光光度法測定水中氯化物(Cl-)的方法比對[J]. 環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊, 2007, 26(S1): 87–88. Liu YM. Study on method of chloride in water by nitrateradical titration method and mercury thiocyanate spectrophotometry[J]. China Academic Journal Electronic Publishing House, 2007, 26(S1): 87–88.

[24]鄧美華, 尹斌, 張紹林, 等. 不同施氮量和施氮方式對稻田氨揮發(fā)損失的影響[J]. 土壤, 2006, 38(3): 263–269. Deng MH, Yin B, Zhang SL, et al. Effect of rate and method of application on ammonia volatilization in paddy fields[J]. Soils, 2006, 38(3): 263–269.

[25]夏文建, 周衛(wèi), 梁國慶, 等. 優(yōu)化施氮下稻-麥輪作體系氮肥氨揮發(fā)損失研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2010, 16(1): 6–13. Xia WJ, Zhou W, Liang GQ, et al. Effect of optimized nitrogen application on ammonia volatilization from paddy field under wheatrice rotation system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(1): 6–13.

[26]宋勇生, 范曉暉, 林德喜, 等. 太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)及影響因素的研究[J]. 土壤學(xué)報, 2004, 41(2): 265–269. Song YS, Fan XH, Lin DX, et al. Ammonia volatilization from fields in the Taihu Lake region and its influencing factors[J]. Acta Pedologica Sinica, 2004, 41(2): 265–269.

[27]田光明, 蔡祖聰, 曹金留, 等. 鎮(zhèn)江丘陵區(qū)稻田化肥氮的氨揮發(fā)及其影響因素[J]. 土壤學(xué)報, 2001, 38(2): 324–332. Tian GM, Cai ZC, Cao LJ, et al. Ammonia volatilization from paddy field and its affecting factors in Zhenjiang hilly region[J]. Acta Pedologica Sinica, 2001, 38(2): 324–332.

[28]趙淼, 田玉華, 張敏, 等. 改善農(nóng)學(xué)管理措施減少太湖稻麥輪作 NH3和 NO 排放[J]. 土壤, 2015, 47(5): 836–841. Zhao M, Tian YH, Zhang M, et al. Improving agronomic practices to reduce ammonia and nitric oxide emission from rice-wheat rotation field in Tai Lake region, China[J]. Soils, 2015, 47(5): 836–841.

[29]Xu JZ, Peng SZ, Yang SH, et al. Ammonia volatilization losses from arice paddy with different irrigation and nitrogen managements[J]. Agricultural Water Management, 2012, 104: 184–192.

[30]Frankenberger WT, Bingham FT. Influence of salinity on soil enzyme activities[J]. Soil Science Society of America Journal, 1982, 46: 1173–1177.

[31]Megda MX V, Mariano E, Leite JM, et al. Chloride ion as nitrification inhibitor and its biocidal potential in soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 72: 84–87.

[32]安景文. 氯對水稻養(yǎng)分吸收及酶活性影響的研究[J]. 土壤通報, 1992, 23(6): 263–265. An JW. Effects of chlorine on nutrient uptake and enzyme activity of rice[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1992, 23(6): 263–265.

[33]氯化銨肥效及硝化抑制效應(yīng)試驗[J]. 純堿工業(yè), 1984, (3): 8–15. Effect of ammonium chloride and the effect of nitrification inhibition[J]. Soda Industry, 1984, (3): 8–15.

Effects of chlorine-containing nitrogen fertilizer on ammonia volatilization and yields under rice–wheat rotation system in Taihu Lake region

ZHANG Bo-wen1,2, ZHAO Miao3, AO Yu-qin1, ZHANG Wei1, TIAN Yu-hua1, LI Xiao4, GE Ren-shan4, YIN Bin1*, ZHU Zhao-liang1
( 1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China; 4 Jiangsu Huachang Chemical Co., LTD, Zhangjiagang, Jiangsu 215600, China )

【Objectives】With the aim of marketing anew technological chlorine-containing fertilizer with decreasing environmental risk, we gained insight into crop yield, nitrogen use efficiency (NUE), ammonia volatilization, soil residual chlorine and pH in soil from rice–wheat rotation system with addition of urea, ammonium chloride and urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer (urea∶ammonium chloride = 1∶1, manufactured with tower spray granulation technology, UAMF) in Taihu Lake region.【Methods】Taking the no fertilizer application (CK) and conventional urea application (U) as two controls, effect of the chlorine-containing Nfertilizer was studied through atwo-rotation filed plot experiment in Taihu Lake region. The chlorine residual at the depths of 0–20 cm and 20–40 cm soil after the harvest was determined with the mercury thiocyanate spectrophotometry. The NH3volatilization was measured by adynamic chamber method.【Results】There were no significant differences in statistics among grain yields for the applied urea, ammonium chloride and UAMF. But compared with the urea fertilizer, the UAMF had ahigher trend for the rice and wheat yields and the ammonium chloride had alower trend for the wheat yield. In addition, the UAMF significantly increased the NUE by 7.0% compared to the urea application (P < 0.05). The NH3volatilization occurred primarily during the rice season rather than during the wheat season. Compared to the NH3volatilization from the urea, the NH3volatilization amounts of the ammonium chloride were decreased by 26.3% (1.39 kg/hm2) in wheat season but increased by 10.4% (2.67 kg/hm2) in rice season. In contrast, the UAMF presented 5.2% (0.55 kg/hm2) and 12.9% (6.16 kg/hm2) decreases in wheat and rice season, respectively. The two chlorine-containing fertilizers both increased significantly the load of the chlorine residual in soil during the rice season but had areduced trend during the wheat season. Above all, the chlorine residual in soil after the harvest was less than 160 mg/kg, which was under the reported threshold of the chlorine resistance for the rice and wheat. The pH in soil of the UAMF was also not changed significantly, but that of the ammonium chloride decreased by 0.88 units compared with the urea.【Conclusions】Taking into consideration both the yield and environmental benefit in the rice–wheat rotation system, the UAMF should be apromising Nfertilizer for replacing urea or ammonium chloride in Taihu Lake region.

chlorine-containing nitrogen fertilizer; rice–wheat rotation; ammonia volatilization; N transformation; nitrogen use efficiency

2016–11–29 接受日期：2017–02–18

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973 計劃）項目（2013CB127401）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0207906）資助。

張博文（1990—），男，河南周口人，碩士研究生，主要從事土壤氮素循環(huán)與環(huán)境污染控制技術(shù)研究。

E-mail：bwzhang@issas.ac.cn。 *通信作者 E-mail：byin@issas.ac.cn