洱海流域典型農(nóng)區(qū)不同施肥處理下稻田氨揮發(fā)變化特征

吳 凡，張克強(qiáng) ，謝 坤，王 風(fēng)，王瑞琦，尹高飛，沈仕洲*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，大理 671004）

我國(guó)作為世界第一大化肥消費(fèi)國(guó)，氮肥用量占全球用量的35%左右，其中稻田氮肥占世界稻田氮肥用量的36.1%[1-2]，而平均氮肥利用率僅為30%～35%[3]。施入土壤中的氮肥可通過(guò)多種途徑發(fā)生氮素?fù)p失：部分通過(guò)地表徑流、淋溶等方式進(jìn)入地表水、地下水中；其他則通過(guò)硝化-反硝化及氨揮發(fā)作用等釋放到大氣中[4]，其中以氨揮發(fā)形式損失的占5%～47%[5]。通過(guò)氨揮發(fā)產(chǎn)生的損失，不僅會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染，而且會(huì)影響大氣透明度和空氣質(zhì)量。過(guò)量農(nóng)田氮肥施用已成為我國(guó)水環(huán)境和大氣環(huán)境污染的重要原因之一。由于水田氮肥多施用于表層，氨揮發(fā)損失較大[6]，并且受多種因素如氣候條件、土壤性質(zhì)以及農(nóng)業(yè)措施的影響[7]，不同地區(qū)稻田氨揮發(fā)的情況存在較大差異。有研究表明，在中南丘陵酸性土雙季稻區(qū)，土壤氨揮發(fā)損失范圍為18.44%～32.20%[8]；在太湖流域低洼湖蕩平原，稻田田面水pH為7.0～8.5時(shí)，氨揮發(fā)損失率為3%～14.6%[9]；在南方紅壤地區(qū)雙季稻田早、晚季氨揮發(fā)累積量分別占其施氮量的4.5%～15.3%和16.9%～32.8%[10]。洱海流域是典型的高原湖濱農(nóng)業(yè)區(qū)，也是我國(guó)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)面源污染治理區(qū)。由于該地區(qū)海拔高、降雨集中等特殊性，而與其他地區(qū)存在較大差異，關(guān)于該地區(qū)稻田氨揮發(fā)損失情況的相關(guān)研究較為欠缺。

近年的研究表明，施氮量是影響稻田氨揮發(fā)最主要的因素，通常氨揮發(fā)損失量隨施氮量增加而增加[11-12]，且不同類型氮肥表現(xiàn)出不同的氨揮發(fā)規(guī)律[13]。本試驗(yàn)主要考慮了不同氮肥類型及不同施氮量對(duì)氨揮發(fā)的影響，試驗(yàn)采用密閉室間歇通氣法，旨在研究不同氮肥類型及不同施氮量的氨揮發(fā)損失情況，為有效減少肥料氮素?fù)p失、減少農(nóng)業(yè)面源污染、提高洱海水質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于云南省大理市喜洲鎮(zhèn)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站內(nèi)（25°53′34″N，100°10′27″E）。該地區(qū)屬典型的低緯高原中亞熱帶西南季風(fēng)氣候類型，海拔1980 m，年均氣溫14.6℃，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)；雨量充沛，年平均降雨量為908.8 mm，但85%～96%的降雨集中在5—10月份[14]，試驗(yàn)期間降雨量及氣溫情況見(jiàn)圖1。供試水稻品種為云粳26號(hào)。供試土壤為暗棕壤，0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)為：全氮、全磷、全鉀、水解性氮、有效磷、速效鉀含量分別為 3307、971、19 300.0、233、35.3、72.7 mg·kg-1，陽(yáng)離子交換量為 21.1 cmol·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為57.3 g·kg-1，土壤pH值為7.1。

圖1 2018年試驗(yàn)期間降雨量和氣溫情況Figure 1 Rain fall and temperature during experimental period in 2018

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理：不施肥（CK）；習(xí)慣施肥（CF），20%化肥減量施肥（T1）；以N計(jì)，有機(jī)肥替代化肥（20%減量，下同）（T2）；以P計(jì)，有機(jī)肥替代化肥，化學(xué)肥料補(bǔ)齊氮肥（T3）；考慮有機(jī)肥當(dāng)季礦化率（25%），以N計(jì)，有機(jī)肥替代化肥（T4）；考慮有機(jī)肥當(dāng)季礦化率（25%），以P計(jì)，有機(jī)肥替代化肥（T5）；以N計(jì)，控釋肥替代化肥（T6）。其中常規(guī)施肥氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀；控釋施肥氮磷鉀比例為23∶10∶12；有機(jī)肥為牛糞有機(jī)肥，含有機(jī)質(zhì)14.5%，氮（N）2.3%，磷（P2O5）2.4%，鉀（K2O）5.7%。有機(jī)肥用作基肥，在翻耕前一次性施入，翻耕深度約20 cm，控釋肥在分蘗期一次性施入，化肥分兩次施入，在分蘗期施入總量的70%，在穗肥期施入總量的30%。每個(gè)施氮處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，具體施肥情況見(jiàn)表1。本試驗(yàn)田面管理均采用當(dāng)?shù)氐湫凸芾砟Ｊ健?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

本試驗(yàn)采用密閉室間歇通氣法測(cè)定稻田氨揮發(fā)量[15]，利用抽氣減壓將田間揮發(fā)到空氣中的氨吸入裝有50 mL硼酸吸收液（20 g·L-1）的洗氣瓶，田間揮發(fā)氨被硼酸溶液吸收后，利用標(biāo)準(zhǔn)稀硫酸溶液（0.01 mol·L-1）滴定，計(jì)算土壤氨揮發(fā)速率及氨揮發(fā)累積量。本試驗(yàn)將兩個(gè)洗氣瓶串聯(lián)，以保證氣體氨的充分吸收，密閉室采用透明有機(jī)玻璃材料制成，底部直徑20 cm，上端露出水面5～8 cm，使水面與室頂之間形成一個(gè)有限的密閉空間，通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)抽氣量，使密閉空間的換氣速率在15～20次·min-1。

試驗(yàn)開(kāi)展時(shí)間為2018年6月2日—10月9日，6月2日施入基肥，6月12日施入分蘗肥，7月30日施入穗肥。在每日的9：00—11：00、15：00—17：00兩個(gè)時(shí)間段采集揮發(fā)氨，并以這兩個(gè)時(shí)間段的測(cè)定值估算當(dāng)日氨揮發(fā)速率的平均值。本試驗(yàn)在施肥后7 d內(nèi)連續(xù)測(cè)定田面水產(chǎn)生的揮發(fā)氨，之后根據(jù)氨揮發(fā)量間隔2～3 d采樣，直至氨揮發(fā)量與CK處理無(wú)明顯差異為止。在測(cè)定稻田氨揮發(fā)的同時(shí)采集田面水水樣，用于測(cè)定NH+4-N濃度、NO-3-N濃度和pH值。水樣NH+4-N采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，NO-3-N采用紫外分光光度法測(cè)定，pH值采用pH計(jì)測(cè)定。

1.4 計(jì)算方法與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)如下公式計(jì)算氨揮發(fā)速率、氨揮發(fā)累積量及氨揮發(fā)損失率：

式中：F為氨揮發(fā)速率，kg·hm-2·d-1；CS為1/2 H2SO4標(biāo)準(zhǔn)液的濃度，mol·L-1；VS為樣品吸收液消耗的稀硫酸溶液體積，mL；V0為H3BO3指示劑溶液消耗的稀硫酸體積，mL；r為氣室半徑，0.1 m；t為氨揮發(fā)收集時(shí)間，h；R為氨揮發(fā)累計(jì)損失率，%；∑F為氨揮發(fā)累積量，kg·hm-2；NF為肥料氮施用量，kg·hm-2。

利用Microsoft Excel進(jìn)行圖表繪制，并利用SPSS Statistics統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮處理的氨揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)變化

整個(gè)水稻季，不同施肥處理在各時(shí)期的稻田氨揮發(fā)速率均呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律。從圖2可以看出，各處理的氨揮發(fā)高峰期都集中在施肥后的2～5 d內(nèi)。從各處理氨揮發(fā)速率峰值出現(xiàn)的時(shí)間可以看出，施入有機(jī)肥的氨揮發(fā)出現(xiàn)較遲，而施入尿素和控釋肥之后很快便出現(xiàn)揮發(fā)氨，并且氨揮發(fā)速率迅速達(dá)到峰值。

表1 不同施肥處理各施肥期施肥量（kg·hm-2）Table 1 The amount of fertilization in different fertilization treatments under different treatments（kg·hm-2）

比較各施肥期不同施氮處理的氨揮發(fā)速率，在基肥期只有T2、T3、T4、T5處理施入有機(jī)肥，這4個(gè)處理在施肥后的4～5 d內(nèi)都達(dá)到了氨揮發(fā)速率的峰值，之后開(kāi)始逐漸降低直至與CK處理氨揮發(fā)速率無(wú)明顯差別，其他處理在基肥期沒(méi)有施肥，產(chǎn)生的氨揮發(fā)量很小。CF、T1、T3、T5處理分蘗肥期施入尿素，T6處理施入控釋肥。從追肥后第2 d開(kāi)始，施入尿素處理的田面氨揮發(fā)速率迅速升高，并在第3 d達(dá)到峰值，CF、T1、T3、T5處理的峰值分別為 7.84、5.47、2.73、4.53 kg·hm-2·d-1。在第4 d氨揮發(fā)速率發(fā)生了一定的下降，但在第5 d再次出現(xiàn)了氨揮發(fā)速率的上升。CF、T1、T3、T5處理施入穗肥的當(dāng)日下午即出現(xiàn)了氨揮發(fā)，CF、T1、T3處理在第3 d氨揮發(fā)速率達(dá)到峰值7.95、4.85、2.61 kg·hm-2·d-1，T5處理則在施肥后第1 d便達(dá)到峰值4.03 kg·hm-2·d-1，之后開(kāi)始逐漸降低直至與CK處理無(wú)明顯差異。

2.2 不同施氮處理的氨揮發(fā)累積量

如圖3所示，不同類型氮肥的氨揮發(fā)積累量差異較大。施入氮肥的稻田中揮發(fā)氨的來(lái)源包括土壤原本殘留的氮素以及新施入的氮素。施肥稻田來(lái)自土壤殘留氮素的氨揮發(fā)等于不施氮小區(qū)的揮發(fā)量，因此施肥小區(qū)來(lái)自氮肥的揮發(fā)氨可由其與不施肥小區(qū)的差值來(lái)估算[16]。各施肥處理氨揮發(fā)累積量依次為42.52、22.73、11.71、15.12、38.24、25.95、18.44 kg·hm-2。其中常規(guī)處理CF的氨揮發(fā)累積量最大，其次為T4處理，氨揮發(fā)累積量最小的為T2處理。減量施肥的T1、T2和T3處理分別小于CF、T4及T5處理。將相同施氮量處理進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，施入化肥的T1處理氨揮發(fā)累積量最大，其次為施入控釋肥的T6處理，最小的是施入有機(jī)肥的T2處理，有機(jī)肥部分替代化肥的T3處理其氨揮發(fā)累積量又小于T6處理。

圖2 不同施肥處理下稻田氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Changes of ammonia volatilization in rice field under different fertilization treatments

圖3 不同施肥處理下的氨揮發(fā)累積量Figure 3 Ammonia volatilization accumulation under different fertilization treatments

表2 不同處理各施肥期氨揮發(fā)損失占施氮量比（%）Table 2 Ratio of ammonia volatilization loss to nitrogen application rate in different treatment periods（%）

從表2可以看出，只施入尿素的CF和T1處理氨揮發(fā)損失占比最大，且T1處理?yè)p失占比為14.57%，小于CF處理的21.81%。其次為施入控釋肥的T6處理，氨揮發(fā)損失占比最小的是施入有機(jī)肥的T4處理。T1、T2、T3和T6處理的總施氮量相同，但各處理間的氨揮發(fā)損失占比相差較大，大小依次為T1＞T6＞T3＞T2。

比較各施肥階段，CF、T1、T3和T5處理在分蘗肥期和穗肥期只施用尿素，從表中可以看出，分蘗肥期各處理氨揮發(fā)損失占施氮量比分別為15.72%、10.21%、7.18%和9.55%；穗肥期分別為33.00%、23.04%、19.04%和22.86%。穗肥期的氨揮發(fā)損失比明顯高于分蘗期。

2.3 田面水不同形態(tài)氮素及pH相關(guān)性分析

如圖4所示，各時(shí)期的田面水NH+4-N及NO-3-N濃度在施入肥料的7～15 d內(nèi)變化趨同，都呈現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律。但是不同處理之間也存在較大差異，總體看施氮量越大，田面水NH+4-N濃度的峰值越高，并且化肥處理峰值最大，有機(jī)肥處理峰值最小。在氨揮發(fā)測(cè)定期間，不同施肥方式的田面水pH在施肥后的2～5 d內(nèi)逐漸升高，之后逐漸降低并趨于中性。

為進(jìn)一步說(shuō)明不同施肥類型及不同施肥量對(duì)稻田土壤氨揮發(fā)的影響，將8個(gè)處理運(yùn)用相同分析方法進(jìn)行田面水NH+4-N、NO-3-N、pH和氨揮發(fā)速率之間的相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出，影響稻田氨揮發(fā)速率的主要因素為田面水NH+4-N濃度，且兩者呈顯著正相關(guān)，即田面水NH+4-N濃度越高，氨揮發(fā)速率越大。田面水NH+4-N濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間比氨揮發(fā)速率峰值出現(xiàn)早，說(shuō)明田面水NH+4-N由液相NH3轉(zhuǎn)化為氣相NH3的過(guò)程需要一定時(shí)間及條件。田面水NH+4-N與NO-3-N濃度變化之間也存在極顯著相關(guān)，可以總結(jié)為NH+4-N濃度越高，轉(zhuǎn)化為NO-3-N的效率越高，因此相應(yīng)的濃度也越高。結(jié)合圖4和表3可以看出，田面水pH的變化對(duì)稻田氨揮發(fā)存在一定影響，但并不具有顯著相關(guān)性，這是由于田面水pH值變化范圍較小，在7.5～8.5之間，因此對(duì)氨揮發(fā)影響不顯著。

表3 田面水pH、NH+4-N、NO-3-N和氨揮發(fā)速率相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of pH，NH+4-N，NO-3-N and ammonia volatilization rate

3 討論

各處理的氨揮發(fā)速率范圍為2.41～10.09 kg·hm-2·d-1，不同處理的氨揮發(fā)速率差異較大，這主要是由施用氮肥類型及施氮量不同造成的。從圖1可以看出，在施入分蘗肥后第4 d發(fā)生了強(qiáng)降雨，造成田面氣溫降低，因此抑制了稻田土壤氨揮發(fā)速率，但隨著氣溫回升氨揮發(fā)速率出現(xiàn)了再次上升。相關(guān)研究表明，降雨對(duì)氨揮發(fā)的抑制，主要是通過(guò)下滲作用將氮素帶入土壤，增加NH+4被土壤吸附或被植株吸收的機(jī)會(huì)，并且增加上升到土壤表層的阻力，從而間接減少氨揮發(fā)損失[17]。在分蘗肥階段存在強(qiáng)降雨現(xiàn)象，期間田面溫度也隨之降低，相應(yīng)的CF、T1、T3、T5處理氨揮發(fā)速率從 7.84、5.47、2.73、3.48 kg·hm-2·d-1下降至4.35、2.10、1.24、1.30 kg·hm-2·d-1，這可能是由于溫度降低造成尿素分解速率降低，因此導(dǎo)致氨揮發(fā)速率降低，在降雨停止、氣溫回升之后，氨揮發(fā)速率又上升至5.64、2.79、1.78、2.27 kg·hm-2·d-1。

通過(guò)圖3比較CF、T1及基肥階段T2～T5處理的氨揮發(fā)累積量可以發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)降低施氮量可以有效減少稻田氨揮發(fā)損失。比較相同施氮量的T1、T2、T3及T6處理可以發(fā)現(xiàn)，單純施入化肥會(huì)造成更多的氨揮發(fā)損失，而有機(jī)肥及控釋肥的使用能有效減少氮素通過(guò)氨揮發(fā)途徑的損失，并且有機(jī)肥減少損失的效果更加明顯，這與前人的研究結(jié)果基本一致[18-19]。

比較不同時(shí)期各處理的氨揮發(fā)損失占比可以發(fā)現(xiàn)，分蘗期的氨揮發(fā)損失占比要小于穗肥期，而基肥期的氨揮發(fā)損失占比最小。這可能是由于基肥期施用的只有有機(jī)肥，并且進(jìn)行了農(nóng)田翻耕，明顯減少了氨揮發(fā)的損失。在分蘗肥階段藻類植物和水稻生長(zhǎng)需要的氮素迅速增加，相應(yīng)的NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N的速率升高，導(dǎo)致稻田氨揮發(fā)量減少，同時(shí)在追施分蘗肥階段發(fā)生了幾次降雨，導(dǎo)致氣溫降低，也在一定程度上抑制了稻田氨揮發(fā)。而在穗肥期水稻生長(zhǎng)速度開(kāi)始減緩，并且田面水面的藻類生長(zhǎng)也達(dá)到飽和，對(duì)氮素的需求量大幅降低，因此氮素轉(zhuǎn)化速度降低，從而導(dǎo)致氨揮發(fā)量增加。

施肥量的減少造成了對(duì)應(yīng)處理田面NH+4-N濃度的減少，使得稻田氨揮發(fā)損失也隨之減少。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，不施肥處理CK與其他施肥處理比較，施肥后田面水pH隨著時(shí)間推移在不斷降低。有研究結(jié)果表明，氨揮發(fā)隨著土壤pH值的升高而增大[20]，氨揮發(fā)本身是一個(gè)酸化過(guò)程，但是結(jié)合灌溉水的理化性質(zhì)，在剛施肥時(shí)田面水pH為弱堿性，之后開(kāi)始逐漸降低。另外，硝化作用也是酸化過(guò)程，在分蘗肥和穗肥階段都只施加了尿素，尿素水解成NH+4-N后隨著硝化作用的進(jìn)行，也可能使田面水pH降低，這與賀發(fā)云等[21]的發(fā)現(xiàn)相似。

從表4中可以看出，各施肥處理的水稻產(chǎn)量、氨揮發(fā)累積量差異顯著，T6處理水稻產(chǎn)量最高為10 527 kg·hm-2，不施肥處理CK的水稻產(chǎn)量最低為4045 kg·hm-2。與常規(guī)施肥CF相比，T1至T5處理水稻產(chǎn)量分別減少了1.6%、36.3%、15.2%、31.1%、1.7%，T6處理產(chǎn)量增加了5.5%。計(jì)算各處理單位產(chǎn)量產(chǎn)生的氨揮發(fā)累積量可綜合評(píng)價(jià)作物產(chǎn)量與揮發(fā)氨排放代價(jià)，氨揮發(fā)累積量與水稻產(chǎn)量的比值可稱為氨揮發(fā)產(chǎn)量標(biāo)尺，大小依次為T6＜T3＜T2＜T1＜T5＜CK＜CF＜T4。只施用控釋肥的T6處理產(chǎn)量標(biāo)尺最小為1.75 kg·t-1，這說(shuō)明施用控釋肥在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)，還可以減少氨揮發(fā)的排放。比較不同施氮水平下各處理產(chǎn)量標(biāo)尺大小，T1＜CF、T2＜T4、T3＜T5，CF與T1處理之間水稻產(chǎn)量差異不顯著，但氨揮發(fā)累積量差異顯著，這說(shuō)明減少20%的化肥施肥量可以在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)，減少氨揮發(fā)排放量；T2與T4處理之間水稻產(chǎn)量無(wú)明顯差異，但氨揮發(fā)累積量差異顯著，這說(shuō)明有機(jī)肥施用量越大，氨揮發(fā)排放量越大，但對(duì)當(dāng)季水稻產(chǎn)量的增長(zhǎng)影響不明顯。T3處理的產(chǎn)量標(biāo)尺小于T5，但水稻產(chǎn)量差異較大。與常規(guī)施肥處理CF相比，T1、T5及T6處理在保持水稻產(chǎn)量的同時(shí)，產(chǎn)生的氨揮發(fā)排放量分別減少了46.5%、39.0%、56.6%，這3個(gè)處理為較優(yōu)施肥處理。

4 結(jié)論

（1）氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后2～5 d內(nèi)，穗肥期氨揮發(fā)損失占比最大，其次為分蘗肥期，基肥期損失最少。

表4 不同處理氨揮發(fā)累積量及水稻產(chǎn)量之間的比較Table 4 Comparison between different treatments of ammoniavolatilization accumulation and rice yield

（2）不同施肥處理的氨揮發(fā)總量存在較大差異，等量施氮條件下氨揮發(fā)損失占總施氮量比例為尿素＞控釋肥＞有機(jī)肥+化肥＞有機(jī)肥；不同施氮量條件下，施氮量越大氨揮發(fā)累積量越大。

（3）田面水NH+4-N濃度的變化是氨揮發(fā)速率的主要影響因素，氮肥量越高，田面水NH+4濃度越高，從而促進(jìn)了稻田氨揮發(fā)的損失。

（4）綜合氨揮發(fā)累積量和水稻產(chǎn)量，在洱海流域典型農(nóng)區(qū)稻田種植中，有機(jī)肥與化肥配施（25%當(dāng)季礦化率）、化肥減量施用（20%）以及控釋肥施用是3種較優(yōu)的環(huán)境友好型施肥方式。