蓄水坑灌下追肥時期對果園土壤氨揮發(fā)的影響

孫瑞峰，馬娟娟 ，郭向紅，孫西歡,2，程奇云

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030600)

蘋果產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，氮素是果樹生長和發(fā)育的重要營養(yǎng)元素。目前我國已經(jīng)是世界上氮肥消費(fèi)大國，根據(jù)中國統(tǒng)計年鑒[1]，2017年我國化學(xué)氮肥用量達(dá)到2 221.8 萬t。但是我國氮肥利用率約為20%～40%，而發(fā)達(dá)國家氮肥利用率平均在50%以上[2]。尿素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的化學(xué)氮肥，當(dāng)尿素施入土壤后經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化，會發(fā)生氨揮發(fā)損失[3]，當(dāng)施肥方式不合理的時候，表層土壤銨態(tài)氮含量較大，土壤pH明顯升高[4]，均會促進(jìn)土壤產(chǎn)生氨揮發(fā)，氨揮發(fā)損失可達(dá)到40%～50%[5]。楊世紅等[6]研究表明采用節(jié)水灌溉方法能夠降低土壤氨揮發(fā)損失。施肥深度也會影響土壤氨揮發(fā)，氮肥表施，氨揮發(fā)損失率可達(dá)到50%[ 7]，而氮肥深施能顯著降低氨揮發(fā)損失[8]。除此之外，追肥時期對土壤氨揮發(fā)也有重要影響。楊曉云通過試驗表明，追肥后氨揮發(fā)速率與氨揮發(fā)累積量要顯著高于基肥[9]。但丁闊等[10]對梨園氨揮發(fā)特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)追肥期氨揮發(fā)速率和損失累積量小于基肥期。因此，不同追肥時期對土壤氨揮發(fā)的影響有待進(jìn)一步研究。

蓄水坑灌法是一種適用于山丘區(qū)果園的中深層立體灌溉方法[11]。前人對蓄水坑灌條件下水氮運(yùn)移進(jìn)行了相關(guān)研究，得出蓄水坑灌水肥灌施后，水肥通過蓄水坑直接滲入中深層土壤，表層土壤水肥含量較低，能降低土壤氨揮發(fā)損失[12,13]。李京玲等通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)，氨揮發(fā)主要集中在蓄水坑壁[14]。李婧羿[15]基于蓄水坑灌法，研究了肥液濃度對氨揮發(fā)的影響，得出肥液濃度越大，土壤氨揮發(fā)速率和氨揮發(fā)累積量越大；劉浩[16]對蓄水坑灌和地面灌溉兩種灌水方式下的土壤氨揮發(fā)進(jìn)行了研究，得出地面灌溉氨揮發(fā)累積量約為蓄水坑灌的14倍，說明蓄水坑灌法具有較好的保肥效果。丁寧[17]研究表明在果樹生育期內(nèi)分次追施氮肥有利于果樹生長，能夠提高氮肥利用率。因此，結(jié)合果樹需肥規(guī)律以及前人研究，對蓄水坑灌條件下不同追肥時期對果園土壤氨揮發(fā)的影響進(jìn)行研究，能夠為制定蓄水坑灌條件下科學(xué)合理的果園施肥制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2018年4-9月在山西省農(nóng)科院果樹研究所節(jié)水灌溉示范園內(nèi)進(jìn)行，試驗區(qū)位于東經(jīng)112°32'、北緯37°23'，海拔約800 m，屬典型的暖溫帶季風(fēng)影響下的大陸性半干旱氣候類型。試驗區(qū)多年平均降雨量約為460 mm，多年平均氣溫為9.8 ℃，無霜期為175 d，土壤質(zhì)地以粉砂壤土為主，土壤體積質(zhì)量為1.47 g/cm3，田間持水率為30%(體積含水率)，土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.66 mg/kg，硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.72 mg/kg，灌溉水源為地下水。

1.2 試驗設(shè)計

試驗選用樹勢旺盛、無病蟲害、長勢一致的7年生矮砧密植紅富士蘋果樹，株、行間距為2 m×4 m。每棵樹下設(shè)有4個直徑30 cm、坑深40 cm、距樹干60 cm的蓄水坑，田間布置圖見圖1。試驗以追肥時期為控制因子，共設(shè)4個處理：花后期5月24號追肥(T1)、果實(shí)膨大期7月19號追肥(T2)、花后期和果實(shí)膨大期平均追施(T3)、對照不追肥處理(T4)。每個處理重復(fù)3次，施氮量為300 kg/hm2，追肥時各處理灌水量均保持一致，其他田間管理措施均相同。試驗設(shè)計見表1。

1.3 田間采樣及測定方法

試驗采用磷酸甘油雙層海綿通氣法收集土壤氨揮發(fā)，收集裝置由直徑16 cm、高10 cm的PVC管和兩片直徑16 cm、厚2 cm的海綿組成，收集裝置見圖2。測點(diǎn)分為不過坑、過坑和坑內(nèi)三個方向，不過坑方向位于兩個蓄水坑中心連線上，測點(diǎn)距樹干45、75、105 cm，記為B45、B75、B105；過坑方向在樹干和蓄水坑中心連線上，測點(diǎn)距樹干45、105 cm，記為G45、G105；測點(diǎn)布置圖見圖1?？觾?nèi)測點(diǎn)垂直于蓄水坑壁，距地表10、30 cm，記為D10、D30。

圖1 蓄水坑及氨揮發(fā)測點(diǎn)布置圖 Fig.1 Layout of water storage pits and ammonia volatilization measuring points

表1 試驗設(shè)計kg/hm2

Tab.1 The experiment design

追肥時期追肥量T1T2T3T4花后期30001500果實(shí)膨大期03001500

圖2 氨揮發(fā)收集裝置(單位：cm)Fig.2 Ammonia volatilization collection device

追肥后在測點(diǎn)放上浸潤15 mL磷酸甘油溶液(50 mL磷酸+40 mL丙三醇，去離子水定至1 L)的海綿，次日同一時間進(jìn)行取樣，取樣時將內(nèi)層海綿取出，放到貼好標(biāo)簽的自封袋里，并換上一片新海綿，外層海綿視干濕情況3～5 d左右更換一次。將海綿帶回室內(nèi)裝入三角瓶中，用1 mol/L的KCI溶液浸提，抽取浸提液用連續(xù)流動分析儀進(jìn)行測定。氨揮發(fā)取樣時間為追肥后第1，2，3，4，5，6，7，14，30 d。

土壤銨態(tài)氮和pH采用表層0～10 cm的土壤測定，土壤銨態(tài)氮利用連續(xù)流動分析儀測定，土壤pH利用雷磁PHSJ-3F型pH計測定。在B75、D10和D30測點(diǎn)埋設(shè)HZR-8T溫度傳感器采集表層0～10 cm的土壤溫度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，采用SPSS 23進(jìn)行差異顯著性分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同追肥期地面氨揮發(fā)速率

圖3為地面不過坑和過坑方向上不同測點(diǎn)的土壤氨揮發(fā)速率隨時間變化曲線。由圖可知，追肥處理(T1、T2、T3)土壤氨揮發(fā)速率大于對照不追肥處理(T4)，整體上追肥處理氨揮發(fā)速率先升高后降低，追肥后14 d氨揮發(fā)速率降至較低水平，追肥后30 d氨揮發(fā)速率降至本底值；對照處理氨揮發(fā)速率小且波動頻繁。花后期追肥后第2 d果園出現(xiàn)降溫現(xiàn)象，各測點(diǎn)氨揮發(fā)速率降低，第3 d溫度升高，尿素水解速度變快，土壤銨態(tài)氮濃度和土壤pH升高，T1和T3處理氨揮發(fā)速率達(dá)到峰值，T1處理各測點(diǎn)氨揮發(fā)速率峰值為35.86～48.03 mg/(m2·d)，T3處理各測點(diǎn)氨揮發(fā)速率峰值為27.05～40.23 mg/(m2·d)。果實(shí)膨大期T2和T3處理氨揮發(fā)速率在追肥后第2 d達(dá)到峰值，T2處理各測點(diǎn)氨揮發(fā)速率峰值為43.84～55.38 mg/(m2·d)，T3處理各測點(diǎn)氨揮發(fā)速率峰值為28.95～40.21 mg/(m2·d)，追肥后第3 d果園出現(xiàn)降雨現(xiàn)象，使得表層土壤銨態(tài)氮濃度和pH變小，氨揮發(fā)速率降至較低水平，追肥后第6 d由于溫度升高，氨揮發(fā)速率出現(xiàn)小幅上升。由此可以發(fā)現(xiàn)果實(shí)膨大期氨揮發(fā)速率大于花后期，且峰值出現(xiàn)時間比花后期早，其原因為果實(shí)膨大期土壤溫度比花后期大，尿素水解速度快，銨態(tài)氮累積速度快，而銨態(tài)氮是土壤氨揮發(fā)的底物，所以果實(shí)膨大期氨揮發(fā)速率峰值大且出現(xiàn)時間早；同時尿素水解會使得土壤pH升高，促進(jìn)銨態(tài)氮向氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化，增加土壤溶液中的氨態(tài)氮比例，從而使土壤氨揮發(fā)速率升高。表2對追肥處理地面土壤氨揮發(fā)速率與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，由表2可知，土壤氨揮發(fā)速率與土壤銨態(tài)氮濃度極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤pH顯著正相關(guān)(P<0.05)?；ê笃诎睋]發(fā)速率與土壤溫度負(fù)相關(guān)且不顯著，這是因為從追肥后第4 d開始土壤溫度持續(xù)升高，加快了土壤硝化作用，土壤銨態(tài)氮濃度降低，氨揮發(fā)速率隨之減小，氨揮發(fā)速率與土壤溫度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；果實(shí)膨大期氨揮發(fā)速率與土壤溫度顯著正相關(guān)，這是因為果實(shí)膨大期土壤溫度比花后期高，當(dāng)溫度升高時會增加土壤中氨態(tài)氮比例，加快土壤水分蒸發(fā)，從而增加氨揮發(fā)速率。因此土壤銨態(tài)氮濃度和pH是影響地面測點(diǎn)土壤氨揮發(fā)速率的重要因素，土壤溫度通過尿素水解、微生物活動以及水分蒸發(fā)速率等方面來影響土壤氨揮發(fā)。

圖3 地面土壤氨揮發(fā)速率Fig.3 Ammonia volatilization rate of surface soil

表2 地面土壤氨揮發(fā)速率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

Tab.2 Correlation between ammonia volatilization rateof surface soil and soil physical and chemical properties

T1T2T3-1T3-2銨態(tài)氮濃度0.856??0.942??0.826??0.837??土壤pH0.611?0.455?0.615?0.496?土壤溫度-0.3660.775?-0.2490.792?

注：①*表示P<0.05；**表示P<0.01；②T3-1為花后追肥期， T3-2為果實(shí)膨大追肥期， T4同理，下同。

2.2 不同追肥期蓄水坑壁氨揮發(fā)速率

圖4是蓄水坑壁不同測點(diǎn)土壤氨揮發(fā)速率隨時間變化曲線。由圖4可知，追肥處理(T1、T2、T3)坑壁測點(diǎn)土壤氨揮發(fā)速率先升高后降低，肥后30 d在降至本底值附近；T4處理坑壁測點(diǎn)的氨揮發(fā)速率低且波動范圍小?；ê笃谧贩屎蟮? d T1和T3處理D10測點(diǎn)氨揮發(fā)速率出現(xiàn)下降，但D30測點(diǎn)氨揮發(fā)速率沒有下降，因為D10測點(diǎn)距地表較近，溫度降低使得尿素水解速度和氨態(tài)氮的擴(kuò)散速率降低，而D30測點(diǎn)距地表較遠(yuǎn)，土壤溫度變化幅度小且水肥在D30測點(diǎn)處積累較多，氨揮發(fā)速率持續(xù)升高。花后期T1處理D10和D30測點(diǎn)氨揮發(fā)速率均在追肥后第4 d達(dá)到峰值，分別為241.02、286.08mg/(m2·d)；T3處理D10測點(diǎn)氨揮發(fā)速率在追肥后第4 d達(dá)到峰值，為52.93 mg/(m2·d)，D30測點(diǎn)氨揮發(fā)速率在追肥后第3 d達(dá)到峰值，為121.53 mg/(m2·d)。果實(shí)膨大期追肥后氨揮發(fā)速率迅速升高，T2和T3處理氨揮發(fā)速率均在追肥后第2 d達(dá)到峰值，T2處理D10和D30測點(diǎn)氨揮發(fā)速率分別為286.02、359.95 mg/(m2·d)；T3處理D10和D30測點(diǎn)氨揮發(fā)速率分別為81.11、126.70 mg/(m2·d)。果實(shí)膨大期追肥后第3 d氨揮發(fā)速率明顯降低，是因為果園出現(xiàn)降雨現(xiàn)象，雨水通過蓄水坑入滲，降低了坑壁土壤的銨態(tài)氮濃度。對比兩次追肥期坑壁測點(diǎn)氨揮發(fā)速率可以發(fā)現(xiàn)，果實(shí)膨大期坑壁測點(diǎn)氨揮發(fā)速率比花后期大且峰值出現(xiàn)時間比花后期早，因為果實(shí)膨大期平均土壤溫度比花后期高5 ℃，尿素水解速度快，土壤銨態(tài)氮濃度和土壤pH大，促進(jìn)土壤產(chǎn)生氨揮發(fā)。在水肥再分布過程中，越靠近蓄水坑底，銨態(tài)氮累積量和土壤pH越大，有利于土壤產(chǎn)生氨揮發(fā)，因此，D30測點(diǎn)氨揮發(fā)速率大于D10測點(diǎn)。表3對追肥處理坑壁土壤氨揮發(fā)速率與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，由表可知，土壤氨揮發(fā)速率與土壤銨態(tài)氮濃度顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)正相關(guān)，與土壤pH顯著正相關(guān)(P<0.05)，花后期土壤氨揮發(fā)速率與土壤溫度相關(guān)性較低，而果實(shí)膨大期兩者顯著正相關(guān)。因此，土壤銨態(tài)氮濃度和土壤pH是影響坑壁土壤氨揮發(fā)速率的重要因素，土壤溫度通過硝化作用等微生物活動和水肥擴(kuò)散速率來影響土壤氨揮發(fā)速率。

圖4 蓄水坑壁土壤氨揮發(fā)速率Fig.4 Ammonia volatilization rate of the soil in water storage pit wall

表3 坑壁土壤氨揮發(fā)速率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

Tab.3 Correlation between ammonia volatilization rateof pit wall soil and soil physical and chemical properties

T1T2T3-1T3-2銨態(tài)氮濃度0.861?0.957??0.910?0.724?土壤pH0.828?0.712?0.831?0.694?土壤溫度-0.1810.774?-0.1900.809?

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

2.3 氨揮發(fā)累積量

不同處理追肥后30 d的氨揮發(fā)累積量和氨揮發(fā)損失率見表4。T4處理為不追肥對照處理，地面氨揮發(fā)累積量大于蓄水坑壁氨揮發(fā)累積量，花后期地面氨揮發(fā)累積量和坑壁氨揮發(fā)累積量分別為765.30、344.44 mg，果實(shí)膨大期地面氨揮發(fā)累積量和坑壁氨揮發(fā)累積量分別為471.55、280.44 mg。追肥處理水肥灌施后蓄水坑壁土壤水肥含量較大，而地表水肥含量較低，蓄水坑壁氨揮發(fā)累積量大于地面氨揮發(fā)累積量。不同追肥時期氨揮發(fā)累積量不同且差異顯著(P<0.05)。T1處理在花后期追肥，地面氨揮發(fā)累積量為1 251.95 mg，坑壁累積量為3 332.88 mg，花后期土壤平均溫度為20 ℃，脲酶和硝化菌的活性相對較低，尿素水解產(chǎn)生的銨態(tài)氮在土壤中存留時間長，為氨揮發(fā)創(chuàng)造了有利的條件，因此，花后期氨揮發(fā)損失率最大，為1.45%。T2處理在果實(shí)膨大期追肥，地面氨揮發(fā)累積量為1 028.59 mg，坑壁累積量為2 178.14 mg，果實(shí)膨大期土壤平均溫度為25 ℃，是脲酶和硝化菌活動的適宜溫度，銨態(tài)氮通過硝化作用迅速轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，使土壤銨態(tài)氮減少，從而降低了氨揮發(fā)損失，T2處理氨揮發(fā)損失率為1.02%，比T1處理小29.66%。T3處理分次追肥，追肥量與T1和T2處理相同，兩次追肥期各施一半，花后期地面氨揮發(fā)累積量為987.61 mg，坑壁累積量為1 204.39 mg，果實(shí)膨大期地面氨揮發(fā)累積量為788.12 mg，坑壁累積量為808.82 mg，T3處理降低了單次追肥量，追肥后土壤中銨態(tài)氮濃度較低且土壤pH升高幅度小，從而降低了氨揮發(fā)損失，T3處理氨揮發(fā)損失率最小，為0.80%，比T1處理小44.83%，比T2處理小21.57%。本研究得出，蓄水坑灌條件下果園土壤氨揮發(fā)損失率較低，為0.80%～1.45%，與劉浩[13]研究結(jié)論相似；降低單次追肥量，分次追肥能夠減少蓄水坑灌條件下果園土壤氨揮發(fā)累積量，降低氨揮發(fā)損失率。

表4 氨揮發(fā)累積量及損失率

Tab.4 Ammonia volatilization cumulative amount and loss rate

處理地面累積量/mg蓄水坑壁累積量/mg總累積量/mg損失率/%T11 251.95±13.553 332.88±24.314 584.83±34.64a1.45T21 028.59±19.892 178.14±20.463 206.73±37.76b1.02T3-1987.61±15.711 204.39±15.832 192.00±28.93c0.80T3-2788.12±18.92808.82±17.351 596.94±37.15d-T4-1765.30±12.48344.44±5.521 109.74±16.82e-T4-2471.55±21.37280.44±3.96751.99±23.55f-

注：①損失率=(施肥處理累積量-對照處理累積量)/施氮量；不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；②T3處理損失率為T3-1和T3-2氨揮發(fā)損失率之和。

3 結(jié) 語

通過田間試驗，對蓄水坑灌條件下不同追肥時期果園土壤的氨揮發(fā)及其與影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論。

(1)追肥增加了果園土壤氨揮發(fā)速率，追肥后氨揮發(fā)速率先升高后降低，追肥后30 d降至本底值附近。果實(shí)膨大期氨揮發(fā)速率峰值比花后期大且出現(xiàn)時間早，追肥處理蓄水坑壁測點(diǎn)的氨揮發(fā)速率大于地面測點(diǎn)。

(2)氨揮發(fā)速率與表層土壤銨態(tài)氮濃度顯著或極顯著正相關(guān)，與表層土壤pH顯著正相關(guān)，土壤溫度通過控制尿素水解速度、硝化作用等微生物活動和水肥擴(kuò)散速率來影響土壤氨揮發(fā)，花后期氨揮發(fā)速率與土壤溫度相關(guān)性不顯著，果實(shí)膨大期兩者顯著正相關(guān)，追肥后降雨也會對氨揮發(fā)產(chǎn)生一定的影響。

(3)本試驗得出蓄水坑灌條件下果園土壤氨揮發(fā)損失率為0.80%～1.45%，說明蓄水坑灌水肥灌施能夠有效降低氨揮發(fā)損失，具有較好的保肥潛力。不同追肥時期土壤氨揮發(fā)累積量差異顯著，花后期土壤氨揮發(fā)累積量和氨揮發(fā)損失率最大，果實(shí)膨大期氨揮發(fā)損失率比花后期小29.66%，兩次追肥期平均追施土壤氨揮發(fā)累積量和氨揮發(fā)損失率最小，比花后期小44.83%，比果實(shí)膨大期小21.57%，說明降低單次追肥量，分次追肥能進(jìn)一步降低氨揮發(fā)損失率。