不同施肥方式對(duì)稻田氨揮發(fā)特征的影響

邢月 沙之敏 卑志鋼

摘要：氨揮發(fā)是稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮素?fù)p失的主要途徑之一，也是氮肥利用效率低的主要因素之一。采用測(cè)坑定位試驗(yàn)，設(shè)置不施肥對(duì)照（CK）、單施化肥（CT）、混施肥（MT）和單施有機(jī)肥（OT）4個(gè)處理，開(kāi)展了上海地區(qū)不同施肥條件下稻田氨揮發(fā)特征及其影響因素的研究。結(jié)果表明，化肥處理能夠顯著增加氨揮發(fā)損失量，可達(dá)到 55.96 kg/hm2，比混施肥處理和有機(jī)肥處理分別增加了11.33 kg/hm2和28.74 kg/hm2氨的揮發(fā)量。單施化肥氨揮發(fā)損失率可達(dá)11.88%，而單施有機(jī)肥和混施肥處理氨揮發(fā)損失率分別為2.30%和8.10%。田面水的銨態(tài)氮濃度是決定稻田氨揮發(fā)量的最主要因素之一，與氨揮發(fā)通量之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系（P<0.05）?；焓┓侍幚磔^空白處理增產(chǎn)率最高達(dá)到70.55%。整體來(lái)看，混施肥處理對(duì)提高水稻產(chǎn)量和降低氮肥環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的綜合效果最佳，故混施肥是上海地區(qū)較為適合的稻田施肥方式。

關(guān)鍵詞：有機(jī)肥;化肥;氨揮發(fā);田面水;水稻產(chǎn)量

中圖分類號(hào)： S143.1;S511.06 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）17-0313-05

氮肥施用量高、肥料利用率低是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題[1]。據(jù)張福鎖等統(tǒng)計(jì)，我國(guó)肥料使用量在過(guò)去的幾十年中一直快速增長(zhǎng)，在2016年統(tǒng)計(jì)中首次出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)[2]。而在人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的長(zhǎng)江中下游地區(qū)，近年來(lái)氮肥施用量早已大大超過(guò)全國(guó)平均水平，過(guò)度的氮肥施用不僅不能提高水稻質(zhì)量與產(chǎn)量，反而會(huì)降低氮肥利用率[3-4]，同時(shí)也會(huì)造成土壤、水體和大氣環(huán)境的污染，對(duì)人類的生存環(huán)境造成危害[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥當(dāng)季的表觀利用率僅為30%～35%[6]。氨揮發(fā)在稻田生態(tài)系統(tǒng)中是氮肥最為主要的氣態(tài)損失途徑，占氮施入量9%～42%[7-8]。大氣中的NH3被氧化后并與酸反應(yīng)引起霧霾天氣[9]，NH3在沉降后又會(huì)返回到陸地和土壤之中，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化，更進(jìn)一步加劇溫室效應(yīng)和土壤酸化問(wèn)題[10]。

前人研究發(fā)現(xiàn)，稻田氮素?fù)p失與氮肥種類、施肥的方法和時(shí)期有關(guān)。從氮肥種類來(lái)說(shuō)，脲胺氮肥比尿素和氯化銨的損失量小[11]，而且氨揮發(fā)損失主要發(fā)生在施肥后的7 d內(nèi)，田面水銨態(tài)氮含量和pH值是影響氨揮發(fā)的重要因子。李菊梅等研究表明，水稻田間氨揮發(fā)損失以施用化肥處理最高，其次為有機(jī)無(wú)機(jī)肥各半處理，單施有機(jī)肥處理最少，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用能顯著地降低稻田氨揮發(fā)量，減少氮素?fù)p失，提高氮肥利用率，其氮肥利用率可達(dá)34.9%，高于化肥處理33.2%和有機(jī)肥處理28%[12]。楊林章等的研究結(jié)果也表明，氮肥用量由當(dāng)前農(nóng)戶施氮水平減少22%時(shí)，不會(huì)對(duì)作物氮累積量與產(chǎn)量造成影響，同時(shí)適當(dāng)降低施氮水平并搭配有機(jī)肥，是具產(chǎn)量可持續(xù)性及環(huán)境友好性的氮肥管理模式[13]。Xu等研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥方式NH3揮發(fā)損失為表施>混施>深施>粒肥深施[14-15]。除此之外，土壤性質(zhì)、氣候條件以及農(nóng)事操作都會(huì)影響到氨揮發(fā)的速率[16]。

據(jù)《2016上海市環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，上海地區(qū)PM2.5未達(dá)到國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量年均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。上海作為重要的環(huán)境保護(hù)區(qū)域，且水稻種植面積大，化肥用量大，會(huì)產(chǎn)生大量NH3，但針對(duì)上海地區(qū)氨揮發(fā)的研究卻相對(duì)較少，故按照上海地區(qū)農(nóng)民習(xí)慣施肥模式，研究施氮對(duì)氨揮發(fā)的影響規(guī)律和機(jī)理，對(duì)于合理安排施肥、控制稻田氨揮發(fā)量具有重要意義。趙方杰曾指出，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中很多過(guò)程進(jìn)展緩慢，環(huán)境條件也在不斷地發(fā)生難以預(yù)測(cè)的變化，短期試驗(yàn)不能揭示長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)，因此，長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是不可替代的研究手段[17]。本研究基于長(zhǎng)期測(cè)坑定位試驗(yàn)，比較在化肥（CT）、有機(jī)肥（OT）以及化肥與有機(jī)肥混施（MT）的條件下，氨揮發(fā)通量、總量、損失率和產(chǎn)量的差異，同時(shí)分析氨揮發(fā)速率與田面水銨態(tài)氮濃度、溫度的關(guān)系，以期為上海地區(qū)稻田氮素優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于上海市青浦區(qū)（121°7′E，31°12′N(xiāo)），采用野外田間原位觀測(cè)試驗(yàn)。該地區(qū)為典型稻作農(nóng)區(qū)，種植制度以稻麥輪作為主。所選試驗(yàn)田自2009年起種植水稻，并維持3種施肥方式不變，進(jìn)行長(zhǎng)期定位試驗(yàn)：空白對(duì)照（CK）不施肥;單施化肥處理（CT）施用尿素;混施肥處理（MT）施用80%尿 素+20%有機(jī)肥（純氮比）;單施有機(jī)肥處理（OT）全部施用有機(jī)肥。2017年水稻種植前土壤基本理化性質(zhì)（本底值）如表1所示。試驗(yàn)地年平均氣溫為17.7 ℃，年平均降水量為 1 034.5 mm，試驗(yàn)時(shí)間為2017年，氨揮發(fā)采集期間日平均氣溫與降水量由實(shí)驗(yàn)站自動(dòng)檢測(cè)裝置記錄，如圖1所示。本研究采用測(cè)坑定位試驗(yàn)，測(cè)坑裝置位于上海市青浦區(qū)水務(wù)局農(nóng)田水利技術(shù)推廣站內(nèi)。該測(cè)坑實(shí)驗(yàn)站建于1998年，共16個(gè)測(cè)坑，規(guī)格為2 m×3 m，建造時(shí)采用原狀土回填，坑內(nèi)土壤深度為2.5 m，并設(shè)有犁底層，坑與坑之間以水泥埂隔開(kāi)以防止肥水的串流，水泥埂深入土壤2.5 m并高出土壤表面0.2 m。試驗(yàn)稻田采用移栽種植方式，田間水分管理為傳統(tǒng)淹灌+中期烤田，烤田時(shí)間為14 d。供試水稻為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種“花優(yōu)14”，試驗(yàn)期間稻田具體管理措施如下：6月8日施基肥，6月9日移栽，7月21日第1次追肥，8月2—14日烤田，9月10日第2次追肥，10月30日水稻收割，其他農(nóng)田管理措施參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4種處理，包括空白對(duì)照和3種施肥處理，每種處理3次重復(fù)，各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列。3種施肥處理控制總純氮量相等，施肥水平參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施肥量300 kg/hm2。

本試驗(yàn)中所施有機(jī)肥購(gòu)于上海森農(nóng)環(huán)?？萍加邢薰?，以雞糞為原料發(fā)酵生產(chǎn)。有機(jī)肥含氮量為1.74%，有機(jī)質(zhì)含量為53.7%，含水量為35.8%，尿素含氮量為46%。有機(jī)肥均以基肥的方式施入，尿素分為基肥和2次追肥（比例為 6 ∶ 2 ∶ 2），具體施肥方案如表2所示。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 植株樣品采集與測(cè)定 在水稻成熟后，人工收割整個(gè)小區(qū)的水稻用于水稻產(chǎn)量的估算，進(jìn)行產(chǎn)量結(jié)構(gòu)分析，植株全氮含量用半微量凱氏定氮法測(cè)定。

1.3.2 氨揮發(fā)采集與測(cè)定 氨揮發(fā)采用密閉室間歇抽氣-酸堿滴定法進(jìn)行測(cè)定，利用空氣置換密閉室內(nèi)的氨，揮發(fā)出來(lái)的氨隨著抽氣氣流進(jìn)入吸收瓶中，被瓶中硼酸吸收，通過(guò)酸堿滴定測(cè)定氨濃度，估算土壤表面揮發(fā)氨量及累積量。氨揮發(fā)采集裝置如圖2所示，由內(nèi)徑25 cm、高18 cm無(wú)底的有機(jī)玻璃制成。每次施肥后連續(xù)7～12 d，采樣時(shí)間為每日的 08：00—10：00和14：00—16：00。采樣時(shí)應(yīng)打開(kāi)真空泵，氣室內(nèi)的換氣速率應(yīng)控制在15～20次/min。而后在實(shí)驗(yàn)室用硫酸標(biāo)準(zhǔn)液（0.01 mol/L）滴定洗瓶中吸收的NH3，記錄所用硫酸體積（V）。

氨揮發(fā)率=[氨揮發(fā)通量（X）-氨揮發(fā)通量（CK）]/300，X=CT、MT、OT。

本試驗(yàn)的氣象數(shù)據(jù)由青浦區(qū)水利技術(shù)推廣站提供。

1.3.3 水稻田面水收集與測(cè)定 水稻田面水采集與氨揮發(fā)采集時(shí)間一致，多點(diǎn)取得田面水樣品進(jìn)行混合，后裝入聚乙烯塑料瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)定量濾紙初步過(guò)濾后分析測(cè)定。銨態(tài)氮（NH4+-N）用紫外分光光度法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理水稻田間氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)

稻田各施肥處理的氨揮發(fā)通量變化如圖3所示。在各次施入肥料后，不同施肥處理的氨揮發(fā)通量均會(huì)明顯增強(qiáng)，峰值出現(xiàn)在施肥后的1～3 d內(nèi)，后呈現(xiàn)逐步下降1周后至平穩(wěn)的相似趨勢(shì)。有機(jī)肥處理的氨揮發(fā)速率明顯低于化肥處理和混施肥處理。由圖3可以看出，與CT相比，OT能夠明顯減少57%左右的氨揮發(fā)量。MT只在基肥時(shí)期較CT減少36%左右氨揮發(fā)通量，在分蘗期和抽穗期則沒(méi)有明顯降低。

基肥施入稻田之后1 d內(nèi)，氨揮發(fā)明顯增強(qiáng)，各處理的氨揮發(fā)速率均達(dá)到最大值，其中CT為5.94 kg/（hm2·d），MT為3.06 kg/（hm2·d），OT為1.19 kg/（hm2·d）。第2天氨揮發(fā)極速下降后緩慢回升，最終降至平穩(wěn)狀態(tài)。施入基肥后第2天氨揮發(fā)通量急劇下降，第3天后基本維持在平穩(wěn)狀態(tài)，與宋勇生等的研究[18]有所差別，分析其原因，基肥施用后上海地區(qū)發(fā)生了特大暴雨，稻田產(chǎn)生了大量徑流，因而田面水銨態(tài)氮濃度降低，直接影響了氨揮發(fā)量[19-20]。降水減緩后，氨揮發(fā)速率緩慢回升，于施肥后第4天開(kāi)始逐漸降低。在這一時(shí)期，整體氨揮發(fā)通量較高，主要原因在于基肥施氮比例最高[21]。

由圖4可見(jiàn)，在分蘗肥施入稻田后當(dāng)天出現(xiàn)了氨揮發(fā)的峰值，MT最高，CT次之，OT和CK最低。但氨揮發(fā)速率明顯低于基肥時(shí)期，在施肥后第4天就趨于穩(wěn)定。主要是因?yàn)榉痔Y期是在7月下旬，田間溫度較高，微生物活動(dòng)劇烈，加速了氨揮發(fā)進(jìn)程。同時(shí)在這一時(shí)期，混施肥處理的氨揮發(fā)速率略微高于化肥處理的氨揮發(fā)速率，可能是由于MT中追肥的量與CT相等，并且MT中的有機(jī)氮緩慢礦化，造成氨氣釋放比CT多[22]，且化肥處理的水稻植株長(zhǎng)勢(shì)較好，對(duì)田面產(chǎn)生了一定的遮蔽作用，從而使化肥處理的氨揮發(fā)低于混施肥處理的氨揮發(fā)[18]。在穗肥施入稻田后，氨揮發(fā)高峰較分蘗肥時(shí)期遲，出現(xiàn)在施肥后第3天，且下降速率明顯較分蘗時(shí)期緩慢，9月14日的氨揮發(fā)通量明顯下降，可能由于在當(dāng)天進(jìn)行了灌水，導(dǎo)致了田面水銨態(tài)氮濃度的降低，從而影響了氨揮發(fā)的速率。因此，施肥后5～7 d內(nèi)是控制稻田氨揮發(fā)損失的關(guān)鍵時(shí)期[23]。

2.2 不同施肥處理稻田氨揮發(fā)損失量

2017年稻田3次施肥后的氨揮發(fā)量見(jiàn)表3，氨揮發(fā)總量為取樣時(shí)間內(nèi)氨揮發(fā)通量對(duì)時(shí)間的積累。各處理的氨揮發(fā)總量為20.32～55.96 kg/hm2，這與以往研究結(jié)果[18，23]相比偏低。原因是基肥和穗肥施入后以低溫多雨天氣為主。蔡貴信指出，稻田氨揮發(fā)主要決定于天氣狀況[19]，而且在分蘗肥施入后進(jìn)行了多次灌水，田間農(nóng)事操作也會(huì)影響稻田氨揮發(fā)。

從損失量來(lái)看，3種處理都是基肥>穗肥>分蘗肥，氨揮發(fā)量均在分蘗期呈現(xiàn)最低水平，分別為CK 3.52 kg/hm2、CT 5.73 kg/hm2、MT 7.12 kg/hm2、OT 3.58 kg/hm2。雖然分蘗期的田間溫度最高，但是氨揮發(fā)最顯著的7 d內(nèi)，分別在7月23日、7月25日、7月26日進(jìn)行了灌水，這樣的農(nóng)事操作會(huì)明顯降低田面水銨態(tài)氮濃度（圖4），直接導(dǎo)致氨揮發(fā)量的極速下降，造成了與朱兆良等的研究結(jié)果[24]有所不同。上述結(jié)果表明，氨揮發(fā)隨氣候條件（溫度、降水、風(fēng)速等）以及農(nóng)事操作（灌水以及施肥方式等）的不同而有所變化[25-26]。氨揮發(fā)量在基肥期呈現(xiàn)最高水平，這是由于基肥期施肥量最大，這與前人研究氨揮發(fā)量與施肥量呈正相關(guān)的理論[27]相符合。CT氨揮發(fā)總量達(dá)到了55.96 kg/hm2，與CT相比，OT顯著降低了51.4%的氨揮發(fā)量。從表3來(lái)看，CT和MT總氨揮發(fā)量是沒(méi)有顯著差異的，但基肥施用后MT減少了氨揮發(fā)的量。

如表4所示，從損失率角度來(lái)看，各施肥處理總氨揮發(fā)率為2.30%～11.88%。即使同一處理同一時(shí)期的氨揮發(fā)量最大，但氨揮發(fā)損失率不一定是最大的，例如，在MT處理當(dāng)中，在基肥時(shí)期損失量最大，但在穗肥時(shí)期氨會(huì)發(fā)率最高?？偘睋]發(fā)率是CT處理最大，為11.88%，而MT處理為8.10%，OT處理僅為2.30%。

2.3 稻田氨揮發(fā)的影響因素

分析圖5可以看出，氨揮發(fā)通量的變化與田面水 NH4+-N濃度的變化趨勢(shì)是一致的，基肥時(shí)期和分蘗肥時(shí)期，都是在施肥后第1天就達(dá)到了峰值，而穗肥則在第3天達(dá)到峰值?；蕰r(shí)期田面水銨態(tài)氮濃度在第2天顯著下降，這與暴雨天氣是相關(guān)的。穗肥時(shí)期田面水銨態(tài)氮濃度則是先上升后下降的趨勢(shì)。各處理水稻田面水NH4+-N濃度在3～4 d 時(shí)接近空白水平。NH4+-N是氨揮發(fā)的底物，其濃度的高低就決定著氨揮發(fā)的程度，即在施肥后4 d內(nèi)，可能發(fā)生較多的氨揮發(fā)，此后氨揮發(fā)的損失可能較小，這與王小治等的研究成果[4，28-29]是一致的。

如表5所示，除OT處理分蘗肥期外，稻田的氨揮發(fā)量均與田面水NH4+-N濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中，除OT處理孕穗期兩者相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平，其余均達(dá)到顯著水平甚至極顯著水平，r值為0.818～0.982。這與楊林章等的研究結(jié)果[29]相一致。其中，CT處理分蘗肥期的相關(guān)性最好。由此說(shuō)明，田面水NH4+-N濃度是影響氨揮發(fā)的極其重要的因素。選用合適的施肥方式可降低施肥后田面水NH4+-N濃度，有利于減少氨揮發(fā)損失。

如圖6所示，氨揮發(fā)速率和田間溫度在變化趨勢(shì)上是相似的。在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，田間環(huán)境不只存在溫度1個(gè)制約因素，還有降水和風(fēng)的影響[30]，例如6月10日氣溫較6月9日氣溫僅下降1.7 ℃，但是氨揮發(fā)速率卻急速下降，就是由于暴雨造成的。在施入穗肥后的第4天，溫度升高，但是進(jìn)行了灌水，降低了田面水銨態(tài)氮濃度，3個(gè)處理的氨揮發(fā)量均開(kāi)始下降。這幾點(diǎn)在表6的相關(guān)性分析中可以體現(xiàn)出來(lái)，只有在基肥期，CT處理和MT處理的氨揮發(fā)速率與溫度有顯著的相關(guān)關(guān)系，其他時(shí)期的3種處理均未顯示出顯著的相關(guān)性。

2.4 不同施肥處理的水稻產(chǎn)量

從表7可以看出，各處理實(shí)際產(chǎn)量為混施肥處理（MT）>化肥處理（CT）>有機(jī)肥處理（OT）>空白處理（CK），MT、CT、OT與CK相比較分別顯著提高了70.55%、60.73%、 51.81%的產(chǎn)量。OT產(chǎn)量相對(duì)較低， 主要是因水稻移栽后溫度較高，大量有機(jī)肥施入土壤后迅速分解，導(dǎo)致土壤極度還原條件，嚴(yán)重影響根系發(fā)育和水稻分蘗，使水稻有效穗顯著降低[12，31]。以上結(jié)果表明，MT處理與其他處理相比，有明顯的增產(chǎn)趨勢(shì)。

3 結(jié)論

施肥會(huì)增加稻田系統(tǒng)氨揮發(fā)損失，施用化肥和混施肥氨揮發(fā)量較高，單施有機(jī)肥處理的揮發(fā)量較少?；侍幚淼陌睋]發(fā)損失為施氮量的11.88%，而混施肥處理和有機(jī)肥處理氨揮發(fā)損失僅分別為8.10%和2.30%。混施肥處理增產(chǎn)效果顯著，分別比空白處理、化肥處理和有機(jī)肥處理的產(chǎn)量提高了70.55%、6.11%和12.35%。水稻田面水NH4+-N濃度是影響氨揮發(fā)的最主要因素，選用合適的施肥方式可降低施肥后田面水NH4+-N濃度，有利于減少氨揮發(fā)損失。

綜上所述，化肥與有機(jī)肥結(jié)合的施肥處理在確保水稻產(chǎn)量的前提下，降低了稻田氮素?fù)p失，提高了經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，是一種值得推廣的稻田優(yōu)化施肥方式。

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