不同氮鉀水平及氮形態(tài)差異對土壤氨揮發(fā)和氧化亞氮排放的影響

夏淑潔，劉 闖，袁曉良，李俊雅，李林洋，張潤琴，李志國*

（1.西藏大學理學院，拉薩 850000；2.中國科學院武漢植物園水生植物與流域生態(tài)重點實驗室，武漢 430074；3.中國科學院大學，北京 100049）

氮肥對世界糧食增產起到了重要作用，但同時也帶來了許多環(huán)境問題，例如，大氣污染、臭氧層空洞、氣候變暖、土壤酸化以及水體富營養(yǎng)化等，進而威脅人類健康以及生態(tài)系統(tǒng)的服務功能。我國是世界上氮肥消費量最多的國家[1]，但氮肥利用率非常低，僅為30%～40%[2]。據(jù)統(tǒng)計，全球每年通過農田和草地釋放的N2O 和NH3分別達到 3.5 Tg 和11.0 Tg，占當年施氮量的0.8%和14%[3-5]。農田氮素的氣態(tài)損失及其環(huán)境效應成為我國乃至全球農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的嚴重威脅。

近些年，諸多學者針對氮肥的氣態(tài)損失這一現(xiàn)象展開研究，試圖通過農田管理和肥料的優(yōu)化措施來降低其排放量[6-13]。鉀是礦質養(yǎng)分的主要元素，也是植物營養(yǎng)三要素之一。土壤增施鉀素會加快植物體內氮化合物向蛋白質合成場所運輸以及蛋白質合成，提高氮肥利用率，對作物產量和品質的提高以及土壤氮的損失均具有積極的調控作用[14-15]。然而，關于鉀素對土壤氮循環(huán)過程、活性氮及溫室氣體排放和生態(tài)環(huán)境影響方面的研究相對較少[16]。一些研究表明，增施鉀肥可以提高土壤的釋放，從而增大NH3的揮發(fā)[17]，但也有相反報道，在整個生長季節(jié)，鉀肥因促進植物對土壤礦質氮的有效利用而降低NH3的年排放量[18-21]。鉀肥對N2O 排放影響的報道結果也不一致，增大[22]、降低[23]或對N2O 排放沒有明顯影響[24]均有報道。目前尚不能明確鉀素在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對氮氣態(tài)損失的作用及調節(jié)功能的強度和數(shù)量，尤其在我國土壤有效鉀含量更為缺乏的南方地區(qū)[25]。

棉花是我國主要經濟作物，而鉀肥是影響棉花經濟產量和品質的主要營養(yǎng)元素[26]。因此，選擇以盆栽棉花土壤為研究對象，采用通氣法和密閉式靜態(tài)箱法，研究不同氮鉀用量下NH3揮發(fā)和土壤N2O 排放情況，為確定氮鉀肥合理用量、提高氮肥利用率、減少氮肥的氣態(tài)損失和大氣環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與作物

供試土壤為2018 年4 月采自武漢市黃陂區(qū)的灰潮土。其基本理化性狀為pH 7.44，有機質7.95 g·kg-1，堿解氮 23.28 mg·kg-1，有效磷 18.57 mg·kg-1，速效鉀64.23 mg·kg-1。參試作物品種：棉花——鄂雜棉10 號。

1.2 試驗設計

試驗設置 3 個因子：2 個氮水平，50、100 mg·kg-1；2 種氮素形態(tài)，和；2 個鉀水平，35、80 mg·kg-1。試驗共計9個處理（表1）。

取0～20 cm 耕層土壤，陰涼通風處自然風干，過10目標準孔篩后裝盆，每盆裝入供試風干土壤10 kg，種植棉花1 株，每個處理9 株。氮肥采用基肥（5 月17日）∶第一次追肥（6 月30 日）∶第二次追肥（7 月27 日）=5∶3∶2。磷肥和鉀肥基施。硝態(tài)氮肥為硝酸鈣（15%），銨態(tài)氮肥為氯化銨（26%），磷肥為磷酸二氫鈉（59%），鉀肥為硫酸鉀（50%）。棉花于4 月20 日播種，9月10日收獲。

1.3 樣品的采集及測定

試驗布置前采集試驗地0～20 cm 土壤樣品，土壤樣品風干后采用常規(guī)方法進行分析測定土壤基本理化性質。

表1 試驗處理及施肥量Table 1 Test treatment and fertilization amount

土壤NH3揮發(fā)測定采用“通氣法”（圖1）[27]，用聚氯乙烯硬質塑料管制成內徑12.5 cm、高10 cm 的PVC管。分別將兩塊厚度均為2 cm、直徑為12.5 cm 的海綿均勻浸以15 mL 的磷酸甘油溶液（50 mL 磷酸+40 mL 丙三醇，定容至 1000 mL）后，置于PVC 管中，下層的海綿距管底5 cm，上層的海綿與管頂部相平。

圖1 測定土壤NH3揮發(fā)的通氣法裝置Figure 1 Aeration method device for measuring ammonia volatilization in soil

土壤揮發(fā)NH3的捕獲于施肥后的當日開始，在各試驗處理的9個重復內均隨機放置3個通氣法的捕獲裝置，每日早上8：00 取樣。取樣時，將通氣裝置下層的海綿取出，迅速按處理分別裝入塑料袋中，密封；同時換上另一塊剛浸過磷酸甘油溶液的海綿。上層的海綿視其干濕情況每3～7 d更換1次。整個作物生育期內每次追肥后，每2 d 取樣1 次，再視檢測到的NH3揮發(fā)量進行取樣，如揮發(fā)量較多，每2～5 d 取樣1 次，揮發(fā)量較少，取樣時間延長到7 d 1 次，直至各處理NH3揮發(fā)速率降低，到下一次施肥前為止。

將通氣法裝置中下層的海綿分別裝入500 mL 的塑料瓶中，加 300 mL 1.0 mol·L-1的 KCl 溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩1 h后，浸取液中的銨態(tài)氮用全自動化學分析儀（EASYCHEM PLUS）測定。

式中：M為單個裝置平均每次測得的NH3量（-N），mg；A為捕獲裝置的橫截面積，m2；D為每次連續(xù)捕獲的時間，d。

N2O 排放采用“靜態(tài)箱法”[28]進行收集。采樣設備由箱體和底座兩部分組成。靜態(tài)箱用PVC 管制成，上部箱體高15 cm、直徑14 cm，箱體頂部設一氣密性氣體取樣口，底部開口可以罩在底座上；下部底座為四周有水槽的圓柱體，測定前將底座插入土中。測定時，水封槽內注滿水，然后將氣密室密封罩罩上，形成一個密閉性氣體空間。整個作物生育期內每次追肥后，于第 3 d 和第 7 d 各采集 1 次，之后每 10～15 d采集1 次。采樣在早上8：00—11：30 進行，于密封后0、10、20、30 min 用 100 mL 針筒抽取氣體，置于塑封氣袋內，帶回實驗室用氣相色譜儀（安捷倫7890D）進行監(jiān)測。

N2O交換通量計算公式為：

式中：F為 N2O 排放通量，μg·m-2·h-1；ρ為標準狀態(tài)下N2O 的密度，μg·cm-3；V為密閉靜態(tài)箱體積，cm3；A為采樣土壤面積，cm2；Δc/Δt為單位時間靜態(tài)箱內 N2O濃度變化量，10-9V·V-1·min-1；T為測定時箱內的平均溫度，℃。

其他相關計算公式：

NH3揮發(fā)的累積量是生育期內每日揮發(fā)量的累加值；N2O 的累積排放量是生育期內每日排放量（每小時排放量×24）的累加值。

N2O 排放導致的增加量=（N2O-N 排放損失總量-N0K0處理 N2O-N 排放損失總量）/N0K0處理 N2O-N 排放損失總量×100%

NH3揮發(fā)導致的增加量=（NH3-N 揮發(fā)損失總量-N0K0處理 NH3-N 揮發(fā)損失總量）/N0K0處理 NH3-N 揮發(fā)損失總量×100%

N2O 排放導致的氮肥損失率=N2O-N 排放損失總量/施氮量×100%

NH3揮發(fā)導致的氮肥損失率=NH3-N 揮發(fā)損失總量/施氮量×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2016 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、制圖。SPSS 11.0進行方差分析和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮鉀水平及氮形態(tài)差異對土壤N2O 排放的影響

圖2 和表2 為不同氮鉀含量肥料處理的土壤N2O排放通量動態(tài)變化和整個生長季節(jié)期間的N2O 累積排放量。可以看出，不同肥料處理下，土壤N2O 排放通量均呈先上升后降低趨勢，7 月初達到最高值。不同氮、鉀水平和氮形態(tài)因素均極顯著影響土壤N2O 的排放通量和累積排放量（圖2，P＜0.01），土壤N2O 的平均排放通量和累積排放量隨施氮水平的增加而顯著增加，隨施鉀水平的增加而顯著降低，銨態(tài)氮肥下的土壤N2O 平均排放通量和累積排放量分別為39.6 μg·m-2·h-1和 0.54 mg·kg-1，極顯著高于硝態(tài)氮肥的24.5 μg·m-2·h-1和 0.29 mg·kg-1。鉀水平與氮水平之間對N2O 排放有顯著交互作用，但鉀水平與氮形態(tài)之間以及氮形態(tài)與氮水平之間無顯著交互作用。在低氮水平下，鉀肥顯著降低銨態(tài)氮和硝態(tài)氮肥施用下土壤N2O 排放量；在高氮水平下，鉀肥對銨態(tài)氮肥施用下土壤N2O排放量的影響無顯著差異。

圖2 棉花生育期N2O排放通量動態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of N2O emission flux during cotton growth period

2.2 不同氮鉀水平及氮形態(tài)差異對土壤NH3揮發(fā)的影響

如圖3 所示，試驗期間各處理NH3揮發(fā)速率總體變化趨勢基本一致，每次施肥后，NH3揮發(fā)速率均有所升高，且均在施肥后的次日出現(xiàn)峰值，隨后逐漸降低并趨于平緩。3 次施肥比較，第一次施肥后的NH3揮發(fā)速率最大，最高峰值可以達到1.5 kg·hm-2·d-1。鉀水平和氮形態(tài)對土壤NH3揮發(fā)具有極顯著影響（P＜0.01），隨施鉀量的增加，NH3揮發(fā)速率和累積排放量均極顯著增加，銨態(tài)氮下土壤NH3揮發(fā)速率和累積排放量極顯著高于硝態(tài)氮。氮水平和鉀水平之間無顯著交互作用，但是鉀與氮形態(tài)以及氮水平、鉀水平、氮形態(tài)三者之間對NH3揮發(fā)排放量具有顯著（P＜0.05）或極顯著影響（P＜0.01）。在硝態(tài)氮下，低氮和高鉀水平下土壤NH3揮發(fā)累積排放量最高，為2.35 mg·kg-1；而在銨態(tài)氮下，高鉀和高氮水平下的NH3揮發(fā)累積排放量最高，為4.18 mg·kg-1。

圖3 棉花生育期NH3揮發(fā)速率動態(tài)變化Figure 3 Dynamic change of NH3 volatilization rate during cotton growth period

表2 不同氮鉀水平及氮形態(tài)差異對N2O和NH3累積排放量及其氮肥損失率的影響Table 2 Effects of different nitrogen and potassium levels and nitrogen forms on cumulative N2O and NH3 emissions and nitrogen fertilizer loss rate

2.3 不同氮鉀水平及氮形態(tài)差異對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和pH的影響

氮、鉀水平以及鉀水平和氮形態(tài)之間的交互作用極顯著影響土壤銨態(tài)氮含量（圖4A），而其他因素及其交互作用的影響均未達到顯著性水平。與不施氮肥處理比較，增施氮肥極顯著增加土壤銨態(tài)氮含量，且其含量隨施氮量的增加而增加。土壤銨態(tài)氮含量隨施鉀量的增加而降低。施鉀水平對不同氮源下的土壤銨態(tài)氮含量影響變化趨勢有所不同，低鉀水平下，硝態(tài)氮源下的土壤銨態(tài)氮含量高于銨態(tài)氮源下的土壤銨態(tài)氮含量，但在高鉀水平下，其含量變化趨勢正好相反。

氮水平、氮形態(tài)、氮水平與鉀水平之間、氮形態(tài)與鉀水平之間以及氮鉀水平與氮形態(tài)三者之間的交互作用對土壤硝態(tài)氮含量的影響表現(xiàn)為顯著或極顯著差異（圖4B）。與不施氮肥處理比較，增施氮肥極顯著增加土壤硝態(tài)氮含量。銨態(tài)氮下的土壤硝態(tài)氮含量顯著低于硝態(tài)氮下的土壤硝態(tài)氮含量。鉀水平在不同氮水平和不同氮源下對土壤硝態(tài)氮含量的影響有所差異，在硝態(tài)氮下，低氮下的土壤硝態(tài)氮含量隨施鉀量的增加而降低，而在高氮下，施鉀增大了土壤硝態(tài)氮含量；在銨態(tài)氮下，施鉀降低低氮水平下的土壤硝態(tài)氮含量，而對高氮水平下的土壤硝態(tài)氮影響差異不顯著。

如圖4C 所示，試驗期間各肥料處理下的土壤pH 總體變化幅度較小，處理之間均未達到差異顯著水平。

3 討論

3.1 氮肥對土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的影響

本研究采用通氣法測定棉花生長季NH3損失量為1.40～4.18 mg·kg-1，占氮肥施用量的1.6%～4.0%，N2O 累積排放量為 0.17～0.57 mg·kg-1，占施氮量的0.28%～1.13%。這與前人對于NH3和N2O 氮素損失率的研究結果基本一致。例如，巨曉棠等[29]發(fā)現(xiàn)土壤NH3揮發(fā)的損失量（以氮計）在12.8～64.5 kg·hm-2之間，占施氮量的3.8%～7.2%。梁國慶等[30]報道水稻季N2O 排放量為 0.89～2.45 kg·hm-2，肥料氮通過 N2O 排放的損失率為0.39%～0.47%。丁洪等[31]研究得出N2O排放損失氮量占施氮量的1.4%～2.0%。相對于N2O來說，NH3是氮肥氣態(tài)損失的主要途徑。

圖4 棉花生育期土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量和土壤pH動態(tài)變化Figure 4 Dynamics of the contents of ammonium and nitrate nitrogen，soil pH in soil during cotton growth period

土壤氮含量及氮肥的輸入影響N2O 和NH3的生成和排放[9，30，32-33]?；瘜W氮肥施用量的增加是 N2O 和NH3揮發(fā)排放量增加的主要因素，施氮大幅增加了N2O 和NH3的排放。本研究再次證實了這一結論。與不施肥土壤比較，氮肥的施入可以增加N2O 排放41%～229%和NH3排放8.7%～191.3%。另外，我們發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮肥更易于NH3和N2O 的排放，累積排放量是硝態(tài)氮肥的2 倍左右。梁東麗等[34]研究也發(fā)現(xiàn)施肥后短期內銨態(tài)氮肥排放的N2O 量顯著高于硝態(tài)氮肥處理，且指出土壤N2O 的排放主要由土壤氮的硝化過程所產生。銨態(tài)氮肥對農田土壤氮素的正激活效應以及對土壤氮硝化過程的促進作用可能是導致大量NH3和N2O 產生的主要原因[35-36]。但過高濃度的銨態(tài)氮卻會抑制硝化作用，致使N2O 的排放速率有所降低，這可能與高濃度NH3產生的毒害作用或促使土壤pH下降影響了氮硝化微生物的活性有關[34]。本研究氮肥用量為100 mg·kg-1，未發(fā)現(xiàn)土壤pH 明顯下降和NH3過量抑制硝化作用降低N2O 排放量的現(xiàn)象，說明本研究的氮肥用量可能還未達到抑制硝化作用的水平。

氮肥施用時期的選擇對N2O 和NH3排放有較大影響。N2O 和NH3排放呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化。與前人研究結果一致，N2O 排放速率峰值出現(xiàn)在夏季7月左右，但是NH3季節(jié)性變化排放峰值出現(xiàn)在春季肥料基肥階段，該期NH3累積排放量占到整個生長季節(jié)累積排放量的47%～78%。王秀斌等[32]研究發(fā)現(xiàn)施氮時期后移可有效降低冬小麥季和夏玉米季NH3揮發(fā)損失總量的17.4%和15.9%，但存在的問題可能會加大N2O 的排放。若氮肥集中在基肥期施入，盡管降低了N2O 的排放，但其結果會增大NH3的排放[33]。如何兼顧N2O 和NH3的排放控制以及作物對氮的需求，針對氮肥施用時期的選擇需要進一步研究。

3.2 鉀肥對土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的作用

肥料的優(yōu)化管理影響氮肥NH3揮發(fā)的排放。本研究結果表明，鉀肥顯著增大了土壤NH3揮發(fā)速率和排放量。這與徐萬里等[17]在新疆灰漠土增施硫酸鉀肥對NH3排放的影響結果一致，與不施鉀肥處理比較，增施鉀肥增加NH3揮發(fā)排放量0.03～0.07 kg·hm-2，增大氮肥損失率3%～7%。他們分析認為鉀肥增大NH3揮發(fā)的主要原因可能是鉀離子對土壤的解吸附作用，增大了土壤的有效性從而增大NH3的釋放。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)隨施鉀量的增加，土壤含量顯著下降，這可能就是由于鉀肥解吸附的轉變成NH3而揮發(fā)到大氣中的原因所導致。然而，Gameh等[20]和Rappaport等[21]報道，當氯化鉀肥施入土壤會導致pH 下降而降低土壤NH3揮發(fā)5%～42%。本研究土壤pH 隨鉀肥施用量的增加從7.83 降到了7.81，但統(tǒng)計學上未達到顯著水平，說明本實驗鉀肥下pH 的變化不是鉀肥施入土壤后NH3揮發(fā)上升的主要原因。農田土壤NH3揮發(fā)影響因素眾多，涉及土壤溫度、水分、陽離子交換量以及碳酸鈣含量等因素?？梢?，鉀肥對土壤NH3揮發(fā)的作用效果及主要驅動因地區(qū)不同氣候條件或土壤狀況而有所差異。

研究表明，通過養(yǎng)分管理還可以顯著影響農田土壤N2O 的排放。本研究發(fā)現(xiàn)，增施鉀肥降低農田土壤N2O 的排放速率，顯著減少整個生長季節(jié)N2O的累積排放量。我們分析原因可能與鉀肥施入后導致硝化作用底物下降有關。劉韻等[23]也報道增施鉀肥顯著降低了冬小麥-夏玉米輪作土壤的N2O 排放，同時土壤有效氮含量顯著降低。王火焰等[16]在硫酸銨在水稻土的轉化試驗中發(fā)現(xiàn)鉀肥抑制固定態(tài)銨釋放的現(xiàn)象。這在一定程度上也說明鉀肥可以通過影響土壤固定態(tài)的釋放途徑而抑制土壤硝化作用、降低N2O 的產生。鉀肥不僅通過土壤硝化作用影響農田土壤N2O 的產生，而且還會通過反硝化作用過程來影響N2O 的排放。例如，楊勁峰等[22]報道增施鉀肥會加劇玉米根系呼吸和促使土壤厭氧環(huán)境的形成，可能會間接增強土壤反硝化過程而影響N2O 的排放。Chen 等[37]同樣發(fā)現(xiàn)鉀肥顯著提高稻田土壤中富含功能基因nosZ的反硝化微生物豐度，進而促進反硝化作用。因此，我們推斷鉀肥可能會通過影響作物根際環(huán)境氧氣濃度、氧化還原電位或通過直接影響土壤中鉀素含量來調控土壤反硝化微生物群落組成與豐度，尤其是增大含有功能基因nosZ的反硝化微生物豐度，從而促進N2O 還原為N2的過程，降低土壤N2O的排放。鉀肥降低N2O 排放的具體原因還需進一步試驗來證明。另外，我們還發(fā)現(xiàn)，在低氮水平下，鉀肥對銨態(tài)氮肥比硝態(tài)氮肥更顯著降低N2O排放，但在高氮水平下，鉀肥對銨態(tài)氮肥N2O 排放沒有顯著影響，但降低了硝態(tài)氮肥N2O 的排放量。該結果可能與鉀肥在不同氮肥水平下對土壤氮的硝化與反硝化過程的N2O 貢獻大小的影響有關，其具體原因需要進一步的研究。

4 結論

化學氮肥施用量的增加是NH3揮發(fā)和N2O 排放增加的主要原因，與硝態(tài)氮肥相比銨態(tài)氮肥更易于NH3和N2O 的排放；增施鉀肥顯著增大土壤NH3揮發(fā)速率和排放量，但降低了土壤N2O 的排放通量，顯著減少了整個生長季節(jié)N2O的累積排放量。