清液肥對滴灌棉田NH3揮發(fā)和N2O排放的影響

王方斌，劉凱，殷星，廖歡，孫嘉璘，閔偉，侯振安

（石河子大學農(nóng)學院資環(huán)系/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子832003）

氮肥投入在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用。隨著人口的增加，我國每年的氮素投入隨之增加。目前我國年氮肥消耗量為3.1 億t，占全球的31.7%，而氮肥利用率普遍為30%～40%[1]。隨著氮肥零增長的提出，國家開始注重減氮增效的研究，但不合理的施氮現(xiàn)象仍相當普遍[2]。過量施氮并不會提高作物單產(chǎn)，同時會降低作物氮肥利用率，易引發(fā)一系列環(huán)境問題。NH3揮發(fā)和N2O 排放是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥氣態(tài)損失的主要途徑[3]，有研究表明氨氣是霧霾形成的前體，形成機制為NH3結(jié)合二氧化硫和氮氧化物發(fā)生反應，形成的PM2.5結(jié)合其他污染物進而形成霧霾[4-6]。N2O 作為溫室氣體的一種，其溫室效應是CO2的265倍，對全球氣候變化的影響突出[7]。據(jù)統(tǒng)計，每年NH3揮發(fā)損失占氮肥總投入量的1%～47%；因氮肥施用造成土壤排放的N2O 占土壤N2O 總排放量的25%～82%[8-9]。因而既能提高作物單產(chǎn)，同時又可降低環(huán)境污染成了未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展目標。

滴灌作為高效的節(jié)水灌溉技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的非滴灌模式能更好地抑制土壤氮素轉(zhuǎn)化，有效減少NH3揮發(fā)損失及N2O 排放[10]。但也有研究表明滴灌模式下，土壤干濕交替頻繁，為土壤硝化反硝化等氮素轉(zhuǎn)化提供適宜的環(huán)境，引發(fā)顯著的氮肥氣態(tài)損失[11]。國內(nèi)外學者針對滴灌條件下溫室氣體減排大多基于氮肥用量的研究，關(guān)于不同氮肥類型下的氮肥氣態(tài)損失的研究較少。對滴灌馬鈴薯地的研究表明，減量施氮加脲酶抑制劑可在保證產(chǎn)量的同時降低NH3揮發(fā)和N2O 排放[12]；設施菜地的研究表明，滴灌條件下較常規(guī)施氮量，適量減氮可在穩(wěn)產(chǎn)保質(zhì)的前提下降低N2O排放[13]。而在非滴灌條件下的不同氮肥類型研究表明，與常規(guī)化肥施用相比，控釋肥配施無機肥能夠降低NH3揮發(fā)損失和N2O 排放，提高氮素吸收利用率和水稻產(chǎn)量[14]；有機肥與化肥配施下可保證產(chǎn)量同時減少玉米地氮素氣態(tài)損失[15]；液體肥減氮15% 可在不減產(chǎn)的前提下，有效降低土壤NH3揮發(fā)和N2O 排放[16]；ABR 綠色液體肥部分替代化肥可有效提高蔬菜質(zhì)量和產(chǎn)量，同時具備較低的N2O 排放通量[17]。由此可知，合理選用氮肥可以在增加或保證作物產(chǎn)量的同時，降低環(huán)境污染風險。

新疆是我國主要棉產(chǎn)區(qū)，棉花生產(chǎn)對于推動國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要作用。而目前滴灌棉田氮肥施用不合理現(xiàn)象普遍存在，致使產(chǎn)量降低，氮素損失嚴重[18]；同時農(nóng)田體系常用的氮肥產(chǎn)品多為酰胺態(tài)氮肥（尿素）[19]，存在較大的NO-3淋洗、NH3揮發(fā)損失風險，加重了環(huán)境負擔。因此，本試驗通過探討一種新型絡合物清液肥對新疆滴灌棉田氮素氣態(tài)損失和棉花產(chǎn)量的影響，為進一步減少NH3揮發(fā)和N2O 排放，實現(xiàn)氮肥綠色增產(chǎn)增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在新疆石河子市天業(yè)生態(tài)園進行，土壤類型為灌耕灰漠土，質(zhì)地為壤土。該地區(qū)年平均降水量為210 mm，年平均蒸發(fā)量1 600 mm，0～20 cm 土層的土壤基本理化性質(zhì)如下：pH為8.55，容重1.31 g·cm-3，全氮1.03 g·kg-1，速效磷28.74 mg·kg-1，速效鉀421.20 mg·kg-1，有機質(zhì)18.95 g·kg-1。供試常規(guī)化肥使用尿素（含N 46.4%）、磷酸一銨（含N 11%，含P2O561%）、氯化鉀（含K2O 57%）、磷酸二氫鉀（含P2O552 %，含K2O 34%）；清液肥購自新疆福來克斯農(nóng)業(yè)有限公司，不同配方N-P2O5-K2O養(yǎng)分百分含量分別為20%-12%-0、19%-9%-2% 和19%-5%-5%。供試作物為棉花（新陸早45）。

1.2 試驗設計

試驗設5個處理，分別為：（1）不施氮肥（N0）；（2）常規(guī)化肥（TN300，農(nóng)民習慣施肥，施氮300 kg·hm-2）；（3）常規(guī)優(yōu)化（TN240，減氮20%，施氮240 kg·hm-2）；（4）清液肥（LN300，施氮300 kg·hm-2）；（5）清液肥優(yōu)化（LN240，施氮240 kg·hm-2）。每個處理重復3 次，共15個試驗小區(qū)，小區(qū)面積70 m2。

棉花采用膜下滴灌，一膜三管六行，行距配置為（66+10）cm，株距為10 cm，毛管間距為76 cm。棉花于2019 年4 月20 日播種，采用“干播濕出”的方式，播種后滴40 mm 出苗水。棉花生長期間共灌水9次，總灌水量450 mm。灌水周期為7～10 d，從開花前開始至吐絮前結(jié)束。試驗中，氮、磷、鉀肥全部作追肥，在棉花生長期間分6 次隨水滴施。各處理磷、鉀肥施用量相同，均為P2O5105 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2；因清液肥為固定養(yǎng)分配比，無法保證每次施肥與常規(guī)化肥磷鉀用量一致，磷鉀不足用KCl 和KH2PO4補齊，不同時期比例分配見表1。其他管理措施與當?shù)卮筇锷a(chǎn)保持一致。

表1 不同施肥時期比例分配（%）Table 1 Proportional distribution of different fertilization periods（%）

1.3 測試指標及方法

土壤NH3揮發(fā)：采用密閉室法[20]，以0.01 mol·L-1H2SO4作為吸收液收集。在棉花追肥期間（6月20日—8 月16 日）進行土壤NH3揮發(fā)的全程監(jiān)測。每個試驗小區(qū)布置2個NH3揮發(fā)監(jiān)測裝置，分別在棉花寬行（66 cm）和窄行（10 cm）內(nèi)各安裝1個。在每次灌水施肥前1 d放入裝置，并于下一次灌水施肥前1 d取回裝置，監(jiān)測周期為7～10 d。追肥期間，共取樣6 次。采用靛酚藍比色法測定吸收液，計算NH3揮發(fā)損失量。

土壤N2O 排放：采用靜態(tài)箱-氣相色譜法[21]，于棉花追肥期間進行N2O 排放的監(jiān)測。采樣箱由底座（長×寬為60 cm×60 cm）和頂箱（高90 cm）組成，每個小區(qū)放置2個采樣箱（膜間和膜內(nèi)各1個）。底座于第一次施肥前放入，并長期固定于大田中。每次采樣前往底座中注水，將頂箱扣至底座上，以防底座與頂箱結(jié)合處漏氣。箱體由不銹鋼鋼架構(gòu)成，由硬質(zhì)塑料膜密封，外層包裹薄海綿和錫紙，用于防止溫度變化幅度過大影響氣體測定結(jié)果。箱體內(nèi)置小風扇和溫度計，用于混勻箱內(nèi)氣體和觀測箱內(nèi)溫度變化。箱體中部安置抽氣孔，采樣時按照0、10、20、30 min時間間隔進行氣體收集，收集完畢后直接用7890A型氣相色譜儀（GC）進行測定。每次N2O 氣體采集在灌水施肥后的第3 d 進行，整個追肥期間共取樣6 次，取樣時間為早上8：00—12：00。

N2O排放通量計算公式如下[22]：

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，1.25 mg N·m-3；V為靜態(tài)箱體積，cm3；A為靜態(tài)箱底座表面積，cm2；P為靜態(tài)箱內(nèi)氣壓，Pa；P0為試驗地環(huán)境氣壓，1.013×105Pa，一般P/P0≈1；T為采樣時箱內(nèi)平均氣溫，℃；dc/dt為N2O排放速率，mg·L-1·h-1。

N2O累積排放量T計算公式如下[23]：

式中：T為N2O 累積排放量，kg·hm-2；Fi和Fi+1分別為第i和i+1次采樣時的N2O平均排放通量，μg·m-2·h-1；Di和Di+1分別為第i和i+1 次采樣時間，d；24 為1 d 的小時數(shù)；105為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

土壤無機態(tài)氮及酶活性：每次氣體收集完畢后，同步采集0～20 cm 土層土壤樣品，用于測定表層土壤無機態(tài)氮含量及酶活性。NO-3-N 和NH+4-N 含量采用2 mol·L-1KCl 浸提后使用連續(xù)流動分析儀測定。土壤脲酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、羥胺還原酶活性測定參照文獻[24]。

棉花籽棉產(chǎn)量：在棉花收獲前測定棉花產(chǎn)量，最后實收計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)計算和繪圖使用Microsoft Excel 2003 軟件進行。方差分析和數(shù)據(jù)變異用SPSS 21.0 統(tǒng)計分析軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤無機態(tài)氮變化

棉花不同追肥期內(nèi)0～20 cm 土壤NH+4-N 含量如圖1（a）。整體上不同處理土壤NH+4-N 含量變化在1.4～6.8 mg·kg-1范圍內(nèi)。各個施肥周期內(nèi)，土壤NH+4-N含量始終以TN300 處理最高，較TN240 處理增加12.3%～75.5%。同一施氮水平下，清液肥處理土壤NH+4-N 含量均低于常規(guī)化肥處理，降低了4.5%～32.9%。

各處理中棉花追肥期間土壤NO-3-N 含量始終以N0 處理最低，為4.1～9.4 mg·kg-1。各施氮處理土壤NO-3- N 含量表現(xiàn) 為TN300＞LN300，TN240＞LN240。常規(guī)施氮水平下，LN300 處理土壤NO-3-N 含量較TN300 處理降低9.4%～49.0%；減氮20% 水平下，LN240 處理土壤NO-3- N 含量較TN240 處理降低12.8%～37.8%。

2.2 土壤NH3揮發(fā)

2.2.1 土壤NH3揮發(fā)動態(tài)

圖1 追肥期間0～20 cm土壤無機態(tài)變化Figure 1 Inorganic changes to the 0～20 cm soil during topdressing

圖2 不同追肥期間土壤NH3揮發(fā)量變化Figure 2 Variation in NH3 volatilization during different topdressing periods

土壤NH3揮發(fā)動態(tài)見圖2。整個追肥期間內(nèi)，N0處理土壤NH3揮發(fā)量變化波動不大，整體在0.1～0.3 kg·hm-2。不同處理土壤NH3揮發(fā)量表現(xiàn)為：TN300＞LN300＞TN240＞LN240＞N0。與常規(guī)化肥相比，不同追肥時期LN300 處理土壤NH3揮發(fā)量降低14.3%～27.5%；LN240 處理土壤NH3揮發(fā)量TN240 處理降低15.2%～46.5%。

2.2.2 土壤NH3揮發(fā)累積量

不同處理對滴灌棉田追肥期間土壤NH3揮發(fā)累積量影響顯著（圖3）。各施氮處理NH3揮發(fā)總累積量為1.3～5.0 kg·hm-2，較N0 處理增加165.0%～382.9%。施用清液肥可顯著降低土壤NH3揮發(fā)損失，與常規(guī)施氮相比，LN300 處理土壤NH3揮發(fā)總累積量降低25.9%，LN240 處理土壤NH3揮發(fā)損失量較TN240 處理降低27.6%。

2.3 土壤N2O排放

2.3.1 N2O排放通量

圖3 不同處理追肥期間土壤NH3揮發(fā)積累量（6月20日—8月16日）Figure 3 Accumulation of NH3 volatilization during topdressing under different treatments（June 20—August 16）

圖4 棉花不同追肥時期N2O 排放通量變化Figure 4 Change in N2O emission flux during different topdressing periods

棉花不同追肥期內(nèi)，土壤N2O 排放通量整體在2.9～29.8 μg N·m-2·h-（1圖4）。前3次追肥不同處理土壤N2O排放通量較后3次追肥更高。各處理N2O排放通量表現(xiàn)為：TN300＞LN300；TN240＞LN240。同施氮量下，清液肥處理N2O 排放通量較常規(guī)化肥處理降低了3.5%～56.0%。

2.3.2 N2O累積排放量

增施氮肥會顯著增加土壤N2O排放（圖5）。與不施氮肥相比，各施氮處理土壤N2O 累積排放量增加78.5%～174.7%。 與 農(nóng) 民 習 慣 施 肥 相 比 ，TN240、LN300 和LN240 處理N2O 累積排放量分別降低19.9%、14.1% 和35.0%。LN240 處理N2O 累積排放量較TN240處理降低18.9%。

圖5 不同處理棉花追肥期間N2O累積排放量（6月20日—8月16日）Figure 5 Cumulative N2O emissions during topdressing under different treatments（June 20—August 16）

圖6 不同處理對土壤酶活性的影響Figure 6 Effects of different treatments on soil enzyme activity

2.4 土壤酶活性

施氮量顯著影響土壤酶活性（圖6）。常規(guī)施氮水平處理較減氮處理硝酸還原酶活性增加1.7%～2.2%；亞硝酸還原酶活性增加1.6%～11.9%；羥胺還原酶活性增加4.8%～5.1%；脲酶活性增加6.1%～9.2%。

與常規(guī)化肥處理相比，同施氮量下施用清液肥可顯著降低土壤硝酸還原酶、土壤亞硝酸還原酶、土壤羥胺還原酶和脲酶活性。LN240 處理土壤脲酶活性較TN240 處理降低4.2%；硝酸還原酶活性較TN240處理降低5.5%；土壤亞硝酸還原酶活性較TN240 處理降低26.6%；土壤羥胺還原酶活性較TN240 處理降低6.0%。

2.5 相關(guān)性分析

追肥期間土壤氣態(tài)氮損失量與土壤無機態(tài)氮和酶活性的相關(guān)性分析見表2。土壤NH3揮發(fā)總量、N2O 累積排放量、NO-3-N 含量、NH+4-N 含量、脲酶活性以及硝酸還原酶活性兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與亞硝酸還原酶活性和羥胺還原酶活性無顯著性相關(guān)。土壤亞硝酸還原酶活性與羥胺還原酶活性呈極顯著正相關(guān)。

2.6 籽棉產(chǎn)量

施用氮肥對棉花籽棉產(chǎn)量的影響顯著（圖7），各施氮處理棉花籽棉產(chǎn)量較N0 處理提高39.3%～73.5%。 與農(nóng)民習慣施氮相比，TN240、LN300 和LN240處理棉花籽棉產(chǎn)量增加12.6%、9.1% 和24.5%。同一減氮水平下，LN240 處理棉花籽棉產(chǎn)量較TN240處理提高10.6%。

3 討論

圖7 不同處理棉花籽棉產(chǎn)量Figure 7 Seed cotton yield under different treatments

農(nóng)田NH3揮發(fā)受農(nóng)田灌溉方式、施氮水平和氮肥類型等多種因素影響。不同研究表明滴灌施肥較常規(guī)漫灌施肥可顯著降低土壤NH3揮發(fā)損失[25-26]。氮肥減量施用也可以顯著降低NH3揮發(fā)[27-28]，這與本研究常規(guī)施氮水平處理（TN300和LN300）的NH3揮發(fā)量均高于減氮處理（TN240 和LN240）的結(jié)果相符合。本研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)化肥處理相比，同等施氮量下清液肥處理可顯著降低NH3揮發(fā)損失，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是清液肥降低了土壤NH+4-N 含量和脲酶活性，進而減少了NH3揮發(fā)損失。一般認為NH3揮發(fā)是氮肥在脲酶作用下水解的產(chǎn)物，因此脲酶活性越高，土壤保持的NH+4-N 含量越高，NH3揮發(fā)的可能性越大[29]。同時有研究表明常規(guī)氮肥溶解過程中，會加快土壤膠體吸附的NH+4離子向土壤溶液中的游離態(tài)轉(zhuǎn)化，促進NH3揮發(fā)過程[30]。絡合物對于養(yǎng)分釋放和供肥強度具有一定的調(diào)控作用，研究表明施用絡合物肥料可顯著抑制土壤脲酶的活性，使得氮素分解為氨的速率極大降低[31]。本試驗中清液肥中也含有絡合物，對減少氨揮發(fā)也會產(chǎn)生作用。

合理的農(nóng)田管理措施對于降低環(huán)境污染至關(guān)重要。研究表明與非滴灌施肥相比，滴灌施肥技術(shù)可有效減少溫室氣體N2O 排放[13]；但隨施氮量的增加，N2O的累積排放量也隨之增大[32]。本研究中采用滴灌施肥減氮20% 的處理較常規(guī)施氮處理降低了19.9%～24.4% 的N2O 排放，與前人研究結(jié)果一致。此外本研究發(fā)現(xiàn)等量氮肥投入下，施用清液肥處理較常規(guī)化肥處理可降低14.1%～18.9% 的N2O 排放，說明清液肥具有更好的N2O 減排效果。土壤氮素轉(zhuǎn)化均是在其相關(guān)微生物與酶的驅(qū)動下完成的，通過對其關(guān)鍵酶活性的大小分析可以間接反映土壤中氮素的轉(zhuǎn)化強度[33]。土壤硝化反硝化是農(nóng)田N2O 產(chǎn)生的主要途徑，其中硝化-反硝化酶活性的大小對N2O 排放的影響顯著[34]。不同研究表明，土壤硝化反硝化酶活性越高，產(chǎn)生的N2O 排放越多[35-37]。本研究中同施氮量下清液肥處理較常規(guī)化肥處理均顯著降低了土壤硝酸還原酶活性、亞硝酸還原酶活性以及羥胺還原酶活性。此外，肥料特性也是影響N2O 排放的重要因素，研究表明絡合物肥料有助于促進作物對氮素的吸收，從而避免交換性銨和硝態(tài)氮在土壤中的過量累積[38]，進而有效降低了底物NO-3-N含量，減少了N2O排放。

表2 氣態(tài)氮損失量與0～20 cm土層土壤無機態(tài)氮和酶活性的相關(guān)性Table 2 Correlation between gaseous nitrogen loss and inorganic nitrogen and enzyme activity in 0～20 cm soil

在一定范圍內(nèi)，作物的產(chǎn)量隨著氮肥用量的增加而增加，當?shù)竭_一定施氮量時，不僅氮素資源損失加重，還會導致作物減產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)施氮240 kg·hm-2處理棉花產(chǎn)量顯著高于施氮300 kg·hm-2處理，說明較當?shù)爻Ｒ?guī)施氮量減氮20% 可顯著提高棉花產(chǎn)量。也有研究表明當?shù)喂嗝尢锏氖┑繛?25～300 kg·hm-2時，棉花具有較高的結(jié)鈴密度和產(chǎn)量[39]，這種差異產(chǎn)生的主要原因是不同地區(qū)土壤狀況，施氮方式有所不同。在玉米的優(yōu)化施氮研究中，當?shù)视昧繛閭鹘y(tǒng)高產(chǎn)的1/3 時，產(chǎn)量提高了1 倍[40]，說明適宜的施氮量是獲得較高產(chǎn)量的基礎。與此同時，滴灌施肥精準的養(yǎng)分供應，更有利于促進作物根系的吸收。研究表明少量多次的施肥方式可顯著促進棉花氮素吸收，提高棉花產(chǎn)量；同時根據(jù)棉花不同時期需肥特性進行合理調(diào)控，可促進棉花增產(chǎn)[41-42]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)清液肥可顯著提高棉花產(chǎn)量，同等施氮水平下較傳統(tǒng)化肥提高了9.1%～10.6%，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說具有重要意義。不同研究表明施用液體肥可更好地促進棉花養(yǎng)分吸收，利于棉花鈴的形成[43-44]，這可能是施用清液肥產(chǎn)量提高的原因。

4 結(jié)論

同一施氮水平下，施用清液肥較常規(guī)化肥可顯著降低0～20 cm 土層土壤無機態(tài)氮含量、脲酶活性、硝酸還原酶活性、亞硝酸還原酶活性和羥胺還原酶活性，有效減少滴灌棉田NH3損失和N2O 排放。與常規(guī)施氮水平相比，減氮20% 均可顯著提高棉花產(chǎn)量，其中施用清液肥棉花增產(chǎn)效果更優(yōu)。