不同施肥方式下砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)特征及排放系數(shù)*

呂金嶺, 王小非, 李太魁, 寇長林

不同施肥方式下砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)特征及排放系數(shù)*

呂金嶺, 王小非, 李太魁, 寇長林**

(河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部原陽農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測實驗站/河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室 鄭州 450002)

土壤類型對于農(nóng)田氨揮發(fā)影響較大, 而關(guān)于砂姜黑土農(nóng)田氨揮發(fā)特征及排放系數(shù)研究相對較少, 不利于區(qū)域性農(nóng)田土壤氨排放清單的準確評估?；诖? 選取豫南典型砂姜黑土為研究對象, 設(shè)置不施肥(CK)、傳統(tǒng)施肥(TR)、優(yōu)化施肥(OPT)、再優(yōu)化施肥(ZOPT)和緩控肥(HK)5種施肥處理, 利用密閉海綿法, 探究砂姜黑土農(nóng)田不同施肥方式下冬小麥-夏玉米輪作土壤氨揮發(fā)特征, 并嘗試確定氨排放系數(shù)。結(jié)果表明: 砂姜黑土傳統(tǒng)施肥條件下冬小麥季土壤氨揮發(fā)量為11.1 kg×hm-2, 夏玉米季氨揮發(fā)量為13.4 kg×hm-2, 說明夏玉米季是砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨的高排放時期。對比不同處理的氨揮發(fā)量, 發(fā)現(xiàn)ZOPT和HK處理冬小麥季和夏玉米季的氨揮發(fā)量顯著低于其他處理(<0.05), 其次為OPT處理, TR處理的氨揮發(fā)量最高。HK處理的氨排放系數(shù)最低, 其中冬小麥季和夏玉米季分別為1.7%和1.5%, 顯著低于其他處理(<0.05); 其次為ZOPT和OPT處理, 其氨排放系數(shù)冬小麥季分別為2.1%和2.6%, 夏玉米季分別為2.6%和3.6%; TR處理的氨排放系數(shù)最高, 冬小麥季和夏玉米季分別為3.6%和4.7%。不同施肥處理氨揮發(fā)量與施肥量的擬合結(jié)果表明, 隨施肥量增加, 冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)顯示出較強的線性增長趨勢, 其中夏玉米季和冬小麥季的2分別為0.934和0.931, 說明該區(qū)域砂姜黑土傳統(tǒng)施肥量的氨揮發(fā)未出現(xiàn)明顯的激發(fā)性增長現(xiàn)象。本研究結(jié)果可為砂姜黑土區(qū)冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氮肥利用率的提高和氮排放清單的估算提供依據(jù)。

砂姜黑土; 冬小麥-夏玉米輪作; 施肥方式; 氨揮發(fā)速率; 氨揮發(fā)量; 氨排放系數(shù)

氨揮發(fā)被認為是當前農(nóng)田管理過程中不可避免的現(xiàn)象, 這主要與肥料自身固有的特性有關(guān)[1]。除肥料本身外, 環(huán)境因素也影響著農(nóng)田氨的揮發(fā)[2-3]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn), 諸多因素中土壤因素對農(nóng)田氨揮發(fā)的影響巨大, 土壤因素中的土壤質(zhì)地、pH、結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)等方面對于土壤相關(guān)酶活性和氮素的遷移轉(zhuǎn)化等都有深刻的影響, 進而直接或者間接影響著農(nóng)田氨揮發(fā), 所以農(nóng)田土壤類型導致農(nóng)田氨揮發(fā)量可能存在著大的差異[4-5]。此外, 農(nóng)田施肥導致的氨揮發(fā)損失被認為是大氣氨或銨鹽的主要來源之一[6-7], 而氨被認為是當前大氣氣溶膠形成的關(guān)鍵前提物質(zhì)之一。有研究表明氨對大氣二次顆粒物的貢獻量最高可達60%以上[8]。因此量化典型土壤不同施肥量及管理方式下氨揮發(fā)量并估算氨排放系數(shù), 對于未來該區(qū)域農(nóng)田氮素利用率的進一步提升、氨排放清單的準確估算和大氣環(huán)境質(zhì)量的提升有著積極意義。

本研究聚焦的砂姜黑土廣泛分布在我國黃淮海平原、長江中下游等地, 總面積約371萬hm2, 是我國最主要的中低產(chǎn)土壤之一[9]。砂姜黑土是在低洼排水不良的環(huán)境條件下經(jīng)過長期沼澤化(或潛育化)作用, 脫沼澤過程, 旱耕熟化過程而形成的一種古老耕作土壤, 具有以錳鐵結(jié)核為核心的砂姜層[10]。施肥灌溉后水肥往往不易下移, 可能利于氨揮發(fā)的產(chǎn)生。然而由于砂姜黑土土壤黏重, 且呈中性略偏酸性[11], 這種環(huán)境條件又不利于氨揮發(fā)的產(chǎn)生。所以, 砂姜黑土的氨揮發(fā)損失存在一定復雜性。目前關(guān)于砂姜黑土農(nóng)田氨揮發(fā)特征研究相對較少, 例如李欠欠[12]在砂姜黑土農(nóng)田氨排放研究中發(fā)現(xiàn)小麥()季氨揮發(fā)量非常低, 3次施肥幾乎無明顯氨揮發(fā); 而張慶利等[13]在山東砂姜黑土室內(nèi)培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn), 砂姜黑土的氨揮發(fā)量幾乎與潮土等同, 揮發(fā)量較高; 丁世杰等[14]在豫南砂姜黑土氨揮發(fā)研究中發(fā)現(xiàn), 330 kg?hm?2施氮量條件下, 氨揮發(fā)量只有5.4 kg?hm?2。由此可見砂姜黑土氨揮發(fā)的估算存在巨大波動空間。此外, 砂姜黑土氨揮發(fā)多聚焦于小麥季氨揮發(fā)特征研究[12-14], 而關(guān)于夏玉米()季及冬小麥-夏玉米輪作體系氨揮發(fā)特征, 尤其涉及排放系數(shù)的研究還鮮見報道。為此, 本研究選取豫南典型的砂姜黑土農(nóng)田為研究對象, 設(shè)置不同施肥處理, 探究砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)特征及關(guān)鍵響應因素, 量化不同處理氨累積揮發(fā)量, 并確定氨排放系數(shù), 為此類土壤合理減氨和提升氮肥利用率提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省駐馬店市西平縣宋集鄉(xiāng)(113°12′392N, 33°27′012E)。該地區(qū)屬北亞熱帶季風性濕潤氣候, 年平均氣溫14.7 ℃, 年日照時數(shù)2 181 h, 全年無霜期216~225 d, 平均降雨量為786 mm, 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件較好。土壤類型為砂姜黑土, 其耕層20 cm土壤主要理化性質(zhì)為: 土壤pH 6.8, 呈弱酸偏中性, 土壤有機質(zhì)15.98 g×kg-1, 銨態(tài)氮4.08 mg×kg-1, 硝態(tài)氮10.30 mg×kg-1, 交換性鈣4.02 g×kg-1, 交換性鉀136.90 mg×kg-1, 交換性鎂406.45 mg×kg-1, 速效磷22.80 mg×kg-1。氨揮發(fā)采集期間平均溫度及降雨量如圖1所示。

圖1 2017—2018年試驗期間的氣溫與降水量

1.2 試驗處理

為了保障土壤肥力均一, 選取該區(qū)域典型冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田為研究對象。試驗開始于2017年5月底, 前期小麥收獲后, 采集土壤樣品, 劃分小區(qū)和安裝土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。試驗共設(shè)置5個施肥處理, 分別為不施肥(CK)、傳統(tǒng)施肥(TR)、優(yōu)化施肥(OPT)、再優(yōu)化施肥(ZOPT)和緩控肥(HK)。每個處理3個小區(qū), 共15個小區(qū)。小區(qū)按照隨機區(qū)組排列, 每個小區(qū)面積為9 m2(3 m×3 m)。試驗處理中的常規(guī)肥料為尿素(含氮46.7%)、過磷酸鈣(12% P2O5)和氯化鉀(60% K2O)。緩控肥料為新型聚脲甲醛(MU)緩釋氮肥(尿素和甲醛縮合產(chǎn)物), 這種肥料的緩釋效果已在水稻()-小麥輪作試驗中驗證[15]。氮磷鉀按照砂姜黑土當?shù)嘏涫┍壤?HK除外), 即氮肥基追比6∶4, 磷鉀肥均一次性底施。不同處理的肥料施用量如表1所示。試驗各小區(qū)均間隔1 m, 并用高10 cm的土埂圍起, 以防止降雨或者灌溉過程中的串水串肥問題。為了和大田施肥方式一致, 夏玉米季采取模擬麥茬間種肥同播(不同行)的方式, 播種深度為5 cm, 施肥深度大致為10 cm。小麥基肥期采取撒施后人工翻耕的方式, 追肥期采取撒施灌溉方式, 所有措施嚴格按照大田管理方式展開。玉米季選用‘鄭單958’作為試驗品種, 播種施肥日期均為6月21日, 按照等行距(60 cm)播種, 密度67 500株×hm-2; 追肥期在7月25日(大喇叭口期), 收獲期為9月30日。小麥選用‘周麥32’為試驗對象, 播種前做好種子包衣處理; 前茬玉米收獲后粉碎平鋪于地表, 并進行人工翻耕和耙地, 保持地面平整; 于10月25日播種施肥, 播量為225 kg×hm-2, 追肥期為2018年4月3日, 5月25日收獲。試驗開展期間, 根據(jù)病蟲草害發(fā)生情況做好田間除草及病蟲草害的防治工作。

表1 砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田不同施肥處理的施肥量

HK處理的氮肥為聚脲甲醛緩釋肥; 其他處理氮肥為尿素。The nitrogen fertilizer of the treatment HK is a polyurea formaldehyde slow-release fertilizer; the urea is used in other treatments.

1.3 農(nóng)田氨揮發(fā)試驗

采用海綿法采集農(nóng)田氨揮發(fā)量, 海綿采用厚度大的單層海綿, 頂端用密封蓋密封整個采樣裝置[12]。海綿吸附液采用PG-mix(磷酸-丙三醇混合溶液)混合液, 即取85%磷酸溶液400 mL和丙三醇60 mL, 轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中, 用去離子水定容至1 000 mL。試驗開始前, 準備干凈海綿并吸附60 mL PG-mix溶液。試驗開始時, 將含有吸附液的海綿安放到各自小區(qū)的氨揮發(fā)裝置內(nèi), 在施肥后第1 d采集氨揮發(fā)樣品, 每次采集時間約為24 h以代表全天量, 之后間隔1 d, 持續(xù)采樣8~9次, 直至海綿吸附氨的含量低且處于穩(wěn)定狀態(tài)。每次采集完成后, 立即對更換下的海綿進行浸提和清洗, 多次操作后將浸提液定容至1 000 mL, 取部分定容液保存至50 mL塑料瓶中, 編號并放于冰箱冷藏保存。最后用連續(xù)流動分析儀(Seal AA3 Auto Analyzer 3)測定浸取液中的銨態(tài)氮濃度。

1.4 樣品采集與測定

試驗開始前按照“S”型采樣法于試驗地均勻采集0~20 cm耕層混合土樣, 土壤樣品帶回試驗室, 經(jīng)過風干、過篩后, 按照常規(guī)分析方法測定基礎(chǔ)土壤樣品的pH、有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量。具體為: 土壤pH采用1∶2.5的土水比制備土壤懸液, 用電位計法測定; 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用2.0 mol×L-1的氯化鉀溶液浸提, 振蕩過濾后用流動注射分析儀(Seal AA3)分析測定; 土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀均按傳統(tǒng)方法測定, 具體見鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析法》[16]。每次氨揮發(fā)采樣時, 同時用土鉆采集試驗小區(qū)0~20 cm的表層土(3個樣點), 一部分鮮樣用于分析土壤含水率、銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量, 另一部分晾干備用。

植物樣品的采集: 作物收獲后采集植株樣品, 包括籽粒和秸稈。具體為: 玉米成熟后, 將小區(qū)玉米全部收獲, 并估算產(chǎn)量; 每個小區(qū)采集5株有代表性的玉米植株, 并裝入網(wǎng)袋, 帶回試驗室, 分為秸稈和籽粒, 烘干用于測定主要養(yǎng)分(全氮、全磷和全鉀)含量。小麥收獲后選取每個小區(qū)長勢均勻的小麥, 采集1 m2, 晾干后將秸稈和籽粒分開, 分別稱重, 獲取產(chǎn)量和地上生物量; 同時取1 m小麥樣行, 晾干脫粒后, 分析各部分養(yǎng)分含量。除此之外, 通過自動土壤監(jiān)測站(SP1000數(shù)據(jù)采集器和5TE三參數(shù)探頭, USA), 對土壤體積含水率、電導率和溫度進行實時監(jiān)測。

1.5 數(shù)據(jù)處理與作圖

土壤氨揮發(fā)速率的計算公式為:

NH3-N(mg×m-2×h-1)=×/(×) (1)

式中:為流動分析儀測定NH3-N的濃度(mg×L-1),為浸提體積(L),為累計時間(h),為圓形管橫截面積(m2)。

氨揮發(fā)通量計算公式:

NH3-N(kg×hm-2)=(/)×10-2(2)

式中:為通氣法單個裝置平均每日測得的氨量(NH3-N, mg),為捕獲裝置的橫截面積(m2)。氨揮發(fā)積累量為測定時期內(nèi)每日氨揮發(fā)通量之和。

氮肥利用率(%)=(施肥區(qū)氮吸收量-對照無氮區(qū)氮吸收量)/氮肥施用量×100 (3)

氨排放系數(shù)(%)=(施肥區(qū)氨揮發(fā)量-對照區(qū)氨揮發(fā)量)/總施氮量 (4)

利用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析、顯著性檢驗和線性擬合。利用Origin 8.0完成相關(guān)圖片制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂姜黑土耕層土壤體積含水量、電導率與溫度動態(tài)變化

2017年5月25日至2018年6月30日對砂姜黑土試驗農(nóng)田土壤耕層(0~20 cm)的體積含水率、電導率和溫度進行測定, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)砂姜黑土耕層土壤的體積含水量介于0.129~0.500 m3×m-3, 平均值為0.221 m3×m-3。同時發(fā)現(xiàn)耕層土壤電導率與土壤體積含水量的波動性幾乎一致, 數(shù)值介于0.052~ 0.169 dS×m-1, 年平均值為0.140 dS×m-1。地表溫度的起伏和氣溫起伏一致, 最高溫度出現(xiàn)在夏季6—9月,年平均地表溫度為16.2 ℃, 代表了河南豫南砂姜黑土農(nóng)田地表溫度的年平均值。從圖2可以看出, 夏玉米季施肥期主要集中在6—8月, 此時砂姜黑土區(qū)農(nóng)田土壤地溫較高, 同時土壤的體積含水率和電導率波動性較弱。冬小麥基肥期土壤溫度呈下降趨勢, 同時耕層土壤含水率較高, 電導率基本處于穩(wěn)定狀態(tài); 而冬小麥追肥期地表溫度有顯著升高趨勢, 而土壤體積含水率和電導率整體處于高位波動狀態(tài)?？偠灾? 砂姜黑土夏玉米季施肥期土壤溫度顯著高于冬小麥季, 而土壤含水量和電導率卻明顯低于冬小麥季。

2.2 砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)動態(tài)特征

從圖3可以看出, 夏玉米季基肥期氨揮發(fā)的排放峰值在施肥后的第2~3 d, 最高峰值可達2.5 kg×hm-2×d-1, 之后快速降低, 直到施肥第6 d后基本處于穩(wěn)定狀態(tài); 而玉米追肥期的氨排放峰值出現(xiàn)在施肥后的第1 d, 最高峰值達2.4 kg×hm-2×d-1, 之后迅速降低, 在施肥后第4 d趨于穩(wěn)定狀態(tài)。冬小麥季基肥期氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)在施肥后的第1 d, 最高氨排放峰值達2.0 kg×hm-2×d-1, 之后迅速下降, 直到施肥后的第5 d趨于穩(wěn)定狀態(tài); 而追肥期氨排放峰值出現(xiàn)在施肥后第2 d, 最高峰值達2.2 kg×hm-2×d-1, 隨后顯著下降, 同樣在第5 d趨于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見, 砂姜黑土常規(guī)施肥條件下的氨排放峰值一般出現(xiàn)在施肥后的前2 d, 一般在5~7 d后處于穩(wěn)定排放狀態(tài)。對于不同施肥處理而言, TR處理無論在冬小麥季還是夏玉米季都擁有最高的氨排放峰值, 其次為OPT處理, 而ZOPT和HK處理的排放峰值相對較低且差別不大(冬小麥季), 顯示出較低的氨揮發(fā)量。值得注意的是, HK處理無論在冬小麥季還是夏玉米季追肥期都顯示出較低的氨揮發(fā)量, 尤其玉米追肥期的氨揮發(fā)量幾乎與CK處理一致, 顯示出較好的控氨效果。

圖2 試驗期間砂姜黑土冬小麥季和夏玉米季耕層土壤體積含水量、電導率和溫度的變化

試驗各處理介紹見表1。The description of each treatment is shown in the table 1.

2.3 砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨累積揮發(fā)量

從圖4可以看出, 砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田不同施肥期氨揮發(fā)量不同。玉米基肥期不同處理的氨揮發(fā)量整體高于追肥期, 其中玉米基肥期不同處理(除CK)的氨累積揮發(fā)量為2.8~8.3 kg×hm-2, 而玉米追肥期不同處理氨累積揮發(fā)量僅為0.4~ 5.1 kg×hm-2。與夏玉米季類似, 冬小麥基肥期不同處理(除CK)的氨累積揮發(fā)量為3.4~5.8 kg×hm-2, 而冬小麥追肥期不同施肥處理氨累積揮發(fā)量為2.0~5.2 kg×hm-2, 冬小麥基肥期比追肥期的氨揮發(fā)量略高, 但不如夏玉米季明顯。綜合兩季結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)砂姜黑土夏玉米季的氨揮發(fā)量顯著高于冬小麥季, 成為該土壤類型冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田的高發(fā)時期。對比不同施肥處理, TR處理的氨揮發(fā)量在冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田4次施肥中明顯高于其他處理(<0.05), 其冬小麥季和夏玉米季氨累積揮發(fā)量分別為11.1 kg×hm-2和13.4 kg×hm-2; 其次為OPT處理, 其冬小麥季和夏玉米季氨累積揮發(fā)量分別為7.5 kg×hm-2和8.7 kg×hm-2; 而ZOPT和HK處理冬小麥-夏玉米兩季氨累積揮發(fā)量最低, 與前兩個處理差異顯著。玉米基肥期以及小麥基肥期和追肥期HK和ZOPT處理的氨累積揮發(fā)量差異均不顯著, 但玉米追肥期HK處理的氨揮發(fā)量顯著低于ZOPT處理(<0.05)。

圖4 冬小麥季和夏玉米季不同施肥處理典型施肥期氨累積揮發(fā)量

試驗各處理介紹見表1。The description of each treatment is shown in the table 1.

2.4 土壤和(Nmin)濃度變化及濃度與氨揮發(fā)的響應關(guān)系

圖5 不同施肥處理夏玉米季土壤和濃度動態(tài)變化

試驗各處理介紹見表1。The description of each treatment is shown in the table 1.

2.5 冬小麥和夏玉米產(chǎn)量、氮肥利用率和排放系數(shù)

由表2可以看出, TR、OPT和HK處理小麥產(chǎn)量分別為8.3 t×hm-2、8.9 t×hm-2和9.1 t×hm-2, 顯著高于其他處理(<0.05), CK處理產(chǎn)量最低。HK和TR處理玉米產(chǎn)量分別為9.0 t×hm-2和8.8 t×hm-2, 顯著高于其他處理(<0.05), 其次為OPT和ZOPT處理, CK處理產(chǎn)量最低。夏玉米季地上總吸氮量HK處理達158.7 kg×hm-2, 顯著高于其他處理(<0.05), 其次為TR和OPT處理, ZOPT和CK處理的地上吸氮量最低。與夏玉米季不同, 冬小麥季HK和OPT處理的地上吸氮量最高, 其次為TR處理, ZOPT處理的地上吸氮量最低(表2)。

夏玉米季TR處理的總氨揮發(fā)量最高, 達13.4 kg×hm-2, 其氨排放系數(shù)達4.7%, 顯著高于其他處理(<0.05); 其次為OPT處理和ZOPT處理, 其總氨揮發(fā)量為分別為8.7 kg×hm-2和5.2 kg×hm-2, 排放系數(shù)分別為3.6%和2.6%; HK處理的總氨揮發(fā)量為3.2 kg×hm-2, 其氨排放系數(shù)為1.5%, 顯著低于其他處理(<0.05)。與夏玉米季的結(jié)果類似, 冬小麥季TR處理的總氨揮發(fā)量最高, 達11.1 kg×hm-2, 其氨排放系數(shù)達3.6%, 顯著高于其他處理(<0.05); 其次為OPT處理, 其總氨揮發(fā)量和氨排放系數(shù)分別為7.5 kg×hm-2和2.6%; HK和ZOPT處理的冬小麥季總氨揮發(fā)量無顯著差異, 排放系數(shù)均顯著低于其他處理(<0.05)。

3 討論

3.1 砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)特征

砂姜黑土氨揮發(fā)特征研究較少, 李欠欠[12]在砂姜黑土小麥季開展的氨揮發(fā)試驗中發(fā)現(xiàn), 不同處理氨揮發(fā)量極低, 4次施肥過程中只有1次出現(xiàn)明顯的氨揮發(fā)過程, 從而說明砂姜黑土是一類氨揮發(fā)量極低的土壤。然而, 我們用同樣的方法在砂姜黑土開展冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)過程研究, 發(fā)現(xiàn)當?shù)貍鹘y(tǒng)施肥條件下砂姜黑土冬小麥季的氨排放系數(shù)達3.6%, 玉米達4.7%, 其結(jié)果遠高于李欠欠[12]的結(jié)果。導致不同的原因可能歸結(jié)于施肥期間的氣候條件不同, 李欠欠[12]的研究小麥季4次施肥, 有3次出現(xiàn)異常降雨事件, 限制了氨揮發(fā)的產(chǎn)生。然而基于當?shù)亻L期氣象資料[17], 我們的研究條件基本吻合砂姜黑土農(nóng)田區(qū)域的常規(guī)氣象條件, 相關(guān)結(jié)果可以代表砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田的氨揮發(fā)基本特征。其次, 本研究發(fā)現(xiàn)砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田中, 夏玉米季氨揮發(fā)量高于冬小麥季, 夏玉米季基肥期氨揮發(fā)量高于追肥期, 這可能與冬小麥季和夏玉米季的溫度條件和施肥習慣有關(guān)。例如, 砂姜黑土夏玉米季兩次施肥平均溫度25~30 ℃, 而冬小麥季兩次施肥溫度在15~20 ℃, 相關(guān)研究表明土壤脲酶活性的最佳溫度在60 ℃左右, 之后每降低10 ℃, 土壤酶促反應速度降低1倍左右[18], 從而導致夏玉米季氨揮發(fā)量高于冬小麥季。本研究沒有測定不同階段的脲酶活性, 但通過對夏玉米季和冬小麥季施肥后土壤耕層銨態(tài)氮含量的變化發(fā)現(xiàn), 夏玉米季土壤銨態(tài)氮在施肥后前5 d的平均濃度遠高于冬小麥季施肥后的濃度。由此可見, 從溫度角度來看, 砂姜黑土夏玉米季氣象條件更易于氨揮發(fā)的產(chǎn)生。此外, 砂姜黑土夏玉米季以種肥同播為主, 而冬小麥季肥料撒施之后旋耕處理, 是否這兩種方式會影響土壤脲酶活性從而導致氨揮發(fā)量不同值得進一步探索。本研究還發(fā)現(xiàn)玉米基肥期氨揮發(fā)量顯著高于追肥期, 施肥量可能是最主要的影響因素, 而追肥期玉米葉片對部分地表的遮擋, 從某種程度上遮檔的降溫作用可能減緩尿素撒施帶來的氨揮發(fā)損失[19]。由于缺乏更進一步的監(jiān)測, 未來近地表不同層土壤地溫、脲酶活性及pH動態(tài)變化研究顯得尤為必要。最后, 本研究選擇的砂姜黑土分布在河南南部, 屬于暖溫帶氣候帶[20], 從氣候角度來看利于氨揮發(fā)的產(chǎn)生, 但砂姜黑土屬于一類中性微偏酸性土壤, 從pH角度來看, 其氨揮發(fā)量應當介于酸性和堿性土壤之間。值得注意的是砂姜黑土黏土含量高、且以2∶1型蒙脫黏土礦物為主, 屬于交換性陽離子較高土壤。相關(guān)研究表明陽離子交換量較高的黏性土壤比陽離子交換量較低的粉砂土壤要低的多[10,21], 所以此方面來看砂姜黑土并不利于氨揮發(fā)的產(chǎn)生。總而言之, 與其他類型土壤相比[13-14,18-19], 砂姜黑土的氨揮發(fā)量并不高, 例如華北平原潮土(微堿性)農(nóng)田土壤的氨揮發(fā)占施氮比例范圍最高可達15%[27],相比潮土砂姜黑土氨排放量相對較低, 但考慮到砂姜黑土農(nóng)田土壤肥料累積效應和適宜的氣候條件, 其所導致的氨揮發(fā)損失仍不可小覷。

圖6 不同施肥處理夏玉米季氨揮發(fā)量與土壤濃度的相關(guān)性

試驗各處理介紹見表1。The description of each treatment is shown in the table 1.

3.2 砂姜黑土不同施肥方式下氨揮發(fā)特征及排放系數(shù)

不同施肥方式下氨揮發(fā)特征已有大量研究[22-25], 但針對砂姜黑土不同施肥條件下的氨揮發(fā)特征及排放系數(shù)研究相對較少。與其他相關(guān)研究結(jié)果一致, 減少氮肥施用量可以顯著減少農(nóng)田氨揮發(fā)量, 而施肥從低到高的過程中農(nóng)田氨揮發(fā)量可以從線性增長跨越到指數(shù)增長趨勢[26-28]。本研究結(jié)果并未看到明顯的指數(shù)增長趨勢, 夏玉米季和冬小麥季線性相關(guān)的2甚至可達0.93(圖7), 當前施肥梯度還未出現(xiàn)氨激發(fā)增長趨勢, 說明砂姜黑土傳統(tǒng)施肥量的氨排放還在合適的范圍之內(nèi)。相比OPT和ZOPT處理, 聚脲甲醛緩控肥(HK)的減氨效果最明顯, 尤其夏玉米季氨揮發(fā)量甚至明顯低于ZOPT處理, 說明脲甲醛緩釋肥具有良好的減氨效果。聚脲甲醛是通過尿素與甲醛在一定條件下反應縮合后的產(chǎn)物, 其機理在于各種脲分子的交聯(lián)聚合作用, 形成的聚合物在水中是不容易溶解和崩解的, 在不同的土壤溫度條件下緩慢釋放[12,29]。由此可見, 減量施肥可以顯著降低砂姜黑土農(nóng)田土壤氨揮發(fā), 而通過肥料的改進可以進一步降低農(nóng)田氨揮發(fā)量, 起到更好的減氨效果。此外, 不同施肥處理夏玉米季氨排放系數(shù)介于2.6%~4.7%, 冬小麥季氨排放系數(shù)介于2.1%~3.6%, 這基本代表了砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田不同施肥量下的氨排放系數(shù)。值得注意的是, 相比環(huán)保部《大氣氨源排放清單編制技術(shù)指南》針對于酸性土壤排放系數(shù)(尿素30 ℃≈5.5%; 10~30 ℃≈3.5%)[7-8], 本研究結(jié)果整體偏低。其原因可能歸結(jié)于3方面: 第一, 施肥方式降低了氨排放系數(shù), 夏玉米季基肥期種肥同播, 冬小麥季撒施旋耕, 以及施肥后灌溉都從某種程度上限制氨揮發(fā)的產(chǎn)生; 第二, 盡管土壤pH接近于中性, 但砂姜黑土高黏土含量從某種程度上并不利于氨揮發(fā)的產(chǎn)生; 第三, 密閉海綿法由于限制氣體流動, 有可能低估農(nóng)田氨揮發(fā)[30-31]。所以, 未來多樣化的方法、長時間的氨排放監(jiān)測以及土壤關(guān)鍵因子的同步測定有助于未來砂姜黑土農(nóng)田氨排放因子的進一步優(yōu)化。

表2 冬小麥和夏玉米季不同施肥處理作物產(chǎn)量、氮肥利用率、氨凈揮發(fā)量及排放系數(shù)

試驗各處理介紹見表1。不同小寫字母表示<0.05水平差異顯著性。The description of each treatment is shown in the table 1. Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments at 0.05 level.

圖7 砂姜黑土農(nóng)田夏玉米季和冬小麥季氨揮發(fā)與施肥量的響應關(guān)系

4 結(jié)論

砂姜黑土區(qū)冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田夏玉米季氨揮發(fā)量介于3.2~13.4 kg×hm-2, 冬小麥季氨揮發(fā)量介于5.6~11.1 kg×hm-2, 夏玉米季的氨揮發(fā)量整體高于冬小麥季, 說明夏玉米季是砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作體系氨揮發(fā)的高排時期。冬小麥季和夏玉米季不同施肥期的氨揮發(fā)量存在較大差異, 玉米基肥期的氨揮發(fā)量顯著高于追肥期, 而小麥基肥期的氨揮發(fā)量與追肥期差異不大。與其他類型土壤研究結(jié)果類似, 砂姜黑土農(nóng)田不同施肥處理的氨揮發(fā)量存在較大差別, TR處理兩季氨揮發(fā)量均顯著高于其他處理, 其次為OPT處理, 而HK和ZOPT處理的氨揮發(fā)量更低, 且與前兩個處理差異顯著。然而, 對比兩季作物產(chǎn)量發(fā)現(xiàn), OPT、HK和TR處理產(chǎn)量整體差別不大, ZOPT處理產(chǎn)量更低, 說明OPT施肥量既可以實現(xiàn)減氨又能保障作物產(chǎn)量, 而HK處理不僅保障砂姜黑土作物產(chǎn)量, 還可以降低氨揮發(fā), 實現(xiàn)砂姜黑土冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田更好的經(jīng)濟與環(huán)境效益。最后, 結(jié)合幾種典型施肥處理的排放系數(shù), 發(fā)現(xiàn)砂姜黑土冬小麥季氨排放系數(shù)介于1.7%~3.6%, 夏玉米季氨排放系數(shù)介于1.5%~4.7%, 砂姜黑土農(nóng)田的氨排放系數(shù)相比其他類型土壤相對較低。盡管如此, 考慮到砂姜黑土區(qū)域適宜的氣候條件和高量施肥現(xiàn)象普遍存在, 合理施肥和新型肥料推廣使用仍需被重視。

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Ammonia emission characteristics and emission coefficients of wheat and corn rotation cropland under different fertilization methods in lime concretion black soil*

LYU Jinling, WANG Xiaofei, LI Taikui, KOU Changlin**

(Institute of Plant Nutrition, Resources and Environmental Science, Henan Academy of Agricultural Sciences / Yuanyang Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment and Arable Land Conservation, Ministry of Agriculture / Henan Key Laboratory of Agricultural Eco-environment, Zhengzhou 450002, China)

Soil type affects farmland ammonia volatilization, but few studies have examined ammonia volatilization characteristics and emission coefficients. Therefore, the accurate inventory of regional farmland soil ammonia emissions is disadvantaged. Lime concretion black soil found in southern Henan, China, was used to explore the ammonia volatilization characteristics of winterwheat-summer maize-rotated cropland by the closed-sponge method. The soil was unfertilized (CK) or treated with traditional fertilizer (TR), optimized fertilizer (OPT), re-optimized fertilizer (ZOPT), or slow-controlled fertilizer (HK), and the ammonia emissions coefficient was determined. The results showed that the winter wheat and summer maize ammonia volatilization amounts using the traditional fertilizer treatment were 11.1 and 13.4 kg×hm?2, respectively. Summer maize ammonia emission was 21% higher than winter wheat, indicating that the summer maize season was a high-volume period. Winter wheat and summer maize treated with HK and ZOPT had the lowest ammonia emission coefficients (HK: 1.7% for winter wheat, 1.5% for summer maize; ZOPT: 2.1% for winter wheat, 2.6% for summer maize;<0.05), the OPT treatment had moderate coefficients (2.6% for winter wheat, 3.6% for summer maize), and the TR treatment had the highest coefficients (3.6% for winter wheat, 4.7% for summer maize). The ammonia emissions fertilization gradients and fertilization amounts were plotted, and the ammonia volatilization amounts under variable fertilization treatments were linear (2: 0.931 for winter wheat, 0.934 for summer maize). These results may help to improve nitrogen fertilizer use and the ammonia emission inventory and provide basis for nitrogen emission estimation of winter wheat-summer maize rotation in lime concretion black soil croplands.

Lime concretion black soil; Winter wheat and summer maize rotation; Fertilization method; Ammonia volatilization rate; Ammonia emission amount; Ammonia emission coefficient

S19

10.13930/j.cnki.cjea.200479

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* 國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0800600, 2017YFC0212400)和國家自然科學基金項目(41807098)資助

寇長林, 研究方向為農(nóng)田土壤肥力提升。E-mail: koucl@126.com

呂金嶺, 研究方向為農(nóng)田氮素循環(huán)和氨排放。E-mail: lvjinling2008@163.com

2020-06-20

2020-10-07

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0800600, 2017YFC0212400), and the National Natural Science Foundation of China (41807098).

, E-mail: koucl@126.com

Jun. 20, 2020;

Oct. 7, 2020