有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)川中紫色土丘陵區(qū)稻田氨揮發(fā)的影響

張 奇，徐婭玲，姚 莉，王 宏，劉海濤，蒲 波，劉紅兵，林超文*

（1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，成都 610066；2.四川省耕地質(zhì)量和肥料工作總站，成都 610000）

作物生產(chǎn)中氮肥利用率低是導(dǎo)致氮肥資源嚴(yán)重浪費(fèi)以及環(huán)境污染的主要原因。氨（NH3）揮發(fā)是氮素?fù)p失的主要途徑之一，稻田NH3揮發(fā)損失占施氮量的10%～38%[1-2]。大氣中的NH3會(huì)引發(fā)酸雨、土壤酸化和水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室效應(yīng)等問題[3-4]。此外，NH3是形成PM2.5的重要前體物，NH3與空氣中的硝酸鹽以及硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)形成硝酸銨鹽、硫酸銨鹽的混合物，進(jìn)而引起霧霾天氣[5]。因此，優(yōu)化氮肥使用、降低NH3揮發(fā)損失以及提高氮肥利用率是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。

有機(jī)肥料施用是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便資源化利用的直接途徑。大量研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)提高作物產(chǎn)量和改善土壤肥力有顯著的作用，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增效和節(jié)肥的重要施肥模式[6-8]。但配施過量有機(jī)肥增產(chǎn)效果不顯著，甚至?xí)斐奢^高的土壤氮素殘留[9-10]。川中紫色土丘陵區(qū)是四川盆地的作物主產(chǎn)區(qū)，水稻種植面積大，化肥施用量較大，具有較大的NH3揮發(fā)潛力[11]。因此，開展科學(xué)合理施用氮肥技術(shù)研究對(duì)提高該區(qū)域水稻產(chǎn)量、增加經(jīng)濟(jì)效益以及提高氮肥利用效率和防控農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。為此，本研究在等氮量替代條件下，設(shè)計(jì)4個(gè)不同有機(jī)無機(jī)肥配施比例，比較NH3揮發(fā)通量、總量及其占施氮量的比例、水稻產(chǎn)量的差異，同時(shí)分析NH3揮發(fā)通量和田面水含氮量的關(guān)系，以期為該區(qū)域水稻生產(chǎn)合理施肥和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)和理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2020年在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所資陽試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站位于東經(jīng)104°34′12″～104°35′19″、北緯 30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量為831.86 mm，主要集中在6—9月；年均溫為16.8℃，極端最低溫-3.6℃，極端最高溫36.5℃，年日照時(shí)數(shù)1 300 h。供試土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紫色土紅沙土，0～20 cm土層的基本化學(xué)性質(zhì)如表1。

表1 供試土壤（0～20 cm）基本化學(xué)性狀Table1 Chemical properties of the experimental soil at the depth of 0-20 cm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用單因素設(shè)計(jì)，共設(shè)置5個(gè)處理，分別為不施氮肥處理（T0）、常規(guī)施尿素（T1）、有機(jī)肥30%替代尿素（T2）、有機(jī)肥70%替代尿素（T3）和有機(jī)肥100%替代尿素（T4）。施氮量均為150 kg/hm2，磷肥（過磷酸鈣，12%P2O5）和鉀肥（KCl，60%K2O）的施用量均為75 kg/hm2，都是以基肥的方式一次性施入。有機(jī)肥為雞糞發(fā)酵處理后的產(chǎn)品，施用前測(cè)定N、P、K含量（全氮 2.60%，全磷 3.11%，全鉀4.38%）。各處理采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)重復(fù)3次。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)度為6 m，寬度為5 m，面積為30 m2。小區(qū)的周圍設(shè)置3 m寬的保護(hù)行，小區(qū)間修建寬30 cm，高20 cm的田埂，保護(hù)行和田埂采用黑色的地膜覆蓋，防止試驗(yàn)小區(qū)之間串水串肥。水稻品種為試驗(yàn)區(qū)當(dāng)?shù)爻Ｓ闷贩N“宜香2115”。2020年4月上旬育苗（旱育秧），5月29日移栽，5月31日施用基肥，9月22日收獲，行距24 cm，窩距20 cm。田間灌溉和病蟲草害管理均按照當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 研究指標(biāo)及測(cè)定方法

1.3.1 NH3揮發(fā)的測(cè)定

本次試驗(yàn)采用密閉室連續(xù)抽氣法測(cè)定稻田NH3揮發(fā)通量[11]，通過真空泵連續(xù)抽氣并用裝有2%硼酸的吸收瓶吸收氣體中的NH3，再用濃度為0.1 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定硼酸中吸收的NH3。施肥后第1天開始測(cè)定，每天固定在上午8:00—9:00，下午15:00—16:00進(jìn)行測(cè)定，連續(xù)測(cè)定14 d，直至所有小區(qū)施肥處理與不施肥處理的NH3揮發(fā)通量無差異為止。

NH3揮發(fā)通量的計(jì)算方程為：

式中，F(xiàn)為一天當(dāng)中 NH3揮發(fā)通量（kg/(d·hm2）），C為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的濃度（mol/L），V為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的滴定體積（L），S為密閉室內(nèi)部面積（m2），t為 NH3揮發(fā)測(cè)定時(shí)間（h）。

NH3揮發(fā)總量的計(jì)算方程為：

式中，N 為 NH3揮發(fā)總量（kg/hm2），d為時(shí)間（1 d）。

1.3.2 田面水指標(biāo)

在施肥后的第1、4、7、10天用50 mL醫(yī)用注射器采用多點(diǎn)取樣法采集各小區(qū)的田面水樣。將水樣保存于4℃，利用分光光度計(jì)測(cè)定水樣中的NH4+-N、NO3--N、總氮和可溶性氮濃度[3，11]。

1.3.3 水稻產(chǎn)量

水稻成熟后，將各小區(qū)水稻的稻谷部分收獲并風(fēng)干測(cè)定質(zhì)量，并根據(jù)小區(qū)面積換算出對(duì)應(yīng)公頃產(chǎn)量[3]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel 2007軟件處理計(jì)算數(shù)據(jù)并作圖，用Origin Pro8軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)肥替代處理的田間NH3揮發(fā)通量

由圖1可知，在施入肥料后，各處理的NH3揮發(fā)通量均會(huì)明顯增強(qiáng)，峰值出現(xiàn)在施肥后的第3天，后呈現(xiàn)逐步下降，第10天后各處理均與空白處理無差異。隨著有機(jī)肥替代比例的增加，NH3揮發(fā)通量明顯降低。在峰值期，各處理NH3揮發(fā)通量按從大到小的順序排列為：T1（13.03 kg/（d·hm2））＞T2（10.01 kg/（d·hm2））＞T3（8.63 kg/（d·hm2））＞T4（4.16 kg/（d·hm2））＞T0（0.30 kg/（d·hm2））。

圖1 不同施肥處理下稻田NH3揮發(fā)通量Figure 1 NH3volatilization rates in paddy field under different fertilization methods

2.2 不同有機(jī)肥替代處理的田間NH3揮發(fā)總量

不同處理施肥后的NH3揮發(fā)總量為取樣時(shí)間內(nèi)NH3揮發(fā)通量對(duì)時(shí)間的積累。由表2可知，各處理的NH3揮發(fā)總量為3.93～68.54 kg/hm2。與純尿素處理T1相比，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，NH3揮發(fā)總量減低21.77～49.55 kg/hm2，其中T3和T4處理累積NH3揮發(fā)量呈顯著性差異，比T1處理分別降低了52.66%和72.29%。不同處理NH3揮發(fā)總量占施氮量的比例為10.04%～43.07%，與純尿素處理T1相比，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，NH3揮發(fā)總量占施氮量的比例顯著減低?？梢姡谙嗤┑较?，有機(jī)無機(jī)肥配施能有效降低NH3揮發(fā)損失。

表2 不同施肥處理下稻田NH3揮發(fā)總量及其占施氮量的百分比Table 2 Amounts of NH3volatilization in paddy field and the percentages to nitrogen application rate under different fertilization methods

2.3 不同有機(jī)肥替代處理的田面水含氮量

如圖2a所示，對(duì)于T1和T2，施肥后田面水NH4+-N濃度迅速提高，在第4天達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，在第10天降到5 mg/L以下的較低值。對(duì)于T3和T4，施肥后第1天田面水NH4+-N即達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，在第7天降到4 mg/L以下的較低值。各處理峰值期的田面水NH4+-N濃度按照從大到小的順序排列為：T4（35.66 mg/L）＞T3（32.67 mg/L）＞T1（26.97 mg/L）＞T2（19.37 mg/L）＞T0（0.44 mg/L）。

由圖2b可知，由于處于淹水的厭氧條件，在整個(gè)觀測(cè)期稻田田面水NO3--N濃度一直處于較低水平。這是因?yàn)槟蛩厮猱a(chǎn)生的NH4+-N通過硝化作用生成NO3--N，而在淹水條件下硝化作用很弱[11]。此外，NH4+-N濃度隨著水稻吸收、NH3揮發(fā)和淋失等作用逐漸減低，導(dǎo)致田面水中的NO3--N濃度較低[12]。

如圖3a所示，施肥后各處理田面水可溶性氮濃度即達(dá)到最高值，隨時(shí)間的推移田面水可溶性氮濃度迅速下降，在第10天降到較低值。各處理峰值期的田面水可溶性氮濃度按照從大到小的順序排列為：T1（157.85 mg/L）＞T2（129.19 mg/L）＞T3（99.83 mg/L）＞T4（44.32 mg/L）＞T0（2.48 mg/L），T0 在各個(gè)取樣期內(nèi)田面水可溶性氮濃度均較低。由圖3b可知，田面水總氮濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律與可溶性氮濃度的變化規(guī)律基本一致。各處理峰值期的田面水總氮濃度按照從大到小的順序排列為：T1（166.65 mg/L）＞T2（142.34 mg/L）＞T3（108.68 mg/L）＞T4（46.86 mg/L）＞T0（2.65 mg/L）?？梢?，有機(jī)肥替代無機(jī)肥處理能有效降低田面水中可溶性氮和總氮濃度，從而降低氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 不同處理下稻田田面水可溶性氮（a）和總氮（b）濃度Figure 3 Dissolved N（a）and total N（b）concentrations in paddy field water under different fertilization methods

2.4 稻田NH3揮發(fā)與田面水氮形態(tài)的相關(guān)性

本研究分析不同施肥處理稻田NH3揮發(fā)通量與田面水NH4+-N、NO3--N、可溶性氮和總氮的相關(guān)性，結(jié)果如表3所示。各處理稻田NH3揮發(fā)通量與田面水NH4+-N濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均達(dá)到顯著水平。對(duì)于處理T3和T4，NH3揮發(fā)通量與田面水可溶性氮和總氮濃度具有較好的正相關(guān)性；但T1和T2處理的NH3揮發(fā)通量與田面水可溶性氮和總氮濃度沒有相關(guān)性。這與T3和T4處理中田面水可溶性氮、總氮濃度與NH4+-N變化趨勢(shì)一致有關(guān)?？梢姡锩嫠甆H4+-N濃度是影響NH3揮發(fā)極為重要的因素。

表3 不同施肥處理稻田NH3揮發(fā)通量與田面水NH4+-N、NO3--N、可溶性氮和總氮的相關(guān)性Table 3 Correlation between NH3volatilization rate and NH4+-N、NO3--N、dissolved N and total N in field water

2.5 不同有機(jī)肥替代處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由表4可知，各處理水稻產(chǎn)量按照從高到低的順序排列為 T2（6 649.82 kg/hm2）＞T1（6 390.08 kg/hm2）＞T3（6 262.74 kg/hm2）＞T4（5 415.97 kg/hm2）＞T0（4 368.23 kg/hm2）。T0處理產(chǎn)量最低，T2處理產(chǎn)量最高，較T0增產(chǎn)52.23%，較常規(guī)施肥T1增產(chǎn)4.06%；其次為T1處理，較T0增產(chǎn)46.28%?？梢姡?dāng)有機(jī)肥替代無機(jī)氮肥比例過高時(shí)，水稻產(chǎn)量會(huì)減少，用30%有機(jī)肥替代無機(jī)肥有增產(chǎn)效果。

表4 不同施肥處理的水稻產(chǎn)量Table 4 Rice yield under different fertilization methods

3 討論

本研究結(jié)果表明，有機(jī)肥替代化肥能夠有效降低紫色土丘陵區(qū)稻田NH3揮發(fā)損失，而且有機(jī)肥替代比例越高，減排潛力越大。本試驗(yàn)中，有機(jī)無機(jī)肥配施以及純有機(jī)肥處理的NH3揮發(fā)損失總量較常規(guī)化學(xué)肥料降低了30%～70%，這與已有研究結(jié)果基本一致。邢月等研究不同施肥方式對(duì)上海地區(qū)稻田NH3揮發(fā)特征的影響，發(fā)現(xiàn)單施化肥NH3揮發(fā)損失率可達(dá)11.88%，而單施有機(jī)肥和混施肥處理NH3揮發(fā)損失率分別為2.30%和8.10%[3]。吳凡等研究發(fā)現(xiàn)洱海流域有機(jī)肥與化肥配施處理的稻田NH3揮發(fā)累積量比常規(guī)施肥處理的減少了64.44%[13]。朱文博研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代20%化肥氮素較單施化肥稻田NH3揮發(fā)累積排放量下降18%～21%[14]。這可能與尿素和有機(jī)肥被施入土壤后發(fā)生的反應(yīng)不同有關(guān)。尿素在土壤脲酶的催化作用下被水解成NH4HCO3，隨后迅速轉(zhuǎn)化為NH4+-N，一部分被土壤膠體吸附，另一部分則進(jìn)入到土壤溶液中以NH3等氣體形式揮發(fā)。而有機(jī)肥中大量的有機(jī)氮組分則需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的礦化分解才能參與NH3揮發(fā)的過程，而且有機(jī)肥在分解過程中會(huì)釋放大量有機(jī)酸，降低了土壤pH，同時(shí)形成的腐殖質(zhì)會(huì)增加土壤的吸附力，從而對(duì)NH3揮發(fā)有明顯的抑制作用[5，15]。此外，有機(jī)肥施用能夠促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，將土壤無機(jī)氮固定轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，減少了產(chǎn)生NH3的無機(jī)氮量，進(jìn)而降低NH3揮發(fā)損失[5，15]。

本試驗(yàn)中，通過研究不同施肥處理下稻田田面水氮濃度動(dòng)態(tài)的變化發(fā)現(xiàn)，施肥后各處理田面水可溶性氮和總氮濃度即達(dá)到最高值，受作物吸收、NH3揮發(fā)、土壤吸附和氮素滲漏等作用的影響迅速下降，在第10天降到較低值。對(duì)于處理T1和T2，施肥后田面水NH4+-N濃度迅速提高，在第4天達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，在第10天降到較低值。對(duì)于處理T3和T4，施肥后第1天田面水NH4+-N即達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，在第7天降到較低值且趨于穩(wěn)定?？梢姡┓屎?0 d內(nèi)是防控氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期，這與前人研究結(jié)果基本一致。葉鑫等研究發(fā)現(xiàn)水稻季3次施肥后，與單施化肥處理相比，有機(jī)肥替代化肥氮處理的田面水總氮濃度分別降低了46.14%～71.01%、19.54%～50.53%和 60.34%～80.12%；NH4+-N濃度分別降低了52.98%～73.37%、17.58%～54.53%和38.16%～86.15%[12]。李喜喜等研究發(fā)現(xiàn)豬糞和化肥配施處理較常規(guī)施肥處理水稻田面水總氮和NH4+-N濃度分別顯著降低7.94%～23.60%和21.28%～42.91%，可以有效降低氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)[16]。在本試驗(yàn)條件下，田面水可溶性氮和總氮濃度隨著有機(jī)肥替代比例的增加而降低，但銨態(tài)氮濃度的峰值隨著有機(jī)肥替代比例的增加而增加，這與葉鑫和李喜喜的研究結(jié)果不一致，可能與有機(jī)肥種類、施肥方式等研究條件不同有關(guān)。本試驗(yàn)中有機(jī)肥是一次性施入，大量有機(jī)肥內(nèi)的可溶性NH4+-N進(jìn)入農(nóng)田造成田面水NH4+-N含量增加幅度很大。此外，本試驗(yàn)在施肥后第1天和第4天測(cè)定水體中NH4+-N濃度，第1天尿素并未完全水解，所以NH4+-N濃度較低。依據(jù)NH3揮發(fā)通量（見圖1），NH4+-N峰值很可能出現(xiàn)在第3天，第4天NH4+-N濃度已經(jīng)出現(xiàn)回落，所以并未監(jiān)測(cè)到真正的NH4+-N峰值。

本研究表明，有機(jī)肥部分替代化肥能穩(wěn)定或提高作物產(chǎn)量，但完全替代化肥會(huì)降低作物產(chǎn)量，這與大多數(shù)研究結(jié)果相一致。周江明研究表明，在總氮量不變情況下，有機(jī)肥替代20%～40%化肥，早稻、晚稻和單季稻產(chǎn)量比單施化肥處理分別增產(chǎn)8.5%、2.8%和4.6%[17]。陳琨等研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施處理的水稻產(chǎn)量較CK增加17.29%～31.43%，100%有機(jī)肥處理的產(chǎn)量較CK減少3.64%[18]。這可能與施肥措施的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，有機(jī)肥養(yǎng)分釋放速率較慢，難以像化肥處理那樣在作物生長(zhǎng)前期滿足作物生長(zhǎng)所需的有效氮素，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)肥替代處理的土壤肥力提升，進(jìn)而會(huì)增加作物產(chǎn)量。本研究中不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響僅為當(dāng)年試驗(yàn)研究結(jié)果，還需更長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

川中紫色土丘陵區(qū)域水稻田施肥后，較高NH3揮發(fā)通量持續(xù)在10 d之內(nèi)。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，NH3揮發(fā)累積量為18.99～68.54 kg/hm2，占氮肥施用量的10.04%～43.07%。與常規(guī)施肥即純尿素處理相比，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，NH3揮發(fā)總量減低21.77～49.55 kg/hm2。綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益等因素，川中紫色土丘陵區(qū)域水稻田有機(jī)肥替代化肥適宜比例為30%，既可促使水稻的增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)、降低成本，同時(shí)可提高氮素利用率并降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)。