不同比例沼液和尿素配施對稻田氨揮發(fā)的影響

高波 王凱 李紅陽 孫星星 馬晶晶 張俊喜 楊智青

摘要 [目的]研究不同比例沼液和尿素配施對稻田氨揮發(fā)的影響。[方法]采用稻田小區(qū)試驗，以等量氮素施入量為標準，將沼液和尿素以不同比例混合，分3次施入。[結(jié)果]沼液與尿素配施下水稻3個施肥期（基肥、分蘗肥、穗肥）氨揮發(fā)均主要發(fā)生在施肥后前5～6 d，第7天氨揮發(fā)基本結(jié)束，施肥后3 d內(nèi)氨揮發(fā)速率即可達到峰值;與僅施尿素相比，配施沼液使稻田氨揮發(fā)速率顯著增加，其中基肥完全由沼液代替的處理，其氨揮發(fā)速率最大可達7.5 kg/（hm2·d）;氨揮發(fā)損失量與沼液配施比例呈顯著正相關(guān)，其中沼液配施比最大的處理下由氨揮發(fā)導致的氮素損失比例可達20.2%。[結(jié)論]適當降低沼液比例可明顯減少氨揮發(fā)損失;沼液中大量氮素以NH4+-N的形式存在是沼液還田后增加氨揮發(fā)的主要原因之一，此外，高溫也能增加沼液的揮發(fā)強度，加速銨態(tài)氮的流失。

關(guān)鍵詞 沼液;尿素;配施;氨揮發(fā);稻田

中圖分類號 S 141? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0154-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.041

Effects of Surface Application of Biogas Slurry and Urea in Different Proportions on Ammonia Volatilization in Paddy Field

GAO Bo， WANG Kai， LI Hong-yang et al

（Jiangsu Coastal Area Institute of Agricultural Sciences， Yancheng， Jiangsu 224002）

Abstract [Objective]To study the effect of different proportions of biogas slurry and urea on ammonia volatilization in paddy field. [Method]Paddy plot experiment was carried out. The biogas slurry and urea were mixed in different proportions and applied in three times with the same amount of nitrogen as the standard. [Result]Under the combined application of biogas slurry and urea， ammonia volatilization mainly occurred in the first 5-6 days after fertilization （basal， tillering and earing）. The ammonia volatilization rate basically ended on the 7th day， and the peak value of ammonia volatilization rate could be reached within 3 days after fertilization. Compared with urea only， treatments combined with biogas slurry significantly increased ammonia volatilization rate， and the maximum ammonia volatilization rate reached 7.5 kg/（hm2·d） when biogas slurry completely replaced the urea in basal. There was a significant positive correlation between ammonia volatilization loss and biogas slurry application ratio， and the maximum ratio of nitrogen loss caused by ammonia volatilization was 20.2% in the treatment with the largest biogas slurry application ratio. [Conclusion]Ammonia volatilization loss can be significantly reduced by appropriately reducing the biogas slurry ratio. A large amount of nitrogen in the form of NH4+-N in biogas slurry is the main reason for increasing ammonia volatilization after biogas slurry returning to the field. High temperature can increase the volatilization intensity of biogas slurry and accelerate the loss of ammonium nitrogen. Therefore， high temperature weather should be avoided when biogas slurry is returned to the field.

Key words Biogas slurry;Urea;Combine application;Ammonia volatilization;Paddy field

基金項目 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目（CX（16）1003）;蘇北科技專項“豬糞沼液高效還田技術(shù)集成與示范”（SZ-YC202008）;江蘇省鹽土（灘涂）重點實驗室開放課題（JKLBS2020011）;江蘇省科技（社會發(fā)展）項目（BE2018680）。

作者簡介 高波（1989—），男，江蘇寶應(yīng)人，助理研究員，碩士，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。通信作者，副研究員，從事畜禽養(yǎng)殖與資源開發(fā)利用研究。

收稿日期 2021-04-14;修回日期 2021-05-20

沼氣工程是一項將畜禽養(yǎng)殖排泄物通過厭氧發(fā)酵的方式，實現(xiàn)資源再利用、促進農(nóng)業(yè)良性循環(huán)的生態(tài)工程[1]，隨著規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)的持續(xù)發(fā)展和發(fā)酵工藝的不斷完善，沼氣工程將得到越來越多的應(yīng)用與推廣。畜禽糞便經(jīng)發(fā)酵后產(chǎn)生沼液和固體沼渣，其中固體產(chǎn)物可通過堆肥實現(xiàn)資源再利用，而沼液因排放量較大，難以實現(xiàn)對其養(yǎng)分的科學管理和利用，是制約沼氣工程發(fā)展的重要因素之一[2-3]。沼液中含有大量可被作物直接吸收的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，如豬糞沼液的總氮濃度可達400～700 mg/L[2]，因此沼液被認為是一種優(yōu)質(zhì)液體有機肥，有較高的還田價值[4-5]，目前國內(nèi)外主要采用漫灌的方式進行沼液還田。盡管沼液還田可以實現(xiàn)沼液的大量消解，但研究表明，沼液代替化肥表施于農(nóng)田易造成氨揮發(fā)損失[6-7]，且在相同施氮量的條件下，沼液肥NH3-N損失量遠高于常規(guī)化肥[8]。沼液完全代替化肥施入農(nóng)田，不僅造成養(yǎng)分流失，產(chǎn)生的大量氨揮發(fā)還會增加大氣環(huán)境的污染風險，因此科學管理沼液的還田方式對稻田消解沼液具有重要意義。筆者基于大田試驗，分別在水稻施用基肥、分蘗肥和穗肥的過程中，設(shè)置不同沼液與尿素的配施比例處理，研究各處理下NH3-N損失特征及其影響因素，為進一步明確沼液還田的NH3-N損失規(guī)律，同時在保證作物養(yǎng)分供應(yīng)的前提下降低氨揮發(fā)污染風險，以期為獲得最優(yōu)的沼液還田方式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所試驗場內(nèi)（120°26′E，33°32′N）試驗田進行，試驗土壤類型為砂壤土，土壤理化性質(zhì)：土壤容重1.27 g/cm3，pH 8.1，有機質(zhì)27.02 g/kg，全氮1.35 g/kg，速效磷28.14 mg/kg，速效鉀92.18 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗所施用的沼液來自鹽城市某規(guī)?；B(yǎng)豬場，沼液的主要理化性質(zhì)：pH 7.5，總氮含量為1.18 g/L，銨態(tài)氮含量為0.96 g/L，硝態(tài)氮含量為0.03 g/L，有機質(zhì)含量為2.50 g/L。試驗所用水稻品種為秈型兩系雜交品種兩優(yōu)華占。

1.3 試驗設(shè)計

試驗為田間定位試驗，所有肥料均按照當?shù)厥┓势骄鶚藴适┤?，其中磷肥（過磷酸鈣）和鉀肥（硫酸鉀）施用量分別為625.5和138.9 kg/hm2，氮肥按當?shù)厥┓柿晳T分3次施入，其中基肥施入40%，2次追肥分別施入35%和25%，以施用300 kg/hm2純氮為標準設(shè)置CF（僅施用尿素）、T1（CF-N∶BS-N=4∶1）、T2（CF-N∶BS-N=3∶2）、T3（CF-N∶BS-N=2∶3）、T4（CF-N∶BS-N=1∶4）以及CK（對照，不施尿素和沼液）共6個處理（CF-N即尿素-N;BS-N即沼液-N），重復3次，小區(qū)面積12.0 m2，隨機排列，各處理的實際施肥量見表1。各小區(qū)之間筑以田埂并用塑料薄膜隔離，防止發(fā)生水肥互滲。采樣期間天氣信息見表2。

1.4 樣品采集

氨揮發(fā)樣品采用通氣法[9]收集，即分別將2塊厚度2 cm、直徑16 cm的海綿均勻浸以15 mL磷酸甘油溶液并置于聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管內(nèi)部（內(nèi)部直徑16 cm、高25 cm），上層海綿置于頂部以隔絕外部氣體干擾，下層海綿置于距底面15 cm用以收集氨揮發(fā)，各小區(qū)放置2個采樣罩，采樣結(jié)束后合并2個采樣罩的下層海綿代表該小區(qū)的樣品，采樣階段為施肥后7 d，每天09：00—11：00和14：00—16：00各采樣一次，每次采樣結(jié)束后取出下層海綿并立即放于自封袋中帶回實驗室，浸泡于500 mL 1 mol/L氯化鉀溶液中振蕩1 h，再用靛酚藍比色法測定溶液中的銨態(tài)氮濃度。氨揮發(fā)通量計算公式：

Fi=（C1i+C2i）×V/S×6

式中，F(xiàn)i為第i天的氨揮發(fā)量，kg/（m2·d）;C1i和C2i分別代表第i天上午和下午浸提液中銨態(tài)氮濃度，mg/mL;V為浸提液體積，mL;S為采樣罩底面積，m2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)分析和圖表繪制，用SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)標準化和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 配施沼液對稻田氨揮發(fā)動態(tài)的影響

不同比例沼液與尿素配施對水稻不同施肥時期施肥后7 d內(nèi)氨揮發(fā)速率的影響見圖1。與CK和僅施用尿素的處理（CF）相比，配施沼液處理使稻田氨揮發(fā)速率顯著增加，且均在施肥后3 d內(nèi)達到峰值，其中基肥（圖1a）完全由沼液代替的T2、T3、T4處理氨揮發(fā)速率最大值可達7.5 kg /（hm2·d）;T1處理由于沼液比例較少而使氨揮發(fā)速率顯著低于上述3個處理，可見加入沼液是增加稻田氨揮發(fā)速率的首要影響因素;分蘗肥（圖1b）和穗肥（圖1c）時期同樣表現(xiàn)出這一現(xiàn)象。與僅施用尿素的處理（CF）一致，配施沼液處理下，3個施肥期氨揮發(fā)損失主要發(fā)生在施肥后的前5～6 d，第7天氨揮發(fā)基本結(jié)束，這與前人研究基本一致[10]。

2.2 配施沼液對稻田NH3-N損失量的影響

不同比例沼液和尿素配施對稻田NH3-N損失量的影響見圖2。由圖2可知，由于3次施肥中基肥施氮量占總施氮量比例最大（40%），因此相較于分蘗肥和穗肥，基肥NH3-N損失量也較大，其次是分蘗肥;但T4處理由于沼液配施比例較大，其分蘗肥所產(chǎn)生的NH3-N損失量與基肥相當，二者之和約占3次施肥所產(chǎn)生NH3-N損失總量的90%。從不同配施處理看，沼液配施比例最大的T4處理NH3-N損失量最高，3次施肥累積損失NH3-N達60.5 kg/hm2;T3處理由于分蘗肥和穗肥中均加入了沼液，其NH3-N損失量僅次于T4;T1和T2僅在基肥中配施了沼液，因此NH3-N損失量明顯低于T3和T4，但仍是常規(guī)尿素（CF）的2倍多。不同沼液配施量與稻田NH3-N損失量的關(guān)系見圖3，總體上沼液配施量與NH3-N損失量呈顯著正相關(guān)（R2=0.974 4，n=6）。

不同沼液與尿素配施處理下，氨揮發(fā)導致的氮素損失量占總施氮的比例見表3。由表3可知，總體上不同處理下NH3-N損失率隨著沼液配施比例的增加而增加，其中沼液配施比例最大的T4處理，由氨揮發(fā)導致的氮素損失比例最大（20.2%），而常規(guī)尿素處理（CF）NH3-N損失率僅有2.1%。從不同施肥時期看，未配施沼液的CF處理在分蘗肥期NH3-N損失率大于基肥期和穗肥期，而3個施肥期均配施沼液的T4處理也同樣表現(xiàn)出分蘗肥期NH3-N損失率大于其他2個時期。

3 討論

從沼液本身的特點來看，該研究所用沼液中所含氮素主要為銨態(tài)氮（約80%），研究顯示沼液中有超過70%的氮素是以NH4+-N的形式存在[11]，施入土壤后這部分銨態(tài)氮可直接分解成氣態(tài)氨而揮發(fā)[2]。研究表明畜禽糞便發(fā)酵產(chǎn)生的沼液中NH4+-N是還田后NH3-N損失最主要的貢獻因子[12]，李喜喜等[13]研究發(fā)現(xiàn)，稻田氨揮發(fā)通量與田面水中NH4+-N濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，田玉華等[14]、楊士紅等[15]研究也發(fā)現(xiàn)了相似的現(xiàn)象。此外，靳紅梅等[6]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞沼液還田后增加氨揮發(fā)速率的主要原因除增加土壤中NH4+-N的含量，還因為沼液中含有大量可溶性有機碳，可激發(fā)土壤有機氮的礦化[12，16]，特別是在沼液還田48 h后，沼液本身所含有的NH4+-N已被大量消耗，此后所產(chǎn)生的氨揮發(fā)很有可能是土壤中有機氮的礦化而造成。

從環(huán)境因素看，該研究中基肥和分蘗肥時期施肥后3 d內(nèi)最高氣溫平均超過30 ℃，對應(yīng)的氨揮發(fā)速率均高于此后的4～7 d，因此溫度可能是影響稻田氨揮發(fā)的重要因子之一。靳紅梅等[6]研究指出土壤溫度對氨揮發(fā)的影響最大，沼液施入土壤后有超過58%的氨揮發(fā)損失與溫度相關(guān)，這也可以用于解釋夏季氨揮發(fā)速率大幅高于冬季的現(xiàn)象。溫度影響沼液還田后的氨揮發(fā)主要有2個方面，一方面是高溫能夠增加沼液的揮發(fā)強度，加速銨態(tài)氮的流失;另一方面高溫可增加土壤微生物活性，促進有機氮的分解而增加銨態(tài)氮的揮發(fā)量[17]。因此，沼液還田時應(yīng)盡量避免高溫天氣，既能減少氮素流失，也能降低對大氣環(huán)境的污染。

該研究所用沼液為畜禽糞污發(fā)酵而來，其中含有大量作物生長所需的營養(yǎng)成分[18-19]，稻田這一人工濕地為消解沼液提供了巨大潛力。然而，該試驗結(jié)果顯示，在水稻不同施肥期加入沼液將明顯增加稻田氨揮發(fā)量和由此造成的氮素損失率，這不僅會增加大氣NH3濃度，還可能影響水稻生長過程中的氮素供應(yīng)，因此還需深入認識稻田氨揮發(fā)的影響因素，科學配施沼液才能降低沼液還田后可能帶來的影響。

4 結(jié)論

（1）與僅施用常規(guī)尿素相比，沼液與尿素配施大幅增加土壤氨揮發(fā)速率，不同比例沼液與尿素混合施入稻田所產(chǎn)生的氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后7 d內(nèi)，且揮發(fā)速率在施肥后3 d內(nèi)達到峰值。

（2）同等氮素施入量的背景下，配施沼液將增加NH3-N的損失量和損失率，但適當降低沼液配施比例可明顯降低氨揮發(fā)損失量。

（3）水稻生長季進行沼液還田要特別關(guān)注施肥后7 d內(nèi)天氣情況，避免高溫增加沼液的揮發(fā)。

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