不同施氮措施對枸杞園土壤NH3揮發(fā)和N2O排放的影響

盧九斤，聶易豐，魏嬌嬌，盛海彥，2*，華明秀，許米聰，王永亮

（1.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016；2.省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016；3.青海諾木洪農(nóng)場，青海 都蘭 816100）

我國是世界上氮肥生產(chǎn)和消費(fèi)量最大的國家，氮肥消費(fèi)量占世界總消費(fèi)量約30%，但氮肥的當(dāng)季表觀利用率僅30%~35%，過量施氮已成為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)污染的主要來源之一，也是氮肥利用率較低的重要原因。已有研究表明，氮肥配施硝化抑制劑可減少氮肥的氣態(tài)損失，提高氮肥利用率。氮肥施入土壤后的去向有：作物利用約35%，NH揮發(fā)損失約11%，表觀硝化-反硝化損失約34%，淋洗及徑流損失約7%。氮肥的氣態(tài)損失主要有NH和NO等形式。肥料用量、氣候條件等均會(huì)影響NH揮發(fā)及NO排放，其中氮肥用量的影響最為顯著。王成等對香梨的研究表明，在施氮量450 kg·hm的基礎(chǔ)上減少33.33%的氮肥投入，NH揮發(fā)和NO損失量分別降低8.04 kg·hm和72.21 kg·hm。朱志軍發(fā)現(xiàn)，蘋果園氮肥用量較常規(guī)高氮處理減少50%時(shí)，NO累積排放量降低43.27%且對產(chǎn)量無影響。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，添加硝化抑制劑可抑制土壤中的硝化作用，降低NO排放系數(shù)，減少氮肥氣態(tài)損失，提高產(chǎn)量。也有研究發(fā)現(xiàn)，硝化抑制劑的施用增加了土壤銨態(tài)氮的濃度，促進(jìn)了NH揮發(fā)，但提高了作物產(chǎn)量及氮肥利用率。因此，合理施用氮肥及硝化抑制劑可提高作物的氮肥利用率，降低氮素的氣態(tài)損失。

柴達(dá)木地區(qū)獨(dú)特的氣候條件為枸杞提供了適宜的生存環(huán)境，使得其外觀品質(zhì)好、營養(yǎng)成分高。柴達(dá)木枸杞種植面積自2014年的不足2萬hm發(fā)展至2018年的3萬hm，枸杞產(chǎn)業(yè)已成為柴達(dá)木地區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。為保證枸杞高產(chǎn)，種植戶盲目投入大量氮肥。過量的氮肥未顯著提高枸杞產(chǎn)量，但極易產(chǎn)生NH、NO等氣體，從而降低氮肥利用率。因此，探究合理的施氮措施，降低柴達(dá)木枸杞園土壤NH揮發(fā)和NO排放刻不容緩。目前研究施氮對NH揮發(fā)和NO排放影響的相關(guān)研究主要集中于梨、蘋果等，而對柴達(dá)木枸杞的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)通過設(shè)置不同施氮量及配施硝化抑制劑，研究其對柴達(dá)木枸杞園土壤NH揮發(fā)和NO排放的影響，旨在為枸杞生產(chǎn)提高氮肥利用率及降低環(huán)境污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年及2020年在青海省海西州諾木洪農(nóng)場（96°20′E，36°25′N）進(jìn)行。該地區(qū)屬高原大陸性氣候，海拔2 760 m，年平均降雨量58 mm，試驗(yàn)期間兩年的降水總量分別為48.32 mm和28.65 mm，平均氣溫分別為14.43℃和17.52℃（圖1）。試驗(yàn)地土壤類型為灰棕漠土，質(zhì)地為砂壤土。0~20 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量19.51 g·kg，全氮含量1.43 g·kg，全磷（PO）含量3.05 g·kg，全鉀（KO）含量23.13 g·kg，堿解氮含量69.76 mg·kg，速效磷（PO）含量82.56 mg·kg，速效鉀（KO）含量210.80 mg·kg，pH 8.49。0~20 cm土層土壤容重為1.51 g·cm，以上均為試驗(yàn)前測定結(jié)果。

圖1 監(jiān)測期間的氣溫和降雨量Figure 1 The air temperature and precipitation during the monitoring period

1.2 試驗(yàn)材料

供試枸杞為樹齡10 a的寧杞1號(hào)；氮肥為尿素（N 46%，云天化集團(tuán)），磷肥為重過磷酸鈣（PO46%，云天化集團(tuán)），商品有機(jī)肥（有機(jī)質(zhì)≥45%，N+PO+KO≥5%，青海恩澤農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司）；硝化抑制劑為2-氯-6（三氯甲基）-吡啶（nitrapyrin，有效成分70%，可濕性粉劑，浙江奧復(fù)托化工有限公司）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，枸杞種植株距為1.5 m、行距為2 m，各小區(qū)面積39 m，共設(shè)置9個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。N（農(nóng)民習(xí)慣施氮量）、N、N、N、N、N處理依次施用純氮667、534、400、267、133、0 kg·hm，NI、NI、NI處理是在N、N、N處理施氮量的基礎(chǔ)上，配施nitrapyrin 2.00、1.33、0.67 kg·hm。所有處理均施用商品有機(jī)肥1 667 kg·hm，PO333 kg·hm，均為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥用量。

2019年5月20日及2020年5月14日在每株枸杞樹的樹冠下行間距主根30 cm處挖深20 cm、長50 cm、寬25 cm的施肥坑，均勻撒施有機(jī)肥及磷肥，尿素和nitrapyrin分別于2019年5月20日、6月30日及2020年5月15日、7月5日作為基肥和追肥兩次施用（基肥與追肥的比例為1∶1）。每次施肥前將各處理每株樹的尿素和nitrapyrin提前稱于同一塑料袋，混合均勻后撒施入施肥坑。灌溉等其他田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣一致。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 氨氣

NH揮發(fā)收集裝置如圖2所示。該裝置由聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管制成，內(nèi)徑15 cm，高10 cm。NH收集前在各處理小區(qū)隨機(jī)選取3株長勢均一的枸杞樹，距樹主根30 cm處將塑料管楔入土壤（約1 cm）。NH的捕獲在施肥當(dāng)日開始，下午15：00將2塊厚度均為2 cm、直徑為15 cm的海綿浸泡于15 mL的磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 L），充分吸收后放置于收集裝置內(nèi)。下層的海綿距管底5 cm，上層海綿與管頂部相平。24 h后將通氣裝置下層海綿于次日15：00取出，迅速裝入自封袋密封，上層的海綿視其干濕情況3~7 d更換1次。將裝有海綿的自封袋帶回試驗(yàn)室，分別裝入500 mL的塑料瓶中，加入300 mL 1.0 mol·L的KCl溶液浸泡，振蕩1 h后（160 r·min）過濾，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（Seal AA3）測定浸提液中的NH及NO含量。NH揮發(fā)收集頻率為：施肥后連續(xù)7 d，灌水后連續(xù)3 d，日降雨量>20 mm時(shí)加測1次，其余時(shí)間為每周2次。

圖2 NH3揮發(fā)收集裝置圖Figure 2 Diagram of NH3 volatilization collection device

土壤NH揮發(fā)速率的計(jì)算公式為：

式中：（NH）為NH揮發(fā)速率，kg·hm·d；為通氣法單個(gè)裝置平均每次測得的氨量（NH-N），mg；為捕獲裝置的橫截面積，m；為每次連續(xù)捕獲的時(shí)間，d。

NH揮發(fā)累積量及NO累積量的計(jì)算均采用線性插值法。

NH揮發(fā)凈損失率=（施氮處理NH揮發(fā)累積量-不施氮處理NH揮發(fā)累積量）/施氮量×100%。

1.4.2 氧化亞氮

NO收集采用靜態(tài)暗箱法。樣品采集前將采樣裝置的底座楔入土壤。采樣箱（長50 cm×寬50 cm×高50 cm）由不銹鋼板焊接制成，箱體外部包有泡沫板以防止箱內(nèi)溫度有劇烈變化。在箱體一側(cè)距底部約35 cm處接三通閥，其旁設(shè)有溫度探測口，箱內(nèi)頂部對角處安裝小型風(fēng)扇。采樣在上午9：00—12：00進(jìn)行，采氣前將底座的外圍凹槽（寬度2 cm）注滿水以密封箱體，再將箱體緊扣于底座。在關(guān)箱后的第0、15、30、45 min分別用50 mL注射器抽取箱內(nèi)氣體，注射入密封氣袋后用氣相色譜儀（安捷倫GC7890）測定氣體樣品中NO濃度。采樣時(shí)間為2019年5—10月及2020年5—10月。采樣頻率為施肥后連續(xù)7 d，灌水后連續(xù)3 d，日降水量>20 mm時(shí)加測1次，其余時(shí)間為每周采集1次。

NO的排放通量計(jì)算公式為：

式中：（NO）為NO排放通量，μg·m·h；2為NO中氮原子的個(gè)數(shù)；14為氮原子的摩爾質(zhì)量，g·mol；22.4為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的摩爾體積，L·mol；為箱體高度，m；d/d為采樣過程中箱內(nèi)NO濃度隨時(shí)間的變化率；為采樣過程中氣體收集箱內(nèi)的平均溫度，℃。

NO排放凈損失率=（施氮處理NO累積量-不施氮處理NO累積量）/施氮量×100%

1.4.3 枸杞產(chǎn)量

2019年7月30日、8月20日、9月14日及2020年8月5日、8月27日、9月19日在各處理小區(qū)隨機(jī)選取3株長勢均一的枸杞樹，分別采摘全部果實(shí)，晾干后測定枸杞干果質(zhì)量。

枸杞凈收益（元·hm）=枸杞產(chǎn)量（kg·hm）×[枸杞單價(jià)（40元·kg）-人工采果費(fèi)（4.5元·kg）]-[尿素單價(jià)（1.98元·kg）×施用量（kg·hm）+重過磷酸鈣單價(jià)（2.2元·kg）×施用量（kg·hm）+商品有機(jī)肥單價(jià)（1.2元·kg）×施用量（kg·hm）+nitrapyrin單價(jià)（160元·kg）×施用量（kg·hm）]

1.4.4 土壤溫度與土壤濕度

在采集NH及NO樣品時(shí)用地溫計(jì)測定10 cm土壤溫度，并用烘干法測定0~10 cm土壤含水量，土壤容重采用環(huán)刀法測定。

土壤充水孔隙率（）=土壤質(zhì)量含水量×土壤容重/（1-土壤容重/2.65）

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel及Origin 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并做圖，采用SPSS25.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，并分析NH揮發(fā)和NO排放通量分別與及10 cm土壤溫度的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤充水孔隙率與土壤溫度

每次灌水后先達(dá)到峰值后逐漸降低（圖3）。由于2019年7月3日和2020年6月21日的降雨并結(jié)合灌水，兩年均在第二次灌水后達(dá)到峰值。2019年平均58.32%與2020年的58.29%基本相同。10 cm土溫隨灌水的發(fā)生先降低后增加，2019和2020年的10 cm土溫均在8月份達(dá)到最高，最高溫度分別為19.51℃和21.70℃，最低溫度分別為8.10℃和5.63℃。兩年土壤溫度均值分別為13.72℃和12.92℃。

圖3 試驗(yàn)期間土壤充水孔隙率（WFPS）和10 cm土壤溫度Figure 3 Soil water-filled pore space（WFPS）and 10 cm soil temperature during study period

2.2 不同施氮措施對NH3揮發(fā)的影響

2.2.1 NH揮發(fā)速率

每次施肥后NH揮發(fā)速率均升高，隨后逐漸降低并趨于平緩。NH揮發(fā)速率在施肥后的3~8 d出現(xiàn)峰值，灌水后的1~3 d呈下降趨勢（圖4）。氮肥的施用顯著提高了枸杞園土壤的NH揮發(fā)速率，硝化抑制劑對NH揮發(fā)速率無顯著影響。N處理的NH揮發(fā)速率最高，N處理最低。2019年N處理的NH揮發(fā)速率在施基肥后的第8 d（5月28日）和追肥后的第3 d（7月3日）達(dá)到峰值，分別為0.48 kg·hm·d和0.45 kg·hm·d；N處理的NH揮發(fā)速率較N、N、N處理顯著提高了10.64%、16.59%、49.43%，較NI、NI處理增加了14.04%、20.07%。2020年NH揮發(fā)速率在施基肥后的第5 d（5月20日）和追肥后的第4 d（7月9日）出現(xiàn)峰值，分別為0.57 kg·hm·d和0.47 kg·hm·d；N處理的NH揮發(fā)速率為0.34 kg·hm·d，較N、N處理增加了14.92%、21.94%，較NI、NI處 理 增 加 了21.07%和24.63%。NI、NI、NI處理的NH揮發(fā)速率與對應(yīng)的N、N、N處理間無明顯差異。土壤溫度和均在一定程度上影響了枸杞園土壤的NH揮發(fā)。土壤溫度與NH揮發(fā)速率呈顯著正相關(guān)（<0.05），與NH揮發(fā)呈負(fù)相關(guān)（表1）。

圖4 枸杞生育期的NH3揮發(fā)速率Figure 4 NH3 volatilization rate during wolfberry growing season

2.2.2 NH揮發(fā)累積量

NH揮發(fā)累積量與施氮量呈極顯著正相關(guān)，兩年的相關(guān)系數(shù)分別為0.987和0.968（圖5）。配施硝化抑制劑對NH揮發(fā)累積量及凈損失量無顯著影響。N處理的NH揮發(fā)累積量顯著高于其他處理（表2）。2019年各處理NH揮發(fā)累積量為24.91~34.49 kg·hm，N處理的NH揮發(fā)累積量較N和N處理顯著增加了8.87%、15.31%，NI和NI處理較N處理NH揮發(fā)累積量顯著降低了13.22%、16.64%。2020年NH揮發(fā)累積量為26.54~35.11 kg·hm，N處理的NH揮發(fā)累積量較N、N處理及NI、NI處理顯著增加了9.17%、15.61%和17.98%、22.12%。

表2 枸杞園NH3揮發(fā)累積量Table 2 Cumulative loss of NH3 in wolfberry orchard

圖5 施氮量與NH3揮發(fā)累積量的關(guān)系Figure 5 The relationship between nitrogen fertilizer rate and accumulation NH3 volatilization

NH揮發(fā)凈損失量隨施氮量的增加而增加，兩年N處理的NH揮發(fā)凈損失量均為最高，較N、N處理顯著增加了2.81、4.58 kg·hm和2.95、4.74 kg·hm，較NI處理顯著增加了4.56 kg·hm和5.35 kg·hm。兩年中硝化抑制劑對NH揮發(fā)凈損失量均無顯著影響。

2.3 不同施氮措施對N2O排放的影響

2.3.1 NO排放通量

每次施肥和灌水后NO排放通量均升高，且在施肥后的3~4 d達(dá)到峰值，灌水后的1~3 d顯著增加，隨后降低并趨于平緩（圖6）。N處理的NO排放通量最高，排放峰值均出現(xiàn)在基肥施用后的第4 d（2019年5月24日及2020年5月19日），分別為1 765.43 μg·m·h和1 783.27μg·m·h；2019年和2020年試驗(yàn)期間N處理的NO日均排放通量分別為330.85、496.59μg·m·h，分別較N、N、N處理增加了42.21%、89.46%、636.86%和23.64%、54.51%、979.07%，較NI、NI處理分別增加了123.80%、131.17%和91.59%、129.97%。硝化抑制劑的添加顯著降低了NO的排放通量。2019年和2020年試驗(yàn)期間，NI處理的排放峰值分別為1 242.57μg·m·h和1 252.75μg·m·h，日均排放通量分別為147.83、259.20μg·m·h，較N處理分別降低了36.46%、35.47%。

圖6 枸杞生育期的N2O排放通量Figure 6 N2Oemissions during wolfberry growing season

NO排放與土壤溫度、均呈顯著正相關(guān)（<0.05）（表1）。2019年和2020年試驗(yàn)期間，N處理的NO排放與均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.599、0.617（<0.01），NI處理的NO排放與呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.334和0.456。

表1 土壤充水孔隙率（WFPS）和土壤溫度與NH3揮發(fā)和N2O排放的相關(guān)性分析Table 1 The relationship between WFPS and soil temperature and NH3 emission，N2Oflux

2.3.2 NO累積排放量

NO累積排放量與施氮量呈極顯著正相關(guān)，2019年和2020年的相關(guān)系數(shù)分別為0.984和0.923（圖7）。硝化抑制劑的添加顯著降低了枸杞園NO累積排放量及凈損失量（表3）。2019年和2020年N處理的NO累積排放量均最高，分別為6.84 kg·hm和9.73 kg·hm；N處理最低，分別為0.91 kg·hm和1.19 kg·hm。2019年N處理NO累積排放量較N、N處理顯著增加了24.36%、43.10%，NO凈損失量顯著增加了29.19%、53.23%。NI、NI、NI處理的NO累積排放量分別較N、N、N處理顯著降低了34.31%、31.45%、41.37%，NO凈損失量顯著降低了42.38%、41.64%、65.19%。2020年N處理NO累積排放量較N、N處理顯著增加了7.51%、16.11%，凈損失量顯著增加了8.65%、18.78%。與N、N、N處理相比，NI、NI、NI處理的NO累積排放量顯著降低了28.52%、29.90%、33.84%，NO凈損失量顯著降低了33.24%、36.98%、45.51%。

表3 枸杞園N2O累積排放量Table 3 Cumulative N2Oemission in wolfberry orchard

圖7 施氮量與N2O累積排放量的關(guān)系Figure 7 The relationship between nitrogen fertilizer rate and cumulative N2Oemission

2.4 不同施氮措施對枸杞產(chǎn)量及效益的影響

隨施氮量的增加枸杞產(chǎn)量及凈收益呈先增加后降低的趨勢（表4）。2019年N處理的枸杞產(chǎn)量較N處理顯著增加了7.56%，凈收益顯著提高了7.95%（<0.05）。相同施氮量下添加硝化抑制劑提高了枸杞產(chǎn)量及凈收益。其中兩年NI處理的枸杞產(chǎn)量及凈收益均最高，產(chǎn)量分別為7 867 kg·hm和8 462 kg·hm，凈收益分別為274 504元·hm和295 626元·hm，2019年NI處理的枸杞產(chǎn)量較N處理增加了9.26%，凈收益提高了9.80%；2020年NI處理較N、N處理枸杞產(chǎn)量分別增加了6.67%、5.62%，凈收益分別提高了7.10%、5.59%。

表4 不同氮肥處理的枸杞產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益Table 4 Wolfberry yield and economic benefit

由肥料效應(yīng)方程（圖8）可知，2019年施氮量為445 kg·hm時(shí)枸杞產(chǎn)量最高，為7 583 kg·hm；施氮量為441 kg·hm時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最佳，為264 557元·hm。2020年施氮量為554 kg·hm時(shí)枸杞產(chǎn)量最高，為8 055 kg·hm；施氮量為545 kg·hm時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最佳，為280 891元·hm。

圖8 施氮量與產(chǎn)量的關(guān)系Figure 8 The relationship between nitrogen fertilizer rate and yield

3 討論

3.1 氮肥減施及添加硝化抑制劑對產(chǎn)量的影響

相關(guān)研究表明，作物產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢。本試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，施氮量為0~667 kg·hm時(shí)，枸杞產(chǎn)量呈先增后降的趨勢，且根據(jù)肥料效應(yīng)方程，2019年及2020年施氮量分別為445 kg·hm和554 kg·hm時(shí)，枸杞產(chǎn)量最高，施氮量為441 kg·hm和545 kg·hm時(shí)，枸杞經(jīng)濟(jì)效益最佳。農(nóng)民習(xí)慣施氮量為667 kg·hm，均顯著高于最佳產(chǎn)量施氮量及最佳經(jīng)濟(jì)效益施氮量。過量施氮降低了枸杞產(chǎn)量，可能是由于氮素與多種元素有協(xié)同和拮抗作用，過量的氮素可能阻礙了樹體對其他營養(yǎng)元素的吸收和利用，且前人研究表明，土壤長期處于高氮水平會(huì)降低土壤pH值，影響根系活力，直接導(dǎo)致根系吸收養(yǎng)分能力下降。本研究表明，施氮量為400 kg·hm配施2.00 kg·hmnitrapyrin的枸杞產(chǎn)量顯著高于農(nóng)民習(xí)慣施氮量。原因可能是nitrapyrin可抑制土壤中氮素的硝化作用，降低NO-N淋溶損失和硝化-反硝化損失，提高了氮素利用率及枸杞產(chǎn)量，與段顏靜的研究結(jié)果相似。因此，在農(nóng)民習(xí)慣施氮量的基礎(chǔ)上減施40%氮肥且配施nitrapyrin，可滿足枸杞全生育期對氮素的需求，并有顯著的增產(chǎn)效果，且可達(dá)到較優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 氮肥減施及添加硝化抑制劑對NH3揮發(fā)的影響

3.3 氮肥減施及添加硝化抑制劑對N2O排放的影響

4 結(jié)論

（1）隨著氮肥用量的增加，枸杞產(chǎn)量及收益均呈先增加后降低的趨勢；相同施氮量下添加硝化抑制劑處理的枸杞產(chǎn)量及收益無顯著變化，但較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理顯著提高。

（2）氮肥用量的提高顯著增加了NH揮發(fā)累積量和NO累積排放量；添加0.5%的nitrapyrin與農(nóng)民習(xí)慣施氮量相比，顯著降低了NH揮發(fā)和NO排放。

（3）綜合經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，推薦施氮量400 kg·hm且配施nitrapyrin 2.00 kg·hm為柴達(dá)木高肥力枸杞園較優(yōu)的施氮組合。