保护地菜田土壤氨挥发损失及影响因素研究

习 斌,张继宗,左强,邹国元,翟丽梅,刘宏斌*

(1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,农业部作物营养与施肥重点开放实验室,北京100081;2北京市农林科学院植物营养与资源研究所,北京100097;3中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)

随着我国农业种植结构的调整,近年来蔬菜种植面积所占比例逐年增加,据统计资料显示,2006年北京市耕地面积总计为232575 hm2,主要农作物播种面积为219581.5 hm2,全市蔬菜种植面积为81551.0 hm2,约占主要农作物播种面积的37.1%;日光温室占地面积为3213.9 hm2,塑料大棚占地面积为3926.3 hm2,两者占蔬菜种植面积的8.8%[1]。在施肥方面,保护地施氮量较大,据山东寿光调查结果,保护地蔬菜的氮素养分投入严重超量,以黄瓜为例,平均施入化肥氮为1782 kg/hm2,是推荐用量的2～6倍[2-3],而其它温室作物施氮量也均远远超过了当地的推荐施氮量[4-5]。氮素过量施用易使氨挥发加剧,相关研究表明,农田氨挥发损失的氮素占总施氮量的1%～47%[6-7],露地蔬菜地氨挥发率在11%～18%[8-10],但目前关于保护地土壤氨挥发的研究较少。保护地内由于灌溉频繁,土壤长期保持湿润,又大部分时间土壤温度均高于露地菜田[11],使土壤蒸发和植物蒸腾作用均较露天栽培强,加上施肥量大,因而易发生氨挥发,甚至在保护地白天敞风时可能造成大量的氮素氨挥发损失,基于此,本试验设置不同施肥措施,对保护地番茄的土壤氨挥发状况进行监测,以期探明不同施肥模式下保护地土壤氨挥发损失的基本规律和减少氨挥发损失的主要措施,为氮肥的合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验在北京市房山区韩村河农业技术开发中心12号温室进行。试验地土壤类型为褐土,0—20 cm表层土壤养分含量为:有机质 53.97 g/kg,全氮3.35g/kg,全磷 1.32g/kg,全钾 19.19g/kg,铵态氮66.7mg/kg,硝态氮 2.4mg/kg,有效磷178.8 mg/kg,速效钾629.5 mg/kg,pH(H2O)7.35。供试作物为番茄(Lycopersicon esculentum Miller),品种为硬粉18。

试验设对照(不施肥CK)、单施有机肥(OM)、推荐施肥(REF)、常规施肥(CON)和常规+C/N(即加小麦秸杆)(CNC)5个处理,具体施肥量见表1。每个处理3次重复,小区面积4m×6.5 m,随机区组排列。常规施肥量根据京郊保护地菜田施肥量调查数据(北京市土壤肥料站)而定,推荐施肥处理为当地推荐施肥量。试验用氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为过磷酸钙(含P2O517%),钾肥为硫酸钾(含K2O 60%),有机肥为商品鸡粪(N、P2O5、K2O含量分别为1%、0.95%、0.86%),秸秆为粉碎的小麦秸(长度为1～3 cm)。常规处理中30%的氮肥作基肥,其余70%平分3次作追肥;推荐施肥处理中25%的氮肥和钾肥作基肥,其余平分3次作追肥施入,追肥方式为撒施后浇水。第一次追肥在第一穗果坐果期,第二次在第一穗果膨大期,第三次在第二、三穗果膨大期。各处理中有机肥、秸秆和磷肥、常规处理的钾肥均作为基肥撒施后耕翻入土。

表1 试验设计Table 1 The experiment design

于2008年3月2日育苗,4月5日定植,7月19日收获,共留三穗果。种植模式为“小高畦”种植(图1),作物在垄上种植,在垄背上进行灌水,为节水灌溉模式,属于目前京郊大棚种植普遍推行的方式。株行距为25 cm×60 cm,过道宽70 cm。每次灌水量均为280 m3/hm2。

图1 “小高畦”种植模式Fig.1 “Narrow and high ridge” crop cultivation mode

1.2 采样与测定方法

氨挥发采用密闭室间歇通气法测定[12]。密闭室为直径20 cm、高15 cm的无底圆筒,将其嵌入土中,露出地表5 cm。每天在温室敞风期间测定,测定时间为30 min/次,换气频率20次/min以上,在洗气瓶中装20 mL 1mol/L KCl(pH值=1)溶液以吸收NH3,吸收液用连续流动注射分析仪(AA3)测定。以0.5 h的通量值作为每天氨挥发的平均通量。施肥第二天开始测定,直至施氮处理与对照的氨挥发通量无差异时停止测定。同时用特制采土器采集各小区表层(0—1 cm)新鲜土,保存于冰柜中,解冻后测定其含水量、pH和铵态氮含量。土壤采用 0.01 mol/L的CaCl2(水∶土比为10∶1)浸提,浸提液中铵态氮用连续流动注射分析仪(AA3)测定;土壤有机质采用重铬酸钾氧化法,全氮采用开氏法,有效磷采用碳酸氢钠法,有效钾采用乙酸铵浸提,火焰光度计法,pH采用pH计法(土水比为1∶5)[13]测定。

1.3 计算方法

氨挥发总量=不同施肥处理挥发总量-不施肥对照挥发总量

氨挥发累积量中化肥的贡献率=(施肥处理氨挥发量-单施有机肥处理氨挥发量)/(施肥处理氨挥发量-不施肥对照氨挥发量)×100%

2 结果与分析

2.1 不同处理基肥施用后表层(0—1 cm)土壤铵态氮含量的变化

保护地菜田在施入基肥后0—1 cm土壤铵态氮含量变化情况见图2。常规施肥和推荐施肥两处理条件下铵态氮含量均在施肥后第1 d达到最高值,分别为14.8mg/kg和7.8mg/kg,常规施肥处理铵态氮含量随着监测期推移迅速下降,而推荐施肥处理变化不明显,其铵态氮含量变化比较平稳;常规+C/N处理在施肥后第3 d达到最高值,为12.1 mg/kg,之后迅速下降并趋于稳定,但在氨挥发监测的第5 d后常规+C/N处理的铵态氮含量略高于常规施肥处理,表明秸秆的施入延缓了尿素的水解;单施有机肥处理在第5 d氨挥发达到高峰,铵态氮含量为7.4 mg/kg,但具有一定的波动性,整体呈下降趋势。施肥第5 d后,各处理表层土壤铵态氮含量均比较接近,第9 d后,各处理表层土壤铵态氮含量接近不施肥对照处理,在此时监测的氨挥发速率亦接近不施肥对照处理。

通过统计分析发现(图3),常规施肥、常规+C/N和推荐施肥处理下监测期内0—1cm土壤铵态氮含量变化和氨挥发速率成正相关,R2值分别为0.798*、0.651和0.668,其中常规施肥处理达到了显著水平(P＜0.05),单施有机肥处理相关性较低。

图3 氨挥发速率与0—1 cm土壤铵态氮含量的相关性Fig.3 The correlativity between NH3lose flux and the NH+4-N of soil(0-1 cm)

2.2 不同处理基肥施用后表层(0—1 cm)土壤pH值的变化

番茄种植期内,基肥施入后不同施肥处理0—1 cm土壤pH值较不施肥对照在1～5 d内均呈逐渐下降的趋势(图4),其中常规施肥处理降幅最大,达0.50个pH单位;单施有机肥处理降幅最小,为0.32个pH单位。常规施肥处理在施肥后前3 d下降速度最快,添加秸秆的常规+C/N处理开始时下降较慢,但在施肥第4 d后,两处理pH值变化情况基本相同;推荐施肥处理监测前期下降幅度小于常规施肥处理。在施肥5 d以后,各处理pH值均有所回升,而此时各处理氨挥发速率接近不施肥对照水平,氨挥发监测结束时基本恢复到施肥前水平,但略低于施肥前。pH值前期下降幅度的大小同氮肥施用量成正比,即施氮量越大,pH值下降幅度越大。对土壤氨挥发速率和pH值的相关性统计分析结果表明(图5),常规施肥、常规+C/N、推荐施肥和单施有机肥处理的氨挥发速率和pH值均达到正相关性,R2值分别为 0.938**、0.651、0.713和0.739,其中常规施肥处理达到极显著水平(P＜0.01)。

图4 基肥施肥后表层土壤(0—1cm)pH值动态变化Fig.4 Surface soil(0-1 cm)pH following fertilization

图5 氨挥发速率与pH的相关性Fig.5 The correlativity between ammonia volatilization and pH

2.3 氨挥发过程

施用基肥后,各处理氨挥发速率第1 d就达到了最高峰(图6),随着时间推移氨挥发速率迅速下降,在施肥第5 d后,各施肥处理氨挥发速率接近不施肥对照处理。各试验处理中常规+C/N处理氨挥发量峰值最高,为0.768 kg/(hm2◦d),分别为推荐施肥和单施有机肥处理的1.8和3.4倍,接近于常规施肥峰值;常规+C/N处理氨挥发速率变幅较大,在施肥后第2 d下降了 0.491 kg/(hm2◦d),整个基肥监测时期氨挥发累积量为1.538 kg/hm2,小于常规施肥处理,为1.563kg/hm2,表明小麦秸秆和尿素的混施减少了氨挥发的损失。在整个基肥施用后氨挥发监测期内,各处理的氨挥发累积损失量大小为常规施肥＞常规+C/N＞推荐施肥＞单施有机肥(表2)。

图6 不同施肥模式下番茄生长期氨挥发速率Fig.6 Rate of NH3volatilization under different fertilization modes

番茄生长期内进行了3次追肥,番茄第1次追肥后(图6追肥1),常规施肥和推荐施肥处理在施肥后第2 d氨挥发速率达到最高峰,分别为0.211 kg/(hm2◦d)和 0.134 kg/(hm2◦d),而常规 +C/N 处理在第3 d达到最高峰,为0.12 kg/(hm2◦d),有研究表明施用秸秆有可能推迟氨挥发速率高峰[14]。第2次追肥后(图6追肥2),常规施肥处理在施肥后第2 d出现氨挥发高峰,速率为0.153 kg/(hm2◦d),其它处理均在施肥后第1 d达到高峰,累积挥发量大小为:常规施肥＞推荐施肥＞常规+C/N＞单施有机肥≈不施肥对照,而推荐施肥和常规+C/N处理累积氨挥发基本相当(见表2)。第3次追肥后(图6追肥3),推荐施肥处理在施肥后第2 d出现氨挥发高峰,速率为0.141 kg/(hm2◦d),其它处理均在施肥后第1 d达到高峰,在施肥后第4 d各处理均有一个小高峰,由于在第4 d时气温突然升高,使土壤温度上升,有可能造成氨挥发速率较高。有研究表明,土壤温度与氨挥发速率呈显著正相关[15]。单施有机肥处理在3次追肥期间氨挥发累积量略高于不施肥对照。

对追肥期间各处理氨挥发速率规律进行比较,得到以下结果:整个追肥期间氨挥发累积量大小顺序为(表2)常规施肥＞推荐施肥＞常规+C/N＞单施有机肥;3次追肥期间各施肥处理在施肥7 d后接近不施肥对照水平;每次追肥监测期间,各处理均在施肥后第2 d或第3 d时出现挥发高峰;常规+C/N处理的3次追肥氨挥发规律有所不同,在第2次追肥监测期间一直呈下降趋势,其余两次追肥在监测期间均有一次小高峰,但峰值均小于相同施肥量的常规施肥处理,有研究表明,添加秸秆能够降低氨挥发的高峰[16],而对氨挥发速率具体影响因素还不明确。常规+C/N处理在整个监测期间氨挥发累积量低于常规施肥处理(见表3),表明施用秸秆有助于减少氮素的氨挥发损失。在整个追肥监测期间单施有机肥处理的氨挥发速率同CK基本相当,在追肥期间未产生氨挥发,表明施入的有机肥在50 d内,土壤表层铵态氮的硝化过程可能已经完成或随水下渗到深层土壤。

表2 不同施肥模式下番茄土壤氨挥发累积状况Table 2 Accumulation of NH3volatilization of soil following fertilization

2.4 番茄生长期间氨挥发损失量

番茄生长期各处理的氨挥发如表3所示。与对照相比,不管在基肥期还是追肥期施用氮肥后的氨挥发损失量都很少,均在氮肥总施用量的1%左右(减去不施肥对照损失量),其大小顺序为常规施肥＞常规+C/N＞推荐施肥＞单施有机肥。其中,添加秸秆的常规+C/N处理氨挥发累积量比常规施肥低0.26 kg/hm2。本研究中化肥氮在氨挥发损失中的贡献率较高,均在70%以上,其中在常规施肥处理中为80.88%。

3 讨论

田光明等对稻田施肥后土壤pH值测定发现,在施肥后前3 d pH值呈下降趋势,之后又逐渐波动上升[14];贺发云等对菜田土壤氨挥发监测期中表层土壤pH的测定结果表明,氨挥发过程中,施氮量越大,pH下降得越明显,较对照最高下降0.8个pH单位[8]。本研究发现,pH下降趋势同以上研究结果相似,在氨挥发过程中常规施肥处理相对起始pH值下降了0.5个pH单位,表明氨挥发的发生是土壤酸化的原因之一,无机氮肥的大量施入有可能造成土壤pH的降低;另外,硝化作用也是一个酸化过程,尿素水解成铵态氮后随着进行的硝化作用,亦可能使土壤pH降低。目前我国菜田土壤酸化问题比较严重,同长期无机氮素的大量施用有很大关系[17]。

表3 番茄试验各处理的氨挥发累积量及其所占施氮量的比例Table 3 Ammonia volatilization from different treatments in the tomato experiment

在没有限制因素存在的条件下,氨挥发速率随表层土壤铵态氮含量的增加而增大,两者间呈显著正相关[8,16]。本研究得到结果相似,其中常规施肥处理的相关性达到极显著水平(R2=0.798*),但常规+C/N和单施有机肥处理相关性较低,分析其原因,秸秆的添加有可能对铵态氮有固定作用,而单施有机肥后表层土壤铵态氮含量较小,受土壤湿度、温度、硝化作用等因素的影响较大,表现的相关性较低。氨挥发速率同pH变化成显著正相关,其中常规施肥处理达到极显著水平(R2=0.938**),表明pH值越高氨挥发速率越大。

贺发云等在对露地菜田土壤氨挥发的研究中发现,追肥氨挥发速率的峰值出现在第1或2 d,氨挥发延续时间在12d～18d[8]。本试验条件下,常规和推荐施肥处理在4次施肥监测过程中表现规律比较一致,在施肥后第1 d或第2 d就达到挥发高峰,之后下降速度较快,基肥和追肥时期分别在5 d和7 d后接近不施肥对照处理,其原因可能是,由于保护地土壤含水量长期保持在较高水平,而含水量较高会加快尿素的水解和硝化作用的进行。常规+C/N处理氨挥发速率一般在施肥后2～3 d才达到峰值,其余处理在施肥后第1 d达到峰值,整个监测期间常规+C/N处理的氨挥发累积量小于常规施肥处理,说明添加秸秆推后了氨挥发的峰值,并减少了土壤氨挥发损失量,董文旭等[16]的盆栽试验,李红梅等[18]的小麦大田氨挥发试验研究也得到类似结果。

从本试验的研究结果看,不同施肥方式下保护地菜田化肥和有机肥的大量施用,并未造成氨挥发的大量损失,不同处理在整个氨挥发监测期间以常规施肥损失量最大,而添加秸秆的常规+C/N处理氨挥发量仅略高于推荐施肥处理,表明施用秸秆、减少氮素施用量是降低氨挥发损失的有效途径,董文旭等的研究也得到类似结果[16]。同其它研究菜田土壤氨挥发损失的结果相比(损失量一般为11%～18%)[8-10],本研究中氨挥发损失量较小,除单施有机肥处理外,各处理中氨挥发损失量小于总施氮量的1%,主要原因为:1)同施肥方式有一定关系,基肥为撒施后深翻,随后立即灌溉导致滞留在土壤表面的肥料极少,而追肥时,肥料表面撒施后立即灌溉,使得很大部分尿素在水解之前随入渗水进入深层土壤[19],同样抑制了氨挥发的发生,如曹兵等[20]对冬小麦不同基肥施用方式(表施、深施和表施结合灌溉)下的土壤氨挥发损失进行了研究,其结果为,尿素表施方式下的氨挥发损失率最高达46.08%,而深施和表施结合灌溉处理方式下的氨挥发损失率则分别达6.24%和3.75%,其它研究也发现,肥料穴施、条施等均能够减少氨挥发损失[18,21];2)保护地温室通风时间较短,空气流通较差,温室的空气湿度较大,据调查在温室内空气湿度较高,一般均在80%以上,在刚灌溉之后,几天内湿度均在95%以上,而NH3又极易溶于水,土壤挥发出的NH3有可能已溶于空气水中,然后水滴冷凝,重新回落入土壤中,因此空气湿度同氨挥发的关系以及保护地温室内氮素的干湿沉降问题有待研究。

减少无机氮素的施肥量、尿素和秸秆混施都是降低氨挥发损失量的有效措施,但添加秸秆对尿素的水解和对铵态氮硝化作用的影响还不明确。另外,保护地高温高湿条件对土壤氨挥发的影响也有待进一步研究。

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