不同施氮量下双季稻连作体系土壤氨挥发损失研究

王 淳，周 卫，李祖章，刘秀梅，孙 刚，夏文建，，王秀斌，刘光荣*

(1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部植物营养与养分循环重点开放实验室，北京100081;2江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌330200)

氨挥发是水稻田(无论其土壤pH的高低)氮素损失的重要途径，其损失量可高达施氮量的40% ～50%［1］，因此不合理的施氮量会带来大量的资源浪费，增加农业投入成本。氨挥发不仅是水稻田土壤氮素气态损失的一种机制，也是引起地表氮素富集的一条途径。土壤中挥发的气态氨与大气中的酸性漂浮物质以及云水滴中的 H2SO4结合，生成(NH4)2SO4经由干湿沉降又重新进入陆地生态系统，进而导致土壤和水体中的氮素积累形成水体富营养化和土壤酸化［2］;同时积累在大气中的氨还会被氧化成NO和N2O等气体，引起空气质量恶化以及温室效应［3］。所以从资源利用率和环境保护方面，科学合理控制水稻田氨挥发具有重要意义。

土壤氨挥发极易受气候、土壤、作物自身生理状况等自然因素和施肥措施、灌溉等人为因素的影响，在确定这些因素对土壤中NH3挥发作用的影响方面前人已经做了大量工作。朱兆良等［4］研究结果表明，受土壤、田面水的pH和温度的交互影响，北方石灰性潮土的单季稻田和南方非石灰性水稻土上的双季晚稻田中氨挥发损失严重，而南方非石灰性水稻土上的单季稻田中则较低;在稻麦轮作体系下的氨挥发研究也多表现水稻季氨挥发量要大于小麦季［5－6］;另有研究证实双季稻田土壤氨挥发速率短期内与田面水NH4+－N的动态变化相一致，并有很好的正相关性［7－8］;研究表明，氨挥发损失量表面撒施要大于以水带氮/无水层混施［5］、深施［9］，黏土因其对NH4+的吸附固定作用而使得氨挥发量要低于砂土条件［10］，而施用碳酸氢铵的大于施尿素［11］，有机肥或有机无机化肥配施［1］、工施用控释肥［12］或者各种抑制剂、采取节水灌溉［13］等可以减少氨挥发损失。迄今，有关不同施氮量对土壤氨挥发损失的影响在华北小麦－玉米轮作体系以及太湖地区稻麦轮作体系已经有了大量研究，而有关长江中下游地区主要的种植模式之一的双季稻连作体系还缺乏相关较为系统详尽的研究;基于此，本文研究了长江中下游典型的双季稻连作种植区(江西)在不同施氮量下土壤氨挥发特征，旨在明确该地区及双季稻连作种植体系下施氮量与土壤氨挥发损失量的关系，并可以为双季稻田优化施氮技术、提高氮肥利用率以及减少氮素损失对环境的影响提供理论依据和技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设置在江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所南昌试验基地(23°21'14″N，115°54'25″E)，该区属于亚热带湿润气候，海拔高度20 m，平均气温17.8℃，≧10℃积温5432.2℃，无霜期长达240～307d，年降水量1662 mm，降水季节分配不均，全年降水50%以上集中在4～7月。供试土壤为第四纪红粘土发育的潮砂泥田土壤，土壤质地为壤土。主要种植模式为早稻—晚稻即双季稻连作模式。播前0—20 cm土壤有机质含量26.25 g/kg，全氮1.50 g/kg，硝态氮和铵态氮含量分别为5.78 mg/kg和 14.13 mg/kg，有效磷 12.56 mg/kg，速效钾124.83 mg/kg，pH 5.24，土壤容重为 1.07 g/cm3。

1.2 试验设计

1.2.1 早稻田间试验 试验设置6个处理，施氮量分别为 N 0、60、120、180、240、300 kg/hm2，以N0、N60、N120、N180、N240、N300表示;各小区磷、钾肥用量相同，为 P2O590 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，磷肥全部做基肥，氮肥与钾肥均以5∶2∶3的比例分别做基肥、分蘖期和孕穗肥。氮、磷、钾肥分别用尿素(含N 46.4%)、钙镁磷肥(含P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)。小区面积5 m×6 m=30m2，3次重复，随机区组排列。基肥为撒施后混入土壤，追肥为薄水表面撒施。各小区田埂用地膜覆盖以防串水串肥，单灌单排。田间管理如农药、除草剂等的应用与当地农民常规管理措施一致。2010年早稻4月1日播种，5月9日施基肥，混入土壤后，移栽抛秧，品种为春光1号，基本苗30×104株/hm2，氮、钾肥追肥时间为2010年5月23日傍晚(分蘖肥)和6月11日傍晚(孕穗肥)，7月19日收获。

1.2.2 晚稻田间试验 早稻收割以后，各小区单独翻地，继续种植晚稻，施肥方式同早稻。种植品种为赣晚籼37号。2010年7月26日下午施基肥，接着插秧，密度20 cm×20 cm，每穴两粒谷苗，秧苗氮、钾肥追肥时间分别为2010年8月6日傍晚(分蘖肥)，9月6日傍晚(孕穗肥)，11月2日收获。

1.3 氨气的捕获方法

本实验在田间原位采用密闭室间歇通气法［14］采集氨气，密闭室为由透明有机玻璃制成的底部开放的圆柱体，内径20 cm，高30 cm，室顶端有两个通气孔，一个为直径30 mm的通气孔，与离地面高2.50 m(以减少田面空气中NH3带来测定的影响)的PVC通气管相连;另一个通气孔(直径12 mm)与装有硼酸吸收液(80 mL，H3BO320 g/L)的气体洗瓶相连(图1)，装置各连接口处用密封胶密封，并置于水中检验气密性。方法原理是利用真空泵抽气减压，使密闭室所覆盖土壤挥发的氨气随空气流动通过末端洗瓶被硼酸吸收固定，吸收液用标准酸(0.005 mol/L H2SO4)滴定并计算所吸收的氨量。换气速率为16 ～20 次/min［9］。

土壤氨挥发于尿素施入后第2、3、4、5、6、8、11、16 d测定，直至各处理与对照无明显差异为止。每天8:00～10:00和14:00～16:00共抽气4 h，作为当天氨挥发的平均值。每次抽气时同时记录田间气温和5 cm地温。

图1 田间小区氨挥发收集装置示意图Fig.1 Sketch of NH3absorption equipment in the field plots

1.4 测定方法及计算

采用0.005 mol/L H2SO4滴定硼酸中所吸收的氨;土壤NH4+－N、NO3－－N用2 mol/L KCL浸提，采用SmartChemTM200 discrete chemistry analyzer(West-Co Scientific Instruments，Brookfield，CT，USA)进行分析测定;土壤pH采用1∶1的土水比，电位计法测定;土壤有机质、速效磷、速效钾采用常规方法测定。

土壤氨挥发速率和土壤氨挥发累计损失量的计算公式如下:

式中:V为土壤氨挥发速率［NH3－N kg/(hm2·d)］;m为施肥处理吸收液中NH3－N的平均含量(g);m0为空白吸收液中NH3－N的平均含量(g);S为密闭室面积(m2);6×10为换算系数。

式中:F为土壤氨挥发累计损失量(NH3－N kg/hm2);n表示施肥后测定的次数，Ti即第i次测定施肥后的第Ti天(d);Vi为第i次测定时氨挥发速率［N kg/(hm2·d)］。

采用Excel 2003和SAS 8.01软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 早稻土壤氨挥发

2.1.1 早稻土壤氨挥发速率的动态变化 从整个早稻生育期来看(图2)，在施肥后各处理的氨挥发动态变化趋势基本一致，峰值主要出现在第3～5 d，之后逐日下降，15 d内基本损失殆尽。从各个处理来看，氨挥发速率及持续时间表现为随着施氮量的增加而增加，且氨挥发速率峰值均为基肥期＞分蘖期＞孕穗期。

图2 早稻土壤氨挥发损失速率Fig.2 NH3－N volatilization rate by soil during the early rice season

基肥时期，N300处理在第3和4 d的氨挥发速率均较高，分别为 N 22.82、23.87 kg/(hm2·d)，第4 d并没有因为降水和温度下降的影响而减缓挥发速率，而其他处理均在第3 d达到峰值，N0、N60、N120、N180、N240处理氨挥发速率分别为N 0.2、4.82、11.86、18.24、22.13 kg/(hm2·d)，之后随着强降水及温度骤降，其挥发速率明显下降，第8 d气温及地温回升，氨挥发又出现一个较为平缓的排放曲线。本时期，气温及地温相对较低(图3)，但随着春暖回温进入梅雨季节，雨量较多，在15 d内平均气温及5 cm平均地温分别为21.87、21.69℃，总降水量达到256.7 mm。

早稻分蘖期气温逐渐上升，但由于降水影响，温度变化幅度较大，最高平均温度比最低平均温度相差近7℃，平均气温和5 cm平均地温分别为23.95、23.90℃，本时期降水量相对较少，总量只有63.5mm(图3)。各处理土壤氨挥发速率在施肥后第3 d达到第一个峰值，N0、N60、N120、N180、N240处理氨挥发速率分别为N 0.07、0.58、1.29、1.85、4.80、8.72 kg/(hm2·d)，第4 d由于降水温度下降，氨挥发速率明显降低，第5 d白天晴天温度上升，氨挥发速率出现第2个峰值，各处理分别为N 0.11、0.74、1.17、1.81、5.62、7.21 kg/(hm2·d)，第6 d又突降大雨，温度骤降，但此后的氨挥发速率逐渐下降，大约持续16 d左右，各施肥处理间基本无差异。

图3 早稻试验期间气温、5 cm地温及降水量Fig.3 Air temperature，soil temperature in 5 cm depth and precipitation during the early rice experiment period

孕穗期虽然平均气温和地温已经有所上升，平均气温及5 cm平均地温分别为25.05、25.09℃，但是此期间又迎来大量降水，对氨挥发产生很大影响。本时期较之前面两个时期氨挥发速率明显降低。各处理氨挥发速率在第3 d达到最大，其峰值仅为N 0.11(N0)、0.36(N60)、0.76(N120)、1.87(N180)、 1.57 (N240)、 3.88 (N300)kg/(hm2·d)。之后逐渐下降，到第11d，氨挥发速率趋于零，各处理间无显著差异。

2.1.2 早稻土壤氨挥发累计损失量与损失率及与施氮量的拟合关系 从表1可以看出，各处理在不同施肥时期氨挥发累计损失的动态趋势基本一致，各施肥期损失量和总损失量均随着施氮量的增加而递增，并呈显著线性关系;各处理在早稻季氨挥发损失总量存在显著性差异;基肥、分蘖肥和孕穗肥三个时期的平均损失率(氨挥发损失量占总施氮量的百分比)分别为24.9%、12.1%及2.5%;整个早稻季氨挥发损失总量占施氮量的百分比经回归分析也表现极显著的线性关系。总的来看，在双季稻田生产系统中，早稻季氨挥发损失量一般占施氮量的29.3%～52.3%;从水稻生长的不同施肥时期来看，本次晚稻试验的基肥、分蘖肥和孕穗肥氨挥发平均损失比例(各处理氨挥发损失占总损失量的百分比的均值)分别为60.81%、29.67%和9.52%。

2.2 晚稻土壤氨挥发

2.2.1 晚稻土壤氨挥发速率的动态变化 整个晚稻生育期(图4)，施肥后各处理的氨挥发动态趋势基本一致，峰值主要出现在第3 d，之后逐日下降，基肥时期持续最长，达到11 d左右，分蘖期和孕穗期施肥后8 d以内，氨挥发基本结束。整个晚稻生育期的气温和地温较高(图5)，而且降水量较早稻季节明显减少，对温度带来的波动性也比早稻小，虽然偶有强降雨出现，但对氨挥发强烈的时段里没有造成很大的影响。从各个处理来看，氨挥发速率及持续时间表现为随着施氮量的增加而增加，且氨挥发速率峰值表现为基肥期＞孕穗期＞分蘖期。

表1 早稻各生育期施肥后的氨挥发累积损失量与损失率及其与施氮量的拟合方程Table 1 Cumulative amount of NH3－N volatilization loss and loss rate after the fertilization and the relation of fitting between N application rate and NH3－N volatilization rate，loss during the early rice season

图4 晚稻土壤氨挥发损失速率Fig.4 NH3－N volatilization rate by soil during the late rice period

施用基肥后第2d氨挥发速率相对较高(图4)，在第3d达到峰值，各处理氨挥发速率为N 0(N0)、3.40(N60)、7.00(N120)、10.63(N180)、16.17(N240)、18.15(N300)kg/(hm2·d)之后逐渐降低，持续到第11d后各施肥处理无显著差异。基肥期间的平均气温、平均最高气温、平均最低气温和5 cm平均地温分别为 32.47、37.88、28.59和30.40℃(图5)，总降水量为180.0 mm，其中第11 d降水量达到139.0 mm，但此时土壤氨挥发速率已经很低，故影响也相对较小。

图5 晚稻试验期间气温、5 cm地温及降水量Fig.5 Air temperature，soil temperature in 5 cm depth and precipitation during the late rice experiment season

晚稻分蘖肥与基肥间隔较短，在施用基肥后第12 d开始施用分蘖肥。由于分蘖肥的施肥比例占总施氮量的20%，所以土壤氨挥发的速率也较之另两个时期有所下降。本时期各施肥处理土壤氨挥发速率的峰值出现在第3 d(图4)，分别为N 0(N0)、1.43(N60)、4.52(N120)、7.73(N180)、9.39(N240)、12.66(N300)kg/(hm2·d)，之后逐渐降低，到第8d时，各处理间无明显差异。施肥后的前9 d温度变化趋势比较平稳(图5)，平均气温、平均最高气温、平均最低气温和5 cm平均地温分别为32.35、36.70、28.86及30.49℃;之后几天，温度波动较大，主要是在第10、14、15 d出现强降雨，总量达到238.0 mm，但对土壤氨挥发速率没有产生很大影响。

晚稻孕穗期进入九月份，气温开始下降，16 d内平均气温、平均最高气温、平均最低气温和5 cm平均地温分别为29.12、33.38、25.95、28.09℃ (图5);雨天也极少，只在第8 d有9.0 mm的降水。孕穗肥氮肥施用占总施氮量的30%，故较之分蘖期土壤氨挥发速率也提高不少。各施肥处理均在第3d达到最高 (图5)，峰值分别为N 0.03(N0)、2.28(N60)、5.18(N120)、9.38(N180)、13.89(N240)、18.33(N300)kg/(hm2·d)。之后氨挥发速率迅速降低，第8 d后各处理未达显著差异水平。

2.2.2 晚稻土壤氨挥发累计损失量与损失率及与施氮量的拟合关系 从表2中可以看出，各处理在不同施肥时期氨挥发累计损失动态变化趋势基本一致，各施肥期损失量和总损失量均随着施氮量的增加而递增，并呈显著线性关系;各处理在晚稻季氨挥发损失总量存在显著性差异;基肥、分蘖肥和孕穗肥三个时期的平均损失率(氨挥发损失量占总施氮量的百分比)分别为19.7%、10.8%及10.1%;整个晚稻季氨挥发损失总量占施氮量的百分比经回归分析也表现极显著的线性关系。总的来看，在双季稻田生产系统中，晚稻季氨挥发损失量一般占施氮量的35.8% ～46.8%;从水稻生长的不同施肥时期来看，本次晚稻试验基肥、分蘖肥和孕穗肥氨挥发平均损失比例(各处理氨挥发损失占总损失量的百分比的均值)分别为48.31%、27.13%和24.56%，可见氨挥发损失在移栽后的两周内所损失的氮素约占整个水稻生长周期的50%，因此在本时期，对减少氮素损失，提高氮素利用率仍存在着较大空间。

2.3 双季稻连作周期土壤氨挥发损失特征及与子粒产量的关系

整个双季稻连作周期(表3)，不同施氮量处理土壤氨挥发损失总量在NH3－N 5.93～303.4 kg/hm2，肥料氮氨挥发损失率在32.5% ～49.6%之间。对双季稻连作周期下氨挥发损失总量、损失率与施氮量拟合关系，得出:Y(氨挥发损失总量N，kg/hm2)=0.5356X －38.318，R2=0.9845(P ＜0.01);y(氨挥发损失率，%)=0.0357X+27.209，R2=0.9825(P＜0.01)，由此可见，双季稻连作体系中土壤氨挥发损失量、损失率均随着施氮量的增加而呈显著的正向线性关系。

在作物产量上，与不施氮处理相比，早稻各施氮处理分别增产26.39%(N60)、52.16%(N120)、54.78% (N180)、 52.41% (N240)、 47.95%(N300);晚稻分别增产9.599%(N60)、15.18%(N120)、 21.57% (N180)、 18.72% (N240)、19.54%(N300)。可见，作物产量并非随着施氮量的增加而增加，反而达到一定最高值后有持平或下降趋势;另由表1我们已经得出施氮量与早稻氨挥发损失总量呈显著的正向线性关系，即施氮量越高氨挥发越高(如图6)。因此当产量达到最大，此时对应的氨挥发损失量并非最大，即满足较高经济效益的最佳施氮量也可以认为其有较好的环境效益。利用线性加平台模型［15］拟合氨挥发损失量与作物产量的关系，早稻季为 y=25.316x+4136.8(x＜105)，y=6795(x＞105)，R2=0.9896，即早稻最佳产量施氮量为N 105 kg/hm2，作物产量可以达到6795 kg/hm2;晚稻拟合模型为y=7.8026x+6192(x＜152)，y=7378(x＞152)，R2=0.9786，即晚稻最佳产量施氮量为N 152 kg/hm2，作物产量可以达到7378 kg/hm2。

表2 晚稻各生育期施肥后的氨挥发累积损失量与损失率及其与施氮量的拟合方程Table 1 Cumulative amount of NH3－N volatilization loss and loss rate after the fertilization and the relation of fitting between N application rate and NH3－N volatilization rate，loss during the late rice season

表3 双季稻连作周期土壤氨挥发损失及子粒产量Table 3 NH3－N volatilization loss in double-harvest rice season and grain yield

图6 早稻和晚稻季施氮量与产量、氨挥发损失量的关系Fig.6 Relationship of nitrogen application rate with yield and total amount of NH3－N volatilization loss in early rice and late rice season

3 讨论与结论

研究报道NH3的损失速率取决于NH3(水)和溶液上方大气中NH3(PNH3)之间的分压差，由于空气中的NH3的浓度很低而且相对恒定，所以NH3(水)的浓度便起到直接主导作用。在长期淹水的稻田中，土壤氨挥发显著受到气候因素(温度及降水)的影响［16］。朱兆良［4］的研究表明在江苏和浙江的非石灰性水稻土中田面水的pH低于8或8左右，尿素的氨挥发损失率只有9～11%，而其在江西鹰潭非石灰性水稻土的双季晚稻的试验结果表明，虽然水面pH在8左右与江浙两地相近，但是氨挥发损失率高达40%，分析其主要原因是日间光照强烈，田面水温很高(高达40℃)，尿素水解迅速，促进了氨挥发损失。由此可见，在南方稻田，因日照光强造成的很高的田面水温对氨挥发的影响要远远大于田面水pH的作用，各种因素因时空变异而表现的主导作用是不同的。作为双季稻主产区的江西，晚稻季雨水相对较少，而早稻季多降水，而且这个时期的温度受降水的影响变异性也很大(图3)，因此其对氨挥发持续时间带来很大影响。吴萍萍等［7］研究发现，氨挥发损失早稻持续14 d左右，晚稻为7d左右;李菊梅［1］等研究显示，早稻氨挥发持续20 d左右，晚稻季持续9～10 d。本研究结果表明，该地区早稻季土壤氨挥发持续时间为11～15d，而晚稻的持续时间为6～8d，早稻季比晚稻季持续时间长，其主要原因可能是晚稻季的平均温度(30.82℃)比早稻季的平均温度(23.57℃)高，水分蒸发速率大，田间水中的NH3(水)的分压大，使得氨挥发主要集中发生在较短的时间内。

从氨挥发损失量看，李菊梅［1］等的研究表明，早、晚稻施尿素(NPK，N 150 kg/hm2)处理的氨挥发损失率达41.4%和39.9%;管建新［17］等在2005～2008年4年试验中，双季总施氮量N 300 kg/hm2处理在连作周期的氨挥发损失率分别为41.3%、40.7%、38.8%和38.8%;本研究结果显示，早、晚稻氨挥发损失量相差不大(表3)，早稻略高一点，但基本上各占总损失量的50%，早稻施肥处理氨挥发损失量为 N 22.60～162.0 kg/hm2，损失率为29.29% ～52.32%(表1);晚稻施肥处理氨挥发损失量为N 22.35～141.4 kg/hm2，损失率为35.75%～46.82%(表2)，整个连作周期的氨挥发损失率为32.52%～49.57%(表3)。本研究结果与上述两人的研究在相似条件的处理相近并均与朱兆良［18］等利用微气象学质量平衡法的观察结果相一致;而吴萍萍等［7］施用NPK肥的处理其早、晚稻损失率分别为13.2%和16.9%;王国强［19］相近处理氨挥发损失率早稻为 7.29% ～7.71%，晚稻为12.07%～29.95%均比本研究结果低很多，其可能是由于本研究在施肥方式上采用了表面撒施以及很高的田面水温，是这两个因素双重作用的结果。

本研究中施肥量与氨挥发损失量的关系显示，在一定的施氮范围内，同一个生育阶段，随着施氮量的增加氨挥发损失量是递增的;早、晚稻及整个稻—稻连作周期氨挥发损失量、损失率均与施氮量呈线性增长关系，这与邓美华等［5］研究的太湖地区稻—麦轮作体系及董文旭等人研究［20－21］的华北平原冬小麦－夏玉米轮作体系的研究结果相一致。

由此可见，长江中下游地区双季稻连作体系的农田氨挥发损失是肥料氮素损失的重要途径，过量施肥会增加肥料氮素氨挥发损失，从而降低了氮肥利用率以及对环境产生一定危害。本研究为下一步进行优化施氮，减少氮肥用量及损失，实现生态与经济效益双赢提供了重要依据。

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