灌溉水盐度对滴灌棉田土壤氨挥发的影响

2015-06-15周广威马丽娟侯振安

植物营养与肥料学报 2015年2期

关键词：咸水盐渍化脲酶

周广威，张文，闵伟，马丽娟，侯振安

(石河子大学农学院资源与环境科学系，新疆石河子 832003)

灌溉水盐度对滴灌棉田土壤氨挥发的影响

周广威，张文，闵伟，马丽娟，侯振安*

(石河子大学农学院资源与环境科学系，新疆石河子 832003)

咸水；滴灌施肥；尿素；棉田；氨挥发

化学肥料，尤其是氮肥的施用，对促进现代农业生产的发展起着不可替代的作用。我国的氮肥生产量和消费量均居世界首位[1-2]。但是，目前我国化学氮肥的当季利用率很低，仅为 30%左右[3]。尿素是当前农业生产中施用最为普遍的一种氮肥，尿素施入土壤后首先被脲酶水解为不稳定态的氨基甲酸铵，然后迅速转化为铵态氮，继而转变成硝态氮。铵态氮和硝态氮除被作物吸收外，其余部分主要以氨、氮氧化物等形式进入大气或水体。其中，氨挥发是氮肥损失的主要途径之一。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[4]。

影响农田氨挥发损失的因素主要包括土壤性质(土壤质地、通气状况、pH、土壤含水量、CaCO3含量和土壤总盐量等)、气候条件(温度、降水、光照)和农业管理措施(氮肥品种、施肥量、施肥及灌溉方式)等[5]。灌溉是提高农业生产率和产量的重要措施。据FAO统计，目前发展中国家灌溉农业占据了耕地总量中1/5 左右的土地，但是却贡献了近一半(47%)的作物产量和近60%的谷物产量[6]。现代灌溉农业面临的一个突出问题是可用于灌溉的淡水资源日益减少，尤其是干旱半干旱地区。在淡水资源不足和增加农业产出的双重压力下，干旱地区应用咸水微咸水进行农田灌溉已经成为必然[7]。咸水灌溉必然引起土壤盐渍化[8]，有研究表明盐渍化土壤上氮肥的损失较非盐渍化土壤更为严重，尤其是氨挥发损失[9-10]。也有研究认为一定盐度范围内土壤盐渍化会加剧氨挥发损失，但高盐度也可能抑制微生物生长，从而影响尿素水解，降低土壤氨挥发[11]。

咸水灌溉会导致根区土壤盐分积累，直接影响氮素转化和氨挥发，但目前对于咸水灌溉农田土壤氨挥发的报道还较少。本研究通过五年咸水灌溉田间试验探讨咸水滴灌对棉田土壤氨挥发的影响，为合理利用咸水资源，减少氨挥发损失，提高氮肥利用率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

1.2 试验设计

试验设置淡水和咸水两种灌溉水，电导率(EC)分别为0.35和8.04 dS/m(分别用CK和SW表示)。每个处理重复3次，小区面积27 m2。在第五年(2013年)试验期间对农田氨挥发进行动态监测，并测定土壤基本理化性质。

试验中氮肥使用尿素，全部做追肥，氮肥(N)用量为240 kg/hm2，在棉花生育期间分5次等量随水滴施。尿素追肥自第2次灌水开始至第6次灌水结束，灌溉施肥周期为7 d。磷肥和钾肥作基肥在播种前一次性施入，施用量为P2O5105 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2。其他栽培管理措施参照当地大田。

1.3 氨挥发的监测

农田土壤氨挥发的监测采用密闭室法，用稀硫酸作为氨的吸收液[12]。监测装置用聚氯乙烯硬质塑料管制成，内径15 cm、高10 cm。将20 mL 0.01 mol/L的稀硫酸溶液加入50 mL 的蒸发皿中，用铁丝支架架起，使蒸发皿的顶部与地面保持7 cm 左右的距离，再罩以顶部密封的硬质料管。每个试验小区随机布置三个氨挥发监测装置(棉花窄行间滴灌带滴头处)。

2013年试验期间，土壤氨挥发的监测自第2次追肥开始至第5次追肥前结束，连续监测3个灌溉施肥周期。因每次灌溉需持续2天，所以灌溉施肥后氨挥发的动态监测为6天。在每次灌水施肥当天加入稀硫酸溶液，24 h后直接将蒸发皿中的稀硫酸转入带塞的三角瓶中，带回实验室后用1.0 mol/L的KCl溶液浸提，采用靛酚蓝比色法测定。

1.4 土壤样品的采集与测定

2 结果与分析

2.1 土壤盐度

图1 灌溉施肥后土壤盐度(EC1 ∶5)的动态变化Fig.1 Changes in soil salinity (EC1 ∶5) after fertigation

2.2 土壤pH

2.3 土壤铵态氮和硝态氮含量

灌溉施肥后土壤铵态氮含量增加，第2天后开始降低(图3)。SW处理土壤明显高于CK处理，尤其是灌溉施肥后第2天，SW处理铵态氮含量比CK处理增加了66.1%。

图2 灌溉施肥后土壤pH的动态变化Fig.2 Changes in soil pH after fertigation

图3 灌溉施肥后土壤铵态氮和硝态氮含量的动态变化Fig.3 Changes in soil -N and -N contents after fertigation

2.4 脲酶活性

灌溉施肥后SW处理土壤脲酶活性迅速增加，第4天达到最大，随后降低；而CK处理土壤脲酶活性呈逐渐增加趋势(图4)。SW处理脲酶活性较CK处理平均增加了20.6%，其中灌溉施肥后第2、4天，SW处理土壤脲酶活性均显著高于CK处理。

2.5 气象因素

图4 灌溉施肥后土壤脲酶活性的动态变化Fig.4 Changes in soil urease activity after fertigation

表1表明，第1个灌溉施肥周期的最高日平均温度出现在施肥当天和次日，第2个灌溉施肥周期为施肥后第4天，第3个灌溉施肥出现在施肥后第1、4天。3个灌溉施肥周期的平均温度分别为24.6℃、 26.05℃和24.9℃。第1个灌溉施肥周期的总降水量最大，分别比第2和3个灌溉施肥周期高3.7 mm和10.2 mm。

表1 氨挥发监测期间的气象条件

2.6 土壤氨挥发动态

2.7 土壤氨挥发累积量

3个灌溉施肥周期的土壤氨挥发累积量见图6。SW处理土壤氨挥发累积量明显高于CK处理。在前两个灌溉施肥周期，SW处理土壤氨挥发累积量均显著高于CK(P<0.01)，分别增加了79.1%和58.2%。第三个灌溉施肥周期，SW处理土壤氨挥发累积量较CK增加了22.7%，但差异不显著(P>0.05)。三个连续灌溉施肥周期的土壤氨挥发累积总量，咸水灌溉(SW)为10.98 kg/hm2，淡水灌溉(CK)为7.57 kg/hm2；SW处理较CK增加了45.1%。

图5 灌溉施肥后土壤氨挥发的动态变化Fig.5 NH3 volatilization after fertigation

图6 不同处理土壤氨挥发累积量Fig.6 Effect of irrigation water salinity on total NH3 volatilization

3 讨论

脲酶在尿素转化过程中起重要作用，脲酶能促进尿素分子的酰胺碳氮键水解，脲酶活性的高低与尿素转化的速度成正相关[19]；苏海英等[20]研究认为盐渍化土壤中脲酶对尿素的水解作用影响不显著，总盐含量增加会显著抑制脲酶活性，但却促进了氨挥发。本研究中施氮肥后咸水灌溉土壤脲酶活性明显高于淡水灌溉。闵伟等[21]研究也表明施氮肥(尿素)土壤，低盐度对脲酶活性无影响，高盐度反而促进了脲酶活性。

本研究在连续五年咸水灌溉试验的基础上，对滴灌棉田土壤氨挥发进行了动态观测。由于本试验在田间条件下进行，外部环境因子变化较大；同时，影响氨挥发的因素也是多方面的，所以关于咸水滴灌对农田土壤氨挥发的影响及其内在机理还需要进一步深入研究。

[1] 中国农业年鉴农业编辑委员会. 中国农业年鉴[M]. 北京: 中国农业出版社, 1999. 189. Editorial Board of Agriculture of China Agricultural Yearbook. China agricultural yearbook[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1999.189.

[2] 赵允格, 邵明安. 不同施肥条件下农田硝态氮迁移的试验研究[J]. 农业工程学报, 2002, 18(4): 37-40. Zhao Y G, Shao M A. Experimental study on nitrate transport for different fertilization methods[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002, 18(4): 37-40.

[3] 朱兆良, 文启孝. 中国土壤氮素[M]. 南京: 江苏科技出版社, 1992.171-185. Zhu Z L, Wen Q X. Nitrogen in soils of China[M]. Nanjing: Jiangsu Science and Technology Press, 1992.171-185.

[4] Ferm M. Atmospheric ammonia and ammonium transport in Europe and critical loads: a review[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 1998, 51(1): 5-17.

[5] 宋勇生, 范晓晖. 稻田氨挥发研究进展[J]. 生态环境, 2003, 12(2): 240-244. Song Y S, Fan X H. Summary of research on ammonia volatilization in paddy soil[J]. Ecology and Environment, 2003, 12(2): 240-244.

[6] FAO. The state of the world’s land and water resources for food and agriculture: managing systems at risk[M]. Rome, 2011.

[7] Assouline S, Muller M, Cohen Setal. Soil-plant system response to pulsed drip irrigation and salinity: bell pepper case study[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70: 1556-1568.

[8] 尤全刚, 薛娴, 黄翠华. 地下水深埋区咸水灌溉对土壤盐渍化影响的初步研究—以民勤绿洲为例[J]. 中国沙漠, 2011 31(2): 302-308. You Q G, Xue X, Huang C H. Preliminary study on the effects of saline water irrigation on soil salinization in deep groundwater area: a case study of Minqin oasis[J]. Journal of Desert Research, 2011 31(2): 302-308.

[9] McClung G, Frankenberger W T. Soil nitrogen transformations as affected by salinity[J]. Soil Science, 1985, 139(5): 405-411.

[10] Westerman R L, Tucker T C. Effect of salts and salts plus15N-labeled ammonium chloride on soil nitrogen, nitrification, and immobilization[J]. Soil Science Society of America Proceedings, 1974, 38: 602-605.

[11] El-Karim H A, El-Mahi Y E, El-Tilip A M. The influence of soil type, salinity and sodicity on ammonia volatilization in soil fertilized with urea[J]．Annals of Agricultural Science (Cairo), 2004, 49(1): 401-411.

[12] 周伟, 田玉华, 曹彦圣, 等. 两种氨挥发测定方法的比较研究[J]. 土壤学报, 2011, 48(5): 1090-1095. Zhou W, Tian Y H, Cao Y Setal. A comparative study on two methods for determination of ammonia volatilization[J]. Acta Pedologica Sinica, 2011, 48(5): 1090-1095.

[13] 关松荫. 土壤酶及其研究方法[M]. 北京: 农业出版社, 1986. 274-338. Guan S Y. Soil enzyme and research methods[M]. Beijing: Agricultural Press, 1986. 274-338.

[14] 蒋朝晖, 曾清如, 方至, 等. 不同温度下施入尿素后土壤短期内pH 的变化和氨气释放特性[J]. 土壤通报, 2004, 35(3): 299-302. Jiang Z H, Zeng Q R, Fang Zetal. Short-term changes of pH and volatilization of ammonia from urea in soil under different temperatures[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2004, 35(3): 299-302.

[15] 李贵桐, 李保国, 陈德立. 利用Bowen比仪测定大面积农田土壤氨挥发的方法研究[J]. 中国农业大学学报, 2001, 6(5): 56-62. Li G T, Li B G, Chen D L. Method for measurement of ammonia volatilization from large area field by Bowen ratio system[J]. Journal of China Agricultural University, 2001, 6(5): 56-62.

[16] Dancer W S, Peterson L A, Chesters G. Ammonification and nitrification of N as influenced by soil pH and previous N treatments[J]. Soil Science Society of America Proceedings, 1973, 37: 67-69.

[17] 段争虎, 周玉麟, 吴守仁. 土壤特性对氨挥发影响的研究[J]. 土壤通报，1990, (3): 131-139. Duan Z H, Zhou Y L, Wu S R. Study on effects of soil characteristics on ammonia volatilization[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1990, (3): 131-139.

[18] 吴大付, 王小龙, 朱东海, 等. 温室滴灌配施尿素下土壤微域内pH值的时空分布研究[J]. 灌溉排水学报, 2008, 27(2): 95-97. Wu D F, Wang X L, Zhu D Hetal. The temperal-spatial distribution of pH in micro soil area with combination of drip irrigation and urea application in greenhouse[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2008, 27(2): 95-97.

[19] 于亚伟, 张丽霞, 韩晓阳. 尿素不同配施处理对棕壤茶园土壤尿素转化及硝化作用影响的研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(5): 1278-1282. Yu Y W, Zhang L X, Han X Y. Urea transformation and nitrification under different urea combined fertilization in the brown soils of tea garden[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1278-1282.

[20] 苏海英. 新疆盐渍化土壤上氮肥的主要转化过程与氨挥发损失研究[D]. 乌鲁木齐：新疆农业大学硕士学位论文， 2008. Su H Y. The transformation process and ammonia volatilization losses of nitrogen in Xinjiang salinization soil[D]. Urumqi: Ms Thesis of Xinjiang Agricultural University, 2008.

[21] 闵伟，侯振安，梁永超, 等.土壤盐度和施氮量对灰漠土尿素N转化的影响[J]. 土壤通报. 2012, 43 (6)： 1372-1379. Min W, Hou Z A, Liang Y Cetal. Effects of soil salinity level and nitrogen rate on urea-N transformation in grey desert soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43 (6): 1372-1379 .

[22] 杨淑莉, 朱安宁, 张佳宝，等.不同施氮量和施氮方式下田间氨挥发损失及其影响因素[J]. 干旱区研究，2010, 27(3): 415-421. Yang S L, Zhu A N, Zhang J Betal. Ammonia volatilization loss and its affecting factors under different amounts and ways of N application in field[J]. Arid Zone Research, 2010, 27(3): 415-421.

[23] 王珏, 巨晓棠, 张丽娟, 等. 华北平原小麦季氮肥氨挥发损失及影响因素研究[J]．河北农业大学学报, 2009, 32(3): 5-11. Wang Y, Ju X T, Zhang L Jetal. Ammonia volatilization of N fertilizer and influencing factors in the North China Plain[J]. Journal of Agricultural University of Hebei, 2009, 32(3): 5-11.

[24] 邓美华, 尹斌, 张绍林. 不同施氮量和施氮方式对稻田氨挥发损失的影响[J]. 土壤, 2006, 38(3): 263-269. Deng M H, Yin B, Zhang S L. Effect of rate and method of N application on ammonia volatilization in paddy fields[J]. Soils, 2006, 38(3): 263-269.

[25] 樊庆鲁, 陈云, 关新元, 等. 滴灌施肥条件下尿素在土壤中运移转化分布规律[J]. 石河子科技, 2006, (3): 3-5. Fan Q L, Chen Y, Guan X Yetal. Movement, transformation and distribution of urea in the soil under drip fertigation conditions[J]. Shihezi Science and Technology, 2006, (3): 3-5.

[26] 徐万里, 刘骅, 张云舒. 新疆盐渍化土壤氮素矿化和硝化作用特征[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2007, 35 (11): 141-145. Xu W L, Liu H, Zhang Y S. Characteristics of nitrogen mineralization and nitrification in salinity soils of Xinjiang[J]. Journal of Northwest A&F University(Natural Science Edition), 2007, 35 (11): 141-145.

[27] 董文旭, 胡春胜, 张玉铭, 等. 华北农田土壤氨挥发原位测定研究[J]. 中国生态农业学报, 2006, 14 (3): 46-48. Dong W X, Hu C S, Zhang Y Metal. In situ determination of ammonia volatilization in field of North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2006, 14 (3): 46-48.

[28] 徐万里, 张云舒, 刘骅. 新疆盐渍化土壤氮肥氨挥发损失特征初步研究[J]. 生态环境, 2007, 16 (1): 176-179. Xu W L, Zhang Y S, Liu H. Preliminary study on the characteristics of ammonia volatilization from salinized soils in Xinjiang[J]. Ecology and Environment, 2007, 16(1): 176-179.

[29] 梁飞, 田长彦. 土壤盐渍化对尿素与磷酸脲氨挥发的影响[J]. 生态学报, 2011, 31 (14): 3999-4006. Liang F, Tian C Y. Effects of soil salinization on ammonia volatilization characteristics of urea and urea phosphate[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31 (14): 3999-4006.

[30] 苏海英, 徐万里, 蒋平安, 等. 盐渍化土壤上不同类型氮肥氨挥发损失特征研究[J]. 新疆农业科学, 2008, 45(2): 236-241. Su H Y, Xu W L, Jiang P Aetal. Study on ammonia volatilization characteristics of different types of N fertilizers in salinization soils[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2008, 45(2): 236-241.

[31] Freney J R, Simpson J R. Gaseous loss of nitrogen from plant-soil systems[M]. Martin Nijhoff/Dr. W. Junk Publishers, 1983.

[32] Nastri A, Toderi G, Bernati Eetal. Ammonia volatilization and yield response from urea applied to wheat with urease (NBPT) and nitrification (DCD) inhibitors[J]. Agrochimica, 2000, 5-6: 231-239.

[33] 翟学旭, 王振林, 戴忠民, 等. 灌溉与非灌溉条件下黄淮冬麦区不同追氮时期农田土壤氨挥发损失研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(1): 55-67. Zhai X X, Wang Z L, Dai Z Metal. Ammonia volatilization loss in Huang Huai plain winter wheat cultivation areas with different nitrogen topdressing periods under irrigated and rainfed conditions[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(1): 55-67.

Effects of the salinity of irrigation water on soil ammonia volatilization in drip-irrigated cotton fields

ZHOU Guang-wei, ZHANG Wen, MIN Wei, MA Li-juan, HOU Zhen-an*

(DepartmentofResourcesandEnvironmentalScience,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China)