不同施氮量对棉田氨挥发的影响

孙桂兰，韩迎春，冯璐，杨北方，雷亚平，熊世武，张正贵，王占彪，李亚兵

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000）

棉花是我国主要经济作物之一，在国民经济发展中具有重要地位[1]。黄河流域是我国三大产棉区之一，该区棉花生产中的氮肥过量施用问题严重[2-3]。黄河流域棉花氮肥用量一般为187.5～270 kg·hm－2，是美国棉花带最优推荐施氮量（90 kg·hm－2）的 2.08～3 倍[4]。过量施用氮肥，增加了农田土壤氮素损失的风险；而氨挥发是化学氮肥主要的损失途径之一，占施氮量的23%[5]。氨挥发会带来水体富营养化、土壤酸化、温室气体排放增加等诸多环境问题[6-8]。

土壤氨挥发受施氮量、耕作制度、施肥种类、灌水条件以及土壤理化性质等因素的影响[9-10]。葛顺峰等[11]研究发现不同施氮量下，土壤氨挥发速率存在明显差异，且氨挥发损失量随施氮量的增加而显著升高。李诗豪等[12]研究发现在无机氮肥、缓释氮肥和有机无机肥配施的3 种氮肥中，缓释氮肥引起的氨挥发损失量最少。刘秋丽[13]研究发现，降水可以降低土壤氨挥发，不同灌溉顺序导致的氨挥发损失量不同。

迄今，有关不同施氮量对土壤氨挥发影响的研究在稻田、蔬菜、春玉米等体系中已有大量研究[12,14-15]，但针对施氮量对黄河流域棉田氨挥发影响的研究还比较少。本研究探索了不同施氮量对棉田氨挥发的影响，旨在明确棉田氨挥发损失与施氮量的关系，为棉田氮肥减施提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验于2018年在河南省安阳市中国农业科学院棉花研究所东场试验基地进行 （36°06′N，114°21′E）。棉花品种为中棉所 60。耕层土壤基础理化性状：pH 8.12，有机质含量 16.27 g·kg－1，全氮含量1.16 g·kg－1，有效磷含量 12.27 mg·kg－1，速效钾含量 162.0 mg·kg－1。

1.2 试验设计

试验按照常规尿素的施氮量设置4 个施肥处理。分别为：（1）F1： 不施氮肥；（2）F2： 施氮量为112.5 kg·hm－2；（3）F3： 施氮量为 168.75 kg·hm－2；（4）F4： 施氮量为 225.0 kg·hm－2。其中，225.0 kg·hm－2施氮量是黄河流域棉田常规施氮量。磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）使用量均为 102 kg·hm－2。试验中氮肥按1∶1 分别在苗期和花铃期施入，而磷肥和钾肥在苗期一次性施入。

试验采用完全随机区组设计，重复3 次，共计12 个小区。小区为8 行区，行长10 m，小区面积60 m2。棉花于 4月 21日按等行距 76 cm 播种，130 cm宽膜双行覆盖，播种密度为每公顷9.0 万株，11月6日最后一次收花。苗期施肥和花铃期施肥的日期分别为5月23日和7月23日，均采用开沟撒施，其他管理均为常规田间管理。施肥后的日平均气温和降水量见图1。

图1 施肥后日平均温度和降水量

1.3 样品采集

试验采用通气法收集氨气[16]。所用的装置为硬质 PVC 管，其直径为 15 cm、高为 10 cm（图 2）。收集氨气过程中，分别将两块均匀浸有15 mL 磷酸甘油溶液（50 mL 磷酸＋40 mL 丙三醇，定容至1 000 mL）的海绵（厚度均为2 cm、直径均为16 cm）置于硬质PVC 管中，作为氨气吸收层的下层海绵距管底4 cm，作为隔绝层的上层海绵与管顶部相平。取样时，将下层海绵取出并立即装入自封袋中，然后将新的浸有磷酸甘油溶液的海绵放入下层，上层海绵根据其干湿状况3～7 d 更换1 次。将下层海绵带回实验室后，置于容积为500 mL 的塑料瓶中，加入 1.0 mol·L－1的 KCl 溶液 300 mL，使溶液完全没过海绵，振荡1 h 后，留取浸提液。

施肥当天在各个小区分别放置1 个氨气收集装置，然后在施肥后第 1、2、3、4、5、6、7、10、13、20、27、34 天取样，每次取样在 16:00 点开始。

1.4 样品测定

浸提液中的铵态氮用靛酚蓝比色法[17]进行测定。

氨挥发速率计算公式[15]：

式中，v为氨挥发速率（kg·hm－2·d－1），M为通气法中单个装置平均每次测得的氨量 （mg）、A为捕获装置的截面积 （m2）、D为每次连续捕获的时间（d）。

氨挥发累积损失量计算公式[18]：

式中，Af为氨挥发累积损失量 （kg·hm－2），n为施肥后测定总次数，vi为第i次测定时的氨挥发速率（kg·hm－2·d－1)，Ti为第i次测定的施肥后的天数，Ti-Ti-1 为两个相邻测定日期之间的时间间隔（d）。

1.5 数据处理

数据处理和作图均采用Excel 2013 完成，用SPSS 19.0 进行统计检验分析。

图2 田间氨挥发收集装置图

2 结果与分析

2.1 施肥后棉田氨挥发速率变化

由图3 可看出，苗期施肥后，4 个处理的氨挥发动态变化基本一致，在施肥后7 天内均有2 个峰值，氮肥处理的氨挥发速率明显高于无氮肥处理的氨挥发速率，且施用氮肥对棉田氨挥发的影响主要在施肥后20 天内。

图3 苗期施肥后不同处理棉田氨挥发速率

F2、F3和F4氨挥发速率在施肥后第2 天达到第1 个峰值，最高达 0.61 kg·hm－2·d－1，且峰值随施氮量的增加而增大； 在施肥后第4 天达到第2 个峰值，最高达 0.50 kg·hm－2·d－1。F1在施肥后第 4 天达到第1 个峰值，在施肥后第7 天达到第2 个峰值。在施肥后20 d 内，各处理的氨挥发速率变化较大；连续测定至第20 天时，各处理的氨挥发速率已无明显差异，处于 0.01～0.06 kg·hm－2·d－1之间。

图4 花铃期施肥后不同处理棉田氨挥发速率

由图4 可看出，花铃期施肥后，各处理（除F1外）氨挥发速率逐渐上升，施肥后第2 天达到峰值，最高达 0.84 kg·hm－2·d－1；第 3 天开始逐渐下降，至第 4 天各处理（除 F1外）无明显差异。F1在施肥后第 1 天有 1 个峰值，1～5 天呈下降趋势，第 5 天后逐渐上升，至第7 天有1 个小高峰。各处理在第7天以后，氨挥发速率变化不大。

2.2 施肥后棉田氨挥发累积损失量变化

由表1可知，2次施肥后，棉田氨挥发累积损失量均随施氮量的增加而增加。苗期施肥后，氨挥发累积损失量较高，为 2.61～5.77 kg·hm－2，氨挥发导致的氮肥损失率为2.81%～4.63%； 花铃期施肥后，氨挥发累积损失量较低，为 1.24～3.61 kg·hm－2，氨挥发导致的氮肥损失率为2.11%～2.70%。

从棉花的整个生育期看，氨挥发总量为3.85～9.38 kg·hm－2，氨挥发导致的氮肥损失率为 2.46%～3.67%。苗期施肥后氨挥发累积损失量所占比例较大，占氨挥发总量的61.51%～67.79%；而花铃期施肥后仅占氨挥发总量的32.21%～38.49%。

3 讨论与结论

本研究发现，从棉花的整个生育期看，氨挥发损失主要集中在施肥后1 周内，之后氨挥发速率逐渐下降（图3 和图4），这与杨淑莉等[19]的研究结果较一致。本试验中，施用氮肥明显提高了棉田氨挥发损失量，且氨挥发总量随施氮量的增加而增加，棉田氨挥发总量为 3.85～9.38 kg·hm－2，氨挥发损失率为2.46%～3.67%（表1），这与景建元等[20]的研究结果较一致。

研究表明，施肥后，温度较高时期的氨挥发累积损失量远高于温度较低时期[15,21]。本研究发现，苗期施肥后的温度低于花铃期施肥后的温度，但苗期施肥后的氨挥发累积损失量高于花铃期施肥后的氨挥发累积损失量。这与前人的研究结果不同，主要原因可能是降水量不同。虽然温度升高会加快氨气的扩散速率，但是降雨会引起地表径流，稀释土壤表面产生的氨气，抑制土壤氨挥发[22]。由图1 可知，本研究中，施肥后19 天内，苗期施肥后的日平均温度基本都低于花铃期施肥后的日平均温度。然而，苗期施肥后总降水量为20.6 mm，花铃期施肥后正值黄河流域降雨较多时期，总降水量高达262.9 mm，降雨过多抑制土壤氨挥发，导致棉田花铃期施肥后的氨挥发损失量远低于苗期施肥后的氨挥发损失量。

本研究结果表明，从棉花的整个生育期来看，施用氮肥明显促进棉田氨挥发，且棉田氨挥发总量随施氮量的增加而增加。苗期施肥后，不同处理氨挥发的差异主要集中在施肥后20 天内，第20 天及以后各处理的氨挥发速率无明显差异。花铃期施肥后，不同处理氨挥发的差异主要集中在施肥后7 天内，第7 天及以后各处理的氨挥发速率无明显差异，至第27 天各处理氨挥发速率已趋近零。

表1 不同处理施肥后棉田氨挥发累积损失量和损失率