灌溉方式和改良措施对河套灌区盐渍土氨挥发的影响

常 菲，红 梅，2*，武 岩，李艳勤，赵巴音那木拉，2，德海山，2

（1．内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010011；

2．内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011）

氮素损失是我国农田生态系统面源污染的主要途径之一［1］。研究表明，施入土壤中的氮素52%以各种形式损失，其中氨挥发损失占总损失量的21%［2］。氨挥发导致农田肥料利用率下降，农作物产量降低，同时影响大气中PM2.5的酸度，造成环境污染［3］，而采用合理的施肥措施是减少农田氨挥发的主要方法［4］。生物炭、秸秆是较为普遍的改土材料。生物炭具有较大的比表面积和阳离子交换量，对铵离子的吸附作用强烈，且通过提高土壤阳离子代换能力增强对铵离子的固持作用，也会提高土壤的硝化速率［5］，从而降低氨挥发损失。秸秆还田对氨挥发的影响是通过有机质分解产生有机酸使土壤pH值下降从而抑制土壤氨挥发［6］，也有学者认为秸秆还田后有机质增加了铵离子的有效性，促进氨挥发速率［7］。

河套灌区是国家和内蒙古自治区的重要商品粮油基地，年均降水量200 mm，是典型的无灌溉即无农业地区［8］，且随长时间的黄河水漫灌，次生盐渍化程度逐年加重。近年来膜下滴灌技术在干旱半干旱地区得到广泛应用，其既具备滴灌的防止深层渗漏、节水、节肥等特点，还具备地膜的增温、保墒作用［9］。龚雪文等［10］研究表明河套灌区农田膜下滴灌有利于作物根区形成良好的水热环境。侯慧芝等［11］研究表明，膜下滴灌可以将玉米生育期提前，提高光合产物积累，促进作物对深层水分的利用，从而提高作物产量。河套灌区关于黄河水漫灌下氨挥发的研究较多，而将漫灌与膜下滴灌对比，在不同改良措施下进行氨挥发的研究甚少，因此本研究将不同灌溉方式与生物炭、秸秆还田相结合，探讨河套灌区盐碱地土壤氨挥发具体情况及产量效益，以期为河套灌区提高氮肥利用率、增强综合环境效应的施肥措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在内蒙古杭锦后旗三道桥地区的康尔涞有限公司进行，该地区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市西部，地理位置在E106°34′～107°24′、N40°26′～41°13′之间，地处河套平原。属中温带大陆性气候，风多雨少，蒸发强烈，年日照时数平均4 449.6 h，年均气温 8.7℃，年均无霜期 126 d，年均降水量135.9 mm，年均蒸发量1 984.3 mm。试验区土 壤以硫酸盐型中度盐化土为主，其基础性状见表1。

表1 试验地土壤基础性状

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主处理为灌溉方式，设膜下滴灌、黄河水漫灌2种；次处理为不同改良措施，在农民常规施肥的基础上设空白（CK）、秸秆还田（SR）、生物炭（C）3种。试验共6个处理，3次重复，小区面积21 m×7 m。SR处理：还田量为20.63 t/hm2，以玉米秸秆为原料，粉碎至1～3 cm于2017年4月初施于土壤表层，后用旋耕机将其与耕层土壤充分混匀。C处理：生物炭为玉米秸秆经400℃炭化温度在缺氧条件下烧制8 h而成，施用量为22.5 t/hm2，随基肥施于土壤表层，后用旋耕机将其与耕层土壤充分混匀。

1.3 田间管理

试验于2017年6～10月进行，供试品种为葵花902，6月3日人工播种，播种前均地表覆膜。各处理于播种期施基肥：300 kg/hm2磷酸二铵，75 kg/hm2硫酸钾；6月底追施300 kg/hm2尿素；8月5日 追 施75 kg/hm2尿 素；8月24日 追 施45 kg/hm2尿素和30 kg/hm2钾肥。滴灌肥料溶解后随水滴入土壤，漫灌用追肥机将肥料埋于距地表10 cm深，距葵花苗15 cm远处。试验田滴灌的灌溉量为2 300 m3/hm2，分10次灌，除追肥外以地表张力计读数≤-20 kPa为指示值进行井水灌溉。漫灌的灌溉量为每次750～900 m3/hm2，分别于3次追肥后进行灌水，3 次漫灌，灌溉量为 2 250 ～ 2 700 m3/hm2。葵花10月1日收获、测产，其它管理同大田。田间作物及滴灌带布局图如下。

图1 田间作物及滴灌带布局图

1.4 样品采集与测定方法

氨挥发量测定：本试验运用通气法来监测氨挥发量，此方法操作简便，测定结果可靠，回收率高达99.5%［12］。装置由聚氯乙烯硬质塑料管制成，内径 15 cm，高 10 cm。将两块厚度均为 2 cm、直径为16 cm的海绵均匀浸以15 mL的磷酸甘油溶液（50 mL 磷酸 +40 mL 丙三醇，定容至 1 000 mL）后，置于硬质塑料管中，下层的海绵距管底5 cm，上层的海绵与管顶部相平。土壤氨挥发的监测于施肥后的当天开始，在各小区膜内随机放置3个通气法捕获装置，次日8：00时取样。每次施肥灌水后第1周，1～2 d取样1次；第2～3周，视检测到的氨挥发量多少进行取样，如挥发量较多，每1～5 d取样1次，如挥发量较少，取样时间可延长到10 d左右。将通气法装置中下层的海绵取回实验室后装入 500 mL 的塑料瓶中，加 300 mL的 2 mol/L 的KCl溶液，使海绵完全浸于其中，振荡1 h后，取浸提液，用连续流动分析仪（AA3）测定NH3-N浓度。

式中，M为通气法单个装置平均每次测的氨量（NH3-N，mg）；A为捕获装置的横截面积（m2）；D为每次连续测定的时间（d）。

氨挥发导致的氮肥损失率=氨挥发损失总N量/施氮量×100%

土壤pH值、盐分的测定：土壤样品采样周期与氨挥发监测周期相同，在每个氨挥发监测点附近膜内随机选择3个样点采样，带回实验室用酸度计法（实验室pH计：STARTER 2100）测定土壤pH值，采用5∶1水土比浸提后电导仪（实验室电导率仪：STARTER 3100C）测定土壤电导率。

1.5 数据统计与分析

各项试验数据输入Excel 2013进行基本的平均数及标准偏差计算并作图，利用SAS 9.2进行显著性差异分析、相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤氨挥发速率的影响

如图2、3所示，不同处理氨挥发动态变化趋势基本一致，每次施肥后均先升高后降低，且随生育期的推进、施肥量的减少，氨挥发速率逐渐下降。施基肥后3 d氨挥发达到峰值，滴灌下峰值的顺序为CK［1.63 kg/（hm2·d）］＞SR［0.94 kg/（hm2·d）］＞C［0.70 kg/（hm2·d）］， 漫 灌 下 为 CK［1.45 kg/（hm2·d）］＞SR［1.31 kg/（hm2·d）］＞C［1.12 kg/（hm2·d）］，随后氨挥发速率逐渐降低，于6月23日降到最低点。追肥后氨挥发变化趋势与基肥变化情况基本一致，升高到最大值后逐渐降低，峰值均出现在施肥灌水后第2～4 d，滴灌处理下追肥期峰值的范围为 0.21 ～ 1.69 kg/（hm2·d），漫灌下为 0.2 ～ 2.28 kg/（hm2·d），于追肥后 20 d 左右降到最低值。其中，滴灌C处理的峰值分别为0.78、0.68、0.31 kg/（hm2·d），漫灌 C 处理的峰值分别为 1.46、0.54、0.20 kg/（hm2·d），基本均低于其他处理。滴灌、漫灌下各处理3次追肥氨挥发速率平均大小顺序均为CK＞SR＞C，其中滴灌下C处理氨挥发速率最低，平均为0.31 kg/（hm2·d），分别比CK、SR降低了49.65%、24.01%，漫灌下C处理也最低，平均为0.44 kg/（hm2·d），分别是CK、SR的39.63%、21.57%，表明不同灌溉方式下生物炭、秸秆还田均能显著降低氨挥发速率，以生物炭为最优。同一种施肥处理下，滴灌下的氨挥发速率较漫灌明显降低，表明膜下滴灌技术可充分减少水分和肥料损失，提高作物的水肥利用效率。

图2 滴灌方式下葵花生育期氨挥发通量动态变化

图3 漫灌方式下葵花生育期氨挥发通量动态变化

2.2 不同处理对土壤氨挥发累积损失量及损失率的影响

如图4、5所示，各处理下葵花各时期氨挥发累积损失量存在显著差异（P＜0.05）。除第一次追肥后各处理氨挥发量高于基肥时期外，其余追肥时期氨挥发量均低于基肥时期，呈逐渐下降趋势。主要由于第一次追肥时的施氮量显著高于基肥时期，且随着葵花生育期的推进，作物进入现蕾期、开花期，是营养生长和生殖生长并进的时期，作物生长旺盛，吸收氮素较高。基肥试验期间，滴灌下C处理氨挥发损失量最低（3.24 kg/hm2），其次为SR处理（4.61 kg/hm2），均显著低于CK处理（9.06 kg/hm2）（P＜0.05），各处理分别占施氮量的1.31%、1.86%、3.66%，漫灌下累积损失量的顺序也为C＜SR＜CK。同一种施肥处理下，漫灌下的氨挥发损失量均高于膜下滴灌。追肥试验期间，随追肥次数的增加，各处理氨挥发量逐渐降低，与施肥量减少及作物需求量增加都有一定的关系，基本顺序为C＜SR＜CK。滴灌下氨挥发损失率在第一次追肥后C处理最低（2.83%），其次为SR（4.22%）、CK（7.19%），C、SR、CK第二、三次追肥平均损失率分别为0.91%、1.04%、1.54%。漫灌下追肥期间各处理氨挥发损失率大部分比滴灌下高0.13%～1.94%，规律与滴灌基本一致，由此可见生物炭、秸秆还田均可不同程度地使土壤对NH4+-N固定能力得到一定的加强，从而降低氨挥发损失率，提高肥料利用率。

图4 滴灌下葵花各时期氨挥发累积损失量及损失率

图5 漫灌下葵花各时期氨挥发累积损失量及损失率

就葵花整个生育期氨挥发总累积量而言，各处理间差异显著（P＜0.05）。滴灌模式下C处理氨挥发量最低，为14.76 kg/hm2，较CK低57%，各处理氨挥发损失量的顺序为CK（34.46 kg/hm2）＞SR（20.92 kg/hm2）＞C（14.76 kg/hm2）。C 处理下损失率仅为5.97%，SR为8.46%、CK为13.94%。漫灌下各处理氨挥发累积量大小表现出与滴灌相同的变化趋势，同一施肥处理，漫灌下氨挥发累积损失量、损失率均高于滴灌下，分别高4.13～6.61 kg/hm2，1.67%～2.68%。故C、SR处理对降低氨挥发损失均有明显作用，且以滴灌下C处理为最优。2

.3 不同处理下葵花生育期土壤pH值、盐分状况

如图6所示，滴灌下土壤pH值总体均低于漫灌，滴灌范围在8.18～8.89之间，漫灌下为8.30～9.01。各处理土壤pH值基本表现出在施肥灌水后2～3 d升到最高值后逐渐降低的趋势，与氨挥发速率变化基本一致。在整个生育期间，CK处理土壤的pH值均高于其他处理，范围为8.33～9.01，其次为SR、C处理，分别介于8.26～8.85、8.18～8.75之间。

图6 不同灌溉方式下葵花生育期土壤pH值动态变化

对土壤pH值和氨挥发速率的相关性分析表明（表2），不同灌溉方式下，各处理土壤pH值与氨挥发速率均呈正相关性。其中滴灌下SR处理、漫灌下C处理达到极显著水平（P＜0.01），滴灌下C处理、漫灌下CK处理达显著水平（P＜0.05），说明土壤pH直接影响氮肥氨挥发速率，pH值越大，氨挥发损失越高。

表2 土壤pH值与氨挥发速率的相关性

如图7，葵花生育期土壤盐分含量除SR外，C、CK处理滴灌下均低于漫灌。其中滴灌下盐分范围为1.45～3.01 mS/cm，大小顺序为C＜SR＜CK，C、SR较CK分别降低52%、39%。漫灌下范围1.71～3.4 mS/cm，顺序为 SR＜C＜CK，C、SR 较 CK分别降低42%、49%。总体来看，土壤pH值、土壤盐分基本与氨挥发表现一致，即pH值、盐分含量越高，氨挥发损失越高，而生物炭、秸秆还田在滴灌和漫灌下均不同程度降低了土壤pH值和土壤盐分含量，从而对氨挥发产生了明显的延缓和抑制作用。

图7 不同处理下葵花生育期土壤平均盐分

2.4 不同处理对葵花产量的影响

葵花产量如表3所示，同一处理在滴灌下增产率较漫灌有所提高，C处理高12.88%，SR处理高2.02%。不同处理对葵花产量增加效果各异，C处理产量较CK、SR显著增加（P＜0.05），增产率滴灌下为47.18%，漫灌下为34.3%。SR处理葵花产量也有所增加，但与CK差异不显著，与秸秆施入时间较短有一定关系。由此可见，生物炭、秸秆还田可不同程度提高葵花产量，以滴灌下生物炭处理为最优。

表3 不同处理下的葵花产量

2.5 灌溉方式和改良措施对氨挥发和产量的影响

方差分析表明（表4），土壤氨挥发累积损失量、葵花产量均受灌溉方式影响显著（P＜0.05），受改良措施影响极显著（P＜0.01）。灌溉方式与改良措施互作效应对葵花产量的影响达到显著水平，说明产量同时受到灌溉方式和不同改良措施的影响。

表4 灌溉方式、改良措施及其交互作用下氨挥发损失量和产量的方差分析（F值）

3 讨论与结论

3.1 不同灌溉方式对氨挥发损失及产量的影响

氨挥发量的高低受氮肥施用方式、灌溉方式及土壤pH值等多种因素影响［13］。马腾飞［14］认为滴灌下氨挥发损失比漫灌高，可能是由于滴灌后分布在土壤表层的肥料较漫灌多，因而氨挥发增加。本研究结果表明，在同一种改良措施下，膜下滴灌氨挥发速率、损失总量均低于黄河水漫灌，与马腾飞［14］研究结果相反。土壤pH值是影响氮肥氨挥发的重要因素［15］，本研究中同一改良措施pH值漫灌下均高于滴灌，可能是滴灌降低了漫灌溉造成的土壤密实，使土壤保持相对疏松，提高了土壤微生物和根系活力［16-17］，产生CO2较漫灌多，CO2溶于水产生H+从而降低了土壤pH值［18］。而在土壤的反应中，土壤pH值（H+浓度）直接影响反应的平衡，pH值降低可以抑制NH4+向NH3的转化，减少氨挥发损失［19］，故而滴灌下氨挥发低于漫灌。本试验中各处理土壤pH值基本表现出在施肥灌水后2～3 d升到最高值后逐渐降低的趋势，与氨挥发速率变化基本一致。这是由于尿素水解成铵态氮导致土壤pH值升高，当铵态氮浓度积累至一定水平后产生氨挥发，土壤pH值开始下降；另一方面，尿素水解后随之进行的硝化作用也是一个酸化过程。

土壤盐分也是影响氨挥发的原因之一，本研究中漫灌下土壤盐分基本高于滴灌，漫灌每次的灌水量大，造成地下水埋深较浅，蒸发强烈，土壤返盐程度较滴灌高，盐分在根区大量积累，硝化作用受到强烈抑制，导致表层土壤铵态氮累积，从而使氨挥发较滴灌有所增加，与徐万里等［20］的室内模拟试验结果一致。而滴灌方式下滴头处水分不断地下滴下渗，使该处土壤经常保持在较高的湿润度下，滴水一段时间后滴头下的土壤水分接近饱和状态，然后逐渐扩散形成一个半圆锥形的浸润体，土壤中的盐分亦随水移动而被淋洗到浸润体外缘，起到“驱盐”的作用，从而使主要根系层的土壤形成了一个低盐区［21］。所以膜下滴灌土壤盐分含量低于黄河水漫灌。刘春卿等［22］研究也认为滴灌下供水强度较低，土壤孔隙水流速度慢，较漫灌而言，土壤有更平均的盐分浓度，从而减少了盐分胁迫的机会；同时，由于滴灌技术每次灌溉后土壤含水量适中，对地下水的补给减少，易于将作物生育期内的地下水位限制在较低的水平上，从根本上抑制了灌区内土壤水盐的向上扩散与积累，降低了氨挥发损失。

本研究中膜下滴灌的葵花产量较漫灌显著增加，主要由于膜下滴灌分次施氮的方式，使作物对氮的需求在时间和空间上与土壤供氮达到一致水平，显著地降低了氮肥的转化时间和损失的强度，从而提高了肥料利用率。且滴灌由于水分缓慢均匀的浸入土壤中，不受重力影响，对土壤表层破坏较漫灌小，更加有利于作物生长，为葵花产量的增加奠定了基础。

3.2 不同改良措施对氨挥发损失及产量的影响

本研究结果表明，与农民常规施肥相比，生物炭、秸秆还田处理均显著降低了土壤氨挥发速率、氨挥发累积损失量、土壤pH值及盐分含量。近年来，把生物炭用作改良剂来提高土壤氮肥利用率的研究日益增多。本研究中，在两种灌溉方式下，农民常规施肥+生物炭处理均比其他处理的氨挥发损失量低，其中滴灌下C处理氨挥发损失量最小，仅为14.75 kg/hm2，氮肥损失率较CK低57%，漫灌下C处理氨挥发损失量为21.37 kg/hm2，氮肥损失率较CK低44%。这是由于生物炭具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和阳离子交换量，其与植物根系分泌物螯合，表面负电荷增加，对NH4+吸附作用增强［23］，减少了该条件下 NH4+（代换性）↔NH4+（液相）↔NH3（液相）↔NH3（气相）的转化过程，不仅降低了pH值，也使土壤氨挥发显著减少，提高了肥料利用率。另一方面，生物炭能促进硝化作用使NH4+转化为NO3-，有研究认为其原因一是生物炭能够吸附酚类化合物，降低其对硝化过程的抑制作用；二是生物炭表面吸附的氧化物如CaO、MgO、CrO等对NH4+-N和NH3具有氧化作用；三是生物炭的孔隙结构有利于微生物生长，提高土壤硝化微生物的数量和活性［24］。本研究中，生物炭处理显著提高了葵花的产量，可能是因为生物炭的施入可以增加土壤氮素残留，提高土壤总有机碳含量［25］，改善土壤养分供应，提高肥料利用率，从而使作物产量增加，与Li等［26］的研究结果一致。

本研究表明秸秆还田可抑制土壤氨挥发，滴灌下SR处理的氨挥发为20.92 kg/hm2，比CK低39%，漫灌下SR的氨挥发为25.17 kg/hm2，比CK低34%，与生物炭相比，秸秆还田可能主要是促进硝化作用，降低土壤NH4+-N含量，从而降低了氨挥发。另外秸秆还田后增加了土壤有机质含量，而有机质在分解过程中产生大量有机酸，并形成腐殖质，使土壤pH值下降、土壤的吸附能力增强，从而具有显著的抑制氨挥发作用。同时，秸秆还田可充分供应碳源和氮源，促进土壤微生物活动，而微生物在分解秸秆的过程中会转变无机氮成有机氮，这可能是减少挥发的一个原因［27］。再者秸秆还田能提高田间含水量，降低液相的浓度，从而降低氨分压和氨挥发速率［28］。本试验结果中秸秆还田处理对土壤氨挥发的影响与生物炭处理相比略小，且葵花的增产效果不显著，原因可能是试验仅研究了单季作物氨挥发情况，秸秆还田后时间较短，其作用未能短时间显现，至于其后续效果如何，还需进一步观察研究。

方差分析表明，土壤氨挥发、葵花产量受灌溉方式影响显著（P＜0.05），受改良措施影响极显著（P＜0.01），其互作效应对产量影响显著（P＜0.05）。故生物炭和秸秆还田对抑制土壤氨挥发、提高作物产量有极显著效果，灌溉方式次之。综上所述，考虑到短期内秸秆还田处理葵花的增产率较低，且生物炭处理对氨挥发的抑制作用效果更佳，故滴灌下农民常规施肥+生物炭处理是目前较为合理的施肥措施。但本试验仅进行一年，接下来还需进一步明确土壤和作物对生物炭和秸秆还田的响应机制，结合农田实际情况观察后续效果，以期筛选出适合河套灌区的提高氮肥利用率、增强综合环境效应的施肥措施。