不同施氮水平对库尔勒香梨园土壤氨挥发损失的影响

王 成，陈波浪，2，玉素甫江·玉素音，2，王前登，柴仲平，2*，张 渔

（1．新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2．新疆土壤与植物生态过程实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

氮素是植物生长发育过程中重要的营养元素，但在土壤中含量较低，供植物生长利用的速效氮更低。施用氮肥能促进农业生产，但随其施用量增加，也带来了许多负面影响。氮肥的不合理施用会出现两种负面结果，一是氮肥施用量低于最高产量施氮量或经济最佳施氮量，造成作物减产，二是氮肥施用量高于最高产量施氮量或经济最佳施氮量，致使作物产量下降或不再增加［1］。农户为了追求作物高产以获得更高的经济效益，常会过量施肥。研究表明，氮肥在土壤中约有35%会被作物吸收利用，13%残留于土壤中，52%会以各种途径损失［2-3］。氨挥发是土壤氮素损失的重要途径，也是造成氮肥利用率低的重要原因之一［4-5］。据统计，全球通过氨挥发途径损失进入大气中的量约占施入农田土壤氮肥量的1%～47%［6］。挥发的氨进入大气后，可通过干沉降或降雨等途径重新进入到自然生态系统和农田中，从而造成土壤和水体氮素富营养化、土壤酸化等许多环境生态问题［7］。同时氨也会在大气中转化为氮氧化物等温室气体，造成空气质量恶化［8］。大量研究表明，我国果园肥料用量在逐年增加，果园施氮量已达到了400～600 kg·hm-2，比国外果园施氮量高出250～450 kg·hm-2［9-10］。但在果园中被果实带走的氮量却不足施入土壤中氮量的20%［11］。因此，无论是从农业生产效益还是从生态环境效益考虑，降低农田土壤的氨挥发损失都具有重要意义［12］。库尔勒香梨是新疆的特色优势林果产业，栽培历史超过1 400年，栽培面积已形成相当大的规模，但其单位面积产量和效益与国内外相比还具有很大的差距［13-15］，存在田间管理粗放、施肥量和施肥方式不合理等现象。研究表明，施用氮肥对果树树体生物干物质、养分累积和产量形成具有决定性作用［16］，但氮肥施用过量或不足又会造成果树果实产量和品质下降等问题的出现，还会间接带来生态环境风险［17-18］。因此，本研究以新疆库尔勒香梨园为研究对象，原位研究了不同施肥处理对香梨园土壤氨挥发的影响，旨在掌握香梨园土壤氨挥发损失规律，以期为确定适宜的施氮量，减少氨挥发损失，提高氮肥利用率和降低果园生态环境风险提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于新疆维吾尔自治区库尔勒市境内的恰尔巴格乡下和什巴格村5队（41°48′21″N、86°04′22″E），地处塔里木盆地东北边缘的孔雀河洪积平原上，海拔918.7 m；属暖温带大陆性干旱气候，年均日照时数为2 890 h，无霜期170～ 225 d，年平均气温 10.5～ 11.8 ℃，年平均积温4 278 ℃（≥10℃），年降水量50～ 55 mm，年最大蒸发量为2 700 mm。年均相对湿度45.0%～50.3%，干燥度39.6～63.3。主导风向为东北风，供试土壤为黄潮土，肥力中等。土壤基本理化性质为pH值7.9，有机质含量21.56 g·kg-1，碱解氮 46.22 mg·kg-1，有效磷 14.41 mg·kg-1，速效钾 169 mg·kg-1。

1.2 研究材料与试验设计

选择肥力中等且具有代表性的库尔勒香梨园1个。以杜梨（Pyrus betulifolia Bge.）为嫁接砧木，树龄为6年的库尔勒香梨树为试材。田间栽植株行距5 m×6 m，栽植密度450株·hm-2。试验选取长势良好，枝条数、枝条粗度和主干粗度均相对一致，结果正常的香梨树挂牌标记。在香梨整个生育期进行不同梯度氮肥用量的施肥试验。设置不施肥（N0P0K0）、不施氮（N0PK）、低氮量（N1PK）、中氮量（N2PK）和高氮量（N3PK）5个处理，每个处理各选取6棵香梨树，3次重复，随机排列，试验区面积 2 400 m2。供试肥料为尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O546%）和硫酸钾（K2O 51%）。具体设计见表1。在2017年4月1日，各处理尿素施用量的60%进行基施，在6月1日，尿素施用量的40%进行追施（N0P0K0和N0PK处理除外），磷肥和钾肥在4月1日一次性全部施入（N0P0K0处理除外），施肥方式采用沟施。灌溉采用漫灌，在4～8月的每月 10日进行，每次灌水量3 000 m3·hm-2，共计 5 次，灌水定额 15 000 m3·hm-2。其他田间管理与当地常规管理相同。

表1 不同氮肥施用量的试验方案

1.3 土壤挥发氨的收集与测定

采用密闭式集气法对氨挥发进行田间原位测定（图1）。采集装置呈圆柱状，内径16 cm，高40 cm，由聚氯乙烯硬质塑料管制成。内部放入一个容积为50 mL的蒸发皿，加入2%的硼酸溶液20 mL，用铁丝支架将蒸发皿架起，使其与地面保持15 cm。顶部再罩一密封的硬质塑料管盖，盖紧密封。确保形成一个完全密闭的空间，来吸收由地表挥发的氨［19］。

图1 土壤挥发氨气采集示意图

香梨整个生育期内对5个不同的氮素处理都需进行土壤挥发氨的收集，在试验小区内，与单株树体施肥的位置相隔10～20 cm处，各放置3个收集装置，分别于4～9月的5日、15日、25日的上午（08：00 ～ 12：00），中午（12：00 ～ 16：00），下 午（16：00 ～ 20：00）， 晚 上（20：00 ～ 08：00）对样品进行收集。收集时将蒸发皿里吸收一段时间气态氨的硼酸全部倒入125 mL塑料瓶中，再用蒸馏水将蒸发皿润洗3遍并将润洗液一并倒入塑料瓶。密封塑料瓶，带回实验室测定。

测定时用［H+］浓度为 0.005 mol·L-1的硫酸溶液进行滴定。

式中：M为密闭法单个装置平均每次测的氨量（NH3-N，mg）；A为捕获装置的截面积（m2）；D为每次连续捕获的时间（d）［19］。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据分析，SPSS 17.0做方差分析与多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对氨挥发速率的影响

由图2可知，在一天24 h中，不同施肥处理的氨挥发速率变化基本一致，从晚上（20：00～08：00）至下午（16：00～ 20：00）均呈现逐渐增大的趋势，在下午达到最大。主要是因为晚上至下午温度不断升高，使NH3在土壤溶液中溶解性减小，扩散速率增大，促使氨挥发速率不断增大。在4月和6月，施氮处理（N1PK、N2PK和N3PK）的氨挥发速率与其他月份（5、7、8、9月）相比均明显增大，不施氮处理（N0P0K0和N0PK）无明显变化。是因为在4月和6月对试验区进行施基肥和追肥，向土壤中增施氮肥促进了氨挥发，增大了氨挥发速率。各施氮处理的氨挥发速率，在5、7、8月的15日相比于5日和25日略有增加。是由于4～8月的每月10日试验区进行了灌水，增加了土壤含水量，增强了土壤微生物活性，有利于有机氮的矿化，进而使氨挥发速率加快。

图2 不同施肥处理的土壤氨挥发速率

在香梨整个年生育周期（4～9月）的晚上（20：00～08：00），不同施肥处理间氨挥发速率差异不明显，变化范围为 0.003 ～ 0.009 kg·hm-2·h-1。而在白天（08：00～20：00），施氮处理和不施氮处理的氨挥发速率存在明显差异，施氮处理的氨挥发速率明显大于不施氮处理，尤其在4月5日下午，差异极明显，变化范围为0.013～0.038 kg·hm-2·h-1。白天，N3PK处理的氨挥发速率明显高于其他施氮处理，N2PK处理的氨挥发速率略高于N1PK处理，但差异不明显。施氮处理氨挥发速率表现为：N3PK＞N2PK＞N1PK。表明施用氮肥能促进土壤中氨的挥发，氨挥发速率随着施氮量的增加而增加。但随着香梨生育期的推进，距离基施肥和追施肥日期越来越远，氨挥发速率受施肥的影响也越来越小，到成熟期的8～9月，不同处理的氨挥发速率已无明显差异。

2.2 不同施肥处理对氨挥发日累积量的影响

由图3可知，随着生育期的推进，在夜间，不同施肥处理的氨挥发累积量差异不明显，整体变化范围为 0.04 ～ 0.11 kg·hm-2·d-1。不施氮处理的氨挥发累积量呈逐渐降低的趋势，施氮处理的氨挥发累积量呈现有波动式上升和下降趋势，波动上升的主要原因是分别在4月1日和6月1日对试验地进行施基肥和施追肥，施氮肥能促进土壤氨的挥发，增加氨挥发累积量，从而导致在4月5日和6月5日的夜间，施氮处理氨挥发累积量明显大于不施氮处理。在白天，不施氮处理和施氮处理的氨挥发累积量差异明显，施氮处理氨挥发累积量明显大于不施氮处理氨挥发累积量。不施氮处理的氨挥发累积量呈逐渐降低的趋势，变化范围为0.06～0.15 kg·hm-2·d-1。施氮处理的氨挥发累积量呈现有波动式上升和下降趋势，变化范围为0.07～0.38 kg·hm-2·d-1。波动上升的主要原因与夜间上升原因相同。白天施氮处理间的氨挥发累积量差异明显，不施氮处理间无明显差异。施氮处理间氨挥发累积量表现为：N3PK＞N2PK＞N1PK。在年生育期内，N0P0K0、N0PK、N1PK、N2PK、N3PK处理白天的氨挥发累积量与夜间的氨挥发累积量相比：白天＞夜间，其白天的氨挥发累积量比夜间的氨挥发累积量分别多增加了89.39%、91.40%、125.37%、132.38%、155.49%。这主要是由于白天温度较高，增加了土壤微生物和脲酶的活性，有利于土壤中的NH4+转化成为NH3，使氨挥发日累积量增加。

随着时间的推移，在全天不同施肥处理的氨挥发日累积量整体变化趋势与白天相同。不同施肥处理间的氨挥发日累积量表现为N3PK＞N2PK＞N1PK＞N0PK＞N0P0K0，变化范围为 0.10 ～ 0.49 kg·hm-2·d-1。施氮处理和不施氮处理的氨挥发日累积量存在明显差异，施氮处理氨挥发日累积量显著大于不施氮处理氨挥发日累积量。N3PK处理明显高于其他各处理，N1PK和N2PK处理间、N0PK和N0P0K0间差异不明显。在4月5日，N1PK、N2PK、N3PK处 理 均 达 到 峰 值（0.38、0.41、0.49 kg·hm-2·d-1），在6月5日出现次峰值（0.29、0.32、0.40 kg·hm-2·d-1）。是由于4月 1日和 6月 1日对试验地进行施基肥和施追肥所引起。但由于基施肥用量（总施氮量的60%）大于追施肥用量（总施氮量的40%），所以4月5日出现的日累积峰值均大于6月5日出现的日累积峰值。各施氮处理的氨挥发日累积量，在5、7、8月的15日相比于5日和25日略有增加。是由于4～8月的每月10日试验区进行了灌水，增加了土壤含水量，促进氨的挥发，使氨挥发日累积量也有所增加。

图3 不同施肥处理的土壤氨挥发日累积量

2.3 不同施肥处理对氨挥发年生育期累积量及净损失率的影响

由图4可知，不同施肥处理的氨挥发年生育期累积量随着施氮量的增加呈逐渐增加的趋势。不同施肥处理的氨挥发年生育期累积量表现为：N0P0K0＜N0PK＜N1PK＜N2PK＜N3PK。 施 氮 处 理和不施氮处理的氨挥发年生育期累积量差异显著。施氮处理的氨挥发年生育期累积量显著高于不施氮处理。N3PK处理氨挥发年生育期累积量显著高于其他各处理，N1PK、N2PK处理间氨挥发生育期累积量差异不显著。同时由表2可知，N0P0K0、N0PK、N1PK、N2PK、N3PK处理氨挥发年生育期累积量分别为27.89、28.22、34.94、36.38、44.42 kg·hm-2·年-1。各处理库尔勒香梨产量为692.38～ 6 213.50 kg·hm-2，N2PK、N3PK处 理的库尔勒香梨产量显著大于其他各处理。与N0PK处理相比，N1PK、N2PK、N3PK处理的库尔勒香梨产量分别增产279.64%、609.07%、568.94%。N2PK处理的库尔勒香梨产量分别比N1PK处理和N3PK处理增产86.77%和6.00%。当施氮量为150、300、450 kg·hm-2时，氨挥发净损失率分别为4.48%、2.72%、3.60%。表明在年生育周期内，库尔勒香梨园土壤氨挥发净损失率随着施氮量的增加呈现出先减小后增大的趋势，氨挥发损失率在施氮量为300 kg·hm-2时最低。

图4 不同施肥处理的土壤氨挥发年生育期累积量

表2 不同施肥处理的氨挥发净损失率

3 讨论

3.1 温度对氨挥发速率及累积量的影响

温度通过影响土壤微生物和酶的活性，控制NH4+向NH3的转化，从而对氨挥发速率及累积量产生影响。葛顺峰等［21］研究表明，温度能影响氨挥发速率，氨挥发速率与温度呈正相关关系。张玉铭等［22］研究结果表明，夏玉米追肥后氨挥发损失主要发生在白天，高峰发生在14：00左右。李宗新等［23］研究发现，在7：00前和18：00后，夏玉米田间氨挥发速率很低，氨挥发高峰多出现在11：00～13：00，氨挥发损失主要发生在白天。本试验中，不同处理的氨挥发速率变化与温度变化一致，氨挥发速率从晚上至下午逐渐增大，氨挥发高峰出现在下午，与前人研究结果基本一致。主要是由于白天阳光持续照射，使得上午至下午温度不断增加，温度升高会减弱土壤胶体对NH4+的吸附能力，使土壤溶液中NH4+浓度上升，促进NH4+向NH3的转化，使氨挥发速率增加［24］。王旭刚等［25］研究发现，小麦夜间的氨挥发损失小于白天相同处理的氨挥发损失。本试验研究结果表明，不同处理白天氨挥发累积量均大于夜间氨挥发累积量，主要是由于本试验区地处新疆南部，昼夜温差大，白天温度较高，氨的扩散速率较快，提高了氨挥发速率及累积量，而夜间温度较低，土壤微生物和酶活性较弱，使氨挥发速率及累积量降低。

3.2 灌水对氨挥发速率及累积量的影响

土壤水分含量对氨挥发影响较大。杨晓云等［26］认为，尿素在较高的土壤含水量下会与土壤充分接触，使得尿素形态转化加快，同时还会阻碍空气进入土壤，抑制氨氧化过程的发生，增加NH4+-N（液相）所占氮素的形态比，从而促进氨挥发。卢丽兰等［27］研究发现，灌水后，尿素迅速水解，使土壤NH4+-N含量增加，为氨挥发过程提供了充足的先决条件，促进了氨挥发。本试验中，在4～8月每月10日对试验区进行灌水，结果表明在5、7、8月的每月15日，不同处理氨挥发速率及累积量均大于5、7、8月的每月5日的氨挥发速率及累积量，灌水增加了土壤水分含量，提高了土壤微生物和脲酶的活性，增强了土壤矿化和硝化作用，使土壤中NH4+浓度升高，氨逸出量增加，这与一些学者研究结果一致［6，21］。张玉铭等［22］研究发现，在小麦追肥时，表面撒施肥料后立即灌溉，其效果类似于肥料深施，表层土壤的浓度

明显降低，抑制了氨挥发。本试验在4月和6月的每月15日，施氮处理的氨挥发速率及累积量与4月和6月的每月5日相比，并没有因4月和6月的每月10日的灌水而增加，可能是由于4月1日和6月1日对香梨园施基肥和施追肥，4月和6月的每月15日相比5、7、8月的每月15日，距离施肥时间较近，土壤中氮素盈余较多，使得土壤氨挥发受氮素影响较大，灌水虽能对土壤氨挥发产生一定影响，但作用小于施氮素对土壤氨挥发的影响，水分效应被其肥料效应所掩盖。

3.3 施氮对氨挥发速率及累积量的影响

尿素施入土壤后，会在土壤微生物和脲酶作用下水解生成NH4+-N，使土壤NH4+-N浓度升高，易于氨挥发形式损失。本试验研究结果表明，在施肥后的第4 d（4月5日和6月5日），施氮处理氨挥发速率及日累积量明显增加，之后又逐渐降低，表明在土壤中施入尿素，短时间内能增加氨挥发速率及日累积量，这与邓美华［28］研究结果一致。本试验中，施氮处理在基肥时的氨挥发速率及日累积量明显大于追肥时的氨挥发速率及日累积量，且氨挥发主要集中于基肥期，与杨淑莉等［29］研究结果一致。李鑫等［30］研究结果表明，所有施肥处理氨挥发均大于CK处理，施用氮肥能明显促进氨挥发，本试验研究结果与此一致。区惠平等［31］研究还发现，在稻田土壤中氨挥发的损失随着施氮量的增加而增加。本试验发现，施氮处理的氨挥发速率及累积量表现均为N1PK＜N2PK＜N3PK，氨挥发速率及日累积量都随施氮量的增加而增加，这与前人研究结果一致。本试验中，各处理氨挥发年累积量达到27.89 ～ 44.42 kg·hm-2·年-1。N3PK 处理的氨挥发年生育期累积量明显高于其他各处理的氨挥发年生育期累积量，氨挥发年生育期累积量随着施氮量的增加而增加，与杨淑莉等［29］、陈刚等［32］研究结果一致。

3.4 施氮对氨挥发净损失率及产量的影响

氨挥发是土壤氮素损失的重要途径，施肥处理中土壤氨挥发的主要来源是土壤残留的氮素和施入的氮素［19］。氨挥发净损失量可由施肥处理的氨挥发损失量与不施肥处理的氨挥发损失量的差值来估算［33］。李宗新等［23］研究发现，秸秆还田配施化肥的氨挥发净损失量会随着氮肥量增加而增大，但氨挥发损失率减小。苏成国［34］研究发现，在太湖地区稻田和麦田中，稻田中尿素的氨挥发损失率达到6.10%～20.65%，麦田中尿素的氨挥发损失率为3.06%～6.44%，施氮量与氨挥发损失率没有明显相关性，氨挥发损失率并不一定随施氮量增高而增加。本试验研究结果表明，氨挥发损失率没有随着施氮量的增加持续增加，而是随着施氮量的增加呈现出先减小后增大的趋势，这与前人研究结果类似。葛顺峰等［21］在化肥和有机肥配施的苹果园中发现，土壤氨挥发损失率为2.29%～3.46%，单施化肥处理的氨挥发损失率高于各有机肥和化肥配施处理，在50%N+50%Y处理下（化肥和有机肥各提供50%纯氮）土壤氨挥发损失率最低。本试验施氮量在150～450 kg·hm-2之间时，氨挥发损失率为2.72%～4.48%，氨挥发损失率略高于前人研究结果，主要是由于本试验施氮处理氮肥均为化肥尿素，因此氨挥发损失率较高。夏文建等［35］认为，氮肥施用过量，不仅不会使作物增产反而还会带来氮肥损失风险，与不施氮处理相比，小麦季和水稻季的优化施氮处理（N 157.5 kg·hm-2，分3次施用）分别能增产108.8%和18.3%。山楠等［36］研究结果也表明，N3 处理（N 150 kg·hm-2）小麦产量高于其他各处理，且氨挥发损失率低于其他各处理，同时通过产量曲线发现，小麦达到最高产量5 225.7 kg·hm-2时，施肥量为 216.9 kg·hm-2，但过量施肥会使产量降低同时增加氨挥发损失量。本试验研究结果表明，施氮量在0～450 kg·hm-2之间，随着施氮量的增加，库尔勒香梨产量会先增加再减小，施氮量在150～450 kg·hm-2之间，氨挥发净损失率会先减小再增加，施氮量为300 kg·hm-2时，库尔勒香梨产量达到最大，为6 213.50 kg·hm-2，土壤氨挥发净损失率达到最小，为2.72%，表明过量施肥不仅不会增加库尔勒香梨产量，还会增大土壤氨挥发净损失率，与前人研究结果基本一致。综上所述，库尔勒香梨园土壤中的氨挥发受温度、施氮量、灌水等诸多因素影响，且这些因素之间还存在着交互作用，其作用机理还亟待进一步研究。

4 结论

不同处理的氨挥发速率均表现为晚上＜上午＜中午＜下午。不同处理白天的氨挥发累积量均大于夜间的氨挥发累积量。施氮量为450 kg·hm-2时，白天的氨挥发速率及累积量最大，明显高于其他各处理，在4月5日，其氨挥发速率及日累积量均达到最大，分别为0.04 kg·hm-2·h-1（下午）、0.49 kg·hm-2·d-1。由于4～8月的每月10日灌水，在5、7、8每月15日，不同处理氨挥发速率及累积量均有所增加。N0P0K0、N0PK、N1PK、N2PK、N3PK氨挥发年生育期累积量分别为27.89、28.22、34.94、36.38、44.42 kg·hm-2· 年-1。 施 氮 量 为150、300、450 kg·hm-2时，氨挥发净损失率分别为4.48%、2.72%、3.60%，库尔勒香梨产量分别为3 326.77、6 213.50、5 861.82 kg·hm-2。在施氮量300 kg·hm-2时库尔勒香梨产量最高和氨挥发净损失率最小。故综合生产效益和环境效益，推荐库尔勒香梨园氮肥施用量300 kg·hm-2为最佳。