化肥有机肥配施对盐渍化土壤氨挥发及玉米产量的影响

2019-07-19史海滨郭珈玮付小军李正中

农业环境科学学报 2019年7期

周慧，史海滨*，徐昭，郭珈玮，付小军，李正中

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古河套灌区解放闸灌域管理局沙壕渠试验站，内蒙古巴彦淖尔015400）

内蒙古河套灌区是我国重要的粮食产区，该灌区现行农业生产实践中施用的氮肥主要是无机化肥，且化肥施用量逐年增加，目前用量已超过60万t·a-1[1-2]。由于过量施用尿素且长期施肥种类单一，导致肥料利用率低且严重威胁生态环境，给当地农业的可持续发展带来了较大的挑战。如何提高肥料利用效率、改善土壤环境和质量是河套灌区亟待解决的科学问题之一。研究表明，有机肥养分元素全面而肥效缓，对环境负面影响较小；无机肥料养分单一而含量高、肥效快，但对环境负面影响大[3-5]；因此，减少无机氮肥用量，提高有机肥比重，采用有机无机肥料配施是解决该问题的主要途径之一。

氮素损失是造成肥料利用率低和一些环境污染的主要原因，而氨挥发又是田间土壤氮素损失的重要途径之一，我国氨挥发损失率达到21%[6-7]。因此，从环境友好的角度可利用田间氨挥发损失量来评价肥料施用模式的优劣。目前，国内外对于有机无机肥配施对氨挥发影响的研究已有很多[8-11]，但大多集中在非盐渍土上，盐分对氨挥发的影响已引起众多学者的关注[12-14]。研究表明，高盐度抑制土壤中硝化作用的进行，导致土壤氨挥发增加[15]，但微生物也可能由于盐分过多而被抑制生长，从而降低肥料水解，减少土壤氨挥发[16]。河套灌区是我国土壤盐渍化发育的典型地区，过量盐分的存在严重影响着土壤的理化特征，从而影响土壤中氮素的转化和损失[17-18]，对于氨挥发损失的影响更为复杂。目前，关于采用有机肥替代部分无机氮肥模式下不同盐渍化农田氨挥发损失的研究还鲜有报道。本文通过田间试验，研究不同盐渍化程度土壤有机无机氮肥用量配施对土壤氨挥发的影响，并以降低氨挥发损失和稳产为依据，以期为河套灌区盐渍化玉米农田肥料管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年4—9月在河套灌区解放闸灌域沙壕渠试验站进行。试验区冬季寒冷少雪、夏季高温炎热，属于典型的温带大陆性季风气候，多年平均气温达到7.7℃，无霜期为135～150 d，大于10℃的年积温为3551℃，年平均日照时数3200 h，年冻融期在180 d左右。阳光充足，全年太阳总辐射约为6000 MJ·m-2，热量充足，具有非常优越的农业发展条件。试验田属硫酸盐-氯化物型盐土，0～20 cm土层为粉壤土，20～40 cm为粉质黏壤土，40～60 cm为粉壤土，60～100 cm为砂壤土。播种前轻、中度盐渍化土壤0～40 cm平均电导率分别为0.382 dS·m-1和1.254 dS·m-1。试验区耕层初始土壤性质详见表1。

1.2 试验设计

供试玉米品种为内单314，播种日期为2018年4月27日，收获日期为9月13日。参考李祯等[19]优化畦灌灌水定额750 m3·hm-2作为灌水量，优化施氮量240 kg·hm-2为施氮总量，分别在轻、中度盐渍化农田上设置1个空白对照处理和5个施肥处理，分别为单施化肥、3/4氮由化肥提供+1/4氮由有机肥提供、1/2氮由化肥提供+1/2氮由有机肥提供、1/4氮由化肥提供+3/4氮由有机肥提供、单施有机肥，依次记为CK和U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1，具体施肥设计见表2，施氮量为换算后的纯氮素量。试验共12个处理，3次重复，共36个小区，各小区长、宽分别为6 m和5 m，所施基肥和追肥深度均约5 cm。各小区间设有1 m宽的隔离带并搭起15 cm高田埂。所施无机肥为尿素（含氮46%），有机肥为宁夏贝特肥业有限公司生产的金临门有机肥料（含N 10%、P2O51%、K2O 1%、有机质≥45%、腐植酸≥17%、S≥8%），有机肥和磷肥（过磷酸钙50 kg·hm-2）于耕作前作为基肥一次性施用，氮肥按1∶1比例分别于玉米播种期和拔节期灌水时施入。

表1 试验区土壤基本性状Table 1 Basic properties of tested soils

表2 试验处理设计Table 2 The design of experimental treatments

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤氨挥发测定

试验采用通气法[20]。由聚氯乙烯硬质塑料管制成高10 cm、内径15 cm的通气法装置，将2块厚度为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 H3PO4+40 mL C3H8O3，定容至1000 mL）后，置于装置中，下层的海绵距管底5 cm，上层的海绵与管顶部相平，将装置插入土中1 cm深处。在各装置顶部20 cm处支撑起1个遮雨顶盖以防止降雨对装置的影响。

在各小区的对角线上分别安置3个氨捕获装置，于施肥当日开始捕获氨的挥发，次日早晨8：00取样。取样时将下层海绵迅速取出并装入有对应编号的自封袋中，密封，同时换上刚刚浸润过的另1块海绵，上层海绵视其干湿状况每隔2～4 d更换1次。将取出的海绵剪碎后装入500 mL塑料瓶，并加入300 mL 1.0 mol·L-1的KCl溶液，将海绵完全浸润于其中后振荡1 h，采用连续流动分析仪（Aquakem 250）测定浸取液中的铵态氮含量。施肥后的最初1周，每日取1次样，之后视监测到氨挥发的量每隔2～5 d取1次样，直至监测不到为止。

土壤氨挥发速率计算公式：

式中：V为氨挥发速率，kg·hm-2·d-1；M为通气法单个装置平均每次测得的NH3-N，mg；A为捕获装置的横截面积，m2；D为每次连续捕获的时间，d。

1.3.2 土壤盐分测定

土壤样品在氨挥发测定期间于各氨收集装置处用土钻每隔5 d进行1次采样，电导率采用电导率仪测定土水比1∶5浸提液。

1.4 数据统计分析

采用SPSS 22.0与Excel 2016进行数据分析及图表绘制，用LSD法进行多重比较确定差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 肥料配施对土壤电导率的影响

分析氨挥发测定期间土壤电导率均值（图1）发现，土壤盐渍化程度与有机无机肥料配施均对土壤电导率有显著影响。在氨挥发测定期间，轻度和中度盐渍化土壤电导率分别达到0.45～0.68 dS·m-1和1.04～1.40 dS·m-1。同一盐渍化程度土壤电导率随有机肥施入比例的增大呈现出先降后升的趋势，不同程度盐渍化土壤电导率均表现为 U1＞O1＞U3O1＞U1O3＞U1O1＞CK。轻度和中度盐渍土条件下不同肥料配施土壤电导率较CK分别高出24.8%～51.5%和10.30%～35.02%。

2.2 不同盐渍化土壤肥料配施对土壤氨挥发速率的影响

由图2A可知，施入基肥后，轻度盐渍化土壤各肥料配施处理氨挥发速率变化范围为0.081～1.642 kg·hm-2·d-1，不同处理氨挥发速率动态变化趋势有所不同，U1和U3O1处理在第2 d出现峰值，分别为1.642 kg·hm-2·d-1和1.307 kg·hm-2·d-1，均呈单峰变化趋势，U1O1和U1O3均在第2 d和第4 d出现峰值，呈双峰变化趋势，O1处理在施肥后第1 d即出现峰值，为1.519 kg·hm-2·d-1，随后逐渐下降进入低挥发阶段。中度盐渍化土壤不同有机无机氮肥配施氨挥发速率变化范围为0.077～1.855 kg·hm-2·d-1（图2C），其氨挥发速率变化趋势与轻度盐渍化土壤基本一致。

图1 不同施肥处理下轻度和中度盐渍化土壤的电导率Figure 1 Electrical conductivity in mild and moderate saline soils under different nitrogen treatments

图2 不同施肥处理下轻度和中度盐渍化土壤氨挥发速率Figure 2 Soil ammonia volatilization rate in mild and moderate saline soils under different nitrogen treatments

追肥后，不同肥料配施处理氨高挥发期较施入基肥后明显延长，轻度盐渍化土壤不同肥料配施氨挥发速率变化范围为 0.032～1.952 kg·hm-2·d-1，氨挥发强度较施入基肥后明显提高，各处理氨挥发速率均呈单峰变化趋势，且在追肥后第2 d出现峰值（图2B）。中度盐渍化土壤不同有机无机氮肥配施氨挥发速率变化范围为0.030～2.143 kg·hm-2·d-1，除O1处理氨挥发速率于第3 d出现峰值外，其余各处理均于第2 d出现峰值，随后逐渐进入低挥发阶段（图2D）。

同一处理中度盐渍化土壤氨挥发速率均大于轻度盐渍化土壤，施入基肥和追肥后中度盐渍化土壤氨挥发速率较轻度盐渍化土壤分别高出9.09%～19.22%和2.22%～35.27%，高盐度明显促进了土壤氨挥发。

2.3 不同盐渍化土壤肥料配施对氨挥发累积量的影响

不同程度盐渍化土壤有机无机氮肥配施对土壤氨挥发累积量影响各异（表3）。轻度盐渍化土壤不同肥料配施处理氨挥发总量为12.80～16.05 kg·hm-2，U1处理氨挥发总量显著高于其他处理，O1与U3O1处理之间无显著差异，但均显著高于U1O3处理，U1O1处理氨挥发总量最少，显著低于其余施肥处理，氨挥发损失量为U1处理的79.77%。中度盐渍化土壤不同有机无机氮肥配施处理氨挥发损失量为14.14～17.84 kg·hm-2，U1处理氨挥发总量最大，显著高于其余处理，其次为U1O3处理，O1与U3O1处理之间无显著差异，但均显著高于U1O1处理，U1O1处理氨挥发总量为U1处理的79.28%。研究发现，同一处理中度盐渍化土壤氨挥发累积量均显著高于轻度盐渍化土壤，中度盐渍化土壤 U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1处理氨挥发总量较轻度盐渍化土壤分别高出11.16%、8.31%、10.47%、16.47%、6.82%。

表3 不同施肥处理下轻度和中度盐渍化土壤上氨挥发累积量及损失率Table 3 Cumulative ammonia volatilization and loss rate in mild and moderate saline soils under different nitrogen treatments

不同程度盐渍化土壤肥料配施处理氨挥发损失率表现不一。轻度盐渍化土壤O1与U3O1处理氨挥发损失率无显著差异，其余处理间均呈显著差异（P＜0.05），U1处理氨挥发损失占施氮量比例最大，为5.20%，U1O1氨挥发损失率最少，为3.85%；中度盐渍化土壤各处理氨挥发损失率均呈现出显著性差异，U1处理氨挥发损失率最大为5.59%，其后依次是U1O3、U3O1、O1处理，U1O1处理最低，为4.04%。

2.4 肥料配施与土壤盐分对氨挥发累积量的影响

通过回归分析得到了土壤氨挥发在有机肥施入比例与土壤盐分交互作用下的二元二次非线性回归模型（表4），其中Y为氨挥发总量（kg），X1为有机肥施入比例（百分比），X2为土壤盐分（dS·m-1）。通过显著性分析得知，土壤氨挥发总量回归模型的显著水平小于0.05，获得了较好的拟合度。

表4 土壤氨挥发累积量在有机肥施入比例与土壤盐分作用下的回归模型Table 4 Regression model of cumulative ammonia volatilization under the effect of organic fertilizer application ratio and soil salt

通过分析回归方程各系数可知，在本研究条件下，适当增加有机肥施入比例可以降低土壤氨挥发损失，而土壤盐分增大会使氨挥发损失量增加，增施有机肥和土壤盐分之间会产生共同降低氨挥发损失的效应。因此，适当降低化肥施入比例，增加有机肥施入比例可以降低土壤氨挥发损失。

2.5 肥料配施对盐渍化土壤玉米产量的影响

从表5可以看出，轻度和中度盐渍化土壤不同有机无机氮肥配施对玉米产量和增产率影响各异。同一处理轻度盐渍化土壤玉米产量均显著高于中度盐渍化土壤，各肥料配施处理下产量增加30.94%～61.75%。轻度盐渍化土壤，各肥料配施处理玉米产量增幅为31.84%～54.52%，U1O1处理玉米产量最高，与U1O3处理之间无显著差异，但较U1、U3O1、O1处理显著增加。而中度盐渍化土壤各肥料配施处理玉米产量增幅为10.08%～43.62%，O1处理玉米产量最大，与U1O3处理之间没有显著差异，但该2个处理均显著高于其余处理。

3 讨论

本研究结果表明，纯无机肥氨挥发损失量最大，肥料配施能有效降低氨挥发损失。在轻度和中度盐渍化土壤上，有机无机氮肥各半配施氨挥发损失较单施尿素分别降低20.25%和20.74%，而单施有机肥并不能有效抑制土壤氨挥发。究其原因，主要是由于尿素和有机肥所发生的反应不同，在土壤脲酶的作用下尿素被水解成NH4HCO3，随后迅速转化为NH+4-N，为氨挥发提供了充足的底物，使纯无机肥处理氨挥发速率高于其他处理[21]。而有机肥中的有机质在分解过程中大量有机酸被释放，同时形成腐殖质，抑制了尿素水解过程中土壤酸碱度的升高，从而显著抑制土壤氨挥发[22]，且有机肥配施氮肥能够促进土壤微生物活动，将土壤无机氮固定在有机氮库中，减少了产生氨的无机氮量，进而降低氨挥发损失[23]，而在等氮量条件下单施有机肥，各形态有机氮经过矿化作用转化为NH+4-N，NH+4-N除被作物吸收利用和土壤吸附外，剩余部分大多以氨形态挥发[24]，因此并不能有效降低氨挥发损失。

表5 不同施肥处理对轻度和中度盐渍化土壤上玉米籽粒产量及增产率的影响Table 5 The influence of different nitrogen treatments on grain yield of maize and rate of grain increase

罗健航等[25]研究发现，施入基肥后氨挥发速率峰值出现时间为1～4 d，追肥后峰值时间为1～2 d。而本研究表明各施肥处理氨挥发速率在施入基肥和追肥后均迅速达到峰值。这可能是由于本试验在施入基肥后土壤有较好的墒情，土壤耕层含水率为18.35%，促使氮肥能较快被水解，导致耕层土壤内铵态氮含量升高，为氨挥发提供了充足的物质条件。追肥后土壤氨挥发损失量显著高于施入基肥后，这是由于在灌水追肥后土壤耕层含水率迅速升高至24.5%，且此时温度较施入基肥时的12.6℃增加为21.4℃，脲酶活性增强[26]，促使氨挥发损失速率较施入基肥后增加，导致在追肥后氨挥发量较施入基肥后明显增加。

梁飞等[27]研究表明，土壤氨挥发随着土壤含盐量的增加而加剧，但土壤含盐量对氨挥发累积量的影响符合“S”型增长模式，即随着盐含量增加到某一范围以后，氨挥发速率开始增长缓慢甚至保持不变。本研究结果发现，当土壤电导率在0.45～1.40 dS·m-1范围之内时，高盐分会促进土壤氨挥发损失，同一处理下中度盐渍化土壤氨挥发损失量明显高于轻度盐渍化土壤，这与Mcelung等[28]研究结果一致。这是因为适当盐分促进土壤氨态氮的硝化，使土壤氮素的硝化速率加快，降低土壤中氨态氮含量从而减少氨挥发损失[29]。随着土壤盐分增加，土壤中硝化细菌逐渐受到抑制，氨态氮累积量增加导致氨挥发损失量增加[27]。本研究表明，土壤电导率随着有机肥施用量的增加呈现出先降后升的趋势，这可能是因为适当的增加有机肥配施比例改善了土壤理化性状，毛管作用降低，溶于水中的盐分也不易随水蒸发至耕层土壤，但有机肥施用量过多时，其中含有的许多作物难以吸收利用的钙、钠、镁、氯等离子将会在土壤中累积，从而导致土壤盐分增加[30]，因此，不论无机肥还是有机肥，施入量过多均会导致土壤盐分增加。适度的采用有机氮肥替代无机氮肥相比纯施无机氮可显著降低土壤盐分含量，这间接降低了土壤盐分对氨挥发的促进作用。可见，在盐渍化土壤上，采用适度的有机肥替代无机化肥相比非盐渍化土壤更加能够降低氨挥发损失，优势更加明显。

在本研究条件下，轻度盐渍化土壤有机无机肥料各半配施较单施化肥增产率最高，其原因可以归结为化肥与有机肥配施可以调控土壤氮素的固持和释放，协调土壤氮素供应[31-33]，从而提高作物产量。谢军等[34]研究表明有机氮肥替代50%化肥氮肥能够明显增加玉米的产量，这与本研究结果相似。中度盐渍化土壤表现出有机肥施入比例越大玉米产量越高的趋势，这可能是因为中度盐渍化土壤需要施入较多有机肥来改善土壤通气不良的状况，以利于作物和土壤微生物呼吸[35]，且在作物生长前期，高盐度会抑制作物的生长发育，本研究土壤初始肥力以及有机肥经矿化过程释放的养分可以满足作物所需，而在作物生长后期，有机肥相较于尿素肥效持久的优势显现[5]，利于作物增产。