施氮量对库尔勒香梨园氨挥发和氧化亚氮排放的影响

2019-11-22陈波浪玉素甫江玉素音王前登柴仲平

干旱地区农业研究 2019年5期

王成，陈波浪,2，玉素甫江·玉素音,2，王前登，柴仲平,2

(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)

据统计，2016年我国氮肥施用量已达到2.31×107t，是世界上主要的氮肥消费国[1]。在现阶段农户的管理水平下，我国氮肥损失率高达40%～50%，减少氮肥损失、提高氮肥有效率,仍然是我国今后农业生产中需要解决的问题[2]。施入农田土壤中的氮素一部分会被作物吸收利用，而其余部分则会随水下渗至土层深处或以氨、氧化亚氮、一氧化氮等气态形式进入大气，造成氮肥资源浪费和生态环境恶化等问题[3-4]。其中，氨挥发是土壤氮素以气态形式损失的重要途径之一[5]，通过这一途径损失的氮肥量已达到全球氮肥施入量的1%～47%[6]。挥发的氨会与大气中的酸性物质发生反应生成铵盐，经干沉降、降雨等方式回归自然生态系统，从而引起土壤酸化和地表水污染等环境问题[7-8]。氧化亚氮的排放虽不是氮肥损失的主要途径,但过量施用氮肥，将会造成氧化亚氮排放量的增加并对环境产生负面影响[9]。氧化亚氮会破坏大气臭氧层，引起臭氧空洞，其单分子增温潜势是二氧化碳的265倍，甲烷的23倍，在大气中的存留时间长达150 a左右，属于痕量气体[10-11]。据估计，在农田土壤中由于大量施用氮肥而直接产生的氧化亚氮排放量达到了全球氧化亚氮排放总量的36%左右[12]。

氮素气态损失所产生的大量氨和氧化亚氮等气体已对社会经济和生态环境造成了诸多负面影响，因此近年来许多学者对氨挥发和氧化亚氮的排放展开了研究。李鑫等[8]研究发现，肥料在撒施后翻耕和条施后覆土能有效减少土壤氨挥发和氧化亚氮排放。马银丽等[13]研究结果表明，冬小麦-夏玉米轮作体系中的氨挥发和氧化亚氮排放净损失量达到了施氮量的3.17%～5.80%和0.04%～0.23%。王建等[14]研究发现，使用袋控肥能使土壤氨挥发和氧化亚氮累积排放量减少52.17%～59.70%和48.57%～49.50%，土壤氮素损失减少56.04%。当前我国对农田氨挥发和氧化亚氮排放的研究多集中于水稻、小麦和玉米等粮食作物，但对梨尤其是库尔勒香梨等果树的研究较少。库尔勒香梨在新疆已具有相当大的种植面积和产量，是新疆畅销国内外重要的农产品之一[15]。因此本试验以6 a生库尔勒香梨为研究对象，在不同氮肥用量基础上，在库尔勒香梨整个年生育期内，对库尔勒香梨园土壤氨挥发和氧化亚氮排放展开原位研究，以期为减少库尔勒香梨园氮素气态损失、确定适宜施氮量、提高氮素利用率和保护库尔勒香梨园生态环境提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在新疆维吾尔自治区库尔勒市境内恰尔巴格乡和什巴格村5队(41°48′21″N、86°04′22″E)进行，该区属暖温带大陆性干旱气候，海拔918.7 m,年平均气温10.5～11.8℃，≥10℃的年平均积温4 278℃，年无霜期175～225 d，年均日照时数2 762.1～3 168 h，多年平均降雨50～55 mm，干燥度39.6～63.3。供试土壤为黄潮土，pH 7.9，有机质含量21.56 g·kg-1，碱解氮含量46.22 mg·kg-1，有效磷含量14.41 mg·kg-1，速效钾含量169 mg·kg-1。

1.2 试验设计

选用嫁接砧木为杜梨(PyrusbetulifoliaBge.)的6 a生库尔勒香梨树为试材，对树形相近、生长健壮的库尔勒香梨树挂牌标记。设置不施肥(N0P0K0)、不施氮(N0PK)、低氮量(N1PK)、中氮量(N2PK)和高氮量(N3PK)5个氮肥用量处理。氮肥选用尿素(含N 46%)，磷肥选用重过磷酸钙(含P2O546%)，钾肥选用硫酸钾(含K2O 51%)，具体氮肥施用量详见表1。每个处理选取6棵香梨树，3次重复，植株行距5 m×6 m，田间小区进行随机排列，试验区面积为2 400 m3。在库尔勒香梨整个年生育期(4-9月)内施肥2次，灌水5次。第1次在香梨树萌芽前期(4月1日)基施氮肥用量的60%(N0P0K0和N0PK除外)和磷、钾肥(N0P0K0除外)的全部，第2次在果实膨大前期(6月1日)追施氮肥用量的40%，施肥方式采用沟施。灌水在4—8月的每月10日进行，共计5次，灌水用量每次3 000 m3·hm-2，灌溉采用漫灌。其他田间管理措施与当地一致。

表1 不同氮肥施用量的试验方案

1.3 样品采集与测定

1.3.1 氨气的采集与测定氨气的田间原位采集采用密闭式集气法。采集装置用聚氯乙烯硬质塑料制成，呈圆柱状，内径16 cm，高40 cm。内部放有容积为50 mL的蒸发皿，用铁丝支架架起，离地高15 cm。蒸发皿中加入2%的硼酸溶液20 mL，吸收一段时间内土壤挥发的氨气。顶部罩一硬质料管盖，盖紧密封。在距离单株树体施肥位置的10～20 cm处，放置3个采集装置，于4-9月每月5、15、25日的早上(8∶00-12∶00)、中午(12∶00-16∶00)、下午(16∶00-20∶00)和夜间(20∶00-8∶00)对样品进行采集。采集时将蒸发皿中的硼酸全部倒入125 mL塑料瓶中，用蒸馏水将蒸发皿润洗3遍并将润洗液也一并倒入塑料瓶。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。

(1)计算土壤中氨挥发速率公式为：

氨挥发速率(kg·hm-2·d-1)NH3-N=[M/(A·D)]

式中，M为密闭法单个装置平均每次测的氨量(NH3-N，kg)；A为捕获装置的截面积(hm2)；D为每次连续捕获的时间(h)[16]。

(2)氨挥发累积量 = ∑(氨挥发速率 × 每次连续采集的时间)

(3)氨挥发净损失率=(施氮处理氨挥发累积量-不施氮处理氨挥发累积量)/施肥量×100%[17]

1.3.2 氧化亚氮的采集与测定氧化亚氮的田间原位收集采用密闭式静态箱法。采集装置呈圆柱状，内径26 cm，高40 cm，材料为聚氯乙烯硬质塑料。装置内装有1个空气搅拌风扇用以混均箱内气体，装置顶部设有1个气体采集口。在4-9月每月5、15、25日的早上(8∶00-12∶00)、中午(12∶00-16∶00)、下午(16∶00-20∶00)和夜间(20∶00-8∶00)采集氧化亚氮。每个样点设置3个采集装置。采集气体时将采集装置放在底座边缘的凹槽中，加水密封。每隔15、30、45、60 min使用带有气体链接阀的50 mL针筒抽取气体，置于真空铝箔采气袋中，并用水银温度计记录此时桶内空气温度。气袋带回实验室用气相色谱仪(Agilent7890A，Agilent，PaloAlto，USA)进行测定。测定条件为检测器(ECD)温度为300 ℃，分离柱温度为55 ℃，高纯氮气为载气，流量为30 mL·min-1。

(4)氧化亚氮排放通量计算公式如下：

式中,F为氧化亚氮排放通量(g·hm-2·h-1)；ρ为标准状态下氧化亚氮的密度(1.98 kg·m-3)；V为密闭箱内有效空间体积(m3)；A为密闭箱覆盖的地面面积(m2)；Δc/Δt为在特定时间内的氧化亚氮浓度变化速率；T为采样时密闭箱的温度(℃)[18]。

(5)氧化亚氮净损失率=(施氮处理氧化亚氮累积量-不施氮处理氧化亚氮累积量)/施氮量×100%

1.3.3 土样的采集与测定每次收集气体后，用土钻采集0～40 cm处的土壤样品。每20 cm土层采集2份土壤样品，分别用于测定土壤硝态氮和铵态氮的含量。土壤样品采集后立即装入带有冰水的冷冻箱，带回实验室用2 mol·L-1的KCl 溶液浸提(水土比10∶1)，并同时测定其土壤含水量，将浸提液冷冻保存备用。解冻后再使用连续流动分析仪(CFA,TRAACS2000)测定浸提液中硝态氮和铵态氮的含量。

1.4 数据处理

使用Excel 2010进行数据处理，SPSS 17.0进行方差分析和单因素多重比较(LSD)。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥用量下土壤氨挥发和氧化亚氮排放变化

图1 不同处理氨挥发速率动态变化Fig.1 Dynamic change of ammonia volatilization rate in different treatments

2.1.1 氨挥发速率库尔勒香梨园年生育期氨挥发速率变化如图1所示，各处理氨挥发速率整体趋势变化相似，均随着时间的推进而逐渐减小。施氮处理(N1PK、N2PK、N3PK)氨挥发速率波动式降低，在0.004～0.020 kg·hm-2·h-1之间变化，不施氮处理(N0P0K0、N0PK)则缓慢平稳降低，在0.004～0.009 kg·hm-2·h-1之间变化。施氮处理氨挥发速率明显大于不施氮处理，N3PK处理氨挥发速率明显大于其他各处理，N0P0K0和N0PK处理间、N1PK和N2PK处理间氨挥发速率变化不明显。N1PK、N2PK、N3PK均在施基肥后的第4天(4月5日)达到峰值，分别为0.016、0.017、0.020 kg·hm-2·h-1，在施追肥后第4天(6月5日)达到次峰值，分别为0.012、0.013、0.017 kg·hm-2·h-1。说明向土壤中施入氮肥在较短时间(4 d)内能增大氨挥发速率。灌水后(5、7、8月的15日)各处理的氨挥发速率相比于灌水前(5、7、8月的5日)有所增大，说明灌水能促进土壤中氨的挥发，增大氨挥发速率。

图2 不同处理氧化亚氮排放通量动态变化Fig.2 Dynamic change of nitrous oxide emission flux in different treatments

2.1.2 氧化亚氮排放通量从图2可以看出，在库尔勒香梨园年生育期内，各处理氧化亚氮排放通量随时间的延长呈现出逐渐减小的趋势。施氮处理氧化亚氮排放通量由于受施肥和灌水的影响在香梨年生育期间呈波动式逐渐降低，幅度范围为0.068～0.207 g·hm-2·h-1。不施氮处理氧化亚氮排放通量缓慢平稳降低，幅度范围为0.065～0.098 g·hm-2·h-1。在施基肥后的第4天(4月5日)，N1PK、N2PK、N3PK处理氧化亚氮出现排放高峰，其排放通量达到最大值，分别为0.157、0.173、0.207 g·hm-2·h-1，在追施肥后的第4天(6月5日)再次出现排放高峰，其排放通量达到较高值，分别为0.148、0.160、0.183 g·hm-2·h-1。施氮处理的氧化亚氮排放通量均显著大于不施氮处理。表明向库尔勒香梨园土壤中施入氮肥能明显增加氧化亚氮的排放，增大氧化亚氮排放通量。在5、7、8月的15日，各处理的氧化亚氮排放通量较5、7、8月的5日略有增加，表明灌水利于氧化亚氮的排放，使氧化亚氮排放通量增大。

2.2 不同氮肥用量下库尔勒香梨园土壤氮素气态损失及产量变化

2.2.1 氮素气态损失假设施氮处理土壤内残留氮素的气态损失和不施氮处理相等，那么施氮处理中来自肥料氮素的气态损失可与不施氮处理氮素气态损失的差值来估算[13]。从表2可知，在库尔勒香梨年生育期内，各处理氨挥发累积量达到27.886～44.416 kg·hm-2·a-1；施氮处理氨挥发净损失量为6.726～16.197 kg·hm-2·a-1，净损失率为2.720%～4.480%；各处理氧化亚氮排放累积量达到341.616～531.960 g·hm-2·a-1；施氮处理氧化亚氮净损失量为90.452～185.412 g·hm-2·a-1，净损失率为0.038%～0.060%。各处理氨挥发累积量明显大于氧化亚氮排放累积量，施氮处理氨挥发净损失量和净损失率均明显大于氧化亚氮净损失量和净损失率。N3PK处理的氨挥发和氧化亚氮排放累积量均显著大于其他各处理，N1PK、N2PK处理间氨挥发和氧化亚氮排放累积量均无显著差异。各处理氨挥发和氧化亚氮排放累积量随着施氮量的增加而增加，均表现为N0P0K0

2.2.2 库尔勒香梨产量由表3可知，各处理库尔勒香梨产量为692.4～6 213.5 kg·hm-2。施氮处理的库尔勒香梨产量显著大于不施氮处理，N2PK、N3PK处理间库尔勒香梨产量无显著差异。各处理库尔勒香梨产量高低表现为N0P0K0

表2不同氮肥用量下库尔勒香梨园土壤氮素气态损失

Table2NitrogenlossofsoilNinKorlafragrantpearorchardunderdifferentNfertilizer

处理TreatmentNH3累积量Accumulation/(kg·hm-2·a-1)净损失量Net loss/(kg·hm-2·a-1)净损失率Net lossrate/%N2O累积量Accumulation/(g·hm-2·a-1)净损失量Net loss/(g·hm-2·a-1)净损失率Net lossrate/%N0P0K027.886±0.84c--341.616±3.27c--N0PK28.219±0.78c--346.548±3.15c--N1PK34.944±1.06b6.7264.480437.000±4.02b90.4520.060N2PK36.376±0.92b8.1572.720459.748±3.76b113.2000.038N3PK44.416±1.09a16.1973.600531.960±4.08a185.4120.041

注: 同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Note：Different letters in the same column indicate the significant difference among treatments(P<0.05). The same below.

2.3 不同氮肥用量下库尔勒香梨园土壤铵态氮和硝态氮含量变化

由表4可知，在施用基肥和追肥后，在0～20 cm和20～40 cm土层中，施氮处理的铵态氮含量均显著高于不施氮处理，N3PK处理的铵态氮含量显著高于其他各处理，N0P0K0和N0PK处理、N1PK和N2PK处理间的铵态氮含量无显著差异。在收获后，N3PK处理的铵态氮含量显著高于其他处理，N0P0K0、N0PK、N1PK、N2PK处理间的铵态氮含量无显著差异。

表3 不同氮肥用量下库尔勒香梨产量变化

施用基肥、追肥后及收获后，在0～20 cm和20～40 cm土层中，施氮处理的硝态氮含量显著高于不施氮处理，N3PK的硝态氮含量显著高于其他各处理，N0P0K0和N0PK处理、N1PK和N2PK处理间的硝态氮含量无显著差异。

随着生育期的推进，在施用基肥至收获后，0～20 cm和20～40 cm土层中的各处理铵态氮和硝态氮含量均逐渐降低，其0～20 cm土层中，各处理铵态氮和硝态氮的含量均明显大于20～40 cm土层中铵态氮和硝态氮的含量。施用基肥、追肥及收获后，在0～20 cm和20～40 cm土层中，各处理铵态氮和硝态氮的含量高低依次表现为N0P0K0

2.4 施氮量、土壤温度及含水量对库尔勒香梨园氨挥发和氧化亚氮排放的影响

由表5可知，库尔勒香梨园氨挥发速率和氧化亚氮排放通量与施氮量、土壤温度及含水量有直接关系。各处理的氨挥发速率均与施氮量和土壤温度呈极显著正相关，与含水量呈显著正相关(N3PK除外)。各处理的氧化亚氮排放通量均与施氮量和土壤温度呈极显著正相关，与含水量呈正相关，表明施用氮肥和升高温度能明显增加氨挥发速率和增大氧化亚氮排放通量。

表4不同氮肥用量下土壤铵态氮和硝态氮含量变化/(mg·kg-1)

Table4ChangesofammoniumandnitrateNcontentsinsoilunderdifferentNfertilizers

土层深度Soil depth处理Treatment基肥后 After the base fertilizerNH+4-NNO-3-N追肥后 After the top fertilizerNH+4-NNO-3-N收获后 After harvestNH+4-NNO-3-N0～20 cmN0P0K014.36±0.59c17.83±1.19c11.43±0.27c11.13±0.29c7.96±0.41b7.76±0.56cN0PK14.75±0.82c18.16±0.46c11.71±0.46c11.25±0.13c8.02±0.84b7.84±0.91cN1PK23.82±1.96b24.38±1.72b20.98±1.03b21.46±0.83b9.84±1.67ab11.72±0.98bN2PK25.56±1.53b26.71±0.81b22.05±0.54b22.92±1.25b9.88±0.93ab11.96±0.66bN3PK29.14±1.02a30.28±1.29a25.86±1.14a26.18±0.70a11.29±1.02a14.68±0.82a20～40 cmN0P0K013.15±0.34c16.02±0.44c10.06±1.18c10.66±0.92c7.82±1.03b7.59±0.52cN0PK13.59±0.61c16.55±0.57c10.08±1.35c10.74±1.24c7.86±1.29b7.63±0.45cN1PK20.35±0.87b22.79±1.32b19.22±1.71b19.77±1.28b9.05±0.91ab10.80±1.01bN2PK21.05±1.11b24.25±0.76b21.56±0.84b21.24±1.40b9.32±1.17ab10.86±0.75bN3PK27.36±1.22a28.01±0.88a24.15±0.95a24.73±1.10a10.44±0.78a14.35±1.31a

表5 施氮量、土壤温度及含水量与氨挥发速率和氧化亚氮排放通量的相关性

注: * 代表显著相关(P<0.05)，** 代表极显著相关(P<0.01)。

Note：* means significant correlation(P<0.05), ** means highly significant correlation(P<0.01).

3 讨论

3.1 施氮量对库尔勒香梨园氨挥发速率和氧化亚氮排放通量的影响

3.2 施氮量对库尔勒香梨园氨挥发和氧化亚氮累积量、净损失率及产量的影响

施氮量对库尔勒香梨园氨挥发和氧化亚氮排放的累积有显著影响。邱炜红等[26]研究发现，施氮量与土壤氧化亚氮排放总量有显著的指数函数关系，施氮能显著提高土壤氧化亚氮排放总量。本试验各处理氨挥发累积量达到27.886～44.416 kg·hm-2·a-1，氧化亚氮累积量达到341.616～531.960 g·hm-2·a-1，施氮处理的氨挥发和氧化亚氮累积量均显著大于不施氮处理，且均随着施氮量的增加而增加，与前人研究结果一致。同时氨挥发和氧化亚氮排放净损失量与氨挥发和氧化亚氮累积量的变化规律一致，会随着施氮水平的提高而增大，这与一些学者[24,27]研究结果趋势相同。N0P0K0、N0PK、N1PK、N2PK和N3PK处理的氨挥发累积量分别是氧化亚氮排放累积量的81.63、81.43、79.96、79.12和83.49倍。N1PK、N2PK和N3PK处理的氨挥发净损失量分别是氧化亚氮排放净损失量的74.36、72.06和87.36倍，氨挥发累积量和净损失量均明显大于氧化亚氮排放累积量和净损失量。N1PK、N2PK和N3PK处理的氨挥发净损失量占肥料氮素气态(NH3和N2O)损失量的98.67%、98.63%和98.87%，可见库尔勒香梨园土壤中的肥料氮素气态损失主要以氨挥发为主，与许多学者[13,28]研究结果基本一致。

王珏等[29]在冬小麦生长季中发现，施氮量在75～300 kg·hm-2时，来自氮肥的氨挥发损失量为0.72～7.61 kg·hm-2，占施氮总量的1.0%～4.2%。本试验氨挥发净损失量为6.726～16.197 kg·hm-2·a-1，净损失率为2.720%～4.480%，与前人相比测定结果偏高，主要原因是施肥量较高和测定周期较长。有研究发现菜地土壤氧化亚氮排放量占施氮量的0.33%～1.13%[26]。本试验氧化亚氮排放净损失率为0.038%～0.060%，低于前人研究结果，主要是由于香梨园较菜地翻耕和灌水次数少，菜地较多的翻耕有利于土壤矿化作用发生，产生更多的无机氮，且多次灌水会引发土壤频繁的干湿交替过程，这些因素均会促进氧化亚氮的排放，使氧化亚氮损失较多[30]。本试验随着施氮量的增加，氨挥发和氧化亚氮净损失率呈现出先减小后增大的趋势，在施氮量为300 kg·hm-2时，氨挥发和氧化亚氮排放的净损失率均达到最小(2.720%和0.038%)，这与许可等[31]研究结果类似。氨挥发和氧化亚氮净损失率会随着施氮量的变化而变化，在施氮量较高的情况下，土壤中的氮素可能会在其它途径损失更多[28]，因此对今后库尔勒香梨园土壤氮素的气态损失，还需进一步研究。

林治安等[32]对冬小麦-夏玉米连续22 a长期施肥定位试验的研究结果表明，作物产量达到一定水平后，继续高量施肥无助于作物产量提高。本试验在施氮量150～450 kg·hm-2范围内，库尔勒香梨产量先增加后降低。在施氮量为300 kg·hm-2时，产量达到最大(6 213.5 kg·hm-2)，施氮量达到450 kg·hm-2时的库尔勒香梨产量与施氮量在300 kg·hm-2时相比降低了5.66%，这与山楠等[33]发现氮肥施用过量作物产量反而降低的研究结果相同。

3.3 施氮量对库尔勒香梨园土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

施入土壤的氮肥在土壤微生物作用下转化形成无机氮，而无机氮在一定条件下通过氨挥发、硝化及反硝化等过程会以氨和氧化亚氮等气态形式从土壤中挥发损失[8,34]。张燕等[35]研究发现，0～20 cm、20～40 cm土层中，未施氮处理的铵态氮和硝态氮含量显著低于施氮处理。本试验在施基肥和施追肥后，0～20 cm和20～40 cm土层中施氮处理的铵态氮和硝态氮含量均显著大于不施氮处理，说明施用氮肥能显著增加0～20 cm和20～40 cm土层内的铵态氮和硝态氮含量，与前人研究结果一致。本研究0～20 cm和20～40 cm土层中，施氮处理铵态氮和硝态氮含量表现为N1PK

3.4 环境因子对库尔勒香梨园氨挥发和氧化亚氮排放的影响

本试验各处理的氨挥发速率与土壤含水量呈显著正相关。各处理的氧化亚氮排放通量与土壤含水量呈正相关，但相关性不显著且相关系数较小，这与肖娇等[44]和王立刚等[45]研究结果类似。主要是因为梨园灌水后，土壤含水量增加，脲酶活性增强，使得尿素颗粒能与土壤充分接触，利于其转化成铵态氮，从而增加液相中铵态氮含量，促进了氨的挥发[46];库尔勒香梨园属于旱地果园，土壤水分一般不会达到饱和状态，氧化亚氮主要由硝化作用产生，且主要来源于微生物参与下的硝化过程，所以使得土壤含水量对氧化亚氮排放影响较小。