清液肥对滴灌棉田NH3挥发和N2O排放的影响

2020-11-11王方斌刘凯殷星廖欢孙嘉璘闵伟侯振安

农业环境科学学报 2020年10期

王方斌，刘凯，殷星，廖欢，孙嘉璘，闵伟，侯振安

（石河子大学农学院资环系/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003）

氮肥投入在农业生产中起着重要的作用。随着人口的增加，我国每年的氮素投入随之增加。目前我国年氮肥消耗量为3.1 亿t，占全球的31.7%，而氮肥利用率普遍为30%～40%[1]。随着氮肥零增长的提出，国家开始注重减氮增效的研究，但不合理的施氮现象仍相当普遍[2]。过量施氮并不会提高作物单产，同时会降低作物氮肥利用率，易引发一系列环境问题。NH3挥发和N2O 排放是农业生产中氮肥气态损失的主要途径[3]，有研究表明氨气是雾霾形成的前体，形成机制为NH3结合二氧化硫和氮氧化物发生反应，形成的PM2.5结合其他污染物进而形成雾霾[4-6]。N2O 作为温室气体的一种，其温室效应是CO2的265倍，对全球气候变化的影响突出[7]。据统计，每年NH3挥发损失占氮肥总投入量的1%～47%；因氮肥施用造成土壤排放的N2O 占土壤N2O 总排放量的25%～82%[8-9]。因而既能提高作物单产，同时又可降低环境污染成了未来农业的发展目标。

滴灌作为高效的节水灌溉技术，相较于传统的非滴灌模式能更好地抑制土壤氮素转化，有效减少NH3挥发损失及N2O 排放[10]。但也有研究表明滴灌模式下，土壤干湿交替频繁，为土壤硝化反硝化等氮素转化提供适宜的环境，引发显著的氮肥气态损失[11]。国内外学者针对滴灌条件下温室气体减排大多基于氮肥用量的研究，关于不同氮肥类型下的氮肥气态损失的研究较少。对滴灌马铃薯地的研究表明，减量施氮加脲酶抑制剂可在保证产量的同时降低NH3挥发和N2O 排放[12]；设施菜地的研究表明，滴灌条件下较常规施氮量，适量减氮可在稳产保质的前提下降低N2O排放[13]。而在非滴灌条件下的不同氮肥类型研究表明，与常规化肥施用相比，控释肥配施无机肥能够降低NH3挥发损失和N2O 排放，提高氮素吸收利用率和水稻产量[14]；有机肥与化肥配施下可保证产量同时减少玉米地氮素气态损失[15]；液体肥减氮15% 可在不减产的前提下，有效降低土壤NH3挥发和N2O 排放[16]；ABR 绿色液体肥部分替代化肥可有效提高蔬菜质量和产量，同时具备较低的N2O 排放通量[17]。由此可知，合理选用氮肥可以在增加或保证作物产量的同时，降低环境污染风险。

新疆是我国主要棉产区，棉花生产对于推动国民经济的发展起着重要作用。而目前滴灌棉田氮肥施用不合理现象普遍存在，致使产量降低，氮素损失严重[18]；同时农田体系常用的氮肥产品多为酰胺态氮肥（尿素）[19]，存在较大的NO-3淋洗、NH3挥发损失风险，加重了环境负担。因此，本试验通过探讨一种新型络合物清液肥对新疆滴灌棉田氮素气态损失和棉花产量的影响，为进一步减少NH3挥发和N2O 排放，实现氮肥绿色增产增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在新疆石河子市天业生态园进行，土壤类型为灌耕灰漠土，质地为壤土。该地区年平均降水量为210 mm，年平均蒸发量1 600 mm，0～20 cm 土层的土壤基本理化性质如下：pH为8.55，容重1.31 g·cm-3，全氮1.03 g·kg-1，速效磷28.74 mg·kg-1，速效钾421.20 mg·kg-1，有机质18.95 g·kg-1。供试常规化肥使用尿素（含N 46.4%）、磷酸一铵（含N 11%，含P2O561%）、氯化钾（含K2O 57%）、磷酸二氢钾（含P2O552 %，含K2O 34%）；清液肥购自新疆福来克斯农业有限公司，不同配方N-P2O5-K2O养分百分含量分别为20%-12%-0、19%-9%-2% 和19%-5%-5%。供试作物为棉花（新陆早45）。

1.2 试验设计

试验设5个处理，分别为：（1）不施氮肥（N0）；（2）常规化肥（TN300，农民习惯施肥，施氮300 kg·hm-2）；（3）常规优化（TN240，减氮20%，施氮240 kg·hm-2）；（4）清液肥（LN300，施氮300 kg·hm-2）；（5）清液肥优化（LN240，施氮240 kg·hm-2）。每个处理重复3 次，共15个试验小区，小区面积70 m2。

棉花采用膜下滴灌，一膜三管六行，行距配置为（66+10）cm，株距为10 cm，毛管间距为76 cm。棉花于2019 年4 月20 日播种，采用“干播湿出”的方式，播种后滴40 mm 出苗水。棉花生长期间共灌水9次，总灌水量450 mm。灌水周期为7～10 d，从开花前开始至吐絮前结束。试验中，氮、磷、钾肥全部作追肥，在棉花生长期间分6 次随水滴施。各处理磷、钾肥施用量相同，均为P2O5105 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2；因清液肥为固定养分配比，无法保证每次施肥与常规化肥磷钾用量一致，磷钾不足用KCl 和KH2PO4补齐，不同时期比例分配见表1。其他管理措施与当地大田生产保持一致。

表1 不同施肥时期比例分配（%）Table 1 Proportional distribution of different fertilization periods（%）

1.3 测试指标及方法

土壤NH3挥发：采用密闭室法[20]，以0.01 mol·L-1H2SO4作为吸收液收集。在棉花追肥期间（6月20日—8 月16 日）进行土壤NH3挥发的全程监测。每个试验小区布置2个NH3挥发监测装置，分别在棉花宽行（66 cm）和窄行（10 cm）内各安装1个。在每次灌水施肥前1 d放入装置，并于下一次灌水施肥前1 d取回装置，监测周期为7～10 d。追肥期间，共取样6 次。采用靛酚蓝比色法测定吸收液，计算NH3挥发损失量。

土壤N2O 排放：采用静态箱-气相色谱法[21]，于棉花追肥期间进行N2O 排放的监测。采样箱由底座（长×宽为60 cm×60 cm）和顶箱（高90 cm）组成，每个小区放置2个采样箱（膜间和膜内各1个）。底座于第一次施肥前放入，并长期固定于大田中。每次采样前往底座中注水，将顶箱扣至底座上，以防底座与顶箱结合处漏气。箱体由不锈钢钢架构成，由硬质塑料膜密封，外层包裹薄海绵和锡纸，用于防止温度变化幅度过大影响气体测定结果。箱体内置小风扇和温度计，用于混匀箱内气体和观测箱内温度变化。箱体中部安置抽气孔，采样时按照0、10、20、30 min时间间隔进行气体收集，收集完毕后直接用7890A型气相色谱仪（GC）进行测定。每次N2O 气体采集在灌水施肥后的第3 d 进行，整个追肥期间共取样6 次，取样时间为早上8：00—12：00。

N2O排放通量计算公式如下[22]：

式中：F为N2O 排放通量，µg·m-2·h-1；ρ为标准状态下N2O 的密度，1.25 mg N·m-3；V为静态箱体积，cm3；A为静态箱底座表面积，cm2；P为静态箱内气压，Pa；P0为试验地环境气压，1.013×105Pa，一般P/P0≈1；T为采样时箱内平均气温，℃；dc/dt为N2O排放速率，mg·L-1·h-1。

N2O累积排放量T计算公式如下[23]：

式中：T为N2O 累积排放量，kg·hm-2；Fi和Fi+1分别为第i和i+1次采样时的N2O平均排放通量，µg·m-2·h-1；Di和Di+1分别为第i和i+1 次采样时间，d；24 为1 d 的小时数；105为单位转换系数。

土壤无机态氮及酶活性：每次气体收集完毕后，同步采集0～20 cm 土层土壤样品，用于测定表层土壤无机态氮含量及酶活性。NO-3-N 和NH+4-N 含量采用2 mol·L-1KCl 浸提后使用连续流动分析仪测定。土壤脲酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、羟胺还原酶活性测定参照文献[24]。

棉花籽棉产量：在棉花收获前测定棉花产量，最后实收计产。

1.4 数据处理与分析

数据计算和绘图使用Microsoft Excel 2003 软件进行。方差分析和数据变异用SPSS 21.0 统计分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 土壤无机态氮变化

棉花不同追肥期内0～20 cm 土壤NH+4-N 含量如图1（a）。整体上不同处理土壤NH+4-N 含量变化在1.4～6.8 mg·kg-1范围内。各个施肥周期内，土壤NH+4-N含量始终以TN300 处理最高，较TN240 处理增加12.3%～75.5%。同一施氮水平下，清液肥处理土壤NH+4-N 含量均低于常规化肥处理，降低了4.5%～32.9%。

各处理中棉花追肥期间土壤NO-3-N 含量始终以N0 处理最低，为4.1～9.4 mg·kg-1。各施氮处理土壤NO-3- N 含量表现为TN300＞LN300，TN240＞LN240。常规施氮水平下，LN300 处理土壤NO-3-N 含量较TN300 处理降低9.4%～49.0%；减氮20% 水平下，LN240 处理土壤NO-3- N 含量较TN240 处理降低12.8%～37.8%。

2.2 土壤NH3挥发

2.2.1 土壤NH3挥发动态

图1 追肥期间0～20 cm土壤无机态变化Figure 1 Inorganic changes to the 0～20 cm soil during topdressing

图2 不同追肥期间土壤NH3挥发量变化Figure 2 Variation in NH3 volatilization during different topdressing periods

土壤NH3挥发动态见图2。整个追肥期间内，N0处理土壤NH3挥发量变化波动不大，整体在0.1～0.3 kg·hm-2。不同处理土壤NH3挥发量表现为：TN300＞LN300＞TN240＞LN240＞N0。与常规化肥相比，不同追肥时期LN300 处理土壤NH3挥发量降低14.3%～27.5%；LN240 处理土壤NH3挥发量TN240 处理降低15.2%～46.5%。

2.2.2 土壤NH3挥发累积量

不同处理对滴灌棉田追肥期间土壤NH3挥发累积量影响显著（图3）。各施氮处理NH3挥发总累积量为1.3～5.0 kg·hm-2，较N0 处理增加165.0%～382.9%。施用清液肥可显著降低土壤NH3挥发损失，与常规施氮相比，LN300 处理土壤NH3挥发总累积量降低25.9%，LN240 处理土壤NH3挥发损失量较TN240 处理降低27.6%。

2.3 土壤N2O排放

2.3.1 N2O排放通量

图3 不同处理追肥期间土壤NH3挥发积累量（6月20日—8月16日）Figure 3 Accumulation of NH3 volatilization during topdressing under different treatments（June 20—August 16）

图4 棉花不同追肥时期N2O 排放通量变化Figure 4 Change in N2O emission flux during different topdressing periods

棉花不同追肥期内，土壤N2O 排放通量整体在2.9～29.8 µg N·m-2·h-（1图4）。前3次追肥不同处理土壤N2O排放通量较后3次追肥更高。各处理N2O排放通量表现为：TN300＞LN300；TN240＞LN240。同施氮量下，清液肥处理N2O 排放通量较常规化肥处理降低了3.5%～56.0%。

2.3.2 N2O累积排放量

增施氮肥会显著增加土壤N2O排放（图5）。与不施氮肥相比，各施氮处理土壤N2O 累积排放量增加78.5%～174.7%。与农民习惯施肥相比，TN240、LN300 和LN240 处理N2O 累积排放量分别降低19.9%、14.1% 和35.0%。LN240 处理N2O 累积排放量较TN240处理降低18.9%。

图5 不同处理棉花追肥期间N2O累积排放量（6月20日—8月16日）Figure 5 Cumulative N2O emissions during topdressing under different treatments（June 20—August 16）

图6 不同处理对土壤酶活性的影响Figure 6 Effects of different treatments on soil enzyme activity

2.4 土壤酶活性

施氮量显著影响土壤酶活性（图6）。常规施氮水平处理较减氮处理硝酸还原酶活性增加1.7%～2.2%；亚硝酸还原酶活性增加1.6%～11.9%；羟胺还原酶活性增加4.8%～5.1%；脲酶活性增加6.1%～9.2%。

与常规化肥处理相比，同施氮量下施用清液肥可显著降低土壤硝酸还原酶、土壤亚硝酸还原酶、土壤羟胺还原酶和脲酶活性。LN240 处理土壤脲酶活性较TN240 处理降低4.2%；硝酸还原酶活性较TN240处理降低5.5%；土壤亚硝酸还原酶活性较TN240 处理降低26.6%；土壤羟胺还原酶活性较TN240 处理降低6.0%。

2.5 相关性分析

追肥期间土壤气态氮损失量与土壤无机态氮和酶活性的相关性分析见表2。土壤NH3挥发总量、N2O 累积排放量、NO-3-N 含量、NH+4-N 含量、脲酶活性以及硝酸还原酶活性两两之间呈极显著正相关关系，与亚硝酸还原酶活性和羟胺还原酶活性无显著性相关。土壤亚硝酸还原酶活性与羟胺还原酶活性呈极显著正相关。

2.6 籽棉产量

施用氮肥对棉花籽棉产量的影响显著（图7），各施氮处理棉花籽棉产量较N0 处理提高39.3%～73.5%。与农民习惯施氮相比，TN240、LN300 和LN240处理棉花籽棉产量增加12.6%、9.1% 和24.5%。同一减氮水平下，LN240 处理棉花籽棉产量较TN240处理提高10.6%。

3 讨论

图7 不同处理棉花籽棉产量Figure 7 Seed cotton yield under different treatments

农田NH3挥发受农田灌溉方式、施氮水平和氮肥类型等多种因素影响。不同研究表明滴灌施肥较常规漫灌施肥可显著降低土壤NH3挥发损失[25-26]。氮肥减量施用也可以显著降低NH3挥发[27-28]，这与本研究常规施氮水平处理（TN300和LN300）的NH3挥发量均高于减氮处理（TN240 和LN240）的结果相符合。本研究发现，与常规化肥处理相比，同等施氮量下清液肥处理可显著降低NH3挥发损失，产生这种现象的原因是清液肥降低了土壤NH+4-N 含量和脲酶活性，进而减少了NH3挥发损失。一般认为NH3挥发是氮肥在脲酶作用下水解的产物，因此脲酶活性越高，土壤保持的NH+4-N 含量越高，NH3挥发的可能性越大[29]。同时有研究表明常规氮肥溶解过程中，会加快土壤胶体吸附的NH+4离子向土壤溶液中的游离态转化，促进NH3挥发过程[30]。络合物对于养分释放和供肥强度具有一定的调控作用，研究表明施用络合物肥料可显著抑制土壤脲酶的活性，使得氮素分解为氨的速率极大降低[31]。本试验中清液肥中也含有络合物，对减少氨挥发也会产生作用。

合理的农田管理措施对于降低环境污染至关重要。研究表明与非滴灌施肥相比，滴灌施肥技术可有效减少温室气体N2O 排放[13]；但随施氮量的增加，N2O的累积排放量也随之增大[32]。本研究中采用滴灌施肥减氮20% 的处理较常规施氮处理降低了19.9%～24.4% 的N2O 排放，与前人研究结果一致。此外本研究发现等量氮肥投入下，施用清液肥处理较常规化肥处理可降低14.1%～18.9% 的N2O 排放，说明清液肥具有更好的N2O 减排效果。土壤氮素转化均是在其相关微生物与酶的驱动下完成的，通过对其关键酶活性的大小分析可以间接反映土壤中氮素的转化强度[33]。土壤硝化反硝化是农田N2O 产生的主要途径，其中硝化-反硝化酶活性的大小对N2O 排放的影响显著[34]。不同研究表明，土壤硝化反硝化酶活性越高，产生的N2O 排放越多[35-37]。本研究中同施氮量下清液肥处理较常规化肥处理均显著降低了土壤硝酸还原酶活性、亚硝酸还原酶活性以及羟胺还原酶活性。此外，肥料特性也是影响N2O 排放的重要因素，研究表明络合物肥料有助于促进作物对氮素的吸收，从而避免交换性铵和硝态氮在土壤中的过量累积[38]，进而有效降低了底物NO-3-N含量，减少了N2O排放。

表2 气态氮损失量与0～20 cm土层土壤无机态氮和酶活性的相关性Table 2 Correlation between gaseous nitrogen loss and inorganic nitrogen and enzyme activity in 0～20 cm soil

在一定范围内，作物的产量随着氮肥用量的增加而增加，当到达一定施氮量时，不仅氮素资源损失加重，还会导致作物减产。本研究发现施氮240 kg·hm-2处理棉花产量显著高于施氮300 kg·hm-2处理，说明较当地常规施氮量减氮20% 可显著提高棉花产量。也有研究表明当滴灌棉田的施氮量为225～300 kg·hm-2时，棉花具有较高的结铃密度和产量[39]，这种差异产生的主要原因是不同地区土壤状况，施氮方式有所不同。在玉米的优化施氮研究中，当氮肥用量为传统高产的1/3 时，产量提高了1 倍[40]，说明适宜的施氮量是获得较高产量的基础。与此同时，滴灌施肥精准的养分供应，更有利于促进作物根系的吸收。研究表明少量多次的施肥方式可显著促进棉花氮素吸收，提高棉花产量；同时根据棉花不同时期需肥特性进行合理调控，可促进棉花增产[41-42]。此外，本研究还发现清液肥可显著提高棉花产量，同等施氮水平下较传统化肥提高了9.1%～10.6%，对农业生产来说具有重要意义。不同研究表明施用液体肥可更好地促进棉花养分吸收，利于棉花铃的形成[43-44]，这可能是施用清液肥产量提高的原因。