有机无机肥配施对川中紫色土丘陵区稻田氨挥发的影响

张 奇，徐娅玲，姚 莉，王 宏，刘海涛，蒲 波，刘红兵，林超文*

（1.四川省农业科学院农业资源与环境研究所，成都 610066；2.四川省耕地质量和肥料工作总站，成都 610000）

作物生产中氮肥利用率低是导致氮肥资源严重浪费以及环境污染的主要原因。氨（NH3）挥发是氮素损失的主要途径之一，稻田NH3挥发损失占施氮量的10%～38%[1-2]。大气中的NH3会引发酸雨、土壤酸化和水体富营养化、温室效应等问题[3-4]。此外，NH3是形成PM2.5的重要前体物，NH3与空气中的硝酸盐以及硫酸盐发生反应形成硝酸铵盐、硫酸铵盐的混合物，进而引起雾霾天气[5]。因此，优化氮肥使用、降低NH3挥发损失以及提高氮肥利用率是我国农业发展亟待解决的问题。

有机肥料施用是实现畜禽粪便资源化利用的直接途径。大量研究表明，有机无机肥配施对提高作物产量和改善土壤肥力有显著的作用，是实现我国农业增产、增效和节肥的重要施肥模式[6-8]。但配施过量有机肥增产效果不显著，甚至会造成较高的土壤氮素残留[9-10]。川中紫色土丘陵区是四川盆地的作物主产区，水稻种植面积大，化肥施用量较大，具有较大的NH3挥发潜力[11]。因此，开展科学合理施用氮肥技术研究对提高该区域水稻产量、增加经济效益以及提高氮肥利用效率和防控农业面源污染具有重要意义。为此，本研究在等氮量替代条件下，设计4个不同有机无机肥配施比例，比较NH3挥发通量、总量及其占施氮量的比例、水稻产量的差异，同时分析NH3挥发通量和田面水含氮量的关系，以期为该区域水稻生产合理施肥和生态环境保护提供技术和理论支持。

1 材料和方法

1.1 试验地点

本试验于2020年在四川省农业科学院土壤肥料研究所资阳试验站进行，该试验站位于东经104°34′12″～104°35′19″、北纬 30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。该地区属于亚热带季风气候，年均降雨量为831.86 mm，主要集中在6—9月；年均温为16.8℃，极端最低温-3.6℃，极端最高温36.5℃，年日照时数1 300 h。供试土壤为遂宁组母质发育的紫色土红沙土，0～20 cm土层的基本化学性质如表1。

表1 供试土壤（0～20 cm）基本化学性状Table1 Chemical properties of the experimental soil at the depth of 0-20 cm

1.2 试验设计

本次试验采用单因素设计，共设置5个处理，分别为不施氮肥处理（T0）、常规施尿素（T1）、有机肥30%替代尿素（T2）、有机肥70%替代尿素（T3）和有机肥100%替代尿素（T4）。施氮量均为150 kg/hm2，磷肥（过磷酸钙，12%P2O5）和钾肥（KCl，60%K2O）的施用量均为75 kg/hm2，都是以基肥的方式一次性施入。有机肥为鸡粪发酵处理后的产品，施用前测定N、P、K含量（全氮 2.60%，全磷 3.11%，全钾4.38%）。各处理采用随机区组排列，每个重复3次。试验小区长度为6 m，宽度为5 m，面积为30 m2。小区的周围设置3 m宽的保护行，小区间修建宽30 cm，高20 cm的田埂，保护行和田埂采用黑色的地膜覆盖，防止试验小区之间串水串肥。水稻品种为试验区当地常用品种“宜香2115”。2020年4月上旬育苗（旱育秧），5月29日移栽，5月31日施用基肥，9月22日收获，行距24 cm，窝距20 cm。田间灌溉和病虫草害管理均按照当地的常规方式进行。

1.3 研究指标及测定方法

1.3.1 NH3挥发的测定

本次试验采用密闭室连续抽气法测定稻田NH3挥发通量[11]，通过真空泵连续抽气并用装有2%硼酸的吸收瓶吸收气体中的NH3，再用浓度为0.1 mol/L的标准盐酸滴定硼酸中吸收的NH3。施肥后第1天开始测定，每天固定在上午8:00—9:00，下午15:00—16:00进行测定，连续测定14 d，直至所有小区施肥处理与不施肥处理的NH3挥发通量无差异为止。

NH3挥发通量的计算方程为：

式中，F为一天当中 NH3挥发通量（kg/(d·hm2）），C为标准盐酸的浓度（mol/L），V为标准盐酸的滴定体积（L），S为密闭室内部面积（m2），t为 NH3挥发测定时间（h）。

NH3挥发总量的计算方程为：

式中，N 为 NH3挥发总量（kg/hm2），d为时间（1 d）。

1.3.2 田面水指标

在施肥后的第1、4、7、10天用50 mL医用注射器采用多点取样法采集各小区的田面水样。将水样保存于4℃，利用分光光度计测定水样中的NH4+-N、NO3--N、总氮和可溶性氮浓度[3，11]。

1.3.3 水稻产量

水稻成熟后，将各小区水稻的稻谷部分收获并风干测定质量，并根据小区面积换算出对应公顷产量[3]。

1.4 数据处理

试验数据利用Excel 2007软件处理计算数据并作图，用Origin Pro8软件对试验数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥替代处理的田间NH3挥发通量

由图1可知，在施入肥料后，各处理的NH3挥发通量均会明显增强，峰值出现在施肥后的第3天，后呈现逐步下降，第10天后各处理均与空白处理无差异。随着有机肥替代比例的增加，NH3挥发通量明显降低。在峰值期，各处理NH3挥发通量按从大到小的顺序排列为：T1（13.03 kg/（d·hm2））＞T2（10.01 kg/（d·hm2））＞T3（8.63 kg/（d·hm2））＞T4（4.16 kg/（d·hm2））＞T0（0.30 kg/（d·hm2））。

图1 不同施肥处理下稻田NH3挥发通量Figure 1 NH3volatilization rates in paddy field under different fertilization methods

2.2 不同有机肥替代处理的田间NH3挥发总量

不同处理施肥后的NH3挥发总量为取样时间内NH3挥发通量对时间的积累。由表2可知，各处理的NH3挥发总量为3.93～68.54 kg/hm2。与纯尿素处理T1相比，随着有机肥替代比例的增加，NH3挥发总量减低21.77～49.55 kg/hm2，其中T3和T4处理累积NH3挥发量呈显著性差异，比T1处理分别降低了52.66%和72.29%。不同处理NH3挥发总量占施氮量的比例为10.04%～43.07%，与纯尿素处理T1相比，随着有机肥替代比例的增加，NH3挥发总量占施氮量的比例显著减低。可见，在相同施氮水平下，有机无机肥配施能有效降低NH3挥发损失。

表2 不同施肥处理下稻田NH3挥发总量及其占施氮量的百分比Table 2 Amounts of NH3volatilization in paddy field and the percentages to nitrogen application rate under different fertilization methods

2.3 不同有机肥替代处理的田面水含氮量

如图2a所示，对于T1和T2，施肥后田面水NH4+-N浓度迅速提高，在第4天达到峰值，随后逐渐降低，在第10天降到5 mg/L以下的较低值。对于T3和T4，施肥后第1天田面水NH4+-N即达到峰值，随后逐渐降低，在第7天降到4 mg/L以下的较低值。各处理峰值期的田面水NH4+-N浓度按照从大到小的顺序排列为：T4（35.66 mg/L）＞T3（32.67 mg/L）＞T1（26.97 mg/L）＞T2（19.37 mg/L）＞T0（0.44 mg/L）。

由图2b可知，由于处于淹水的厌氧条件，在整个观测期稻田田面水NO3--N浓度一直处于较低水平。这是因为尿素水解产生的NH4+-N通过硝化作用生成NO3--N，而在淹水条件下硝化作用很弱[11]。此外，NH4+-N浓度随着水稻吸收、NH3挥发和淋失等作用逐渐减低，导致田面水中的NO3--N浓度较低[12]。

如图3a所示，施肥后各处理田面水可溶性氮浓度即达到最高值，随时间的推移田面水可溶性氮浓度迅速下降，在第10天降到较低值。各处理峰值期的田面水可溶性氮浓度按照从大到小的顺序排列为：T1（157.85 mg/L）＞T2（129.19 mg/L）＞T3（99.83 mg/L）＞T4（44.32 mg/L）＞T0（2.48 mg/L），T0 在各个取样期内田面水可溶性氮浓度均较低。由图3b可知，田面水总氮浓度随时间的变化规律与可溶性氮浓度的变化规律基本一致。各处理峰值期的田面水总氮浓度按照从大到小的顺序排列为：T1（166.65 mg/L）＞T2（142.34 mg/L）＞T3（108.68 mg/L）＞T4（46.86 mg/L）＞T0（2.65 mg/L）。可见，有机肥替代无机肥处理能有效降低田面水中可溶性氮和总氮浓度，从而降低氮素流失的风险。

图3 不同处理下稻田田面水可溶性氮（a）和总氮（b）浓度Figure 3 Dissolved N（a）and total N（b）concentrations in paddy field water under different fertilization methods

2.4 稻田NH3挥发与田面水氮形态的相关性

本研究分析不同施肥处理稻田NH3挥发通量与田面水NH4+-N、NO3--N、可溶性氮和总氮的相关性，结果如表3所示。各处理稻田NH3挥发通量与田面水NH4+-N浓度呈现正相关关系，其相关系数均达到显著水平。对于处理T3和T4，NH3挥发通量与田面水可溶性氮和总氮浓度具有较好的正相关性；但T1和T2处理的NH3挥发通量与田面水可溶性氮和总氮浓度没有相关性。这与T3和T4处理中田面水可溶性氮、总氮浓度与NH4+-N变化趋势一致有关。可见，田面水NH4+-N浓度是影响NH3挥发极为重要的因素。

表3 不同施肥处理稻田NH3挥发通量与田面水NH4+-N、NO3--N、可溶性氮和总氮的相关性Table 3 Correlation between NH3volatilization rate and NH4+-N、NO3--N、dissolved N and total N in field water

2.5 不同有机肥替代处理对水稻产量的影响

由表4可知，各处理水稻产量按照从高到低的顺序排列为 T2（6 649.82 kg/hm2）＞T1（6 390.08 kg/hm2）＞T3（6 262.74 kg/hm2）＞T4（5 415.97 kg/hm2）＞T0（4 368.23 kg/hm2）。T0处理产量最低，T2处理产量最高，较T0增产52.23%，较常规施肥T1增产4.06%；其次为T1处理，较T0增产46.28%。可见，当有机肥替代无机氮肥比例过高时，水稻产量会减少，用30%有机肥替代无机肥有增产效果。

表4 不同施肥处理的水稻产量Table 4 Rice yield under different fertilization methods

3 讨论

本研究结果表明，有机肥替代化肥能够有效降低紫色土丘陵区稻田NH3挥发损失，而且有机肥替代比例越高，减排潜力越大。本试验中，有机无机肥配施以及纯有机肥处理的NH3挥发损失总量较常规化学肥料降低了30%～70%，这与已有研究结果基本一致。邢月等研究不同施肥方式对上海地区稻田NH3挥发特征的影响，发现单施化肥NH3挥发损失率可达11.88%，而单施有机肥和混施肥处理NH3挥发损失率分别为2.30%和8.10%[3]。吴凡等研究发现洱海流域有机肥与化肥配施处理的稻田NH3挥发累积量比常规施肥处理的减少了64.44%[13]。朱文博研究发现有机肥替代20%化肥氮素较单施化肥稻田NH3挥发累积排放量下降18%～21%[14]。这可能与尿素和有机肥被施入土壤后发生的反应不同有关。尿素在土壤脲酶的催化作用下被水解成NH4HCO3，随后迅速转化为NH4+-N，一部分被土壤胶体吸附，另一部分则进入到土壤溶液中以NH3等气体形式挥发。而有机肥中大量的有机氮组分则需要经过长时间的矿化分解才能参与NH3挥发的过程，而且有机肥在分解过程中会释放大量有机酸，降低了土壤pH，同时形成的腐殖质会增加土壤的吸附力，从而对NH3挥发有明显的抑制作用[5，15]。此外，有机肥施用能够促进土壤微生物活动，将土壤无机氮固定转化为有机氮，减少了产生NH3的无机氮量，进而降低NH3挥发损失[5，15]。

本试验中，通过研究不同施肥处理下稻田田面水氮浓度动态的变化发现，施肥后各处理田面水可溶性氮和总氮浓度即达到最高值，受作物吸收、NH3挥发、土壤吸附和氮素渗漏等作用的影响迅速下降，在第10天降到较低值。对于处理T1和T2，施肥后田面水NH4+-N浓度迅速提高，在第4天达到峰值，随后逐渐降低，在第10天降到较低值。对于处理T3和T4，施肥后第1天田面水NH4+-N即达到峰值，随后逐渐降低，在第7天降到较低值且趋于稳定。可见，施肥后10 d内是防控氮素流失的关键时期，这与前人研究结果基本一致。叶鑫等研究发现水稻季3次施肥后，与单施化肥处理相比，有机肥替代化肥氮处理的田面水总氮浓度分别降低了46.14%～71.01%、19.54%～50.53%和 60.34%～80.12%；NH4+-N浓度分别降低了52.98%～73.37%、17.58%～54.53%和38.16%～86.15%[12]。李喜喜等研究发现猪粪和化肥配施处理较常规施肥处理水稻田面水总氮和NH4+-N浓度分别显著降低7.94%～23.60%和21.28%～42.91%，可以有效降低氮素流失的风险[16]。在本试验条件下，田面水可溶性氮和总氮浓度随着有机肥替代比例的增加而降低，但铵态氮浓度的峰值随着有机肥替代比例的增加而增加，这与叶鑫和李喜喜的研究结果不一致，可能与有机肥种类、施肥方式等研究条件不同有关。本试验中有机肥是一次性施入，大量有机肥内的可溶性NH4+-N进入农田造成田面水NH4+-N含量增加幅度很大。此外，本试验在施肥后第1天和第4天测定水体中NH4+-N浓度，第1天尿素并未完全水解，所以NH4+-N浓度较低。依据NH3挥发通量（见图1），NH4+-N峰值很可能出现在第3天，第4天NH4+-N浓度已经出现回落，所以并未监测到真正的NH4+-N峰值。

本研究表明，有机肥部分替代化肥能稳定或提高作物产量，但完全替代化肥会降低作物产量，这与大多数研究结果相一致。周江明研究表明，在总氮量不变情况下，有机肥替代20%～40%化肥，早稻、晚稻和单季稻产量比单施化肥处理分别增产8.5%、2.8%和4.6%[17]。陈琨等研究发现有机无机肥配施处理的水稻产量较CK增加17.29%～31.43%，100%有机肥处理的产量较CK减少3.64%[18]。这可能与施肥措施的持续时间有关，有机肥养分释放速率较慢，难以像化肥处理那样在作物生长前期满足作物生长所需的有效氮素，随着时间的延长，有机肥替代处理的土壤肥力提升，进而会增加作物产量。本研究中不同比例有机肥替代化肥对水稻产量的影响仅为当年试验研究结果，还需更长期的试验研究。

4 结论

川中紫色土丘陵区域水稻田施肥后，较高NH3挥发通量持续在10 d之内。在整个监测期间，NH3挥发累积量为18.99～68.54 kg/hm2，占氮肥施用量的10.04%～43.07%。与常规施肥即纯尿素处理相比，随着有机肥替代比例的增加，NH3挥发总量减低21.77～49.55 kg/hm2。综合考虑环境、经济效益等因素，川中紫色土丘陵区域水稻田有机肥替代化肥适宜比例为30%，既可促使水稻的增产或稳产、降低成本，同时可提高氮素利用率并降低农业面源污染风险。