不同施氮措施对枸杞园土壤NH3挥发和N2O排放的影响

2022-02-14卢九斤聂易丰魏娇娇盛海彦华明秀许米聪王永亮

农业环境科学学报 2022年1期

卢九斤，聂易丰，魏娇娇，盛海彦，2*，华明秀，许米聪，王永亮

（1.青海大学农牧学院，西宁 810016；2.省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016；3.青海诺木洪农场，青海都兰 816100）

我国是世界上氮肥生产和消费量最大的国家，氮肥消费量占世界总消费量约30%，但氮肥的当季表观利用率仅30%~35%，过量施氮已成为农田生态系统污染的主要来源之一，也是氮肥利用率较低的重要原因。已有研究表明，氮肥配施硝化抑制剂可减少氮肥的气态损失，提高氮肥利用率。氮肥施入土壤后的去向有：作物利用约35%，NH挥发损失约11%，表观硝化-反硝化损失约34%，淋洗及径流损失约7%。氮肥的气态损失主要有NH和NO等形式。肥料用量、气候条件等均会影响NH挥发及NO排放，其中氮肥用量的影响最为显著。王成等对香梨的研究表明，在施氮量450 kg·hm的基础上减少33.33%的氮肥投入，NH挥发和NO损失量分别降低8.04 kg·hm和72.21 kg·hm。朱志军发现，苹果园氮肥用量较常规高氮处理减少50%时，NO累积排放量降低43.27%且对产量无影响。相关研究发现，添加硝化抑制剂可抑制土壤中的硝化作用，降低NO排放系数，减少氮肥气态损失，提高产量。也有研究发现，硝化抑制剂的施用增加了土壤铵态氮的浓度，促进了NH挥发，但提高了作物产量及氮肥利用率。因此，合理施用氮肥及硝化抑制剂可提高作物的氮肥利用率，降低氮素的气态损失。

柴达木地区独特的气候条件为枸杞提供了适宜的生存环境，使得其外观品质好、营养成分高。柴达木枸杞种植面积自2014年的不足2万hm发展至2018年的3万hm，枸杞产业已成为柴达木地区的主导产业。为保证枸杞高产，种植户盲目投入大量氮肥。过量的氮肥未显著提高枸杞产量，但极易产生NH、NO等气体，从而降低氮肥利用率。因此，探究合理的施氮措施，降低柴达木枸杞园土壤NH挥发和NO排放刻不容缓。目前研究施氮对NH挥发和NO排放影响的相关研究主要集中于梨、苹果等，而对柴达木枸杞的研究鲜有报道。本试验通过设置不同施氮量及配施硝化抑制剂，研究其对柴达木枸杞园土壤NH挥发和NO排放的影响，旨在为枸杞生产提高氮肥利用率及降低环境污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年及2020年在青海省海西州诺木洪农场（96°20′E，36°25′N）进行。该地区属高原大陆性气候，海拔2 760 m，年平均降雨量58 mm，试验期间两年的降水总量分别为48.32 mm和28.65 mm，平均气温分别为14.43℃和17.52℃（图1）。试验地土壤类型为灰棕漠土，质地为砂壤土。0~20 cm土层土壤基础理化性质：有机质含量19.51 g·kg，全氮含量1.43 g·kg，全磷（PO）含量3.05 g·kg，全钾（KO）含量23.13 g·kg，碱解氮含量69.76 mg·kg，速效磷（PO）含量82.56 mg·kg，速效钾（KO）含量210.80 mg·kg，pH 8.49。0~20 cm土层土壤容重为1.51 g·cm，以上均为试验前测定结果。

图1 监测期间的气温和降雨量Figure 1 The air temperature and precipitation during the monitoring period

1.2 试验材料

供试枸杞为树龄10 a的宁杞1号；氮肥为尿素（N 46%，云天化集团），磷肥为重过磷酸钙（PO46%，云天化集团），商品有机肥（有机质≥45%，N+PO+KO≥5%，青海恩泽农业技术有限公司）；硝化抑制剂为2-氯-6（三氯甲基）-吡啶（nitrapyrin，有效成分70%，可湿性粉剂，浙江奥复托化工有限公司）。

1.3 试验设计

田间试验采用随机区组设计，枸杞种植株距为1.5 m、行距为2 m，各小区面积39 m，共设置9个处理，每个处理3次重复。N（农民习惯施氮量）、N、N、N、N、N处理依次施用纯氮667、534、400、267、133、0 kg·hm，NI、NI、NI处理是在N、N、N处理施氮量的基础上，配施nitrapyrin 2.00、1.33、0.67 kg·hm。所有处理均施用商品有机肥1 667 kg·hm，PO333 kg·hm，均为当地农民习惯施肥用量。

2019年5月20日及2020年5月14日在每株枸杞树的树冠下行间距主根30 cm处挖深20 cm、长50 cm、宽25 cm的施肥坑，均匀撒施有机肥及磷肥，尿素和nitrapyrin分别于2019年5月20日、6月30日及2020年5月15日、7月5日作为基肥和追肥两次施用（基肥与追肥的比例为1∶1）。每次施肥前将各处理每株树的尿素和nitrapyrin提前称于同一塑料袋，混合均匀后撒施入施肥坑。灌溉等其他田间管理与当地农民习惯一致。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 氨气

NH挥发收集装置如图2所示。该装置由聚氯乙烯硬质塑料管制成，内径15 cm，高10 cm。NH收集前在各处理小区随机选取3株长势均一的枸杞树，距树主根30 cm处将塑料管楔入土壤（约1 cm）。NH的捕获在施肥当日开始，下午15：00将2块厚度均为2 cm、直径为15 cm的海绵浸泡于15 mL的磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 L），充分吸收后放置于收集装置内。下层的海绵距管底5 cm，上层海绵与管顶部相平。24 h后将通气装置下层海绵于次日15：00取出，迅速装入自封袋密封，上层的海绵视其干湿情况3~7 d更换1次。将装有海绵的自封袋带回试验室，分别装入500 mL的塑料瓶中，加入300 mL 1.0 mol·L的KCl溶液浸泡，振荡1 h后（160 r·min）过滤，采用连续流动分析仪（Seal AA3）测定浸提液中的NH及NO含量。NH挥发收集频率为：施肥后连续7 d，灌水后连续3 d，日降雨量>20 mm时加测1次，其余时间为每周2次。

图2 NH3挥发收集装置图Figure 2 Diagram of NH3 volatilization collection device

土壤NH挥发速率的计算公式为：

式中：（NH）为NH挥发速率，kg·hm·d；为通气法单个装置平均每次测得的氨量（NH-N），mg；为捕获装置的横截面积，m；为每次连续捕获的时间，d。

NH挥发累积量及NO累积量的计算均采用线性插值法。

NH挥发净损失率=（施氮处理NH挥发累积量-不施氮处理NH挥发累积量）/施氮量×100%。

1.4.2 氧化亚氮

NO收集采用静态暗箱法。样品采集前将采样装置的底座楔入土壤。采样箱（长50 cm×宽50 cm×高50 cm）由不锈钢板焊接制成，箱体外部包有泡沫板以防止箱内温度有剧烈变化。在箱体一侧距底部约35 cm处接三通阀，其旁设有温度探测口，箱内顶部对角处安装小型风扇。采样在上午9：00—12：00进行，采气前将底座的外围凹槽（宽度2 cm）注满水以密封箱体，再将箱体紧扣于底座。在关箱后的第0、15、30、45 min分别用50 mL注射器抽取箱内气体，注射入密封气袋后用气相色谱仪（安捷伦GC7890）测定气体样品中NO浓度。采样时间为2019年5—10月及2020年5—10月。采样频率为施肥后连续7 d，灌水后连续3 d，日降水量>20 mm时加测1次，其余时间为每周采集1次。

NO的排放通量计算公式为：

式中：（NO）为NO排放通量，μg·m·h；2为NO中氮原子的个数；14为氮原子的摩尔质量，g·mol；22.4为标准状态下气体的摩尔体积，L·mol；为箱体高度，m；d/d为采样过程中箱内NO浓度随时间的变化率；为采样过程中气体收集箱内的平均温度，℃。

NO排放净损失率=（施氮处理NO累积量-不施氮处理NO累积量）/施氮量×100%

1.4.3 枸杞产量

2019年7月30日、8月20日、9月14日及2020年8月5日、8月27日、9月19日在各处理小区随机选取3株长势均一的枸杞树，分别采摘全部果实，晾干后测定枸杞干果质量。

枸杞净收益（元·hm）=枸杞产量（kg·hm）×[枸杞单价（40元·kg）-人工采果费（4.5元·kg）]-[尿素单价（1.98元·kg）×施用量（kg·hm）+重过磷酸钙单价（2.2元·kg）×施用量（kg·hm）+商品有机肥单价（1.2元·kg）×施用量（kg·hm）+nitrapyrin单价（160元·kg）×施用量（kg·hm）]

1.4.4 土壤温度与土壤湿度

在采集NH及NO样品时用地温计测定10 cm土壤温度，并用烘干法测定0~10 cm土壤含水量，土壤容重采用环刀法测定。

土壤充水孔隙率（）=土壤质量含水量×土壤容重/（1-土壤容重/2.65）

1.5 数据处理

采用Excel及Origin 8.0软件进行数据处理并做图，采用SPSS25.0软件进行方差分析和显著性检验，并分析NH挥发和NO排放通量分别与及10 cm土壤温度的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤充水孔隙率与土壤温度

每次灌水后先达到峰值后逐渐降低（图3）。由于2019年7月3日和2020年6月21日的降雨并结合灌水，两年均在第二次灌水后达到峰值。2019年平均58.32%与2020年的58.29%基本相同。10 cm土温随灌水的发生先降低后增加，2019和2020年的10 cm土温均在8月份达到最高，最高温度分别为19.51℃和21.70℃，最低温度分别为8.10℃和5.63℃。两年土壤温度均值分别为13.72℃和12.92℃。

图3 试验期间土壤充水孔隙率（WFPS）和10 cm土壤温度Figure 3 Soil water-filled pore space（WFPS）and 10 cm soil temperature during study period

2.2 不同施氮措施对NH3挥发的影响

2.2.1 NH挥发速率

每次施肥后NH挥发速率均升高，随后逐渐降低并趋于平缓。NH挥发速率在施肥后的3~8 d出现峰值，灌水后的1~3 d呈下降趋势（图4）。氮肥的施用显著提高了枸杞园土壤的NH挥发速率，硝化抑制剂对NH挥发速率无显著影响。N处理的NH挥发速率最高，N处理最低。2019年N处理的NH挥发速率在施基肥后的第8 d（5月28日）和追肥后的第3 d（7月3日）达到峰值，分别为0.48 kg·hm·d和0.45 kg·hm·d；N处理的NH挥发速率较N、N、N处理显著提高了10.64%、16.59%、49.43%，较NI、NI处理增加了14.04%、20.07%。2020年NH挥发速率在施基肥后的第5 d（5月20日）和追肥后的第4 d（7月9日）出现峰值，分别为0.57 kg·hm·d和0.47 kg·hm·d；N处理的NH挥发速率为0.34 kg·hm·d，较N、N处理增加了14.92%、21.94%，较NI、NI处理增加了21.07%和24.63%。NI、NI、NI处理的NH挥发速率与对应的N、N、N处理间无明显差异。土壤温度和均在一定程度上影响了枸杞园土壤的NH挥发。土壤温度与NH挥发速率呈显著正相关（<0.05），与NH挥发呈负相关（表1）。

图4 枸杞生育期的NH3挥发速率Figure 4 NH3 volatilization rate during wolfberry growing season

2.2.2 NH挥发累积量

NH挥发累积量与施氮量呈极显著正相关，两年的相关系数分别为0.987和0.968（图5）。配施硝化抑制剂对NH挥发累积量及净损失量无显著影响。N处理的NH挥发累积量显著高于其他处理（表2）。2019年各处理NH挥发累积量为24.91~34.49 kg·hm，N处理的NH挥发累积量较N和N处理显著增加了8.87%、15.31%，NI和NI处理较N处理NH挥发累积量显著降低了13.22%、16.64%。2020年NH挥发累积量为26.54~35.11 kg·hm，N处理的NH挥发累积量较N、N处理及NI、NI处理显著增加了9.17%、15.61%和17.98%、22.12%。

表2 枸杞园NH3挥发累积量Table 2 Cumulative loss of NH3 in wolfberry orchard

图5 施氮量与NH3挥发累积量的关系Figure 5 The relationship between nitrogen fertilizer rate and accumulation NH3 volatilization

NH挥发净损失量随施氮量的增加而增加，两年N处理的NH挥发净损失量均为最高，较N、N处理显著增加了2.81、4.58 kg·hm和2.95、4.74 kg·hm，较NI处理显著增加了4.56 kg·hm和5.35 kg·hm。两年中硝化抑制剂对NH挥发净损失量均无显著影响。

2.3 不同施氮措施对N2O排放的影响

2.3.1 NO排放通量

每次施肥和灌水后NO排放通量均升高，且在施肥后的3~4 d达到峰值，灌水后的1~3 d显著增加，随后降低并趋于平缓（图6）。N处理的NO排放通量最高，排放峰值均出现在基肥施用后的第4 d（2019年5月24日及2020年5月19日），分别为1 765.43 μg·m·h和1 783.27μg·m·h；2019年和2020年试验期间N处理的NO日均排放通量分别为330.85、496.59μg·m·h，分别较N、N、N处理增加了42.21%、89.46%、636.86%和23.64%、54.51%、979.07%，较NI、NI处理分别增加了123.80%、131.17%和91.59%、129.97%。硝化抑制剂的添加显著降低了NO的排放通量。2019年和2020年试验期间，NI处理的排放峰值分别为1 242.57μg·m·h和1 252.75μg·m·h，日均排放通量分别为147.83、259.20μg·m·h，较N处理分别降低了36.46%、35.47%。

图6 枸杞生育期的N2O排放通量Figure 6 N2Oemissions during wolfberry growing season

NO排放与土壤温度、均呈显著正相关（<0.05）（表1）。2019年和2020年试验期间，N处理的NO排放与均呈极显著正相关，相关系数分别为0.599、0.617（<0.01），NI处理的NO排放与呈显著正相关，相关系数分别为0.334和0.456。

表1 土壤充水孔隙率（WFPS）和土壤温度与NH3挥发和N2O排放的相关性分析Table 1 The relationship between WFPS and soil temperature and NH3 emission，N2Oflux

2.3.2 NO累积排放量

NO累积排放量与施氮量呈极显著正相关，2019年和2020年的相关系数分别为0.984和0.923（图7）。硝化抑制剂的添加显著降低了枸杞园NO累积排放量及净损失量（表3）。2019年和2020年N处理的NO累积排放量均最高，分别为6.84 kg·hm和9.73 kg·hm；N处理最低，分别为0.91 kg·hm和1.19 kg·hm。2019年N处理NO累积排放量较N、N处理显著增加了24.36%、43.10%，NO净损失量显著增加了29.19%、53.23%。NI、NI、NI处理的NO累积排放量分别较N、N、N处理显著降低了34.31%、31.45%、41.37%，NO净损失量显著降低了42.38%、41.64%、65.19%。2020年N处理NO累积排放量较N、N处理显著增加了7.51%、16.11%，净损失量显著增加了8.65%、18.78%。与N、N、N处理相比，NI、NI、NI处理的NO累积排放量显著降低了28.52%、29.90%、33.84%，NO净损失量显著降低了33.24%、36.98%、45.51%。

表3 枸杞园N2O累积排放量Table 3 Cumulative N2Oemission in wolfberry orchard

图7 施氮量与N2O累积排放量的关系Figure 7 The relationship between nitrogen fertilizer rate and cumulative N2Oemission

2.4 不同施氮措施对枸杞产量及效益的影响

随施氮量的增加枸杞产量及净收益呈先增加后降低的趋势（表4）。2019年N处理的枸杞产量较N处理显著增加了7.56%，净收益显著提高了7.95%（<0.05）。相同施氮量下添加硝化抑制剂提高了枸杞产量及净收益。其中两年NI处理的枸杞产量及净收益均最高，产量分别为7 867 kg·hm和8 462 kg·hm，净收益分别为274 504元·hm和295 626元·hm，2019年NI处理的枸杞产量较N处理增加了9.26%，净收益提高了9.80%；2020年NI处理较N、N处理枸杞产量分别增加了6.67%、5.62%，净收益分别提高了7.10%、5.59%。

表4 不同氮肥处理的枸杞产量及经济效益Table 4 Wolfberry yield and economic benefit

由肥料效应方程（图8）可知，2019年施氮量为445 kg·hm时枸杞产量最高，为7 583 kg·hm；施氮量为441 kg·hm时经济效益最佳，为264 557元·hm。2020年施氮量为554 kg·hm时枸杞产量最高，为8 055 kg·hm；施氮量为545 kg·hm时经济效益最佳，为280 891元·hm。

图8 施氮量与产量的关系Figure 8 The relationship between nitrogen fertilizer rate and yield

3 讨论

3.1 氮肥减施及添加硝化抑制剂对产量的影响

相关研究表明，作物产量随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势。本试验结果也发现，施氮量为0~667 kg·hm时，枸杞产量呈先增后降的趋势，且根据肥料效应方程，2019年及2020年施氮量分别为445 kg·hm和554 kg·hm时，枸杞产量最高，施氮量为441 kg·hm和545 kg·hm时，枸杞经济效益最佳。农民习惯施氮量为667 kg·hm，均显著高于最佳产量施氮量及最佳经济效益施氮量。过量施氮降低了枸杞产量，可能是由于氮素与多种元素有协同和拮抗作用，过量的氮素可能阻碍了树体对其他营养元素的吸收和利用，且前人研究表明，土壤长期处于高氮水平会降低土壤pH值，影响根系活力，直接导致根系吸收养分能力下降。本研究表明，施氮量为400 kg·hm配施2.00 kg·hmnitrapyrin的枸杞产量显著高于农民习惯施氮量。原因可能是nitrapyrin可抑制土壤中氮素的硝化作用，降低NO-N淋溶损失和硝化-反硝化损失，提高了氮素利用率及枸杞产量，与段颜静的研究结果相似。因此，在农民习惯施氮量的基础上减施40%氮肥且配施nitrapyrin，可满足枸杞全生育期对氮素的需求，并有显著的增产效果，且可达到较优经济效益。