蒜田氨挥发特征及其影响因素

陈艳秋，陈 洁，胡智涛，张一帆，严奉君，，任万军，周 伟，*

（1.四川农业大学农学院，成都 611130；2.农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130）

氮肥因其在作物产量和品质形成等方面均起着关键性作用，因此，氮肥在农业系统中的施用量一直居高不下，自2010年以来每年投入农业生产系统中的氮肥超过1.0×108t，我国氮肥用量约占全世界的1/3(FAO，2010—2018年)，而施入农田的大量氮肥仅有35%左右被作物吸收利用，比世界平均水平低15～20个百分点[1]。氨挥发是氮素损失的主要途径之一，研究表明通过氨挥发损失的氮素可高达60%[2-3]，农业系统中排放出的大量氨气占大气氨排放总量的2/3左右(IPCC,2019年)。大气中大量氨的存在是引起诸多环境问题的诱因。氨气是大气中主要的碱性气体，能与二氧化硫、氮氧化物等酸性气体反应生成含氮气溶胶，而这些含氮气溶胶是PM2.5的主要成分，是导致雾霾天气和气候变化的主要原因之一[4-6]。同时，氨气还能转化成氮气和氮氧化物[7]，增加氮素的干湿沉降，加重土壤酸化、水体富营养化、生物多样性丧失等环境问题，增加对人体健康和人类生存的威胁[8-9]。因此，降低农田生产系统中氮肥的氨挥发损失对保护生态环境具有重要意义。

大蒜含有丰富的蛋白质以及磷、镁、钠和硫的化合物，兼具食用价值和药用价值，是人类餐桌上常见的蔬菜和调味品之一。蒜苗、蒜薹和蒜头均可食用，因此种植大蒜具有较高的经济效益，近年来其种植面积也在不断增长。2019年全球大蒜种植面积超过 1.6×106hm2，与 2010年相比增长了22.2%，而中国的大蒜种植面积占全世界总量的50%以上（FAO，2010—2019年）。高投入，特别是肥料的大量施用，是大蒜高产出的主要原因。在四川地区农民常规种植的水旱轮作模式下，大蒜的氮肥投入量是油菜、小麦的4.6和3.2倍[10]。崔艳秋等[11]研究表明，大蒜的最佳施肥量N、P2O5和K2O分别高达436.95、213.34和336.74 kg/hm2。众多研究表明，氨挥发损失量与氮肥施用量呈显著正相关[12-13]。蒜田施肥量大、肥料种类多，其氨挥发规律及其影响因素尚不明确。因此，本研究以长期种植大蒜-水稻轮作模式的农田为研究对象，通过测定大蒜整个生育期内氨挥发速率以及田间大气和土壤环境条件变化，并结合不同栽培管理措施对氨挥发的影响，探讨水旱轮作模式下，蒜田氨挥发规律及其影响因素，为蒜田施肥的优化和氨气的减排提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验地点概况

试验于2016—2017年在四川农业大学现代农业研发基地(30°33′N,103°38′E)进行。该区域位于四川盆地，属亚热带湿润季风气候，平均无霜期为285 d，年平均气温为15.9℃，年平均日照时数为1 161.5 h，年平均降雨量为1 012.4 mm。试验地于2014年开始种植大蒜-水稻轮作模式，土壤基础肥力如表1所示。

表1 供试土壤基础肥力Table 1 The chemical properties of the tested soil

1.2 试验设计

1.2.1 大田试验

试验在长期种植大蒜，并按当地大蒜栽培管理措施的4个小区内进行，小区面积4 m×8 m。采用当地主栽大蒜品种红七星，9月25日按照20 cm×6 cm的行穴距进行穴播，每穴1苗。氮磷钾肥按照N∶P2O5∶K2O=35∶20∶8.5施用，施纯氮525 kg/hm2，按基肥∶追肥=3∶2施用，其中基肥施用复合肥（15-15-15）750 kg/hm2，碳铵1 125 kg/hm2，追肥3次，分别在苗期（12月底）、花芽鳞芽分化期（2月份）以及蒜苔收获后（3月底）各施用尿素150 kg/hm2，基肥另施过磷酸钙1 500 kg/hm2。施肥播种后均匀覆盖前茬作物水稻的秸秆，秸秆覆盖量为12 000 kg/hm2。在4小区内分别安装2套氨气收集装置，测定大蒜全生育期内氨气挥发损失规律。

1.2.2 微区试验

蒜田施氮量大、氮肥种类多，且有秸秆还田，为进一步探究上述栽培措施对大蒜氨挥发的影响，设置3因素完全随机微区试验，微区面积0.2 m×0.2 m。因素1为不同氮肥施用量，设置70 kg/hm2（R1）和210 kg/hm2（R2）两个水平；因素2为秸秆处理，设置秸秆覆盖（S1）和无秸秆覆盖（S2）两个水平；因素3为不同氮肥类型，设置复合肥（15-15-15,T1）、碳铵（T2）、尿素（T3）3个水平，各处理3次重复，各微区内安装氨气收集装置1套，取样周期为1个月。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 氨挥发速率

采用原位监测通气法收集测定氨挥发损失[14-15]，改进后的收集装置如图1所示。收集装置主体为有机玻璃制成的圆柱体，高度为25 cm，内径为15 cm，透光率90%以上。海绵厚2 cm，直径16 cm，间隔2 cm，田间安装前均匀浸以磷酸甘油溶液15 mL（磷酸50 mL+甘油40 mL，蒸馏水定容至1 L）。从施肥后的第1d开始取样，施肥后前1周每天取样1次，施肥后的2～3周2～3 d取样1次，之后每周取样1次。取样时取出中层海绵，装入塑封袋中带回实验室，用浓度为1.0 mol/L的KCl溶液震荡浸提1 h后，采用靛酚蓝比色法测定铵离子浓度[16]。氨挥发速率计算方法如下：

图1 氨气收集装置示意图Figure 1 Schematic diagram of NH3volatilization collection device

其中RAV为氨挥发速率，M为海绵浸提液中铵态氮含量（mg N），A为收集器的横截面积（㎡）；D为收集间隔时间（d）。

1.3.2 田间环境条件

大气条件，包括温度、光照强度和湿度，由光温湿记录仪（JL-18）每30 min自动记录，采用便携式温度计和pH计（PHB-8）在收集海绵时同步测定土壤温度和pH值，同时采用五点法取0～10 cm土壤采用靛蓝比色法测定土壤铵离子浓度[16]。

1.3.3 秸秆全氮含量

秸秆还田覆盖前以及1个月取样周期结束后，取各处理秸秆烘干、粉碎、过60目筛后，采用凯式定氮法测定秸秆全氮含量。

1.4 数据处理

采用DPS数据处理软件对试验数据进行ANOVA方差分析，并用LSD法进行多重比较；采用Microsoft Excel 2010和JMP13软件对试验数据进行处理和作图分析。

2 结果与分析

2.1 蒜田氨挥发规律及其损失量

图2结果显示，蒜田各次施肥后氨挥发速率均呈现先增加后降低的趋势，最大氨挥发速率出现在施肥后的第3～5 d，随后逐渐降低，施肥1周后氨挥发速率均降至0.4 kg/(hm2·d)以下。基肥施用后1周内氨气日均挥发速率最高，为2.7 kg/(hm2·d)，3次追肥施用后1周内氨气日均挥发速率较低，为0.5～1.1 kg/(hm2·d)。基肥累计氨挥发量高达25.4 kg/hm2，占氮肥施用量的8.1%；追肥中，第2次追肥累计挥发量最高，第3次追肥累计氨挥发最低，分别占氮肥施用量的13.5%和7.9%；大蒜整个生育期内氨挥发总量为48.3 kg/hm2，氨挥发损失率为9.2%。综上可知，蒜田氨挥发主要集中在施肥后的1周之内，基肥氮施用量最高，氨挥发损失速率也最大，但占氮肥施用量的比率较低。

图2 蒜田氨挥发规律及其损失率Figure 2 Ammonia volatilization regularity and loss rate in garlic field

2.1 环境条件及其与氨挥发的关系

大气环境和土壤条件在蒜田氨挥发主要发生时期的变幅均较大（图3），其中基肥施用后的平均大气温度（24.1℃）、湿度（87.2%）、光照强度（4 508.9 Lux）以及土壤温度（21.7℃）和铵离子浓度（36.6 mg/kg）均高于3次追肥，而土壤pH值（6.7）为最低值；第1次追肥后的平均大气温度、湿度、光照强度以及土壤温度为4次施肥中的最低值，与基肥相比，分别降低了14.7℃、3.4%、3 097.0 Lux和11.3℃。相关分析结果表明，氨挥发速率与气温、光强和土温呈极显著正相关，与铵离子浓度呈显著正相关，与土壤pH值呈极显著负相关，与空气湿度无显著相关性，其中受土壤温度影响最大（图4）。

图3 大气条件和土壤环境Figure 3 Air condition and soil environment

图4 环境条件与氨挥发速率的相关性分析Figure 4 Correlation analysis between environmental conditions and ammonia volatilization rate

2.3 栽培措施对蒜田氨挥发的影响

2.3.1 栽培措施对氨挥发的主效和互作效应

表2可知，蒜田氨气日均挥发速率和总挥发量为施氮量、氮肥类型和秸秆覆盖及其互作效应共同作用的结果，其中施氮量和氮肥类型及其二者的互作效应极显著影响氨挥发速率和氨挥发损失量，秸秆覆盖对氨气日均挥发速率和总挥发量影响显著。

表2 氨挥发联合方差分析（F值）Table 2 Variance analysis of ammonia volatilization(F-value）

2.3.2 不同栽培措施对蒜田氨挥发速率的影响

由图5所示，蒜田氨挥发速率变化规律在不同栽培措施下有所差异。不同施氮量和秸秆处理条件下，氨挥发速率在施肥后的第1天最高，第2天有所降低，而后呈现先增后降的变化规律；施氮量越高氨挥发速率越大，在施肥后的1周内高施氮量的氨挥发速率是低施氮量的2.1～6.2倍，秸秆覆盖可有效降低施肥后1周内的氨挥发速率。而在不同氮肥类型下，尿素和复合肥的氨挥发速率均呈现先增后降的变化规律，但尿素的挥发速率显著高于复合肥；碳氨的氨挥发速率在施肥后的第1天高达4.8 kg/(hm2·d)，分别是尿素和碳氨最高挥发速率的2.1和8.1倍，而后逐渐降低。不同栽培措施下氨挥发速率在施肥后的1～7 d较高，表明蒜田氨挥发损失主要集中在施肥后的1周内，且主要受施氮量和肥料类型的影响。

图5 不同栽培措施对蒜田氨挥发速率的影响Figure 5 Effect of different cultivation measures on ammonia volatilization rate in garlic field

2.3.3 不同栽培措施对蒜田氨挥发量的影响

不同栽培措施对蒜田氨挥发量的影响如图6所示。施肥后1个月内高施氮量处理的氨挥发量是低施氮量的2.8倍；在低施氮量条件下，秸秆覆盖处理的氨挥发量比与无秸秆覆盖降低了29.2%，而在高施氮量条件下，仅降低25.0%；在低施氮量和高施氮量条件下，碳铵和尿素的氨挥发量分别是复合肥的2.5～2.9倍和7.3～7.6倍；表明与高施氮量相比，在低氮肥施用量条件下，秸秆覆盖减少氨挥发的效果更明显，而不同氮肥类型之间的差异较小。

图6 不同栽培措施对蒜田氨挥发量的影响Figure 6 Effect of different cultivation measures on ammonia volatilization amount in garlic field

秸秆覆盖处理降低了氨挥发量，施肥后1个月内的氨挥发总量为无秸秆覆盖的处理的73.9%；秸秆覆盖条件下，低施氮量处理的氨挥发量是高施氮量处理的35.0%，碳氨和尿素的氨挥发量是复合肥的4.4倍；无秸秆覆盖条件下，低施氮量处理的氨挥发量是高施氮量处理的37.1%，碳氨和尿素的氨挥发量是复合肥的6.0倍；表明，秸秆覆盖增加了施氮量处理间的差异，但降低了氮肥类型间差异。

3种常用氮肥中，碳氨和尿素的氨挥发总量差异甚微，施肥后1个月内的氨挥发总量为12.3 kg/hm2，是复合肥处理的5.2倍；复合肥在不同施用量和秸秆处理条件下氨挥发量差异较小，碳氨和尿素高施用量的氨挥发量分别是低施用量的3.4和2.8倍，无秸秆覆盖均是有秸秆覆盖的1.4倍左右；表明，复合肥的氨挥发量受施用量和秸秆覆盖的影响较小，而碳氨和尿素的氨挥发量受施用量和秸秆覆盖的影响较大，特别是碳氨的氨挥发增加速度超过施用量增加速度。

综上可知，常用氮肥中，碳氨和尿素的氨挥发量主要受氮肥施用量的影响，秸秆覆盖可减少氨挥发量，而复合肥氨挥发量较少，且受施用量和秸秆处理的影响较小。

3 讨论

3.1 蒜田氨挥发规律

蒜田施氮量虽显著高于小麦、玉米和水稻等大田作物，但其氨挥发主要发生时期与前人在玉米、水稻中的研究结果类似，均集中在施肥后的1周之内[17-18]，表明，氨挥发主要时期受作物类型、栽培措施、环境条件等的影响较小。蒜田基肥与各次追肥虽然施用肥料类型不同，但施肥后氨挥发速率均呈现先增后降的规律，峰值出现在施肥后的3～5 d。从图5不同氮肥类型氨挥发规律可知，尿素和复合肥氨挥发速率均呈现先增后降的规律，但碳铵在施肥后的第1 d即达峰值，随后逐渐降低，这与Cai G.X.等[19]的研究结果一致。其原因在于尿素、复合肥等氮肥类型施用之后，对土壤铵离子浓度的影响受制于水解或酶解的速度，以及不同氮素形态的转化[20-21]。蒜田基肥所施氮肥为碳铵和复合肥，所施碳铵纯氮含量是复合肥施用量的1.7倍，同时从图5中显示碳铵的氨挥发速率极显著高于复合肥，但是基肥的氨挥发速率并未呈现与碳铵类似的递减规律，除了混合施用了复合肥以外，施基肥后进行了秸秆覆盖是导致其氨挥发规律发生变化的主要原因。秸秆还田对氨挥发的影响研究结果存在争议，一部分研究结果表明秸秆还田氨挥发增加，其主要原因在于作物秸秆残留在土壤表面，阻隔了氮肥与土壤的接触，减少了铵离子的吸附面积[22-24]；也有部分研究表明秸秆还田可以减少氨挥发损失[25-26]，与本研究结果一致；究其原因可知，本研究中秸秆覆盖还田是在基肥施用之后，因此秸秆还田不会阻碍肥料与土壤的接触。此外，通过检测施肥1个月后覆盖秸秆氮含量与初始值的差异表明，覆盖在肥料之上的秸秆对挥发出来的氮素还具有吸附作用，与秸秆初始氮含量相比，施肥1个月后秸秆含氮量提高了12.3%～24.2%（图7），从而降低了氨的挥发。图5中还显示，秸秆覆盖对氨挥发的降低作用也主要集中在施肥后的1周之内，且第1天差值最大。综上结果可知，蒜田氨挥发集中在施肥后的1周之内，呈现先增后降的规律，挥发时期不受外界因素影响，挥发规律是秸秆覆盖和氮肥类型共同作用的结果。

3.2 蒜田氨挥发速率影响因素

蒜田氨挥发速率和损失量均受环境条件影响，且在不同栽培措施下差异显著。氨挥发损失量随施氮量的增加呈线性或指数形式增加，其主要原因在于氮肥用量的增加极大地提高了土壤或田面水铵态氮浓度，从而促进了氨的挥发[13,27-28]。本研究结果也表明施氮量越大，氨挥发量越高，但不同氮肥类型间有差异。碳氨、尿素和复合肥高施用量的氨挥发量分别是低施用量的3.4、2.8和1.1倍，表明氨挥发损失量随施氮量的增加受氮肥类型的影响较大，碳铵、尿素增大施用量氨挥发显著增加，因此，不宜一次性施用过多。前人通过对比研究不同类型氮肥的氨挥发损失表明，常用氮肥中碳铵、氢氧化铵、尿素的氨挥发风险较大，硫酸铵和磷酸氢二铵的氨挥发相对较少，其中尿素的氨挥发损失率通常在5%～15%范围内，硫酸铵通常在2%～3%范围内[12]，且其他氮肥与尿素混合会增加氨挥发损失[2]。本试验条件下，蒜田施用的3种氮肥中，碳铵、尿素和复合肥的氨挥发损失率分别为8.5%、9.0%和2.2%，与上述试验结果相符，表明复合肥为氨挥发风险较低类型。施肥时期不同，氨挥发损失也存在较大差异，一部分前人研究表明基肥氨挥发损失高于追肥[29-30]，也有试验结果表示追肥氨挥发量大于基肥[13,31-32]，其差异原因主要在于氨挥发容易受到环境条件，如温度、风速、土壤pH值和湿度等的影响[19,25,33-35]。K.C.Cameron等[12]对前人研究氨挥发的影响因素进行了综合分析，最终指出无论是秸秆还田，还是温度等大气、土壤环境条件对农田氨挥发的影响都不能一概而论，因为氨挥发是一个复杂的过程，受诸多因素共同影响。而在本研究条件下，氨挥发速率与土温、气温、光强、铵离子浓度均呈显著或极显著正相关，其中土温影响最大。蒜田4次施肥的氨挥发损失量基肥>第2次追肥>第1次追肥>第3次追肥，基肥用量大，施用时期温度高是其氨挥发量最大的主要原因。综上可知，影响蒜田氨挥发量的因素，主要包括施氮量、氮肥类型、秸秆覆盖和土壤温度。

4 结论

蒜田氨挥发主要发生在施肥后的1周内，4次施肥的氨挥发速率变化规律受氮肥类型和秸秆覆盖的影响，均呈现先增后降的规律，峰值出现在施肥后的3～5 d。施氮量、氮肥类型、秸秆覆盖和土壤温度是蒜田氨挥发量的主要影响因素，碳铵和尿素氨挥发量大，且随施氮量的增加显著升高，秸秆覆盖可有效降低基肥的氨挥发损失，温度越高氨挥发损失越大。减少氮肥用量，将碳铵和尿素替换为其他氨挥发风险较低的氮肥，坚持施肥后秸秆覆盖还田是减少蒜田氨挥发的有效措施。