不同灌水和生物炭量对夏玉米农田氨挥发的影响

2022-07-28薛建文庞桂斌付玉荣冯严明徐征和

节水灌溉 2022年7期

薛建文，庞桂斌，丛鑫，付玉荣，冯严明，徐征和

（济南大学水利与环境学院，济南 250022）

0 引言

农业是我国国民经济的基础产业，是食品的来源，更是人类生存发展的根本[1]。而肥料在保障我国粮食安全中起着不可替代的支撑作用，但是化肥养分利用率低又会对环境产生不良的影响。综合我国部分地区主要作物上进行的田间原位观测结果，分析可知氨挥发约占我国农田中化肥氮去向的11%[2]。有研究表明[3]，氨挥发进入大气后以干、湿沉降的方式返回陆地生态系统，虽然增加了土壤有效态氮，然而过量的氨挥发损失不仅加大氮肥的投入，造成经济损失，氨气进入大气后也会产生土壤酸化、水体富营养化等一系列环境问题，会给陆地和水体生态系统带来严重危害[4-6]，而土壤氨挥发受施氮量、温度、土壤含水率和pH 等多种因素共同影响[7]。合理使用氮肥，减少环境污染，是现代农业生产急需解决的问题。

对不同施肥处理氨挥发量与施肥量的拟合研究，表明随施肥量增加,冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发显示出较强的线性增长趋势，其中夏玉米季是冬小麦-夏玉米轮作农田氨的高排放时期[8]。在中国北方冬小麦生产中，氨挥发总量随化肥施氮量的增加呈指数函数形式增加[9]，相关研究表明[10]灌水量，施氮量以及两者的交互作用极显著的影响土壤氨挥发通量峰值，累积氨挥发量，氨挥发损失率等。近年来，生物炭在减少农业土壤氨挥发和提高作物对氮素的利用效率方面获得了较多研究成果，其中酸性或热解温度为700 ℃生物炭的降氨效果最好，提高了土壤阳离子交换量，增强了土壤的吸附作用[11]。有研究表明髙施生物炭可以增强土壤增汇作用，从而减少温室气体排放与氨挥发[12-14]。吴玉洁等人发现高施用生物炭抑制了NH4+-N 的硝化作用，进而增加了N2O 的排放，对氨挥发无明显影响。一些试验结果表明施用生物炭显著提高了土壤pH 值及土壤通透性，导致土壤氨挥发累积量增加[15]。施用生物炭来降低氨挥发的前提是不能降低农业总产量，生物炭的多孔结构，大比表面积等特点有利于提高土壤养分利用率与水分利用率，保证了作物在节水灌溉条件下的产量[16-18]。

由于条件的限制，当地大多数农民仍采取经验灌溉，在这种条件下，采取施用生物炭的措施以达到限制氨挥发，提高产量的目的。生物炭在作物播种之前以基肥形式施用于土壤，夏玉米生育期内的灌水量应根据当季气候与降雨确定，因此不同地区及每年玉米的灌水量均不同，生物炭可能对氨挥发及产量产生不同的影响。本研究对夏玉米农田土壤氨挥发进行原位测定研究，目的在于揭示不同灌水条件下生物炭量对土壤氨挥发与产量的影响，计算出生物炭量最优区间，为华北平原农田施用生物炭提供理论支持，以期为减少氮素损失，提高氮素利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

夏玉米田间小区试验地点位于山东省济南市西部长清区（36°34′N，116°50′E），长清区地处中纬度地带，属于温带季风气候，季风明显，四季分明，年平均气温13.8 ℃，无霜期178 d，年日照时数1 870.9 h。三面环山的地形，水汽和热空气回流聚集不宜扩散，多于一般北方城市的夏季降水，年平均降水量623.1 mm，夏玉米生育期温度降雨变化见图1。供试土壤为壤土，0～20 cm 耕层土壤理化性质为：有机质含量10.89 g/kg，pH 值7.88，全氮1.07 g/kg，速效磷22.26 mg/kg，速效钾83.98 mg/kg。

图1 夏玉米生育期内温度、降雨变化Fig.1 Changes of temperature and rainfall during summer maize growth

1.2 试验设计

试验共设置灌水和生物炭2个因素，灌溉方案根据当地农民习惯灌溉设置I2：在苗期和拔节期灌水，分别灌水67.5 mm和54.0 mm，全生育期总灌水量121.5 mm，在此基础上进行节水灌溉I1：在苗期灌水，灌水量为67.5 mm；灌水均采用微喷方式定量灌溉。生物炭量设置3 个水平：C1（0 t/hm2）、C2（20 t/hm2）和C3（40 t/hm2），管理方案见表1。试验所用生物炭是由木柴在600～750 ℃高温热解制得，基本性质为：有机碳60.66%，pH 值7.8，灰分5.24%，全水分6.78%，全氮0.42%，全磷0.14%，全钾9.19 g/kg。生物炭以基肥形式一次性翻入土壤，与0～20 cm 耕层土壤混合均匀。夏玉米试验品种为“郑单958”，于2020年6月23日播种，采用人工点播的方式，种植密度每公顷5.997 万株，于2020年10月4日收获。

表1 夏玉米灌水生物炭量管理方案Tab.1 Water and charcoal management scheme for summer maize

试验所用氮肥为尿素，每公顷施氮肥431 kg（折合N 200 kg），基肥和追肥各占50%，播前每公顷施过磷酸钙625 kg（折合P2O575 kg）和氯化钾213 kg（折合K2O 128 kg），施肥方式均为沟施，施肥深度大致为5 cm，施肥后覆土灌水。

1.3 氨气的捕获与测定方法

本试验采用间歇式密闭容器抽气法[19]，其原理是利用真空泵抽气使洗气瓶中形成负压，土壤挥发出的氨气被吸入硼酸洗气瓶中，再用稀硫酸滴定测得氨挥发量。密闭式玻璃罩材料为亚克力板，体积为30 cm×20 cm×10 cm=6 L，上接2 m 通气管；250 mL 洗气瓶中盛放80 mL 的2%硼酸-指示剂溶液；使用转子流量计控制空气流速为2.5 L/min；各部分之间用橡胶软管连接，氨挥发收集装置见图2。

图2 氨挥发收集装置图Fig.2 NH3 volatilization collection device drawing

收集氨气时，将密闭式罩扣入土壤表层下5 cm 深，随机放置在测坑中。每日10∶00-12∶00 收集气体，夏玉米苗期，6月23日施基肥后，从6月24日起每日监测土壤的氨挥发变化，7月2日监测氨挥发损失达到痕量，停止监测，期间最高、最低气温平均值为30.4、22 ℃，降雨量为98.15 mm；夏玉米拔节期，7月28日追肥后，从7月29日起每日监测土壤的氨挥发变化，8月11日监测氨挥发损失达到痕量，停止监测，期间最高、最低气温平均值为31.2、24.2 ℃，降雨量为112.2 mm。计算氨挥发通量公式：

式中：F为氨挥发速率，kg（hm2•d）；V为滴定用硫酸的体积，L；C为标准硫酸浓度，mol/L；0.014 为氮原子的相对原子质量，kg/mol；A为捕获装置的横截面积，hm2；T为连续收集氨气的时间，h。

引发土壤氨挥发作用的氮素主要有两个来源，一是夏玉米生育期内施用的尿素转化的铵态氮，另一个是土壤中原本存在的铵态氮，在不考虑氮肥激发效应的前提下，土壤中铵态氮的氨挥发作用等同于本试验空白处理组的氨挥发作用。经过施氮试验小区与空白试验小区的差值计算，可得夏玉米生育期内由尿素转化的铵态氮所引起的氨挥发损失量。

1.4 样品采集与测定

试验开始后在试验地均匀采集0～20 cm 耕层土壤，土壤样品带回试验室，经过风干、过筛后测定土壤样品的pH、铵态氮和硝态氮含量。具体为：土壤pH 采用1∶2.5 的水土比制备土壤溶液，用实验室pH 计测定；土壤铵态氮和硝态氮含量采用1.0 mol/L 的氯化钾溶液浸提，用紫外可见分光光度计测定。产量按小区收获分别计产。

1.5 数据处理分析

利用Origin 2019b进行绘图，采用Pearson检验法进行相关性分析，利用SPSS 26.0中的ANOVA程序对氨挥发量及产量进行差异性分析，以p＜0.05差异显著。

2 结果与分析

2.1 施肥后氨挥发动态变化

两次施肥后氨挥发日变化规律相同，随着时间的延长，氨挥发均呈现先增加后降低的趋势（图3）。不同处理氨挥发动态变化趋势基本一致，氨挥发速率在施肥后2～4 d 出现峰值，随后逐渐降低，直至与空白处理差异不显著。追肥时期各施肥处理氨挥发速率均高于基肥时期各处理，且追肥时期各处理的氨挥发持续时间较基肥时期氨挥发持续时间长。追肥时期降雨较多，土壤含水率较高，当土壤水分增加到一定值时，抑制了土壤铵态氮向硝态氮的转化过程，进而延长了氨挥发的排放过程[20,21]。

图3 土壤氨挥发速率变化Fig.3 Changes in NH3 volatilization rate from soil

基施氮肥后[见图3（a）]第3 天各处理氨挥发速率均达到峰值[分别为N 0.91、0.88、1.88、1.17、0.73、1.42 kg/（hm2•d）]，随后降低，第9 天后与空白处理无差异，氨挥发过程基本结束。由于苗期灌水量相同，生物炭量是影响氨挥发的主要因素。C2 处理的氨挥发速率峰值较C1 处理降低3.30%～37.61%（p＜0.05），而C3 处理较C1 处理增高21.37%～106.59%（p＜0.05）。

在追肥期氨挥发过程中，影响氨挥发的因素分为灌水量和生物炭量的不同[见图3（b）]。追肥后第3 天I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 处理氨挥发速率均达到峰值[分别为N 2.21、1.79、4.51、5.36、3.52、6.22 kg/（hm2•d）]。由于追肥期间气温较高，土壤水分蒸发速率加快，土壤水汽携带作用[22]导致追肥氨挥发速率与基肥氨挥发速率相比较高。I2处理的氨挥发速率峰值较I1 处理增高37.92%～142.53%（p＜0.05）。C2 处理的氨挥发速率峰值较C1 处理降低19.00%～34.33%（p＜0.05），C3 处理较C1 处理增高16.04%～104.07%（p＜0.05）。追肥期间生物炭对氨挥发速率的影响与基肥期间一致。

2.2 不同处理下氨挥发累积排放量

基肥期间I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 的氨挥发累积排放量[见图4（a）]分别为N 4.54、2.75、6.92、4.12、2.52、7.52 kg/hm2，C2 处理的氨挥发累积排放量较C1 处理减少38.81%～39.37%（p＜0.05）；C3 处理比C1 处理增加52.27%～82.31%（p＜0.05）。追肥期间各处理的氨挥发累积排放量[见图4（b）]分别为N 11.83、8.44、21.55、31.04、22.45、35.61 kg/hm2，C1 处理比C0 处理减少27.67%～28.65%（p＜0.05）；C3 处理比C1 处理增加14.71%～82.16%（p＜0.05）；在施炭量相同时，I2处理的氨挥发累积排放量均比I1处理高，增加65.24%～166.02%（p＜0.05）。

基肥时期，各处理氨挥发累积损失率[见图4（c）]在施肥后迅速增大，第6 天后变化幅度呈现出平稳趋势，由此可见，基肥时期主要的氨挥发发生在施肥后6 天内[I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 累积损失率分别达到82.87%、95.37%、92.92%、93.55%、96.73%、97.23%]。而追肥时期氨挥发累积损失率[见图4（d）]的变化与基肥时期相比较缓慢，I1 处理下第8 天后变化幅度呈现出平稳趋势[I1C1、I1C2、I1C3 分别达到91.3%、91.4%、87.5%]，而I2 处理下则在第11天后呈现出平稳趋势[I2C1、I2C2、I2C3 分别达到90.5%、85.0%、93.6%]。由此可见，追肥时期与基肥时期、I2 处理与I1处理相比氨挥发过程更长。

图4 不同处理氨挥发累积排放量和累积损失率Fig.4 Cumulative emission of NH3 volatilization and cumulative loss rate of different treatments

夏玉米的全生育期中，不同处理间的氨挥发总量（图5）达到显著差异。不同生物炭量下，氨挥发随灌溉量变化的表现特征一致，与I1相比，I2在C1、C2与C3处理下氨挥发总量分别显著提高了114.84%、123.12%、51.51%。不同灌溉量下，氨挥发随生物炭量变化的表现特征一致，与C1 相比，C2 限制了氨挥发，在I1与I2处理下显著降低了31.64%与28.97%，而C3在I1与I2处理下显著增加了73.92%与22.63%。

图5 氨挥发总量Fig.5 Total amounts of NH3 volatilization

2.3 土壤pH、NH4+-N、NO3--N 及温度与氨挥发速率相关性分析

基、追肥后土壤pH、NH4+-N 浓度及温度与氨挥发速率均为极显著正相关（图6），这是由于尿素被施入土壤后迅速水解为NH4+-N，既增高了土壤中NH4+-N 的浓度，也提高了土壤pH。较高浓度的NH4+-N 为氨挥发提供了充足的物质条件，高pH 会促使NH4+-N 向NH3转化。随着氨挥发的进行，尿素完全水解后，NH4+-N与pH均出现回落，氨挥发速率呈现出同样的动态规律。NO3--N 是NH4+-N 硝化作用的产物，表现出与NH4+-N 相反的动态规律，因此与氨挥发速率及NH4+-N浓度呈现出显著负相关。基肥中温度与氨挥发速率无明显相关性，追肥中呈现出显著正相关，可能是追肥期，温度达到可以显著影响氨挥发的水平，温度越高时，NH3扩散的速度越快，因此可以通过调整追肥时期来避免高温对氨挥发的影响。

图6 氨挥发速率与NH4+-N、NO3--N、pH和温度相关性分析Fig.6 Correlation analysis of NH3 volatilization flux with NH4+-N,NO3--N,pH and temperature

2.4 不同处理的效益评价

选取夏玉米产量、灌溉量以及农田氨挥发排放量为评价指标，采用熵权法对不同处理进行评价，基本数据见表2。

表3为不同处理的综合评分及排序，结合表2和表3分析可知，I2 处理的综合评分均高于I1 处理，I1 处理虽然减少了灌溉量与氨挥发量，但同时显著降低了夏玉米的产量，而I1C2与I1C2处理的综合评分均高于I2C1，说明施用生物炭后，不仅减少了灌溉量与氨挥发量，并且在保证了夏玉米的产量，甚至达到了丰产的目的。在不同灌溉量下，均是C2 处理达到最优。

表2 评价指标基本数据Tab.2 Basic data of evaluation indicators

表3 各处理的综合评分及排序Tab.3 Comprehensive score and ranking of each treatment

3 讨论

3.1 灌溉对土壤氨挥发的影响

氨挥发受土壤含水率的影响较明显，土壤湿度越大，土壤水汽携带作用所致的氨挥发量占比越大，由氨分压引起的扩散作用所致的氨挥发量占比减小[22]。并且当土壤含水率较低时，肥料的氧化强度减弱，大幅度降低了氨挥发速率[23]。本研究中基肥时期，不同灌溉处理之间的氨挥发量没有显著性差异，追肥时期，I2 处理灌水后土壤含水率较I1 处理显著增高，首先为尿素水解提供良好的水分环境，同时抑制了硝化作用，降低了土壤中的NO3--N浓度，研究发现NO3--N浓度与氨挥发速率呈显著负相关，因此追肥时期灌水延长了氨挥发过程，增加了氨挥发量。与刘阳阳等研究结果一致，增加灌水次数与灌水量后，土壤氨挥发显著性增加[24]。

3.2 生物炭量对农田土壤氨挥发的影响

生物炭表面含有大量的碳酸盐、酸性官能团，可以降低土壤H+数量，从而提高土壤pH 值[25]。土壤pH 值是影响氨挥发的重要参数之一[26]，本研究中也发现氨挥发速率与土壤pH呈显著正相关，土壤pH值越大，越有利于平衡向NH3端进行，进而增加农田氨排放量。研究发现氨挥发速率与NH4+-N 浓度呈显著正相关，生物炭的多孔隙，大比表面积等特点为NH4+-N 与NH3提供了大量的吸附位点，土壤吸附能力增强[27-29]，既减少了氨挥发的底物[30]，也抑制了NH3的扩散，两者的共同作用下，促使生物炭可以减少农田氨挥发。可以看出，生物炭对农田氨挥发有着不同的影响，这可能是由于生物炭的施用量、制作材料、热解温度与基本物化性质导致的[31-33]。本研究中探究了不同施炭量对氨挥发的影响，发现C2 处理通过改善土壤结构，增强吸附能力，降低了氨挥发的峰值，进而减少了氨挥发损失。而C3 处理因为过量的生物炭，显著提高了土壤pH与土壤通透性，促进了NH3在土壤与大气中的交换作用，提高了氨挥发速率，增加了氨挥发损失。

3.3 生物炭量对夏玉米产量的影响

生物炭通过高温裂解后制得，具有较高的灰分，化学稳定性强[34]，其特有的结构性质可以改善耕层土壤理化性质与土壤肥力状况[35]。施入生物炭的同时，带入土壤中的钾与磷元素会促进作物吸收生长。俞若涵等[36]在生物炭对夏玉米农田土壤有效养分利用的影响中发现仅在适量施用生物炭的条件下才能有效促进夏玉米对土壤养分的吸收和高效利用，进而显著提高夏玉米产量。而生物炭量较高会造成玉米早衰，导致叶绿素含量的减少和光合速率的降低，与低生物炭量相比，不利于玉米粒重的形成[37]。土壤呼吸与pH 值呈负相关[38]，过量施用生物炭显著提高土壤pH 值，不利于作物根系生长，导致夏玉米早衰。本研究中也发现施用生物炭后，促进了夏玉米产量的形成，但产量并不随着生物炭量的增加始终增加，在生物炭量达到某一值后，高生物炭量会对产量出现抑制作用，与前人的研究成果一致。