施氮肥對冬小麥田土壤氨揮發(fā)的影響

施氮肥對冬小麥田土壤氨揮發(fā)的影響

氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。近50多年來,我國農(nóng)田化肥N的使用量大幅度增加。2011年,我國氮肥使用量已達(dá)到2381.4萬t,FAO也于報(bào)道中提到:中國N肥用量占全球的35%左右,是世界上最大的N肥生產(chǎn)和消費(fèi)國。但是大量的研究表明,在施肥量增加的同時(shí),農(nóng)田化肥氮素的利用率降低,大部分氮素以各種形式進(jìn)入到大氣或水環(huán)境,不僅造成肥料和能源的浪費(fèi),而且會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生污染。合理使用氮肥,減少環(huán)境污染,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)急需解決的問題。大量研究表明,氨揮發(fā)是氮素?fù)p失的主要途徑。Zhu等綜合我國部分地區(qū)主要作物田間原位觀測結(jié)果,估算我國氮損失總計(jì)約478萬t,其中以氨氣形式進(jìn)入大氣的約273萬t,占總損失量的56.1%。研究表明,無論在酸性還是堿性土壤上,尿素施入稻田后都存在氨揮發(fā)損失,其損失量占施N量的比例為0.41%~40%。楊晶秋等研究了穩(wěn)定型有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥與尿素氨揮發(fā)的差異看出,有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥與尿素相比氨揮發(fā)抑制率達(dá)57%。氨揮發(fā)進(jìn)入大氣以干、濕沉降的方式返回陸地生態(tài)系統(tǒng),雖然可增加土壤有效態(tài)氮,然而過量的氨揮發(fā)損失不僅加大了氮肥投入,造成間接的經(jīng)濟(jì)損失,而且進(jìn)入大氣后產(chǎn)生一系列環(huán)境問題,如土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等,會(huì)給陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害。過量施用氮肥導(dǎo)致的氮素利用率低、環(huán)境污染,已成為我國乃至全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重威脅。為了降低氨揮發(fā)損失,全世界已開展了大量的研究工作,研究表明,農(nóng)田氨揮發(fā)損失是農(nóng)田施N素?fù)p失的主要途徑之一,其中,稻田氨揮發(fā)損失占施氮量的4%~10%。朱兆良等采用微氣象學(xué)方法研究了我國水田生態(tài)系統(tǒng)的土壤氨揮發(fā),發(fā)現(xiàn)水稻田尿素的氨揮發(fā)損失高達(dá)9%~30%。冬小麥?zhǔn)蔷┙嫉貐^(qū)主要糧食作物,小麥平均施氮量(以N計(jì))達(dá)到349kg·hm-2,遠(yuǎn)高于全國平均施氮水平,然而氮肥利用率卻僅為10%~20%,有關(guān)京郊地區(qū)小麥田的氨揮發(fā)損失鮮有報(bào)道。田間氨揮發(fā)原位測定方法很多,在比較不同施肥多重處理的氨揮發(fā)速率時(shí),本文采用田間原位測定農(nóng)田氨揮發(fā)的裝置及方法研究了京郊冬小麥田不同施氮水平條件下氨揮發(fā)損失規(guī)律,目的在于了解該區(qū)氨揮發(fā)損失特征,揭示農(nóng)田土壤小麥季中氨揮發(fā)排放規(guī)律,從對環(huán)境友好的角度尋求最佳施氮量,以期為減少氮素?fù)p失,提高氮素利用率提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1陰山山地干草原區(qū)試驗(yàn)于2012年10月至2013年6月在北京市房山區(qū)農(nóng)科所院內(nèi)進(jìn)行。該區(qū)位于北緯39°30′~39°55′,東經(jīng)115°25′~116°15′。全區(qū)總面積2019km2。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱多雨,秋季秋高氣爽而短促,冬季寒冷干燥。年平均氣溫為11.6℃,年平均降水量687mm,降水集中在6—8月,占全年降水量的85%,降雨強(qiáng)度大,多冰雹、大風(fēng)。年平均無霜期185d。該區(qū)主要耕作方式為冬小麥與夏玉米輪作。1.2實(shí)際施肥方案試驗(yàn)在原位土柱上進(jìn)行,微區(qū)直徑80cm,微區(qū)面積0.5m2。供試土壤為潮土,pH8.3左右,土壤基本性狀見表1。試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,共24個(gè)小區(qū),完全隨機(jī)排列,具體施肥處理見表2。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民平時(shí)施氮量,設(shè)置1個(gè)常規(guī)處理N4(200kg·hm-2),磷鉀肥均采用優(yōu)化用量,磷100kg·hm-2,鉀120kg·hm-2。磷鉀肥全部基施,尿素基肥和追肥各占50%。供試冬小麥品種為昊聯(lián)211小麥常規(guī)種。2012年10月13日播種,當(dāng)天表面撒施尿素、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O),2013年4月24日追肥。每次施肥后灌水40mm,共80mm。試驗(yàn)地2012年10月、2013年4月的月平均日地表溫度分別為14.51、14.85℃。1.3冬小麥田氨揮發(fā)的測定通過分析以往測定方法的優(yōu)缺點(diǎn),本研究采用田間原位測定農(nóng)田氨揮發(fā)的裝置及方法,包括空氣交換室、通氣桿、真空抽氣控制設(shè)備、氨吸收劑、氨測定方法。試驗(yàn)裝置見圖1。空氣交換室為底端開放,頂部有兩個(gè)出口的有機(jī)玻璃圓柱體,兩個(gè)出口分別用于進(jìn)氣和出氣,進(jìn)氣口通過螺紋管與高度為2.5m的中空塑料通氣桿相連,出氣口與氨吸收裝置相連,真空泵提供的負(fù)壓將交換室內(nèi)產(chǎn)生的氨抽吸至吸收液內(nèi)。本研究中采用的吸收液是含有混合指示劑的1%硼酸溶液,通過控制閥保持交換室內(nèi)空氣交換頻率為10~15次·min-1,抽氣結(jié)束后將吸收液帶回實(shí)驗(yàn)室,用標(biāo)準(zhǔn)稀硫酸滴定來計(jì)算氨揮發(fā)量。取樣時(shí),1%的硼酸溶液即用即配,量取60mL硼酸溶液裝入洗氣瓶,于上午9:00—10:00用電動(dòng)泵抽取采集氨氣。氣體樣品被0.01mol·L-1的硼酸溶液吸收,收集的溶液用標(biāo)準(zhǔn)稀硫酸滴定法測定。施肥后連續(xù)采樣15d,以15d的氨揮發(fā)累積量作為冬小麥田氮肥基施冬前氨揮發(fā)總排放量。氨揮發(fā)計(jì)算式:式中:N為硫酸滴定讀數(shù),L;C為標(biāo)準(zhǔn)硫酸濃度,mol·L-1;14為N的相對分子質(zhì)量。氨揮發(fā)速率由下式得出:式中:M為測得的NH3-N量,mg;A為捕獲裝置的橫截面積,m2;T是連續(xù)收集氨氣的時(shí)間,h。2結(jié)果與分析2.1施肥對氨揮發(fā)的影響本研究中,小麥生育期施肥包括基肥和一次追肥。兩次施肥后氨揮發(fā)日變化規(guī)律相同,隨著時(shí)間的延長,氨揮發(fā)均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(圖2)。不同水平施肥處理氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化趨勢基本一致,氨揮發(fā)速率在施肥后2~3d出現(xiàn)第一個(gè)峰值,隨后逐漸降低,直至無明顯變化。高施氮量處理氨揮發(fā)速率高于低施氮量處理;基肥時(shí)期各個(gè)施肥處理氨揮發(fā)速率高于追肥時(shí)期各個(gè)施肥處理,且基肥時(shí)期各處理的氨揮發(fā)持續(xù)期較追肥時(shí)期氨揮發(fā)持續(xù)期長?；┑屎?圖2A)的第2d氨揮發(fā)速率最高(第一個(gè)高峰),隨后降低,到第13d氨揮發(fā)均小于0.06kg·hm-2·d-1,氨揮發(fā)過程基本結(jié)束。不同水平施肥處理氨揮發(fā)變化趨勢基本一致。N0、N1、N2、N3氨揮發(fā)速率變化幅度分別為0~0.33、0~0.61、0~0.59、0~0.82kg·hm-2·d-1,均小于1kg·hm-2·d-1;N4、N5、N6、N7氨揮發(fā)速率變化幅度分別為0~1.19、0.04~1.96、0.04~2.03、0.05~2.42kg·hm-2·d-1,氨揮發(fā)速率隨著施氮量的增加有明顯升高。N0~N7的平均氨揮發(fā)速率分別為0.14、0.34、0.54、0.82、1.17、1.96、2.03、2.41kg·hm-2·d-1。追肥后氨揮發(fā)速率(圖2B)整體趨勢與基肥情況基本一致,升高到最大值后逐漸降低。氨揮發(fā)速率峰值出現(xiàn)在施肥后第3d。施肥一周后,揮發(fā)速率銳減,逐漸消失,說明硝化作用基本在施肥一周內(nèi)完成。施肥后第11d天氣驟然轉(zhuǎn)暖,溫度升高,導(dǎo)致氨揮發(fā)速率有較小升高,但隨即降至對照水平。在追肥期間的氨揮發(fā)過程中,N0、N1氨揮發(fā)速率變化幅度接近,分別為0.15~0.35、0.05~0.49kg·hm-2·d-1,均小于0.5kg·hm-2·d-1;隨著施氮量的增加氨揮發(fā)速率增加,N2~N7氨揮發(fā)速率變化幅度分別為0.06~0.66、0.06~1.10、0.09~1.19、0.07~0.73、0.12~1.14、0.09~1.42kg·hm-2·d-1。N0~N7的平均氨揮發(fā)速率分別為0.27、0.45、0.60、1.09、1.19、0.70、1.14、1.42kg·hm-2·d-1。與基肥施用后相比,氨揮發(fā)持續(xù)的時(shí)間較短。主要由于追肥期氣溫較高,氮素轉(zhuǎn)化達(dá)到平衡較快。2.2施肥對n0的氨揮發(fā)的影響冬小麥種植體系基肥和追肥時(shí)期氨累積揮發(fā)排放量分別見圖3、圖4。隨著施肥天數(shù)的增加,冬小麥田的氨累積揮發(fā)量也出現(xiàn)增加的趨勢?；适┯?3d的累積氨揮發(fā)排放量見圖3A,在施氮量25、50、75、100、125、150、200kg·hm-2時(shí),第1d氨揮發(fā)排放量分別為0.61、0.59、0.75、1.19、1.32、1.39、2.03kg·hm-2,其損失比例(第1d的氨揮發(fā)量/15d氨揮發(fā)總量,下同)分別為33.2%、23.9%、19.8%、23.5%、15.2%、15.6%、14.2%(圖3B)。施肥后2d內(nèi)的氨揮發(fā)累積損失比例分別為51.7%、45.7%、41.4%、46.4%、37.8%、38.5%、31.2%。與第1d相比,增加了16.9%~22.9%。第7d氨揮發(fā)累積排放量分別為1.73、2.25、3.52、4.73、7.71、7.92、11.95kg·hm-2,氨揮發(fā)累積損失比例為94.5%、91.4%、93.0%、92.8%、88.7%、89.0%、83.6%。追肥后累積氨揮發(fā)排放量見圖4A,在13d的連續(xù)測定期間,追肥后第1d冬小麥N1~N7氨揮發(fā)量分別為0.49、0.66、0.75、0.69、0.73、0.78、0.71kg·hm-2,相應(yīng)的損失比例為19.4%、19.0%、13.2%、11.7%、19.1%、13.1%、10.3%(圖4B)。前2dN1~N7氨揮發(fā)累積排放量分別為0.80、1.23、1.44、1.35、1.19、1.47、1.59kg·hm-2,氨揮發(fā)累積損失比例分別為32.6%、35.5%、25.5%、22.7%、31.3%、24.6%、23.0%,與第1d相比,增加了8.3%~13.3%。第7dN1~N7氨揮發(fā)累積排放量為2.06~5.73kg·hm-2,氨揮發(fā)累積損失比例分別為57.1%、82.6%、85.1%、85.2%、85.9%、83.5%、82.8%?；屎妥贩势陂g,前7d內(nèi)N1~N7的氨揮發(fā)累積損失比例分別為83.6%~94.5%和57.1%~82.8%。除N0外,90%左右的氨揮發(fā)損失是發(fā)生在施肥后7d內(nèi),7d之后氨揮發(fā)量僅占10%左右。冬小麥田氨揮發(fā)總量見圖5。從圖中可以看出,除N0在追肥時(shí)期氨揮發(fā)量要明顯高于基肥時(shí)期外,其他施氮處理,追肥時(shí)期氨揮發(fā)普遍低于基肥時(shí)期,主要由于追肥時(shí)期作物生長旺盛,吸收氮素較高。在基肥試驗(yàn)期間,N0氨揮發(fā)損失量為0.81kg·hm-2,N1~N7處理的氨揮發(fā)總量分別為1.83、2.46、3.79、5.09、8.69、8.90、14.29kg·hm-2,分別占施氮量的2.04%、2.20%、2.98%、3.43%、4.5%、5.4%、6.74%。追肥試驗(yàn)期間,N0氨揮發(fā)損失量為2.20kg·hm-2,N1~N7處理的氨揮發(fā)總量分別為2.53、3.45、5.67、5.93、3.82、5.97、6.91kg·hm-2,分別占施氮量的0.7%、1.7%、3.5%、3.0%、1.1%、2.2%、2.4%。隨著施氮量的增加,冬小麥整個(gè)種植體系的氨揮發(fā)總量呈線性增加趨勢。整個(gè)生育期N0~N7氨揮發(fā)量分別為3.01、4.35、5.91、9.46、11.03、14.64、14.87、21.20kg·hm-2。氨揮發(fā)損失率符合二次方程曲線,通過模擬,施肥量大于150kg·hm-2,氨揮發(fā)損失率增加。這說明當(dāng)?shù)实氖┯昧砍^150kg·hm-2時(shí)由氨揮發(fā)造成的氮損失不容忽視。2.3小麥和小麥品種的施量及氨揮發(fā)圖6所示,冬小麥N0~N7處理的產(chǎn)量曲線符合方程:在該試驗(yàn)條件下,最高產(chǎn)量為5225.7kg·hm-2,最高產(chǎn)量施肥量是216.9kg·hm-2。施用氮肥可以提高冬小麥產(chǎn)量,但過量施肥引起產(chǎn)量降低。同時(shí),氨揮發(fā)量隨著施氮量的增加而增大。本試驗(yàn)中N3施氮水平下,小麥產(chǎn)量高于其他處理下的產(chǎn)量,且氨揮發(fā)損失率小于其他處理?？梢妰?yōu)化施肥不僅可以提高糧食產(chǎn)量,還可以節(jié)約施肥成本,減少環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。3討論3.1化肥處理的效果施肥主要影響表層土壤的銨態(tài)氮總濃度,從而影響氨揮發(fā)速率。本試驗(yàn)共有2個(gè)不同的施肥時(shí)期,一個(gè)時(shí)期是在冬小麥季以基肥的方式施入,其余是在拔節(jié)期以追肥的方式施入。對比不同施肥時(shí)期土壤表面氨揮發(fā)排放情況,結(jié)果表明:冬小麥基肥和追肥施用后,氨揮發(fā)速率均于2~3d達(dá)到最高值,基肥時(shí)期介于0.34~2.41kg·hm-2·d-1,拔節(jié)期介于0.27~1.42kg·hm-2·d-1,然后逐漸下降。各處理基肥后氨揮發(fā)速率峰值高于拔節(jié)期追肥后氨揮發(fā)的峰值。冬小麥田基肥后氨揮發(fā)損失量為1.83~14.29kg·hm-2,占氮損失比例為2.0%~6.7%,而拔節(jié)期追肥后氨揮發(fā)損失量介于2.53~6.91kg·hm-2,占氮損失比例為0.3%~1.2%。冬小麥各施肥處理氨揮發(fā)損失量基肥高于追肥。鄧美華等研究指出,在小麥整個(gè)生育期中,氨揮發(fā)損失表現(xiàn)為基肥時(shí)期>穗肥時(shí)期>拔節(jié)肥時(shí)期,基肥時(shí)期是麥季氨揮發(fā)損失的主要時(shí)期,氨揮發(fā)損失量占該時(shí)期施氮量的比例為27.3%。高施氮量處理,氨揮發(fā)量顯著高于其他處理。90%左右的氨揮發(fā)損失是發(fā)生在施肥后的7d內(nèi)。因此,適當(dāng)控制基肥氮肥投入,可以降低氨揮發(fā)損失。3.2不同溫度對土壤氨揮發(fā)的影響氮肥施入土壤迅速水解成銨態(tài)氮,易揮發(fā)損失。在試驗(yàn)期間,隨著時(shí)間的推移表層土壤含水量逐漸降低,當(dāng)遇到降雨后會(huì)有所回升,與氨揮發(fā)速率變化具有較好的一致性。氣象因子中除風(fēng)速外,溫度是影響氨揮發(fā)的一個(gè)重要因子?；试囼?yàn)期間(圖2A),地表溫度10~20℃,前期持續(xù)高溫,促進(jìn)了尿素的水解和銨態(tài)氮的形成,導(dǎo)致前期較高的氨揮發(fā)。該試驗(yàn)中第2和第3個(gè)高峰均是在兩次降雨后由于氣溫回升出現(xiàn)的。在施肥后的第3d降雨(降雨量8.5mm)后,氣溫降低8℃,第5d氣溫回升,此時(shí)地表溫度突升至21℃,因此各處理在第5d均出現(xiàn)了第二個(gè)高峰。第二次降雨在施肥后第9d(降雨量微小,無降雨量數(shù)據(jù)),氣溫降到16℃,第11d地表溫度有小幅度升高,為19℃,因此第11d氨揮發(fā)速率略有升高,但幅度較小。此外,有人研究氨揮發(fā)量與土壤水分散失呈正相關(guān),溫度升高,土壤水分散失量增加,氨揮發(fā)量相應(yīng)增加,與本研究結(jié)果一致。小麥追肥期地溫高(18~28℃),尿素水解快,表層土壤的氨分壓(濃度)較高,高溫還可以促進(jìn)NH4+-N向NH3的轉(zhuǎn)化,故氨揮發(fā)量增加。在小麥田追肥后11d溫度突然升高至27℃,部分處理的氨揮發(fā)日排放量略有小幅度上升。當(dāng)溫度低時(shí),脲酶活性低,不利于尿素水解,因而產(chǎn)生NH3少。4肥料用量nb(1)本