太湖地區(qū)冬小麥季土壤氨揮發(fā)與一氧化氮排放研究

劉麗穎，曹彥圣，田玉華，尹 斌*，朱兆良

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京210008;2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

近30年來，我國的氮肥用量大幅度增加，特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的投入到了驚人的地步，如太湖流域水稻生產(chǎn)中，氮肥平均施用量已達(dá)到 N 300 kg/hm2，有的甚至高達(dá) N 350 kg/hm2［1－2］，遠(yuǎn)高于全國平均施氮水平［3］，而氮肥的不合理施用不僅導(dǎo)致氮素的大量損失，降低了肥料利用率，同時還會對大氣、水體和生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重威脅。NH3、NOx(主要包括NO2和NO)、N2O是氮肥施用后產(chǎn)生的對環(huán)境有危害的主要?dú)鈶B(tài)氮化合物，NH3是大氣中最主要的堿性氣體，在中和沉降、云氣及氣溶膠的過程中扮演著重要的角色［4］，NH3的沉降會引起土壤酸化，破壞森林生態(tài)系統(tǒng)，增加陸地及水體生態(tài)系統(tǒng)的氮素負(fù)荷，引起水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致生物多樣性減少［5－7］;而 NOx、N2O 的產(chǎn)生及化學(xué)行為與酸雨的形成、光化學(xué)煙霧事件的發(fā)生、臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)等重大環(huán)境問題密切相關(guān)［8－9］。

目前關(guān)于農(nóng)田的氨揮發(fā)損失和NOx排放已有許多報(bào)導(dǎo)［9－17］，但以往的研究多數(shù)是針對單一損失途徑進(jìn)行，而尿素施入土壤后，在脲酶作用下水解產(chǎn)生，產(chǎn)生的一部分通過NH3揮發(fā)的形式損失掉，一部分則進(jìn)行硝化作用，伴隨著NOx(主要是NO［18］)的產(chǎn)生。也就是說，以硝化作用產(chǎn)生的NO和NH3揮發(fā)有著共同的底物—尿素水解產(chǎn)生的。那么氮肥施入農(nóng)田后的氨揮發(fā)損失和NO排放之間到底有怎樣的關(guān)系，在同一時期的排放量又如何?針對這一問題，本試驗(yàn)對太湖地區(qū)典型稻麥輪作條件下小麥季的氨揮發(fā)和一氧化氮排放進(jìn)行了同步原位監(jiān)測，旨在揭示該地區(qū)小麥季兩種氣體排放規(guī)律、影響因素及其相互消長關(guān)系，以期對稻麥輪作條件下麥季的氮肥氣態(tài)損失進(jìn)行綜合評價(jià)，為減少麥季氮素?fù)p失及其對環(huán)境的污染、提高當(dāng)?shù)佧溂镜牡世寐侍峁┛茖W(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2011年在中國科學(xué)院常熟生態(tài)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。該站位于長江三角洲的腹地常熟市辛莊鎮(zhèn)，屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫15.5℃，≥10℃的有效積溫4933.7℃，年均降水量1038 mm，無霜期224 d。種植制度為水稻與小麥輪作。供試土壤為湖積物上發(fā)育的潛育型水稻土，0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量35.0 g/kg、全氮2.09 g/kg、全磷0.93 g/kg、速效氮12.4 mg/kg、速效磷5.0 mg/kg、速效 鉀 121.3 mg/kg、CEC 17.7 cmol/kg、pH值7.35。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)4個處理，分別為:氮空白區(qū)(CK，不施氮肥);低氮(N1，N 135 kg/hm2);當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮(N2，N 180 kg/hm2);高氮(N3，N 225 kg/hm2)。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積6 m×7 m，共12個小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。每個小區(qū)內(nèi)設(shè)置一個微區(qū)，微區(qū)外徑為40 cm，高55 cm的PVC圓筒打入地下45 cm，單獨(dú)施肥，供采集一氧化氮用，施肥量及田間管理與小區(qū)試驗(yàn)相同。氮肥品種為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。氮肥分3次施用，基肥∶返青肥∶拔節(jié)肥=6∶1∶3，施肥日期分別為2011年11月11日、2012年3月9日、2012年3月22日。磷、鉀肥各處理施用量相同，分別為P2O554 kg/hm2、K2O 72 kg/hm2，均作基肥一次性施入?；式Y(jié)合翻耕施入，追肥于降雨后均勻撒施。

供試小麥品種為揚(yáng)麥16號，于2011年11月11日撒播，播種量為180 kg/hm2，整個小麥生長期間不進(jìn)行灌溉。于11月底在每個小區(qū)中間開一條寬20 cm、深15 cm小溝，用于防止由降雨引起的小麥根部漬害。

1.3 樣品采集與分析

氨揮發(fā)采用經(jīng)過改進(jìn)的密閉室連續(xù)通氣法測定［19－21］。密閉室采用透明有機(jī)玻璃材料制成，內(nèi)徑19 cm、高15 cm，底部開放，頂部留有兩個通氣孔，其中一個直徑為25 mm的通氣孔用波紋管與2.5 m高的通氣管連通，以保證交換空氣氨濃度一致并避免田面自身氨揮發(fā)的影響。另一個為采氣孔，與盛有稀硫酸吸收液的洗氣瓶相連，洗氣瓶連接真空泵，通過抽氣減壓的方式使密閉室中的空氣通過洗氣瓶從而將其中的氨吸收，控制真空泵的抽氣速度，使密閉室內(nèi)的換氣頻率為15 20次/min［19］。采樣時將有機(jī)玻璃罩嵌入表土中，形成一個密閉氣室。每天上午 8:00 10:00［22－23］進(jìn)行測定。以這 2 h 的氨揮發(fā)量作為每日氨揮發(fā)的平均通量，估算每日的氨揮發(fā)總量。每次施肥后即開始采樣測定，直至施氮處理與對照的氨揮發(fā)通量無顯著差異為止。吸收液中-N的測定采用靛酚藍(lán)比色法(靈敏度0.01 mg/L)。

一氧化氮采用靜態(tài)箱—化學(xué)發(fā)光氮氧化物分析法測定。采樣裝置為直徑40 cm、高66 cm的圓柱形有機(jī)玻璃罩，保證箱內(nèi)氣體均勻并避免稀釋效應(yīng)產(chǎn)生的影響，頂部留有一采氣口，中部有一開口，放入溫度計(jì)記錄箱內(nèi)溫度，采樣裝置如圖1。采樣時將有機(jī)玻璃罩放入已埋入田里的微區(qū)桶上密封，30 min后采集5L箱內(nèi)氣體，采樣于下午15:00 16:00［24］進(jìn)行。將所采氣體樣品帶回室內(nèi)用全自動氮氧化物分析儀測定。NO通量以下列公式計(jì)算:

圖1 NO收集裝置示意圖Fig.1 Sketch of nitric oxide absorption equipment

式中:F為NO排放通量［mg/(m2·h)］;M為NON的摩爾質(zhì)量(g/moL);H為采樣箱的有效高度(m);Δc/Δt為 NO 排放速率［mmol/(L·min)］;22.4為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的摩爾體積(L/mol);60為將分鐘轉(zhuǎn)換為小時的換算系數(shù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥季氨揮發(fā)損失動態(tài)特征

小麥生育期3次施肥后氨揮發(fā)損失過程見圖2。從圖2可以看出，麥季氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后的7 10 d以內(nèi)，在第3 5 d達(dá)到峰值。不同施肥時期氨揮發(fā)速率為基肥＞返青肥＞拔節(jié)肥，基肥時期是氨揮發(fā)損失的主要時期，該時期氨揮發(fā)量為NH3-N 0.49 9.36 kg/hm2，占整個試驗(yàn)觀測期揮發(fā)量的60.4% 74.7%?；势诎睋]發(fā)量大主要是由于基肥施用量大且此時小麥苗較小，對養(yǎng)分的需求少，同時基肥時期的平均氣溫高于返青期和拔節(jié)肥(圖2)。返青肥施用后，各處理氨揮發(fā)量顯著低于基肥時期，主要是由于返青肥用量低，且此時小麥進(jìn)入返青期，對氮的吸收量有所增加［25］。拔節(jié)肥施用后幾乎未檢測到氨揮發(fā)，因?yàn)楸驹囼?yàn)拔節(jié)肥施用后連續(xù)降雨(如圖3中所示，3月22日和3月23日兩天總降雨量為28.2 mm)，部分養(yǎng)分隨著徑流損失，加之該時期小麥對養(yǎng)分需求加大［25］，導(dǎo)致此時段氨揮發(fā)量很低。

圖2 不同施肥時期小麥氨揮發(fā)及氣溫動態(tài)變化(依次為基肥、返青肥、拔節(jié)肥)Fig.2 Dynamic changes of ammonia volatilization and air temperature after different fertilization stages(followed by basal application，reviving-top dressing，jointing-top dressing)

圖3 小麥試驗(yàn)期間的降水情況Fig.3 Precipitation during the wheat experimental period

處理間的氨揮發(fā)動態(tài)規(guī)律基本一致，氨揮發(fā)量隨著施氮量的增加而增加，各處理氨揮發(fā)量為N3＞N2＞N1＞CK。以基肥為例，當(dāng)尿素施入土壤后，在脲酶的作用下迅速水解產(chǎn)生大量的NH3，并釋放到周圍環(huán)境空氣中，到施肥后第4 d，氨排放達(dá)到峰值，為N 1.32 ～2.01 kg/(hm2·d)，隨后迅速下降，到第8 d有小幅度回升，主要是由于氣溫升高促進(jìn)了氨揮發(fā)的進(jìn)行(氨揮發(fā)與氣溫相關(guān)分析R2=0.403(P＜0.01)，之后迅速降低到與對照無顯著差異的水平。

2.2 麥季一氧化氮損失過程

與氨揮發(fā)規(guī)律類似，NO排放主要發(fā)生在基肥施用后(圖4)，該時期NO損失總量為NO-N 0.68～1.23 kg/hm2，占小麥試驗(yàn)觀測期損失量的93%以上。分析其原因?yàn)?該時期肥料施用量大且小麥苗較小，根系對土壤中-N的吸收能力較弱，故有充足的底物供微生物進(jìn)行硝化作用;另外，基肥施用時翻耕了土壤，增加了土壤通透性，使氧氣含量增加，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。返青肥施用后NO排放量很少，主要是由于肥料用量少且作物對養(yǎng)分的需求加大兩方面共同作用的結(jié)果。拔節(jié)肥施用后，NO很少，和氨揮發(fā)原因類似，部分養(yǎng)分隨徑流損失，同時作物對氮的吸收量也增加。

圖4 不同施肥時期小麥NO排放及土溫動態(tài)變化(依次為基肥、返青肥、拔節(jié)肥)Fig.4 Dynamic changes of NO and soil temperature after different fertilization stages(followed by basal application，reviving-top dressing，jointing-top dressing)

不同處理NO排放隨著施氮量的增加而增加，各處理NO排放量為N3＞N2＞N1＞CK，處理間差異顯著。以基肥為例說明，基肥施入土壤后，NO排放迅速增加，排放速率為 NO-N 0.009～ 0.304 mg/(m2·h)，到施肥后第4～5 d達(dá)到第一個峰值，隨后迅速下降，到施肥后第9 d開始上升，15 ～17 d出現(xiàn)第二個峰值，隨后下降并穩(wěn)定在較低水平。分析原因可能是，基肥的施用及相對適宜的土溫(平均土溫15℃)有利于微生物的活動和NO的產(chǎn)生與傳輸，而在施肥后第7 d、第9 d降雨(如圖3中網(wǎng)狀柱形圖所示，降雨量分別為22.2 mm、1.6 mm)，之后天氣轉(zhuǎn)晴、氣溫回升至施肥后20 d再次降雨(如圖3中點(diǎn)狀柱形圖所示，降雨量3.8 mm)。關(guān)于降雨對NO排放影響的研究［26］表明，肥料施入土壤后會產(chǎn)生NO排放峰，而由肥料引起的NO排放會隨著降雨的產(chǎn)生顯著降低，之后隨著土壤變干，NO排放會再次增加。

2.3 麥季氨揮發(fā)和一氧化氮排放及其關(guān)系

從圖2和圖4可以看出，兩種氣態(tài)形式的氮素?fù)p失呈現(xiàn)相似的規(guī)律，損失量均隨著氮肥用量的增加而增加，本試驗(yàn)中以N3＞N2＞N1＞CK，且處理間差異顯著(見表1)?；貧w分析結(jié)果(圖5)表明，氨揮發(fā)和一氧化氮損失量均與氮肥施用量呈極顯著正相關(guān)，決定系數(shù)R2表明，氨揮發(fā)和一氧化氮損失分別有85%和80%是由施入氮肥所引起。

氣溫和土溫對兩種氣體排放影響不同，氣溫對NH3揮發(fā)的影響較大，相關(guān)分析結(jié)果表明，氨揮發(fā)與氣溫存在顯著相關(guān)性(R2=0.40，P＜0.01)，氣溫對氨揮發(fā)的影響機(jī)制主要是氣溫升高提高了氣體擴(kuò)散系數(shù)，氣體能更快的從液相向氣相轉(zhuǎn)移［27］。而NO排放速率和土壤溫度顯著相關(guān)(R2=0.41，P＜0.01)，文獻(xiàn)［28］表明，土溫對NO排放的影響表現(xiàn)為在底物和水分適宜的情況下，酶的活性隨溫度的升高而增強(qiáng)。

降雨對兩種氣體的影響相似，基肥施用后第7 d到第9 d降雨后，兩種氣體排放速率迅速降低。降雨對氨揮發(fā)的影響主要由于養(yǎng)分隨水分通過側(cè)滲、徑流、入滲等途徑運(yùn)移的量增大，而使通過氨揮發(fā)途徑損失的氮素減少;降雨對NO的影響主要是由于過高的水分含量不利于硝化微生物的生命活動［29］。

圖5 小麥試驗(yàn)期NH3和NO損失量與氮肥用量關(guān)系Fig.5 Total emissions of NH3and NO during the wheat experimental season vs the amount of fertilizer applied

表1 不同處理小麥試驗(yàn)期氨揮發(fā)和NO損失量及損失率Table 1 Total loss and loss rates of ammonia volatilization and nitrate oxide emission under different treatments during the wheat experimental period

小麥試驗(yàn)期氨揮發(fā)總損失量為NH3-N 7.6 12.6 kg/hm2，損失率為4.62% 5.26%;NO排放總量為NO-N 0.73～1.3 kg/hm2，損失率為0.27%～0.41%。兩種氣態(tài)損失途徑均主要集中在基肥施用后，氨揮發(fā)持續(xù)時間較短，基肥施用后9 d氨揮發(fā)與對照無顯著差異，而此時的NO還有明顯排放，并在施肥后第17 d出現(xiàn)第二個峰值。基肥施用前期兩者變化相對同步，而到施肥10 d后，氨已無明顯排放，而此時NO排放還很明顯。返青肥和拔節(jié)肥施用后，兩種氣體均無明顯排放。

3 討論

小麥試驗(yàn)期內(nèi)氨揮發(fā)損失主要發(fā)生在基肥施用后，這與文獻(xiàn)［27、30］報(bào)導(dǎo)的結(jié)果相似。小麥試驗(yàn)觀測期氨揮發(fā)總損失量為NH3-N 7.6 12.6 kg/hm2，損失率為 4.62% 5.26%(表 1)，與文獻(xiàn)［31］的研究結(jié)果4.75% 5.43%相似，略低于文獻(xiàn)［3］報(bào)導(dǎo)的5.68% 9.47%，主要原因是在本試驗(yàn)中基肥施入后翻耕土壤，使土壤與肥料充分混合，利于土壤對氮肥的吸附和固定，而且第二次追肥后有較大降雨，兩方面的因素使得整個小麥生育期氨揮發(fā)量較低。

基肥施入土壤后，NO的排放速率為 NO-N 0.009 0.304 mg/(m2·h)，大于鄭循華等［32］報(bào)導(dǎo)的NO-N 0.01 0.048 mg/(m2·h)，主要是因?yàn)槠浠实姆柿嫌昧繛镹 66 kg/hm2，低于本試驗(yàn)該時期的施氮量(N1 N 81 kg/hm2，N2 N 108 kg/hm2，N3 N 135 kg/hm2)。小麥試驗(yàn)觀測期 NO排放總量為NO-N 0.73 1.3kg/hm2，損失率 0.27% 0.41%(表1)，其中有93%左右集中在基肥時期，略高于文獻(xiàn)［26］報(bào)導(dǎo)的N 0.2 1.1 kg/hm2，主要是由于其較大的灌水量(250 mm)，促進(jìn)了養(yǎng)分的下移和固持，減少了氣態(tài)形式的氮素?fù)p失。

基肥施用后前10 d氨與NO都有比較顯著的排放，而后氨揮發(fā)已與對照無顯著差異，但NO仍有排放，主要是因?yàn)橥寥老趸饔冒ㄒ?N為底物的自養(yǎng)、異養(yǎng)硝化以及以有機(jī)氮為底物的異養(yǎng)硝化［33］，所以氨揮發(fā)結(jié)束后仍有NO排放損失可能是有機(jī)氮為底物的異養(yǎng)硝化起作用。下一步采用同位素示蹤法來研究兩種氮素?fù)p失途徑中氮的來源，更加深入地解釋兩種損失途徑的相互關(guān)系。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，稻麥輪作體系中的麥季土壤氨揮發(fā)和NO排放均可發(fā)生在同一時期。從損失量來看，氨揮發(fā)還是麥季主要的氮素?fù)p失途徑。因此，為了減少麥季氮肥的氣態(tài)損失，可以適當(dāng)減少基肥氮肥的施用量，同時增加返青肥用量，盡量做到作物對養(yǎng)分的需求與肥料供應(yīng)相一致，增加作物對氮的吸收，從而減少氮肥的損失。

4 結(jié)論

1)麥季氨揮發(fā)量較大且持續(xù)時間相對較短，NO排放量小但持續(xù)時間相對較長，兩種氣體損失途徑主要發(fā)生在基肥施用后，在基肥后前期動態(tài)曲線相似。

2)兩種氣體損失量均隨著施氮量的增加而增加，各施肥處理小麥試驗(yàn)觀測期氨揮發(fā)總損失量為NH3-N 7.6 12.6 kg/hm2，損 失率 4.62%～5.26%;NO排放總量為NO-N 0.73 1.3 kg/hm2，損失率0.27% 0.41%。

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