氮肥品種對露地蔬菜NH3揮發(fā)及經(jīng)濟效益的影響

李曉明，居靜，夏永秋，錢曉晴，顏曉元，周偉

（1.揚州大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 揚州225000；2.江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，中國科學院南京土壤研究所，南京210008）

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費國，2018年蔬菜播種面積已經(jīng)達到了2.04×107hm2，占農(nóng)作物總播種面積的12.30%[1]。葉菜類蔬菜在蔬菜種植中占比較大，其種類繁多、生長期較短、扎根較淺、肥料需求量大[2]。由于復(fù)種指數(shù)高，蔬菜氮肥的周年施用量可達1 000 kg·hm-2，是其他大田作物的2倍，但氮肥利用率卻小于20%[3]。大量輸入到蔬菜系統(tǒng)的氮素通過NH3、N2O等形式排放至大氣中[2]，據(jù)統(tǒng)計，露地蔬菜種植所施用的氮肥有11%會以NH3揮發(fā)的形式進入大氣與酸性物質(zhì)結(jié)合，引起霧霾、酸雨等環(huán)境問題[4-6]。

太湖地區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，該地區(qū)蔬菜種植氮肥投入量大、復(fù)種指數(shù)高，NH3揮發(fā)損失量可占到施氮量的24%[7]。前人研究表明，選擇合適的肥料品種、優(yōu)化肥料措施是減少蔬菜地NH3揮發(fā)的重要途徑[8-9]。例如代明等[10]發(fā)現(xiàn)適當比例的硝基復(fù)合肥替代氮肥可增加馬鈴薯產(chǎn)量，提高其品質(zhì)，同時提高了化肥利用率。萬偉帆等[11]發(fā)現(xiàn)脲酶抑制劑尿素可以減少馬鈴薯種植過程中的NH3揮發(fā)。有機肥替代也有較好的NH3減排潛力，武星魁等[12]發(fā)現(xiàn)適當比例的有機肥替代可以減少包心菜和小青菜種植所造成的NH3揮發(fā)。在冬小麥和夏玉米種植中，有機肥適量替代氮肥可以顯著降低NH3揮發(fā)速率[13-14]。但這些研究大多針對某一種肥料或某一個季節(jié)開展研究，缺乏不同氮肥類型NH3排放特征的系統(tǒng)性研究。為此，本研究以當?shù)卮竺娣e種植的上海青為供試蔬菜作物，通過田間試驗，研究了不同氮肥品種對上海青產(chǎn)量及NH3揮發(fā)的影響，比較了NH3揮發(fā)造成的環(huán)境損失效益，旨在為本地區(qū)尋找合適的露地蔬菜NH3揮發(fā)減排增效技術(shù)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國科學院常熟生態(tài)實驗站（31°02′45″N，120°41′57″E）進行，該站地處亞熱帶中部濕潤季風氣候區(qū)，年平均溫度16.5℃，年降雨量1 135.6 mm。供試菜地土壤類型為烏柵土，試驗開始前采集土壤樣品，利用元素分析儀（Vanio MACROcube CN）測定土壤碳、氮含量。供試土壤全氮（TN）為2.1 g·kg-1，全碳（TC）為20.2 g·kg-1，pH為6.1，電導率為149 mS·m-1，容重為1.21 g·cm-3。試驗期間氣溫與降水量數(shù)據(jù)由中國科學院常熟生態(tài)實驗站提供。

1.2 試驗方法

試驗于2019年5月至11月進行，共種植了4季上海青。試驗共設(shè)置5個處理：傳統(tǒng)尿素施肥處理（N200）、硝基復(fù)合肥處理（N200A）、脲酶抑制劑（NBPT）尿素處理（N200B）、有機肥部分替代（尿素∶有機肥=7∶3）處理（N200C）和不施肥處理（CK）。各處理肥料用量見表1。每個處理3個重復(fù)，隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積為5.20 m×4.80 m，每個小區(qū)設(shè)置一個NH3揮發(fā)采樣微區(qū)，面積為0.60 m×0.30 m，微區(qū)施肥方法和施肥量與所處小區(qū)相同。根據(jù)當?shù)剞r(nóng)民施肥習慣，肥料作基肥深耕翻地后撒施，不再追肥。

1.3 植株樣品采集與測定

上海青生長成熟后，每個小區(qū)選取1 m×1 m的樣方進行記產(chǎn)，去除不可食用部分后計算商品上海青產(chǎn)量。

1.4 NH3揮發(fā)采集與測定

采用密閉室-間歇抽氣法測定菜地NH3揮發(fā)[15]，密閉室由直徑20 cm、高30 cm、無底有蓋的有機玻璃罩組成，密閉室頂部的一個通氣孔通過波紋管與2 m換氣桿連接，另一個通氣孔通過硅膠管與NH3吸收瓶連接，再通過硅膠管依次與流量調(diào)節(jié)閥、流量計、緩沖瓶和抽氣泵相連。NH3吸收瓶為500 mL有機玻璃瓶，每個瓶內(nèi)裝有100 mL 0.05 mol·L-1的稀硫酸溶液，作為NH3吸收液。每日9：00—11：00和14：30—16：30進行采樣，以這4 h的NH3揮發(fā)量作為每日NH3揮發(fā)的平均通量，估算每日NH3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NH3揮發(fā)通量無顯著差異為止。采樣結(jié)束后，將吸收液帶回實驗室，利用全自動化學分析儀（AMS SmartChem140，AMS-Alliance，Italy）測定吸收液中NH+4-N濃度。

表1試驗處理肥料用量Table 1 Fertilization rates of the treatments

NH3揮發(fā)排放通量計算公式：

式中：F為NH3揮發(fā)排放通量，kg·hm-2·d-1，以N計；C為吸收液中NH+4-N濃度，μg·mL-1；V為NH3吸收液體積，mL；t為采樣時間，h；S為密閉室的面積，m2；24為24 h·d-1；10-2為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

NH3揮發(fā)累積量計算公式：

式中：M為NH3揮發(fā)排放累積量，kg·hm-2；n為施肥后測定總次數(shù)；Fi為第i次測定時NH3揮發(fā)排放通量，kg·hm-2·d-1；ti為第i次測定的施肥后的天數(shù)；ti-ti-1時間間隔，d。

NH3排放系數(shù)計算公式：

式中：ρ為NH3排放系數(shù)；MT為各施肥處理的NH3揮發(fā)累積量，kg·hm-2；MCK為空白處理NH3揮發(fā)累積量，kg·hm-2；200為施氮量，kg·hm-2。NH3減排比例計算公式：

式中：R為NH3減排比例；MN200為傳統(tǒng)尿素處理的NH3揮發(fā)累積排放量，kg·hm-2；Mt為其他施肥處理的NH3揮發(fā)累積排放量，kg·hm-2；MCK為空白處理NH3揮發(fā)累積排放量，kg·hm-2。

1.5 經(jīng)濟效益和環(huán)境效益評價方法

1.5.1 經(jīng)濟效益

增產(chǎn)率計算公式：

式中：N為增產(chǎn)率，%；Y為除N200外其他施肥處理產(chǎn)量，t；y為N200處理產(chǎn)量，t。增產(chǎn)效益計算公式：

式中：E為增產(chǎn)效益，元；Y為除N200外其他施肥處理產(chǎn)量，t；y為N200處理產(chǎn)量，t；VP為蔬菜價格，元·t-1；PC為種植成本，元·hm-2，包含肥料費、人工費、農(nóng)藥費、土地租金。

尿素價格為2 000.00元·t-1，硝基復(fù)合肥價格為4 000.00元·t-1，脲酶抑制劑尿素價格為2 100.00元·t-1，有機肥價格為1 000.00元·t-1，上海青價格為5 000.00元·t-1。人工費為15 000.00元·hm-2，土地租金為22 500.00元·hm-2，農(nóng)藥費為2 250.00元·hm-2。

1.5.2 NH3揮發(fā)造成的環(huán)境損失效益

式中：EC為環(huán)境損失，元·hm-2；M為土壤NH3揮發(fā)累積量，kg·hm-2；DC為NH3揮發(fā)環(huán)境損失，37.5元·kg-1N[16-17]。

1.6 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS20.0軟件進行統(tǒng)計分析，運用LSD方法檢驗處理間的差異性。采用Origin 2018、Excel 2016軟件進行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類氮肥對上海青產(chǎn)量的影響

不同氮肥種類對上海青產(chǎn)量的影響如圖1所示。N200、N200A、N200B和N200C處理上海青平均產(chǎn)量為27.20、34.03、31.46 t·hm-2和30.84 t·hm-2，其中N200A與N200處理差異顯著，N200B、N200C與N200處理產(chǎn)量之間差異不顯著。

2.2 不同種類氮肥NH3揮發(fā)排放通量

不同氮肥種類施入土壤后均觀測到明顯的NH3揮發(fā)損失（圖2）。N200、N200A、N200B、N200C和CK處理NH3揮發(fā)通量的變化范圍分別為0.02～7.74、0.03～0.54、0.01～1.66、0.01～4.58 kg·hm-2·d-1和0.02～0.39 kg·hm-2·d-1。4個種植季蔬菜地NH3揮發(fā)通量均表現(xiàn)為施肥后先顯著上升到達頂峰再緩慢下降的變化趨勢。具體而言，N200、N200C處理NH3揮發(fā)排放通量波動較為明顯，N200B處理NH3排放通量較為平穩(wěn)，N200A處理的NH3揮發(fā)速率很低，與CK處理處于同等水平。從NH3揮發(fā)速率動態(tài)變化看，施肥后1～8 d是NH3揮發(fā)發(fā)生的主要時間段，此階段各施肥處理NH3揮發(fā)速率差異顯著（P＜0.05），第9 d之后各處理NH3揮發(fā)速率無差異。從季節(jié)變化看，夏季種植季（8—9月）蔬菜地NH3揮發(fā)通量顯著高于其他季節(jié)。

2.3 不同種類氮肥NH3揮發(fā)累積排放量及排放系數(shù)

不同氮肥處理NH3揮發(fā)累積排放量存在明顯差異，具體見表2。4個蔬菜種植季N200、N200A、N200B、N200C和CK處理的NH3揮發(fā)累積量的變化范圍分別為1.80～44.86、0.47～5.72、0.09～8.84、0.48～24.55 kg·hm-2和0.18～3.87 kg·hm-2。4個種植季各施肥處理平均NH3揮發(fā)系數(shù)分別為11.22%（N200）、0.84%（N200A）、2.28%（N200B）和5.12%（N200C），常規(guī)尿素NH3排放系數(shù)最高，硝基肥NH3排放系數(shù)最小。

如表2所示，與常規(guī)尿素相比，其他氮肥處理均有顯著的NH3減排效果，其中N200A的減排比例達到84.84%，其次是N200B，減排比例達74.52%。不同種植季NH3減排量存在差異，其中第二季NH3減排量最大，而第四季各處理間NH3排放通量差異不顯著，因此NH3減排效果不明顯。

2.4 不同種類氮肥對上海青經(jīng)濟效益的影響

與N200相比，N200A、N200B和N200C處理均有增產(chǎn)效果（表3），其中N200A增產(chǎn)率為25.13%，N200B與N200C處理的增產(chǎn)率分別為15.68%和13.41%。N200A增產(chǎn)帶來的經(jīng)濟收益可達到29 686.25元·hm-2，N200B、N200C處理分別為21 256.53元·hm-2和15 460.84元·hm-2。

2.5 不同種類氮肥NH3揮發(fā)造成的環(huán)境損失效益

如圖3所示，不同氮肥種類NH3揮發(fā)造成的環(huán)境損失效益存在顯著差異，其中N200的環(huán)境損失最高，為928.13元·hm-2，其次為N200C。N200A的環(huán)境損失效益最低，僅為140.63元·hm-2，與N200相比，減少了84.85%。

表2不同種類氮肥NH3揮發(fā)平均累積排放量及平均排放系數(shù)Table 2 Average total NH3 fluxes and the average emission rates of the four vegetable growing seasons for the different nitrogen fertilizer types

表3不同種類氮肥對上海青經(jīng)濟收益的影響Table 3 Economic benefits of pak choi under the different nitrogen fertilizer types

3 討論

3.1 不同種類氮肥對上海青產(chǎn)量及菜地NH3揮發(fā)的影響

與常規(guī)尿素相比不同種類氮肥對上海青均有一定的增產(chǎn)效果，說明本試驗所選用的氮肥品種在減少NH3揮發(fā)的同時，不會對蔬菜產(chǎn)量造成影響。不同種類氮肥施入土壤后均觀測到明顯的NH3揮發(fā)損失，不同種植季間NH3揮發(fā)排放通量有所差別。其中第二季（8—9月）和第三季（9—10月）各處理NH3的排放通量明顯高于第一季（5—6月）和第四季（10—11月）。這主要是受到溫度的影響，隨著氣溫的升高，NH3的溶解性降低，同時由NH+4轉(zhuǎn)化為NH3的比例增多，從而增加了NH3由土壤向空氣中排放的數(shù)量[18]。萬偉帆等[11]、龔巍巍等[19]的研究均表明NH3揮發(fā)與土壤溫度呈正相關(guān)。土壤含水率也是影響NH3排放的一個重要因素，不同蔬菜種植季降雨量不同，導致土壤含水率不同，從而造成NH3排放的差異[20]，本次試驗前3季種植期降水豐沛（圖4），因此NH3排放量要高于第4季。采樣期間土壤含水率與NH3排放通量呈顯著相關(guān)（P＜0.05），土壤溫度與NH3排放通量相關(guān)性不顯著，但是總體動態(tài)趨勢較為一致，這可能是由于采樣期間溫度變化不明顯導致的（圖5、圖6）。

與常規(guī)尿素相比，本試驗選用的硝基氮肥、脲酶抑制劑尿素和有機肥部分替代尿素均在一定程度上減少了菜地NH3揮發(fā)，其中硝基氮肥的NH3減排效果最佳。與傳統(tǒng)尿素相比，硝基復(fù)合肥的氮素主要以NO-3-N為主，溶于水、肥效快。且上海青屬于喜硝作物，硝基肥料施入土壤后可在短時間內(nèi)溶解而被根系吸收利用，在促進作物生長的同時[21-22]，也大幅降低了菜地的NH3揮發(fā)排放。

脲酶是一種重要的土壤水解酶，它可以催化尿素水解產(chǎn)生NH3、水和CO2[23]。常規(guī)尿素在施入土壤后會在土壤脲酶的作用下水解，水解產(chǎn)生的NH4HCO3會迅速轉(zhuǎn)化為NH+4-N，其中一部分被土壤吸收成為吸附態(tài)的NH+4，另一部分則進入到土壤溶液中，迅速提高NH+

4的濃度，為NH3揮發(fā)提供了充足的底物。有研究表明，施用脲酶抑制劑會使NH3揮發(fā)的高峰期推遲[24-25]，可以有效降低NH3排放速率、減少NH3揮發(fā)累計損失量[24]。因此，實際生產(chǎn)中常通過在尿素中添加脲酶抑制劑，以達到提高氮素利用率的目的。本研究中脲酶抑制劑尿素的NH3揮發(fā)損失率為2.28%，遠低于常規(guī)尿素的11.22%。

與常規(guī)尿素相比，有機肥替代部分尿素也有一定的NH3減排效果，這主要是因為有機肥腐解時會產(chǎn)生大量的有機酸[26-27]，有機酸可以降低土壤pH，增加土壤對NH+

4的固持，從而減少NH3的排放，有效實現(xiàn)NH3減排的目的。本試驗中的有機肥替代率為30%，小于其他研究者50%以上的氮肥替代率，因此NH3減排效果不及其他研究者的結(jié)果[28]。

3.2 不同種類氮肥對露地蔬菜NH3減排效果的評價

不同種類的氮肥除了對NH3排放有一定程度的影響，可能還會引起其他風險和成本效益的改變。有研究表明，在種植菠菜時使用硝基肥可增產(chǎn)7 500 kg·hm-2[29]。付勝昔[30]發(fā)現(xiàn)，與尿素相比硝基復(fù)合肥可使辣椒增產(chǎn)11.0%。尹飛等[31]發(fā)現(xiàn)使用硝基復(fù)合肥可使小麥增產(chǎn)5.8%。在冬瓜種植時使用添加脲酶抑制劑的尿素，可增產(chǎn)17.0%[32]。武星魁等[12]發(fā)現(xiàn)有機肥部分替代化肥氮可使包心菜和小青菜增收11.7%和5.4%，NH3揮發(fā)可分別降低53.1%和87.8%。本研究中，與N200處理相比，N200A、N200B、N200C處理在減少NH3排放的同時，上海青的產(chǎn)量也有不同幅度的增加，提高了經(jīng)濟效益。其中N200A蔬菜產(chǎn)量最高，平均為34.03 t·hm-2，與N200相比增加25.13%，同時N200A的環(huán)境損益最低，為140.63元·hm-2，是最有效的露地蔬菜NH3減排技術(shù)。

4 結(jié)論

4個種植季觀測期內(nèi)，NH3揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后15 d內(nèi)，峰值主要出現(xiàn)在施肥后5～9 d。與常規(guī)尿素處理相比，脲酶抑制劑、有機肥替代和硝基復(fù)合肥處理既可保證上海青的產(chǎn)量，同時能大幅降低NH3排放。其中硝基復(fù)合肥處理增產(chǎn)率最高，NH3揮發(fā)減排量最多，是最有效的露地蔬菜NH3減排肥料品種。如果能進一步降低成本，硝基復(fù)合肥將具更大優(yōu)勢。