王大鵬，杜玉赫, ，羅雪華，王文斌，張永發(fā)，薛欣欣，趙春梅，吳小平*，茶正早

1. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，海南 儋州 571737；2. 海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 儋州 571737

提高氮肥利用率、減少氮肥損失及其對環(huán)境的壓力，已經(jīng)成為一個(gè)全球性的重大研究課題（Zhu et al.，2002；Galloway et al.，2008；Ju et al.，2009）。其中，明確土壤-作物系統(tǒng)中化肥氮去向是研究氮肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)的共同基礎(chǔ)，同時(shí)也是制定氮肥管理及調(diào)控措施最基本的依據(jù)。氨揮發(fā)是氮肥氣態(tài)損失的重要途徑（Pan et al.，2016），排放到大氣中的氨所形成的二次顆粒物顯著地影響了區(qū)域氮循環(huán)，導(dǎo)致了一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題（Gu et al.，2014；Wang et al.，2016）。研究表明，全球農(nóng)作系統(tǒng)的氨揮發(fā)損失約18%（Pan et al.，2016），我國北方石灰性土壤的氨揮發(fā)損失約19.4%～24.7%（Ju et al.，2009）。然而，酸性土壤的氨揮發(fā)損失卻沒有引起足夠的重視，人們通常認(rèn)為酸性土壤的氨揮發(fā)損失不大。但是研究表明，尿素在酸性土壤中的水解會(huì)導(dǎo)致土壤pH短期內(nèi)迅速升高，致使氨揮發(fā)在施入尿素后的數(shù)天內(nèi)達(dá)到一個(gè)較高的排放強(qiáng)度（Sommer et al.，2004）。在酸性土壤中（pH 5.5），尿素表面條施的氨揮發(fā)損失率甚至高達(dá) 50%（Rochette et al.，2013）。我國南方酸性土壤的氨揮發(fā)損失率也有2.1%～11.6%（Ju et al.，2009）。可見，酸性土壤的氨揮發(fā)損失不可忽視。

橡膠（Hevea brasiliensis）是熱帶地區(qū)典型的經(jīng)濟(jì)作物，是重要的人工林生態(tài)系統(tǒng)，近年來其生態(tài)效應(yīng)愈加受到關(guān)注。目前橡膠生產(chǎn)中，由于膠工的短缺及技術(shù)不到位，尿素表面撒施仍普遍存在于民營橡膠林施肥管理中。對海南6種母質(zhì)磚紅壤的室內(nèi)盆栽試驗(yàn)（魏玉云等，2006）表明，尿素表施條件下的氨揮發(fā)損失約為 1.25%～17.37%?？梢姡m然土壤酸堿特性是決定氨揮發(fā)損失量的重要因素，但氨揮發(fā)可能仍是酸性磚紅壤氮肥損失的一個(gè)重要途徑。在田間條件下，氨揮發(fā)損失受到土壤性質(zhì)、氣候條件以及農(nóng)業(yè)措施等因素的綜合影響。大量研究表明，合理的氮肥管理措施是減少氨揮發(fā)損失的重要手段，如合理的施氮量（馬銀麗等，2012）、氮肥深施（Liu et al.，2015；Rochette et al.，2013）、施氮后灌水（Sanz-Cobena et al.，2011；Pan et al.，2016）、有機(jī)-無機(jī)配施（郝小雨等，2012；李菊梅等，2008）、添加脲酶抑制劑（Li et al.，2017；Ni et al.，2014）等。然而，目前對橡膠林下酸性磚紅壤施用氮肥的氨揮發(fā)損失的了解還很少，生產(chǎn)中也未見有相應(yīng)的調(diào)控管理措施。由于氮肥的吸收、轉(zhuǎn)化和損失在各種生態(tài)條件下迥然不同對不同氣候條件下、不同生態(tài)系統(tǒng)中氮肥的損失去向進(jìn)行系統(tǒng)的研究，是制定氮肥管理措施、降低氮肥損失和減輕環(huán)境壓力的重要依據(jù)。

本研究采用大田試驗(yàn)的技術(shù)手段，對橡膠林氨揮發(fā)損失進(jìn)行原位監(jiān)測，研究酸性磚紅壤施用尿素后的氨揮發(fā)特征及調(diào)控措施，為橡膠樹氮肥優(yōu)化管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

圖1 試驗(yàn)期間日均氣溫和降雨量變化Fig.1 Dynamics of daily mean air temperature and daily precipitation during the experiment

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

試驗(yàn)區(qū)位于海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院五隊(duì)基地（E109°28′56″，N19°29′13″）。該區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫 23.8 ℃，年均降雨1500～2000 mm。受熱帶季風(fēng)性氣候的影響，該區(qū)降雨具有明顯的季節(jié)性干濕交替，年內(nèi)降雨極不均勻。其中 5—11月（雨季）降雨量約占全年降雨總量的70%～90%。橡膠樹品種為熱研7-33-97，樹齡20 a，株距3.5 m，行距6 m。土壤類型為花崗片麻巖發(fā)育磚紅壤。表層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)如下：pH 4.49，全氮 0.59 g·kg-1，有機(jī)碳 6.33 g·kg-1，速效鉀 41.17 mg·kg-1，有效磷 19.65 mg·kg-1，銨態(tài)氮 2.59 mg·kg-1，硝態(tài)氮 3.98 mg·kg。試驗(yàn)期間，研究區(qū)日均氣溫和降雨量見圖1。

1.2 研究方法

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。6個(gè)處理分別為：（1）CK，不施氮；（2）UD（urea deep placement），尿素深施 3 cm，施氮 200 kg·hm-2；（3）UW（top-dressing urea followed by irrigation water），尿素表施后灌水30 mm（模擬降雨），施氮200 kg·hm-2；（4）UM（urea and manure），尿素配施有機(jī)肥后表面撒施，尿素與有機(jī)肥氮各 100 kg·hm-2（羊糞有機(jī)肥，含氮量1.69%，干基含水率81.71%）；（5）UI（urea plus urease inhibitor），尿素添加 0.2%脲酶抑制劑（N-丁基硫代磷酰三胺，NBPT）后表施，施氮 200 kg·hm-2；（6）UT（topdressing urea），尿素表面撒施，施氮 200 kg·hm-2。

采用通氣法（王朝輝等，2002）測定土壤氨揮發(fā)通量。通氣裝置用PVC管制成，內(nèi)徑15 cm，高13 cm。分別將兩塊直徑為16 cm、厚2 cm的海綿均勻浸以15 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1000 mL）置于PVC管中，下層海綿距離管底5 cm，上層海綿與管頂部相平，兩層海綿間距2 cm。將通氣法捕獲裝置的下端壓入土壤中2 cm，外罩通氣遮雨裝置，每處理布置捕獲裝置6個(gè)。從施肥（2017年8月3日）后第2天起（記為施肥后1 d），每天采集1次氣體，連續(xù)采集20 d直至不再有氨氣揮發(fā)。采樣時(shí)，將通氣裝置的下層海綿取出，裝入塑料袋中，密封。同時(shí)換上另一塊浸過磷酸甘油的海綿，上層海綿視其干濕情況每隔2～3 d更換1次。下層海綿裝入500 mL塑料瓶中，加300 mL 1.0 mol·L-1KCl溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩1 h后，浸提液中銨態(tài)氮采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國）測定。采用土鉆法實(shí)時(shí)采集小區(qū)土壤樣品。采樣時(shí)采集表層土壤0～5 cm土樣，每小區(qū)采集6鉆，每3鉆樣品混合成1個(gè)樣品。施肥后每天采集1次，連續(xù)采集20 d直至不再有氨氣揮發(fā)。土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮用1 mol·L-1KCl浸提，浸提液-18 ℃冷凍儲(chǔ)藏，用連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國）測定。土壤pH以電位法測定（魯如坤，1999），土水比為 1∶2.5。

土壤氨揮發(fā)速率的計(jì)算（王朝輝等，2002）公式如下：

式中，v 為氨揮發(fā)速率 NH3-N（kg·hm-2·d-1）；M為通氣法裝置中每次測得的氨揮發(fā)量（NH3-N，mg）；A為通氣法裝置的橫截面積（m2）；D為每次連續(xù)收集時(shí)間（d）。

氨揮發(fā)損失率的計(jì)算公式如下：

式中，R為氨揮發(fā)損失率（%）；RT為各處理氨揮發(fā)損失量；RCK為CK處理氨揮發(fā)損失量；w為施氮量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行；運(yùn)用 SAS 8.1（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）軟件進(jìn)行方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH變化

土壤酸堿性是影響氨揮發(fā)的重要因素。施肥后表層土壤（0～5 cm）pH動(dòng)態(tài)變化見圖2。對照處理CK土壤pH介于4.35～4.84之間，整個(gè)試驗(yàn)期間變化平緩。有機(jī)-無機(jī)肥混施后，UM處理土壤pH變化也很?。?.99～4.85），其變化趨勢與CK處理差異不顯著。隨著尿素的水解，UD、UW和UT處理土壤pH迅速升高，并于1～3 d內(nèi)達(dá)到最高值（分別為5.75、5.27和6.87），之后各處理土壤pH均呈下降趨勢；在脲酶抑制劑的作用下，UI處理pH緩慢上升，于施肥后第4天達(dá)到最大值5.86，而后呈波動(dòng)下降趨勢。

圖2 施肥后土壤pH（0～5 cm）動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Changes of soil pH (0～5 cm) after fertilization

2.2 土壤無機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化

表層土壤銨態(tài)氮含量同樣是影響氨揮發(fā)的重要因素。試驗(yàn)期間，表層土壤（0～5 cm）銨態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化見圖3。如圖所示，對照處理CK土壤銨態(tài)氮含量變化很小，平均值僅為 1.40 mg·kg-1，整個(gè)試驗(yàn)期間在本底值上下略微波動(dòng)。施肥后隨著尿素的水解，UW、UM和UT處理土壤銨態(tài)氮含量均在施肥后1～3 d內(nèi)迅速達(dá)到峰值，之后基本呈現(xiàn)下降趨勢。3個(gè)處理土壤銨態(tài)氮峰值分別為 32.99、83.81和101.68 mg·kg-1，整個(gè)試驗(yàn)期間3個(gè)處理平均含量分別為 8.49、14.01和26.00 mg·kg-1。施肥后，UD處理土壤銨態(tài)氮含量迅速升高，并于第3天達(dá)到峰值77.72 mg·kg-1，之后持續(xù)波動(dòng)并一直維持較高水平；整個(gè)試驗(yàn)期間，其平均含量高達(dá)45.53 mg·kg-1。在脲酶抑制劑的作用下，UI處理土壤銨態(tài)氮含量在施肥后第6天才出現(xiàn)第1個(gè)峰值47.39 mg·kg-1，之后波動(dòng)很大，并于第16天出現(xiàn)第2個(gè)峰值79.08 mg·kg-1。整個(gè)試驗(yàn)期間，其土壤銨態(tài)氮含量同樣保持了較高水平，平均值為37.92 mg·kg-1，僅次于UD處理。

與土壤銨態(tài)氮含量變化類似，試驗(yàn)期間對照處理CK土壤硝態(tài)氮含量變化平緩（見圖4），平均含量僅為 4.62 mg·kg-1。與土壤銨態(tài)氮含量變化相反，施肥后UD、UI和UT處理土壤硝態(tài)氮含量變化較小，直至第6天后開始逐漸升高，12 d后波動(dòng)較大。試驗(yàn)期間，3個(gè)處理土壤硝態(tài)氮平均含量分別為34.52、28.99和37.83 mg·kg-1。施肥后第1天，UM處理土壤硝態(tài)氮含量呈增加趨勢，4 d后UM處理變化趨勢大致與前 3個(gè)處理類似，該處理硝態(tài)氮平均含量為 31.09 mg·kg-1。施肥后，UW處理土壤硝態(tài)氮含量持續(xù)增加，3 d后其變化相對穩(wěn)定，12 d后變化趨勢與前4個(gè)處理大致相似，試驗(yàn)期間，該處理硝態(tài)氮平均含量為29.64 mg·kg-1。

圖3 施肥后土壤銨態(tài)氮（0～5 cm）動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Changes of soil concentration (0～5 cm) after fertilization

圖4 施肥后土壤硝態(tài)氮（0～5 cm）動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Changes of soil concentration (0～5 cm) after fertilization

2.3 氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化及損失量

不同施肥措施下氨揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)變化見圖 5。施肥后1～2 d內(nèi)，UD、UW、UM和UT處理氨揮發(fā)速率迅速達(dá)到峰值，之后均呈下降趨勢。4個(gè)處理氨揮發(fā)損失速率（以N計(jì)）峰值分別為3.00、2.21、8.60 和 29.34 kg·hm-2·d-1。施肥 7 d 后，各處理氨揮發(fā)速率變化趨向平穩(wěn)，氨揮發(fā)損失基本在施肥后7 d內(nèi)完成，其后損失很小。值得注意的是，UW處理施肥僅2 d后，氨揮發(fā)速率即下降到CK水平，而后變化趨勢與CK基本一致。在酸性磚紅壤中，尿素添加脲酶抑制劑延緩了氨揮發(fā)速率峰值的出現(xiàn)，但同時(shí)也延長了氨揮發(fā)損失過程。施肥 3 d后 UI處理氨揮發(fā)損失速率才達(dá)到峰值，為 22.93 kg·hm-2·d-1，之后也呈下降趨勢。直至施肥12 d后，UI處理氨揮發(fā)過程才基本結(jié)束。

不同施肥措施下氨揮發(fā)損失量和損失率存在顯著差異（見圖6）。其中，UT和UI處理氨揮發(fā)損失量（以 N 計(jì)）分別為 56.37 kg·hm-2和 60.54 kg·hm-2，損失率分別高達(dá) 28.19%和 30.27%，顯著高于其他處理（P＜0.05）。UM、UD和UW處理氨揮發(fā)損失量分別為26.47、10.78和3.04 kg·hm-2，損失率為13.23%、5.39%和1.52%，較UT處理分別降低了53.05%、80.87%和94.61%的氨揮發(fā)損失。

圖5 施肥后氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Changes of NH3 flux after fertilization

圖6 氨揮發(fā)損失量及損失率Fig.6 Cumulative NH3 losses and ratio of volatized NH3 to applied nitrogen

3 討論

尿素中添加脲酶抑制劑（NBPT）已被證明是有效的氨揮發(fā)減排措施。在德國淋溶土（pH 6.5）上的研究結(jié)果表明（Ni et al.，2014），與不添加脲酶抑制劑相比，添加NBPT后能夠降低26%～83%的氨揮發(fā)損失。在巴西酸性磚紅壤（pH 5.9）上的研究結(jié)果表明（Soares et al.，2012），尿素添加NBPT后不僅延緩了氨揮發(fā)峰值的出現(xiàn)，而且降低了54%～78%的氨揮發(fā)損失。本研究表明，與尿素表施（UT）相比，添加脲酶抑制劑后，UI處理延緩了氨揮發(fā)峰值的出現(xiàn)，同時(shí)氨揮發(fā)過程持續(xù)12 d之久，但其損失率卻高達(dá)30.27%（圖5和圖6）。試驗(yàn)期間，該處理表層土壤一直保持了相對較高的銨態(tài)氮濃度，前期由于土壤pH的升高導(dǎo)致了較高的氨揮發(fā)損失；后期雖然其表層土壤銨態(tài)氮濃度較高，但是由于土壤pH較低，其氨揮發(fā)損失很少（圖2和圖3）。本試驗(yàn)條件下，在酸性磚紅壤中尿素添加脲酶抑制劑并沒有降低氨揮發(fā)損失，這與前人研究結(jié)果不同（Soares et al.，2012；Ni et al.，2014）。NBPT對氨揮發(fā)抑制的有效性受環(huán)境條件影響很大，尤其是土壤pH和土壤通氣性。研究表明，NBPT在高pH和低有機(jī)質(zhì)含量的土壤上，對氨揮發(fā)的抑制效果最佳（Watson et al.，1994）。而從在其他土壤上的研究結(jié)果看，NBPT在酸性土壤中仍然具有較好的抑制效果（Soares et al.，2012）。目前僅從本研究所得到的結(jié)果進(jìn)行分析，尚未找到酸性磚紅壤中尿素添加NBPT不能抑制氨揮發(fā)損失的原因，這值得深入研究。

郝小雨等（2012）研究表明，與傳統(tǒng)施肥相比，有機(jī)-無機(jī)肥配施可有效降低 47.9%～50.0%的氨揮發(fā)損失。本研究表明，尿素配施有機(jī)肥（UM處理）后，其氨揮發(fā)損失率僅為13.23%，與尿素表施相比降低了 53.05%的氨揮發(fā)損失（圖 6）。將有機(jī)肥替代部分化肥后，減少了無機(jī)氮投入量導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮含量的降低，能夠顯著降低氨揮發(fā)損失量。這與前人（郝小雨等，2012）研究結(jié)果基本一致。綜合大量研究結(jié)果的分析（Pan et al.，2016）發(fā)現(xiàn)，氮肥深施或表施后灌水均是氨揮發(fā)減排的重要措施，分別能降低55%和35%的氨揮發(fā)損失。其中，施氮深度和灌溉量（或降雨量）是影響氨揮發(fā)減排效果的重要因素。研究表明（Rochette et al.，2013），尿素表面條施后的氨揮發(fā)損失約為50%，氮肥深施降低氨揮發(fā)損失的效果大致為 7%·cm-1。當(dāng)施氮深度＞7.5 cm，氨揮發(fā)損失基本可以忽略。尿素表施后，立即灌水3 mm顯著地增加了8%的氨揮發(fā)損失，而灌水7 mm和14 mm則分別降低了77%和89%的氨揮發(fā)損失（Sanz-Cobena et al.，2011）。本研究表明，尿素深施（UD處理）和尿素表施后灌水（UW 處理），氨揮發(fā)損失率分別僅為5.39%和1.52%。與尿素表施相比可降低80.87%和94.61%的氨揮發(fā)損失（圖 6）。另外，尿素深施后，盡管其土壤銨態(tài)氮濃度一直較高，但由于土壤的覆蓋，其氨揮發(fā)損失較低。而較少的氨揮發(fā)損失又維持了較高的土壤銨態(tài)氮濃度。由此可見，尿素深施和尿素表施后灌水是酸性磚紅壤區(qū)橡膠林氨揮發(fā)減排的有效措施。然而，值得注意的是，配套施肥機(jī)具的研發(fā)是橡膠林氮肥深施技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)亟待突破的問題。另外，在田間條件下，降雨量大容易導(dǎo)致氮肥的地表流失和淋溶等的發(fā)生，在減少氨揮發(fā)損失的同時(shí)會(huì)增加其他損失，降低氮肥的肥效。因此，橡膠林雨前撒施尿素還需密切關(guān)注降雨情況。

4 結(jié)論

酸性磚紅壤中尿素表施后，其氨揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化與表層土壤pH和銨態(tài)氮濃度變化大致同步。整個(gè)氨揮發(fā)過程在7 d內(nèi)完成，氨揮發(fā)損失率為28.19%。與尿素表施相比，尿素添加脲酶抑制劑NBPT并沒有降低氨揮發(fā)損失，僅延遲了氨揮發(fā)峰值的出現(xiàn)，其氨揮發(fā)損失在12 d內(nèi)完成。尿素配施有機(jī)肥、尿素深施和尿素表施后灌水的氨揮發(fā)損失也基本在 7 d內(nèi)完成。與尿素表施相比，這3種方法分別顯著降低了53.05%、80.87%和94.61%的氨揮發(fā)損失，是橡膠林下酸性磚紅壤施用尿素氨揮發(fā)減排的有效措施。

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