羅付香，林超文，劉海濤，王 宏，張建華，朱永群，姚 莉，王 謝

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川成都 610066）

氨揮發(fā)的氮素隨著大氣濕沉降進(jìn)入水圈導(dǎo)致水土富營養(yǎng)化等嚴(yán)峻的環(huán)境問題[1]，據(jù)統(tǒng)計中國一年大約有3.55 × 106t氮以氨揮發(fā)形式損失[2]。紫色土耕地面積513.09萬hm2，其中四川省占48.24%，是西南地區(qū)最主要的耕作土壤[3]。大白菜是主要的種植蔬菜之一，為了提高產(chǎn)量，氮肥的投入量巨大，氮肥過量施用則帶來了蔬菜硝態(tài)氮殘留[4]以及環(huán)境污染等問題[5]，因此研究紫色土大白菜地的氨揮發(fā)特征對紫色土地區(qū)的氮素高效利用和降低環(huán)境風(fēng)險有積極意義。

當(dāng)前對氨揮發(fā)的研究主要針對糧食作物玉米、小麥、水稻[6–10]。部分關(guān)于蔬菜的氨揮發(fā)研究主要集中在大棚內(nèi)[11]。黃晶晶等[13]對紫色土水稻田的氨揮發(fā)進(jìn)行了研究分析。氨揮發(fā)量受到施氮量[14]、氮肥種類[16]、施肥方式[17]、土壤pH[18]等因素的影響[19]。不同土壤和不同種植類型氨揮發(fā)差異很大[6,8,20]。而目前對于種植大白菜紫色土的田間氨揮發(fā)和影響因素研究還鮮有報道，特別是協(xié)調(diào)產(chǎn)量和氨揮發(fā)的最佳施氮量，具有重要意義。本研究采用密閉式連續(xù)通氣法田間原位測定裝置，對2012和2013年在不同施氮肥水平條件下，紫色土區(qū)大白菜地的氨揮發(fā)進(jìn)行了測定，目的在于探明紫色土區(qū)大白菜地的產(chǎn)量、氨揮發(fā)特征及其影響因素，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益雙贏的模式下尋求最佳施氮量，減少氮素的損失。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所資陽試驗站，地處東經(jīng) 104°34′12″～104°35′19″、北緯 30°05′12″～30°06′44″，海拔 395 m。多年(2011～2014年) 年均降雨量為831.86 mm，70%分布在6—9月間，最高為987.65 mm，最低為678 mm。年均溫16.8℃，極端最低溫–3.6℃，極端最高溫36.5℃。供試土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紫色土紅沙土。2012年試驗前0—20 cm土層土壤的基本理化性狀：pH 7.91、有機質(zhì)9.24 g/kg、全氮0.55 g/kg、水溶性氮2.71 mg/kg、銨態(tài)氮1.29 mg/kg、硝態(tài)氮0.69 mg/kg、有效磷3.02 mg/kg、速效鉀90.21 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

大白菜田間試驗設(shè)置6個處理，施氮量依次為N 0 (CK)、112.5、150、187.5、225 和 300 kg/hm2，氮肥為尿素。磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣和氯化鉀，施肥量分別為P2O5105 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，全部作基肥。氮肥等分為兩份，分別用于基肥和追肥。每個處理重復(fù)3次，完全隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為30 m2。試驗地周圍設(shè)置寬度為3 m保護(hù)行，小區(qū)間筑寬30 cm，高20 cm田埂。

供試大白菜品種為‘青雜3號’，于2012年9月18日播種，10月14日移栽，2013年2月27日收獲；2013年8月20日播種，9月20日移栽，2014年1月8日收獲。行距50 cm，窩距50 cm。施用基肥日期為2012年10月19日和2013年9月24日，追肥日期為2012年12月5日和2013年11月4日，施肥方法均為撒施。田間灌溉和病蟲草害管理均按照當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 氨揮發(fā)測定方法

采用密閉室連續(xù)通氣法監(jiān)測稻田NH3揮發(fā)通量[21]，通過利用空氣置換將土壤揮發(fā)出來的NH3隨氣流進(jìn)入吸收瓶中，然后將吸收液帶回室內(nèi)進(jìn)行測定，田間裝置如圖1所示。具體方法為：在地里預(yù)埋內(nèi)徑為50 cm、高為30 cm的不透光有機玻璃微區(qū)桶，微區(qū)內(nèi)有一株白菜，用一帶蓋有機玻璃罩 (內(nèi)徑50 cm、高10 cm) 扣在微區(qū)桶上，并用透明膠帶密封連接部分 (膠帶寬度 ≥ 5 cm)，通過橡皮管與高為2.5 m的通氣管連接 (所有通氣管口在離試驗地5 m之外2.5 m高的點，保證通入密室的氣體一致且不被白菜地排放的NH3污染，其NH3濃度為大氣中的NH3濃度)。

圖 1 密閉室氨揮發(fā)測定裝置Fig. 1 Apparatus for ammonia volatilization

在基肥和追肥施用之后的第一天開始測定氨揮發(fā)，固定在上午9:00—10:00，下午16:00—17:00進(jìn)行，連續(xù)測14 d (降雨停止測定)，直至檢測不到氨揮發(fā)。氨揮發(fā)測定的收集裝置用裝有2%的硼酸吸收氣體中的NH3，然后用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定其中收集到的NH3，由此得到大白菜地NH3揮發(fā)情況。

1.4 大白菜產(chǎn)量測定及植株樣品的采集

在大白菜成熟期全部收獲，采用烘干法測定其干產(chǎn)。每個小區(qū)選擇5棵有代表性的白菜植株，裝入網(wǎng)袋帶回實驗室，烘干后全部粉碎，采用H2SO4–H2O2消煮提取，用連續(xù)流動分析儀測定大白菜全氮的含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

NH3揮發(fā)通量的計算方程為：

式中：F為一天當(dāng)中NH3揮發(fā)通量[kg/(d·hm2)]；C為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的濃度 (mg/L)；V為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的滴定體積 (L)；S為密閉式內(nèi)部面積 (m2)；t為氨揮發(fā)測定時間 (h)。

NH3揮發(fā)總量的計算方程為：

式中：NA為NH3揮發(fā)總量 (kg/hm2)；d為時間 (1 d)。吸氮量的計算方程為：

式中：NA是吸氮量 (kg/hm2)；N為大白菜含氮量；W為大白菜干重 (kg/hm2)。

單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量的計算方法為：

式中：D為單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量 (g/kg)；Y為單位面積產(chǎn)量 (kg/hm2)。

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率計算方法為：

式中：NUE為氮肥農(nóng)學(xué)利用效率 (kg/kg)；YN0為空白區(qū)大白菜的單位面積產(chǎn)量 (kg/hm2)；Nfer為單位面積大白菜施氮量。

試驗數(shù)據(jù)利用Excel軟件處理計算并作圖，用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 大白菜產(chǎn)量、吸氮量及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率

表1可知，隨著施氮量的增加，2012年大白菜產(chǎn)量隨著施氮量從0到187.5 kg/hm2呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，但是從N 187.5 kg/hm2到225 kg/hm2、300 kg/hm2的增加不顯著；2013年除不施氮處理大白菜產(chǎn)量顯著低于施氮處理之外，隨著施氮量的繼續(xù)增加大白菜產(chǎn)量差異不顯著。大白菜吸氮量與產(chǎn)量變化趨勢基本上相同，隨著施氮量增加，氮素吸收增加。2012和2013年兩年，大白菜吸氮量的變化趨勢是相同的，施氮量是從0增加到187.5 kg/hm2的時候，大白菜的吸氮量不斷地增加。但是，隨著施氮量從187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2的時候，吸氮量增加就呈現(xiàn)不顯著的變化。氮肥農(nóng)學(xué)利用效率隨著氮肥施用量的增加呈先降低后增加再降低的趨勢。施氮量為187.5 kg/hm2的處理，大白菜對氮肥利用率較高，說明當(dāng)施氮量超過187.5 kg/hm2后，大白菜的產(chǎn)量和吸氮量增加量不顯著，氮肥利用率降低，特別是2013年300 kg/hm2處理大白菜產(chǎn)量和氮素吸收量均有明顯減低趨勢。因此，綜合考慮大白菜的產(chǎn)量、吸氮量以及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率可以得到，187.5 kg/hm2處理是最適宜的氮肥施用量。

表 1 不同氮素水平大白菜產(chǎn)量及氮素吸收利用Table 1 Yield and nitrogen uptake of cabbage under different N rates

2.2 氨揮發(fā)損失速率及總量的變化

圖2表明，2012和2013年不同氮水平處理的條件下，大白菜地施用基肥、追肥之后氨揮發(fā)速率的變化規(guī)律。2012和2013年大白菜地施用基肥后，氨揮發(fā)速率都呈現(xiàn)出先上升至最大值，然后下降的趨勢，且氨揮發(fā)速率隨著施氮量的增加而增加。2012年施基肥后第9天，大白菜地的氨揮發(fā)速率達(dá)到最高值，各個施氮處理在第9天的氨揮發(fā)速率分別為0.02、0.38、0.52、1.15、2.02、2.50 kg/(hm2·d)。2013年大白菜地施用基肥后的氨揮發(fā)速率在第5天達(dá)到最高值，其中N 0至300 kg/hm2處理在第5天的氨揮發(fā)速率分別為0.11、0.75、1.46、1.62、2.33、3.71 kg/(hm2·d)。大白菜追肥后的氨揮發(fā)速率遠(yuǎn)低于基肥后，而且氨揮發(fā)速率與施氮量之間的相關(guān)性也低于基肥后。2012和2013年大白菜地追肥后的氨揮發(fā)速率，隨著施氮量的增加同樣也會增加，但是增加效果并不是很明顯。除此之外，追肥之后氨揮發(fā)速率并沒有像基肥后呈現(xiàn)出最大氨揮發(fā)速率值，而是保持比較平穩(wěn)的變化，尤其是2012年。

表2表明，2012和2013年相同氮水平下氨揮發(fā)總量的損失基施后大于追肥后，基肥后的氨揮發(fā)總量介于1.08和23.58 kg/hm2之間，追肥后介于0.21和2.83 kg/hm2之間。施氮量從150 kg/hm2增加到187.5 kg/hm2，基肥后和追肥后氨揮發(fā)總量增加不顯著；施氮量從187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2時，基肥后氨揮發(fā)的總量均顯著增加。通過單季氨揮發(fā)損失量可以得到，大白菜地氨揮發(fā)年均損失量隨著施氮水平從150 kg/hm2增加到187.5 kg/hm2的時候并不顯著，而187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2的時候呈現(xiàn)顯著性增加。因此，綜合基肥和追肥氨揮發(fā)的情況，可以認(rèn)為施氮量187.5 kg/hm2為最佳。

圖 2 大白菜地不同氮水平基肥和追肥后氨揮發(fā)速率動態(tài)Fig. 2 Dynamic of NH3 volatilization rate after basal fertilization and topdressing in cabbage field

表 2 不同氮水平基肥和追肥后大白菜地單季氨揮發(fā)損失氮總量 (kg/hm2)Table 2 Seasonal ammonia volatilization loss after basal and topdressing N in cabbage field

2.3 大白菜季單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量

通過表2中單季氨揮發(fā)總量可以得到不同氮水平處理條件下，氨揮發(fā)損失率以及單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量 (表3)。從表3中可知，氨揮發(fā)損失率隨著施氮量的增加并不是單調(diào)變化的，而是呈現(xiàn)不規(guī)則的變化。氨揮發(fā)損失占肥料氮的比例變化范圍在3.8%～7.2%，而且施氮量187.5 kg/hm2處理的氨揮發(fā)損失比例相對較低，僅次于施氮量112.5 kg/hm2處理。單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量基本上是隨著施氮量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，從對照處理的0.73 g/kg升高至施氮量300 kg/hm2處理的2.60 g/kg。而且施氮量從187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2時的增加速率同樣大于施氮量從0到150 kg/hm2、187.5 kg/hm2，而且施氮量187.5 kg/hm2處理的單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量僅大于施氮量112.5 kg/hm2處理。因此，綜合考慮氨揮發(fā)損失率和單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量，施氮量為187.5 kg/hm2為保證較低氨揮發(fā)量和較高產(chǎn)量的最佳施肥量。

表 3 不同氮素水平氨揮發(fā)占肥料氮的比例及單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量Table 3 Ammonia volatilization loss from fertilizer nitrogen and the unit yield cabbage under different nitrogen rates

3 討論與結(jié)論

3.1 不同氮水平對紫色土大白菜年度產(chǎn)量、氨揮發(fā)量的影響

氮肥的施用不僅能夠提高作物的產(chǎn)量，還能夠改善作物的品質(zhì)?？墒牵^分追求氮肥的增產(chǎn)增效作用而忽略過量氮肥對環(huán)境造成的污染，就會對環(huán)境造成難以估量的危害。因此，本研究通過設(shè)置不同水平的氮處理，研究其對紫色土大白菜的產(chǎn)量和氨揮發(fā)的影響，不僅能提高大白菜品質(zhì)，而且對該區(qū)域農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革意義重大。本研究中通過施氮量的增加，大白菜的產(chǎn)量和吸氮量同樣也呈現(xiàn)出增加的趨勢。但是施氮量為187.5 kg/hm2處理，大白菜的產(chǎn)量和吸氮量相對于施氮量112.5 kg/hm2和150 kg/hm2增加趨勢不顯著 (表1、圖2)。很多研究同樣也發(fā)現(xiàn)了存在臨界氮水平影響作物的產(chǎn)量[23–26]。例如，閔炬等[23]研究發(fā)現(xiàn)在太湖地區(qū)施氮量為傳統(tǒng)習(xí)慣施氮量的20%～40%時，能夠保證黃瓜和番茄較高的產(chǎn)量和較好的品質(zhì)。

圖 3 不同施氮量下大白菜產(chǎn)量和氨揮發(fā)量Fig. 3 Cabbage yield and NH3 volatilization varied with nitrogen fertilizer application rate

本研究發(fā)現(xiàn)，基肥后氨揮發(fā)速率都是隨著測定時間的延長呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，2012年和2013年基肥后最大氨揮發(fā)速率分別出現(xiàn)在第9天和第5天。這可能與2013年的氣溫高于2012年的氣溫有關(guān)，后面會做進(jìn)一步討論說明。對于施氮處理而言，大白菜季氨揮發(fā)總量是6.53～22.72 kg/hm2，占總施肥量的5.8%～8.2%。此外，從圖3中可以看出，大白菜季氨揮發(fā)量隨著施肥量的增加而增加，增加趨勢隨著施氮量從0增加到187.5 kg N/hm2，氨揮發(fā)量呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，而當(dāng)施氮量從187.5 kg/hm2增加到300 kg/hm2，氨揮發(fā)量的增加趨勢呈現(xiàn)陡然上升。本研究中大白菜季施氮肥處理氨揮發(fā)損失率為3.8%～7.2%。這一研究結(jié)果與他人的研究結(jié)果存在差異[6,10–11,13,27]。例如，習(xí)斌等[11]在大棚菜地常規(guī)施肥下測定，氨揮發(fā)占總施氮量的0.73%，低于本研究的結(jié)果，這可能是由于試驗中追肥后澆水造成的。相比大田作物水稻，夏文建等[6]在湖北稻–麥輪作體系中測定水稻氨揮發(fā)損失量為N 32.50～62.82 kg/hm2，肥料氮氨揮發(fā)損失率為8.2%～19.4%；而黃晶晶等[13]在紫色土水稻田上測定氨揮發(fā)介于N 23.4和96.9 kg/hm2之間，占施氮量的29.4%～38.0%。水稻土的氨揮發(fā)損失量要遠(yuǎn)大于大白菜地，這與水稻生長季節(jié)溫度偏高，以及水稻田面有水層覆蓋導(dǎo)致的還原條件有關(guān)。相比大田作物小麥和玉米而言，董文旭等[10]在華北平原小麥–玉米輪作體系中測定單施尿素的累積氨揮發(fā)損失量占尿素施用量的7.2%～9.7%，高于本研究中大白菜地的氨揮發(fā)損失率，這與大白菜生長時期是冬季，溫度遠(yuǎn)低于玉米生長時期有關(guān)。葛順峰等[27]在研究中指出較低的土壤溫度會阻礙微生物的活動，降低脲酶的活性，從而減少了氨揮發(fā)的損失。總而言之，大白菜相對于其他大田作物，氨揮發(fā)量偏低，對環(huán)境的污染效應(yīng)較低。

3.2 溫度對紫色土大白菜地氨揮發(fā)的影響

與大多數(shù)研究一致[7]，紫色土大白菜地的氨揮發(fā)量與施氮量成正比。不管是2012年還是2013年，基肥和追肥之后大白菜的氨揮發(fā)差異非常大。由于本研究基肥和追肥的施肥方式和每個處理施肥量均為一致，因此氨揮發(fā)差異可能與基肥和追肥氨揮發(fā)測定時間段的溫度差異相關(guān)。從表4中，可以看出對于同一年的基肥或者追肥而言，每個處理之間的溫度差異并不是很大。但是同一處理，同年的基肥

和追肥之間溫度的差異非常顯著，基肥和追肥最大的溫度差能夠達(dá)到9.4℃。因此，溫度同樣會對大白菜地的氨揮發(fā)損失量起到比較顯著的影響。溫度對氨揮發(fā)的影響在他人的研究中也有相關(guān)的報道[10,22,28–30]。例如，宋永生等[28]通過研究太湖地區(qū)水稻氨揮發(fā)的影響因素，發(fā)現(xiàn)溫度較高時脲酶的活性增加，從而加快尿素的分解，增加氨揮發(fā)的損失。龔巍巍等[29]通過菜地氨揮發(fā)的研究，發(fā)現(xiàn)氨揮發(fā)通量與土壤溫度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。因此，氨揮發(fā)通量不僅與施肥方式和施肥量呈現(xiàn)比較明顯的正相關(guān)關(guān)系，還與土壤溫度具有較大的相關(guān)關(guān)系。

表 4 大白菜不同氮水平基肥和追肥后氨揮發(fā)測定時期土壤溫度均值 (℃)Table 4 Average soil temperatures during the monitoring period after fertilization in cabbage field

本試驗采用密閉式連續(xù)通氣法測定了2012年和2013年不同氮水平的尿素撒施在大白菜地的土壤氨揮發(fā)。對于基肥而言，氨揮發(fā)的持續(xù)時間為兩周左右，2012年最大氨揮發(fā)速率出現(xiàn)在第9天，而2013年最大氨揮發(fā)速率出現(xiàn)在第5天；對于追肥而言，氨揮發(fā)持續(xù)的時間也將近兩周左右，但是并沒有出現(xiàn)最大氨揮發(fā)速率，而是呈現(xiàn)比較平穩(wěn)的變化?；屎妥贩手g氨揮發(fā)速率的差異是由于溫度的不同造成的。

隨著施氮量的增加，大白菜的產(chǎn)量和氨揮發(fā)總量呈現(xiàn)增加的趨勢，但是當(dāng)施氮量大于187.5 kg/hm2時，大白菜的產(chǎn)量增加不顯著而氨揮發(fā)總量呈現(xiàn)顯著的增加。除此之外，當(dāng)施氮量為187.5 kg/hm2時，大白菜的吸氮量和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率都比較高；氨揮發(fā)損失率和單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量比較低，僅大于施氮量112.5 kg/hm2處理。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，推薦施氮量187.5 kg/hm2為紫色土大白菜地的最佳氮肥投入量。

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