任立軍, 趙文琪, 安婷婷, 韓昌東, 虞 娜, 鄒洪濤*, 張玉龍
1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110866
2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110866
3.土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110866
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,化肥施用所產(chǎn)生的氨排放問(wèn)題已成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]. 目前,我國(guó)化肥使用量呈逐年遞增的趨勢(shì),但肥料利用率低下,尤其是氮肥,利用率僅為30%~35%[2]. 氨揮發(fā)是氮肥大量損失的一個(gè)重要途徑,農(nóng)田氨氣揮發(fā)不僅造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)揮發(fā)的氨氣會(huì)與SO2、NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng),極易形成PM2.5,造成環(huán)境污染[3-4]. 另外,空氣中的氨還會(huì)通過(guò)沉降的形式進(jìn)入農(nóng)田和水體中,造成土壤酸化和水體富營(yíng)養(yǎng)化[5-7]. 研究發(fā)現(xiàn),空氣中90%的氨都直接或間接與農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)[8-10],而設(shè)施農(nóng)業(yè)又是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分,因此,研究設(shè)施土壤氨揮發(fā)特征對(duì)于減少氨揮發(fā)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.
但由于我國(guó)土壤類型、氣候、種植模式、施肥量及種類區(qū)域差異較大,目前仍缺乏足夠的代表各典型區(qū)域的本地化氨排放數(shù)據(jù). 肥料對(duì)土壤氨揮發(fā)的影響比較復(fù)雜,近年來(lái)不同施肥方式對(duì)土壤氨揮發(fā)影響的研究越來(lái)越多,但尚未得到一致結(jié)論. 例如:茹美[11]以水稻為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)不同施肥處理下有機(jī)肥配施化學(xué)氮素能顯著提高水稻的氮素利用率、降低氨揮發(fā);Sha等[12]基于大數(shù)據(jù)分析方法——Meta分析,得出生物炭有機(jī)肥能夠降低土壤氨揮發(fā);Yang等[13]以不同玉米品種為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)不同有機(jī)肥替代化肥能有效降低氨揮發(fā)損失;但也有研究[14-15]表明,新鮮有機(jī)肥施入稻田后增加了土壤氨揮發(fā);山楠等[16]以設(shè)施菠菜為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)堆肥能增加氨揮發(fā)量. 由此可見(jiàn),不同施肥方式會(huì)顯著影響土壤氨揮發(fā). 目前對(duì)于土壤氨揮發(fā)的研究主要集中于大田試驗(yàn)和有機(jī)肥(動(dòng)物糞便)無(wú)機(jī)肥配施,而對(duì)于高溫高濕、復(fù)種指數(shù)高、肥料投入量大的設(shè)施土壤[17-19]氨揮發(fā)的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道,設(shè)施土壤作為農(nóng)業(yè)土壤的重要組成部分,研究如何降低其氨揮發(fā),對(duì)于保護(hù)氮素?fù)p失及保護(hù)環(huán)境具有重要意義.
目前,設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速,已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè). 因此,該研究在設(shè)施試驗(yàn)的條件下,探究不同施肥方式對(duì)設(shè)施土壤氨揮發(fā)特征的影響,以期為設(shè)施土壤合理施肥和減少氨揮發(fā)提供理論基礎(chǔ).
試驗(yàn)于2020年9月—2021年1月在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)科研試驗(yàn)基地日光溫室內(nèi)進(jìn)行. 供試土壤為棕壤,其基本理化性質(zhì):pH為6.01,有機(jī)質(zhì)含量為26.03 g/kg,全氮含量為1.66 g/kg,有效磷含量為67.87 mg/kg,速效鉀含量為273.71 mg/kg.
試驗(yàn)采用田間隨機(jī)區(qū)組排列設(shè)計(jì),設(shè)5個(gè)處理(見(jiàn)表1),每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù),各處理之間用塑料薄膜隔開(kāi),埋深60 cm,小區(qū)面積7.2 m2(2.4 m×3.0 m). 每個(gè)小區(qū)種植番茄4行,每行10株,行距0.6 m,株距0.3 m. 有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥按照等氮量設(shè)計(jì),參照當(dāng)?shù)厥┓是闆r,施用N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 450 kg/hm2,其中氮肥為尿素(含N量為46%),磷肥為磷酸二銨(N含量為18%,P2O5含量為46%),鉀肥為硫酸鉀(K2O含量為51%). 改良劑為優(yōu)菌爆根(由雷邦斯的枯草芽孢桿菌和甲基營(yíng)養(yǎng)型與礦物質(zhì)復(fù)合而成),有機(jī)肥為生物菌肥(N含量為2.01%). 將全部有機(jī)肥和部分化肥作為基肥,剩余化肥分為兩等份,分別在番茄一穗果時(shí)期和三穗果時(shí)期進(jìn)行追肥,各處理基肥和追肥施用量見(jiàn)表2.
表1 試驗(yàn)處理方式及肥料種類
表2 不同施肥處理下基肥及追肥量
1.3.1樣品的采集與測(cè)定
土壤氨揮發(fā)通量采用LGR915-0016超便攜NH3分析儀(Los Gatos Research, USA)測(cè)定[20]. 在測(cè)定土壤氨揮發(fā)通量前兩三天將土壤環(huán)均勻插入土壤中[21],以盡可能地減小土壤擾動(dòng)造成的試驗(yàn)測(cè)定誤差. 為減少空間分布的差異性和測(cè)量期間植物對(duì)土壤氨揮發(fā)通量的影響,將土壤環(huán)安裝在各小區(qū)相同位置,并將土壤環(huán)中植株的地上部分剪除. 每個(gè)處理設(shè)3個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)放置一個(gè)土環(huán),每個(gè)小區(qū)連續(xù)測(cè)定3次數(shù)據(jù). 土壤氨揮發(fā)通量測(cè)定時(shí)間為灌溉前后1~2 d的08:00—11:00. 設(shè)施土壤氨累積揮發(fā)通量的計(jì)算方法:
(1)
式中:M為土壤氨累積揮發(fā)通量,mg/m2;Ki為土壤氨揮發(fā)通量第i次測(cè)定值,nmol/(m2·s);(ti+1-ti)為連續(xù)兩次測(cè)定間隔時(shí)間;n為測(cè)定總次數(shù);14為每摩爾NH3分子中N的質(zhì)量數(shù),g/mol.
采用濕度傳感器(EC-5)測(cè)定0~10 cm土壤體積含水量(簡(jiǎn)稱“土壤含水量”),采用地溫計(jì)測(cè)定0~10 cm土壤溫度,采用AA3自動(dòng)分析儀(Bran-Luebbe,Germany)測(cè)定0~20 cm土壤銨態(tài)氮硝態(tài)氮含量;采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和總孔隙度;土壤pH及有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量采用《土壤農(nóng)化分析》中的常規(guī)方法測(cè)定.
1.3.2數(shù)據(jù)處理
采用Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析;采用Canoco 5.1和Origin 8.5軟件制作圖表;通過(guò)LSD和Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn).
由圖1可見(jiàn),不同施肥處理下土壤氨揮發(fā)通量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致. 在追肥前期,各施肥處理下土壤氨揮發(fā)通量在2020年10月8日和19日分別出現(xiàn)2次峰值,且均以CK處理下為最高. 另外,不同施肥處理下各時(shí)期土壤氨揮發(fā)通量的平均水平與2次峰值時(shí)呈現(xiàn)的規(guī)律相似,均為CK處理下最高,CK、H、Y、HY、HYG各處理下土壤氨揮發(fā)通量的平均值分別為0.23、0.12、0.13、0.19、0.14 nmol/(m2·s). 追肥后,在11月6日出現(xiàn)了第3次峰值,表現(xiàn)為HY處理>H處理>HYG處理>Y處理>CK處理,且HY、H和HYG處理下土壤氨揮發(fā)通量峰值分別為0.95、0.73和0.50 nmol/(m2·s),其原因可能是,追肥措施提高了反應(yīng)底物濃度,進(jìn)而增加了土壤氨揮發(fā)通量. 在11月15日和12月5日又出現(xiàn)2次峰值,且各處理表現(xiàn)趨勢(shì)基本一致,可能是因?yàn)椋跍y(cè)定之前,土壤進(jìn)行了灌溉,導(dǎo)致土壤含水量增加,再加上氣溫回升,引起土壤溫度升高,導(dǎo)致各處理下土壤氨揮發(fā)通量呈上升趨勢(shì).
注:追肥時(shí)間為2020年10月30日.
2.2.1土壤溫度
由圖2可見(jiàn),不同施肥處理下土壤溫度的變化趨勢(shì)基本一致. 在番茄生育期內(nèi),土壤溫度以HYG處理下的變化范圍為最大,為12.55~28.45 ℃;其次為HY、Y和CK處理,三者分別為12.60~28.00、12.17~24.55和13.16~21.60 ℃;H處理下的變化范圍最小,為13.17~21.60 ℃. 土壤平均溫度以HYG處理下最高(20.00 ℃),其次為HY處理(19.59 ℃)、Y處理(18.94 ℃)和H處理(17.89 ℃),CK處理下平均值(17.87 ℃)最小.
注: 追肥時(shí)間為2020年10月30日.
采用線性擬合方法來(lái)分析不同施肥方式下土壤氨揮發(fā)通量(y)與土壤溫度(T)的關(guān)系,擬合結(jié)果如圖3所示. 由圖3可見(jiàn),各處理的擬合方程均達(dá)到了1%的極顯著水平. 此外,不同處理之間擬合方程的對(duì)比顯示,H處理的斜率(0.056 9)最大,說(shuō)明H處理對(duì)土壤溫度的敏感性較高,因此其易受到土壤溫度的影響;而Y處理的斜率(0.013 2)最小,對(duì)溫度變化有著一定的緩沖能力. 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),H處理與CK、Y、HY、HYG處理均存在交叉點(diǎn),各交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度分別為17.67、13.60、9.50和13.25 ℃.
圖3 不同施肥處理下土壤氨揮發(fā)通量與土壤溫度的擬合結(jié)果
在H處理與各處理交叉點(diǎn)之前,H處理下氨揮發(fā)通量均低于其他各處理,在各交叉點(diǎn)之后,H處理下氨揮發(fā)通量均高于其他各處理,這可能與土壤中微生物活性和脲酶活性有關(guān),當(dāng)溫度較低時(shí),化肥的施入會(huì)抑制微生物和脲酶的活性,導(dǎo)致氨揮發(fā)通量較低;當(dāng)溫度升高時(shí),微生物和脲酶的活性得到提高,促進(jìn)了土壤中氨的揮發(fā);在相同的溫度條件下,施用有機(jī)肥的處理能夠?qū)Π睋]發(fā)起到抑制作用,故降低了土壤氨揮發(fā).
2.2.2土壤含水量
由圖4可見(jiàn),在相同的灌溉次數(shù)和灌溉量條件下,不同施肥方式下土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致,均表現(xiàn)為先上升并達(dá)到峰值、之后下降的趨勢(shì). 相較于CK處理而言,Y、HY和HYG處理均能提高土壤含水量,保水能力好,但H處理表現(xiàn)相反. HY處理下土壤含水量變化范圍最大,為14.5%~51.9%;其次為H處理,為12.8%~44.2%;Y處理下土壤含水量變化范圍最小,為16.6%~40.6%. 土壤含水量的平均值表現(xiàn)為HY處理>Y處理>HYG處理>H處理>CK處理.
注: 追肥時(shí)間為2020年10月30日.
土壤含水量(W)是影響土壤氨揮發(fā)通量(y)的重要因素. 由圖5可見(jiàn),各處理下的復(fù)合模型擬合結(jié)果均達(dá)到了極顯著水平. 此外,CK處理下土壤含水量<39.3%時(shí),土壤氨揮發(fā)通量隨著土壤含水量的增加而下降,當(dāng)土壤含水量>39.3%時(shí)則表現(xiàn)相反;H處理下土壤含水量<14.7%時(shí),土壤氨揮發(fā)通量隨著土壤含水量的增加而下降,當(dāng)土壤含水量>14.7%時(shí)則表現(xiàn)相反;Y處理下土壤含水量<29.7%時(shí),土壤氨揮發(fā)通量隨著土壤含水量的增加而升高,當(dāng)土壤含水量>29.7%時(shí)則表現(xiàn)相反;HY處理下土壤含水量<27.8%時(shí),土壤氨揮發(fā)通量隨著土壤含水量的增加而下降,當(dāng)土壤含水量>27.8%時(shí)則表現(xiàn)相反;HYG處理下土壤含水量<24.4%時(shí),土壤氨揮發(fā)通量隨著土壤含水量的增加而下降,當(dāng)土壤含水量>24.4%時(shí)則表現(xiàn)相反.
圖5 不同施肥處理下土壤氨揮發(fā)通量和土壤含水量的擬合結(jié)果
2.2.3水熱因子的綜合作用
由圖6可見(jiàn),在不同施肥條件下,以土壤含水量(W)和土壤溫度(T)為自變量、土壤氨揮發(fā)通量(y)為因變量建立雙因素復(fù)合模型(y=m+aT+bW+cT2+dW2),CK、H、Y、HY和HYG處理的擬合方程見(jiàn)表3. 各處理的復(fù)合模型擬合結(jié)果均達(dá)到了極顯著水平(R2為 0.700 6~0.849 7),相較于單因素模型擬合結(jié)果(R2為 0.504 7~0.726 4),土壤溫度與土壤含水量雙因素模型可以更好地解釋土壤氨揮發(fā)通量的變化規(guī)律.
圖6 不同施肥處理土壤氨揮發(fā)通量對(duì)土壤溫度和土壤含水量的響應(yīng)曲面
表3 不同施肥處理下水熱雙因素復(fù)合模型的擬合參數(shù)
番茄生育期內(nèi)各處理下土壤氨累積揮發(fā)量如圖7所示. 由圖7可見(jiàn),CK、H、Y、HY、HYG各處理下土壤氨累積揮發(fā)量分別為32.9、37.3、24.9、37.4和27.9 mg/m2,單施化肥的H處理和配施有機(jī)肥的HY處理下土壤氨累積揮發(fā)量較高,且顯著高于其他各處理. 與CK處理相比,H和HY處理下土壤中氨累積揮發(fā)量分別增加了11.76%和12.03%;Y處理(100%有機(jī)肥N)和HYG處理(50%化肥N+50%有機(jī)肥N+改良劑)則顯著降低了土壤中氨累積揮發(fā)量,分別下降了24.31%和15.20%. 這說(shuō)明有機(jī)肥和改良劑的施用能夠降低土壤中氨累積揮發(fā)量.
圖7 不同施肥處理下的土壤氨累積揮發(fā)量
土壤氨累積揮發(fā)量與其影響因素的相關(guān)性分析結(jié)果表明,在該試驗(yàn)條件下,土壤氨累積揮發(fā)量與0~20 cm土層銨態(tài)氮含量(r=-0.779)、硝態(tài)氮含量(r=-0.695)、pH(r=-0.795)及土壤孔隙度(r=-0.817)均呈極顯著相關(guān)(P均小于0.01),與0~20 cm土層土壤容重(r=0.630)呈顯著相關(guān)(P<0.05).
由各施肥處理的主成分分析(PCA)結(jié)果(見(jiàn)圖8)可以看出:土壤氨累積揮發(fā)量的影響因子可以提取出2個(gè)主成分,其累積貢獻(xiàn)率為83.09%. 主成分1由pH、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量、土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重構(gòu)成,其荷載分別為0.982、0.951、0.931、0.903、0.771、0.675和 -0.609,可以解釋64.10%的土壤氨累積揮發(fā)量;主成分2由土壤溫度構(gòu)成,荷載為 -0.757,可以解釋18.99%的土壤氨累積揮發(fā)量. 由此可知,不同施肥方式下,0~20 cm土壤的銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、pH、土壤孔隙度、土壤容重以及0~10 cm土壤溫度和土壤含水量均會(huì)顯著影響土壤氨累積揮發(fā)量.
圖8 土壤氨累積揮發(fā)量影響因子的主成分分析結(jié)果
張怡彬等[22]研究表明,有機(jī)肥替代化肥氮能夠降低氨揮發(fā)損失;但也研究[14,16]表明,在相同施氮的情況下,施用新鮮有機(jī)肥或堆肥的處理顯著增加了氨揮發(fā)損失. 該研究表明,在番茄生育期內(nèi),H和HY處理促進(jìn)了土壤中氨揮發(fā),而Y和HYG處理則抑制了土壤中氨揮發(fā),可能是因?yàn)榛实c有機(jī)肥氮釋放過(guò)程的反應(yīng)不同. 化肥氮施入土壤后溶解較快,在脲酶的作用下快速水解為NH4HCO3,隨后迅速轉(zhuǎn)化為NH4+-N,一部分被土壤膠體吸附,另一部分則進(jìn)入土壤溶液中,使其底物濃度快速升高,為氨揮發(fā)提供了充足底物;而有機(jī)肥氮大部分為有機(jī)態(tài)氮,一方面釋放比較緩慢,另一方面促進(jìn)了土壤中微生物的活性,將無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)氮,有利于NH4+-N的固定,降低了氨揮發(fā)的底物濃度[23-24]. 由枯草芽孢桿菌制備而成的改良劑能夠增強(qiáng)土壤中微生物的整體活性,增加土壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量,可將土壤中無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮[25],進(jìn)一步降低了土壤的氨揮發(fā).
研究[26-28]表明,土壤溫度是影響土壤氨揮發(fā)通量的重要因素,主要通過(guò)影響土壤中微生物的活性、氣體運(yùn)動(dòng)等來(lái)影響土壤氨揮發(fā),土壤氨揮發(fā)速率隨著土壤溫度的升高而增加,并呈顯著正相關(guān),這與筆者所得結(jié)果(見(jiàn)圖3)相一致. 這可能是因?yàn)椋瑴囟仍黾邮沟猛寥乐须迕傅幕钚栽鰪?qiáng),加速了土壤中肥料的分解與轉(zhuǎn)化,使得土壤中銨態(tài)氮總量增加,并因作物未能及時(shí)吸收,而造成氮素以氨揮發(fā)的形式損失[29].
諸多學(xué)者研究了土壤含水量與氨揮發(fā)通量之間的關(guān)系,但得出的結(jié)論略有不同. 例如:紀(jì)銳琳等[30]研究表明,施用氮肥時(shí)氨揮發(fā)通量隨著土壤含水量的上升而遞增;而劉秋麗[31]研究表明,土壤氨揮發(fā)通量先隨著含水量的增加而降低并達(dá)到最低值,然后隨著含水量的增加而上升,這與筆者得到的CK、H、HY和HYG處理所得結(jié)果相一致,但與Y處理所得結(jié)果相反. 土壤含水量對(duì)農(nóng)田氨揮發(fā)的影響主要是肥料在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程,如碳銨的溶解、尿素的水解、有機(jī)物的微生物分解等過(guò)程,進(jìn)而影響到農(nóng)田土壤氨揮發(fā)[32]. 在較高的土壤含水量條件下,尿素顆粒會(huì)與土壤充分接觸,使其形態(tài)轉(zhuǎn)化加快,同時(shí)還會(huì)阻礙空氣進(jìn)入土壤,抑制氨氧化過(guò)程的發(fā)生,增加液相中NH4+-N所占氮素的形態(tài)比,從而增加了土壤氨揮發(fā)[33]. 在適中的含水量條件下,肥料將會(huì)以下滲的方式進(jìn)入土壤深層,增加NH4+被土壤膠體吸附或作物吸收的機(jī)會(huì);另外,還增加了土壤中氨揮發(fā)到土壤表層的阻力,因此降低了土壤中氨揮發(fā)[34-35]. 土壤含水量較低時(shí),肥料留于地表,被膠體吸附的概率下降,土壤抑制氨揮發(fā)的能力較弱,由此增加了土壤氨揮發(fā)通量. 該研究中Y處理的研究結(jié)果與其他4種處理結(jié)果相反,可能是因?yàn)閅處理全部為微生物菌肥,其功能是促進(jìn)土壤中微生物數(shù)量的增加,但是土壤中微生物的活性需要適宜的土壤含水量,土壤含水量過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)抑制土壤微生物活性,而有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為作物可吸收的氮素狀態(tài),必須有相關(guān)微生物的參與,因此土壤含水量過(guò)高或過(guò)低均會(huì)抑制土壤氨揮發(fā).
a) 設(shè)施番茄栽培條件下,不同施肥方式對(duì)土壤氨揮發(fā)通量產(chǎn)生了顯著影響,5種施肥方式以H處理(100%化肥N)和HY處理(50%化肥N+50%有機(jī)肥N)下土壤氨累積揮發(fā)量較大,且顯著高于其他3個(gè)處理,與CK處理(不施肥)相比,H和HY處理下土壤中氨的累積揮發(fā)量分別增加了11.76%和12.03%;Y處理(100%有機(jī)肥N)和HYG處理(50%化肥N+50%有機(jī)肥N+改良劑)則顯著降低了土壤中氨累積揮發(fā)量,分別下降了24.31%和15.20%.
b) 土壤氨累積揮發(fā)量影響因子可以提取出2個(gè)主成分,主成分1由pH、硝態(tài)氮含量、銨態(tài)氮含量、土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重構(gòu)成,主成分2由土壤溫度構(gòu)成,這2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為83.09%,且各影響因素均與土壤氨累積揮發(fā)量有顯著相關(guān)關(guān)系(P均小于0.05),說(shuō)明在不同施肥方式下,0~20 cm土壤的銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、pH、土壤孔隙度和土壤容重以及0~10 cm土壤溫度和土壤含水量均會(huì)顯著影響土壤氨揮發(fā).