保護地菜田土壤氨揮發損失及影響因素研究

習 斌,張繼宗,左強,鄒國元,翟麗梅,劉宏斌*

(1中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,農業部作物營養與施肥重點開放實驗室,北京100081;2北京市農林科學院植物營養與資源研究所,北京100097;3中國科學院地理科學與資源研究所,北京100101)

隨著我國農業種植結構的調整,近年來蔬菜種植面積所占比例逐年增加,據統計資料顯示,2006年北京市耕地面積總計為232575 hm2,主要農作物播種面積為219581.5 hm2,全市蔬菜種植面積為81551.0 hm2,約占主要農作物播種面積的37.1%;日光溫室占地面積為3213.9 hm2,塑料大棚占地面積為3926.3 hm2,兩者占蔬菜種植面積的8.8%[1]。在施肥方面,保護地施氮量較大,據山東壽光調查結果,保護地蔬菜的氮素養分投入嚴重超量,以黃瓜為例,平均施入化肥氮為1782 kg/hm2,是推薦用量的2～6倍[2-3],而其它溫室作物施氮量也均遠遠超過了當地的推薦施氮量[4-5]。氮素過量施用易使氨揮發加劇,相關研究表明,農田氨揮發損失的氮素占總施氮量的1%～47%[6-7],露地蔬菜地氨揮發率在11%～18%[8-10],但目前關于保護地土壤氨揮發的研究較少。保護地內由于灌溉頻繁,土壤長期保持濕潤,又大部分時間土壤溫度均高于露地菜田[11],使土壤蒸發和植物蒸騰作用均較露天栽培強,加上施肥量大,因而易發生氨揮發,甚至在保護地白天敞風時可能造成大量的氮素氨揮發損失,基于此,本試驗設置不同施肥措施,對保護地番茄的土壤氨揮發狀況進行監測,以期探明不同施肥模式下保護地土壤氨揮發損失的基本規律和減少氨揮發損失的主要措施,為氮肥的合理施用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

試驗在北京市房山區韓村河農業技術開發中心12號溫室進行。試驗地土壤類型為褐土,0—20 cm表層土壤養分含量為:有機質 53.97 g/kg,全氮3.35g/kg,全磷 1.32g/kg,全鉀 19.19g/kg,銨態氮66.7mg/kg,硝態氮 2.4mg/kg,有效磷178.8 mg/kg,速效鉀629.5 mg/kg,pH(H2O)7.35。供試作物為番茄(Lycopersicon esculentum Miller),品種為硬粉18。

試驗設對照(不施肥CK)、單施有機肥(OM)、推薦施肥(REF)、常規施肥(CON)和常規+C/N(即加小麥秸桿)(CNC)5個處理,具體施肥量見表1。每個處理3次重復,小區面積4m×6.5 m,隨機區組排列。常規施肥量根據京郊保護地菜田施肥量調查數據(北京市土壤肥料站)而定,推薦施肥處理為當地推薦施肥量。試驗用氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為過磷酸鈣(含P2O517%),鉀肥為硫酸鉀(含K2O 60%),有機肥為商品雞糞(N、P2O5、K2O含量分別為1%、0.95%、0.86%),秸稈為粉碎的小麥秸(長度為1～3 cm)。常規處理中30%的氮肥作基肥,其余70%平分3次作追肥;推薦施肥處理中25%的氮肥和鉀肥作基肥,其余平分3次作追肥施入,追肥方式為撒施后澆水。第一次追肥在第一穗果坐果期,第二次在第一穗果膨大期,第三次在第二、三穗果膨大期。各處理中有機肥、秸稈和磷肥、常規處理的鉀肥均作為基肥撒施后耕翻入土。

表1 試驗設計Table 1 The experiment design

于2008年3月2日育苗,4月5日定植,7月19日收獲,共留三穗果。種植模式為“小高畦”種植(圖1),作物在壟上種植,在壟背上進行灌水,為節水灌溉模式,屬于目前京郊大棚種植普遍推行的方式。株行距為25 cm×60 cm,過道寬70 cm。每次灌水量均為280 m3/hm2。

圖1 “小高畦”種植模式Fig.1 “Narrow and high ridge” crop cultivation mode

1.2 采樣與測定方法

氨揮發采用密閉室間歇通氣法測定[12]。密閉室為直徑20 cm、高15 cm的無底圓筒,將其嵌入土中,露出地表5 cm。每天在溫室敞風期間測定,測定時間為30 min/次,換氣頻率20次/min以上,在洗氣瓶中裝20 mL 1mol/L KCl(pH值=1)溶液以吸收NH3,吸收液用連續流動注射分析儀(AA3)測定。以0.5 h的通量值作為每天氨揮發的平均通量。施肥第二天開始測定,直至施氮處理與對照的氨揮發通量無差異時停止測定。同時用特制采土器采集各小區表層(0—1 cm)新鮮土,保存于冰柜中,解凍后測定其含水量、pH和銨態氮含量。土壤采用 0.01 mol/L的CaCl2(水∶土比為10∶1)浸提,浸提液中銨態氮用連續流動注射分析儀(AA3)測定;土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法,全氮采用開氏法,有效磷采用碳酸氫鈉法,有效鉀采用乙酸銨浸提,火焰光度計法,pH采用pH計法(土水比為1∶5)[13]測定。

1.3 計算方法

氨揮發總量=不同施肥處理揮發總量-不施肥對照揮發總量

氨揮發累積量中化肥的貢獻率=(施肥處理氨揮發量-單施有機肥處理氨揮發量)/(施肥處理氨揮發量-不施肥對照氨揮發量)×100%

2 結果與分析

2.1 不同處理基肥施用后表層(0—1 cm)土壤銨態氮含量的變化

保護地菜田在施入基肥后0—1 cm土壤銨態氮含量變化情況見圖2。常規施肥和推薦施肥兩處理條件下銨態氮含量均在施肥后第1 d達到最高值,分別為14.8mg/kg和7.8mg/kg,常規施肥處理銨態氮含量隨著監測期推移迅速下降,而推薦施肥處理變化不明顯,其銨態氮含量變化比較平穩;常規+C/N處理在施肥后第3 d達到最高值,為12.1 mg/kg,之后迅速下降并趨于穩定,但在氨揮發監測的第5 d后常規+C/N處理的銨態氮含量略高于常規施肥處理,表明秸稈的施入延緩了尿素的水解;單施有機肥處理在第5 d氨揮發達到高峰,銨態氮含量為7.4 mg/kg,但具有一定的波動性,整體呈下降趨勢。施肥第5 d后,各處理表層土壤銨態氮含量均比較接近,第9 d后,各處理表層土壤銨態氮含量接近不施肥對照處理,在此時監測的氨揮發速率亦接近不施肥對照處理。

通過統計分析發現(圖3),常規施肥、常規+C/N和推薦施肥處理下監測期內0—1cm土壤銨態氮含量變化和氨揮發速率成正相關,R2值分別為0.798*、0.651和0.668,其中常規施肥處理達到了顯著水平(P＜0.05),單施有機肥處理相關性較低。

圖3 氨揮發速率與0—1 cm土壤銨態氮含量的相關性Fig.3 The correlativity between NH3lose flux and the NH+4-N of soil(0-1 cm)

2.2 不同處理基肥施用后表層(0—1 cm)土壤pH值的變化

番茄種植期內,基肥施入后不同施肥處理0—1 cm土壤pH值較不施肥對照在1～5 d內均呈逐漸下降的趨勢(圖4),其中常規施肥處理降幅最大,達0.50個pH單位;單施有機肥處理降幅最小,為0.32個pH單位。常規施肥處理在施肥后前3 d下降速度最快,添加秸稈的常規+C/N處理開始時下降較慢,但在施肥第4 d后,兩處理pH值變化情況基本相同;推薦施肥處理監測前期下降幅度小于常規施肥處理。在施肥5 d以后,各處理pH值均有所回升,而此時各處理氨揮發速率接近不施肥對照水平,氨揮發監測結束時基本恢復到施肥前水平,但略低于施肥前。pH值前期下降幅度的大小同氮肥施用量成正比,即施氮量越大,pH值下降幅度越大。對土壤氨揮發速率和pH值的相關性統計分析結果表明(圖5),常規施肥、常規+C/N、推薦施肥和單施有機肥處理的氨揮發速率和pH值均達到正相關性,R2值分別為 0.938**、0.651、0.713和0.739,其中常規施肥處理達到極顯著水平(P＜0.01)。

圖4 基肥施肥后表層土壤(0—1cm)pH值動態變化Fig.4 Surface soil(0-1 cm)pH following fertilization

圖5 氨揮發速率與pH的相關性Fig.5 The correlativity between ammonia volatilization and pH

2.3 氨揮發過程

施用基肥后,各處理氨揮發速率第1 d就達到了最高峰(圖6),隨著時間推移氨揮發速率迅速下降,在施肥第5 d后,各施肥處理氨揮發速率接近不施肥對照處理。各試驗處理中常規+C/N處理氨揮發量峰值最高,為0.768 kg/(hm2?d),分別為推薦施肥和單施有機肥處理的1.8和3.4倍,接近于常規施肥峰值;常規+C/N處理氨揮發速率變幅較大,在施肥后第2 d下降了 0.491 kg/(hm2?d),整個基肥監測時期氨揮發累積量為1.538 kg/hm2,小于常規施肥處理,為1.563kg/hm2,表明小麥秸稈和尿素的混施減少了氨揮發的損失。在整個基肥施用后氨揮發監測期內,各處理的氨揮發累積損失量大小為常規施肥＞常規+C/N＞推薦施肥＞單施有機肥(表2)。

圖6 不同施肥模式下番茄生長期氨揮發速率Fig.6 Rate of NH3volatilization under different fertilization modes

番茄生長期內進行了3次追肥,番茄第1次追肥后(圖6追肥1),常規施肥和推薦施肥處理在施肥后第2 d氨揮發速率達到最高峰,分別為0.211 kg/(hm2?d)和 0.134 kg/(hm2?d),而常規 +C/N 處理在第3 d達到最高峰,為0.12 kg/(hm2?d),有研究表明施用秸稈有可能推遲氨揮發速率高峰[14]。第2次追肥后(圖6追肥2),常規施肥處理在施肥后第2 d出現氨揮發高峰,速率為0.153 kg/(hm2?d),其它處理均在施肥后第1 d達到高峰,累積揮發量大小為:常規施肥＞推薦施肥＞常規+C/N＞單施有機肥≈不施肥對照,而推薦施肥和常規+C/N處理累積氨揮發基本相當(見表2)。第3次追肥后(圖6追肥3),推薦施肥處理在施肥后第2 d出現氨揮發高峰,速率為0.141 kg/(hm2?d),其它處理均在施肥后第1 d達到高峰,在施肥后第4 d各處理均有一個小高峰,由于在第4 d時氣溫突然升高,使土壤溫度上升,有可能造成氨揮發速率較高。有研究表明,土壤溫度與氨揮發速率呈顯著正相關[15]。單施有機肥處理在3次追肥期間氨揮發累積量略高于不施肥對照。

對追肥期間各處理氨揮發速率規律進行比較,得到以下結果:整個追肥期間氨揮發累積量大小順序為(表2)常規施肥＞推薦施肥＞常規+C/N＞單施有機肥;3次追肥期間各施肥處理在施肥7 d后接近不施肥對照水平;每次追肥監測期間,各處理均在施肥后第2 d或第3 d時出現揮發高峰;常規+C/N處理的3次追肥氨揮發規律有所不同,在第2次追肥監測期間一直呈下降趨勢,其余兩次追肥在監測期間均有一次小高峰,但峰值均小于相同施肥量的常規施肥處理,有研究表明,添加秸稈能夠降低氨揮發的高峰[16],而對氨揮發速率具體影響因素還不明確。常規+C/N處理在整個監測期間氨揮發累積量低于常規施肥處理(見表3),表明施用秸稈有助于減少氮素的氨揮發損失。在整個追肥監測期間單施有機肥處理的氨揮發速率同CK基本相當,在追肥期間未產生氨揮發,表明施入的有機肥在50 d內,土壤表層銨態氮的硝化過程可能已經完成或隨水下滲到深層土壤。

表2 不同施肥模式下番茄土壤氨揮發累積狀況Table 2 Accumulation of NH3volatilization of soil following fertilization

2.4 番茄生長期間氨揮發損失量

番茄生長期各處理的氨揮發如表3所示。與對照相比,不管在基肥期還是追肥期施用氮肥后的氨揮發損失量都很少,均在氮肥總施用量的1%左右(減去不施肥對照損失量),其大小順序為常規施肥＞常規+C/N＞推薦施肥＞單施有機肥。其中,添加秸稈的常規+C/N處理氨揮發累積量比常規施肥低0.26 kg/hm2。本研究中化肥氮在氨揮發損失中的貢獻率較高,均在70%以上,其中在常規施肥處理中為80.88%。

3 討論

田光明等對稻田施肥后土壤pH值測定發現,在施肥后前3 d pH值呈下降趨勢,之后又逐漸波動上升[14];賀發云等對菜田土壤氨揮發監測期中表層土壤pH的測定結果表明,氨揮發過程中,施氮量越大,pH下降得越明顯,較對照最高下降0.8個pH單位[8]。本研究發現,pH下降趨勢同以上研究結果相似,在氨揮發過程中常規施肥處理相對起始pH值下降了0.5個pH單位,表明氨揮發的發生是土壤酸化的原因之一,無機氮肥的大量施入有可能造成土壤pH的降低;另外,硝化作用也是一個酸化過程,尿素水解成銨態氮后隨著進行的硝化作用,亦可能使土壤pH降低。目前我國菜田土壤酸化問題比較嚴重,同長期無機氮素的大量施用有很大關系[17]。

表3 番茄試驗各處理的氨揮發累積量及其所占施氮量的比例Table 3 Ammonia volatilization from different treatments in the tomato experiment

在沒有限制因素存在的條件下,氨揮發速率隨表層土壤銨態氮含量的增加而增大,兩者間呈顯著正相關[8,16]。本研究得到結果相似,其中常規施肥處理的相關性達到極顯著水平(R2=0.798*),但常規+C/N和單施有機肥處理相關性較低,分析其原因,秸稈的添加有可能對銨態氮有固定作用,而單施有機肥后表層土壤銨態氮含量較小,受土壤濕度、溫度、硝化作用等因素的影響較大,表現的相關性較低。氨揮發速率同pH變化成顯著正相關,其中常規施肥處理達到極顯著水平(R2=0.938**),表明pH值越高氨揮發速率越大。

賀發云等在對露地菜田土壤氨揮發的研究中發現,追肥氨揮發速率的峰值出現在第1或2 d,氨揮發延續時間在12d～18d[8]。本試驗條件下,常規和推薦施肥處理在4次施肥監測過程中表現規律比較一致,在施肥后第1 d或第2 d就達到揮發高峰,之后下降速度較快,基肥和追肥時期分別在5 d和7 d后接近不施肥對照處理,其原因可能是,由于保護地土壤含水量長期保持在較高水平,而含水量較高會加快尿素的水解和硝化作用的進行。常規+C/N處理氨揮發速率一般在施肥后2～3 d才達到峰值,其余處理在施肥后第1 d達到峰值,整個監測期間常規+C/N處理的氨揮發累積量小于常規施肥處理,說明添加秸稈推后了氨揮發的峰值,并減少了土壤氨揮發損失量,董文旭等[16]的盆栽試驗,李紅梅等[18]的小麥大田氨揮發試驗研究也得到類似結果。

從本試驗的研究結果看,不同施肥方式下保護地菜田化肥和有機肥的大量施用,并未造成氨揮發的大量損失,不同處理在整個氨揮發監測期間以常規施肥損失量最大,而添加秸稈的常規+C/N處理氨揮發量僅略高于推薦施肥處理,表明施用秸稈、減少氮素施用量是降低氨揮發損失的有效途徑,董文旭等的研究也得到類似結果[16]。同其它研究菜田土壤氨揮發損失的結果相比(損失量一般為11%～18%)[8-10],本研究中氨揮發損失量較小,除單施有機肥處理外,各處理中氨揮發損失量小于總施氮量的1%,主要原因為:1)同施肥方式有一定關系,基肥為撒施后深翻,隨后立即灌溉導致滯留在土壤表面的肥料極少,而追肥時,肥料表面撒施后立即灌溉,使得很大部分尿素在水解之前隨入滲水進入深層土壤[19],同樣抑制了氨揮發的發生,如曹兵等[20]對冬小麥不同基肥施用方式(表施、深施和表施結合灌溉)下的土壤氨揮發損失進行了研究,其結果為,尿素表施方式下的氨揮發損失率最高達46.08%,而深施和表施結合灌溉處理方式下的氨揮發損失率則分別達6.24%和3.75%,其它研究也發現,肥料穴施、條施等均能夠減少氨揮發損失[18,21];2)保護地溫室通風時間較短,空氣流通較差,溫室的空氣濕度較大,據調查在溫室內空氣濕度較高,一般均在80%以上,在剛灌溉之后,幾天內濕度均在95%以上,而NH3又極易溶于水,土壤揮發出的NH3有可能已溶于空氣水中,然后水滴冷凝,重新回落入土壤中,因此空氣濕度同氨揮發的關系以及保護地溫室內氮素的干濕沉降問題有待研究。

減少無機氮素的施肥量、尿素和秸稈混施都是降低氨揮發損失量的有效措施,但添加秸稈對尿素的水解和對銨態氮硝化作用的影響還不明確。另外,保護地高溫高濕條件對土壤氨揮發的影響也有待進一步研究。

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