橡膠林下磚紅壤不同氮肥處理氨揮發特征

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

1. 中國熱帶農業科學院橡膠研究所，海南 儋州 571737；2. 海南大學熱帶農林學院，海南 儋州 571737

提高氮肥利用率、減少氮肥損失及其對環境的壓力，已經成為一個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-作物系統中化肥氮去向是研究氮肥農學效應和環境效應的共同基礎，同時也是制定氮肥管理及調控措施最基本的依據。氨揮發是氮肥氣態損失的重要途徑（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域氮循環，導致了一系列嚴重的環境問題（Gu et al.，2014；Wang et al.，2016）。研究表明，全球農作系統的氨揮發損失約18%（Pan et al.，2016），我國北方石灰性土壤的氨揮發損失約19.4%～24.7%（Ju et al.，2009）。然而，酸性土壤的氨揮發損失卻沒有引起足夠的重視，人們通常認為酸性土壤的氨揮發損失不大。但是研究表明，尿素在酸性土壤中的水解會導致土壤pH短期內迅速升高，致使氨揮發在施入尿素后的數天內達到一個較高的排放強度（Sommer et al.，2004）。在酸性土壤中（pH 5.5），尿素表面條施的氨揮發損失率甚至高達 50%（Rochette et al.，2013）。我國南方酸性土壤的氨揮發損失率也有2.1%～11.6%（Ju et al.，2009）。可見，酸性土壤的氨揮發損失不可忽視。

橡膠（Hevea brasiliensis）是熱帶地區典型的經濟作物，是重要的人工林生態系統，近年來其生態效應愈加受到關注。目前橡膠生產中，由于膠工的短缺及技術不到位，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種母質磚紅壤的室內盆栽試驗（魏玉云等，2006）表明，尿素表施條件下的氨揮發損失約為 1.25%～17.37%。可見，雖然土壤酸堿特性是決定氨揮發損失量的重要因素，但氨揮發可能仍是酸性磚紅壤氮肥損失的一個重要途徑。在田間條件下，氨揮發損失受到土壤性質、氣候條件以及農業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-無機配施（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損失的了解還很少，生產中也未見有相應的調控管理措施。由于氮肥的吸收、轉化和損失在各種生態條件下迥然不同對不同氣候條件下、不同生態系統中氮肥的損失去向進行系統的研究，是制定氮肥管理措施、降低氮肥損失和減輕環境壓力的重要依據。

本研究采用大田試驗的技術手段，對橡膠林氨揮發損失進行原位監測，研究酸性磚紅壤施用尿素后的氨揮發特征及調控措施，為橡膠樹氮肥優化管理提供一定的科學依據。

圖1 試驗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 研究區域

試驗區位于海南省儋州市中國熱帶農業科學院五隊基地（E109°28′56″，N19°29′13″）。該區屬熱帶季風氣候，年均氣溫 23.8 ℃，年均降雨1500～2000 mm。受熱帶季風性氣候的影響，該區降雨具有明顯的季節性干濕交替，年內降雨極不均勻。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育磚紅壤。表層土壤（0～20 cm）基本理化性質如下：pH 4.49，全氮 0.59 g·kg-1，有機碳 6.33 g·kg-1，速效鉀 41.17 mg·kg-1，有效磷 19.65 mg·kg-1，銨態氮 2.59 mg·kg-1，硝態氮 3.98 mg·kg。試驗期間，研究區日均氣溫和降雨量見圖1。

1.2 研究方法

試驗共設6個處理，隨機區組排列，3次重復。6個處理分別為：（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），尿素配施有機肥后表面撒施，尿素與有機肥氮各 100 kg·hm-2（羊糞有機肥，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）測定土壤氨揮發通量。通氣裝置用PVC管制成，內徑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。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，連續采集20 d直至不再有氨氣揮發。采樣時，將通氣裝置的下層海綿取出，裝入塑料袋中，密封。同時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，浸提液中銨態氮采用連續流動分析儀（AA3，德國）測定。采用土鉆法實時采集小區土壤樣品。采樣時采集表層土壤0～5 cm土樣，每小區采集6鉆，每3鉆樣品混合成1個樣品。施肥后每天采集1次，連續采集20 d直至不再有氨氣揮發。土壤硝態氮和銨態氮用1 mol·L-1KCl浸提，浸提液-18 ℃冷凍儲藏，用連續流動分析儀（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。

土壤氨揮發速率的計算（王朝輝等，2002）公式如下：

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

氨揮發損失率的計算公式如下：

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

1.3 數據統計

數據處理運用Microsoft Excel 2003軟件進行；運用 SAS 8.1（SAS Institute Inc.，Cary，NC，USA）軟件進行方差分析，采用最小顯著差異法（LSD）進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤pH變化

土壤酸堿性是影響氨揮發的重要因素。施肥后表層土壤（0～5 cm）pH動態變化見圖2。對照處理CK土壤pH介于4.35～4.84之間，整個試驗期間變化平緩。有機-無機肥混施后，UM處理土壤pH變化也很小（3.99～4.85），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內達到最高值（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天達到最大值5.86，而后呈波動下降趨勢。

圖2 施肥后土壤pH（0～5 cm）動態變化Fig.2 Changes of soil pH (0～5 cm) after fertilization

2.2 土壤無機氮動態變化

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

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

圖3 施肥后土壤銨態氮（0～5 cm）動態變化Fig.3 Changes of soil concentration (0～5 cm) after fertilization

圖4 施肥后土壤硝態氮（0～5 cm）動態變化Fig.4 Changes of soil concentration (0～5 cm) after fertilization

2.3 氨揮發動態變化及損失量

不同施肥措施下氨揮發速率動態變化見圖 5。施肥后1～2 d內，UD、UW、UM和UT處理氨揮發速率迅速達到峰值，之后均呈下降趨勢。4個處理氨揮發損失速率（以N計）峰值分別為3.00、2.21、8.60 和 29.34 kg·hm-2·d-1。施肥 7 d 后，各處理氨揮發速率變化趨向平穩，氨揮發損失基本在施肥后7 d內完成，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速率峰值的出現，但同時也延長了氨揮發損失過程。施肥 3 d后 UI處理氨揮發損失速率才達到峰值，為 22.93 kg·hm-2·d-1，之后也呈下降趨勢。直至施肥12 d后，UI處理氨揮發過程才基本結束。

不同施肥措施下氨揮發損失量和損失率存在顯著差異（見圖6）。其中，UT和UI處理氨揮發損失量（以 N 計）分別為 56.37 kg·hm-2和 60.54 kg·hm-2，損失率分別高達 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%的氨揮發損失。

圖5 施肥后氨揮發動態變化Fig.5 Changes of NH3 flux after fertilization

圖6 氨揮發損失量及損失率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減排措施。在德國淋溶土（pH 6.5）上的研究結果表明（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%的氨揮發損失。在巴西酸性磚紅壤（pH 5.9）上的研究結果表明（Soares et al.，2012），尿素添加NBPT后不僅延緩了氨揮發峰值的出現，而且降低了54%～78%的氨揮發損失。本研究表明，與尿素表施（UT）相比，添加脲酶抑制劑后，UI處理延緩了氨揮發峰值的出現，同時氨揮發過程持續12 d之久，但其損失率卻高達30.27%（圖5和圖6）。試驗期間，該處理表層土壤一直保持了相對較高的銨態氮濃度，前期由于土壤pH的升高導致了較高的氨揮發損失；后期雖然其表層土壤銨態氮濃度較高，但是由于土壤pH較低，其氨揮發損失很少（圖2和圖3）。本試驗條件下，在酸性磚紅壤中尿素添加脲酶抑制劑并沒有降低氨揮發損失，這與前人研究結果不同（Soares et al.，2012；Ni et al.，2014）。NBPT對氨揮發抑制的有效性受環境條件影響很大，尤其是土壤pH和土壤通氣性。研究表明，NBPT在高pH和低有機質含量的土壤上，對氨揮發的抑制效果最佳（Watson et al.，1994）。而從在其他土壤上的研究結果看，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果進行分析，尚未找到酸性磚紅壤中尿素添加NBPT不能抑制氨揮發損失的原因，這值得深入研究。

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

4 結論

酸性磚紅壤中尿素表施后，其氨揮發動態變化與表層土壤pH和銨態氮濃度變化大致同步。整個氨揮發過程在7 d內完成，氨揮發損失率為28.19%。與尿素表施相比，尿素添加脲酶抑制劑NBPT并沒有降低氨揮發損失，僅延遲了氨揮發峰值的出現，其氨揮發損失在12 d內完成。尿素配施有機肥、尿素深施和尿素表施后灌水的氨揮發損失也基本在 7 d內完成。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%的氨揮發損失，是橡膠林下酸性磚紅壤施用尿素氨揮發減排的有效措施。

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