不同施肥方式對稻田氨揮發特征的影響

邢月 沙之敏 卑志鋼

摘要：氨揮發是稻田生態系統中氮素損失的主要途徑之一，也是氮肥利用效率低的主要因素之一。采用測坑定位試驗，設置不施肥對照（CK）、單施化肥（CT）、混施肥（MT）和單施有機肥（OT）4個處理，開展了上海地區不同施肥條件下稻田氨揮發特征及其影響因素的研究。結果表明，化肥處理能夠顯著增加氨揮發損失量，可達到 55.96 kg/hm2，比混施肥處理和有機肥處理分別增加了11.33 kg/hm2和28.74 kg/hm2氨的揮發量。單施化肥氨揮發損失率可達11.88%，而單施有機肥和混施肥處理氨揮發損失率分別為2.30%和8.10%。田面水的銨態氮濃度是決定稻田氨揮發量的最主要因素之一，與氨揮發通量之間存在顯著的相關關系（P<0.05）?；焓┓侍幚磔^空白處理增產率最高達到70.55%。整體來看，混施肥處理對提高水稻產量和降低氮肥環境污染風險的綜合效果最佳，故混施肥是上海地區較為適合的稻田施肥方式。

關鍵詞：有機肥;化肥;氨揮發;田面水;水稻產量

中圖分類號： S143.1;S511.06 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0313-05

氮肥施用量高、肥料利用率低是我國農業生產中存在的主要問題[1]。據張福鎖等統計，我國肥料使用量在過去的幾十年中一直快速增長，在2016年統計中首次出現了負增長[2]。而在人口密集、經濟發展迅速的長江中下游地區，近年來氮肥施用量早已大大超過全國平均水平，過度的氮肥施用不僅不能提高水稻質量與產量，反而會降低氮肥利用率[3-4]，同時也會造成土壤、水體和大氣環境的污染，對人類的生存環境造成危害[5]。據統計，在我國農業生產中，氮肥當季的表觀利用率僅為30%～35%[6]。氨揮發在稻田生態系統中是氮肥最為主要的氣態損失途徑，占氮施入量9%～42%[7-8]。大氣中的NH3被氧化后并與酸反應引起霧霾天氣[9]，NH3在沉降后又會返回到陸地和土壤之中，造成水體的富營養化，更進一步加劇溫室效應和土壤酸化問題[10]。

前人研究發現，稻田氮素損失與氮肥種類、施肥的方法和時期有關。從氮肥種類來說，脲胺氮肥比尿素和氯化銨的損失量小[11]，而且氨揮發損失主要發生在施肥后的7 d內，田面水銨態氮含量和pH值是影響氨揮發的重要因子。李菊梅等研究表明，水稻田間氨揮發損失以施用化肥處理最高，其次為有機無機肥各半處理，單施有機肥處理最少，有機無機肥配合施用能顯著地降低稻田氨揮發量，減少氮素損失，提高氮肥利用率，其氮肥利用率可達34.9%，高于化肥處理33.2%和有機肥處理28%[12]。楊林章等的研究結果也表明，氮肥用量由當前農戶施氮水平減少22%時，不會對作物氮累積量與產量造成影響，同時適當降低施氮水平并搭配有機肥，是具產量可持續性及環境友好性的氮肥管理模式[13]。Xu等研究發現，不同施肥方式NH3揮發損失為表施>混施>深施>粒肥深施[14-15]。除此之外，土壤性質、氣候條件以及農事操作都會影響到氨揮發的速率[16]。

據《2016上海市環境狀況公報》顯示，上海地區PM2.5未達到國家環境空氣質量年均二級標準。上海作為重要的環境保護區域，且水稻種植面積大，化肥用量大，會產生大量NH3，但針對上海地區氨揮發的研究卻相對較少，故按照上海地區農民習慣施肥模式，研究施氮對氨揮發的影響規律和機理，對于合理安排施肥、控制稻田氨揮發量具有重要意義。趙方杰曾指出，農業生態系統中很多過程進展緩慢，環境條件也在不斷地發生難以預測的變化，短期試驗不能揭示長期的變化趨勢，因此，長期定位試驗是不可替代的研究手段[17]。本研究基于長期測坑定位試驗，比較在化肥（CT）、有機肥（OT）以及化肥與有機肥混施（MT）的條件下，氨揮發通量、總量、損失率和產量的差異，同時分析氨揮發速率與田面水銨態氮濃度、溫度的關系，以期為上海地區稻田氮素優化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于上海市青浦區（121°7′E，31°12′N），采用野外田間原位觀測試驗。該地區為典型稻作農區，種植制度以稻麥輪作為主。所選試驗田自2009年起種植水稻，并維持3種施肥方式不變，進行長期定位試驗：空白對照（CK）不施肥;單施化肥處理（CT）施用尿素;混施肥處理（MT）施用80%尿 素+20%有機肥（純氮比）;單施有機肥處理（OT）全部施用有機肥。2017年水稻種植前土壤基本理化性質（本底值）如表1所示。試驗地年平均氣溫為17.7 ℃，年平均降水量為 1 034.5 mm，試驗時間為2017年，氨揮發采集期間日平均氣溫與降水量由實驗站自動檢測裝置記錄，如圖1所示。本研究采用測坑定位試驗，測坑裝置位于上海市青浦區水務局農田水利技術推廣站內。該測坑實驗站建于1998年，共16個測坑，規格為2 m×3 m，建造時采用原狀土回填，坑內土壤深度為2.5 m，并設有犁底層，坑與坑之間以水泥埂隔開以防止肥水的串流，水泥埂深入土壤2.5 m并高出土壤表面0.2 m。試驗稻田采用移栽種植方式，田間水分管理為傳統淹灌+中期烤田，烤田時間為14 d。供試水稻為當地常規品種“花優14”，試驗期間稻田具體管理措施如下：6月8日施基肥，6月9日移栽，7月21日第1次追肥，8月2—14日烤田，9月10日第2次追肥，10月30日水稻收割，其他農田管理措施參照當地習慣。

1.2 試驗設計

試驗共設4種處理，包括空白對照和3種施肥處理，每種處理3次重復，各試驗小區隨機排列。3種施肥處理控制總純氮量相等，施肥水平參照當地農民常規施肥量300 kg/hm2。

本試驗中所施有機肥購于上海森農環?？萍加邢薰?，以雞糞為原料發酵生產。有機肥含氮量為1.74%，有機質含量為53.7%，含水量為35.8%，尿素含氮量為46%。有機肥均以基肥的方式施入，尿素分為基肥和2次追肥（比例為 6 ∶ 2 ∶ 2），具體施肥方案如表2所示。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 植株樣品采集與測定 在水稻成熟后，人工收割整個小區的水稻用于水稻產量的估算，進行產量結構分析，植株全氮含量用半微量凱氏定氮法測定。

1.3.2 氨揮發采集與測定 氨揮發采用密閉室間歇抽氣-酸堿滴定法進行測定，利用空氣置換密閉室內的氨，揮發出來的氨隨著抽氣氣流進入吸收瓶中，被瓶中硼酸吸收，通過酸堿滴定測定氨濃度，估算土壤表面揮發氨量及累積量。氨揮發采集裝置如圖2所示，由內徑25 cm、高18 cm無底的有機玻璃制成。每次施肥后連續7～12 d，采樣時間為每日的 08：00—10：00和14：00—16：00。采樣時應打開真空泵，氣室內的換氣速率應控制在15～20次/min。而后在實驗室用硫酸標準液（0.01 mol/L）滴定洗瓶中吸收的NH3，記錄所用硫酸體積（V）。

氨揮發率=[氨揮發通量（X）-氨揮發通量（CK）]/300，X=CT、MT、OT。

本試驗的氣象數據由青浦區水利技術推廣站提供。

1.3.3 水稻田面水收集與測定 水稻田面水采集與氨揮發采集時間一致，多點取得田面水樣品進行混合，后裝入聚乙烯塑料瓶中，帶回實驗室經定量濾紙初步過濾后分析測定。銨態氮（NH4+-N）用紫外分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理水稻田間氨揮發動態

稻田各施肥處理的氨揮發通量變化如圖3所示。在各次施入肥料后，不同施肥處理的氨揮發通量均會明顯增強，峰值出現在施肥后的1～3 d內，后呈現逐步下降1周后至平穩的相似趨勢。有機肥處理的氨揮發速率明顯低于化肥處理和混施肥處理。由圖3可以看出，與CT相比，OT能夠明顯減少57%左右的氨揮發量。MT只在基肥時期較CT減少36%左右氨揮發通量，在分蘗期和抽穗期則沒有明顯降低。

基肥施入稻田之后1 d內，氨揮發明顯增強，各處理的氨揮發速率均達到最大值，其中CT為5.94 kg/（hm2·d），MT為3.06 kg/（hm2·d），OT為1.19 kg/（hm2·d）。第2天氨揮發極速下降后緩慢回升，最終降至平穩狀態。施入基肥后第2天氨揮發通量急劇下降，第3天后基本維持在平穩狀態，與宋勇生等的研究[18]有所差別，分析其原因，基肥施用后上海地區發生了特大暴雨，稻田產生了大量徑流，因而田面水銨態氮濃度降低，直接影響了氨揮發量[19-20]。降水減緩后，氨揮發速率緩慢回升，于施肥后第4天開始逐漸降低。在這一時期，整體氨揮發通量較高，主要原因在于基肥施氮比例最高[21]。

由圖4可見，在分蘗肥施入稻田后當天出現了氨揮發的峰值，MT最高，CT次之，OT和CK最低。但氨揮發速率明顯低于基肥時期，在施肥后第4天就趨于穩定。主要是因為分蘗期是在7月下旬，田間溫度較高，微生物活動劇烈，加速了氨揮發進程。同時在這一時期，混施肥處理的氨揮發速率略微高于化肥處理的氨揮發速率，可能是由于MT中追肥的量與CT相等，并且MT中的有機氮緩慢礦化，造成氨氣釋放比CT多[22]，且化肥處理的水稻植株長勢較好，對田面產生了一定的遮蔽作用，從而使化肥處理的氨揮發低于混施肥處理的氨揮發[18]。在穗肥施入稻田后，氨揮發高峰較分蘗肥時期遲，出現在施肥后第3天，且下降速率明顯較分蘗時期緩慢，9月14日的氨揮發通量明顯下降，可能由于在當天進行了灌水，導致了田面水銨態氮濃度的降低，從而影響了氨揮發的速率。因此，施肥后5～7 d內是控制稻田氨揮發損失的關鍵時期[23]。

2.2 不同施肥處理稻田氨揮發損失量

2017年稻田3次施肥后的氨揮發量見表3，氨揮發總量為取樣時間內氨揮發通量對時間的積累。各處理的氨揮發總量為20.32～55.96 kg/hm2，這與以往研究結果[18，23]相比偏低。原因是基肥和穗肥施入后以低溫多雨天氣為主。蔡貴信指出，稻田氨揮發主要決定于天氣狀況[19]，而且在分蘗肥施入后進行了多次灌水，田間農事操作也會影響稻田氨揮發。

從損失量來看，3種處理都是基肥>穗肥>分蘗肥，氨揮發量均在分蘗期呈現最低水平，分別為CK 3.52 kg/hm2、CT 5.73 kg/hm2、MT 7.12 kg/hm2、OT 3.58 kg/hm2。雖然分蘗期的田間溫度最高，但是氨揮發最顯著的7 d內，分別在7月23日、7月25日、7月26日進行了灌水，這樣的農事操作會明顯降低田面水銨態氮濃度（圖4），直接導致氨揮發量的極速下降，造成了與朱兆良等的研究結果[24]有所不同。上述結果表明，氨揮發隨氣候條件（溫度、降水、風速等）以及農事操作（灌水以及施肥方式等）的不同而有所變化[25-26]。氨揮發量在基肥期呈現最高水平，這是由于基肥期施肥量最大，這與前人研究氨揮發量與施肥量呈正相關的理論[27]相符合。CT氨揮發總量達到了55.96 kg/hm2，與CT相比，OT顯著降低了51.4%的氨揮發量。從表3來看，CT和MT總氨揮發量是沒有顯著差異的，但基肥施用后MT減少了氨揮發的量。

如表4所示，從損失率角度來看，各施肥處理總氨揮發率為2.30%～11.88%。即使同一處理同一時期的氨揮發量最大，但氨揮發損失率不一定是最大的，例如，在MT處理當中，在基肥時期損失量最大，但在穗肥時期氨會發率最高?？偘睋]發率是CT處理最大，為11.88%，而MT處理為8.10%，OT處理僅為2.30%。

2.3 稻田氨揮發的影響因素

分析圖5可以看出，氨揮發通量的變化與田面水 NH4+-N濃度的變化趨勢是一致的，基肥時期和分蘗肥時期，都是在施肥后第1天就達到了峰值，而穗肥則在第3天達到峰值?；蕰r期田面水銨態氮濃度在第2天顯著下降，這與暴雨天氣是相關的。穗肥時期田面水銨態氮濃度則是先上升后下降的趨勢。各處理水稻田面水NH4+-N濃度在3～4 d 時接近空白水平。NH4+-N是氨揮發的底物，其濃度的高低就決定著氨揮發的程度，即在施肥后4 d內，可能發生較多的氨揮發，此后氨揮發的損失可能較小，這與王小治等的研究成果[4，28-29]是一致的。

如表5所示，除OT處理分蘗肥期外，稻田的氨揮發量均與田面水NH4+-N濃度呈現正相關關系，其中，除OT處理孕穗期兩者相關系數未達到顯著水平，其余均達到顯著水平甚至極顯著水平，r值為0.818～0.982。這與楊林章等的研究結果[29]相一致。其中，CT處理分蘗肥期的相關性最好。由此說明，田面水NH4+-N濃度是影響氨揮發的極其重要的因素。選用合適的施肥方式可降低施肥后田面水NH4+-N濃度，有利于減少氨揮發損失。

如圖6所示，氨揮發速率和田間溫度在變化趨勢上是相似的。在實際生產的過程中，田間環境不只存在溫度1個制約因素，還有降水和風的影響[30]，例如6月10日氣溫較6月9日氣溫僅下降1.7 ℃，但是氨揮發速率卻急速下降，就是由于暴雨造成的。在施入穗肥后的第4天，溫度升高，但是進行了灌水，降低了田面水銨態氮濃度，3個處理的氨揮發量均開始下降。這幾點在表6的相關性分析中可以體現出來，只有在基肥期，CT處理和MT處理的氨揮發速率與溫度有顯著的相關關系，其他時期的3種處理均未顯示出顯著的相關性。

2.4 不同施肥處理的水稻產量

從表7可以看出，各處理實際產量為混施肥處理（MT）>化肥處理（CT）>有機肥處理（OT）>空白處理（CK），MT、CT、OT與CK相比較分別顯著提高了70.55%、60.73%、 51.81%的產量。OT產量相對較低， 主要是因水稻移栽后溫度較高，大量有機肥施入土壤后迅速分解，導致土壤極度還原條件，嚴重影響根系發育和水稻分蘗，使水稻有效穗顯著降低[12，31]。以上結果表明，MT處理與其他處理相比，有明顯的增產趨勢。

3 結論

施肥會增加稻田系統氨揮發損失，施用化肥和混施肥氨揮發量較高，單施有機肥處理的揮發量較少。化肥處理的氨揮發損失為施氮量的11.88%，而混施肥處理和有機肥處理氨揮發損失僅分別為8.10%和2.30%?；焓┓侍幚碓霎a效果顯著，分別比空白處理、化肥處理和有機肥處理的產量提高了70.55%、6.11%和12.35%。水稻田面水NH4+-N濃度是影響氨揮發的最主要因素，選用合適的施肥方式可降低施肥后田面水NH4+-N濃度，有利于減少氨揮發損失。

綜上所述，化肥與有機肥結合的施肥處理在確保水稻產量的前提下，降低了稻田氮素損失，提高了經濟和生態效益，是一種值得推廣的稻田優化施肥方式。

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