不同施肥方式對設施土壤氨揮發特征的影響

任立軍， 趙文琪， 安婷婷， 韓昌東， 虞 娜， 鄒洪濤*， 張玉龍

1.沈陽農業大學土地與環境學院， 遼寧 沈陽 110866

2.農業農村部東北耕地保育重點實驗室， 遼寧 沈陽 110866

3.土肥資源高效利用國家工程實驗室， 遼寧 沈陽 110866

農業生產中，化肥施用所產生的氨排放問題已成為世界各國研究的熱點問題之一[1]. 目前，我國化肥使用量呈逐年遞增的趨勢，但肥料利用率低下，尤其是氮肥，利用率僅為30%～35%[2]. 氨揮發是氮肥大量損失的一個重要途徑，農田氨氣揮發不僅造成嚴重經濟損失，同時揮發的氨氣會與SO2、NOx發生化學反應，極易形成PM2.5，造成環境污染[3-4]. 另外，空氣中的氨還會通過沉降的形式進入農田和水體中，造成土壤酸化和水體富營養化[5-7]. 研究發現，空氣中90%的氨都直接或間接與農業活動有關[8-10]，而設施農業又是農業生產中的重要組成部分，因此，研究設施土壤氨揮發特征對于減少氨揮發、保護生態環境和促進農業可持續發展具有重要意義.

但由于我國土壤類型、氣候、種植模式、施肥量及種類區域差異較大，目前仍缺乏足夠的代表各典型區域的本地化氨排放數據. 肥料對土壤氨揮發的影響比較復雜，近年來不同施肥方式對土壤氨揮發影響的研究越來越多，但尚未得到一致結論. 例如：茹美[11]以水稻為研究對象，發現不同施肥處理下有機肥配施化學氮素能顯著提高水稻的氮素利用率、降低氨揮發；Sha等[12]基于大數據分析方法——Meta分析，得出生物炭有機肥能夠降低土壤氨揮發；Yang等[13]以不同玉米品種為研究對象，發現不同有機肥替代化肥能有效降低氨揮發損失；但也有研究[14-15]表明，新鮮有機肥施入稻田后增加了土壤氨揮發；山楠等[16]以設施菠菜為研究對象，發現傳統堆肥能增加氨揮發量. 由此可見，不同施肥方式會顯著影響土壤氨揮發. 目前對于土壤氨揮發的研究主要集中于大田試驗和有機肥(動物糞便)無機肥配施，而對于高溫高濕、復種指數高、肥料投入量大的設施土壤[17-19]氨揮發的相關研究鮮見報道，設施土壤作為農業土壤的重要組成部分，研究如何降低其氨揮發，對于保護氮素損失及保護環境具有重要意義.

目前，設施農業發展迅速，已成為現代農業的支柱產業. 因此，該研究在設施試驗的條件下，探究不同施肥方式對設施土壤氨揮發特征的影響，以期為設施土壤合理施肥和減少氨揮發提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 供試土壤性質

試驗于2020年9月—2021年1月在沈陽農業大學科研試驗基地日光溫室內進行. 供試土壤為棕壤，其基本理化性質：pH為6.01，有機質含量為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.

1.2 試驗設計

試驗采用田間隨機區組排列設計，設5個處理(見表1)，每個處理設3個重復，各處理之間用塑料薄膜隔開，埋深60 cm，小區面積7.2 m2(2.4 m×3.0 m). 每個小區種植番茄4行，每行10株，行距0.6 m，株距0.3 m. 有機肥和無機肥按照等氮量設計，參照當地施肥情況，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%). 改良劑為優菌爆根(由雷邦斯的枯草芽孢桿菌和甲基營養型與礦物質復合而成)，有機肥為生物菌肥(N含量為2.01%). 將全部有機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期和三穗果時期進行追肥，各處理基肥和追肥施用量見表2.

表1 試驗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 試驗方法與數據處理

1.3.1樣品的采集與測定

土壤氨揮發通量采用LGR915-0016超便攜NH3分析儀(Los Gatos Research, USA)測定[20]. 在測定土壤氨揮發通量前兩三天將土壤環均勻插入土壤中[21]，以盡可能地減小土壤擾動造成的試驗測定誤差. 為減少空間分布的差異性和測量期間植物對土壤氨揮發通量的影響，將土壤環安裝在各小區相同位置，并將土壤環中植株的地上部分剪除. 每個處理設3個小區，每個小區放置一個土環，每個小區連續測定3次數據. 土壤氨揮發通量測定時間為灌溉前后1～2 d的08:00—11:00. 設施土壤氨累積揮發通量的計算方法：

(1)

式中：M為土壤氨累積揮發通量，mg/m2；Ki為土壤氨揮發通量第i次測定值，nmol/(m2·s)；(ti+1-ti)為連續兩次測定間隔時間；n為測定總次數；14為每摩爾NH3分子中N的質量數，g/mol.

采用濕度傳感器(EC-5)測定0～10 cm土壤體積含水量(簡稱“土壤含水量”)，采用地溫計測定0～10 cm土壤溫度，采用AA3自動分析儀(Bran-Luebbe，Germany)測定0～20 cm土壤銨態氮硝態氮含量；采用環刀法測定土壤容重和總孔隙度；土壤pH及有機質、全氮、速效磷、速效鉀含量采用《土壤農化分析》中的常規方法測定.

1.3.2數據處理

采用Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 25.0軟件進行數據統計分析；采用Canoco 5.1和Origin 8.5軟件制作圖表；通過LSD和Duncan法進行差異顯著性檢驗.

2 結果與分析

2.1 不同施肥方式對土壤氨揮發的影響

由圖1可見，不同施肥處理下土壤氨揮發通量的動態變化趨勢基本一致. 在追肥前期，各施肥處理下土壤氨揮發通量在2020年10月8日和19日分別出現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期土壤氨揮發通量的平均水平與2次峰值時呈現的規律相似，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日出現了第3次峰值，表現為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底物濃度，進而增加了土壤氨揮發通量. 在11月15日和12月5日又出現2次峰值，且各處理表現趨勢基本一致，可能是因為，在測定之前，土壤進行了灌溉，導致土壤含水量增加，再加上氣溫回升，引起土壤溫度升高，導致各處理下土壤氨揮發通量呈上升趨勢.

注：追肥時間為2020年10月30日.

2.2 土壤氨揮發的影響因素分析

2.2.1土壤溫度

由圖2可見，不同施肥處理下土壤溫度的變化趨勢基本一致. 在番茄生育期內，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： 追肥時間為2020年10月30日.

采用線性擬合方法來分析不同施肥方式下土壤氨揮發通量(y)與土壤溫度(T)的關系，擬合結果如圖3所示. 由圖3可見，各處理的擬合方程均達到了1%的極顯著水平. 此外，不同處理之間擬合方程的對比顯示，H處理的斜率(0.056 9)最大，說明H處理對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，對溫度變化有著一定的緩沖能力. 進一步研究發現，H處理與CK、Y、HY、HYG處理均存在交叉點，各交叉點對應的溫度分別為17.67、13.60、9.50和13.25 ℃.

圖3 不同施肥處理下土壤氨揮發通量與土壤溫度的擬合結果

在H處理與各處理交叉點之前，H處理下氨揮發通量均低于其他各處理，在各交叉點之后，H處理下氨揮發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，當溫度較低時，化肥的施入會抑制微生物和脲酶的活性，導致氨揮發通量較低；當溫度升高時，微生物和脲酶的活性得到提高，促進了土壤中氨的揮發；在相同的溫度條件下，施用有機肥的處理能夠對氨揮發起到抑制作用，故降低了土壤氨揮發.

2.2.2土壤含水量

由圖4可見，在相同的灌溉次數和灌溉量條件下，不同施肥方式下土壤含水量的動態變化趨勢基本一致，均表現為先上升并達到峰值、之后下降的趨勢. 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為HY處理>Y處理>HYG處理>H處理>CK處理.

注： 追肥時間為2020年10月30日.

土壤含水量(W)是影響土壤氨揮發通量(y)的重要因素. 由圖5可見，各處理下的復合模型擬合結果均達到了極顯著水平. 此外，CK處理下土壤含水量<39.3%時，土壤氨揮發通量隨著土壤含水量的增加而下降，當土壤含水量>39.3%時則表現相反；H處理下土壤含水量<14.7%時，土壤氨揮發通量隨著土壤含水量的增加而下降，當土壤含水量>14.7%時則表現相反；Y處理下土壤含水量<29.7%時，土壤氨揮發通量隨著土壤含水量的增加而升高，當土壤含水量>29.7%時則表現相反；HY處理下土壤含水量<27.8%時，土壤氨揮發通量隨著土壤含水量的增加而下降，當土壤含水量>27.8%時則表現相反；HYG處理下土壤含水量<24.4%時，土壤氨揮發通量隨著土壤含水量的增加而下降，當土壤含水量>24.4%時則表現相反.

圖5 不同施肥處理下土壤氨揮發通量和土壤含水量的擬合結果

2.2.3水熱因子的綜合作用

由圖6可見，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、土壤氨揮發通量(y)為因變量建立雙因素復合模型(y=m+aT+bW+cT2+dW2)，CK、H、Y、HY和HYG處理的擬合方程見表3. 各處理的復合模型擬合結果均達到了極顯著水平(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通量的變化規律.

圖6 不同施肥處理土壤氨揮發通量對土壤溫度和土壤含水量的響應曲面

表3 不同施肥處理下水熱雙因素復合模型的擬合參數

2.3 不同施肥方式對土壤氨累積揮發量的影響

番茄生育期內各處理下土壤氨累積揮發量如圖7所示. 由圖7可見，CK、H、Y、HY、HYG各處理下土壤氨累積揮發量分別為32.9、37.3、24.9、37.4和27.9 mg/m2，單施化肥的H處理和配施有機肥的HY處理下土壤氨累積揮發量較高，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量分別增加了11.76%和12.03%；Y處理(100%有機肥N)和HYG處理(50%化肥N+50%有機肥N+改良劑)則顯著降低了土壤中氨累積揮發量，分別下降了24.31%和15.20%. 這說明有機肥和改良劑的施用能夠降低土壤中氨累積揮發量.

圖7 不同施肥處理下的土壤氨累積揮發量

2.4 土壤氨累積揮發量與其影響因素的相關性

土壤氨累積揮發量與其影響因素的相關性分析結果表明，在該試驗條件下，土壤氨累積揮發量與0～20 cm土層銨態氮含量(r=-0.779)、硝態氮含量(r=-0.695)、pH(r=-0.795)及土壤孔隙度(r=-0.817)均呈極顯著相關(P均小于0.01)，與0～20 cm土層土壤容重(r=0.630)呈顯著相關(P<0.05).

2.5 土壤氨累積揮發量影響因子的主成分分析

由各施肥處理的主成分分析(PCA)結果(見圖8)可以看出：土壤氨累積揮發量的影響因子可以提取出2個主成分，其累積貢獻率為83.09%. 主成分1由pH、硝態氮含量、銨態氮含量、土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重構成，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%的土壤氨累積揮發量；主成分2由土壤溫度構成，荷載為 -0.757，可以解釋18.99%的土壤氨累積揮發量. 由此可知，不同施肥方式下，0～20 cm土壤的銨態氮含量、硝態氮含量、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顯著影響土壤氨累積揮發量.

圖8 土壤氨累積揮發量影響因子的主成分分析結果

3 討論

張怡彬等[22]研究表明，有機肥替代化肥氮能夠降低氨揮發損失；但也研究[14,16]表明，在相同施氮的情況下，施用新鮮有機肥或堆肥的處理顯著增加了氨揮發損失. 該研究表明，在番茄生育期內，H和HY處理促進了土壤中氨揮發，而Y和HYG處理則抑制了土壤中氨揮發，可能是因為化肥氮與有機肥氮釋放過程的反應不同. 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，隨后迅速轉化為NH4+-N，一部分被土壤膠體吸附，另一部分則進入土壤溶液中，使其底物濃度快速升高，為氨揮發提供了充足底物；而有機肥氮大部分為有機態氮，一方面釋放比較緩慢，另一方面促進了土壤中微生物的活性，將無機氮轉變為有機氮，有利于NH4+-N的固定，降低了氨揮發的底物濃度[23-24]. 由枯草芽孢桿菌制備而成的改良劑能夠增強土壤中微生物的整體活性，增加土壤中細菌和放線菌的數量，可將土壤中無機氮轉化為有機氮[25]，進一步降低了土壤的氨揮發.

研究[26-28]表明，土壤溫度是影響土壤氨揮發通量的重要因素，主要通過影響土壤中微生物的活性、氣體運動等來影響土壤氨揮發，土壤氨揮發速率隨著土壤溫度的升高而增加，并呈顯著正相關，這與筆者所得結果(見圖3)相一致. 這可能是因為，溫度增加使得土壤中脲酶的活性增強，加速了土壤中肥料的分解與轉化，使得土壤中銨態氮總量增加，并因作物未能及時吸收，而造成氮素以氨揮發的形式損失[29].

諸多學者研究了土壤含水量與氨揮發通量之間的關系，但得出的結論略有不同. 例如：紀銳琳等[30]研究表明，施用氮肥時氨揮發通量隨著土壤含水量的上升而遞增；而劉秋麗[31]研究表明，土壤氨揮發通量先隨著含水量的增加而降低并達到最低值，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處理所得結果相一致，但與Y處理所得結果相反. 土壤含水量對農田氨揮發的影響主要是肥料在土壤中的轉化過程，如碳銨的溶解、尿素的水解、有機物的微生物分解等過程，進而影響到農田土壤氨揮發[32]. 在較高的土壤含水量條件下，尿素顆粒會與土壤充分接觸，使其形態轉化加快，同時還會阻礙空氣進入土壤，抑制氨氧化過程的發生，增加液相中NH4+-N所占氮素的形態比，從而增加了土壤氨揮發[33]. 在適中的含水量條件下，肥料將會以下滲的方式進入土壤深層，增加NH4+被土壤膠體吸附或作物吸收的機會；另外，還增加了土壤中氨揮發到土壤表層的阻力，因此降低了土壤中氨揮發[34-35]. 土壤含水量較低時，肥料留于地表，被膠體吸附的概率下降，土壤抑制氨揮發的能力較弱，由此增加了土壤氨揮發通量. 該研究中Y處理的研究結果與其他4種處理結果相反，可能是因為Y處理全部為微生物菌肥，其功能是促進土壤中微生物數量的增加，但是土壤中微生物的活性需要適宜的土壤含水量，土壤含水量過高或者過低都會抑制土壤微生物活性，而有機態氮轉化為作物可吸收的氮素狀態，必須有相關微生物的參與，因此土壤含水量過高或過低均會抑制土壤氨揮發.

4 結論

a) 設施番茄栽培條件下，不同施肥方式對土壤氨揮發通量產生了顯著影響，5種施肥方式以H處理(100%化肥N)和HY處理(50%化肥N+50%有機肥N)下土壤氨累積揮發量較大，且顯著高于其他3個處理，與CK處理(不施肥)相比，H和HY處理下土壤中氨的累積揮發量分別增加了11.76%和12.03%；Y處理(100%有機肥N)和HYG處理(50%化肥N+50%有機肥N+改良劑)則顯著降低了土壤中氨累積揮發量，分別下降了24.31%和15.20%.

b) 土壤氨累積揮發量影響因子可以提取出2個主成分，主成分1由pH、硝態氮含量、銨態氮含量、土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重構成，主成分2由土壤溫度構成，這2個主成分的累積貢獻率為83.09%，且各影響因素均與土壤氨累積揮發量有顯著相關關系(P均小于0.05)，說明在不同施肥方式下，0～20 cm土壤的銨態氮含量、硝態氮含量、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顯著影響土壤氨揮發.