不同施肥方案對華南地區菜心種植氨揮發損失的影響

趙瑞，馮雁輝，馬千里，姚玲愛*，高加乾，趙學敏

（1.生態環境部華南環境科學研究所，廣州 510655；2.廣東天禾農資股份有限公司，廣州 510080）

氨（NH）作為大氣中唯一的堿性氣體，是大氣中二次氣溶膠的重要前驅物，對大氣細顆粒物PM的形成有顯著貢獻。氨排放對PM的貢獻與我國PM污染時空分布特征高度一致，因此，氨排放成為引起我國重污染地區、重污染時段PM持續處于高位的關鍵因素之一。我國作為農業大國，氨排放量巨大，每年的氨排放量（約1 000萬t·a）比歐盟（370萬t·a）和美國（390萬t·a）年排放量的總和還多，其中農業活動如氮肥施用或者畜禽養殖產生的氨排放占到排放總量的80%，并且氮肥施用和畜禽養殖的氨排放率幾乎是發達國家的兩倍。近20年來，由于農業集約化生產和氮肥利用率低，我國氮肥施用造成的氨排放量呈逐年上升的趨勢。FAO 2007年報告中提到：中國是世界上比較大的氮肥生產、消耗國，氮肥施用量占全世界的35%左右。近年來，我國蔬菜種植面積不斷擴大，2013年蔬菜種植面積是1978年的6.25倍，占到我國農作物種植總面積的12.69%。農業生產的氮肥投入逐漸由糧食作物高施氮量轉變為蔬菜種植高施氮量。與糧食作物相比，蔬菜生產需要大量的水肥投入尤其是氮肥投入，施肥是獲得蔬菜高產的重要保障。相關研究表明，我國蔬菜地氮肥用量是大田作物的數倍甚至數十倍。因此，由蔬菜種植引起的氨揮發已經成為我國氨排放和農業面源污染的主要來源之一。然而，目前國內學者對蔬菜地氨揮發的研究多關注于氮肥施用量、施肥類型或施肥方式的影響，且研究區域集中在黃淮海地區、長江中下游地區和西南地區等蔬菜種植主要區域，而針對兩者協同作用對華南地區露地蔬菜種植氨揮發的影響報道較少。研究表明，廣東省人為源氨排放約有27%來自于農田氮肥施用。作為國內重要的蔬菜生產基地，廣東省蔬菜種植氮肥用量高于大田作物，盲目施肥現象嚴重，氮肥利用率低。因此，本研究以廣州市黃埔區菜地為研究對象，探究不同施肥模式下土壤氨揮發情況和不同施肥模式對菜心產量的影響，以期篩選出環境友好型的施肥模式，為制定區域大氣污染控制策略提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗地位于廣州市黃埔區，地處北緯23°09'、東經113°30'，屬于南亞熱帶季風氣候，具有夏長冬短、終年溫暖、偶有奇寒、無霜期長、四季宜耕的特點。年降雨量2 247 mm，主要集中在4—9月，這6個月占全年降雨量的82%。年平均溫度21℃，最冷月1月份平均氣溫為13.3℃，最熱月7月份平均氣溫為28.4℃，氣溫年際變化較小。

1.2 試驗材料

供試蔬菜為珠三角地區常見、成活率高、便于水肥管理的菜心。

供試土壤為赤紅壤，其基本理化性質如表1所示。供試肥料：尿素（國產，含N量≥46.3%，粒度0.85～2.80 mm，執行GB 2440—2001標準）；過磷酸鈣（PO16%）；氯化鉀（含KO 60%）。

表1 試驗地點耕層土壤理化性質Table 1 Physiochemical properties of experimental soils

1.3 試驗設計

2020年9—12月選擇廣東省廣州市黃埔區土地作為試驗田，期間廣州市平均氣溫大于20℃。設置氮肥施用量處理為A組，擬選擇4種施氮量水平：不施氮肥（A0）；高氮施肥，337.5 kg·hm（A1）；常規施肥，200 kg·hm（A2）；減氮施肥，在常規施肥的基礎上氮肥施用量減少30%，為140 kg·hm（A3）。同時，設置施肥方式處理為B組，3種氮肥施用方式分別為溝施覆土（B1）、表面撒施（B2）和撒施后灌水（B3）。開展正交實驗，共設置12個組合處理，每個處理重復3次，完全隨機排列，小區面積為11.4 m。試驗中磷肥全部作基肥，30%的氮、鉀肥用作基肥施入，70%用于蔬菜生長中后期作追肥施入，基肥與追肥施肥方式一致，具體施肥方式見表2。各小區的氮、鉀肥根據試驗設計的用量按一定的比例分3次施入，基肥和兩次追肥分別占氮、鉀肥總量的比例為30%、40%和30%。各處理氮肥用量見表3。

表2 施肥量與施肥方式正交試驗Table 2 Orthogonal test of fertilizer rates and fertilization methods

表3 試驗區蔬菜作物施氮量（N，kg·hm-2）Table 3 Fertilizer application rates of vegetable crops in the experimental site（N，kg·hm-2）

菜心采用育苗移栽的方式：2020年9月22日播種，10月13日整地施用基肥，10月17日移栽，種植規格為株行距12 cm×15 cm。10月28日施第1次追肥，11月16日施第2次追肥，12月5日收獲，整個生育期50 d。統一灌溉、除草和噴灑農藥防治病蟲害等田間管理。

1.4 測定方法

本試驗采用通氣法監測氨揮發，該方法收集結構簡單、操作簡便，測定結果的準確度和精確度高，回收率可達99.5%。用PVC（聚乙烯硬質塑料管）制成內徑15 cm、高15 cm的氨氣捕獲裝置，將兩塊厚度為2 cm、直徑為16 cm的海綿均勻浸以15 mL的磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL），置于硬質塑料管中，下層海綿置于管中部，用于吸收土壤中揮發出來的氨；上層海綿與管頂相平，用于防止外界氣體污染。施肥后前6 d每日早上固定時間更換下層海綿，之后每3 d更換一次下層海綿，上層海綿每3 d更換一次，直到當日監測結果與A0相比無明顯差別為止。整個監測過程氨揮發裝置保持固定位置，每日僅更換海綿。下層海綿樣品用密封袋封好帶回實驗室，然后浸泡在300 mL 1 mol·L的氯化鉀溶液中浸提，浸提液中的銨態氮用靛酚藍比色法測定。

1.5 數據分析與處理

每日氨（NH-N）揮發速率（kg·hm·d）=通氣法單個裝置平均每日測得的氨量（mg）/[獲裝置的橫截面積（m）×每次連續收集時間（d）]×10

氨揮發累積量=測定時期內每日氨揮發量之和（kg·hm）

單位產量氨揮發量（g·kg）=氨揮發總量（g·hm）/單位面積產量（kg·hm）

采用Excel 2010和SPSS16.0軟件進行數據處理與統計分析，采用OringePro 9.1繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同施氮階段的氨排放特征分析

2.1.1 基肥施用后土壤氨揮發速率變化

菜心施基肥后1～16 d土壤氨揮發情況如圖1所示。施肥后，各施肥處理的土壤氨揮發速率均呈現出先上升至最大值，然后下降的趨勢，且氨揮發速率隨施氮量的增加而增加。溝施覆土施肥處理組（B1）在第3 d達到氨揮發峰值，A1B1、A2B1和A3B1的氨揮發速率峰值分別為1.84、1.51 kg·hm·d和0.86 kg·hm·d，分別占16 d氨揮發量的38%、41%和39%。A1B1、A2B1和A3B1氨揮發速率16 d的平均值分別為0.30、0.23 kg·hm·d和0.14 kg·hm·d（圖1a）；表面撒施處理組（B2）同樣也在施肥后第3 d達到氨揮發峰值，A1B2、A2B2和A3B2的氨揮發速率峰值分別為6.14、3.18 kg·hm·d和1.93 kg·hm·d，分別占16 d氨揮發量的28%、22%和36%。A1B2、A2B2和A3B2氨揮發速率16 d的平均值分別為1.35、0.91 kg·hm·d和0.33 kg·hm·d（圖1b）；撒施后灌水處理組（B3）則是在施肥后第2 d達到氨揮發峰值，A1B3、A2B3和A3B3的氨揮發速率峰值分別為0.28、0.17 kg·hm·d和0.10 kg·hm·d，分別占16 d氨揮發量的52%、37%和28%，A1B3、A2B3和A3B3氨揮發速率16 d的平均值分別為0.03、0.03 kg·hm·d和0.02 kg·hm·d（圖1c）。

圖1 基肥期不同施氮方案氨揮發速率動態變化Figure 1 Rate of ammonia volatilization under different fertilization schemesat basal fertilizer stage

對比不同施肥方式下基肥的氨揮發速率，表面撒施處理組（B2）施肥的氨揮發速率高于溝施覆土處理組（B1）和撒施后灌水處理組（B3）。

2.1.2 追肥施用后土壤氨揮發速率變化

追肥后各施肥處理氨揮發速率變化趨勢基本相同，氨揮發速率峰值基本出現在第2～3 d，之后總體呈下降趨勢，且氨揮發速率隨施氮量的增加而增加。各施肥處理中，兩次追肥后氨揮發速率峰值最高的處理為A1B2，揮發速率分別為10.79 kg·hm·d和6.50 kg·hm·d；其次為A2B2，兩次峰值分別為6.24 kg·hm·d和4.10 kg·hm·d；最低的處理為A3B3，兩次峰值分別為0.12 kg·hm·d和0.19 kg·hm·d。與A1B2施肥處理相比，其他各處理兩次追肥后氨揮發速率峰值分別降低47%、70%（A1B1），70%、88%（A2B1），90%、89%（A3B1），42%、37%（A2B2），83%、83%（A3B2），97%、97%（A1B3），97%、98%（A2B3），98%、97%（A3B3）。

追肥期間平均氨揮發速率也以A1B2最高，為1.18 kg·hm·d，A1B1、A2B1、A3B1、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3的平均氨揮發速率分別為0.64、0.31、0.16、0.71、0.33、0.03、0.03 kg·hm·d和0.02 kg·hm·d，分別較A1B2降低46%、74%、86%、40%、72%、97%、97%和98%（圖2）。

圖2 追肥期不同施肥方案氨揮發速率動態變化Figure 2 Rate of ammonia volatilization under different fertilization schemes at topdressing fertilizer stage

2.2 不同施肥方案下土壤氨揮發累積量

對比不同施肥階段的氨揮發累積量，各施肥處理組均呈現出第一次追肥的氨揮發累積量最高，占到全生育期氨揮發累積量的40%～60%，其中A1B1、A2B1、A3B1、A1B2、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3分別占當次氮肥施用量的11.9%、8.9%、7.6%、21.5%、23.3%、16.6%、0.8%、0.5%和1.0%；基肥和第二次追肥的氨揮發累積量次之，分別占全生育期的17%～40%和8%～30%，其 中 各施 肥處 理A1B1、A2B1、A3B1、A1B2、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3占基肥時期氮肥施用量的0.5%～15.5%，占第二次追肥時期氮肥施用量的0.8%～18.8%。

對于溝施覆土處理組（B1），基肥和第一次追肥的不同施氮處理間氨揮發累積量存在顯著差異，即A1B1＞A2B1＞A3B1＞A0B1，但 第 二 次 追 肥A2B1與A1B1和A3B1處理間差異不顯著（圖3a）。對于表面撒施處理組（B2），3次施肥不同施氮處理間氨揮發累積量間均存在顯著差異，均呈現A1B2＞A2B2＞A3B2＞A0B2的趨勢（圖3b）。對于撒施后灌水（B3）處理組，基肥及第二次追肥的氨揮發累積量呈現A1B3＞A2B3＞A3B3＞A0B3的趨勢，基肥的A1B3處理與A3B3和A0B3處理間差異顯著，第一次追肥的A1B3處理與A2B3和A0B3處理間差異顯著，第二次追肥A1B3處理與其他三類處理均呈顯著差異（圖3c）。

圖3 不同施肥時期的氨揮發累積量Figure 3 Accumulative ammonia emission relative to different fertilization periods

對比不同施肥方式下的氨揮發累積量，表面撒施處理組（B2）單次施肥的氨揮發累積量高于溝施覆土處理組（B1）和撒施后灌水處理組（B3）（圖4）。

對比不同施肥處理的氨揮發累積量，A1B2處理氨揮發累積量最大，達到64.52 kg·hm，顯著高于其他施肥處理組，A1B1、A2B1、A3B1、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3處理的氨揮發累積量分別比A1B2減少了59%、80%、88%、43%、71%、96%、98%和98%（圖4）。

圖4 不同施肥方案的氨揮發累積量Figure 4 Accumulative ammonia emission relative to different fertilization schemes

2.3 菜心產量與施肥方案及氨揮發量的相關性分析

不施氮處理組的菜心產量最低，因土地相對貧瘠，A0B1、A0B2和A0B3的產量為12 839～13 054 kg·hm，平均產量為12 917 kg·hm。溝施覆土不同氮肥處理組A1B1、A2B1和A3B1的菜心產量分別比A0B1增加31%、28%和20%；表面撒施不同氮肥處理組A1B2、A2B2和A3B2的菜心產量分別比A0B2增加35%、30%和22%；撒施后灌水不同氮肥處理組A1B3、A2B3和A3B3的菜心產量分別比A0B3增加9%、8%和7%（圖5）。

圖5 不同施肥方案的菜心產量Figure 5 Yield of flowering Chinese cabbage relative to different fertilization schemes

各處理組菜心產量與施氮量和氨揮發累積量均呈極顯著正相關，氨揮發累積量與施氮量呈顯著正相關（表4）。不同施氮量處理組中，高氮處理組（A1）菜心產量顯著高于減氮30%處理組（A3），但常規施氮組（A2）與減氮30%處理組和高氮處理組之間菜心產量差異不顯著，不施氮肥處理組（A0）菜心產量與撒施后灌水各施氮處理組之間菜心產量差異不顯著。高氮處理組的氨揮發累積量顯著高于常規施氮組和減氮30%處理組，撒施后灌水各施氮處理組之間氨揮發累積量差異不顯著。

表4 菜心產量與施氮量和氨揮發累積量的Pearson相關性分析Table 4 Pearson correlation analysis among flowering cabbage yield with nitrogen application rate and accumulative ammonia emission

與A0相比，撒施灌水處理組（B3）菜心產量沒有顯著增加，表面撒施處理組（B2）與溝施覆土處理組（B1）菜心產量較A0增加幅度相近（20%～35%），但表面撒施處理組的單位產量氨揮發量顯著高于溝施覆土處理組，因此溝施覆土為推薦的最佳施肥方式（圖5和圖6）。從溝施覆土各施氮處理組看，單位產量氨揮發量最低的為A3B1，因此推薦A3B1為保證較低氨揮發量和較高產量的最佳施肥方案，其分別比A2B1和A2B2減少氨揮發損失5.9 kg·hm和29.3 kg·hm。

圖6 不同施肥方案單位產量的氨揮發量Figure 6 Ammonia volatilization per unit yield relative to different fertilization schemes

3 討論

很多研究發現適當減少氮肥用量并不會減少作物產量，而是會減少氨揮發量。吳騰超等報道，在滇池柴河流域蔬菜地減少20%施氮量對該地區蔬菜產量無顯著影響，并可減少氨揮發損失44.87 kg·hm。賈明飛等的研究發現，在日光溫室番茄生產過程中，增施有機肥、減少氮肥用量的施肥方案可有效降低氨揮發并保證番茄產量。閔炬等報道太湖地區黃瓜和番茄種植過程施氮量較傳統施氮量減少20%～40%時，依舊能夠保證較高的產量和品質。羅付香等發現當施氮量從187.5 kg·hm增加至300 kg·hm時，大白菜產量增加不顯著，但氨揮發量則顯著增加。本研究發現隨著施氮量的增加，菜心的產量也增加，各處理組的菜心產量與施氮量呈顯著正相關。然而，高氮處理組的菜心產量相對于常規施氮處理組增加趨勢不顯著，常規施氮處理組的菜心產量相對于減氮處理組增加趨勢不顯著（圖5和圖7）。氨揮發量隨著施氮量增加而增加，高氮處理組的氨揮發量顯著高于其他兩個處理組。當施氮量從140 kg·hm增加到337.5 kg·hm時，菜心平均產量僅增長了7.5%，而平均氨揮發量則增長了3倍多（圖7），說明過量施用氮肥并不能有效增產反而會增加氨揮發，從而加重環境污染。本研究減氮30%處理組的菜心平均產量與常規施氮處理的平均產量相比無顯著差異，但平均氨揮發量減少了47%，因此推薦減氮30%處理作為最佳氮肥施用量。李永勝等的研究結果表明華南地區菜心種植過程減量施肥（氮肥用量為142.8 kg·hm）和優化施肥（氮肥用量為135 kg·hm）可獲得與常規施肥相當的產量，顯著增加了施肥效益，與本研究的結果相一致。

圖7 不同施氮量下菜心產量和氨揮發量Figure 7 Flowering cabbage yield and accumulative ammonia emission varied with nitrogen application rate

另外，氮肥在土壤中的位置對氨揮發損失的影響非常顯著，氨揮發量隨著施肥深度的增加而降低。深施、穴施及表施結合灌溉可以顯著降低氨揮發量。曹兵等的研究結果表明，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為6.24%和3.75%；本研究也發現尿素表面撒施氨揮發損失率最高（13%～19%），高于溝施覆土（5%～8%）和撒施后灌水處理組（0.06%～0.08%）。這是由于尿素撒施到土壤后，會迅速水解成銨態氮，表層土壤銨態氮迅速增加，為氨揮發過程提供充足的底物，促使氨揮發迅速達到峰值。而尿素深施后既增加了土壤顆粒對氨態氮的吸附，又可阻礙液態氨和氣態氨向上擴散，從而減少了氨揮發損失。ROCHETTE等和張翀等的研究均發現尿素深施比表面撒施可減少90%左右的氨揮發，具有很好的減排效果。本研究的溝施覆土與減氮30%處理組合比表面撒施與常規氮處理組合減少了88%的氨揮發量，同樣具有很好的減排效果。另外，研究表明，當土壤較為干燥時，少量降雨或灌溉會加速尿素的水解，促進氨揮發，增加氨揮發損失量。而當降雨量或者灌溉水量較大時，尿素在水解前會隨水下滲到下層土壤中，增加了土壤顆粒對銨態氮的吸附概率，從而抑制了氨的揮發。本試驗中，撒施后灌溉處理組的氨揮發損失率最低（0.06%～0.08%），可能與灌溉水量大，有利于尿素隨水下滲到深層土壤有關。但該組處理的菜心產量較低，可能由于菜心屬于淺根系植物，消耗土壤水分主要來自土壤上層，而下滲到更深土層的水分和尿素則未能被充分利用。后續研究還需探索灌溉量對氨揮發和產量影響的相關機理，以便確定最佳灌溉量閾值。

土壤氨揮發除了受施氮量和施肥方式的影響外，還受環境條件等諸多因素的影響。前人研究發現溫度升高可以增強土壤中脲酶的活性，促進尿素快速分解為銨態氮，進而促進氨揮發；另外，氣溫升高促進水分蒸發，氨氣會隨之逸散。本研究施用基肥期間平均氣溫為22.12℃，第1次追肥期間平均氣溫為22.05℃，第2次追肥期間平均氣溫為20.00℃。因基肥時期施氮量與第2次追肥期完全相同，但氣溫略高于第2次追肥，兩次施肥氨揮發高峰時段都集中在施肥后前5 d，對比這兩個高峰時段氨揮發速率平均值，發現處于氣溫較高（25℃）的基肥時期氨揮發速率與氣溫較低（23℃）的追肥時期氨揮發速率接近（表5）。這與WHTEHEAD等的研究結果符合，即溫度高于20℃后氨揮發損失量基本不再隨氣溫升高而增加。雖然高峰期基肥和第2次追肥氨揮發速率沒有顯著差異，但第2次追肥氨揮發持續時間為21 d，而基肥氨揮發時間僅持續16 d，這可能與施基肥10 d后平均溫度為21℃，而第2次施追肥10 d后平均溫度較低（17℃）有關（表5）。由于蔬菜種類繁多，加之菜地氨揮發影響因素復雜，所以現有研究結果之間差異較大，因此，探明菜地氨揮發機制還需開展大量研究。

表5 高峰期平均氨揮發速率（kg·hm-2·d-1）Table 5 Average ammonia volatilization rate in peak period（kg·hm-2·d-1）

4 結論

（1）本研究觀測菜心在不同施氮方案下不同施肥階段的氨揮發特征，基肥和追肥階段氨排放峰值均出現在施肥后前3 d。菜心種植過程中的氨揮發主要來自追肥，菜心追肥期間氨揮發量占全生育期氨揮發總量的60%～81%。

（2）不同施氮方案下，氨揮發量與施氮量成正比；不同施氮量在施肥初期，氨揮發速率均較高；相同施氮水平下氨揮發累積量呈現表面撒施＞溝施覆土＞撒施后灌水。

（3）不同施氮方案下，菜心產量相近，無顯著差異，因此溝施覆土加上減少30%的施氮量對華南地區菜心種植無顯著影響，并且其較常規施氮量下的溝施覆土和表面撒施處理分別減少氨揮發損失5.9 kg·hm和29.3 kg·hm。