不同灌水和生物炭量對夏玉米農田氨揮發的影響

薛建文，龐桂斌，叢 鑫，付玉榮，馮嚴明，徐征和

（濟南大學水利與環境學院，濟南 250022）

0 引 言

農業是我國國民經濟的基礎產業，是食品的來源，更是人類生存發展的根本[1]。而肥料在保障我國糧食安全中起著不可替代的支撐作用，但是化肥養分利用率低又會對環境產生不良的影響。綜合我國部分地區主要作物上進行的田間原位觀測結果，分析可知氨揮發約占我國農田中化肥氮去向的11%[2]。有研究表明[3]，氨揮發進入大氣后以干、濕沉降的方式返回陸地生態系統，雖然增加了土壤有效態氮，然而過量的氨揮發損失不僅加大氮肥的投入，造成經濟損失，氨氣進入大氣后也會產生土壤酸化、水體富營養化等一系列環境問題，會給陸地和水體生態系統帶來嚴重危害[4-6]，而土壤氨揮發受施氮量、溫度、土壤含水率和pH 等多種因素共同影響[7]。合理使用氮肥，減少環境污染，是現代農業生產急需解決的問題。

對不同施肥處理氨揮發量與施肥量的擬合研究，表明隨施肥量增加,冬小麥-夏玉米輪作農田氨揮發顯示出較強的線性增長趨勢，其中夏玉米季是冬小麥-夏玉米輪作農田氨的高排放時期[8]。在中國北方冬小麥生產中，氨揮發總量隨化肥施氮量的增加呈指數函數形式增加[9]，相關研究表明[10]灌水量，施氮量以及兩者的交互作用極顯著的影響土壤氨揮發通量峰值，累積氨揮發量，氨揮發損失率等。近年來，生物炭在減少農業土壤氨揮發和提高作物對氮素的利用效率方面獲得了較多研究成果，其中酸性或熱解溫度為700 ℃生物炭的降氨效果最好，提高了土壤陽離子交換量，增強了土壤的吸附作用[11]。有研究表明髙施生物炭可以增強土壤增匯作用，從而減少溫室氣體排放與氨揮發[12-14]。吳玉潔等人發現高施用生物炭抑制了NH4+-N 的硝化作用，進而增加了N2O 的排放，對氨揮發無明顯影響。一些試驗結果表明施用生物炭顯著提高了土壤pH 值及土壤通透性，導致土壤氨揮發累積量增加[15]。施用生物炭來降低氨揮發的前提是不能降低農業總產量，生物炭的多孔結構，大比表面積等特點有利于提高土壤養分利用率與水分利用率，保證了作物在節水灌溉條件下的產量[16-18]。

由于條件的限制，當地大多數農民仍采取經驗灌溉，在這種條件下，采取施用生物炭的措施以達到限制氨揮發，提高產量的目的。生物炭在作物播種之前以基肥形式施用于土壤，夏玉米生育期內的灌水量應根據當季氣候與降雨確定，因此不同地區及每年玉米的灌水量均不同，生物炭可能對氨揮發及產量產生不同的影響。本研究對夏玉米農田土壤氨揮發進行原位測定研究，目的在于揭示不同灌水條件下生物炭量對土壤氨揮發與產量的影響，計算出生物炭量最優區間，為華北平原農田施用生物炭提供理論支持，以期為減少氮素損失，提高氮素利用率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

夏玉米田間小區試驗地點位于山東省濟南市西部長清區（36°34′N，116°50′E），長清區地處中緯度地帶，屬于溫帶季風氣候，季風明顯，四季分明，年平均氣溫13.8 ℃，無霜期178 d，年日照時數1 870.9 h。三面環山的地形，水汽和熱空氣回流聚集不宜擴散，多于一般北方城市的夏季降水，年平均降水量623.1 mm，夏玉米生育期溫度降雨變化見圖1。供試土壤為壤土，0～20 cm 耕層土壤理化性質為：有機質含量10.89 g/kg，pH 值7.88，全氮1.07 g/kg，速效磷22.26 mg/kg，速效鉀83.98 mg/kg。

圖1 夏玉米生育期內溫度、降雨變化Fig.1 Changes of temperature and rainfall during summer maize growth

1.2 試驗設計

試驗共設置灌水和生物炭2個因素，灌溉方案根據當地農民習慣灌溉設置I2：在苗期和拔節期灌水，分別灌水67.5 mm和54.0 mm，全生育期總灌水量121.5 mm，在此基礎上進行節水灌溉I1：在苗期灌水，灌水量為67.5 mm；灌水均采用微噴方式定量灌溉。生物炭量設置3 個水平：C1（0 t/hm2）、C2（20 t/hm2）和C3（40 t/hm2），管理方案見表1。試驗所用生物炭是由木柴在600～750 ℃高溫熱解制得，基本性質為：有機碳60.66%，pH 值7.8，灰分5.24%，全水分6.78%，全氮0.42%，全磷0.14%，全鉀9.19 g/kg。生物炭以基肥形式一次性翻入土壤，與0～20 cm 耕層土壤混合均勻。夏玉米試驗品種為“鄭單958”，于2020年6月23日播種，采用人工點播的方式，種植密度每公頃5.997 萬株，于2020年10月4日收獲。

表1 夏玉米灌水生物炭量管理方案Tab.1 Water and charcoal management scheme for summer maize

試驗所用氮肥為尿素，每公頃施氮肥431 kg（折合N 200 kg），基肥和追肥各占50%，播前每公頃施過磷酸鈣625 kg（折合P2O575 kg）和氯化鉀213 kg（折合K2O 128 kg），施肥方式均為溝施，施肥深度大致為5 cm，施肥后覆土灌水。

1.3 氨氣的捕獲與測定方法

本試驗采用間歇式密閉容器抽氣法[19]，其原理是利用真空泵抽氣使洗氣瓶中形成負壓，土壤揮發出的氨氣被吸入硼酸洗氣瓶中，再用稀硫酸滴定測得氨揮發量。密閉式玻璃罩材料為亞克力板，體積為30 cm×20 cm×10 cm=6 L，上接2 m 通氣管；250 mL 洗氣瓶中盛放80 mL 的2%硼酸-指示劑溶液；使用轉子流量計控制空氣流速為2.5 L/min；各部分之間用橡膠軟管連接，氨揮發收集裝置見圖2。

圖2 氨揮發收集裝置圖Fig.2 NH3 volatilization collection device drawing

收集氨氣時，將密閉式罩扣入土壤表層下5 cm 深，隨機放置在測坑中。每日10∶00-12∶00 收集氣體，夏玉米苗期，6月23日施基肥后，從6月24日起每日監測土壤的氨揮發變化，7月2日監測氨揮發損失達到痕量，停止監測，期間最高、最低氣溫平均值為30.4、22 ℃，降雨量為98.15 mm；夏玉米拔節期，7月28日追肥后，從7月29日起每日監測土壤的氨揮發變化，8月11日監測氨揮發損失達到痕量，停止監測，期間最高、最低氣溫平均值為31.2、24.2 ℃，降雨量為112.2 mm。計算氨揮發通量公式：

式中：F為氨揮發速率，kg（hm2?d）；V為滴定用硫酸的體積，L；C為標準硫酸濃度，mol/L；0.014 為氮原子的相對原子質量，kg/mol；A為捕獲裝置的橫截面積，hm2；T為連續收集氨氣的時間，h。

引發土壤氨揮發作用的氮素主要有兩個來源，一是夏玉米生育期內施用的尿素轉化的銨態氮，另一個是土壤中原本存在的銨態氮，在不考慮氮肥激發效應的前提下，土壤中銨態氮的氨揮發作用等同于本試驗空白處理組的氨揮發作用。經過施氮試驗小區與空白試驗小區的差值計算，可得夏玉米生育期內由尿素轉化的銨態氮所引起的氨揮發損失量。

1.4 樣品采集與測定

試驗開始后在試驗地均勻采集0～20 cm 耕層土壤，土壤樣品帶回試驗室，經過風干、過篩后測定土壤樣品的pH、銨態氮和硝態氮含量。具體為：土壤pH 采用1∶2.5 的水土比制備土壤溶液，用實驗室pH 計測定；土壤銨態氮和硝態氮含量采用1.0 mol/L 的氯化鉀溶液浸提，用紫外可見分光光度計測定。產量按小區收獲分別計產。

1.5 數據處理分析

利用Origin 2019b進行繪圖，采用Pearson檢驗法進行相關性分析，利用SPSS 26.0中的ANOVA程序對氨揮發量及產量進行差異性分析，以p＜0.05差異顯著。

2 結果與分析

2.1 施肥后氨揮發動態變化

兩次施肥后氨揮發日變化規律相同，隨著時間的延長，氨揮發均呈現先增加后降低的趨勢（圖3）。不同處理氨揮發動態變化趨勢基本一致，氨揮發速率在施肥后2～4 d 出現峰值，隨后逐漸降低，直至與空白處理差異不顯著。追肥時期各施肥處理氨揮發速率均高于基肥時期各處理，且追肥時期各處理的氨揮發持續時間較基肥時期氨揮發持續時間長。追肥時期降雨較多，土壤含水率較高，當土壤水分增加到一定值時，抑制了土壤銨態氮向硝態氮的轉化過程，進而延長了氨揮發的排放過程[20,21]。

圖3 土壤氨揮發速率變化Fig.3 Changes in NH3 volatilization rate from soil

基施氮肥后[見圖3（a）]第3 天各處理氨揮發速率均達到峰值[分別為N 0.91、0.88、1.88、1.17、0.73、1.42 kg/（hm2?d）]，隨后降低，第9 天后與空白處理無差異，氨揮發過程基本結束。由于苗期灌水量相同，生物炭量是影響氨揮發的主要因素。C2 處理的氨揮發速率峰值較C1 處理降低3.30%～37.61%（p＜0.05），而C3 處理較C1 處理增高21.37%～106.59%（p＜0.05）。

在追肥期氨揮發過程中，影響氨揮發的因素分為灌水量和生物炭量的不同[見圖3（b）]。追肥后第3 天I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 處理氨揮發速率均達到峰值[分別為N 2.21、1.79、4.51、5.36、3.52、6.22 kg/（hm2?d）]。由于追肥期間氣溫較高，土壤水分蒸發速率加快，土壤水汽攜帶作用[22]導致追肥氨揮發速率與基肥氨揮發速率相比較高。I2處理的氨揮發速率峰值較I1 處理增高37.92%～142.53%（p＜0.05）。C2 處理的氨揮發速率峰值較C1 處理降低19.00%～34.33%（p＜0.05），C3 處理較C1 處理增高16.04%～104.07%（p＜0.05）。追肥期間生物炭對氨揮發速率的影響與基肥期間一致。

2.2 不同處理下氨揮發累積排放量

基肥期間I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 的氨揮發累積排放量[見圖4（a）]分別為N 4.54、2.75、6.92、4.12、2.52、7.52 kg/hm2，C2 處理的氨揮發累積排放量較C1 處理減少38.81%～39.37%（p＜0.05）；C3 處理比C1 處理增加52.27%～82.31%（p＜0.05）。追肥期間各處理的氨揮發累積排放量[見圖4（b）]分別為N 11.83、8.44、21.55、31.04、22.45、35.61 kg/hm2，C1 處理比C0 處理減少27.67%～28.65%（p＜0.05）；C3 處理比C1 處理增加14.71%～82.16%（p＜0.05）；在施炭量相同時，I2處理的氨揮發累積排放量均比I1處理高，增加65.24%～166.02%（p＜0.05）。

基肥時期，各處理氨揮發累積損失率[見圖4（c）]在施肥后迅速增大，第6 天后變化幅度呈現出平穩趨勢，由此可見，基肥時期主要的氨揮發發生在施肥后6 天內[I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 累積損失率分別達到82.87%、95.37%、92.92%、93.55%、96.73%、97.23%]。而追肥時期氨揮發累積損失率[見圖4（d）]的變化與基肥時期相比較緩慢，I1 處理下第8 天后變化幅度呈現出平穩趨勢[I1C1、I1C2、I1C3 分別達到91.3%、91.4%、87.5%]，而I2 處理下則在第11天后呈現出平穩趨勢[I2C1、I2C2、I2C3 分別達到90.5%、85.0%、93.6%]。由此可見，追肥時期與基肥時期、I2 處理與I1處理相比氨揮發過程更長。

圖4 不同處理氨揮發累積排放量和累積損失率Fig.4 Cumulative emission of NH3 volatilization and cumulative loss rate of different treatments

夏玉米的全生育期中，不同處理間的氨揮發總量（圖5）達到顯著差異。不同生物炭量下，氨揮發隨灌溉量變化的表現特征一致，與I1相比，I2在C1、C2與C3處理下氨揮發總量分別顯著提高了114.84%、123.12%、51.51%。不同灌溉量下，氨揮發隨生物炭量變化的表現特征一致，與C1 相比，C2 限制了氨揮發，在I1與I2處理下顯著降低了31.64%與28.97%，而C3在I1與I2處理下顯著增加了73.92%與22.63%。

圖5 氨揮發總量Fig.5 Total amounts of NH3 volatilization

2.3 土壤pH、NH4+-N、NO3--N 及溫度與氨揮發速率相關性分析

基、追肥后土壤pH、NH4+-N 濃度及溫度與氨揮發速率均為極顯著正相關（圖6），這是由于尿素被施入土壤后迅速水解為NH4+-N，既增高了土壤中NH4+-N 的濃度，也提高了土壤pH。較高濃度的NH4+-N 為氨揮發提供了充足的物質條件，高pH 會促使NH4+-N 向NH3轉化。隨著氨揮發的進行，尿素完全水解后，NH4+-N與pH均出現回落，氨揮發速率呈現出同樣的動態規律。NO3--N 是NH4+-N 硝化作用的產物，表現出與NH4+-N 相反的動態規律，因此與氨揮發速率及NH4+-N濃度呈現出顯著負相關。基肥中溫度與氨揮發速率無明顯相關性，追肥中呈現出顯著正相關，可能是追肥期，溫度達到可以顯著影響氨揮發的水平，溫度越高時，NH3擴散的速度越快，因此可以通過調整追肥時期來避免高溫對氨揮發的影響。

圖6 氨揮發速率與NH4+-N、NO3--N、pH和溫度相關性分析Fig.6 Correlation analysis of NH3 volatilization flux with NH4+-N,NO3--N,pH and temperature

2.4 不同處理的效益評價

選取夏玉米產量、灌溉量以及農田氨揮發排放量為評價指標，采用熵權法對不同處理進行評價，基本數據見表2。

表3為不同處理的綜合評分及排序，結合表2和表3分析可知，I2 處理的綜合評分均高于I1 處理，I1 處理雖然減少了灌溉量與氨揮發量，但同時顯著降低了夏玉米的產量，而I1C2與I1C2處理的綜合評分均高于I2C1，說明施用生物炭后，不僅減少了灌溉量與氨揮發量，并且在保證了夏玉米的產量，甚至達到了豐產的目的。在不同灌溉量下，均是C2 處理達到最優。

表2 評價指標基本數據Tab.2 Basic data of evaluation indicators

表3 各處理的綜合評分及排序Tab.3 Comprehensive score and ranking of each treatment

3 討 論

3.1 灌溉對土壤氨揮發的影響

氨揮發受土壤含水率的影響較明顯，土壤濕度越大，土壤水汽攜帶作用所致的氨揮發量占比越大，由氨分壓引起的擴散作用所致的氨揮發量占比減小[22]。并且當土壤含水率較低時，肥料的氧化強度減弱，大幅度降低了氨揮發速率[23]。本研究中基肥時期，不同灌溉處理之間的氨揮發量沒有顯著性差異，追肥時期，I2 處理灌水后土壤含水率較I1 處理顯著增高，首先為尿素水解提供良好的水分環境，同時抑制了硝化作用，降低了土壤中的NO3--N濃度，研究發現NO3--N濃度與氨揮發速率呈顯著負相關，因此追肥時期灌水延長了氨揮發過程，增加了氨揮發量。與劉陽陽等研究結果一致，增加灌水次數與灌水量后，土壤氨揮發顯著性增加[24]。

3.2 生物炭量對農田土壤氨揮發的影響

生物炭表面含有大量的碳酸鹽、酸性官能團，可以降低土壤H+數量，從而提高土壤pH 值[25]。土壤pH 值是影響氨揮發的重要參數之一[26]，本研究中也發現氨揮發速率與土壤pH呈顯著正相關，土壤pH值越大，越有利于平衡向NH3端進行，進而增加農田氨排放量。研究發現氨揮發速率與NH4+-N 濃度呈顯著正相關，生物炭的多孔隙，大比表面積等特點為NH4+-N 與NH3提供了大量的吸附位點，土壤吸附能力增強[27-29]，既減少了氨揮發的底物[30]，也抑制了NH3的擴散，兩者的共同作用下，促使生物炭可以減少農田氨揮發。可以看出，生物炭對農田氨揮發有著不同的影響，這可能是由于生物炭的施用量、制作材料、熱解溫度與基本物化性質導致的[31-33]。本研究中探究了不同施炭量對氨揮發的影響，發現C2 處理通過改善土壤結構，增強吸附能力，降低了氨揮發的峰值，進而減少了氨揮發損失。而C3 處理因為過量的生物炭，顯著提高了土壤pH與土壤通透性，促進了NH3在土壤與大氣中的交換作用，提高了氨揮發速率，增加了氨揮發損失。

3.3 生物炭量對夏玉米產量的影響

生物炭通過高溫裂解后制得，具有較高的灰分，化學穩定性強[34]，其特有的結構性質可以改善耕層土壤理化性質與土壤肥力狀況[35]。施入生物炭的同時，帶入土壤中的鉀與磷元素會促進作物吸收生長。俞若涵等[36]在生物炭對夏玉米農田土壤有效養分利用的影響中發現僅在適量施用生物炭的條件下才能有效促進夏玉米對土壤養分的吸收和高效利用，進而顯著提高夏玉米產量。而生物炭量較高會造成玉米早衰，導致葉綠素含量的減少和光合速率的降低，與低生物炭量相比，不利于玉米粒重的形成[37]。土壤呼吸與pH 值呈負相關[38]，過量施用生物炭顯著提高土壤pH 值，不利于作物根系生長，導致夏玉米早衰。本研究中也發現施用生物炭后，促進了夏玉米產量的形成，但產量并不隨著生物炭量的增加始終增加，在生物炭量達到某一值后，高生物炭量會對產量出現抑制作用，與前人的研究成果一致。

4 結 論

（1）灌水量和生物炭量顯著（p＜0.05）影響氨揮發，施肥后灌水抑制了硝化作用，延長氨揮發的過程，提高了氨揮發速率，增加了氨揮發損失。不同生物炭量對氨揮發的影響并不一致，20 t/hm2的施用量可以減少氨揮發。

（2）氨揮發速率與土壤pH 及NH4+-N 濃度呈顯著正相關，與NO3--N 呈顯著負相關，在高溫時，與溫度表現出正相關關系。

（3）生物炭可以抵消節水灌溉對夏玉米產量產生的不利影響，20 t/hm2的生物炭量既保證了產量，同時減少了灌溉量與氨揮發量。