2020, Vol. 41
农业生产中, 化学肥料对于提高粮食产量具有重要作用.在所有必须营养元素中, 氮素是限制植物生长和产量的首要因素[1].改革开放以来, 中国化肥施用量逐年增加, 2018年中国氮肥施用量为2 065万t, 为1980年的2.2倍[2].不断增加的氮肥数量和不合理的施用方法也增加了氮素损失和环境污染的风险[3].我国的氮肥利用效率较低, 常规氮肥利用率约为35%[4].氮肥施入农田土壤后, 大部分损失于环境中, 农田氮肥的损失率在33.3%~73.6%之间, 平均总损失率为60%[5].氨挥发是氮肥损失的主要途径之一, 土壤中氨(NH3)在气压差的作用下向大气中扩散造成氨挥发[6~8], 增加氮肥损失[9].此外, 进入到大气中的氨能以沉降方式返回陆地和海洋生态系统[10], 过量的氨沉降可引起土壤酸化、水体富营养化和生物多样性降低等诸多生态环境问题.氨作为空气中二次颗粒物(如PM2.5)的重要组成部分, 与人体呼吸系统健康也有密切联系[11, 12].
华北地区是中国重要的粮食产区, 普遍存在氮肥过量施用的问题[13].有研究发现, 肥料品种和土壤性状特别是酸碱条件是决定氨挥发量高低的重要因素, 华北平原钙质土壤pH值约为7.5~8.5, 主要使用尿素或碳酸氢铵作为氮肥, 有利于氨挥发过程的发生[14].夏玉米是华北地区主要的粮食作物, 2016年中国夏玉米总种植面积达3 676万hm2, 其中华北地区约占全国30.8%[2].目前华北地区典型冬小麦-夏玉米双季种植体系中, 化学氮肥年施用量可达550~600 kg·hm-2, 冬小麦季和夏玉米季的平均氨挥发量分别占施氮量的19.4%和24.7%, 其中夏玉米种植季节雨热同期, 气温高且施肥集中, 加上华北地区土壤普遍呈碱性, 该地区土壤氨挥发处于较高水平[14], 是氮素的主要损失途径[15].氮肥深施、采用新型肥料、秸秆还田和使用土壤调理剂是减少氨挥发损失的重要措施, 是目前国内外研究的重点[16~20].这些研究多集中于原位测定和氮平衡测算, 尚缺针对不同时期(基肥期与追肥期)、不同采集方法(抽气法、海绵法)和不同肥料类型的整合研究.本文通过对华北地区夏玉米生产中氨挥发田间试验的系统研究, 分析化学氮肥施用量、施肥时期和氮肥类型对于氨挥发的影响, 比较不同采气方法之间差异, 以期为提高华北地区氮肥利用效率和降低环境污染提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况考虑到农业生产种植制度、生产管理措施、气候和土壤条件等因素的相似性, 本研究以华北平原为核心连同山西南部和陕西中部等地作为研究区域.主要包括北京、天津、河北、河南、山东和山西南部等省市.该区地处暖温带, 气候温和, 年平均气温为8~20℃, 年降水量为400~900 mm[21], 土壤类型以褐土和石灰性潮土为主, 土壤有机质和土壤肥力处于低、中水平[22].
1.2 文献收集本文查阅中国知网等数据库中1980年以来已经公开发表的、我国北方地区夏玉米氨挥发的研究论文, 从中获取夏玉米生产过程中的化肥施氮量、各施肥时期施氮量、氨挥发量以及氨挥发采集方法等相关数据.所采用的文献应满足：①田间试验在本研究划定区域内进行; ②作物类型为夏玉米; ③气体收集采用海绵法[13]或抽气法[23]; ④施肥为当地农民常规方式, 即肥料类型排除有机肥, 耕作方式排除深耕和免耕等试验处理; ⑤试验应设置3或3个以上重复.
筛选后符合条件的有28篇文献共99组数据, 来自全国8个省份的14个试验点(表 1), 其中包括海绵法21篇文献, 71组数据; 抽气法7篇文献, 28组数据.根据收集文献的施氮量范围将数据分为两组, 即常规处理(施氮量＞250 kg·hm-2)与优化减氮处理(施氮量为50~250 kg·hm-2).
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表 1 研究获取的文献数及处理分类 Table 1 Volumes of literature obtained in this study and distributions of test sites |
1.3 数据处理
采用Microsoft Excel 2019进行回归方程的拟合与作图, 运用SPSS 20进行回归分析与T检验.对于没有设置空白对照(不施氮肥)的试验, 本研究对海绵法和抽气法两种采样方法的空白处理氨挥发量进行平均, 即去除高于平均值3倍和低于平均值1/3后所有样本的平均值, 以此平均值代替未设空白对照试验的氨挥发量.
本研究中, 氨挥发总量为夏玉米季氨挥发累积量, 净氨挥发量为夏玉米季施氮引起的氨挥发累积量.氮肥施入土壤以后, 会导致原有土壤氮矿化的增加, 称为激发效应[24, 25].本研究对是否考虑激发效应对于净氨挥发量的影响进行了估算.
不考虑激发效应的净氨挥发量见式(1)：
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(1) |
式中, A1为不考虑激发效应的净氨挥发量, N0为不施氮肥的土壤氨挥发总量, Nx为施氮量x下的土壤氨挥发总量, 单位均为kg·hm-2.
氨气在土壤表面挥发, 导致土壤表面的气态氨浓度降低, 使得液态氨向气态氨转化的作用不断进行, 这一平衡遵循亨利定律[26]:
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(2) |
式中, NH3(g)为气态氨浓度, NH3(aq)为土壤溶液中氨浓度, KH为亨利常数(无量纲).
因此默认土壤条件下, 施氮量与来自化肥氮的氨挥发之间的关系视为正比例函数, 即考虑激发效应的净氨挥发量见式(3)：
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(3) |
式中, A2为来自化肥氮的氨挥发量, 即考虑激发效应的净氨挥发量, x为施氮量, k为氮肥转化为释放氨的转化系数[当k=0.088 9时, A2=k×x为图 1(a)中y=5.544 9e0.005 9x的一条切线, 由于A2为氨挥发总量的一部分, 故k < 0.088 9].
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实线为趋势拟合线, 虚线为95%置信区间线 图 1 夏玉米季氨挥发总量和净氨挥发量与化肥施氮量之间的关系 Fig. 1 Relationship between total NH3 volatilization, net NH3 volatilization, and chemical N rate during the summer maize season |
根据本研究拟合的夏玉米化肥施氮量与氨挥发总量的关系[图 1(a)：y=5.544 9e0.005 9x], y(氨挥发总量)与A2(来自化肥的氨挥发量)相减即得到施加氮肥后来自土壤本身的氨挥发量, 其与施氮量之间的近似关系为：
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(4) |
As再与不施肥时土壤的氨挥发量相减即得到激发效应所产生的氨挥发量(施氮肥引起的来自土壤本身的氨挥发量)与施氮量之间的近似关系：
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(5) |
式中, As为施氮肥后来自土壤本身的氨挥发量, Ap为来自激发效应的氨挥发量, x与k意义同上.
2 结果与分析 2.1 不同化肥施氮量对土壤氨挥发的影响本研究发现, 目前研究区域内(样本数n=75)夏玉米季化肥施氮量范围为50~480 kg·hm-2, 常规施氮处理(n=55)的平均施氮量为(331±47)kg·hm-2, 平均氨挥发总量为(34.8±22.7)kg·hm-2, 平均净氨挥发量为(30.6±22.2)kg·hm-2, 占化肥施氮量的平均比例为(9.18±6.38)%.优化减氮处理(施氮量为50~250 kg·hm-2, n=20)的平均施氮量为(166±60)kg·hm-2, 平均氨挥发总量为(20.5±15.3)kg·hm-2, 平均净氨挥发量为(18.2±15.0)kg·hm-2, 占化肥施氮量的平均比例为(11.7±10.5)%.对化肥施氮量与相应的氨挥发总量进行拟合发现, 氨挥发总量和净氨挥发量均随化肥施氮量的增加而显著增加, 其中氨挥发总量呈指数型增长(y=5.544 9e0.005 9x, P < 0.01)[图 1(a)], 而净氨挥发量呈幂函数增长(y=0.250 4x0.793 6, P < 0.01)[图 1(b)].
2.2 不同施肥时期氨挥发量比较综合已有研究发现, 研究区域夏玉米季基肥期的施氮量为40~200 kg·hm-2(n=38), 平均施氮量为(96.2±43.6)kg·hm-2, 氨挥发总量平均为(9.19±6.62)kg·hm-2; 净氨挥发量平均为(6.28±6.39)kg·hm-2, 占基肥期化肥施氮量的(7.06±9.03)%.追肥期施氮量为40~300 kg·hm-2(n=43), 平均施氮量为(112±59)kg·hm-2, 氨挥发总量平均为(14.9±10.0)kg·hm-2; 净氨挥发量平均为(11.1±9.1)kg·hm-2, 占追肥期化肥施氮量的(11.7±9.6)%(图 2).
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图 2 夏玉米季基/追肥时期氨挥发总量与净氨挥发量 Fig. 2 Total and net NH3 volatilization at the basal/topdressing fertilization stages during the summer maize season |
对基肥期和追肥期的氨挥发量进行拟合发现, 氨挥发总量和净氨挥发量均随化肥施氮量的增加而显著增加.氨挥发总量与化肥施氮量的回归方程均为指数函数, 即基肥期y=2.801 6e0.008 8x(P < 0.01)[图 3(a)], 追肥期y=3.788 4e0.009x(P < 0.01)[图 3(c)].净氨挥发量与化肥施氮量的回归方程均为幂函数, 基肥期y=0.182 8x0.687 5(P < 0.05)[图 3(b)], 追肥期y=0.713 7x0.560 1(P < 0.01)[图 3(d)].无论基肥期还是追肥期, 随着施氮量的增加夏玉米季氨挥发总量增加量越来越大, 而净氨挥发量则呈现了近似值线的幂函数关系, 增加量变化非常小.
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实线为趋势拟合线, 虚线为95%置信区间线 图 3 夏玉米基/追肥时期氨挥发总量和净氨挥发量与化肥施氮量的关系 Fig. 3 Relationship between total NH3 volatilization, net NH3 volatilization and chemical N rate at basal/topdressing fertilization stages during the summer maize season |
本研究发现, 夏玉米季海绵法样本和抽气法样本的中位数高度基本一致, 但抽气法样本的上下限明显小于总样本与海绵法样本(图 4).海绵法样本中, 常规施肥处理和优化减氮处理的平均化肥施氮量分别为(329±46)kg·hm-2(n=35)和(169±57)kg·hm-2(n=17), 平均氨挥发总量分别为(35.4±23.1)kg ·hm-2和(24.4±15.3)kg ·hm-2, 平均净氨挥发量分别为(30.7±23.4)kg·hm-2和(19.6±15.8)kg·hm-2, 分别占化肥施氮量的(12.5±11.3)%和(9.28±6.73)%.抽气法样本中常规施肥处理和优化减氮处理的平均化肥施氮量分别为(333±57)kg·hm-2(n=20)和(155±67)kg·hm-2(n=3), 平均氨挥发总量分别为(26.2±13.4)kg·hm-2和(15.6±5.7)kg·hm-2, 平均净氨挥发量分别为(21.8±12.9)kg·hm-2和(9.93±5.84)kg·hm-2, 分别占化肥施氮量的(6.36±3.39)%和(6.33±1.98)%.
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图 4 夏玉米季海绵法/抽气法测定的氨挥发总量与净氨挥发量 Fig. 4 Total and net NH3 volatilization determined by sponge absorption method/venting method during the summer maize season |
对两种采样方法获得的氨挥发量进行独立样本的T检验, 发现两种采样方法存在显著差异(P < 0.01).对海绵法和抽气法样本的化肥施氮量与相应的氨挥发量分别进行拟合发现, 氨挥发总量和净氨挥发量均随化肥施氮量的增加而显著增加, 与不同施肥时期对氨挥发的影响结果类似, 两种采样方法的氨挥发总量与化肥施氮量之间的拟合关系均为指数函数(海绵法：y=5.360 2e0.006 2x, P < 0.01;抽气法：y=6.277 3e0.004 8x, P < 0.01)[图 5(a)和5(c)]; 抽气法净氨挥发量与化肥施氮量之间的拟合关系则为幂函数(y=0.060 3x0.99 8, P < 0.01)[图 5(d)], 海绵法为指数函数, 但增长趋势较缓(y=2.131 3x0.415 1, P < 0.05)[图 5(b)].
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实线为趋势拟合线, 虚线为95%置信区间线 图 5 夏玉米季采用海绵法/抽气法测定的氨挥发总量和净氨挥发量与化肥施氮量的关系 Fig. 5 Relationship between total NH3 volatilization, net NH3 volatilization determined by sponge absorption method/venting method, and chemical N rate during the summer maize season |
本研究表明, 随施氮量的增加夏玉米各施肥时期氨挥发总量和净氨挥发量均增加(图 1), 这与王秀斌等[27]和马银丽等[28]随着施氮量增加氨挥发损失量显著增加的研究结果一致.Chen等[29]的整合研究表明夏玉米季氨挥发量与施氮量呈线性关系, 但本研究结果中, 施氮量与氨挥发量之间呈指数关系[图 1(a)], 这说明施氮量增加到一定程度后, 再增加氮肥施用呈现出氮盈余(surplus)快速增加, 作物不再能吸收, 因而氨挥发量呈更快速率增加, 这个研究结果在另外的研究中也得到证实[30].另外, 造成不同研究模拟方程出现差异, 也可能与采样方法有关[31], Chen等[29]数据筛选条件为采用微气象法或风洞法测得的氨挥发量, 与本研究所选择方法不同.
本研究发现, 基肥期氨挥发总量明显小于追肥期, 且基肥期氨挥发总量的上下限明显小于追肥期(图 2), 当化肥施氮量的基/追肥比例为1:1时, 基肥期与追肥期的氨挥发总量占比分别为41.6%和58.4%, 说明在施氮量相同的情况下, 追肥期氨挥发损失更多, 与前人研究的结果一致[32], 这主要是由于研究区域内基肥的常见施肥方式是通过播种机将肥料与种子同时翻入土中, 与表层土充分混合, 一方面肥料被土壤吸附, 活动范围减小, 氨挥发被抑制; 另一方面有利于作物快速吸收, 使土壤中NH4+浓度降低, 氨挥发强度减小.基肥时期, 北方温度较低, 也是造成氨挥发量相对较低的一个重要原因[33].王激清等[34]通过对全国10 000多个农户的调查发现, 我国夏玉米氮肥投入基追比为1:1.43, 说明我国夏玉米季追肥期氨挥发具有更大排放潜力.
3.2 化肥氮投入对土壤氨挥发的激发效应有研究表明, 施用无机氮肥后, 非标记土壤氮的矿化或作物由土壤中吸收的非标记氮较不施肥对照增加, 这一现象被认为是由于无机氮肥的施用加速了土壤有机氮的分解, 被称为激发效应[35].通过式(4)对来自土壤的氨挥发的估算发现, 随着施氮量的增加激发效应先表现为负效应后逐渐转变为正效应, 转折点施氮量为297 kg·hm-2.刘少文等[36]认为外源添加物对土壤C/N比的影响可能是土壤氮激发效应作用的关键.外加氮肥促进土壤氮的矿化, 从而产生正激发[37], 同时也有可能促进微生物的固持, 从而产生负激发[38].
本研究中, 氨挥发总量与化肥施氮量的拟合曲线[图 1(a)]斜率逐渐增大, 说明化肥氮的投入可能引起了土壤氮的加速释放.净氨挥发量随施氮量增加增幅较少, 可能与土壤的激发效应有关.在以往研究中, 计算土壤净氨挥发时往往忽略了氮肥对土壤氨挥发的激发效应, 故算得的净氨挥发可能被高估或低估.根据式(5)可知, 当施氮量x>2 500k+38.75(k为转化系数)时, 外加氮肥导致正激发效应的产生, 反之则产生负激发效应(图 6).
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k为氮肥转化为释放氨的转化系数 图 6 k值不同时土壤正/负激发效应的示意 Fig. 6 Diagram of positive/negative priming effect of soil with different k values |
海绵法和抽气法获取的氨挥发数量样本的中位数高度基本一致, 但抽气法样本的上下限明显小于总样本与海绵法样本, 说明3个样本的氨挥发量总体在同一水平, 但抽气法样本氨挥发数据浮动较小, 更为稳定(图 4), 这与吴艳香[39]所做的土柱试验所得结果一致, 其研究还发现氨挥发水平较高时抽气法略高于海绵法, 较低时, 海绵法略高于抽气法.根据海绵法和抽气法测定氨挥发的拟合方程(图 7), 计算得出施氮量为205 kg·hm-2左右时, 两方法测定的氨挥发量相当, 即当施氮量低于205 kg·hm-2时, 海绵法测定的氨挥发量比抽气法高, 反之则低.这是由于所用样本中的抽气法均采用硼酸吸收-稀酸滴定法, 酸碱滴定法灵敏度较低, 且易受空气中酸性颗粒的干扰, 导致测定结果偏低, 当田间氨挥发量较低时常导致无法准确测定, 重复间变异性也非常大[40].此外, 在田间高温环境下, 长时间曝气过程中也会导致混合指示剂灵敏度降低[41].随着施氮量的增加两方法测定的氨挥发总量也逐渐增大, 但海绵法测定的净氨挥发则逐渐趋于不变(图 7), 这可能是由于在施肥量较大时海绵吸收氨挥发达到饱和状态所致, 故采用海绵法时应考虑海绵法的吸收阈值, 当施肥量较高时优先选择抽气法.
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实线为趋势拟合线, 虚线为95%置信区间线 图 7 夏玉米季基/追肥时期海绵法/抽气法测定的净氨挥发量与相应化肥施氮量之间的关系 Fig. 7 Relationship between net NH3 volatilization of base/topdressing fertilization stages determined by sponge absorption method/venting method and chemical N rate during the summer maize season |
本试验中, 常规施氮处理海绵法和抽气法测得土壤氨挥发总量均值分别为35.4 kg·hm-2和26.2 kg·hm-2占施氮量的10.7%和7.72%;优化施氮处理海绵法和抽气法测得的氨挥发总量均值分别为24.4 kg·hm-2和15.6 kg·hm-2占施氮量的16.0%和11.1%, 优化施氮的绝对损失量较常规处理低, 但相对损失量高, 说明施肥量大小对氨挥发损失率有一定影响.李贵桐等[42]用微气象学法(梯度扩散法)以及苏芳等[43]利用风洞法对华北平原冬小麦-夏玉米的实际生产的研究同样得到氨挥发损失比例随施氮量降低而增加的结果.
3.4 缓释肥料对氨挥发的影响对来自4篇文献中9组相同施氮量下常规尿素与缓释尿素的对比分析发现, 夏玉米季施用控释尿素的氨挥发累积损失量、氨挥发损失率均显著低于施用普通尿素处理(P < 0.05)(图 8)[44~47], 且随施氮量的降低而减少.在施氮量为180~300 kg·hm-2时, 施用缓释尿素相较于普通尿素可降低氨挥发约20%~50%, 氨挥发损失率可降低约45%~75%.Grant等[48]的研究认为这是由于控释尿素施用后, 氮的释放速度可较好地与作物各生长期对氮素养分的需求速度相同步, 增加氮素的利用率, 减少氮素养分的损失.这一结果与孙祥鑫等[49]和卢艳艳[50]的研究结果相似, 即控释尿素与普通尿素相比, 在降低氨挥发损失上具有较大优势.
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图 8 夏玉米季普通尿素/缓释尿素的氨挥发与净氨挥发量比较 Fig. 8 Comparison of accumulative and net NH3 volatilization from urea/slow-release urea during the summer maize season |
华北地区夏玉米生产中, 氨挥发总量随化肥施氮量的增加呈指数函数形式增加, 净氨挥发量则呈幂函数形式增加, 且追肥期氨挥发总量明显高于基肥期.常规氮肥水平下, 净氨挥发量占化肥施氮量的平均比例为9.18%, 而在优化氮肥水平下, 该比例为11.7%.随着施氮量的增加, 激发效应先表现为负效应后逐渐转变为正效应, 转折点施氮量为297 kg·hm-2.夏玉米季施氮量低于205 kg·hm-2时, 海绵法测定量低于抽气法, 而在高于该施氮水平时, 海绵法高于抽气法.在华北地区, 缓释尿素比普通尿素能够有效降低氨挥发损失.
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