不同水氮管理对梨园土壤氨挥发的影响*

邢寒冰, 董文旭, 庞桂斌, 胡春胜

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省土壤生态学重点实验室 石家庄 050022; 2.济南大学水利与环境学院 济南 250000)

目前对梨树(Pyrus sorotina)施肥与管理方式存在着盲目与粗放性, 引起了肥料浪费与生态环境等问题[1]。氮素是植物生长所必需的营养元素之一, 也是主要的养分限制因子, 施肥后的氨挥发被认为是全球土壤-植物系统氮素流失的主要机制之一[2]。研究表明, 氨挥发损失量占农田施入氮肥的1%～47%[3]。氨挥发产生的氨气会促进PM2.5的形成, 污染大气环境[4-5]。而大气中的氨主要来源于人类活动排放,农业是其中最大的排放源, 占全球人类活动氨排放总量的 90%[6-7]。因此, 许多学者对农业氨减排做了广泛研究, 如农田上采用的脲酶抑制剂[8]、包膜缓控肥[9]、地膜覆盖[10]、减量氮肥[11]、肥料深施[12]等措施都能有效降低氨的排放。相关统计数据表明, 我国现有的果树生产种植面积已经达到320万hm2[13],果树种植业氨挥发损失量为36.52～115.9 kg∙hm−2, 损失率高达12%[14], 而相关的氨减排技术研究相对较少。目前，根际注射施肥氨减排技术[15]在果树种植业上得到广泛的应用, 该技术利用机械设备将可溶性肥料注入土壤当中, 相对于挖沟施肥, 可以避免损伤根系, 并能够促进肥料渗入从而大大降低劳动力强度。吴小宾等[16]用15N尿素进行注射深施, 发现注射施肥能够显著提高土壤有效态养分含量和桃树果品(Prunus persica)产量。吕丽霞等[17]在苹果(Malus pumila)园进行注射施肥研究发现, 注射液浓度以10%为最佳, 可以提高土壤酶活性和水肥利用效率。张林森等[18]将传统施肥方式与注射施肥作比较, 发现此方法可以有效扩大根系对水肥的吸收面积, 提高树体对氮素的利用, 降低了土壤中氮素的残留。根际注射施肥技术在提高果树产量和品质等方面的应用已颇见成效, 但相关氨挥发减排效果少见报道,且果树种植业中氨减排技术研究相比农田试验较为缺乏。因此, 本研究通过动态箱法[19], 探讨根际注射施肥技术和水肥管理对梨园土壤氨挥发特征与氨挥发损失量的影响, 明确氮肥深施减少土壤氨排放的效果, 为华北平原种植业的氨减排措施以及发展现代农业生态果园提供数据支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于石家庄市晋州市南小吾村梨园进行(37°47′30″N、114°58′20″E)。试验区属暖温带大陆性季风气候。多年平均降水量455.8 mm, 多年平均气温13.3 ℃。年无霜期236 d。试验区土壤类型为潮壤土, 其基本物理性质如表1所示。

表1 试验区土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in test area

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

供试梨树的品种为‘皇冠’, 树龄20年, 行距4 m×4 m,600 株∙hm−2。试验选取长势一致的皇冠梨树分区标记, 小区随机排列重复3次。试验小区内土壤环境一致。肥料选用复合肥N∶P∶K=22∶11∶10, 液体肥按1∶10稀释。试验分为开花期、前膨果期、后膨果期3个时期进行施肥。

设置两个因素: 灌水量和施肥方式。灌溉方案参考当地农户管理制度, 设为两个水平: 一为常规灌溉(W1), 每个生育期灌水量均为800 m3∙hm−2; 二为节水灌溉(W2, 灌水量为常规灌溉的70%), 每个生育期灌水量为560 m3∙hm−2。施肥方式分为撒施(B)和注射深施(I, 离树1 m处围树绕圈每间隔20 cm注射一次, 注射深度为20 cm)。施肥量依据当地农户施肥标准制定。各处理的追肥时间、追肥量及灌水方案见表2。

表2 不同处理追肥时期的施肥和灌水方案Table 2 Schemes of irrigation and fertilization during topdressing periods of different treatments

1.2.2 测定项目与方法

1)氨挥发测定。采用密闭室间歇式通气法[19], 所用密闭室装置由有机玻璃罩(直径20 cm, 高15 cm)、PVC管、白色乳胶管、250 mL容量洗气瓶和1300 W真空泵组成, 洗气吸收溶液为2%硼酸, 吸收后铵浓度测定采用0.02 mol∙L−1的硫酸滴定。施肥后第1天开始测定, 每天9:00−11:00测定2 h, 持续测定直至施氮处理与不施肥处理的氨挥发通量无差异时为止(7～10 d)[20]。

氨挥发通量(F, kg∙hm−2∙d−1)计算公式为:

氨挥发累积挥发量(Ei, kg∙hm−2)计算公式为:

式中:Fi为第i天的氨挥发通量(kg∙hm−2∙d−1)。

2)土样的采集: 采用多点混合法采集0～5 cm土壤样品, 采集频率与氨挥发时间一致。土壤样品采集后集中放于4 ℃冰箱保存, 经0.01 mol∙L−1KCl溶液浸提, 用于铵态氮与硝态氮的测定。

土壤pH测定: 称取10 g风干土加入去离子水(水土比2.5∶1), 搅拌2 min, 静置30 min后使用pH计(FE 20)进行测定。

土壤NO3−-N、NH4+-N的测定: 样品采用紫外分光光度计(UV-2450)测定NO3−-N含量; 全自动化学分析仪(SMART CHEM 140)测定 NH4+-N 含量。3)气象数据: 采用距试验地50 m的气象站自动观测数据。

4)大田中埋设了EM50土壤多参数检测仪, 用于体积含水率与土壤温度的测量。

1.3 数据整理与分析

采用Excel 2010和SPSS进行数据计算和统计,不同处理间方差分析采用Duncan法进行差异显著性分析,P<0.05为显著水平,P<0.01为极显著水平。利用Excel 2010进行绘制图表。

2 结果与分析

2.1 氨挥发速率变化特征

3次施肥期间, 不施肥对照处理(CK)没有明显挥发速率变化, 基本保持在0.01～0.02 kg∙hm−2∙d−1本底水平。除CK处理外, 开花期(6月)氨挥发通量随时间有着明显的变化(图1)。氨挥发在前4 d变化最为明显, 其中两种撒施处理(BW1、BW2)速率较大,与CK处理相比氨挥发速率均达显著或极显著差异水平。BW1和BW2处理在第1天氨挥发速率最大,分 别 为1.24 kg∙hm−2∙d−1和1.28 kg∙hm−2∙d−1; 而两种注射处理(IW1、IW2)氨挥发速率随时间变化比较平稳, 在0～0.1 kg∙hm−2∙d−1区间波动, 其趋势与两种撒施处理基本一致, 但在施肥后的第3天才出现最大峰值, 分 别为0.04 kg∙hm−2∙d−1和0.1 kg∙hm−2∙d−1, 随后缓慢降低直至与空白处理基本一致。

图1 不同施肥处理下梨园土壤不同施肥时期氨挥发通量变化(6、8、9月分别为开花期、前膨果期、后膨果期氨挥发通量变化情况; CK、BW1、IW1、BW2、IW2含义见表2)Fig.1 Variations of ammonia volatilization fluxes in pear orchard soil under different fertilization treatments (June, August and September show the changes of ammonia volatilization fluxes in flowering period, pre- and post-expansion period.The meanings of CK, BW1, IW1, BW2 and IW2 are shown in the table 2)

前膨果期(8月)各处理土壤氨挥发速率变化规律基本与开花期一致, 但前膨果期的土壤氨挥发速率总体高于开花期。各处理氨挥发峰值发生在施肥后第1天, BW1、IW1、IW2和BW2处理的峰值分别为2.2 kg∙hm−2∙d−1、0.73 kg∙hm−2∙d−1、0.49 kg∙hm−2∙d−1和2.15 kg∙hm−2∙d−1, 此后挥发速率迅速下降。在施肥后的第4天, 两种注射处理(IW1、IW2)挥发基本结束, 而两种撒施处理(BW1、BW2)仍持续挥发。直至施肥后第7天, 不同处理的土壤氨挥发速率无明显差异。

与其他时期相比, 后膨果期(9月)土壤氨挥发速率最高。除BW2处理, 其余处理施肥后土壤氨挥发速率第1天均达最大值, 分别为BW1 4.46 kg∙hm−2∙d−1、IW1 3.47 kg∙hm−2∙d−1、IW2 4.71 kg∙hm−2∙d−1。BW2处理在第2天达峰值, 也是本时期土壤氨挥发速率的最大值(7.5 kg∙hm−2∙d−1), 相当于开花期土壤挥发高峰期速率的6倍, 前膨果期的3倍左右。该期BW2处理在施肥后的第4天仍持续挥发。施肥后第9天, 各处理氨挥发通量保持在0.01～0.05 kg∙hm−2∙d−1, 到施肥后第12天挥发基本结束。

2.2 氨挥发累积量特征

不同处理下的土壤氨挥发累积量变化特征曲线形状相似(图2), 土壤氨挥发过程可分为两个阶段:前期(1～3 d)累积挥发迅速增加, 后期(3～9 d)挥发累积量增加缓慢。随着灌水量的降低, 在同一施肥方式下, 土壤氨挥发最大累积量呈增加的趋势, 如BW2>BW1, IW2>IW1。当灌水量相同时, 不同施肥方式下的土壤氨挥发累积曲线差异表现为撒施处理氨挥发累积量均大于注射深施处理, 二者之间差异达显著水平(P<0.05), 即: BW2>IW2, BW1>IW1。各时期氨挥发累积量变化趋势基本相同, 均为BW2>BW1>IW2>IW1>CK。

图2 不同施肥处理下梨园土壤不同施肥时期氨挥发累积量变化(6、8、9月分别为开花期、前膨果期、后膨果期; CK、BW1、IW1、BW2、IW2含义见表2)Fig.2 Variations of volatile accumulation of ammonia in pear orchard soil under different fertilization treatments (June, August and September show the changes of ammonia volatilization fluxes in flowering period, pre- and post-expansion period.The meanings of CK, BW1, IW1, BW2 and IW2 are shown in the table 2)

表3为不同处理下的氨挥发累积量及损失率。从各个施肥时期来看, 氨挥发累积量顺序为: 后膨果期>前膨果期>开花期。CK处理作为土壤挥发本底，各时期施肥处理氨挥发损失率为0.06%～10.85% (平均3.5%)。

表3 不同时期不同施肥处理下梨园土壤氨挥发总累积量及损失率Table 3 Total ammonia volatile accumulations and loss rates of pear orchard soil under different fertilization treatments at different periods

开花期常规处理BW1累积挥发量为2.42 kg∙hm−2,占施氮量的1.44%; 而BW2 处理的累积挥发量最高,为3.81 kg∙hm−2, 占施氮量的2.77%, 比BW1处理增加1.39 kg∙hm−2的损失量; IW1、IW2处理显著降低挥发排放, 与常规处理BW1相比，减排率分别为95.83%、90.97%。前膨果期BW2处理累积量同样最高, 为6.03 kg∙hm−2, 占施氮量的6.28% 。而注射处理IW1、IW2与常规处理BW1相比累积挥发量分别减少65.22%和74.70%, 差异均达显著水平(P<0.05);而两种注射处理之间减排效果没有显著差异。后膨果期挥发累积量为所有时期中最高, 其中BW2处理的累积挥发量最高, 为29.3 kg∙hm−2, 占这一时期施氮量的10.85%; 其次为BW1处理, 挥发累积量为16.77 kg∙hm−2; 注射处理IW1减排效果显著, 减排率为60.39%, 而IW2处理减排效果较低, 为24.80%。

BW2 处理的总挥发损失量最高, 为39.14 kg∙hm−2,BW1次 之, 为24.05 kg∙hm−2, IW2为14.06 kg∙hm−2,IW1最低, 为8.43 kg∙hm−2, 注射施肥处理比撒施处理的损失量更低。注射施肥处理减排效果显著, 减排率分别为64.95%和41.54%。而节水处理反而会增加氨排放。

2.3 不同处理下表层土壤铵态氮、硝态氮含量和pH变化

试验结果表明(图3a), CK处理的土壤铵态氮含量无明显变化。常规灌溉的土壤表层铵态氮大于节水灌溉处理。注射深施IW1和IW2处理一直维持和CK处理相同的波动趋势, 范围为0～10 mg∙kg−1, 这和深施处理下氨挥发速率一致, 均是在CK处理附近变化。撒施处理BW1和BW2土壤铵态氮含量的变化趋势与氨挥发速率一致, 如开花期(6月) BW1、BW2氨挥发在第1天达峰值, 其土壤铵态氮也在第1天达峰值, 分别为16.19 mg∙kg−1和19.36 mg∙kg−1。后膨果期撒施处理显著提高土壤铵态氮含量, 其中BW1和BW2处理分别在施肥后第3 d和2 d出现累积峰值, 随后逐渐降低, 在施肥后第7 d与CK处理没有显著差异。

研究表明, CK处理的表层土壤硝态氮含量不论哪个时期都是最低值, 且无明显变化, 其他处理因为施肥的缘故均随时间有明显的变化。前膨果时期(图3b), 撒施处理BW1、BW2表层土壤硝态氮含量随着施肥后天数的增加逐渐增大, 注射施肥的变化幅度较小。开花期和后膨果期表层土壤硝态氮含量均随着时间延长有增加的趋势, 且撒施处理大于注射处理。

试验区土壤为碱性土壤, CK 处理的土壤pH基本在8.0～8.5波动, 为本试验pH最大的处理。当肥料施入土壤发生水解时, 会消耗土壤中的H+, 使土壤pH升高。在大田试验中, 这一过程比较短暂, 较难捕捉, 如图3c, 在施肥后的前3 d有一个短暂上升的过程。在土壤氨挥发后期, 3个时期的土壤pH均有下降的趋势。

图3 不同施肥处理下梨园表层土壤不同施肥时期施肥后 NH4+-N和NO3--N含量及pH的变化(6、8、9月分别为开花期、前膨果期、后膨果期; CK、BW1、IW1、BW2和IW2含义见表2)Fig.3 Changes in NH4+-N and NO3−-N contents and pH of surface soil under different fertilization treatments at different periods(June, August and September show flowering period, pre- and post-expansion periods.The meanings of CK, BW1, IW1,BW2 and IW2 are shown in the table 2)

2.4 氨挥发期间土壤温度、水分及空气湿度变化

开花期施肥后气温变化明显, 施肥后的3 d降到本研究期的最低温度20.1 ℃, 随后温度上升到21.3 ℃。两个膨果期均保持在较高的温度, 其中前膨果期在23.4～24.2 ℃间波动变化, 后膨果期在22～23.5 ℃间波动, 且从施肥后的第5天开始逐渐降低到22 ℃(图4a)。

土壤水分随时间先升高后逐渐降低, 在0.25%～0.45%间波动。其中开花期与后膨果期的两种灌溉水平W1、W2的土壤水分差别不大, 而前膨果期的土壤水分表现为W1>W2 (图4b)。

空气湿度与土壤温度变化趋势相反, 开花期随时间变化明显, 施肥后第4天湿度迅速上升, 达90%;前膨果期空气湿度随时间在60%～80%之间波动变化; 后膨果期空气湿度在施肥后前4 d缓慢下降到60%, 而后迅速上升到90%之后又缓慢下降到70%(图4c)。

图4 氨挥发期间土壤温度、土壤水分及空气湿度变化(图a、b、c分别为土壤温度、土壤水分及空气湿度;6、8、9月分别为开花期、前膨果期、后膨果期; W1为常规灌溉, W2灌水量为常规灌溉的70%。)Fig.4 Changes of soil temperature, soil moisture and air humidity during ammonia volatilization (figure a, b, c show soil temperature, soil moisture and air humidity; June, August and September show flowering period, pre- and post-expansion period.W1 means conventional irrigation; W2 means 70% conventional irrigation.)

相关性分析表明(表4), 土壤NH4+-N含量、pH、土壤温度和土壤水分均与氨挥发呈正相关关系,NO3−-N含量和空气湿度与氨挥发呈负相关关系。NH4+和NO3−(除IW2外)均达到极显著水平(P<0.01);BW2处理与土壤水分达显著水平(P<0.05)。

表4 不同施肥处理下梨园土壤氨挥发与各个因素的相关性分析Table 4 Correlation analysis of ammonia volatility under different fertilization treatments and factors

3 讨论

3.1 不同水肥处理对氨挥发的影响

本研究梨园撒施肥处理(BW1、BW2)氨挥发速率峰值均出现在施肥后1～2 d, 注射处理(IW1、IW2)氨挥发速率峰值出现在施肥后的第1～3 d, 较撒施处理略有延迟且峰值有明显的降低。因为肥料施入土壤后迅速水解为铵态氮, 致使氨挥发大量产生[21], 而注射施肥可以延迟土壤表面铵态氮浓度的升高, 因此注射施肥能延迟氨挥发的产生, 并能明显降低氨挥发的峰值, 与前人[18]研究一致。后膨果期土壤氨挥发速率的最大值(7.5 kg∙hm−2∙d−1), 是开花期土壤挥发高峰期速率的6倍，这是由于后膨果期(270 kg∙hm−2)的施氮量是开花期(168 kg∙hm−2)的2倍。可见施肥量与施肥时期是影响土壤氨挥发的重要因素[22]。

当施肥方式一致时, 节水灌溉处理(BW2、IW2)土壤氨挥发速率均比常规灌溉处理(BW1、IW1)的土壤氨挥发速率大。造成这种现象的原因是灌水量的减少导致肥料在表层土壤累积, 未能随着水分运移到深层土体并被根系吸收, 尿素在土壤表面快速水解, 从而造成土壤氨挥发速率增大; 另一个原因是,灌水量的减少, 土壤湿度、含水量相比常规灌溉会更快地降低, 土壤溶液中NH4+浓度增大, 有利于氨气向空气中扩散, 进而造成土壤氨挥发速率增大。这与董文旭等[23]的研究结果一致, 即在土壤含水量较高时, 铵态氮含量不是氨挥发的主导因素, 而水分是主要控制因素。

本研究结果表明, 根际注射施肥可显著降低氨挥发损失累积量, 其减排率为60%以上。各处理氨挥发损失量分别为BW1 24.05 kg∙hm−2、IW1 8.43 kg∙hm−2、BW2 39.14 kg∙hm−2和IW2 14.06 kg∙hm−2,分别占肥料的3.03%、1.06%、4.94%和0.17%。果园传统管理方式(BW1)氨挥发损失率为1.44%～6.21%(平均4.23%), 这与孙瑞峰等[22]和朱志军[24]在对苹果氮肥氨挥发损失率的研究结果基本一致。Yao等[25]在水稻(Oryza sativa)田的研究表明, 尿素深施处理的氨挥发通量和氨挥发损失率分别比表施处理下降91%和92%。本研究没有达到90%的减排率, 因为南北方土壤酸碱度等土壤理化性质的不同, 氨挥发量一般是稻田高于旱地, 减排效果稻田要比旱地效果较优[26]。Abascal等[27]在橄榄(Canarium album)果园使用与深埋机相结合的堆肥试验中发现, 只有少量的氮(7%的施氮量)流失到大气中, 深埋施肥以限制氨挥发是提高肥料效率的有效方法。本研究中注射施肥处理氮损失量占施氮量的2%～5%, 相比深埋堆肥试验减排效果较优。Sanz-Cobena等[28]研究了两种不同的猪粪施用技术(即地面撒施和浅层注射)对西班牙中部土壤氨挥发的影响, 结果表明与地面施用相比, 浅层注入猪粪水的总氨排放量减少了46%～81%。而本研究注射施肥的最高减排率为64.95%, 相比Sanz-Cobena等[28]减排效果略有降低,可能是因为有机质分解大量有机酸形成腐殖质, 抑制pH升高, 从而显著抑制了土壤氨挥发[29]。水分是淋失的主要驱动因子, 由于土壤胶体对NO3–-N吸附能力比较弱, 液体肥施用后紧接着的灌溉会导致氮淋溶到更深的土层[30]。本研究中的节水灌溉与注射施肥相结合的IW2处理可以解决由于果树需水量大而引起的氮淋失的矛盾。有研究表明, 大田内非饱和土和饱和土的氨损失不同[28,31], 所以应考虑当地的天气和土壤条件, 以最大限度地发挥其减排潜力, 同时也尽量减少温室气体排放或淋溶的潜在负面影响。

3.2 土壤理化性质与气象因素对梨园氨挥发的影响

土壤氨挥发受多种因素的综合影响, 而土壤表层中铵态氮含量是影响氨挥发速率的主要因素[32]。本试验证明注射施肥能显著降低土壤表层铵态氮的含量。肥料施入土壤在酶的作用下迅速水解为铵态氮, 使土壤表面铵态氮含量迅速升高, 注射施肥使肥料在深层次土壤中水解, 使IW1和IW2处理表层铵态氮含量较低。本试验相关性分析表明, 氨挥发与铵态氮含量呈正相关, 除IW2处理外均达极显著水平(P<0.01)。丁阔[14]在新疆库尔勒梨园的研究表明,土壤表层铵态氮含量与氨挥发呈极显著正相关, 与本试验研究结果一致。本研究发现, 氨挥发速率峰值变化与土壤表层铵态氮含量峰值变化并不完全一致, 吴萍萍等[33]研究发现, 铵态氮含量与氨挥发速率并不完全对应, 日氨挥发量还受其他因素影响。研究表明, 土壤表面硝态氮含量变化与氨挥发速率和铵态氮含量变化相反。注射处理较撒施处理土壤表层硝态氮含量变化峰值低, 说明注射处理能有效降低土壤表层硝态氮含量。相关分析表明, 氨挥发速率与硝态氮含量呈负相关, 除IW2处理外, 其余均呈极显著相关关系(P<0.01)。本研究各处理中只有IW2处理氨挥发速率与土壤表层硝态氮铵态氮含量相关性不显著, 原因可能一是注射施肥通过施肥深度来降低土壤表层氮的含量, 阻隔了氨气释放到大气中; 二是灌溉量的减少导致离子向上运动缺乏水分驱动, 使营养元素更好地保留在根部土壤中[31]。

氨挥发期间, pH变化与氨挥发速率变化不一致且变化复杂。当肥料施入土壤发生水解时, 会消耗土壤中的H+, 使土壤pH升高[34]。在土壤氨挥发后期, 3个施肥时期的土壤pH均有下降的趋势, 这是由于土壤铵态氮在形成氨气和发生硝化反应时均会产生H+, 使得土壤pH下降, 也因此后期氨挥发速率降低。注射施肥土壤pH值较撒施处理变化幅度较小,说明注射施肥可以有效降低土壤表层pH变化。土壤表面pH与氨挥发进行相关分析, 结果表明, 氨挥发与pH呈正相关。前人[35]研究表明, 氨挥发速率与pH 存在正相关关系, 与本试验结果一致。

田间降雨、温度、光照和风速都会影响土壤氨挥发[36]。在华北平原7−8月是多雨季, 大田试验氨挥发受降雨的影响较大, 主要影响土壤温度与水分的变化。BW1和BW2处理在第1天达到本追肥时期氨挥发速率最大值, 而第2天氨挥发速率出现明显下降, 这是由于在试验区的第2天出现了降雨, 影响了土壤铵态氮转化为氨气的速率。施肥后的第3天气温回升, 太阳辐射也随之增大, 湿度降低(图4),这些因素促进肥料水解为铵态氮, 土壤中铵态氮的比例增加, 所以施肥后的第3天BW1和BW2处理氨挥发出现二次峰值[37]。相关性分析表明, 氨挥发与土壤温度和土壤水分均呈正相关关系, 与空气湿度呈负相关关系[38]。本研究中氨挥发与土壤温度和空气湿度相关性不显著, 说明二者对氨挥发有影响, 但并非主导因子。

4 结论

在河北晋州市果园, 采用根际注射与节水灌溉相结合的管理方法, 能够有效地降低氨挥发的排放。与当地常用的管理方法相比, 根际注射施肥减排率分别达64.95% (IW1)和41.54% (IW2), 且注射处理氨挥发受灌溉量影响比撒施处理受灌溉量影响较小。综上所述, 在果园种植业中, 注射施肥+节水灌溉是减少氨素损失的有效措施之一。