任立军， 赵文琪， 安婷婷， 韩昌东， 虞 娜， 邹洪涛*， 张玉龙

1.沈阳农业大学土地与环境学院， 辽宁 沈阳 110866

2.农业农村部东北耕地保育重点实验室， 辽宁 沈阳 110866

3.土肥资源高效利用国家工程实验室， 辽宁 沈阳 110866

农业生产中，化肥施用所产生的氨排放问题已成为世界各国研究的热点问题之一[1]. 目前，我国化肥使用量呈逐年递增的趋势，但肥料利用率低下，尤其是氮肥，利用率仅为30%～35%[2]. 氨挥发是氮肥大量损失的一个重要途径，农田氨气挥发不仅造成严重经济损失，同时挥发的氨气会与SO2、NOx发生化学反应，极易形成PM2.5，造成环境污染[3-4]. 另外，空气中的氨还会通过沉降的形式进入农田和水体中，造成土壤酸化和水体富营养化[5-7]. 研究发现，空气中90%的氨都直接或间接与农业活动有关[8-10]，而设施农业又是农业生产中的重要组成部分，因此，研究设施土壤氨挥发特征对于减少氨挥发、保护生态环境和促进农业可持续发展具有重要意义.

但由于我国土壤类型、气候、种植模式、施肥量及种类区域差异较大，目前仍缺乏足够的代表各典型区域的本地化氨排放数据. 肥料对土壤氨挥发的影响比较复杂，近年来不同施肥方式对土壤氨挥发影响的研究越来越多，但尚未得到一致结论. 例如：茹美[11]以水稻为研究对象，发现不同施肥处理下有机肥配施化学氮素能显著提高水稻的氮素利用率、降低氨挥发；Sha等[12]基于大数据分析方法——Meta分析，得出生物炭有机肥能够降低土壤氨挥发；Yang等[13]以不同玉米品种为研究对象，发现不同有机肥替代化肥能有效降低氨挥发损失；但也有研究[14-15]表明，新鲜有机肥施入稻田后增加了土壤氨挥发；山楠等[16]以设施菠菜为研究对象，发现传统堆肥能增加氨挥发量. 由此可见，不同施肥方式会显著影响土壤氨挥发. 目前对于土壤氨挥发的研究主要集中于大田试验和有机肥(动物粪便)无机肥配施，而对于高温高湿、复种指数高、肥料投入量大的设施土壤[17-19]氨挥发的相关研究鲜见报道，设施土壤作为农业土壤的重要组成部分，研究如何降低其氨挥发，对于保护氮素损失及保护环境具有重要意义.

目前，设施农业发展迅速，已成为现代农业的支柱产业. 因此，该研究在设施试验的条件下，探究不同施肥方式对设施土壤氨挥发特征的影响，以期为设施土壤合理施肥和减少氨挥发提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 供试土壤性质

试验于2020年9月—2021年1月在沈阳农业大学科研试验基地日光温室内进行. 供试土壤为棕壤，其基本理化性质：pH为6.01，有机质含量为26.03 g/kg，全氮含量为1.66 g/kg，有效磷含量为67.87 mg/kg，速效钾含量为273.71 mg/kg.

1.2 试验设计

试验采用田间随机区组排列设计，设5个处理(见表1)，每个处理设3个重复，各处理之间用塑料薄膜隔开，埋深60 cm，小区面积7.2 m2(2.4 m×3.0 m). 每个小区种植番茄4行，每行10株，行距0.6 m，株距0.3 m. 有机肥和无机肥按照等氮量设计，参照当地施肥情况，施用N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 450 kg/hm2，其中氮肥为尿素(含N量为46%)，磷肥为磷酸二铵(N含量为18%，P2O5含量为46%)，钾肥为硫酸钾(K2O含量为51%). 改良剂为优菌爆根(由雷邦斯的枯草芽孢杆菌和甲基营养型与矿物质复合而成)，有机肥为生物菌肥(N含量为2.01%). 将全部有机肥和部分化肥作为基肥，剩余化肥分为两等份，分别在番茄一穗果时期和三穗果时期进行追肥，各处理基肥和追肥施用量见表2.

表1 试验处理方式及肥料种类

表2 不同施肥处理下基肥及追肥量

1.3 试验方法与数据处理

1.3.1样品的采集与测定

土壤氨挥发通量采用LGR915-0016超便携NH3分析仪(Los Gatos Research, USA)测定[20]. 在测定土壤氨挥发通量前两三天将土壤环均匀插入土壤中[21]，以尽可能地减小土壤扰动造成的试验测定误差. 为减少空间分布的差异性和测量期间植物对土壤氨挥发通量的影响，将土壤环安装在各小区相同位置，并将土壤环中植株的地上部分剪除. 每个处理设3个小区，每个小区放置一个土环，每个小区连续测定3次数据. 土壤氨挥发通量测定时间为灌溉前后1～2 d的08:00—11:00. 设施土壤氨累积挥发通量的计算方法：

(1)

式中：M为土壤氨累积挥发通量，mg/m2；Ki为土壤氨挥发通量第i次测定值，nmol/(m2·s)；(ti+1-ti)为连续两次测定间隔时间；n为测定总次数；14为每摩尔NH3分子中N的质量数，g/mol.

采用湿度传感器(EC-5)测定0～10 cm土壤体积含水量(简称“土壤含水量”)，采用地温计测定0～10 cm土壤温度，采用AA3自动分析仪(Bran-Luebbe，Germany)测定0～20 cm土壤铵态氮硝态氮含量；采用环刀法测定土壤容重和总孔隙度；土壤pH及有机质、全氮、速效磷、速效钾含量采用《土壤农化分析》中的常规方法测定.

1.3.2数据处理

采用Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 25.0软件进行数据统计分析；采用Canoco 5.1和Origin 8.5软件制作图表；通过LSD和Duncan法进行差异显著性检验.

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对土壤氨挥发的影响

由图1可见，不同施肥处理下土壤氨挥发通量的动态变化趋势基本一致. 在追肥前期，各施肥处理下土壤氨挥发通量在2020年10月8日和19日分别出现2次峰值，且均以CK处理下为最高. 另外，不同施肥处理下各时期土壤氨挥发通量的平均水平与2次峰值时呈现的规律相似，均为CK处理下最高，CK、H、Y、HY、HYG各处理下土壤氨挥发通量的平均值分别为0.23、0.12、0.13、0.19、0.14 nmol/(m2·s). 追肥后，在11月6日出现了第3次峰值，表现为HY处理>H处理>HYG处理>Y处理>CK处理，且HY、H和HYG处理下土壤氨挥发通量峰值分别为0.95、0.73和0.50 nmol/(m2·s)，其原因可能是，追肥措施提高了反应底物浓度，进而增加了土壤氨挥发通量. 在11月15日和12月5日又出现2次峰值，且各处理表现趋势基本一致，可能是因为，在测定之前，土壤进行了灌溉，导致土壤含水量增加，再加上气温回升，引起土壤温度升高，导致各处理下土壤氨挥发通量呈上升趋势.

注：追肥时间为2020年10月30日.

2.2 土壤氨挥发的影响因素分析

2.2.1土壤温度

由图2可见，不同施肥处理下土壤温度的变化趋势基本一致. 在番茄生育期内，土壤温度以HYG处理下的变化范围为最大，为12.55～28.45 ℃；其次为HY、Y和CK处理，三者分别为12.60～28.00、12.17～24.55和13.16～21.60 ℃；H处理下的变化范围最小，为13.17～21.60 ℃. 土壤平均温度以HYG处理下最高(20.00 ℃)，其次为HY处理(19.59 ℃)、Y处理(18.94 ℃)和H处理(17.89 ℃)，CK处理下平均值(17.87 ℃)最小.

注： 追肥时间为2020年10月30日.

采用线性拟合方法来分析不同施肥方式下土壤氨挥发通量(y)与土壤温度(T)的关系，拟合结果如图3所示. 由图3可见，各处理的拟合方程均达到了1%的极显著水平. 此外，不同处理之间拟合方程的对比显示，H处理的斜率(0.056 9)最大，说明H处理对土壤温度的敏感性较高，因此其易受到土壤温度的影响；而Y处理的斜率(0.013 2)最小，对温度变化有着一定的缓冲能力. 进一步研究发现，H处理与CK、Y、HY、HYG处理均存在交叉点，各交叉点对应的温度分别为17.67、13.60、9.50和13.25 ℃.

图3 不同施肥处理下土壤氨挥发通量与土壤温度的拟合结果

在H处理与各处理交叉点之前，H处理下氨挥发通量均低于其他各处理，在各交叉点之后，H处理下氨挥发通量均高于其他各处理，这可能与土壤中微生物活性和脲酶活性有关，当温度较低时，化肥的施入会抑制微生物和脲酶的活性，导致氨挥发通量较低；当温度升高时，微生物和脲酶的活性得到提高，促进了土壤中氨的挥发；在相同的温度条件下，施用有机肥的处理能够对氨挥发起到抑制作用，故降低了土壤氨挥发.

2.2.2土壤含水量

由图4可见，在相同的灌溉次数和灌溉量条件下，不同施肥方式下土壤含水量的动态变化趋势基本一致，均表现为先上升并达到峰值、之后下降的趋势. 相较于CK处理而言，Y、HY和HYG处理均能提高土壤含水量，保水能力好，但H处理表现相反. HY处理下土壤含水量变化范围最大，为14.5%～51.9%；其次为H处理，为12.8%～44.2%；Y处理下土壤含水量变化范围最小，为16.6%～40.6%. 土壤含水量的平均值表现为HY处理>Y处理>HYG处理>H处理>CK处理.

注： 追肥时间为2020年10月30日.

土壤含水量(W)是影响土壤氨挥发通量(y)的重要因素. 由图5可见，各处理下的复合模型拟合结果均达到了极显著水平. 此外，CK处理下土壤含水量<39.3%时，土壤氨挥发通量随着土壤含水量的增加而下降，当土壤含水量>39.3%时则表现相反；H处理下土壤含水量<14.7%时，土壤氨挥发通量随着土壤含水量的增加而下降，当土壤含水量>14.7%时则表现相反；Y处理下土壤含水量<29.7%时，土壤氨挥发通量随着土壤含水量的增加而升高，当土壤含水量>29.7%时则表现相反；HY处理下土壤含水量<27.8%时，土壤氨挥发通量随着土壤含水量的增加而下降，当土壤含水量>27.8%时则表现相反；HYG处理下土壤含水量<24.4%时，土壤氨挥发通量随着土壤含水量的增加而下降，当土壤含水量>24.4%时则表现相反.

图5 不同施肥处理下土壤氨挥发通量和土壤含水量的拟合结果

2.2.3水热因子的综合作用

由图6可见，在不同施肥条件下，以土壤含水量(W)和土壤温度(T)为自变量、土壤氨挥发通量(y)为因变量建立双因素复合模型(y=m+aT+bW+cT2+dW2)，CK、H、Y、HY和HYG处理的拟合方程见表3. 各处理的复合模型拟合结果均达到了极显著水平(R2为 0.700 6～0.849 7)，相较于单因素模型拟合结果(R2为 0.504 7～0.726 4)，土壤温度与土壤含水量双因素模型可以更好地解释土壤氨挥发通量的变化规律.

图6 不同施肥处理土壤氨挥发通量对土壤温度和土壤含水量的响应曲面

表3 不同施肥处理下水热双因素复合模型的拟合参数

2.3 不同施肥方式对土壤氨累积挥发量的影响

番茄生育期内各处理下土壤氨累积挥发量如图7所示. 由图7可见，CK、H、Y、HY、HYG各处理下土壤氨累积挥发量分别为32.9、37.3、24.9、37.4和27.9 mg/m2，单施化肥的H处理和配施有机肥的HY处理下土壤氨累积挥发量较高，且显著高于其他各处理. 与CK处理相比，H和HY处理下土壤中氨累积挥发量分别增加了11.76%和12.03%；Y处理(100%有机肥N)和HYG处理(50%化肥N+50%有机肥N+改良剂)则显著降低了土壤中氨累积挥发量，分别下降了24.31%和15.20%. 这说明有机肥和改良剂的施用能够降低土壤中氨累积挥发量.

图7 不同施肥处理下的土壤氨累积挥发量

2.4 土壤氨累积挥发量与其影响因素的相关性

土壤氨累积挥发量与其影响因素的相关性分析结果表明，在该试验条件下，土壤氨累积挥发量与0～20 cm土层铵态氮含量(r=-0.779)、硝态氮含量(r=-0.695)、pH(r=-0.795)及土壤孔隙度(r=-0.817)均呈极显著相关(P均小于0.01)，与0～20 cm土层土壤容重(r=0.630)呈显著相关(P<0.05).

2.5 土壤氨累积挥发量影响因子的主成分分析

由各施肥处理的主成分分析(PCA)结果(见图8)可以看出：土壤氨累积挥发量的影响因子可以提取出2个主成分，其累积贡献率为83.09%. 主成分1由pH、硝态氮含量、铵态氮含量、土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重构成，其荷载分别为0.982、0.951、0.931、0.903、0.771、0.675和 -0.609，可以解释64.10%的土壤氨累积挥发量；主成分2由土壤温度构成，荷载为 -0.757，可以解释18.99%的土壤氨累积挥发量. 由此可知，不同施肥方式下，0～20 cm土壤的铵态氮含量、硝态氮含量、pH、土壤孔隙度、土壤容重以及0～10 cm土壤温度和土壤含水量均会显著影响土壤氨累积挥发量.

图8 土壤氨累积挥发量影响因子的主成分分析结果

3 讨论

张怡彬等[22]研究表明，有机肥替代化肥氮能够降低氨挥发损失；但也研究[14,16]表明，在相同施氮的情况下，施用新鲜有机肥或堆肥的处理显著增加了氨挥发损失. 该研究表明，在番茄生育期内，H和HY处理促进了土壤中氨挥发，而Y和HYG处理则抑制了土壤中氨挥发，可能是因为化肥氮与有机肥氮释放过程的反应不同. 化肥氮施入土壤后溶解较快，在脲酶的作用下快速水解为NH4HCO3，随后迅速转化为NH4+-N，一部分被土壤胶体吸附，另一部分则进入土壤溶液中，使其底物浓度快速升高，为氨挥发提供了充足底物；而有机肥氮大部分为有机态氮，一方面释放比较缓慢，另一方面促进了土壤中微生物的活性，将无机氮转变为有机氮，有利于NH4+-N的固定，降低了氨挥发的底物浓度[23-24]. 由枯草芽孢杆菌制备而成的改良剂能够增强土壤中微生物的整体活性，增加土壤中细菌和放线菌的数量，可将土壤中无机氮转化为有机氮[25]，进一步降低了土壤的氨挥发.

研究[26-28]表明，土壤温度是影响土壤氨挥发通量的重要因素，主要通过影响土壤中微生物的活性、气体运动等来影响土壤氨挥发，土壤氨挥发速率随着土壤温度的升高而增加，并呈显著正相关，这与笔者所得结果(见图3)相一致. 这可能是因为，温度增加使得土壤中脲酶的活性增强，加速了土壤中肥料的分解与转化，使得土壤中铵态氮总量增加，并因作物未能及时吸收，而造成氮素以氨挥发的形式损失[29].

诸多学者研究了土壤含水量与氨挥发通量之间的关系，但得出的结论略有不同. 例如：纪锐琳等[30]研究表明，施用氮肥时氨挥发通量随着土壤含水量的上升而递增；而刘秋丽[31]研究表明，土壤氨挥发通量先随着含水量的增加而降低并达到最低值，然后随着含水量的增加而上升，这与笔者得到的CK、H、HY和HYG处理所得结果相一致，但与Y处理所得结果相反. 土壤含水量对农田氨挥发的影响主要是肥料在土壤中的转化过程，如碳铵的溶解、尿素的水解、有机物的微生物分解等过程，进而影响到农田土壤氨挥发[32]. 在较高的土壤含水量条件下，尿素颗粒会与土壤充分接触，使其形态转化加快，同时还会阻碍空气进入土壤，抑制氨氧化过程的发生，增加液相中NH4+-N所占氮素的形态比，从而增加了土壤氨挥发[33]. 在适中的含水量条件下，肥料将会以下渗的方式进入土壤深层，增加NH4+被土壤胶体吸附或作物吸收的机会；另外，还增加了土壤中氨挥发到土壤表层的阻力，因此降低了土壤中氨挥发[34-35]. 土壤含水量较低时，肥料留于地表，被胶体吸附的概率下降，土壤抑制氨挥发的能力较弱，由此增加了土壤氨挥发通量. 该研究中Y处理的研究结果与其他4种处理结果相反，可能是因为Y处理全部为微生物菌肥，其功能是促进土壤中微生物数量的增加，但是土壤中微生物的活性需要适宜的土壤含水量，土壤含水量过高或者过低都会抑制土壤微生物活性，而有机态氮转化为作物可吸收的氮素状态，必须有相关微生物的参与，因此土壤含水量过高或过低均会抑制土壤氨挥发.

4 结论

a) 设施番茄栽培条件下，不同施肥方式对土壤氨挥发通量产生了显著影响，5种施肥方式以H处理(100%化肥N)和HY处理(50%化肥N+50%有机肥N)下土壤氨累积挥发量较大，且显著高于其他3个处理，与CK处理(不施肥)相比，H和HY处理下土壤中氨的累积挥发量分别增加了11.76%和12.03%；Y处理(100%有机肥N)和HYG处理(50%化肥N+50%有机肥N+改良剂)则显著降低了土壤中氨累积挥发量，分别下降了24.31%和15.20%.

b) 土壤氨累积挥发量影响因子可以提取出2个主成分，主成分1由pH、硝态氮含量、铵态氮含量、土壤含水量、土壤孔隙度和土壤容重构成，主成分2由土壤温度构成，这2个主成分的累积贡献率为83.09%，且各影响因素均与土壤氨累积挥发量有显著相关关系(P均小于0.05)，说明在不同施肥方式下，0～20 cm土壤的铵态氮含量、硝态氮含量、pH、土壤孔隙度和土壤容重以及0～10 cm土壤温度和土壤含水量均会显著影响土壤氨挥发.