不同施肥方案对华南地区菜心种植氨挥发损失的影响

2022-04-01赵瑞冯雁辉马千里姚玲爱高加乾赵学敏

农业环境科学学报 2022年3期

赵瑞，冯雁辉，马千里，姚玲爱*，高加乾，赵学敏

（1.生态环境部华南环境科学研究所，广州 510655；2.广东天禾农资股份有限公司，广州 510080）

氨（NH）作为大气中唯一的碱性气体，是大气中二次气溶胶的重要前驱物，对大气细颗粒物PM的形成有显著贡献。氨排放对PM的贡献与我国PM污染时空分布特征高度一致，因此，氨排放成为引起我国重污染地区、重污染时段PM持续处于高位的关键因素之一。我国作为农业大国，氨排放量巨大，每年的氨排放量（约1 000万t·a）比欧盟（370万t·a）和美国（390万t·a）年排放量的总和还多，其中农业活动如氮肥施用或者畜禽养殖产生的氨排放占到排放总量的80%，并且氮肥施用和畜禽养殖的氨排放率几乎是发达国家的两倍。近20年来，由于农业集约化生产和氮肥利用率低，我国氮肥施用造成的氨排放量呈逐年上升的趋势。FAO 2007年报告中提到：中国是世界上比较大的氮肥生产、消耗国，氮肥施用量占全世界的35%左右。近年来，我国蔬菜种植面积不断扩大，2013年蔬菜种植面积是1978年的6.25倍，占到我国农作物种植总面积的12.69%。农业生产的氮肥投入逐渐由粮食作物高施氮量转变为蔬菜种植高施氮量。与粮食作物相比，蔬菜生产需要大量的水肥投入尤其是氮肥投入，施肥是获得蔬菜高产的重要保障。相关研究表明，我国蔬菜地氮肥用量是大田作物的数倍甚至数十倍。因此，由蔬菜种植引起的氨挥发已经成为我国氨排放和农业面源污染的主要来源之一。然而，目前国内学者对蔬菜地氨挥发的研究多关注于氮肥施用量、施肥类型或施肥方式的影响，且研究区域集中在黄淮海地区、长江中下游地区和西南地区等蔬菜种植主要区域，而针对两者协同作用对华南地区露地蔬菜种植氨挥发的影响报道较少。研究表明，广东省人为源氨排放约有27%来自于农田氮肥施用。作为国内重要的蔬菜生产基地，广东省蔬菜种植氮肥用量高于大田作物，盲目施肥现象严重，氮肥利用率低。因此，本研究以广州市黄埔区菜地为研究对象，探究不同施肥模式下土壤氨挥发情况和不同施肥模式对菜心产量的影响，以期筛选出环境友好型的施肥模式，为制定区域大气污染控制策略提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验地位于广州市黄埔区，地处北纬23°09'、东经113°30'，属于南亚热带季风气候，具有夏长冬短、终年温暖、偶有奇寒、无霜期长、四季宜耕的特点。年降雨量2 247 mm，主要集中在4—9月，这6个月占全年降雨量的82%。年平均温度21℃，最冷月1月份平均气温为13.3℃，最热月7月份平均气温为28.4℃，气温年际变化较小。

1.2 试验材料

供试蔬菜为珠三角地区常见、成活率高、便于水肥管理的菜心。

供试土壤为赤红壤，其基本理化性质如表1所示。供试肥料：尿素（国产，含N量≥46.3%，粒度0.85～2.80 mm，执行GB 2440—2001标准）；过磷酸钙（PO16%）；氯化钾（含KO 60%）。

表1 试验地点耕层土壤理化性质Table 1 Physiochemical properties of experimental soils

1.3 试验设计

2020年9—12月选择广东省广州市黄埔区土地作为试验田，期间广州市平均气温大于20℃。设置氮肥施用量处理为A组，拟选择4种施氮量水平：不施氮肥（A0）；高氮施肥，337.5 kg·hm（A1）；常规施肥，200 kg·hm（A2）；减氮施肥，在常规施肥的基础上氮肥施用量减少30%，为140 kg·hm（A3）。同时，设置施肥方式处理为B组，3种氮肥施用方式分别为沟施覆土（B1）、表面撒施（B2）和撒施后灌水（B3）。开展正交实验，共设置12个组合处理，每个处理重复3次，完全随机排列，小区面积为11.4 m。试验中磷肥全部作基肥，30%的氮、钾肥用作基肥施入，70%用于蔬菜生长中后期作追肥施入，基肥与追肥施肥方式一致，具体施肥方式见表2。各小区的氮、钾肥根据试验设计的用量按一定的比例分3次施入，基肥和两次追肥分别占氮、钾肥总量的比例为30%、40%和30%。各处理氮肥用量见表3。

表2 施肥量与施肥方式正交试验Table 2 Orthogonal test of fertilizer rates and fertilization methods

表3 试验区蔬菜作物施氮量（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日播种，10月13日整地施用基肥，10月17日移栽，种植规格为株行距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日收获，整个生育期50 d。统一灌溉、除草和喷洒农药防治病虫害等田间管理。

1.4 测定方法

本试验采用通气法监测氨挥发，该方法收集结构简单、操作简便，测定结果的准确度和精确度高，回收率可达99.5%。用PVC（聚乙烯硬质塑料管）制成内径15 cm、高15 cm的氨气捕获装置，将两块厚度为2 cm、直径为16 cm的海绵均匀浸以15 mL的磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL），置于硬质塑料管中，下层海绵置于管中部，用于吸收土壤中挥发出来的氨；上层海绵与管顶相平，用于防止外界气体污染。施肥后前6 d每日早上固定时间更换下层海绵，之后每3 d更换一次下层海绵，上层海绵每3 d更换一次，直到当日监测结果与A0相比无明显差别为止。整个监测过程氨挥发装置保持固定位置，每日仅更换海绵。下层海绵样品用密封袋封好带回实验室，然后浸泡在300 mL 1 mol·L的氯化钾溶液中浸提，浸提液中的铵态氮用靛酚蓝比色法测定。

1.5 数据分析与处理

每日氨（NH-N）挥发速率（kg·hm·d）=通气法单个装置平均每日测得的氨量（mg）/[获装置的横截面积（m）×每次连续收集时间（d）]×10

氨挥发累积量=测定时期内每日氨挥发量之和（kg·hm）

单位产量氨挥发量（g·kg）=氨挥发总量（g·hm）/单位面积产量（kg·hm）

采用Excel 2010和SPSS16.0软件进行数据处理与统计分析，采用OringePro 9.1绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮阶段的氨排放特征分析

2.1.1 基肥施用后土壤氨挥发速率变化

菜心施基肥后1～16 d土壤氨挥发情况如图1所示。施肥后，各施肥处理的土壤氨挥发速率均呈现出先上升至最大值，然后下降的趋势，且氨挥发速率随施氮量的增加而增加。沟施覆土施肥处理组（B1）在第3 d达到氨挥发峰值，A1B1、A2B1和A3B1的氨挥发速率峰值分别为1.84、1.51 kg·hm·d和0.86 kg·hm·d，分别占16 d氨挥发量的38%、41%和39%。A1B1、A2B1和A3B1氨挥发速率16 d的平均值分别为0.30、0.23 kg·hm·d和0.14 kg·hm·d（图1a）；表面撒施处理组（B2）同样也在施肥后第3 d达到氨挥发峰值，A1B2、A2B2和A3B2的氨挥发速率峰值分别为6.14、3.18 kg·hm·d和1.93 kg·hm·d，分别占16 d氨挥发量的28%、22%和36%。A1B2、A2B2和A3B2氨挥发速率16 d的平均值分别为1.35、0.91 kg·hm·d和0.33 kg·hm·d（图1b）；撒施后灌水处理组（B3）则是在施肥后第2 d达到氨挥发峰值，A1B3、A2B3和A3B3的氨挥发速率峰值分别为0.28、0.17 kg·hm·d和0.10 kg·hm·d，分别占16 d氨挥发量的52%、37%和28%，A1B3、A2B3和A3B3氨挥发速率16 d的平均值分别为0.03、0.03 kg·hm·d和0.02 kg·hm·d（图1c）。

图1 基肥期不同施氮方案氨挥发速率动态变化Figure 1 Rate of ammonia volatilization under different fertilization schemesat basal fertilizer stage

对比不同施肥方式下基肥的氨挥发速率，表面撒施处理组（B2）施肥的氨挥发速率高于沟施覆土处理组（B1）和撒施后灌水处理组（B3）。

2.1.2 追肥施用后土壤氨挥发速率变化

追肥后各施肥处理氨挥发速率变化趋势基本相同，氨挥发速率峰值基本出现在第2～3 d，之后总体呈下降趋势，且氨挥发速率随施氮量的增加而增加。各施肥处理中，两次追肥后氨挥发速率峰值最高的处理为A1B2，挥发速率分别为10.79 kg·hm·d和6.50 kg·hm·d；其次为A2B2，两次峰值分别为6.24 kg·hm·d和4.10 kg·hm·d；最低的处理为A3B3，两次峰值分别为0.12 kg·hm·d和0.19 kg·hm·d。与A1B2施肥处理相比，其他各处理两次追肥后氨挥发速率峰值分别降低47%、70%（A1B1），70%、88%（A2B1），90%、89%（A3B1），42%、37%（A2B2），83%、83%（A3B2），97%、97%（A1B3），97%、98%（A2B3），98%、97%（A3B3）。

追肥期间平均氨挥发速率也以A1B2最高，为1.18 kg·hm·d，A1B1、A2B1、A3B1、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3的平均氨挥发速率分别为0.64、0.31、0.16、0.71、0.33、0.03、0.03 kg·hm·d和0.02 kg·hm·d，分别较A1B2降低46%、74%、86%、40%、72%、97%、97%和98%（图2）。

图2 追肥期不同施肥方案氨挥发速率动态变化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挥发累积量

对比不同施肥阶段的氨挥发累积量，各施肥处理组均呈现出第一次追肥的氨挥发累积量最高，占到全生育期氨挥发累积量的40%～60%，其中A1B1、A2B1、A3B1、A1B2、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3分别占当次氮肥施用量的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挥发累积量次之，分别占全生育期的17%～40%和8%～30%，其中各施肥处理A1B1、A2B1、A3B1、A1B2、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3占基肥时期氮肥施用量的0.5%～15.5%，占第二次追肥时期氮肥施用量的0.8%～18.8%。

对于沟施覆土处理组（B1），基肥和第一次追肥的不同施氮处理间氨挥发累积量存在显著差异，即A1B1＞A2B1＞A3B1＞A0B1，但第二次追肥A2B1与A1B1和A3B1处理间差异不显著（图3a）。对于表面撒施处理组（B2），3次施肥不同施氮处理间氨挥发累积量间均存在显著差异，均呈现A1B2＞A2B2＞A3B2＞A0B2的趋势（图3b）。对于撒施后灌水（B3）处理组，基肥及第二次追肥的氨挥发累积量呈现A1B3＞A2B3＞A3B3＞A0B3的趋势，基肥的A1B3处理与A3B3和A0B3处理间差异显著，第一次追肥的A1B3处理与A2B3和A0B3处理间差异显著，第二次追肥A1B3处理与其他三类处理均呈显著差异（图3c）。

图3 不同施肥时期的氨挥发累积量Figure 3 Accumulative ammonia emission relative to different fertilization periods

对比不同施肥方式下的氨挥发累积量，表面撒施处理组（B2）单次施肥的氨挥发累积量高于沟施覆土处理组（B1）和撒施后灌水处理组（B3）（图4）。

对比不同施肥处理的氨挥发累积量，A1B2处理氨挥发累积量最大，达到64.52 kg·hm，显著高于其他施肥处理组，A1B1、A2B1、A3B1、A2B2、A3B2、A1B3、A2B3和A3B3处理的氨挥发累积量分别比A1B2减少了59%、80%、88%、43%、71%、96%、98%和98%（图4）。

图4 不同施肥方案的氨挥发累积量Figure 4 Accumulative ammonia emission relative to different fertilization schemes

2.3 菜心产量与施肥方案及氨挥发量的相关性分析

不施氮处理组的菜心产量最低，因土地相对贫瘠，A0B1、A0B2和A0B3的产量为12 839～13 054 kg·hm，平均产量为12 917 kg·hm。沟施覆土不同氮肥处理组A1B1、A2B1和A3B1的菜心产量分别比A0B1增加31%、28%和20%；表面撒施不同氮肥处理组A1B2、A2B2和A3B2的菜心产量分别比A0B2增加35%、30%和22%；撒施后灌水不同氮肥处理组A1B3、A2B3和A3B3的菜心产量分别比A0B3增加9%、8%和7%（图5）。

图5 不同施肥方案的菜心产量Figure 5 Yield of flowering Chinese cabbage relative to different fertilization schemes

各处理组菜心产量与施氮量和氨挥发累积量均呈极显著正相关，氨挥发累积量与施氮量呈显著正相关（表4）。不同施氮量处理组中，高氮处理组（A1）菜心产量显著高于减氮30%处理组（A3），但常规施氮组（A2）与减氮30%处理组和高氮处理组之间菜心产量差异不显著，不施氮肥处理组（A0）菜心产量与撒施后灌水各施氮处理组之间菜心产量差异不显著。高氮处理组的氨挥发累积量显著高于常规施氮组和减氮30%处理组，撒施后灌水各施氮处理组之间氨挥发累积量差异不显著。

表4 菜心产量与施氮量和氨挥发累积量的Pearson相关性分析Table 4 Pearson correlation analysis among flowering cabbage yield with nitrogen application rate and accumulative ammonia emission

与A0相比，撒施灌水处理组（B3）菜心产量没有显著增加，表面撒施处理组（B2）与沟施覆土处理组（B1）菜心产量较A0增加幅度相近（20%～35%），但表面撒施处理组的单位产量氨挥发量显著高于沟施覆土处理组，因此沟施覆土为推荐的最佳施肥方式（图5和图6）。从沟施覆土各施氮处理组看，单位产量氨挥发量最低的为A3B1，因此推荐A3B1为保证较低氨挥发量和较高产量的最佳施肥方案，其分别比A2B1和A2B2减少氨挥发损失5.9 kg·hm和29.3 kg·hm。

图6 不同施肥方案单位产量的氨挥发量Figure 6 Ammonia volatilization per unit yield relative to different fertilization schemes

3 讨论

很多研究发现适当减少氮肥用量并不会减少作物产量，而是会减少氨挥发量。吴腾超等报道，在滇池柴河流域蔬菜地减少20%施氮量对该地区蔬菜产量无显著影响，并可减少氨挥发损失44.87 kg·hm。贾明飞等的研究发现，在日光温室番茄生产过程中，增施有机肥、减少氮肥用量的施肥方案可有效降低氨挥发并保证番茄产量。闵炬等报道太湖地区黄瓜和番茄种植过程施氮量较传统施氮量减少20%～40%时，依旧能够保证较高的产量和品质。罗付香等发现当施氮量从187.5 kg·hm增加至300 kg·hm时，大白菜产量增加不显著，但氨挥发量则显著增加。本研究发现随着施氮量的增加，菜心的产量也增加，各处理组的菜心产量与施氮量呈显著正相关。然而，高氮处理组的菜心产量相对于常规施氮处理组增加趋势不显著，常规施氮处理组的菜心产量相对于减氮处理组增加趋势不显著（图5和图7）。氨挥发量随着施氮量增加而增加，高氮处理组的氨挥发量显著高于其他两个处理组。当施氮量从140 kg·hm增加到337.5 kg·hm时，菜心平均产量仅增长了7.5%，而平均氨挥发量则增长了3倍多（图7），说明过量施用氮肥并不能有效增产反而会增加氨挥发，从而加重环境污染。本研究减氮30%处理组的菜心平均产量与常规施氮处理的平均产量相比无显著差异，但平均氨挥发量减少了47%，因此推荐减氮30%处理作为最佳氮肥施用量。李永胜等的研究结果表明华南地区菜心种植过程减量施肥（氮肥用量为142.8 kg·hm）和优化施肥（氮肥用量为135 kg·hm）可获得与常规施肥相当的产量，显著增加了施肥效益，与本研究的结果相一致。

图7 不同施氮量下菜心产量和氨挥发量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对氨挥发损失的影响非常显著，氨挥发量随着施肥深度的增加而降低。深施、穴施及表施结合灌溉可以显著降低氨挥发量。曹兵等的研究结果表明，尿素表施方式下的氨挥发损失率最高达46.08%，而深施和表施结合灌溉处理方式下的氨挥发损失率则分别为6.24%和3.75%；本研究也发现尿素表面撒施氨挥发损失率最高（13%～19%），高于沟施覆土（5%～8%）和撒施后灌水处理组（0.06%～0.08%）。这是由于尿素撒施到土壤后，会迅速水解成铵态氮，表层土壤铵态氮迅速增加，为氨挥发过程提供充足的底物，促使氨挥发迅速达到峰值。而尿素深施后既增加了土壤颗粒对氨态氮的吸附，又可阻碍液态氨和气态氨向上扩散，从而减少了氨挥发损失。ROCHETTE等和张翀等的研究均发现尿素深施比表面撒施可减少90%左右的氨挥发，具有很好的减排效果。本研究的沟施覆土与减氮30%处理组合比表面撒施与常规氮处理组合减少了88%的氨挥发量，同样具有很好的减排效果。另外，研究表明，当土壤较为干燥时，少量降雨或灌溉会加速尿素的水解，促进氨挥发，增加氨挥发损失量。而当降雨量或者灌溉水量较大时，尿素在水解前会随水下渗到下层土壤中，增加了土壤颗粒对铵态氮的吸附概率，从而抑制了氨的挥发。本试验中，撒施后灌溉处理组的氨挥发损失率最低（0.06%～0.08%），可能与灌溉水量大，有利于尿素随水下渗到深层土壤有关。但该组处理的菜心产量较低，可能由于菜心属于浅根系植物，消耗土壤水分主要来自土壤上层，而下渗到更深土层的水分和尿素则未能被充分利用。后续研究还需探索灌溉量对氨挥发和产量影响的相关机理，以便确定最佳灌溉量阈值。

土壤氨挥发除了受施氮量和施肥方式的影响外，还受环境条件等诸多因素的影响。前人研究发现温度升高可以增强土壤中脲酶的活性，促进尿素快速分解为铵态氮，进而促进氨挥发；另外，气温升高促进水分蒸发，氨气会随之逸散。本研究施用基肥期间平均气温为22.12℃，第1次追肥期间平均气温为22.05℃，第2次追肥期间平均气温为20.00℃。因基肥时期施氮量与第2次追肥期完全相同，但气温略高于第2次追肥，两次施肥氨挥发高峰时段都集中在施肥后前5 d，对比这两个高峰时段氨挥发速率平均值，发现处于气温较高（25℃）的基肥时期氨挥发速率与气温较低（23℃）的追肥时期氨挥发速率接近（表5）。这与WHTEHEAD等的研究结果符合，即温度高于20℃后氨挥发损失量基本不再随气温升高而增加。虽然高峰期基肥和第2次追肥氨挥发速率没有显著差异，但第2次追肥氨挥发持续时间为21 d，而基肥氨挥发时间仅持续16 d，这可能与施基肥10 d后平均温度为21℃，而第2次施追肥10 d后平均温度较低（17℃）有关（表5）。由于蔬菜种类繁多，加之菜地氨挥发影响因素复杂，所以现有研究结果之间差异较大，因此，探明菜地氨挥发机制还需开展大量研究。