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施肥对云南洱海流域蒜田土壤氨挥发和大蒜产量的影响

沈仕洲 杨艳 王瑞琦 吴凡 胡玉康 王风 张克强

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施肥对云南洱海流域蒜田土壤氨挥发和大蒜产量的影响

    作者简介: 沈仕洲 E-mail:shenshizhou@126.com;
    通讯作者: 张克强, E-mail:kqzhang68@126.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0800103);云南省科技创新开放基金(2017HC015);云南省基础研究计划项目(2019FD120)

Effects of fertilization on ammonia volatilization and garlic yield in Erhai Lake Basin of Yunnan Province

    Corresponding author: ZHANG Ke-qiang, E-mail:kqzhang68@126.com
  • 摘要:   【目的】  探究不同施肥措施及施氮量对大蒜产量的影响以及蒜田的氨挥发排放特点,实现在保证效益的前提下的最小环境代价。  【方法】  田间试验在云南省大理市进行,试验设不施肥 (CK);常规施肥 (N、P2O5、K2O分别为675、180、150 kg/hm2,CF);减少20%的CF处理化肥用量 (N、P2O5、K2O分别为540、144、120 kg/hm2,T1);T2处理是将 T1 处理中的氮以有机肥替代;T3处理是将T1 处理中的磷以有机肥替代;T4处理是按有机肥当季矿化率 25% 折算,以有机肥替代 T1 处理中的氮投入; T5处理是按有机肥当季矿化率 25% 折算,以有机肥替代 T1 处理中的磷投入;T6处理是以控释肥替代 T1 处理中的化肥氮,共8个处理。T2和T4处理为单施有机肥,总氮投入量分别为540和2160 kg/hm2;T3和T5处理为有机无机肥配合,总氮投入量分别为540和1224 kg/hm2。每季大蒜施肥4次,每次施肥后,采用密闭室间歇通气法吸收、分析田间氨挥发排放量,在收获期对大蒜进行测产。  【结果】  CF处理的大蒜产量最高,且显著高于其他所有处理,除对照外,其他6个处理的大蒜产量之间没有显著差异。蒜田氨挥发主要发生在每次施肥后的7 天内,整个生育期氨挥发速率峰值变化范围为2.21~9.83 kg/(hm2·d)。不同时期氨挥发累积排放量也存在差异,基肥期氨挥发损失量为4.93~27.77 kg/hm2,第1次追肥损失量为3.24~19.55 kg/hm2,第2次追肥损失量为2.80~18.57 kg/hm2,第3次追肥损失量为3.60~15.29 kg/hm2。CF、T1、T2、T3、T4、T5和T6处理的氨挥发累积量分别为71.76、52.30、30.56、53.65、44.67、59.95和40.22 kg/hm2,氨挥发损失分别占施氮量的10.63%、9.48%、5.50%、9.72%、2.02%、4.80% 和7.30%。CF处理的氨挥发量和氨挥发损失比例明显高于其他6个处理;在其他6个处理中,氨挥发量的顺序为T2 < T4 ≈ T6 < T1 ≈ T3 < T5 (P < 0.05)。  【结论】  洱海地区常规施肥获得的大蒜产量显著高于减量和有机肥替代施肥模式,但其氨挥发量和损失率也明显高于其他模式。T1~T6处理中,大蒜产量没有显著差异,但是氨挥发量和损失率却不同。有机肥施用量大也会显著增加氨挥发量和氮损失率,在高量有机肥中配合尿素显著增加了氨挥发量和氮素损失率。因此,氮素施用量决定着氨挥发损失量。综合考虑农学和环境效益,在洱海流域,减少常规氮肥用量的20%,并以有机肥氮替代全部化肥氮为适宜的施肥方式。
  • 图 1  大蒜季降水量和平均气温情况

    Figure 1.  Precipitation and average temperature in garlic season

    图 2  不同施肥处理蒜田氨挥发动态变化

    Figure 2.  Dynamic changes of ammonia volatilization in garlic field under different fertilization

    图 3  不同施肥处理土壤NH4+-N动态变化

    Figure 3.  Dynamic changes of soil NH4+-N concentration under different fertilization

    图 4  不同施肥处理土壤NO3-N动态变化

    Figure 4.  Dynamic changes of soil NO3-N concentration under different fertilization

    表 1  各处理施肥期和施肥量 (kg/hm2)

    Table 1.  Time and amount of fertilizer application in each treatment

    处理
    Treatment
    基肥 Base application追施尿素 Topdressing urea合计 Total
    有机肥
    Manure
    尿素
    Urea
    普钙
    Super phosphate
    硫酸钾
    Potassium sulfate
    控释肥
    Controlled release fertilizer
    123NP2O5K2O
    CK00000000000
    CF029311252890440440293675180150
    T102359002310352352235540144120
    T22250000000005405181283
    T36261170000254254170540144357
    T4900000000000216020705130
    T52504417000025425417012245761428
    T600001800000540144120
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    表 2  不同施肥处理蒜田各施肥期及总氨挥发累积量 (kg/hm2)

    Table 2.  Ammonia volatilization after fertilization in garlic field under different fertilization

    处理
    Treatment
    基肥
    Base fertilizer
    第1次追肥
    1st topdressing
    第2次追肥
    2nd topdressing
    第3次追肥
    3rd topdressing
    总挥发量
    Cumulative volatilization
    CK4.93 ± 0.38 g3.24 ± 0.12 f2.80 ± 0.08 c3.60 ± 0.07 d14.57 ± 0.53 f
    CF18.35 ± 1.14 d19.55 ± 1.46 a18.57 ± 2.10 a15.29 ± 0.25 a71.76 ± 0.56 a
    T116.15 ± 0.08 e13.09 ± 0.37 c11.31 ± 0.38 b11.75 ± 0.54 b52.30 ± 0.50 c
    T213.57 ± 0.32 f9.39 ± 0.13 de3.62 ± 0.19 c3.98 ± 0.42 d30.56 ± 0.83 e
    T323.87 ± 0.48 b8.37 ± 0.32 e11.83 ± 0.06 b9.58 ± 0.32 c53.65 ± 0.46 c
    T421.11 ± 0.40 c15.29 ± 0.21 b4.53 ± 0.21 c3.74 ± 0.48 d44.67 ± 0.97 d
    T527.77 ± 0.86 a10.69 ± 0.41 d12.60 ± 0.30 b8.89 ± 0.38 c59.95 ± 0.65 b
    T627.55 ± 0.56 a3.66 ± 0.19 f4.59 ± 0.55 c4.42 ± 0.38 d40.22 ± 0.90 d
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in the same column indicate significant difference among different treatments (P < 0.05).
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    表 3  不同施肥处理蒜田各施肥期氨挥发损失占比 (%)

    Table 3.  Loss ratio of ammonia volatilization in garlic field under different fertilization periods

    处理
    Treatment
    基肥
    Base fertilizer
    第1次追肥
    1st topdressing
    第2次追肥
    2nd topdressing
    第3次追肥
    3rd topdressing
    总挥发损失比
    Total loss ratio
    CF13.59 ± 0.84 b9.68 ± 0.72 a9.19 ± 1.04 a11.33 ± 0.18 a10.63 ± 0.80 a
    T114.95 ± 0.70 a8.08 ± 0.23 bc6.57 ± 0.24 b10.49 ± 0.50 a9.48 ± 0.10 a
    T22.51 ± 0.06 e5.50 ± 0.16 c
    T310.47 ± 0.21 c7.15 ± 0.28 c9.52 ± 0.05 a11.71 ± 0.41 a9.72 ± 0.08 a
    T40.98 ± 0.02 f2.02 ± 0.04 e
    T53.05 ± 0.09 e9.14 ± 0.35 ab10.09 ± 0.26 a10.83 ± 0.49 a4.80 ± 0.06 d
    T65.10 ± 0.01 d7.30 ± 0.18 b
    注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in the same column indicate significant difference among different treatments (P < 0.05).
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    表 4  蒜田土壤NH4+-N、NO3-N含量和氨挥发速率相关性分析

    Table 4.  Correlation analysis of NH4+-N and NO3-N contents and ammonia volatilization rates in garlic soil

    指标
    Index
    氨挥发速率 (VR)
    Volatilization rate
    NH4+-NNO3-N
    VR1
    NH4+-N0.301**1
    NO3-N0.199**0.0911
    注(Note):**—P < 0.01.
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    表 5  不同处理氨挥发累积量及作物产量之间关系

    Table 5.  Cumulative ammonia volatilization and garlic yield of different treatments

    处理 Treatment作物产量 Crop yield (kg/hm2)挥发累积量 Cumulative volatilization (kg/hm2)产量标尺 Yield scale (kg/t)
    CK3356 ± 599 c14.57 ± 0.53 f4.43 ± 0.82 bc
    CF10007 ± 1886 a71.76 ± 0.56 a7.37 ± 1.60 a
    T17356 ± 1106 b52.3 ± 0.50 c7.21 ± 0.94 a
    T26289 ± 1065 b30.56 ± 0.83 e3.85 ± 0.61 c
    T37522 ± 647 b53.65 ± 0.46 c7.16 ± 0.55 a
    T47022 ± 1397 b44.67 ± 0.97 d4.23 ± 0.79 bc
    T57978 ± 468 b59.95 ± 0.65 b7.53 ± 0.45 a
    T66811 ± 1166 b40.22 ± 0.90 d6.05 ± 1.25 ab
    注(Note):产量标尺为氨挥发累积量与作物产量的比值,指形成单位产量作物所排放的氨挥发量;同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05)。The yield scale is the ratio of cumulative ammonia volatilization to crop yield, which refers to the amount of ammonia volatilization by crops yield in per unit. Values followed by different letters in the same column indicate significant difference among different treatments (P < 0.05).
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    [16] 夏文建周卫梁国庆王秀斌孙静文李双来胡诚陈云峰 . 优化施氮下稻-麦轮作体系氮肥氨挥发损失研究. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 6-13. doi: 10.11674/zwyf.2010.0102
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-31
  • 网络出版日期:  2021-04-02
  • 刊出日期:  2021-03-25

施肥对云南洱海流域蒜田土壤氨挥发和大蒜产量的影响

    作者简介:沈仕洲 E-mail:shenshizhou@126.com
    通讯作者: 张克强, kqzhang68@126.com
  • 1. 农业农村部环境保护科研监测所,天津 300191
  • 2. 农业农村部大理农业环境科学观测实验站,云南大理 671004
  • 3. 大理市农业环境保护监测站,云南 671000
  • 4. 云南农业大学资源与环境学院,昆明 650201
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFD0800103);云南省科技创新开放基金(2017HC015);云南省基础研究计划项目(2019FD120)
  • 摘要:   【目的】  探究不同施肥措施及施氮量对大蒜产量的影响以及蒜田的氨挥发排放特点,实现在保证效益的前提下的最小环境代价。  【方法】  田间试验在云南省大理市进行,试验设不施肥 (CK);常规施肥 (N、P2O5、K2O分别为675、180、150 kg/hm2,CF);减少20%的CF处理化肥用量 (N、P2O5、K2O分别为540、144、120 kg/hm2,T1);T2处理是将 T1 处理中的氮以有机肥替代;T3处理是将T1 处理中的磷以有机肥替代;T4处理是按有机肥当季矿化率 25% 折算,以有机肥替代 T1 处理中的氮投入; T5处理是按有机肥当季矿化率 25% 折算,以有机肥替代 T1 处理中的磷投入;T6处理是以控释肥替代 T1 处理中的化肥氮,共8个处理。T2和T4处理为单施有机肥,总氮投入量分别为540和2160 kg/hm2;T3和T5处理为有机无机肥配合,总氮投入量分别为540和1224 kg/hm2。每季大蒜施肥4次,每次施肥后,采用密闭室间歇通气法吸收、分析田间氨挥发排放量,在收获期对大蒜进行测产。  【结果】  CF处理的大蒜产量最高,且显著高于其他所有处理,除对照外,其他6个处理的大蒜产量之间没有显著差异。蒜田氨挥发主要发生在每次施肥后的7 天内,整个生育期氨挥发速率峰值变化范围为2.21~9.83 kg/(hm2·d)。不同时期氨挥发累积排放量也存在差异,基肥期氨挥发损失量为4.93~27.77 kg/hm2,第1次追肥损失量为3.24~19.55 kg/hm2,第2次追肥损失量为2.80~18.57 kg/hm2,第3次追肥损失量为3.60~15.29 kg/hm2。CF、T1、T2、T3、T4、T5和T6处理的氨挥发累积量分别为71.76、52.30、30.56、53.65、44.67、59.95和40.22 kg/hm2,氨挥发损失分别占施氮量的10.63%、9.48%、5.50%、9.72%、2.02%、4.80% 和7.30%。CF处理的氨挥发量和氨挥发损失比例明显高于其他6个处理;在其他6个处理中,氨挥发量的顺序为T2 < T4 ≈ T6 < T1 ≈ T3 < T5 (P < 0.05)。  【结论】  洱海地区常规施肥获得的大蒜产量显著高于减量和有机肥替代施肥模式,但其氨挥发量和损失率也明显高于其他模式。T1~T6处理中,大蒜产量没有显著差异,但是氨挥发量和损失率却不同。有机肥施用量大也会显著增加氨挥发量和氮损失率,在高量有机肥中配合尿素显著增加了氨挥发量和氮素损失率。因此,氮素施用量决定着氨挥发损失量。综合考虑农学和环境效益,在洱海流域,减少常规氮肥用量的20%,并以有机肥氮替代全部化肥氮为适宜的施肥方式。

    English Abstract

    • 洱海流域是我国典型的高原湖滨区。近年来,随着流域社会经济的快速发展,农业、旅游业、工业等排放的氮磷污染物增加了洱海水体的污染负荷,洱海流域农业面源污染日益严重,富营养化趋势已成为洱海流域首要的环境问题[1]。研究表明,流域农田面源污染是洱海富营养化的重要污染源之一,农田面源污染氮磷排放量分别占入湖总量的34%和29%[2]。农田氮素流失一部分通过地表径流、地下渗漏等方式进入水体,其他则通过硝化-反硝化及氨挥发作用等释放到大气中[3]。研究表明,洱海流域农田总氮径流流失量约为3.52~44.20 kg/hm2[4-6],淋溶流失量约为3.91~22.4 kg/hm2[5, 7]。而目前针对流域农田氨挥发研究较少,特别是针对流域普遍种植的大蒜农田的氨挥发还鲜有报道。沈善敏[8]研究表明,以氨挥发形式损失的氮素占比不容忽视,其损失量约占氮肥总损失量的5%~47%。氨挥发损失不仅导致作物对肥料的利用率下降,而且容易造成水体富营养化、土壤酸化、空气污染等一系列环境问题[9-11]。施氮量、氮肥类型和施用方法是影响农田氨挥发的主要因素,氨挥发损失量随施氮量变化而变化[12],且不同氮肥类型施用表现出不同的氨挥发释放规律[13]。与常规施氮相比,减量施氮处理在黄瓜季和番茄季内的氨挥发速率均值分别降低了21.1%~22.8%和16.5%~17.9%[14]。缓释肥料能显著降低氨挥发量。包膜尿素相比于普通尿素,可减少30%的氨气排放[15]。与施用尿素相比,单施有机肥与化肥有机肥配施 (有机氮无机氮各占一半) 能显著降低稻田氨挥发[16]

      大蒜作为洱海流域典型作物,种植过程中普遍施用大量氮肥,且氮肥用量通常是粮田的2.1~3.4倍[17],氨挥发流失风险较高。为此本研究以洱海流域大蒜为研究对象,在3年长期定位试验基础上,采用“密闭室间歇通气法”对蒜田氨挥发的排放进行田间原位监测,研究不同施肥类型及施氮量对蒜田氨挥发和大蒜产量的影响,探索既能减少氨挥发排放量,又可提高大蒜产量的环境友好型施肥方式,为洱海水质保护提供技术支撑。

      • 试验位于云南省大理市喜洲镇农业农村部大理综合实验站内 (北纬 25°53′34″,东经100°10′27″)。该地区属典型的低纬高原中亚热带西南季风气候,海拔高度1980 m,年平均气温14.6℃,西南风为主导风向;年平均降雨量为908.8 mm,但在5—10月份集中了全年降雨量的85%~96%[11]。试验期间降雨量及气温情况见图1。供试大蒜品种为四川温江红七星。供试土壤为暗棕壤,0—20 cm土壤基本理化性质为:pH 7.1、有机质57.3 g/kg、全氮3.31 g/kg、全磷0.97 g/kg、全钾19.3 g/kg、水解氮233 mg/kg、速效磷35.3 mg/kg、速效钾72.7 mg/kg、阳离子交换量21.1 cmol/kg。

        图  1  大蒜季降水量和平均气温情况

        Figure 1.  Precipitation and average temperature in garlic season

      • 田间试验时间为2018年11月3日至2019年4月19日。试验共设8个处理:1) 不施肥 (CK);2) 常规施肥 (CF);3) 减少CF处理氮磷钾施用量的20% (T1);4) 将T1处理中的氮以有机肥替代 (T2);5) 将T1处理中的磷以有机肥替代,氮素以尿素补齐 (T3);6) 以有机肥当季矿化率25%折合,以有机肥替代T1处理中的氮投入 (T4);7) 以有机肥当季矿化率25%折合,以有机肥替代T1处理中的磷投入 (T5);8) 以控释肥替代 T1处理中的化肥氮投入 (T6)。于2018年11月4日基施肥料,2018年12月5日、2019年1月9日、2019年2月27日分别进行3次追肥。有机肥在翻耕前一次性施入,翻耕深度约20 cm;控释肥、普钙 (普通过磷酸钙)、硫酸钾和20%的尿素在翻耕后第二天一次性施入;尿素追施量第一次、第二次分别为施入总量的30%,第三次为剩余的20%。每个施肥处理设3次重复,随机区组设计,具体施肥情况见表1

        表 1  各处理施肥期和施肥量 (kg/hm2)

        Table 1.  Time and amount of fertilizer application in each treatment

        处理
        Treatment
        基肥 Base application追施尿素 Topdressing urea合计 Total
        有机肥
        Manure
        尿素
        Urea
        普钙
        Super phosphate
        硫酸钾
        Potassium sulfate
        控释肥
        Controlled release fertilizer
        123NP2O5K2O
        CK00000000000
        CF029311252890440440293675180150
        T102359002310352352235540144120
        T22250000000005405181283
        T36261170000254254170540144357
        T4900000000000216020705130
        T52504417000025425417012245761428
        T600001800000540144120
      • 蒜田氨挥发量采用密闭室间歇通气法测定。利用抽气减压将田间挥发到空气中的氨吸入装有 50 mL 硼酸吸收液 (20 g/L) 的洗气瓶,用标准稀硫酸溶液 (0.01 mol/L) 滴定,计算土壤氨挥发速率及氨挥发累积量。本试验将两个洗气瓶串联,以保证气体氨的充分吸收。密闭室采用透明有机玻璃材料制成,底部直径20 cm,上端露出地表5~8 cm,使地表与室顶之间形成一个有限的密闭空间,通过调节阀调节抽气量,使密闭空间的换气速率在15~20 次/min。在采样当天的9:00—11:00、15:00—17:00两个时间段采集挥发氨,以这两个时间段的测定值估算当天氨挥发速率的平均值。

        在施肥后7天内每天采集挥发氨,之后根据氨挥发量间隔2~3天采样,直至氨挥发量与对照无明显差异为止。在采集挥发氨期间同时采集表层土壤,在田间随机选取3个点采集土样,混合后进行测定,主要测定NH4+-N、NO3-N浓度,不能及时测定的土样在4℃条件下储存备用。土壤中NH4+-N、NO3-N含量采用流动注射分析仪测定,将称取的10.0 g新鲜土样放入振荡瓶中,同时加入50 mL 2 mol/L的氯化钾溶液,在220 r/min条件下振荡浸提1 h后过滤,进行分析测定。

      • 根据下式计算氨挥发速率、氨挥发累积量及氨挥发损失率:

        $\begin{split} & F = {C_S} \times ({V_S} - {V_0}) \times 14 \times {10^{ - 2}} \times 24/\left( {3.14 \times {r^2} \times t} \right);\\ & R = \sum F \times 100/{N_F} \end{split}$

        式中,F—氨挥发速率[kg/(hm2·d)];CS—1/2H2SO4标准液的浓度 (mol/L);VS—样品吸收液消耗的稀硫酸溶液体积 (mL);V0—H3BO3指示剂溶液消耗的稀硫酸体积 (mL);r—气室半径,0.1 m;t—氨挥发收集时间 (h);R—氨挥发累计损失率 (%);∑F—氨挥发累积量 (kg/hm2);NF—肥料氮施用量 (kg/hm2)。

        用Microsoft Excel进行图表绘制,利用SPSS Statistics对数据进行方差分析及相关性分析。

      • 图2所示,整个大蒜季不同处理在4次施肥后,土壤氨挥发速率均呈现了先上升后下降的规律变化。各处理的氨挥发高峰期集中在施肥后的2~7 天内,其氨挥发速率峰值范围为2.21~9.83 kg/(hm2·d)。到达峰值后氨挥发速率逐渐降低,氨挥发速率分别在基肥期施肥10天后、第一次追肥10天后、第二次追肥7天后以及第三次追肥6天后与对照处理氨挥发速率无明显差异。除常规施肥处理外,其他处理氨挥发速率表现为基肥期 > 追肥期,3次追肥后的氨挥发速率差异不明显。在基肥期施用控释肥处理的氨挥发速率峰值最大为6.44 kg/(hm2·d),有机肥与化肥配施的处理T3、T5出现了两个峰值,这可能是由于施入尿素后先达到第一个峰值,之后随着有机肥的分解又再次出现了第二个氨挥发峰值。处理CF、T1、T3和T5在整个生育期共施加了3次尿素,每次追加尿素后氨挥发均出现了上升,而其他未追肥处理氨挥发速率无明显变化。处理CF、T1、T3和T5施氮量大小依次为CF > T1 > T3 = T5,且各施肥期施氮量大小依次为第1次追肥 = 第2次 > 第3次。比较3次追肥阶段各施肥处理的氨挥发速率发现,施氮量越大,氨挥发速率越大。虽然常规施肥处理 (CF) 第一次追肥与第二次追肥施氮量相同,但其第1次追肥阶段氨挥发速率大于第2次追肥,这可能是因为第1次追肥阶段温度高于第2次追肥期,促进了氨挥发的排放。

        图  2  不同施肥处理蒜田氨挥发动态变化

        Figure 2.  Dynamic changes of ammonia volatilization in garlic field under different fertilization

      • 表2所示,蒜田不同类型氮肥的氨挥发累积量差异较大,其变化范围为14.57~71.76 kg/hm2,氨挥发累积量大小依次为CF > T5 > T3 > T1 > T4 > T6 > T2 > CK。常规施肥处理的氨挥发累积量最大,显著高于其他处理,不施肥处理的氨挥发累积量最小。在相同施氮量条件下,有机肥与化肥配施处理T3氨挥发累积量与单施化肥T1处理差异不大,大于单施控释肥T6处理,单施有机肥T2处理氨挥发累积量最小,这说明施用有机肥和控释肥可以有效减少氨挥发。相同氮肥类型不同施氮量处理的氨挥发累积量大小分别为CF > T1、T4 > T2、T5 > T3。可见施用相同类型氮肥,施氮量越大,氨挥发累积量越大。从不同施肥期氨挥发累积量来看,基肥期的氨挥发损失量最大,占总氨挥发损失的25.57%~68.50%。其中T2、T4、T6处理所有肥料为基肥期一次性施入,基肥期氨挥发占总氨挥发的44.40%~68.50%,其他时期氨挥发损失量较小。CF、T1、T3、T5处理除基肥外,追加了3次尿素,这4个处理在各追肥阶段的氨挥发累积量均高于其他处理。从不同追肥时期的氨挥发累积量来看,第二次追肥的氨挥发累积量比第一次追肥增加了9.62%~77.14%,而第三次追肥的氨挥发量与第二次追肥差异较小。

        表 2  不同施肥处理蒜田各施肥期及总氨挥发累积量 (kg/hm2)

        Table 2.  Ammonia volatilization after fertilization in garlic field under different fertilization

        处理
        Treatment
        基肥
        Base fertilizer
        第1次追肥
        1st topdressing
        第2次追肥
        2nd topdressing
        第3次追肥
        3rd topdressing
        总挥发量
        Cumulative volatilization
        CK4.93 ± 0.38 g3.24 ± 0.12 f2.80 ± 0.08 c3.60 ± 0.07 d14.57 ± 0.53 f
        CF18.35 ± 1.14 d19.55 ± 1.46 a18.57 ± 2.10 a15.29 ± 0.25 a71.76 ± 0.56 a
        T116.15 ± 0.08 e13.09 ± 0.37 c11.31 ± 0.38 b11.75 ± 0.54 b52.30 ± 0.50 c
        T213.57 ± 0.32 f9.39 ± 0.13 de3.62 ± 0.19 c3.98 ± 0.42 d30.56 ± 0.83 e
        T323.87 ± 0.48 b8.37 ± 0.32 e11.83 ± 0.06 b9.58 ± 0.32 c53.65 ± 0.46 c
        T421.11 ± 0.40 c15.29 ± 0.21 b4.53 ± 0.21 c3.74 ± 0.48 d44.67 ± 0.97 d
        T527.77 ± 0.86 a10.69 ± 0.41 d12.60 ± 0.30 b8.89 ± 0.38 c59.95 ± 0.65 b
        T627.55 ± 0.56 a3.66 ± 0.19 f4.59 ± 0.55 c4.42 ± 0.38 d40.22 ± 0.90 d
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in the same column indicate significant difference among different treatments (P < 0.05).

        不同施肥处理氨挥发损失占比变化范围为2.02%~10.63% (表3),各施肥处理氨挥发累积量占比大小依次为CF > T3 > T1 > T6 > T2 > T5 > T4。进行了3次追肥的处理CF、T1、T3的氨挥发损失占比显著高于其他处理。3次追肥处理CF、T1、T3和T5的氨挥发损失占比:第1次追肥分别为9.68%、8.08%、7.15%、9.14%,第2次追肥分别为9.19%、6.57%、9.52%、10.09%,第3次追肥分别为11.35%、10.49%、11.71%、10.83%。虽然第3次追肥施氮量小于前两次追肥,但第3次追肥的氨挥发损失高于前两次追肥。

        表 3  不同施肥处理蒜田各施肥期氨挥发损失占比 (%)

        Table 3.  Loss ratio of ammonia volatilization in garlic field under different fertilization periods

        处理
        Treatment
        基肥
        Base fertilizer
        第1次追肥
        1st topdressing
        第2次追肥
        2nd topdressing
        第3次追肥
        3rd topdressing
        总挥发损失比
        Total loss ratio
        CF13.59 ± 0.84 b9.68 ± 0.72 a9.19 ± 1.04 a11.33 ± 0.18 a10.63 ± 0.80 a
        T114.95 ± 0.70 a8.08 ± 0.23 bc6.57 ± 0.24 b10.49 ± 0.50 a9.48 ± 0.10 a
        T22.51 ± 0.06 e5.50 ± 0.16 c
        T310.47 ± 0.21 c7.15 ± 0.28 c9.52 ± 0.05 a11.71 ± 0.41 a9.72 ± 0.08 a
        T40.98 ± 0.02 f2.02 ± 0.04 e
        T53.05 ± 0.09 e9.14 ± 0.35 ab10.09 ± 0.26 a10.83 ± 0.49 a4.80 ± 0.06 d
        T65.10 ± 0.01 d7.30 ± 0.18 b
        注(Note):同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in the same column indicate significant difference among different treatments (P < 0.05).
      • 图3可知,大蒜各个生育期不同施肥处理土壤中的NH4+-N浓度变化规律相似。土壤NH4+-N的变化主要发生在施肥后一周内,在施肥后2~4 天上升至峰值,之后逐渐下降直至与不施肥处理持平。CF、T1、T3、T5处理各进行了4次施肥,土壤NH4+-N浓度共出现了4次峰值,而T2、T4、T6处理肥料为一次性作为基肥施入,仅在基肥期出现一次峰值。单施控释肥的处理土壤中NH4+-N浓度峰值最高,在下降之后又出现了几次短暂上升,这可能是由于控释肥的缓慢释放造成的NH4+的累积。比较土壤中NH4+-N峰值出现时间可以发现,施入有机肥T2~T5处理田间土壤中NH4+-N浓度在施肥后3~4 天达到峰值,并且下降时间持续较长;而施入化肥处理土壤中NH4+-N的浓度在施肥后1~2 天迅速达到峰值,并迅速降低到一个稳定的水平。由图4可知,在大蒜整个生长期不同处理追施氮肥后土壤硝态氮含量都有所上升。不同施肥处理土壤中NO3-N含量差异较明显,氮肥施用量越大,土壤中的NO3-N含量越高。施用有机肥的T2~T5处理土壤NO3-N含量小于单施化肥的CF、T1处理。只施用有机肥T2、T4处理土壤NO3-N含量在施肥后第4 天达到峰值,后逐渐降低至与不施肥处理无明显差异。只施用控释肥T6处理土壤NO3-N含量随着养分的缓慢释放在达到峰值之后保持在较稳定的水平。

        图  3  不同施肥处理土壤NH4+-N动态变化

        Figure 3.  Dynamic changes of soil NH4+-N concentration under different fertilization

        图  4  不同施肥处理土壤NO3-N动态变化

        Figure 4.  Dynamic changes of soil NO3-N concentration under different fertilization

        为进一步说明影响土壤氨挥发的主要因素,对土壤NH4+-N、NO3-N浓度和氨挥发速率进行相关性分析(表4),结果表明土壤的NH4+-N、NO3-N浓度与氨挥发速率均呈正相关性 (P < 0.01)。土壤NH4+-N浓度与氨挥发速率相关系数为0.301,土壤NO3-N浓度与氨挥发速率相关系数为0.199。土壤NH4+-N对氨挥发速率的影响大于土壤NO3-N。虽然土壤NH4+-N和NO3-N与氨挥发速率均表现出极显著相关关系,但两个相关系数之和仅为0.5,这说明除了土壤NH4+-N和NO3-N含量,还有土壤含水量、土壤温度等因素影响土壤氨挥发速率。

        表 4  蒜田土壤NH4+-N、NO3-N含量和氨挥发速率相关性分析

        Table 4.  Correlation analysis of NH4+-N and NO3-N contents and ammonia volatilization rates in garlic soil

        指标
        Index
        氨挥发速率 (VR)
        Volatilization rate
        NH4+-NNO3-N
        VR1
        NH4+-N0.301**1
        NO3-N0.199**0.0911
        注(Note):**—P < 0.01.
      • 表5可以看出,与常规施肥处理CF相比, T1~T6处理的大蒜产量分别减少了26.49%、37.15%、24.83%、29.83%、20.27%和31.94%。相同施氮量条件下不同氮肥处理的大蒜产量依次为T2<T6<T1<T3。比较相同氮肥类型下不同施氮量处理的大蒜产量,CF处理比T1处理产量增长了26.49%, T4处理比T2处理产量增长了11.66%,这说明施用相同类型的氮肥,施氮量越大,大蒜产量越高。计算各处理单位产量产生的氨挥发累积量可综合评价作物产量与氨排放代价,累积氨挥发与产量的比值可称为氨挥发产量标尺,其大小依次为T2<T4<T6<T3<T1<CF<T5。在相同施氮量条件下,只施用有机肥的T2处理产量标尺最小为3.85 kg/t,施用化肥的CF处理产量标尺最大为7.37 kg/t,比较不同施氮水平下各处理产量标尺大小为T1<CF、T2<T4、T3<T5,但处理间均无明显差异。

        表 5  不同处理氨挥发累积量及作物产量之间关系

        Table 5.  Cumulative ammonia volatilization and garlic yield of different treatments

        处理 Treatment作物产量 Crop yield (kg/hm2)挥发累积量 Cumulative volatilization (kg/hm2)产量标尺 Yield scale (kg/t)
        CK3356 ± 599 c14.57 ± 0.53 f4.43 ± 0.82 bc
        CF10007 ± 1886 a71.76 ± 0.56 a7.37 ± 1.60 a
        T17356 ± 1106 b52.3 ± 0.50 c7.21 ± 0.94 a
        T26289 ± 1065 b30.56 ± 0.83 e3.85 ± 0.61 c
        T37522 ± 647 b53.65 ± 0.46 c7.16 ± 0.55 a
        T47022 ± 1397 b44.67 ± 0.97 d4.23 ± 0.79 bc
        T57978 ± 468 b59.95 ± 0.65 b7.53 ± 0.45 a
        T66811 ± 1166 b40.22 ± 0.90 d6.05 ± 1.25 ab
        注(Note):产量标尺为氨挥发累积量与作物产量的比值,指形成单位产量作物所排放的氨挥发量;同列数值后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05)。The yield scale is the ratio of cumulative ammonia volatilization to crop yield, which refers to the amount of ammonia volatilization by crops yield in per unit. Values followed by different letters in the same column indicate significant difference among different treatments (P < 0.05).
      • 洱海流域蒜田土壤氨挥发速率为2.21~9.83 kg/(hm2·d),氨挥发累积量为14.57~71.76 kg/hm2,氨挥发损失占比为2.02%~10.63%。稻田氨挥发速率为2.41~10.09 kg/(hm2·d),氨挥发累积量为11.12~42.52 kg/hm2,氨挥发损失占比为6.13%~21.81%[18]。虽然蒜田的施氮量超过稻田3倍,但其氨挥发速率与稻田差异不显著。这主要是因为虽然蒜田的施氮量很大,但常规都是分4次施入,平均到每一次的施肥量较小,施肥量低时土壤氨挥发速率峰值较低,氨挥发速率高值持续时间短[19]。大蒜季的大气温度为8℃~18℃,普遍要低于水稻季的大气温度18℃~26℃,有研究[20-21]表明,温度与土壤中氨排放速率呈极显著正相关关系。因此蒜田虽然施氮量比稻田高,但氨挥发排放速率与稻田差异不大。

        蒜田的施肥次数较多,氨挥发发生的次数较多[22],所以总体来看蒜田的氨挥发累积排放量大于稻田。从氨挥发占比来看,由于蒜田的施氮量较大,且有研究表明氨挥发量一般是稻田高于旱地[23],因此蒜田氨挥发损失占比小于稻田的氨挥发损失占比。从蒜田氮素损失途径来看,整个大蒜季的降雨量仅为10.2 mm (图1),降雨产生径流和淋溶流失的风险较小,氨挥发是大蒜季氮素损失的重要途径。从出现氨挥发排放高峰时间来看,无论是基肥期还是追肥期,氨挥发均集中在施肥后的1周内,这段时间是开展氨挥发监测和控制氨挥发的重要窗口期。而且施肥次数越多,氨挥发损失风险越高。从不同时期的氨挥发排放规律来看,基肥期的氨挥发累积排放量高于其他3次追肥时期,这主要是因为,基肥期大蒜处于生长初期,对氮素的吸收利用率较低,且与几次追肥时期相比,这一时期温度相对较高,氨挥发的速率较高,且基肥期施入了有机肥,延长了氨挥发排放的时间。比较不同施肥处理可以得出,在相同施氮量条件下,与单施化肥相比,施用有机肥和控释肥可以有效减少氨挥发。相同氮肥类型条件下不同施氮量处理,施氮量越大,氨挥发损失量越大,这与前人[16, 24-25]的研究结果一致。

      • 作物生长期间,氮肥氨挥发引起的气态损失是氮肥损失的主要途径之一[26-27]。氮肥施入土壤迅速水解成铵态氮,易挥发损失,导致试验期间施肥后7 天蒜田土壤 NH3挥发变化通量较高。研究表明,氮肥施用后1~2 周是氮素发生氨挥发和反硝化作用的主要阶段[28-29]。通过相关性分析可知,土壤中的NH4+-N和NO3-N浓度是影响氨挥发的最主要因素,而引起土壤NH4+-N和NO3-N浓度变化的最直接因素还是施肥。虽然NH4+-N和NO3-N浓度与土壤氨挥发速率均成显著的正相关关系,但两个的相关系数相加仅为0.5,这说明除了土壤的NH4+-N和NO3-N浓度外,还有其他因素影响氨挥发。温度是影响 NH3挥发的一个重要因子。本试验期间平均温度为8℃~18℃ (图1),与水稻季相比温度较低,延缓了氮素的水解和铵态氮形成进程,表层土壤的NH3分压 (浓度) 较低,导致大蒜生长期间NH3挥发持续时间相对较长。而且大蒜季温度低时脲酶活性低,不利于尿素水解,产生的NH3挥发少[30],因此单位氮肥的NH3挥发损失量要低于水稻季。除了温度外,土壤含水量、土壤pH在整个大蒜生长期并没有显著变化,因而未与氨挥发呈现相关关系。

      • 单施有机肥的产量较低,追施化肥对大蒜产量的增长效果较好,这可能是由于大蒜在生长期对氮素的需求量较大,但有机肥的养分需要缓慢释放,导致大蒜生长受限,最终减产明显;单施控释肥也存在同样的问题,由此看来在大蒜季只进行一次施肥,不进行追肥势必会造成大蒜减产。而化肥虽然养分形态单一,但浓度相对较高,追肥后可以迅速提高土壤中速效养分的含量,维持土壤养分强度,虽然供肥持续时间短,但供肥强度高于有机肥,因此追施化肥对增加大蒜产量效果较好。施用化肥虽然得到了更好的产量,但也排放了更多的氨,且取得单位产量的大蒜,氨排放代价最大。有机无机肥配施虽然会造成一定程度的减产,但显著降低了氨挥发的排放,考虑到有机肥对土壤培肥是一个长期的过程,长期进行有机无机肥配施在增加产量方面会有更好的效果,在今后的研究中我们将继续开展有机肥施用的长期定位试验,明确有机肥长期施用对作物和环境的长期效应。

      • 1) 在云南洱海地区,减少20%常规施肥量,以有机肥替代氮、磷化肥,不论是否考虑有机肥年矿化率以及养分的释放速率,均比常规施肥显著降低了大蒜产量。不同有机肥用量、不同肥料类型间,大蒜产量均无显著差异。

        2) 氨挥发主要发生在施肥后的7天内,氮素施用量决定着蒜田的氨挥发量。基施用肥比例高,因而基肥期氨挥发损失量大于追肥期。4次氨挥发排放总氨挥发损失占施肥量的2.02%~10.63%。增加有机肥用量也会显著增加施肥后的氨挥发量。

        3) 综合考虑氨挥发累积量和大蒜产量,减少常规氮肥用量的20%,并以有机肥氮替代全部化肥氮既能保证大蒜产量,又能减少氨挥发的排放量,为较优施肥方式。

    参考文献 (30)

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