生石灰施用增加了酸性双季稻田氮素氨挥发损失

朱 坚，彭 华，李尝君，蔡佳佩,3，纪雄辉

（1.湖南省农业环境生态研究所，农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙410125；2.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；3.湖南大学，湖南 长沙 410125）

生石灰施用增加了酸性双季稻田氮素氨挥发损失

朱 坚1,2，彭 华1,2，李尝君1，蔡佳佩1,3，纪雄辉1

（1.湖南省农业环境生态研究所，农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙410125；2.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；3.湖南大学，湖南 长沙 410125）

选择南方典型酸性双季稻田，采用通气法研究了不同生石灰用量对稻田氨挥发通量、田面水NH4+-N浓度和pH值的影响。结果表明：撒施生石灰显著影响稻田田面水NH4+-N浓度和pH值，生石灰用量与田面水NH4+-N浓度和田面水pH值之间均存在极显著正相关关系；撒施生石灰，显著增加稻田氮素氨挥发损失，早、晚稻季氨挥发损失量较不施生石灰处理分别增加2.20～22.91和3.08～52.44 kg/hm2，增幅分别达19.28%～200.79%和6.96%～118.48%；当早、晚稻季分别施纯氮150和180 kg/hm2时，撒施生石灰450～3 750 kg/hm2，氨挥发损失量分别达13.61～34.32和47.34～96.70 kg/hm2，氮素损失率分别达7.44%～18.78%和21.66%～44.24%；当早、晚稻季生石灰用量分别超过900和1 800 kg/hm2时，稻田氨挥发显著增加。

生石灰；双季稻；酸性稻田；氨挥发

撒施生石灰是中和表土层土壤酸性，补充土壤钙含量，减少土壤对磷和钼的固定，促进有机氮、磷化合物的分解释放，消除过量铝、铁、锰等的毒害，增强土壤有益微生物活动，改善土壤物理性状，抑制与杀灭土传病发生与蔓延的重要措施之一[1-7]。相关研究表明，撒施生石灰能够有效治理土壤挥发性有机物污染[8-9]。

近年来，随着稻田镉超标问题的出现，特别是南方酸性稻田土壤中生物有效态镉与稻米镉超标问题[10]引起人们的广泛关注。有研究证明，施用石灰能够显著提高土壤pH值，降低污染土壤中有效态镉及水稻茎叶和糙米中镉元素的质量分数[11-14]。因此，国内大面积推广VIP+n技术，该技术最核心的手段是通过施用生石灰提高土壤pH值，从而降低土壤中重金属活性来应急处置稻米镉超标问题。然而，长期过量施用石灰不仅对作物生长不利，而且对土壤生态环境也存在一定危害[15]。特别是施用生石灰对稻田氮素行为的影响目前还不明确。部分学者认为施用生石灰将影响氮素在土壤中的迁移转化，促进氮素以气态形式排放；部分学者却认为合理施用生石灰不仅能改善土壤理化状态，还能增加氮素的利用效率。其中，封克等[16]的研究表明，在酸性红壤上施用石灰增加了厌氧条件下NO3--N还原过程中N2O的排放；尽管在厌气条件下较高 pH值水平的土壤有利于 NO3--N还原成 NO2--N，但当缺乏有效碳源时，NO2--N向N2O的进一步还原受到艰制，易发生NO2--N的积累。Nakamura 等[17]指出，pH值对NH4+-N和NO3--N没有显著影响，但是对土壤有机氮含量影响明显。徐茜等[18]研究了在植烟酸性（pH值为4.7）土壤中连续施用150 kg/hm2石灰对烟草养分利用与品质的影响，发现撒施石灰在保证同样产质量效应下，可以增加氮磷钾肥的利用效率，降低约2～4 kg/hm2的纯氮施用量。pH值是影响氮素挥发损失的关键因子，其重要性仅次于田面水NH4+-N浓度与氮肥施用量[19]。随着土壤pH值的升高，氨的挥发损失随之增加[20]，不同pH值土壤中氨挥发损失从大到小排列一次为石灰性紫色土＞中性紫色土＞酸性紫色土。

因此，试验选择南方典型酸性双季稻田研究了不同生石灰用量对稻田氮素挥发损失的影响，以期探明双季稻田生石灰用量与氮素挥发损失的关系，为合理施用生石灰、减少氮素挥发损失提供相应支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点为湖南省长沙县北山镇（N：28°26′38″，E：113°03′50″）的双季稻田；区内年平均降水量为1 400 mm，主要集中在春季和夏季；年平均温度为16.8℃，最高和最低月平均温度分别为28.9℃（7月）和4.7℃（1月）；供试土壤为黄岗岩发育的麻砂泥水稻土，属湖南典型双季稻田，耕作层（0～20 cm）土壤基本性状如下：pH值（水︰土=2.5︰1）5.21，有机质37 g/kg，全氮2.35 g/kg，碱解氮164 mg/kg，全磷1.76 g/kg，有效磷21.3 mg/kg，速效钾57 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设8个处理：L0，不施生石灰；L30，施生石灰450 kg/hm2；L60，施生石灰900 kg/hm2；L90，施生石灰1 350 kg/hm2；L120，施生石灰1 800 kg/hm2；L150，施生石灰2 250 kg/hm2；L200，施生石灰3 000 kg/hm2；L250，施生石灰3 750 kg/hm2。每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积30 m2，四周设保护行，小区间起垄隔开。

生石灰（含CaO 45%）比化肥提前一周施入，同时与耕层土壤混合。不同生石灰用量处理氮磷钾肥用量相同，早稻季施用复合肥（N-P2O5-K2O=20-10-10）405 kg/hm2，追施尿素150 kg/hm2（折成养分纯量分别为N 150 kg/hm2、P2O540.5 kg/hm2、K2O 40.5 kg/hm2）；晚稻施用复合肥（N-P2O5-K2O=20-8-12）382.5 kg/hm2，追施尿素225 kg/hm2（折成养分纯量分别为N 180 kg/ hm2、P2O530.6 kg/hm2、K2O 45.9 kg/hm2）。复合肥做基肥于插秧前1 d施入并与耕层土壤混合，追肥于基肥后第9天撒施在稻田表面。

1.3 田间管理

插秧密度为13.3 cm×20.0 cm （294 666蔸/hm2，26×34=884蔸/小区），每蔸2株。早稻品种为株两优819，于3月26日播种，4月27日移栽，7月9日收获；晚稻品种为湘晚籼13号，于同年6月20日播种，7月18日移栽，10月19日收获。水分管理为分蘖末期和乳熟期两次晒田，收获前期稻田自然落干，其余时间保持田间覆水，病虫害防治等管理措施与当地一致。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 土壤理化性质检测分析 基础土壤样品于试验前按“S”型多点采集，风干后采用常规方法测定相关理化性质。土壤有机质用重铬酸钾容量法测定，pH值用电位测定法测定，全氮用凯氏定氮法测定，碱解氮用碱解扩散比色法测定，有效钾用火焰光度计分析法测定。

1.4.2 田面水收集与测定 在不扰动田面水的情况下采用多点取样法采集田面水样，用荷兰SKALAR公司生产的流动注射分析仪测定其中的NH4+-N浓度，

其测定原理为比色法；用METTLER公司生产的SG2型便携式pH值仪多点测定各小区的田面水pH值，取田面水pH值均值为有效数据。

1.4.3 氨挥发收集与通量估算 试验所用的通气法装置 （图1）由聚氯乙烯硬质塑料管制成，内径 150 mm，高120 mm。测定时分别将两块厚度为20 mm、直径为l60 mm的海绵均匀浸以15 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL）后，将两层海绵置于硬质塑料管中，下层的海绵距地面50 mm，上层的海绵与管顶部相平。土壤挥发氨的捕获于施肥后的当天开始，在各小区的不同位置，分别放置3个通气法氨捕获装置，次日 9:00取样。取样时，将通气装置下层的海绵取出，迅速按小区号分别装入塑料袋中密封；同时换上另一块刚浸过磷酸甘油的海绵。上层的海绵视其干湿情况3～7 d更换1次。变动摆放位置后，将装置重新放好，开始下一次田间吸收。把取下的海绵带回试验室，分别放人 500 mL塑料瓶中，加1 mol/L KC1溶液300 mL，将海绵完全浸于其中，振荡1 h，测定浸提液的NH4+-N含量。第 1周，每天取样1次；第2～3周，每2～3 d取样1次，以后取样间隔可延长到7 d，直至监测不到氨挥发为止。

图1 田间氨挥发测定装置示意图

氨挥发[NH3-N，kg/（hm2·d）]计算公式：

NH3-N=[M/（A·D）]×10-2。

式中，M为通气法单个装置平均每次测氨量（NH3，mg）；A为捕获装置的截面积（m2）；D为每次连续捕获的时间，试验中以l d为1个测定循环的单位。

1.5 数据分析

数据采用Excel 2003和DPS 3.1.0.1软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同生石灰用量的氨挥发通量

不同生石灰用量的氨挥发通量如图2所示。整体来看，早、晚稻季氨挥发排放呈现2个峰值，分别对应了2次施肥事件。早稻季，不施石灰处理（L0），氨挥发通量维持在较低的水平，处于0.04～3.09 kg/（hm2·d）之间（NH3，下同）。撒施生石灰处理（L30～L250）基肥期的排放通量峰值为0.43～6.04 kg/（hm2·d），基肥施入4 d后氨挥发排放降低至较低水平。追肥期的氨排放通量峰值在3.09～8.00 kg/（hm2·d）之间，峰值过后，氨挥发排放迅速降低。不同处理间比较，氨挥发排放峰值随生石灰用量的增加而增加，主要原因可能是施用生石灰提高了田面水pH值，pH值的升高促进了NH4+-N向NH3的大量转化。晚稻季施基、追肥后的氨挥发动态与早稻季相似，不施石灰处理氨挥发通量为0.07～2.98 kg/（hm2·d）。不同石灰处理（L30～L250）基肥施用后当天即达到氨挥发排放峰值2.98～14.43 kg/（hm2·d），到第8天左右氨挥发降低到较低水平；追施尿素后氨挥发随即达到排放峰值4.40～7.71 kg/（hm2·d），之后迅速降低至较低水平。

图2 不同生石灰用量的氨挥发通量

Yu等[21]的研究表明，基肥时期是氮素氨挥发损失的主要时期，而该试验结果表明早稻季基肥期氨挥发通量比追肥期低，而晚稻季基肥排放通量较追肥高。导致这种结果的主要原因可能是早稻季施肥后受低温、多雨气候影响，氨挥发通量在较低的范围内波动；晚稻季施肥量较大，加之温度也相对较高，促进了稻田氨挥发。分析第一次氨挥发排放峰值与生石灰用量的关系，发现其与生石灰用量存在显著指数线性关系（早稻r=0.986 4**，n=24；晚稻r=0.944 6**，n=24），说明撒施生石灰促进了氮素氨挥发损失。

2.2 不同生石灰用量的氨挥发量与损失率

从表1可以看出，早稻季不施生石灰处理（L0），氨挥发损失量仅为11.41 kg/hm2；撒施生石灰处理（L30～L250）氨挥发损失量为13.61～34.32 kg/hm2，较不施石灰处理增加了19.28%～200.79%。氨挥发总量随着生石灰用量的增加而增加，当生石灰用量增加至900 kg/hm2时，早稻季氨挥发损失量显著增加（P＜0.05）。分析不同处理的氨挥发损失率发现，施用生石灰增加了氮素挥发损失率，氨挥发损失率由不撒石灰处理的6.30%增加到7.44%～18.78%，增加幅度达18.10%～198.10%。

晚稻季不施生石灰处理（L0），稻季氨挥发损失量为44.26 kg/hm2；施用生石灰处理（L30～L250）氨挥发损失量为47.34～96.70 kg/hm2。这表明施用生石灰增加了晚稻季稻田的氨挥发排放量，当生石灰用量增加至1 800 kg/hm2时，晚稻季氨挥发损失量显著增加（P＜0.05）。分析不同处理的氨挥发损失率发现，施用生石灰增加了晚稻季氮素挥发损失率，氨挥发损失率由不施石灰处理的20.25%增加到21.66%～44.24%，增幅达6.96%～118.47%。Singandhupe等[22]在卡尔纳尔的碱性土壤（pH值为9.3）上进行的氨挥发试验结果与该试验结果相似，即当尿素施用量在40～120 kg/hm2（以纯氮计）时，氨挥发损失量达26.1～33.7 kg/hm2。

表1 不同生石灰用量的氨挥发损失情况

对生石灰用量与氨挥发损失量的关系进行关联分析发现，氨挥发总量与生石灰用量存在显著指数线性关系（早稻r=0.913 8**，n=24；晚稻r=0.766 5**，n=24）。这说明随着生石灰用量的增加，氨挥发损失量呈指数线性增加。因此，从减少稻田氮素挥发损失的角度考虑，在调理土壤酸化、控制重金属活性时，田间生石灰的用量需控制在一定阈值范围内。

图3 不同石灰用量的田面水NH4+-N动态

2.3 氨挥发监测周期的田面水NH4+-N浓度

不同处理的田面水NH4+-N动态规律与氨挥发排放规律相似。如图3所示，田面水NH4+-N峰值与2次施肥事件吻合。基肥施用后，田面水NH4+-N即达峰值。早、晚稻季生石灰处理（L30～L250）的NH4+-N峰值分别为40.59～130.01 mg/L和38.11～125.94 mg/L；追肥尿素后早、晚稻季NH4+-N峰值分别为34.61～69.73 mg/L和62.49 ～90.18 mg/L。

早稻季，当生石灰用量低于3 000 kg/hm2时，施用化肥后第一天的田面水NH4+-N浓度随石灰用量增加呈现指数增加（r=0.897 0**，n=21），当生石灰用量增加至3 750 kg/hm2时，田面水NH4+-N浓度峰值降低至56.14 mg/L；晚稻季，田面水NH4+-N浓度与生石灰施用量呈开口向下的二次曲线关系（r=0.972 9**，n=24），生石灰用量超过一定限度，田面水NH4+-N含量降低。

分析田面水NH4+-N浓度与氨挥发通量的关系发现，早稻季施用一定量生石灰，氨挥发通量与田面水NH4+-N浓度呈显著正相关关系（r=0.921 9**，n=21），晚稻季氨挥发通量与田面水NH4+-N浓度呈显著负相关关系（r=-0.950 8**，n=24）。早、晚稻季差异的原因可能是早稻季初次施用生石灰，土壤对碱性物质的缓冲能力较强[23]，土壤pH值变化幅度较小，故在一定生石灰用量（450～3 750 kg/hm2）范围内，田面水NH4+-N浓度与氨挥发通量呈现正相关关系。当生石灰用量超过3 750 kg/hm2时，田面水pH值超过9.0时，生石灰的撒施极大地促进了田面水中NH4+向NH3的转化，从而降低了田面水NH4+-N的含量；晚稻季继续施用生石灰，土壤对碱性物质的缓冲能力降低，田面水pH值变化幅度较大，且趋于稳定的时间较长；加之晚稻季气温较高，随着生石灰投入量的增加，氮素的水解与转化速率大幅提升，稻田氨挥发损失增加，降低了田面水中NH4+-N浓度[24]，从而出现氨挥发通量与田面水NH4+-N浓度呈负相关关系。

图4 不同生石灰用量的田面水pH值动态

2.4 氨挥发监测周期的田面水pH值动态

生石灰施入稻田后随即与土壤混匀，导致田面水pH值升高（图4）。早稻季，田面水pH值于生石灰施用后随即达到峰值，之后逐渐降低直至平稳；不施生石灰的处理（L0）田面水pH值在施肥影响下在较窄范围内（6.52～7.89）波动；生石灰处理（L30～L250）的田面水pH峰值为6.91～9.87。晚稻季田面水的pH值动态规律与早稻季相似，生石灰处理（L30～L250）的田面水pH峰值为7.77～11.69，较不施生石灰增加了5.4%～58.5%。丁园等[25]研究了石灰对酸性红壤pH值的影响，随着石灰用量的增加，红壤pH值呈增加趋势，石灰施用后6 d左右达到平衡。该试验结果显示，撒施生石灰显著提升了田面水pH值，且在生石灰施用6～8 d后，各处理的pH值差异减小并趋于平稳。

分析田面水pH峰值与生石灰用量的关系发现，田面水pH峰值与生石灰用量存在显著指数线性关系（早稻r=0.923 6**，n=24；晚稻r=0.958 4**，n=24）；这说明增加生石灰用量，田面水pH值呈指数升高。分析田面水pH峰值与氨挥发排放峰值的关系发现，氨挥发通量与田面水pH峰值呈显著线性关系（早稻r=0.944 6**，n=24；晚稻r=0.820 1**，n=24）；这说明随着田面水pH值的升高，稻田氨挥发损失增加，这与笔者前期的研究结论[26]一致。

3 结论与建议

试验结果表明，撒施生石灰增加了稻田氮素氨挥发损失。当生石灰用量为450～3 750 kg/hm2时，早、晚稻季氨挥发损失量较不施石灰处理分别增加2.20～22.91和3.08～52.44 kg/hm2，增幅分别达19.28%～200.79%和6.96%～118.48%；早、晚稻季生石灰的用量分别超过900和1 800 kg/hm2阈值范围时，稻田氨挥发损失显著增加。因此，从有效减少氮素挥发损失角度考虑，在调理土壤酸化、控制重金属活性时，早、晚稻季生石灰的用量应分别控制在900和1 800 kg/ hm2阈值范围内。

施用生石灰对稻田田面水NH4+-N浓度与pH值有显著影响。试验结果证实，生石灰施用1周后即进行施肥，生石灰用量与田面水的NH4+-N浓度及pH值之间均存在极显著正相关关系。生石灰施用增加了氮素挥发损失，不利于氮肥的有效利用，进而对水稻的生长发育产生不良影响。从生石灰施用后田面水pH值动态平衡规律分析，建议生石灰应至少提前于化肥1周施用，以此减少土壤pH值波动对氮素挥发损失的影响。

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（责任编辑：成 平）

Application of Quick Lime to Promoting Ammonia Volatilization Loss in Acidic Double-Cropping Rice Field

ZHU Jian1,2，PENG Hua1,2，LI Chang-jun1，CAI Jia-pei1,3，JI Xiong-hui1
（1. Hunan Institute of Agro-Environment and Ecology, Key Laboratory of Midstream of Yangtze Plain, Minister of Agriculture, Key Lab of Prevention, Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province, Changsha 410125, PRC; 2.Longping Branch, Graduate School of Central South University, Changsha 410125, PRC; 3. Hunan University, Changsha 410125, PRC）

Typical double cropping rice acidic fi eld in southern China and venting method were used in this study on dynamic changes of ammonia nitrogen (NH4+-N) concentration, pH value and ammonia volatilization in treatments with different quicklime application amount. The results showed that broadcasting quicklime affected NH4+-N concentration and pH value signi fi cantly, the NH4+-N concentration and pH value in surface water of paddy fi led were signi fi cantly positively correlated with quicklime application amount. Broadcasting quicklime was signi fi cantly increased nitrogen ammonia volatilization losses in the paddy fi elds. The total amount of ammonia volatilization loss was increased by 2.20-22.91 kg/hm2and 3.08-52.44 kg/hm2, 19.28%-200.79% and 6.96%-118.48%, respectively, compared with nonquicklime treatment in early and late rice seasons. Broadcasting quicklime at 450-3 750 kg/hm2led to ammonia volatilization loss at 13.61-34.32 kg/hm2and 47.34-96.70 kg/hm2or the nitrogen loss rate at 7.44%-18.78% and 21.66%-44.24%, respectively, as 150 and 180 kg N/ hm2was used in early and late rice seasons, respectively. The ammonia volatilization increased signi fi cantly when the amount of quicklime application was over 900 kg/hm2and 1 800 kg/hm2in early and late seasons, respectively.

double cropping rice; quicklime application; acidic paddy fi eld; ammonia volatilization

S156.99

：A

：1006-060X（2017）07-0032-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.010

2017-04-24

湖南省科技厅项目（2016JC2028）

朱 坚（1986-），男，湖南湘乡市人，博士研究生，主要从事植物营养与农业生态环境研究。

纪雄辉