蓄水坑灌下追肥时期对果园土壤氨挥发的影响

孙瑞峰，马娟娟 ，郭向红，孙西欢,2，程奇云

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西 晋中 030600)

苹果产业是我国农村经济的支柱产业，氮素是果树生长和发育的重要营养元素。目前我国已经是世界上氮肥消费大国，根据中国统计年鉴[1]，2017年我国化学氮肥用量达到2 221.8 万t。但是我国氮肥利用率约为20%～40%，而发达国家氮肥利用率平均在50%以上[2]。尿素是农业生产中常见的化学氮肥，当尿素施入土壤后经过一系列转化，会发生氨挥发损失[3]，当施肥方式不合理的时候，表层土壤铵态氮含量较大，土壤pH明显升高[4]，均会促进土壤产生氨挥发，氨挥发损失可达到40%～50%[5]。杨世红等[6]研究表明采用节水灌溉方法能够降低土壤氨挥发损失。施肥深度也会影响土壤氨挥发，氮肥表施，氨挥发损失率可达到50%[ 7]，而氮肥深施能显著降低氨挥发损失[8]。除此之外，追肥时期对土壤氨挥发也有重要影响。杨晓云通过试验表明，追肥后氨挥发速率与氨挥发累积量要显著高于基肥[9]。但丁阔等[10]对梨园氨挥发特征进行研究，发现追肥期氨挥发速率和损失累积量小于基肥期。因此，不同追肥时期对土壤氨挥发的影响有待进一步研究。

蓄水坑灌法是一种适用于山丘区果园的中深层立体灌溉方法[11]。前人对蓄水坑灌条件下水氮运移进行了相关研究，得出蓄水坑灌水肥灌施后，水肥通过蓄水坑直接渗入中深层土壤，表层土壤水肥含量较低，能降低土壤氨挥发损失[12,13]。李京玲等通过室内试验研究发现，氨挥发主要集中在蓄水坑壁[14]。李婧羿[15]基于蓄水坑灌法，研究了肥液浓度对氨挥发的影响，得出肥液浓度越大，土壤氨挥发速率和氨挥发累积量越大；刘浩[16]对蓄水坑灌和地面灌溉两种灌水方式下的土壤氨挥发进行了研究，得出地面灌溉氨挥发累积量约为蓄水坑灌的14倍，说明蓄水坑灌法具有较好的保肥效果。丁宁[17]研究表明在果树生育期内分次追施氮肥有利于果树生长，能够提高氮肥利用率。因此，结合果树需肥规律以及前人研究，对蓄水坑灌条件下不同追肥时期对果园土壤氨挥发的影响进行研究，能够为制定蓄水坑灌条件下科学合理的果园施肥制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2018年4-9月在山西省农科院果树研究所节水灌溉示范园内进行，试验区位于东经112°32'、北纬37°23'，海拔约800 m，属典型的暖温带季风影响下的大陆性半干旱气候类型。试验区多年平均降雨量约为460 mm，多年平均气温为9.8 ℃，无霜期为175 d，土壤质地以粉砂壤土为主，土壤体积质量为1.47 g/cm3，田间持水率为30%(体积含水率)，土壤铵态氮质量分数为0.66 mg/kg，硝态氮质量分数为6.72 mg/kg，灌溉水源为地下水。

1.2 试验设计

试验选用树势旺盛、无病虫害、长势一致的7年生矮砧密植红富士苹果树，株、行间距为2 m×4 m。每棵树下设有4个直径30 cm、坑深40 cm、距树干60 cm的蓄水坑，田间布置图见图1。试验以追肥时期为控制因子，共设4个处理：花后期5月24号追肥(T1)、果实膨大期7月19号追肥(T2)、花后期和果实膨大期平均追施(T3)、对照不追肥处理(T4)。每个处理重复3次，施氮量为300 kg/hm2，追肥时各处理灌水量均保持一致，其他田间管理措施均相同。试验设计见表1。

1.3 田间采样及测定方法

试验采用磷酸甘油双层海绵通气法收集土壤氨挥发，收集装置由直径16 cm、高10 cm的PVC管和两片直径16 cm、厚2 cm的海绵组成，收集装置见图2。测点分为不过坑、过坑和坑内三个方向，不过坑方向位于两个蓄水坑中心连线上，测点距树干45、75、105 cm，记为B45、B75、B105；过坑方向在树干和蓄水坑中心连线上，测点距树干45、105 cm，记为G45、G105；测点布置图见图1。坑内测点垂直于蓄水坑壁，距地表10、30 cm，记为D10、D30。

图1 蓄水坑及氨挥发测点布置图 Fig.1 Layout of water storage pits and ammonia volatilization measuring points

表1 试验设计kg/hm2

Tab.1 The experiment design

追肥时期追肥量T1T2T3T4花后期30001500果实膨大期03001500

图2 氨挥发收集装置(单位：cm)Fig.2 Ammonia volatilization collection device

追肥后在测点放上浸润15 mL磷酸甘油溶液(50 mL磷酸+40 mL丙三醇，去离子水定至1 L)的海绵，次日同一时间进行取样，取样时将内层海绵取出，放到贴好标签的自封袋里，并换上一片新海绵，外层海绵视干湿情况3～5 d左右更换一次。将海绵带回室内装入三角瓶中，用1 mol/L的KCI溶液浸提，抽取浸提液用连续流动分析仪进行测定。氨挥发取样时间为追肥后第1，2，3，4，5，6，7，14，30 d。

土壤铵态氮和pH采用表层0～10 cm的土壤测定，土壤铵态氮利用连续流动分析仪测定，土壤pH利用雷磁PHSJ-3F型pH计测定。在B75、D10和D30测点埋设HZR-8T温度传感器采集表层0～10 cm的土壤温度。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016进行数据整理和作图，采用SPSS 23进行差异显著性分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同追肥期地面氨挥发速率

图3为地面不过坑和过坑方向上不同测点的土壤氨挥发速率随时间变化曲线。由图可知，追肥处理(T1、T2、T3)土壤氨挥发速率大于对照不追肥处理(T4)，整体上追肥处理氨挥发速率先升高后降低，追肥后14 d氨挥发速率降至较低水平，追肥后30 d氨挥发速率降至本底值；对照处理氨挥发速率小且波动频繁。花后期追肥后第2 d果园出现降温现象，各测点氨挥发速率降低，第3 d温度升高，尿素水解速度变快，土壤铵态氮浓度和土壤pH升高，T1和T3处理氨挥发速率达到峰值，T1处理各测点氨挥发速率峰值为35.86～48.03 mg/(m2·d)，T3处理各测点氨挥发速率峰值为27.05～40.23 mg/(m2·d)。果实膨大期T2和T3处理氨挥发速率在追肥后第2 d达到峰值，T2处理各测点氨挥发速率峰值为43.84～55.38 mg/(m2·d)，T3处理各测点氨挥发速率峰值为28.95～40.21 mg/(m2·d)，追肥后第3 d果园出现降雨现象，使得表层土壤铵态氮浓度和pH变小，氨挥发速率降至较低水平，追肥后第6 d由于温度升高，氨挥发速率出现小幅上升。由此可以发现果实膨大期氨挥发速率大于花后期，且峰值出现时间比花后期早，其原因为果实膨大期土壤温度比花后期大，尿素水解速度快，铵态氮累积速度快，而铵态氮是土壤氨挥发的底物，所以果实膨大期氨挥发速率峰值大且出现时间早；同时尿素水解会使得土壤pH升高，促进铵态氮向氨态氮转化，增加土壤溶液中的氨态氮比例，从而使土壤氨挥发速率升高。表2对追肥处理地面土壤氨挥发速率与土壤理化性质进行相关性分析，由表2可知，土壤氨挥发速率与土壤铵态氮浓度极显著正相关(P<0.01)，与土壤pH显著正相关(P<0.05)。花后期氨挥发速率与土壤温度负相关且不显著，这是因为从追肥后第4 d开始土壤温度持续升高，加快了土壤硝化作用，土壤铵态氮浓度降低，氨挥发速率随之减小，氨挥发速率与土壤温度表现为负相关；果实膨大期氨挥发速率与土壤温度显著正相关，这是因为果实膨大期土壤温度比花后期高，当温度升高时会增加土壤中氨态氮比例，加快土壤水分蒸发，从而增加氨挥发速率。因此土壤铵态氮浓度和pH是影响地面测点土壤氨挥发速率的重要因素，土壤温度通过尿素水解、微生物活动以及水分蒸发速率等方面来影响土壤氨挥发。

图3 地面土壤氨挥发速率Fig.3 Ammonia volatilization rate of surface soil

表2 地面土壤氨挥发速率与土壤理化性质的相关性

Tab.2 Correlation between ammonia volatilization rateof surface soil and soil physical and chemical properties

T1T2T3-1T3-2铵态氮浓度0.856∗∗0.942∗∗0.826∗∗0.837∗∗土壤pH0.611∗0.455∗0.615∗0.496∗土壤温度-0.3660.775∗-0.2490.792∗

注：①*表示P<0.05；**表示P<0.01；②T3-1为花后追肥期， T3-2为果实膨大追肥期， T4同理，下同。

2.2 不同追肥期蓄水坑壁氨挥发速率

图4是蓄水坑壁不同测点土壤氨挥发速率随时间变化曲线。由图4可知，追肥处理(T1、T2、T3)坑壁测点土壤氨挥发速率先升高后降低，肥后30 d在降至本底值附近；T4处理坑壁测点的氨挥发速率低且波动范围小。花后期追肥后第2 d T1和T3处理D10测点氨挥发速率出现下降，但D30测点氨挥发速率没有下降，因为D10测点距地表较近，温度降低使得尿素水解速度和氨态氮的扩散速率降低，而D30测点距地表较远，土壤温度变化幅度小且水肥在D30测点处积累较多，氨挥发速率持续升高。花后期T1处理D10和D30测点氨挥发速率均在追肥后第4 d达到峰值，分别为241.02、286.08mg/(m2·d)；T3处理D10测点氨挥发速率在追肥后第4 d达到峰值，为52.93 mg/(m2·d)，D30测点氨挥发速率在追肥后第3 d达到峰值，为121.53 mg/(m2·d)。果实膨大期追肥后氨挥发速率迅速升高，T2和T3处理氨挥发速率均在追肥后第2 d达到峰值，T2处理D10和D30测点氨挥发速率分别为286.02、359.95 mg/(m2·d)；T3处理D10和D30测点氨挥发速率分别为81.11、126.70 mg/(m2·d)。果实膨大期追肥后第3 d氨挥发速率明显降低，是因为果园出现降雨现象，雨水通过蓄水坑入渗，降低了坑壁土壤的铵态氮浓度。对比两次追肥期坑壁测点氨挥发速率可以发现，果实膨大期坑壁测点氨挥发速率比花后期大且峰值出现时间比花后期早，因为果实膨大期平均土壤温度比花后期高5 ℃，尿素水解速度快，土壤铵态氮浓度和土壤pH大，促进土壤产生氨挥发。在水肥再分布过程中，越靠近蓄水坑底，铵态氮累积量和土壤pH越大，有利于土壤产生氨挥发，因此，D30测点氨挥发速率大于D10测点。表3对追肥处理坑壁土壤氨挥发速率与土壤理化性质进行相关性分析，由表可知，土壤氨挥发速率与土壤铵态氮浓度显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关，与土壤pH显著正相关(P<0.05)，花后期土壤氨挥发速率与土壤温度相关性较低，而果实膨大期两者显著正相关。因此，土壤铵态氮浓度和土壤pH是影响坑壁土壤氨挥发速率的重要因素，土壤温度通过硝化作用等微生物活动和水肥扩散速率来影响土壤氨挥发速率。

图4 蓄水坑壁土壤氨挥发速率Fig.4 Ammonia volatilization rate of the soil in water storage pit wall

表3 坑壁土壤氨挥发速率与土壤理化性质的相关性

Tab.3 Correlation between ammonia volatilization rateof pit wall soil and soil physical and chemical properties

T1T2T3-1T3-2铵态氮浓度0.861∗0.957∗∗0.910∗0.724∗土壤pH0.828∗0.712∗0.831∗0.694∗土壤温度-0.1810.774∗-0.1900.809∗

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

2.3 氨挥发累积量

不同处理追肥后30 d的氨挥发累积量和氨挥发损失率见表4。T4处理为不追肥对照处理，地面氨挥发累积量大于蓄水坑壁氨挥发累积量，花后期地面氨挥发累积量和坑壁氨挥发累积量分别为765.30、344.44 mg，果实膨大期地面氨挥发累积量和坑壁氨挥发累积量分别为471.55、280.44 mg。追肥处理水肥灌施后蓄水坑壁土壤水肥含量较大，而地表水肥含量较低，蓄水坑壁氨挥发累积量大于地面氨挥发累积量。不同追肥时期氨挥发累积量不同且差异显著(P<0.05)。T1处理在花后期追肥，地面氨挥发累积量为1 251.95 mg，坑壁累积量为3 332.88 mg，花后期土壤平均温度为20 ℃，脲酶和硝化菌的活性相对较低，尿素水解产生的铵态氮在土壤中存留时间长，为氨挥发创造了有利的条件，因此，花后期氨挥发损失率最大，为1.45%。T2处理在果实膨大期追肥，地面氨挥发累积量为1 028.59 mg，坑壁累积量为2 178.14 mg，果实膨大期土壤平均温度为25 ℃，是脲酶和硝化菌活动的适宜温度，铵态氮通过硝化作用迅速转化成硝态氮，使土壤铵态氮减少，从而降低了氨挥发损失，T2处理氨挥发损失率为1.02%，比T1处理小29.66%。T3处理分次追肥，追肥量与T1和T2处理相同，两次追肥期各施一半，花后期地面氨挥发累积量为987.61 mg，坑壁累积量为1 204.39 mg，果实膨大期地面氨挥发累积量为788.12 mg，坑壁累积量为808.82 mg，T3处理降低了单次追肥量，追肥后土壤中铵态氮浓度较低且土壤pH升高幅度小，从而降低了氨挥发损失，T3处理氨挥发损失率最小，为0.80%，比T1处理小44.83%，比T2处理小21.57%。本研究得出，蓄水坑灌条件下果园土壤氨挥发损失率较低，为0.80%～1.45%，与刘浩[13]研究结论相似；降低单次追肥量，分次追肥能够减少蓄水坑灌条件下果园土壤氨挥发累积量，降低氨挥发损失率。

表4 氨挥发累积量及损失率

Tab.4 Ammonia volatilization cumulative amount and loss rate

处理地面累积量/mg蓄水坑壁累积量/mg总累积量/mg损失率/%T11 251.95±13.553 332.88±24.314 584.83±34.64a1.45T21 028.59±19.892 178.14±20.463 206.73±37.76b1.02T3-1987.61±15.711 204.39±15.832 192.00±28.93c0.80T3-2788.12±18.92808.82±17.351 596.94±37.15d-T4-1765.30±12.48344.44±5.521 109.74±16.82e-T4-2471.55±21.37280.44±3.96751.99±23.55f-

注：①损失率=(施肥处理累积量-对照处理累积量)/施氮量；不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；②T3处理损失率为T3-1和T3-2氨挥发损失率之和。

3 结 语

通过田间试验，对蓄水坑灌条件下不同追肥时期果园土壤的氨挥发及其与影响因素之间的关系进行了研究，得出如下结论。

(1)追肥增加了果园土壤氨挥发速率，追肥后氨挥发速率先升高后降低，追肥后30 d降至本底值附近。果实膨大期氨挥发速率峰值比花后期大且出现时间早，追肥处理蓄水坑壁测点的氨挥发速率大于地面测点。

(2)氨挥发速率与表层土壤铵态氮浓度显著或极显著正相关，与表层土壤pH显著正相关，土壤温度通过控制尿素水解速度、硝化作用等微生物活动和水肥扩散速率来影响土壤氨挥发，花后期氨挥发速率与土壤温度相关性不显著，果实膨大期两者显著正相关，追肥后降雨也会对氨挥发产生一定的影响。

(3)本试验得出蓄水坑灌条件下果园土壤氨挥发损失率为0.80%～1.45%，说明蓄水坑灌水肥灌施能够有效降低氨挥发损失，具有较好的保肥潜力。不同追肥时期土壤氨挥发累积量差异显著，花后期土壤氨挥发累积量和氨挥发损失率最大，果实膨大期氨挥发损失率比花后期小29.66%，两次追肥期平均追施土壤氨挥发累积量和氨挥发损失率最小，比花后期小44.83%，比果实膨大期小21.57%，说明降低单次追肥量，分次追肥能进一步降低氨挥发损失率。