不同施肥方式对稻田氨挥发特征的影响

邢月 沙之敏 卑志钢

摘要：氨挥发是稻田生态系统中氮素损失的主要途径之一，也是氮肥利用效率低的主要因素之一。采用测坑定位试验，设置不施肥对照（CK）、单施化肥（CT）、混施肥（MT）和单施有机肥（OT）4个处理，开展了上海地区不同施肥条件下稻田氨挥发特征及其影响因素的研究。结果表明，化肥处理能够显著增加氨挥发损失量，可达到 55.96 kg/hm2，比混施肥处理和有机肥处理分别增加了11.33 kg/hm2和28.74 kg/hm2氨的挥发量。单施化肥氨挥发损失率可达11.88%，而单施有机肥和混施肥处理氨挥发损失率分别为2.30%和8.10%。田面水的铵态氮浓度是决定稻田氨挥发量的最主要因素之一，与氨挥发通量之间存在显著的相关关系（P<0.05）。混施肥处理较空白处理增产率最高达到70.55%。整体来看，混施肥处理对提高水稻产量和降低氮肥环境污染风险的综合效果最佳，故混施肥是上海地区较为适合的稻田施肥方式。

关键词：有机肥;化肥;氨挥发;田面水;水稻产量

中图分类号： S143.1;S511.06  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）17-0313-05

氮肥施用量高、肥料利用率低是我国农业生产中存在的主要问题[1]。据张福锁等统计，我国肥料使用量在过去的几十年中一直快速增长，在2016年统计中首次出现了负增长[2]。而在人口密集、经济发展迅速的长江中下游地区，近年来氮肥施用量早已大大超过全国平均水平，过度的氮肥施用不仅不能提高水稻质量与产量，反而会降低氮肥利用率[3-4]，同时也会造成土壤、水体和大气环境的污染，对人类的生存环境造成危害[5]。据统计，在我国农业生产中，氮肥当季的表观利用率仅为30%～35%[6]。氨挥发在稻田生态系统中是氮肥最为主要的气态损失途径，占氮施入量9%～42%[7-8]。大气中的NH3被氧化后并与酸反应引起雾霾天气[9]，NH3在沉降后又会返回到陆地和土壤之中，造成水体的富营养化，更进一步加剧温室效应和土壤酸化问题[10]。

前人研究发现，稻田氮素损失与氮肥种类、施肥的方法和时期有关。从氮肥种类来说，脲胺氮肥比尿素和氯化铵的损失量小[11]，而且氨挥发损失主要发生在施肥后的7 d内，田面水铵态氮含量和pH值是影响氨挥发的重要因子。李菊梅等研究表明，水稻田间氨挥发损失以施用化肥处理最高，其次为有机无机肥各半处理，单施有机肥处理最少，有机无机肥配合施用能显著地降低稻田氨挥发量，减少氮素损失，提高氮肥利用率，其氮肥利用率可达34.9%，高于化肥处理33.2%和有机肥处理28%[12]。杨林章等的研究结果也表明，氮肥用量由当前农户施氮水平减少22%时，不会对作物氮累积量与产量造成影响，同时适当降低施氮水平并搭配有机肥，是具产量可持续性及环境友好性的氮肥管理模式[13]。Xu等研究发现，不同施肥方式NH3挥发损失为表施>混施>深施>粒肥深施[14-15]。除此之外，土壤性質、气候条件以及农事操作都会影响到氨挥发的速率[16]。

据《2016上海市环境状况公报》显示，上海地区PM2.5未达到国家环境空气质量年均二级标准。上海作为重要的环境保护区域，且水稻种植面积大，化肥用量大，会产生大量NH3，但针对上海地区氨挥发的研究却相对较少，故按照上海地区农民习惯施肥模式，研究施氮对氨挥发的影响规律和机理，对于合理安排施肥、控制稻田氨挥发量具有重要意义。赵方杰曾指出，农业生态系统中很多过程进展缓慢，环境条件也在不断地发生难以预测的变化，短期试验不能揭示长期的变化趋势，因此，长期定位试验是不可替代的研究手段[17]。本研究基于长期测坑定位试验，比较在化肥（CT）、有机肥（OT）以及化肥与有机肥混施（MT）的条件下，氨挥发通量、总量、损失率和产量的差异，同时分析氨挥发速率与田面水铵态氮浓度、温度的关系，以期为上海地区稻田氮素优化管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于上海市青浦区（121°7′E，31°12′N），采用野外田间原位观测试验。该地区为典型稻作农区，种植制度以稻麦轮作为主。所选试验田自2009年起种植水稻，并维持3种施肥方式不变，进行长期定位试验：空白对照（CK）不施肥;单施化肥处理（CT）施用尿素;混施肥处理（MT）施用80%尿 素+20%有机肥（纯氮比）;单施有机肥处理（OT）全部施用有机肥。2017年水稻种植前土壤基本理化性质（本底值）如表1所示。试验地年平均气温为17.7 ℃，年平均降水量为 1 034.5 mm，试验时间为2017年，氨挥发采集期间日平均气温与降水量由实验站自动检测装置记录，如图1所示。本研究采用测坑定位试验，测坑装置位于上海市青浦区水务局农田水利技术推广站内。该测坑实验站建于1998年，共16个测坑，规格为2 m×3 m，建造时采用原状土回填，坑内土壤深度为2.5 m，并设有犁底层，坑与坑之间以水泥埂隔开以防止肥水的串流，水泥埂深入土壤2.5 m并高出土壤表面0.2 m。试验稻田采用移栽种植方式，田间水分管理为传统淹灌+中期烤田，烤田时间为14 d。供试水稻为当地常规品种“花优14”，试验期间稻田具体管理措施如下：6月8日施基肥，6月9日移栽，7月21日第1次追肥，8月2—14日烤田，9月10日第2次追肥，10月30日水稻收割，其他农田管理措施参照当地习惯。

1.2 试验设计

试验共设4种处理，包括空白对照和3种施肥处理，每种处理3次重复，各试验小区随机排列。3种施肥处理控制总纯氮量相等，施肥水平参照当地农民常规施肥量300 kg/hm2。

本试验中所施有机肥购于上海森农环保科技有限公司，以鸡粪为原料发酵生产。有机肥含氮量为1.74%，有机质含量为53.7%，含水量为35.8%，尿素含氮量为46%。有机肥均以基肥的方式施入，尿素分为基肥和2次追肥（比例为 6 ∶ 2 ∶ 2），具体施肥方案如表2所示。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 植株样品采集与测定 在水稻成熟后，人工收割整个小区的水稻用于水稻产量的估算，进行产量结构分析，植株全氮含量用半微量凯氏定氮法测定。

1.3.2 氨挥发采集与测定 氨挥发采用密闭室间歇抽气-酸碱滴定法进行测定，利用空气置换密闭室内的氨，挥发出来的氨随着抽气气流进入吸收瓶中，被瓶中硼酸吸收，通过酸碱滴定测定氨浓度，估算土壤表面挥发氨量及累积量。氨挥发采集装置如图2所示，由内径25 cm、高18 cm无底的有机玻璃制成。每次施肥后连续7～12 d，采样时间为每日的 08：00—10：00和14：00—16：00。采样时应打开真空泵，气室内的换气速率应控制在15～20次/min。而后在实验室用硫酸标准液（0.01 mol/L）滴定洗瓶中吸收的NH3，记录所用硫酸体积（V）。

氨挥发率=[氨挥发通量（X）-氨挥发通量（CK）]/300，X=CT、MT、OT。

本试验的气象数据由青浦区水利技术推广站提供。

1.3.3 水稻田面水收集与测定 水稻田面水采集与氨挥发采集时间一致，多点取得田面水样品进行混合，后装入聚乙烯塑料瓶中，带回实验室经定量滤纸初步过滤后分析测定。铵态氮（NH4+-N）用紫外分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理水稻田间氨挥发动态

稻田各施肥处理的氨挥发通量变化如图3所示。在各次施入肥料后，不同施肥处理的氨挥发通量均会明显增强，峰值出现在施肥后的1～3 d内，后呈现逐步下降1周后至平稳的相似趋势。有机肥处理的氨挥发速率明显低于化肥处理和混施肥处理。由图3可以看出，与CT相比，OT能够明显减少57%左右的氨挥发量。MT只在基肥时期较CT减少36%左右氨挥发通量，在分蘖期和抽穗期则没有明显降低。

基肥施入稻田之后1 d内，氨挥发明显增强，各处理的氨挥发速率均达到最大值，其中CT为5.94 kg/（hm2·d），MT为3.06 kg/（hm2·d），OT为1.19 kg/（hm2·d）。第2天氨挥发极速下降后缓慢回升，最终降至平稳状态。施入基肥后第2天氨挥发通量急剧下降，第3天后基本维持在平稳状态，与宋勇生等的研究[18]有所差别，分析其原因，基肥施用后上海地区发生了特大暴雨，稻田产生了大量径流，因而田面水铵态氮浓度降低，直接影响了氨挥发量[19-20]。降水减缓后，氨挥发速率缓慢回升，于施肥后第4天开始逐渐降低。在这一时期，整体氨挥发通量较高，主要原因在于基肥施氮比例最高[21]。

由图4可见，在分蘖肥施入稻田后当天出现了氨挥发的峰值，MT最高，CT次之，OT和CK最低。但氨挥发速率明显低于基肥时期，在施肥后第4天就趋于稳定。主要是因为分蘖期是在7月下旬，田间温度较高，微生物活动剧烈，加速了氨挥发进程。同时在这一时期，混施肥处理的氨挥发速率略微高于化肥处理的氨挥发速率，可能是由于MT中追肥的量与CT相等，并且MT中的有机氮缓慢矿化，造成氨气释放比CT多[22]，且化肥处理的水稻植株长势较好，对田面产生了一定的遮蔽作用，从而使化肥处理的氨挥发低于混施肥处理的氨挥发[18]。在穗肥施入稻田后，氨挥发高峰较分蘖肥时期迟，出现在施肥后第3天，且下降速率明显较分蘖时期缓慢，9月14日的氨挥发通量明显下降，可能由于在当天进行了灌水，导致了田面水铵态氮浓度的降低，从而影响了氨挥发的速率。因此，施肥后5～7 d内是控制稻田氨挥发损失的关键时期[23]。

2.2 不同施肥处理稻田氨挥发损失量

2017年稻田3次施肥后的氨挥发量见表3，氨挥发总量为取样时间内氨挥发通量对时间的积累。各处理的氨挥发总量为20.32～55.96 kg/hm2，这与以往研究结果[18，23]相比偏低。原因是基肥和穗肥施入后以低温多雨天气为主。蔡贵信指出，稻田氨挥发主要决定于天气状况[19]，而且在分蘖肥施入后进行了多次灌水，田间农事操作也会影响稻田氨挥发。

从损失量来看，3种处理都是基肥>穗肥>分蘖肥，氨挥发量均在分蘖期呈现最低水平，分别为CK 3.52 kg/hm2、CT 5.73 kg/hm2、MT 7.12 kg/hm2、OT 3.58 kg/hm2。虽然分蘖期的田间温度最高，但是氨挥发最显著的7 d内，分别在7月23日、7月25日、7月26日进行了灌水，这样的农事操作会明显降低田面水铵态氮浓度（图4），直接导致氨挥发量的极速下降，造成了与朱兆良等的研究结果[24]有所不同。上述结果表明，氨挥发随气候条件（温度、降水、风速等）以及农事操作（灌水以及施肥方式等）的不同而有所变化[25-26]。氨挥发量在基肥期呈现最高水平，这是由于基肥期施肥量最大，这与前人研究氨挥发量与施肥量呈正相关的理论[27]相符合。CT氨挥发总量达到了55.96 kg/hm2，与CT相比，OT显著降低了51.4%的氨挥发量。从表3来看，CT和MT总氨挥发量是没有显著差异的，但基肥施用后MT减少了氨挥发的量。

如表4所示，从损失率角度来看，各施肥处理总氨挥发率为2.30%～11.88%。即使同一处理同一时期的氨挥发量最大，但氨挥发损失率不一定是最大的，例如，在MT处理當中，在基肥时期损失量最大，但在穗肥时期氨会发率最高。总氨挥发率是CT处理最大，为11.88%，而MT处理为8.10%，OT处理仅为2.30%。

2.3 稻田氨挥发的影响因素

分析图5可以看出，氨挥发通量的变化与田面水 NH4+-N浓度的变化趋势是一致的，基肥时期和分蘖肥时期，都是在施肥后第1天就达到了峰值，而穗肥则在第3天达到峰值。基肥时期田面水铵态氮浓度在第2天显著下降，这与暴雨天气是相关的。穗肥时期田面水铵态氮浓度则是先上升后下降的趋势。各处理水稻田面水NH4+-N浓度在3～4 d 时接近空白水平。NH4+-N是氨挥发的底物，其浓度的高低就决定着氨挥发的程度，即在施肥后4 d内，可能发生较多的氨挥发，此后氨挥发的损失可能较小，这与王小治等的研究成果[4，28-29]是一致的。

如表5所示，除OT处理分蘖肥期外，稻田的氨挥发量均与田面水NH4+-N浓度呈现正相关关系，其中，除OT处理孕穗期两者相关系数未达到显著水平，其余均达到显著水平甚至极显著水平，r值为0.818～0.982。这与杨林章等的研究结果[29]相一致。其中，CT处理分蘖肥期的相关性最好。由此说明，田面水NH4+-N浓度是影响氨挥发的极其重要的因素。选用合适的施肥方式可降低施肥后田面水NH4+-N浓度，有利于减少氨挥发损失。

如图6所示，氨挥发速率和田间温度在变化趋势上是相似的。在实际生产的过程中，田间环境不只存在温度1个制约因素，还有降水和风的影响[30]，例如6月10日气温较6月9日气温仅下降1.7 ℃，但是氨挥发速率却急速下降，就是由于暴雨造成的。在施入穗肥后的第4天，温度升高，但是进行了灌水，降低了田面水铵态氮浓度，3个处理的氨挥发量均开始下降。这几点在表6的相关性分析中可以体现出来，只有在基肥期，CT处理和MT处理的氨挥发速率与温度有显著的相关关系，其他时期的3种处理均未显示出显著的相关性。

2.4 不同施肥处理的水稻产量

从表7可以看出，各处理实际产量为混施肥处理（MT）>化肥处理（CT）>有机肥处理（OT）>空白处理（CK），MT、CT、OT与CK相比较分别显著提高了70.55%、60.73%、 51.81%的产量。OT产量相对较低， 主要是因水稻移栽后温度较高，大量有机肥施入土壤后迅速分解，导致土壤极度还原条件，严重影响根系发育和水稻分蘖，使水稻有效穗显著降低[12，31]。以上结果表明，MT处理与其他处理相比，有明显的增产趋势。

3 结论

施肥会增加稻田系统氨挥发损失，施用化肥和混施肥氨挥发量较高，单施有机肥处理的挥发量较少。化肥处理的氨挥发损失为施氮量的11.88%，而混施肥处理和有机肥处理氨挥发损失仅分别为8.10%和2.30%。混施肥处理增产效果显著，分别比空白处理、化肥处理和有机肥处理的产量提高了70.55%、6.11%和12.35%。水稻田面水NH4+-N浓度是影响氨挥发的最主要因素，选用合适的施肥方式可降低施肥后田面水NH4+-N浓度，有利于减少氨挥发损失。

综上所述，化肥与有机肥结合的施肥处理在确保水稻产量的前提下，降低了稻田氮素损失，提高了经济和生态效益，是一种值得推广的稻田优化施肥方式。

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