氮肥施用对西藏青稞产量及氨挥发损失的影响

李 雪，李荣荣，侯亚红①，刘国一，谢永春

(1.省部共建青稞和牦牛种质资源与遗传改良国家重点实验室/ 西藏自治区农牧科学院农业资源与环境研究所，西藏 拉萨 850000;2.西藏自治区农业技术推广中心，西藏 拉萨 850000)

氮肥在农业生产中发挥着重要作用[1-2]。我国是世界上最大的氮肥消费国[2-3]，2016年氮肥消费量达2.31×107t[4]。然而，高强度施用导致氮肥损失率较高，据报道我国氮肥损失率约为14%～52%[5-7]。氨挥发是氮肥施入土壤后的主要损失途径之一[8-9]，研究表明氮肥施入土壤后的氨挥发损失率可达40%左右[10-11]。农田氨挥发不仅造成农业生产经济损失，而且挥发的NH3会在大气中转化为氮氧化物，导致全球变暖加剧、臭氧层损耗[12]。此外，挥发性NH3分子进入大气后可通过沉降、降雨等途径进入生态系统，造成土壤酸化、水体富营养化等次生环境问题[13-16]。

农田氨挥发受气候(温度、降水、风)、土壤、农业管理、生物等多个因素影响[17-18]。不同地区的氨挥发损失存在较大差异。据报道，嘉兴地区(亚热带海洋性湿润气候)稻田氨挥发损失率为17.0%～28.0%[19]；洱海流域(低纬度高原中亚热带西南季风气候)稻田氨挥发损失率为6.13%～21.8%[20]；太湖地区(亚热带中部湿润季风气候)稻田氨挥发损失率为3.0%～14.6%[21]；华北平原(暖温带半湿润季风气候)冬小麦氮肥氨挥发损失率为1.0%～4.2%[22]。YAN等[23]研究发现在黑土条件下，温度和土壤湿度均与土壤氨累积挥发量相关，且氨挥发对温度的敏感性低于对湿度的敏感性。王森等[24]研究了河北潮土中尿素的氨气排放，认为NH3排放速率与土壤pH值无显著相关性。LARSEN等[25]认为影响氨挥发的因素为氨的平衡蒸气压和掠过田间的空气流动。无论是温度、土壤湿度、pH值还是氨的平衡蒸气压和空气流动，都与当地的气候条件和土壤环境密切相关。西藏位于我国西南部，平均海拔4 000 m以上，有“世界屋脊”之称，是世界上海拔最高的地方。这里空气稀薄、气压低、含氧量少，日照时间长、太阳辐射强烈，气温低、积温少、昼夜温差大，降水少、年内降水高度集中在5—9月，季节性明显，干季时间长，大风、冰雹等气象灾害频发。西藏特殊、复杂的气候和地理环境形成了不同于内地的特殊的农业生产环境。

青稞作为藏族的主食“糌粑”的主要食材，种植面积占粮食作物面积的70%左右。从1959年西藏农业生产开始施用化肥，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，当地农牧民越来越重视氮肥在青稞生产中的施用，2018年拉萨河谷农区测土配方推荐施氮量已达133.5 kg·hm-2。目前，我区青稞肥料方面的报道多集中在肥料的施用效果、根际微生物和肥料施用对籽粒的影响等方面[26-28]，关于氮肥利用效率和氨挥发损失方面的研究尚未见报道。笔者根据当前西藏青稞农田施氮量设计不同施氮水平，研究青稞农田生态系统中不同施氮水平下氨挥发损失的规律及其对产量的影响，旨在探明氨挥发特性和对青稞生产的影响，为氮肥有效利用、青稞高产稳产和藏区化肥减施增效及生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在西藏自治区拉萨市西藏自治区农牧科学院4#试验地进行(29°38′ N，91°02′ E),海拔3 662 m，属于高原温带半干旱季风气候区。年日照时数3 000 h以上，年降水量200～510 mm(2019年雨季集中在7—10月)，年无霜期100～120 d，昼夜温差大，2019年4—8月青稞生长季平均气温3～24 ℃，4—5月基肥期平均气温3～19 ℃，6月拔节肥期平均气温12～24 ℃，7月穗肥期平均气温12～20 ℃。试验地为保灌地，20 cm耕层土壤含水量w低于5%时浇水。

试验地耕作层土壤为砂壤土，易受风沙危害，但在耕地灌溉后耕作层熟化程度较高，有利于保肥。前茬作物为玉米，0～20 cm土壤基本理化性质：pH值为7.89,有机质含量为18.03 g·kg-1，全氮含量为1.29 g·kg-1，全磷含量为0.79 g·kg-1，全钾含量为6.26 g·kg-1，速效氮含量为0.11 g·kg-1，速效磷含量为17.51 mg·kg-1，速效钾含量为42.13 mg·kg-1。供试青稞品种为藏青2000，播种量为210 kg·hm-2，行距25 cm。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设3个区组，每个区组按施氮水平分别设N0、N1、N2、N3处理，4个处理随机排列。N2处理(纯N 133.5 kg·hm-2)为当前测土配方推荐施肥量，N1处理的施氮量为N2的50%(纯N 66.7 kg·hm-2)，N3处理的施氮量为N2的150%(纯N 200.2 kg·hm-2)。不同生育期氮肥的施入比例为基肥∶拔节追肥∶抽穗追肥=6∶2∶2。土壤含水量w低于5%时和施肥前采用畦灌的方式浇水。具体施肥情况见表1。

表1 不同施氮水平处理施肥情况

1.3 测定项目与方法

1.3.1青稞产量及农艺性状的测定

于青稞乳熟后期开始每隔1 d观察青稞成熟情况并记录成熟期。青稞成熟后每个小区用样方选取3个长势均匀的1 m2地块青稞整株样，分别挂标签后带回实验室。每1 m2青稞样的穗头数记为穗数，选30株青稞测量株高计算平均值作为此样平均株高，采回的36个样单打单收后测产量和千粒重。

1.3.2氨挥发通量的测定

采用王朝辉等[29]设计的通气法收集青稞农田挥发的氨气。捕获装置内径15 cm，每个捕获装置上方设置一个边长40 cm的正方形PVC板，四角有PVC管支撑，与捕获装置间隔15 cm，用以防止阳光直射和雨水浸湿捕获海绵。每次施肥后立即放置氨气捕获装置，此后根据实际情况间隔24～48 h更换捕获海绵带回实验室检测，更换海绵的时间固定为09:30—11:00。带回实验室的海绵只选用捕获装置下层的捕获海绵(捕获的是农田挥发的氨气)，采用靛酚蓝比色法显色，用分光光度计检测并计算N含量[30]。

1.4 数据处理与分析

NH4+-N含量计算公式为

(1)

式(1)中，C为NH4+-N含量，mg·kg-1；ρ为显色液NH4+-N的质量浓度，μg·mL-1；υ为显色液体积，mL；t为分取倍数；m为样品质量，g。

氨挥发通量的计算公式为

(2)

式(2)中，F为氨挥发通量，kg·hm-2·d-1；A为测得的NH4+-N量，mg；S为装置横截面积，m2；T为捕获时间，d。

氨挥发损失率的计算公式为

(3)

式(3)中，R为氨挥发损失率，即氨累积挥发量占施氮量的比例，%；L为氨累积挥发量，kg·hm-2；N为纯氮施用量，kg·hm-2。

NH3排放系数的计算公式为

(4)

式(4)中，c为NH3排放系数，%;L0为N0处理氨累积挥发量，kg·hm-2。

氮肥贡献率的计算公式为

(5)

式(5)中，g为氮肥贡献率，%；M为施肥处理产量，kg·hm-2；M0为N0处理产量，kg·hm-2。

氮肥农学效率的计算公式为

(6)

式(6)中，e为氮肥农学效率，kg· kg-1；n为尿素施用量，kg·hm-2。

采用Excel 2007与DPS 9.50软件进行数据分析及图表绘制，用LSD法进行多重比较确定差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平对青稞产量及相关农艺性状的影响

从表2可知，随着施氮量增加，青稞产量显著增加(P<0.05)，与N0处理相比，N1、N2和N3处理分别增产31.48%、47.73%和88.39%，表明施氮能增加青稞产量。N1、N2、N3处理的千粒重显著大于N0处理(P<0.05)，表明施氮处理的千粒重显著大于不施氮处理。与N0处理相比，N1、N2、N3处理株高显著增高(P<0.05)，说明施氮促进了青稞的增长。N3处理的生育期比其他处理显著增长3～6 d(P<0.05)，说明435.15 kg·hm-2的尿素施用水平起到了增加青稞生育期、推迟青稞成熟的效果。各处理间青稞的穗数和穗粒数均差异不显著(P>0.05)。

表2 不同施氮水平下产量及农艺性状比较

氮是青稞生长必需的营养元素，目前拉萨河谷农区的推荐纯N施用量为133.5 kg·hm-2(N2处理)，N1处理青稞减产11%，N3处理青稞增产27%，增产的主要原因为千粒重的增加。氮的增加普遍促进了青稞株高的增长，当纯N施用量为200.2 kg·hm-2时青稞生育期延长3～6 d。

2.2 不同施氮水平对氨挥发损失的影响

青稞季氨挥发总累积量随施氮量增加呈极显著增加(P<0.01)，从大到小依次为N3处理(21.52 kg·hm-2)>N2处理(19.41 kg·hm-2)>N1处理(10.32 kg·hm-2)>N0处理(3.38 kg·hm-2)(表3)。基肥期氨累积挥发量(2.96～16.82 kg·hm-2)为氨挥发损失的主要部分，且随施氮量的增加呈极显著增加，各处理氨累积挥发量占整个生育期氨挥发总量的比例从大到小依次为N0处理(87.57%)>N3处理(78.16%)>N2处理(77.43%)>N1处理(59.5%)，说明基肥期氨挥发受氮肥施用量影响较大。拔节肥期N3处理氨累积挥发量(3.59 kg·hm-2)极显著高于其他处理(P<0.01)，占整个生育期氨累积挥发量的16.68%，说明这一时期其他处理的氨挥发已经受作物生长和施氮水平共同影响，N1和N2处理青稞生长基本可以缓冲纯N输入造成的氨挥发增量，但是此时的青稞农田系统还无法消化N3处理纯N输入产生的氨挥发增量。穗肥期N1、N2处理氨累积挥发量极显著高于N3处理，说明此时氨挥发主要受青稞生长状况的影响。

氨累积挥发量占施氮量的比例(氨挥发损失率)综合体现了不同氮肥水平的氨累积挥发量变化。基肥、拔节肥时期不同施氮水平的氨挥发损失率差异不显著，穗肥期氨挥发损失率随施氮水平增加呈极显著减小，从大到小依次为为N1处理(21.78%)>N2处理(12.25%)>N3处理(2.77%)，这说明试验地条件下穗肥的增加可以减少氨挥发损失率。青稞生长季各处理间氨挥发损失率差异极显著，这说明该实验条件下N3施氮水平有利于降低氨挥发损失率。

NH3排放系数体现了施氮量的增加对氨挥发增加的影响。基肥期N2处理的排放系数(15.07%)显著大于N1处理(7.95%)，说明基肥期N1处理有利于减少氨挥发。拔节肥施入后不同施氮水平的NH3排放系数差异不显著。穗肥期随着施氮量的增加NH3排放系数极显著减小，表现为N1处理(20.93%)>N2处理(11.82%)>N3处理(2.49%)，说明穗肥期N3处理有利于减少氨挥发。整个青稞季不同处理的NH3排放系数表现为N2处理极显著大于N1和N3处理(P<0.01)，说明N2处理不利于减少氮肥输入造成的氨挥发损失。

表3 青稞不同生育时期氨挥发损失比较

2.3 不同施氮水平下农田土壤氨挥发通量的动态变化

图1显示了基肥期、拔节期、抽穗期施入尿素后青稞田氨挥发速率的日动态变化情况。基肥期(4月25日)氨挥发周期为44 d，施入基肥后第10天开始陆续出现氨挥发峰值，然后氨挥发速率缓慢波动下降，第44天后施氮处理的氨挥发速率同N0处理基本一致并保持稳定，可见青稞播种后土壤中可被青稞利用的氮于第10天达到最大，且可维持44 d左右，这可能与青稞苗期西藏地区较低的气温和脲酶水解的速率有关。

拔节追肥(6月20日)和抽穗追肥期(6月30日)拉萨气温明显升高，施入的氮肥氨挥发在7 d内从峰值急速衰减至N0处理水平，说明氨挥发周期和氨挥发通量曲线受生育期所处的气候环境(气温)影响较大。不同生育期氨挥发通量出现的峰值和持续的时间影响了不同施氮水平的氨累积挥发量。

2.4 不同施氮水平对氮利用效率的影响

由表4可知，氮肥贡献率随着施氮水平的增加呈增加趋势，N1、N2和N3处理的氮肥贡献率之比为1∶1.35∶1.96，可见增加氮肥投入对提高氮肥利用率的效果非常显著(P<0.01)。氮肥农学效率反映了因单位尿素增量而增加的产量。由表4可知，各施肥处理氮肥农学效益为3.62～4.78 kg· kg-1，说明目前西藏拉萨河谷农区的施肥水平下投入1 kg尿素可增加青稞产量3.62～4.78 kg。

各处理施肥情况见表1。

2.5 氨挥发与青稞生产的相关性分析

如表5所示，施氮量和氨挥发总累积量、青稞产量、氮肥贡献率呈显著正相关(P<0.05)，说明氮的投入一方面提高了氮肥贡献率、增加了青稞产量，另一方面增加了氨挥发总累积量，即增加了氮肥损失。氨挥发损失率与产量、穗数、肥料贡献率呈显著负相关(P<0.05)，说明施入农田的氮肥通过氨挥发损失得越多，氮肥贡献率越低，穗数越少，产量越低。NH3排放系数和株高呈极显著负相关(P<0.01)，说明株高的增加可能会降低NH3排放系数。氮肥贡献率与产量、穗数呈显著正相关(P<0.05)，说明提高氮肥贡献率可以增加青稞有效穗数、提高青稞产量。

表4 不同施氮水平下青稞生产效率的比较

表5 青稞农田氨挥发影响因子间的相关系数

3 讨论

3.1 增施氮肥对产量的影响

胡文静等[31]研究了江苏里下河地区施氮量对扬麦22的产量影响，认为随施氮量增加产量不变(千粒重是产量形成的关键因子)，氮肥农学效率降低。刘国一等[32]认为西藏青稞在施氮量低于281.55 kg·hm-2时产量随施氮量增加而增加。该研究中，施用了尿素的处理千粒重、株高均增加，表明矿质氮肥的施用对增加青稞千粒重和株高起到了很重要的作用。青稞产量与施氮量、氮肥贡献率呈显著正相关，与氨挥发损失率呈显著负相关，说明0～200.2 kg·hm-2的纯N施用量可以明显提高青稞产量和氮肥利用率，但是氨挥发损失也是造成青稞减产的重要因素。氨挥发损失与穗数呈显著负相关，说明氨挥发主要通过影响青稞的穗数对青稞产量造成影响。N3处理的生育期比其他处理显著增长3～6 d(P<0.05)，说明200.2 kg·hm-2的纯N施用量在一定程度上延长了青稞的生育期。氮肥农学效率为3.62～4.78 kg·kg-1，说明试验地每增施1 kg尿素可使青稞增产3.62～4.78 kg。

3.2 氨挥发对氮肥损失的影响

氮肥施入农田后，在土壤微生物和酶的作用下分解出的NH4+-N随施氮量的增加而增加，氨挥发增强导致氨累积挥发量增加[2,33]。青稞季氨挥发总累积量随施氮量的增加呈极显著增加(P<0.01)，挥发累积量为3.38～21.52 kg·hm-2，可见氮肥施用是增加氨累积挥发损失的重要因素[34-36]。

氨挥发与青稞生育时期和施氮水平密切相关。温度升高增加了土壤中NH4+-N含量和氨扩散速率[37]，肖娇等[38]研究了华北平原冬小麦季氨挥发，认为基肥期氨挥发速率与气温密切相关，氨挥发损失主要来源于追肥。田玉华等[21]研究了太湖地区氮肥施用对稻田的影响，认为不同时期施肥后氨挥发损失量除受气象条件影响外，水稻生长状况也是十分重要的影响因素。该试验中氨挥发主要发生在基肥期，占总挥发量的59.5%～87.57%，氨挥发周期44 d，第10天开始出现挥发峰，并随气温和土壤水分波动，这与田玉华等[21]的研究结果(稻田氨挥发损失主要发生在施肥后6 d内)、杨淑莉等[39]在黄淮海平原的研究结果(氨挥发主要集中在施肥后1周内)不同。追肥的氨挥发集中在施肥后7 d内，拔节期青稞农田基本可以消化26.70 kg·hm-2(N2处理)纯N输入造成的氨挥发增量，抽穗期N3处理的氨累积挥发量极显著低于N1和N2处理(P<0.01)。可见青稞苗期氨挥发主要受低温和施氮量影响，随着气温的升高和青稞的生长，氮肥利用率提高，氨挥发受气温和青稞生长状况的影响越来越显著，表现出同内地相似的特征。这主要是因为一方面拉萨河谷农区气温普遍低于内地，青稞苗期气温较低，导致基肥期氨挥发周期长、挥发峰出现的时间晚。另一方面5—9月随着气温升高逐渐进入雨季，促进了尿素水解成NH4+-N和青稞生长[40]，由于植物对氮的吸收和土壤的渗透、硝化、反硝化、土壤对氮的固结作用，从而降低了基质中NH4+-N含量，使NH3挥发通量迅速下降[41-42]，导致追肥期的氨挥发出现与内地相似的特征。

氨挥发损失率与产量、穗数、肥料贡献率呈显著负相关(P<0.05)，可见氨挥发损失对青稞生产影响极大。王成等[43]研究了库尔勒香梨园的土壤氨挥发，发现施氮量在150～450 kg·hm-2时氨挥发损失率为2.72%～4.48%。王磊等[44]研究了山东省水、氮相互作用对冬小麦氨挥发损失的影响，表明氨挥发损失率为8.9%～45.8%。山楠等[2]研究发现北京房山麦田的氨挥发损失率为2.0%～6.7%。笔者研究中氨挥发损失率为10.75%～15.49%。基肥期N1处理的NH3排放系数比N2处理小7.12%，穗肥期N3处理比N2处理小9.33%，可见拉萨河谷农区青稞农田氨挥发与内地存在较大差异，基肥期N1处理有利于减少氨挥发，抽穗期N3处理有利于减少氨挥发。

3.3 氨挥发对氮肥利用率的影响

陆晓松等[45]认为随着施氮量增加，氮肥利用率减小，当施氮量超过200 kg·hm-2时小麦减产，氮肥利用率持续降低。笔者研究中施氮量与氮肥贡献率呈正相关(P<0.05，r=0.99)，N2处理可提高45.69%的氮肥贡献率，相关分析表明氨挥发损失率与氮肥贡献率呈负相关(P<0.05，r=-0.98)。综上所述，在拉萨河谷农区，随着施氮量的增加，氮肥利用率增加，但氮肥的氨挥发损失降低了氮肥的利用率。西藏施用化肥的历史较短，农牧民对化肥、农药认识不足，氮肥施用量远低于内地。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，当地农牧民越来越重视青稞生产中氮肥的作用。根据研究结果，可以考虑在部分条件较好的农田试验施用提高氮肥利用率、减少氨挥发的肥料，探索青稞增产途径。

4 结论

对不同施氮量对西藏农田青稞产量和土壤氨挥发影响的研究表明，氮肥的施用一方面提高了青稞产量，有利于农业生产；但同时增加了农田氨挥发，对环境造成危害。

(1)随施氮量增加，青稞产量显著增加(P<0.05)，氮肥贡献率极显著增加(P<0.01)，增施1 kg尿素可使青稞增产3.62～4.78 kg。

(2)0～200.2 kg·hm-2纯N施用范围内，随着施氮量增加氨挥发增加，氨累积挥发量范围为3.38～21.51 kg·hm-2，氨挥发损失率为10.75%～15.49%，氨挥发主要通过影响青稞的成穗数对青稞产量造成影响。

(3)氨挥发主要发生在基肥期。基肥氨挥发周期为44 d，第10天开始陆续出现挥发峰，追肥期氨挥发集中在施肥后7 d内。

(4)建议根据青稞的生长需求和环境条件，合理调整施氮时期和不同时期的氮肥施入量。基肥期氮肥的施入量应以40.02 kg·hm-2(纯N)为宜，拔节期应以13.32～26.70 kg·hm-2(纯N)为宜，抽穗期应以40.02 kg·hm-2(纯N)为宜。