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*

（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）

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。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

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Fig.1 Precipitation and average temperature in garlic season

1.2 试验设计

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

1.3 测定项目及方法

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。

1.4 计算方法与数据处理

根据下式计算氨挥发速率、氨挥发累积量及氨挥发损失率：

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。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对蒜田氨挥发速率的影响

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

2.2 不同施肥处理对蒜田氨挥发累积量的影响

如表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

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

2.3 不同施肥处理对土壤NH4+-N、NO3–-N浓度的影响

由图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Fig.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Fig.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

2.4 不同施肥处理下大蒜的产量效应

从表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

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

3 讨论

3.1 洱海流域蒜田氨挥发特征

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。

3.2 影响蒜田氨挥发的主要因素

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。

3.3 施肥对大蒜产量的影响

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。

4 结论

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。