烟稻轮作系统下烟田土壤NH3挥发特征及影响因素分析

李晓龙，方明，殷全玉，李宏光，李正辉，王羿，侯建林，吴文信，李思军

（1.河南农业大学烟草学院，河南 郑州 450003；2.湖南省烟草公司郴州市公司，湖南 郴州 423000）

中国是世界第一烤烟种植大国，烟草的产量和质量对经济的平稳发展具有重要意义。实际生产中常用氮肥补充氮素，因此氮肥施用量和利用率问题至关重要，根据凌寿军［1］的研究烤烟氮肥利用率仅为20%～50%，南方多雨地区利用率更低，只有20%左右。作为氮素气体损失的主要途径，NH3损失量在适宜环境下可达施氮量的40%～50%［2］，农田NH3挥发不仅增加生产成本而且会造成环境污染［3］。有研究表明NH3诱生的无机气溶胶是中国雾霾的主要促成因素［4］，且NH3会随着大气沉降回到陆地或地表水，过量的氨沉降会引发土壤酸化、水体富营养化、生物多样性减少等一系列环境问题［5，6］；也有研究发现沉降到地表的氨还可作为N2O排放底物的间接次要来源［7］。通过减少农田的NH3挥发损失提高氮肥利用率，是农田生态可持续发展的关键。

目前已有大量研究表明，NH3挥发受气温［8］、土壤含水率［9］、pH值、土壤有机质含量［10］、土壤硝态氮、铵态氮含量影响。但不同地域、不同生态系统中土壤理化性质、微生物群落、矿化速率等差别较大，施肥量、施肥方式也各有特点，只有监测在特定地域、作物下的NH3挥发才能准确定量其特征并做出针对性措施。我国关于NH3挥发的研究主要集中于小麦-玉米［11］、水稻［12］、棉花［13］、蔬菜［14］等作物土壤上，尚未见烟稻轮作系统下烟田土壤NH3挥发特征的研究。湖南烟区主要为亚热带季风性湿润气候区，降雨量充沛，是典型烟稻轮作产区，单季烟田施氮量可达142.5～165 kg/hm2［15］，较高的氮肥投入与较低的氮利用效率成为限制湖南烟叶生产发展的主要因素。因此我们在湖南桂阳烟草主产区设置单施化肥和化肥配施有机肥试验处理，研究两种施肥模式对烟稻轮作系统下烟田土壤NH3挥发特征的影响和NH3挥发的环境驱动因子，旨在为减少氮素的气态损失、提高烟田氮肥利用率以及评价NH3挥发所产生的环境效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年3月在湖南桂阳县龙潭街道汪山组土地上进行。该区位于112°42′15″E、25°45′43″N，海拔228 m，年平均气温17.2℃，年平均日照时数1705.4 h，年平均降水量1385.2 mm。种植方式为烟稻轮作。土壤为水稻土，质地粉壤，耕层土壤基础肥力：硝态氮28.21 mg/kg、铵态氮6.94 mg/kg、碱解氮37.00 mg/kg、速效磷34.58 mg/kg、速效钾273.94 mg/kg、有机质25.05 g/kg，pH值7.8。

1.2 供试材料

供试烤烟品种为湘烟7号，由郴州市烟草公司提供。供试饼肥：生物发酵菜籽饼（N∶P2O5∶K2O=5∶2∶1，有机质≥70%）。供试化肥：烟草专用基肥（N∶P2O5∶K2O=8∶17∶7，硝态氮/总氮≥15%）、硫酸钾（K2O 52%）、过磷酸钙（P2O512%）和磷酸二氢钾（P2O5∶K2O=52∶34）、提苗肥（N∶P2O5=20∶9，硝态氮/总氮≥40%）、烟草专用追肥（N∶K2O=11∶31，硝态氮/总氮≥50%）。

1.3 试验设计

试验共设3个处理，分别为CK：不施氮肥；T1：单施化肥；T2：化肥配施有机肥。3个处理均以硫酸钾、磷酸二氢钾、过磷酸钙补充磷钾元素，保证各处理磷钾含量一致，各时期肥料施入量如表1所示。随机区组排列，重复3次。小区面积90 m2，每小区栽植150株，地边设2行保护行。

表1 不同处理施肥量 （kg/hm2）

烟田起垄后，在垄上挖穴深15 cm，基肥于2021年3月10日施入穴中，3月14日移栽烟草幼苗，追肥分6次施入（表2）。按照当地常规生产栽培管理办法进行大田管理。

表2 不同处理氮肥施入量和施入时期（kg/hm2）

试验地烟株4月15日进入旺长期，5月5日现蕾，5月6日至10日进行打顶抹腋芽，6月10日开始采收下部叶，分3次采收，6月26日采收结束。

1.4 NH3采集及测定方法

1.4.1 NH3收集及测定方法 NH3收集装置：氨挥发采用通气法测定，装置主体由PVC管组成，上方固定有塑料板用于遮阳挡雨，其示意图见图1。

图1 NH3采集装置示意图

样品的收集：测定时将两块直径为16 cm、高2 cm、涂抹有15 mL磷酸甘油（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 L）的海绵置于装置内，下层海绵距离底部5 cm，上层海绵与装置顶部平齐，用于吸收空气中的NH3。于每次施肥后1、2、3、5、7、15 d（实际取样会根据天气而调整）随机放置在垄上，装置插入表层土1 cm深，防止漏气，集气时间为24 h。每天上午10∶00—11∶00取上层海绵装入自封袋密封后，立刻送回实验室放入500 mL三角瓶内并加入300 mL的2 mol/L KCl溶液，振荡浸提得到待测液，冷冻储存并于7 d内测定NH3含量。

1.4.2 土样指标测定方法 收集NH3时取土样，并用TP101电子数显温度计测量5 cm土温，一部分土样在105℃下烘至恒重测定土壤含水率，另一部分用2 mol/L浓度KCl溶液浸提过滤，用SmarChem140全自动化学分析仪（AMS，意大利）测硝态氮、铵态氮含量。

1.5 数据处理与分析

气温数据来源于中国气象网。

土壤NH3挥发速率和累积挥发量计算方法：

土壤NH3挥发速率：

式中：V为土壤的NH3挥发速率［kg/（hm2·d）］，M为单个装置NH3-N平均单次测定值（mg），A为收集装置的截面积（m2），D为每次连续收集的时间（d）。

土壤NH3累积挥发量：

式中：S为土壤NH3累积挥发量（kg/hm2），n表示施肥后测定的次数，Ti表示第i次测定施肥后的时间（d），Vi为测定第i次时的氨挥发速率［kg/（hm2·d）］。

土壤NH3挥发系数：

式中：I为土壤NH3挥发系数，表示以NH3形式挥发损失的氮素占施氮量的百分比。SN表示施氮处理NH3-N累积挥发量（kg/hm2），SCK表示不施氮处理NH3-N累积挥发量（kg/hm2），N为施氮量（kg/hm2）。

土壤NH3挥发强度：

式中：C为土壤NH3挥发强度，表示每生产单位质量烟叶所挥发的NH3-N（g/kg）。S为土壤NH3挥发累积损失量（kg/hm2），Y为产量（kg/hm2）。

采用Microsoft Excel 2019对数据进行整理，DPS软件的LSD法（P＜0.05）进行显著性分析，Origin 2019 pro软件绘图，JMP Pro16软件进行主成分及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理植烟土壤NH3挥发速率动态变化

由图2可知，土壤NH3挥发第1个峰值在基肥施入后第7 d出现，此时T2处理NH3挥发速率为2.55 kg/（hm2·d），较T1处理降低9.57%。第1次追肥后5 d，NH3挥发呈持续下降趋势，可能是气温骤降所导致。于第2次追肥后第4 d，第3次追肥后第5 d均监测到NH3挥发速率峰值，T2处理NH3挥发速率分别为1.13 kg/（hm2·d）和0.90 kg/（hm2·d），较T1处理分别降低12.6%和10.43%。第4个峰值于第6次追肥后第2 d出现，此时T2处理NH3挥发速率为1.13 kg/（hm2·d），较T1处理降低18.13%。整个生育期4次NH3挥发速率峰值均表现为T1＞T2＞CK，表明有机肥施入降低NH3挥发速率峰值。

图2 植烟土壤NH3挥发速率动态变化

监测期内施氮处理NH3挥发速率在0.14～2.82 kg/（hm2·d）之间变化，不施氮处理变幅较小，为0.02～0.39 kg/（hm2·d），施氮肥是刺激NH3挥发的关键因素。基肥挥发高峰区间处于烟草缓苗期，此时烟草对氮素需求量较小，氮素以NH3形式挥发损失较大。第4次追肥未出现峰值，此时气温较低，且烟草处于旺长期对氮素需求量大，消耗土壤中硝铵态氮，氮素以气态NH3挥发损失较小。施氮肥处理最后一次峰值出现在烟草成熟期，之后挥发速率逐渐降低但始终高于CK，原因可能是成熟期烟株对氮素需求量减少，未被烟草利用的氮素残留于土壤中而致NH3挥发。

2.2 不同处理对植烟土壤NH3累积挥发量和平均挥发速率的影响

由图3看出，CK的NH3平均挥发速率和累积挥发量分别为0.14 kg/（hm2·d）和11.88 kg/hm2，显著低于施氮肥处理。T2处理NH3平均挥发速率和累积挥发量分别为0.65 kg/（hm2·d）和34.19 kg/hm2，较T1分别降低18.75%和15.71%，且差异达显著水平。表明在等量化肥氮条件下，增施有机肥可有效降低NH3挥发。

图3 不同处理NH3平均挥发速率和累积挥发量

2.3 不同处理对植烟土壤NH3挥发系数和挥发强度的影响

由表3可知，T2处理烟叶产量为2297.03 kg/hm2，较T1处理显著增产7.65%。T2处理NH3挥发系数为17.91%，NH3挥发强度为14.97 g/kg，较T1处理分别降低25.41%和25.19%，差异均达到显著水平。表明，在等量化肥氮基础上增施有机肥不仅显著增加烟叶产量而且显著降低土壤NH3挥发。

表3 不同处理土壤NH3挥发系数、挥发强度和烟叶产量

2.4 土壤NH3挥发的环境驱动因子相关性分析

2.4.1 气温、土温和土壤含水率对NH3挥发的影响 如图4所示，随着时间推移烟田气温和土温逐渐升高，分别在8.25～30℃和11.00～26.23℃之间动态变化，土壤含水率因降雨、灌溉等影响，在19.41%～27.96%范围内波动。

图4 土温、气温和土壤含水率动态变化

主成分分析结果（图5）表明，气温、土温和土壤含水率是影响土壤NH3挥发的关键因素。相关性分析（表4）结果显示气温、土温与NH3挥发呈正相关，土壤含水率与NH3挥发呈负相关，且相关性均达到显著或极显著水平。

表4 土壤NH3挥发速率与环境驱动因子的相关关系

图5 不同处理主成分分析

2.4.2 土壤硝态氮、铵态氮对土壤NH3挥发的影响 由图6可知，铵态氮含量表现为前期高后期低，硝态氮含量则相反，两者增长规律相似，均表现为施肥后含量显著增加，后逐渐下降。土壤硝态氮在27.43～96.89 mg/kg之间波动，铵态氮在6.73～8.16 mg/kg之间波动，CK、T1、T2处理硝态氮平均含量分别为32.61、49.74、53.83 mg/kg，铵态氮平均含量为8.34、11.85、10.87 mg/kg。由主成分分析（图5）可知，土壤铵态氮含量是促进NH3挥发的主导因素之一。相关性分析结果表明，土壤铵态氮含量与NH3挥发呈显著正相关，硝态氮与土壤NH3挥发具有一定负相关关系（表4）。

图6 不同处理土壤硝态氮和铵态氮含量动态变化

3 讨论

3.1 单施化肥氮和再增施有机肥对烟草产量及NH3挥发的影响

有研究表明土壤NH3挥发峰总是在施肥后2～7 d内出现［16-18］，本试验整个监测期内，NH3挥发峰表现出相似规律。施氮处理基肥后NH3挥发峰值大于追肥期峰值，原因可能是基肥中铵态氮占比较高且用量大，水解后导致土壤中NH+4浓度迅速增加，刺激氨挥发［19］。本研究中有机肥的施入使NH3平均挥发速率显著降低18.75%。

NH3挥发损失是稻田等农田土壤中氮素气态损失的主要形式，平均损失率在14%～32%范围内［20］。本研究中，单施化肥处理NH3挥发系数为24.01%，处于偏高水平。从需肥规律来看，烟草缓苗期对氮素需求量少，此时基肥的水解提供大量铵态氮并易通过NH3形式挥发损失，且成熟期土壤铵态氮含量仍然较高也可能是导致NH3挥发量较大的原因。葛顺峰等［21］研究发现增施有机肥可降低苹果园土壤氨挥发。当有机氮投入量占总氮量10%～20%时可显著提升土壤酶活和产量［22，23］。但也有研究表明，有机肥施入，提供更多NH3挥发底物，促进NH3挥发发生［24］。本试验中T2处理有机氮占施入总氮量12%，与单施化肥相比，显著增产7.65%，NH3挥发系数显著降低25.41%，NH3累积挥发量显著降低15.71%。究其原因可能是增施有机肥提高土壤微生物多样性，有利于土壤微生态系统平衡，对烟株具有积极作用［25］。同时有机肥在分解过程中会产生有机酸，降低土壤pH值，促进团聚体的形成［26］，增强土壤吸附的能力，增加土壤持水量，降低土壤液相中浓度，从而抑制NH3挥发［27］。

3.2 植烟土壤NH3挥发对环境因子的响应

土壤理化性质可直接或间接调控土壤液相中NH+4与NH3之间的转化，进而影响土壤NH3挥发过程［28］。其中土壤含水率影响肥料在土壤中的转化过程，如碳铵等肥料的水解过程，从而影响土壤NH3挥发。土壤含水率会影响NH3挥发［29］，有研究发现，降雨和灌溉后，NH3挥发显著降低［30］。本研究相关性分析显示，NH3挥发与土壤含水率呈负相关，可能原因是每次施肥后均有降雨发生，氮素淋溶至深层土壤从而抑制氨挥发［31］。温度是影响NH3挥发的主要因素之一，温度升高增大土壤溶液浓度，加速转化为NH3的过程，促使NH3挥发。王文林［29］、周静［32］等研究表明，温度较高，土壤中水分散失速率快，散失过程中水汽的携带作用会增加NH3挥发量。杨洁［33］研究表明土温与NH3挥发呈显著正相关。本试验中，气温、土温与NH3挥发呈显著或极显著正相关，与前人研究一致。土壤pH值是影响田间NH3挥发的重要因素之一。有研究表明，pH值升高可促进土壤NH3挥发［2］。本试验土壤pH值为7.8，偏碱性，这也可能是NH3挥发较高的原因之一。

农田NH3挥发可以描述为土壤胶体所吸附的转化为土壤溶液中的游离态，然后转化为NH3逸出到空气中的过程［34］。铵态氮作为NH3挥发的底物，其在土壤中含量高低决定NH3挥发的多少。相关性分析显示土壤铵态氮与NH3挥发呈显著或极显著正相关，硝态氮与NH3挥发具有一定负相关性，这与董怡华［35］、李凡［36］等的研究结果一致。

4 结论

烟稻轮作系统下烟田土壤NH3挥发与施肥密切相关，氮肥施入2～7 d内出现挥发速率峰值，化肥配施有机肥不仅显著增加烟叶产量，而且可显著降低土壤NH3平均挥发速率、挥发系数、累积挥发量及挥发强度。

气温、土壤温度、含水率、铵态氮含量是影响烟稻轮作系统下烟田土壤NH3挥发的主导因素，含水率与NH3挥发呈显著负相关，气温、土壤温度、铵态氮含量与NH3挥发呈显著正相关。