李禎，史海濱，李仙岳，閆建文

（內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018）

不同水氮運籌模式對田間土壤氨揮發(fā)及春玉米籽粒產量的影響

李禎，史海濱*，李仙岳，閆建文

（內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018）

為了減少氨揮發(fā)帶來的氮素損失和面源污染，尋求一種節(jié)水、節(jié)肥、穩(wěn)產的水氮運籌模式，研究分析了氨揮發(fā)規(guī)律及春玉米籽粒產量對不同水氮運籌模式的響應。試驗采用裂區(qū)設計，共15個處理。主區(qū)為灌水定額，設置3個水平，分別為525、750、975 m3· hm-2；副區(qū)為施氮量，設置5個水平，分別為0、80、160、240、320 kg·hm-2。于2014、2015年連續(xù)兩年進行田間試驗。采用通氣法采集田間氨揮發(fā)量，并計算氨揮發(fā)速率、氨揮發(fā)損失量及損失率。結果表明：2014、2015兩年同一處理追肥后的氨揮發(fā)速率峰值均大于該處理施入基肥后的氨揮發(fā)速率峰值，追肥后氨揮發(fā)速率峰值比施入基肥后的氨揮發(fā)速率峰值分別高出63.31%和62.06%。施氮量、灌水定額以及兩者的交互作用均對NH3-N損失量具有極顯著影響，三者對田間土壤NH3-N損失量的影響表現為施氮量＞灌水定額＞兩者的交互作用。2014、2015兩年各施氮處理施入基肥后平均NH3-N損失量為5.71～13.95 kg·hm-2，追肥后平均NH3-N損失量為8.70～18.66 kg·hm-2。2014年各施氮處理NH3-N總損失量為13.90～32.21 kg·hm-2，2015年各施氮處理NH3-N總損失量為15.45～32.99 kg·hm-2。處理W2N3（灌水定額750 m3·hm-2，施氮量240 kg·hm-2）既能節(jié)水、節(jié)肥，又能保證獲得高產，同時顯著地降低了NH3-N損失量，故推薦該處理為適用于當地的最優(yōu)水氮運籌模式。

水氮運籌模式；施氮量；灌水定額；氨揮發(fā)速率；氨揮發(fā)損失量；春玉米；籽粒產量

田間的氮素損失是造成我國農田生態(tài)系統(tǒng)中非點源污染的一條重要途徑，同時也是導致我國氮肥利用率較低的最直接原因[1]。而氨揮發(fā)是田間土壤氮素氣態(tài)損失的主要途徑之一，我國農田中的氨揮發(fā)損失率高達21%[2-3]。氨揮發(fā)不僅降低了作物對氮肥的吸收利用率，同時對環(huán)境也產生了不利影響。滯留在大氣中的氨轉化為溫室氣體后不僅危害大氣環(huán)境，還會引發(fā)土壤酸化及水體的富營養(yǎng)化，由此帶來的生態(tài)環(huán)境問題嚴重影響到農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。

減少氨揮發(fā)損失已成為保證農田生產和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關鍵性問題。國內外對這一熱點問題高度重視，并通過大量試驗研究發(fā)現，田間土壤氨揮發(fā)過程會受到土壤水分[5]、土壤溫度[6]、土壤pH值[7]等土壤因素以及灌溉管理[8]、氮肥用量[9-10]、氮肥種類[11-13]等農業(yè)措施的影響。雷楊莉等[14]對夏玉米土壤氨揮發(fā)研究發(fā)現，交替灌溉條件下的氨揮發(fā)量為12.28～33.01 kg·hm-2，顯著低于常規(guī)灌溉處理54.49kg·hm-2的氨揮發(fā)量；彭世彰等[15]對稻田氨揮發(fā)的研究表明，在控制灌溉的條件下，稻季氨揮發(fā)損失總量為125.27 kg·hm-2，占當季施肥量的31.06%；王東等[16]研究表明增加氮肥施用量會導致土壤氨揮發(fā)速率顯著升高。氨揮發(fā)損失量一般與施氮量呈線性正相關[17]。

總體來講，已有的研究主要集中于灌溉管理或氮肥管理等單因子對氨揮發(fā)的影響，涉及不同水氮運籌模式對田間土壤氨揮發(fā)影響的研究較為少見，故有待進一步探究。連續(xù)兩年在河套灌區(qū)進行了春玉米田間試驗，研究土壤氨揮發(fā)對不同水氮運籌模式的響應，為減少氮肥的氣態(tài)損失、提高氮肥利用率、制定合理的水氮運籌方案、保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境提供理論依據和實踐方案。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2014、2015年連續(xù)兩年在內蒙古自治區(qū)磴口縣壩楞村試驗田進行。該地位于內蒙古河套灌區(qū)上游，屬于溫帶大陸性季風氣候，海拔1 048.7 m，年均氣溫7.6℃，年均降雨量142.6 mm，年均日照時數3 206.5 h，無霜期136～144 d，土壤質地為粉砂壤土，土壤pH 8.2。試驗區(qū)耕層初始土壤性質詳見表1，試驗區(qū)最高氣溫及最低氣溫變化見圖1。

1.2 試驗設計

供試材料為春玉米西蒙168。2014、2015年播種日期分別為4月17日和4月29日，收獲日期為9月16日和9月18日。當地傳統(tǒng)施氮量為320 kg·hm-2，實際灌水定額為975 m3·hm-2，以此作為最高施氮量和最高灌水定額依次設置各個施氮灌水處理。試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為灌溉量，設置3個灌水水平，副區(qū)為施氮量，設置5個施氮量水平，試驗共15個處理，3次重復（表2）。灌溉時用潛水泵從渠道內抽水進行定量灌溉，灌水量由水表控制。基肥和追肥通過點播器施入土壤，施肥深度約5 cm，各小區(qū)間設有1 m寬的隔離帶。選用尿素作為氮肥，按1∶1比例分別于玉米播種期和拔節(jié)期灌水前1 d施入，磷肥（過磷酸鈣）、鉀肥（硫酸鉀）作為底肥一次性足量施入。

表1 試驗區(qū)初始土壤性質Table 1 Initial soil properties of experimental plots

圖1 試驗區(qū)2014、2015年最高氣溫及最低氣溫變化Figure 1 The change of maximum temperature and minimum temperature in 2014 and 2015 in experimental plots

1.3 測定項目及方法

田間土壤氨揮發(fā)的采集測定采用通氣法[18]。通氣

法裝置由高10 cm、內徑15 cm的聚氯乙烯硬質塑料管制成，并將兩塊被均勻浸潤過15 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1000 mL）的海綿放置于管中，海綿直徑16 cm、厚2 cm。上層海綿與管頂部平齊，下層海綿距管底5 cm，將硬質塑料管插入土壤1 cm深處。為防止降雨對測定裝置的影響，在各塑料管頂部20 cm處支撐起1個遮雨頂蓋。

田間土壤氨揮發(fā)的采集于施入基肥和追肥后的當日，在各小區(qū)的不同位置，分別放置3個通氣法氨捕獲裝置，次日早晨8：00取樣。取樣時，將通氣裝置下層海綿取出，迅速裝入有對應編號的自封袋內密封。同時換上另一塊剛剛浸過磷酸甘油的海綿。上層海綿根據其干濕狀況3～5 d更換1次。把取下的下層海綿剪碎后分別裝入500 mL塑料瓶，加入300 mL1.0 mol·L－1的KCl溶液，使海綿完全浸潤于溶液之中，振蕩1 h后，采用連續(xù)流動分析儀（Aquakem 250）測定浸取液中的銨態(tài)氮含量。施入基肥及追肥后每日取樣1次，直到監(jiān)測不到氨揮發(fā)為止，基本在10 d左右停止取樣。兩個取樣期內無降雨干擾。

表2 試驗處理設計Table 2 The design of experimental treatments

土壤氨揮發(fā)速率的計算公式為：

NH3－N（kg·hm－2·d－1）=M/（A×D）×10－2

式中：M為通氣法單個裝置平均每日測得的氨揮發(fā)量，mg；A為裝置的橫截面積，m2；D為連續(xù)捕獲的時間間隔，d。

氨揮發(fā)累積損失量=測定時期內每日氨揮發(fā)通量之和

氨揮發(fā)損失率（%）=（施氮處理氨揮發(fā)量－不施氮對照處理氨揮發(fā)量）/施氮量×100[18]。

1.4 數據統(tǒng)計分析

采用Excel 2003軟件進行數據統(tǒng)計及圖表繪制，采用SPSS 17.0軟件對試驗數據進行方差分析及多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同水氮運籌模式對施入基肥和追肥后田間土壤氨揮發(fā)速率的影響

因施用基肥后沒有灌水，氨揮發(fā)通量不受灌水定額的影響，只有施氮水平的影響，并且2014、2015年施用基肥后的氨揮發(fā)速率差異不大，故文中只保留了2014年施入基肥后的數據圖。如圖2、圖3所示，2014、2015年施基肥后，不同水氮處理的氨揮發(fā)速率變化范圍分別為0.01～3.87 kg·hm－2·d－1和0.01～3.98 kg·hm－2·d－1。而在2014、2015年追肥后，不同水氮處理的氨揮發(fā)速率變化范圍分別為0.01～6.32 kg·hm－2· d－1和0.01～6.45 kg·hm－2·d－1。追肥后的田間土壤氨揮發(fā)強度明顯高于施基肥后的氨揮發(fā)強度。2014、2015年追肥后氨揮發(fā)速率的最大值比施入基肥后的氨揮發(fā)速率最大值分別高出63.31%和62.06%。不同水氮處理在2014、2015年內的氨揮發(fā)速率動態(tài)變化趨勢基本一致，氨揮發(fā)速率峰值一般均出現在施肥后的第2～3 d，隨后便下降并進入低揮發(fā)階段。施入基肥后，施氮量為N1、N2、N3處理的氨揮發(fā)速率均在第2 d出現峰值，而施氮量為N4處理的氨揮發(fā)速率在第3 d出現峰值，氨揮發(fā)速率隨施氮量增加而依次遞增；追肥后，不同水氮處理的氨揮發(fā)速率均在追肥后第2 d出現峰值，其氨揮發(fā)速率隨著灌水定額及施氮量的增加也依次遞增。

圖2 不同水氮運籌模式對施基肥后田間土壤氨揮發(fā)速率動態(tài)變化的影響Figure 2 The influence of different water－nitrogen management regimes on dynamic change of ammonia volatilization rate after sowing fertilization in soil

2.2 不同水氮運籌模式對累積氨揮發(fā)量及氨揮發(fā)損失率的影響

對2014、2015年不同水氮運籌模式田間土壤累計氨揮發(fā)損失量進行方差分析，結果見表3。2014、2015年的施氮量、灌水定額以及施氮量×灌水定額的F統(tǒng)計量均大于其各自的F臨界值，并且P＜0.01，說明施氮量、灌水定額以及兩者的交互作用對氨揮發(fā)損失量具有極顯著影響。施氮量和灌水定額的F統(tǒng)計量均遠大于各自的F臨界值，而兩者交互作用的F統(tǒng)計量僅略大于其F臨界值，故施氮量和灌水定額是影響土壤氨揮發(fā)損失量的主要因素，兩者的交互作用是影響氨揮發(fā)損失量的次要因素。三者對田間土壤氨揮發(fā)損失量的影響表現為施氮量＞灌水定額＞兩者的交互作用。

圖3 不同水氮運籌模式對追肥后田間土壤氨揮發(fā)速率動態(tài)變化的影響Figure 3 The influence of different water-nitrogen management regimes on dynamic change of ammonia volatilization rate after dressing fertilization in soil

由表4中不同施肥時期氨揮發(fā)損失量及損失率數據可知，同一施氮處理追肥期的氨揮發(fā)損失量及損失率均大于該處理基肥期的氨揮發(fā)損失量及損失率?；势谂c追肥期的氨揮發(fā)損失量均隨施氮量的增加而遞增，而氨揮發(fā)損失率卻隨施氮量的增加而遞減。追肥期當施氮量一定時，各處理的氨揮發(fā)損失量及損失率均隨灌水定額的增加而增加。

由表5可見，當灌水定額一定時，不同施氮量處理間的氨揮發(fā)損失總量呈現極顯著差異。2014、2015年，當施氮量為N1、N2、N3水平時，中、低灌水定額處理間的氨揮發(fā)損失總量差異不顯著，但與高灌水定額處理的氨揮發(fā)損失總量均有顯著或極顯著差異；當施氮量為N4水平時，3種不同灌水定額處理間的氨揮發(fā)損失總量均有顯著或極顯著差異。2014、2015年的氨揮發(fā)損失總量表現為：當灌水定額一定時，氨揮發(fā)損失總量隨施氮量增加而遞增；當施氮量一定時，氨揮發(fā)損失總量隨灌水定額的增加而遞增。因施氮量增加而產生氨揮發(fā)的增幅明顯高于由灌水定額增加而產生的氨揮發(fā)增幅。2014、2015年的氨揮發(fā)損失率整體表現為：當灌水定額一定時，氨揮發(fā)損失率隨施氮量的增加而遞減；當施氮量一定時，氨揮發(fā)損失率隨灌水定額的增加而遞增。

表3 2014、2015年不同水氮運籌模式下氨揮發(fā)損失量方差分析Table 3 The variance analysis for ammonia volatilization loss with different water－nitrogen management regimes in 2014 and 2015

表4 2014、2015年不同水氮運籌模式下施用基肥和追肥后氨揮發(fā)損失量及損失率Table 4 The ammonia volatilization loss and losing rate with different water－nitrogen management regimes after sowing fertilizer and dressing fertilizer in 2014 and 2015

2.3 不同水氮運籌模式對玉米籽粒產量的影響

從表6可以看出，2014、2015年不同水氮運籌模式對春玉米產量及增產率影響各異。當灌水定額一定時，與不施氮的對照處理相比，各施氮處理的玉米籽粒產量均有顯著增加，并且籽粒產量隨施氮量的增加依次遞增。2014、2015年在W1灌水定額下，各施氮處理玉米籽粒產量增幅分別為16.78%～41.43%和9.75%～35.77%；在W2灌水定額下，各施氮處理玉米籽粒產量增幅為10.02%～36.28%和10.45%～34.64%；在W3灌水定額下，各施氮處理玉米籽粒產量增幅為7.02%～27.19%和6.56%～22.34%。2014年，當施氮量一定時，W2、W3灌水定額處理的籽粒產量均與W1灌水定額處理的籽粒產量有顯著性差異，但W2與W3處理間的籽粒產量差異不顯著。2015年，當施氮量一定時，不同灌水定額處理間籽粒產量差異均顯著。2014、2015年當灌水定額一定時，各施氮處理的增產率隨施氮量的增加而大幅度升高；而當施氮量一定時，各施氮處理的增產率隨灌水定額的增加小幅度降低。兩年內W2N3、W2N4、W3N3、W3N4為高產處理，它們的籽粒產量均顯著高于其他處理，但它們之間籽粒產量差異不顯著。這說明當灌水定額達到750 m3·hm－2、施氮量達到240 kg·hm－2后，繼續(xù)增加灌水定額及施氮量并未使產量顯著增長。

表5 2014、2015年不同水氮運籌模式下氨揮發(fā)損失量及損失率Table 5 The ammonia volatilization loss and losing rate with different water－nitrogen management regimes in 2014 and 2015

表6 不同水氮運籌模式對春玉米籽粒產量與增產率的影響Table 6 The influence of different water－nitrogen management regimes on grain yield of spring maize and rate of grain increase

3 討論

本研究于2014、2015年連續(xù)在輕度含鹽土壤地塊進行田間試驗。基肥于春季玉米播種時施入，追肥于拔節(jié)期灌水前1 d施入，兩次施氮量相同。研究結果表明，同一處理追肥灌水后的氨揮發(fā)速率峰值均大于該處理施入基肥后的氨揮發(fā)速率峰值，并且追肥后各處理的氨揮發(fā)速率均在第2 d出現峰值，隨后便迅速進入低揮發(fā)階段。這與周靜等[19]在不同含水量對尿素氨揮發(fā)影響的研究結果一致，氨揮發(fā)峰值的出現隨土壤含水量的增加而提前。產生這種現象的原因一方面是玉米拔節(jié)期追肥后立即灌水，土壤含水率迅速升高，試驗地耕層平均土壤質量含水率由基肥時期的12.56%增長到19.68%，追施的氮肥也迅速被水解，導致耕層土壤內銨態(tài)氮含量升高，為氨揮發(fā)提供了充足的物質條件，使氨揮發(fā)速率迅速達到峰值,而隨著時間的延長，土壤水分被作物吸收或垂向入滲，導致耕層土壤含水率不斷降低，硝化作用逐漸增強，大量銨態(tài)氮被硝化為硝態(tài)氮，使得氨揮發(fā)速率逐漸降低。另一方面，施入基肥后10 d的平均氣溫僅為13.71℃，而追肥期平均氣溫上升到23.62℃，氣溫的升高增強了土壤中脲酶活性，進一步加快了氮肥水解，從而提高了土壤中銨態(tài)氮濃度，增大氨分壓，促進氨揮發(fā)過程[15]。由于施入基肥后并未灌水，且基肥期基溫較低，脲酶活性相對較弱，氮肥水解速率緩慢，氨揮發(fā)過程的物質條件不足[20]。故施入基肥后各施氮處理的氨揮發(fā)速率整體低于追肥后的氨揮發(fā)速率。

施氮量是氨揮發(fā)損失量增加的主導因素，它會顯著影響土壤的氨揮發(fā)過程，減少氮肥施用量可顯著降低氨揮發(fā)損失量[21]。本試驗中，各施氮處理的氨揮發(fā)累計損失量隨著施氮量的增加而遞增，損失率則隨施氮量增加而遞減。這是由于增施氮肥的比例大于這部分氮肥所引起的氨揮發(fā)損失量。追肥灌水后，同一施氮量的中、高灌水定額處理的氨揮發(fā)損失量及損失率均高于其低灌水定額處理。這是由于灌水定額的增加促進了氨揮發(fā)損失量，而施氮量不變，故過量灌水會加劇氨揮發(fā)損失。當適量減少灌水定額及施氮量后，優(yōu)化的水氮交互作用可顯著降低土壤氨揮發(fā)損失量，同時也不會造成減產。這與楊士紅等[22]對不同水氮管理下稻田氨揮發(fā)損失特征的研究結果相符，控制灌溉和實地氮肥管理在節(jié)水、節(jié)肥、穩(wěn)產的同時，顯著降低了氨揮發(fā)損失。

4 結論

（1）2014、2015年同一施氮處理追肥后的氨揮發(fā)速率峰值均高于施入基肥后的氨揮發(fā)速率峰；各施氮處理追肥后平均氨揮發(fā)損失量高于各施氮處理施入基肥后的平均氨揮發(fā)損失量。

（2）施氮量、灌水定額以及兩者的交互作用對田間土壤氨揮發(fā)損失總量的影響表現為施氮量＞灌水定額＞兩者的交互作用；各施氮處理的氨揮發(fā)損失量表現為隨施氮量（灌水定額一定）和灌水定額（施氮量一定）的增加而遞增；而各施氮處理氨揮發(fā)損失率隨施氮量的增加而遞減（灌水定額一定），隨灌水定額的增加而遞增（施氮量一定）。

（3）2014、2015年各施氮處理的玉米籽粒產量增產率隨施氮量的增加而大幅提升（灌水定額一定），隨灌水定額的增加而小幅降低（施氮量一定）。當灌水定額達到750 m3·hm-2、施氮量達到240 kg·hm-2時，繼續(xù)增加灌水量及施氮量，增產效果不顯著。

（4）綜合各處理氨揮發(fā)損失量、損失率、籽粒產量及增產率等指標的表現，灌水定額為750 m3·hm-2、施氮量為240 kg·hm-2的水氮優(yōu)化處理在降低氨揮發(fā)損失量的同時，還能實現節(jié)水、節(jié)肥、穩(wěn)產的目標。故推薦該處理為適用于當地的最優(yōu)水氮運籌模式。

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Ammonia volatilization in soil and grain yield of the spring maize under different water-nitrogen management regimes

LI Zhen,SHI Hai-bin*,LI Xian-yue,YAN Jian-wen
（Department of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010018,China）

To alleviate the nitrogen loss and non-point source pollution from ammonia volatilization,this research analyzed the response of ammonia volatilization law and grain yield of spring maize to the different water-nitrogen management regimes.It is needed to seek a kind of water-nitrogen management regime to save water,fertilizer and produce stable yield.A split plot design method is used in the experiment. The main plot was irrigation quota with three levels（525,750,975 m3·hm-2）.The split plot was nitrogen application with five levels（0,80,160,240,320 kg·hm-2）.Every irrigation quota had five treatments with different nitrogen application rate.There were fifteen treatments in total.The field experiment was carried out in 2014 and 2015.The venting method is adopted to measure ammonia volatilization in soil and calculate the ammonia volatilization rate,ammonia volatilization loss and loss rate.The results show that the peaks of ammonia volatilization rate after dressing fertilization of the same treatment are larger than the peaks of ammonia volatilization rate after sowing fertilization in the year of 2014 and 2015.The peaks of ammonia volatilization rate after dressing fertilization are 63.31%and 62.06%respectively higher than the peaks of ammonia volatilization rate after sowing fertilization.The nitrogen application,irrigation quota,and the interaction of those two elements all have highly significant influence on ammonia volatilization loss.And the influence of the three factors on ammonia volatilization loss shows is the regime of nitrogen application＞irrigation quota＞interaction of those two elements.The average ammonia volatilization loss of all nitrogen treatments after sowing fertilization are 5.71～13.95 kg·hm-2in the year of 2014 and 2015.The average ammonia volatilization loss of all nitrogen treatments after dressing fertilization are 8.70～18.66 kg·hm-2in the year of 2014 and 2015.The total ammonia volatilization loss of all nitrogen treatments are 13.90～32.21 kg·hm-2in the year of 2014.The total ammonia volatilization loss of all nitrogen treatments are 15.45～32.99 kg·hm-2in the year of 2015.The treatment of W2N3（W2：750 m3·hm-2,N3：240 kg·hm-2）can not only save water and nitrogen but also can obtain high yield.And it can reduce the ammonia volatilization loss significantly.Considering the aspects above, this research recommends the treatment of W2N3 as the best water-nitrogen management regime for experimental district.

water-nitrogen management regime;nitrogen application;irrigation quota;ammonia volatilization rate;ammonia volatilization loss;spring maize;grain yield

X513

A

1672-2043（2017）04-0799-09

10.11654/jaes.2016-1592

2016－12－12

李禎（1989—），男，博士生，內蒙古呼和浩特人，主要從事節(jié)水灌溉及農田生態(tài)環(huán)境研究。E-mail：18647387011@163.com

*通信作者：史海濱E-mail：shi_haibin@sohu.com

國家自然科學基金重點項目（51539005）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0400205）；國家自然科學基金青年科學基金項目（51509132）

Project supported：The Key Program of the National Natural Science Foundation of China（51539005）；The National Key Technology Research during the 13st Five-Year Plan Period of China（2016YFC0400205）；The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（51509132）

李禎，史海濱，李仙岳，等.不同水氮運籌模式對田間土壤氨揮發(fā)及春玉米籽粒產量的影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36（4）：799-807.

LI Zhen,SHI Hai-bin,LI Xian-yue,et al.Ammonia volatilization in soil and grain yield of the spring maize under different water-nitrogen management regimes[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（4）:799-807.