薛建文，龐桂斌，叢 鑫，付玉榮，馮嚴(yán)明，徐征和

（濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022）

0 引 言

農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是食品的來源，更是人類生存發(fā)展的根本[1]。而肥料在保障我國糧食安全中起著不可替代的支撐作用，但是化肥養(yǎng)分利用率低又會對環(huán)境產(chǎn)生不良的影響。綜合我國部分地區(qū)主要作物上進(jìn)行的田間原位觀測結(jié)果，分析可知氨揮發(fā)約占我國農(nóng)田中化肥氮去向的11%[2]。有研究表明[3]，氨揮發(fā)進(jìn)入大氣后以干、濕沉降的方式返回陸地生態(tài)系統(tǒng)，雖然增加了土壤有效態(tài)氮，然而過量的氨揮發(fā)損失不僅加大氮肥的投入，造成經(jīng)濟(jì)損失，氨氣進(jìn)入大氣后也會產(chǎn)生土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題，會給陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害[4-6]，而土壤氨揮發(fā)受施氮量、溫度、土壤含水率和pH 等多種因素共同影響[7]。合理使用氮肥，減少環(huán)境污染，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)急需解決的問題。

對不同施肥處理氨揮發(fā)量與施肥量的擬合研究，表明隨施肥量增加,冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨揮發(fā)顯示出較強(qiáng)的線性增長趨勢，其中夏玉米季是冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田氨的高排放時(shí)期[8]。在中國北方冬小麥生產(chǎn)中，氨揮發(fā)總量隨化肥施氮量的增加呈指數(shù)函數(shù)形式增加[9]，相關(guān)研究表明[10]灌水量，施氮量以及兩者的交互作用極顯著的影響土壤氨揮發(fā)通量峰值，累積氨揮發(fā)量，氨揮發(fā)損失率等。近年來，生物炭在減少農(nóng)業(yè)土壤氨揮發(fā)和提高作物對氮素的利用效率方面獲得了較多研究成果，其中酸性或熱解溫度為700 ℃生物炭的降氨效果最好，提高了土壤陽離子交換量，增強(qiáng)了土壤的吸附作用[11]。有研究表明髙施生物炭可以增強(qiáng)土壤增匯作用，從而減少溫室氣體排放與氨揮發(fā)[12-14]。吳玉潔等人發(fā)現(xiàn)高施用生物炭抑制了NH4+-N 的硝化作用，進(jìn)而增加了N2O 的排放，對氨揮發(fā)無明顯影響。一些試驗(yàn)結(jié)果表明施用生物炭顯著提高了土壤pH 值及土壤通透性，導(dǎo)致土壤氨揮發(fā)累積量增加[15]。施用生物炭來降低氨揮發(fā)的前提是不能降低農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)，大比表面積等特點(diǎn)有利于提高土壤養(yǎng)分利用率與水分利用率，保證了作物在節(jié)水灌溉條件下的產(chǎn)量[16-18]。

由于條件的限制，當(dāng)?shù)卮蠖鄶?shù)農(nóng)民仍采取經(jīng)驗(yàn)灌溉，在這種條件下，采取施用生物炭的措施以達(dá)到限制氨揮發(fā)，提高產(chǎn)量的目的。生物炭在作物播種之前以基肥形式施用于土壤，夏玉米生育期內(nèi)的灌水量應(yīng)根據(jù)當(dāng)季氣候與降雨確定，因此不同地區(qū)及每年玉米的灌水量均不同，生物炭可能對氨揮發(fā)及產(chǎn)量產(chǎn)生不同的影響。本研究對夏玉米農(nóng)田土壤氨揮發(fā)進(jìn)行原位測定研究，目的在于揭示不同灌水條件下生物炭量對土壤氨揮發(fā)與產(chǎn)量的影響，計(jì)算出生物炭量最優(yōu)區(qū)間，為華北平原農(nóng)田施用生物炭提供理論支持，以期為減少氮素?fù)p失，提高氮素利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

夏玉米田間小區(qū)試驗(yàn)地點(diǎn)位于山東省濟(jì)南市西部長清區(qū)（36°34′N，116°50′E），長清區(qū)地處中緯度地帶，屬于溫帶季風(fēng)氣候，季風(fēng)明顯，四季分明，年平均氣溫13.8 ℃，無霜期178 d，年日照時(shí)數(shù)1 870.9 h。三面環(huán)山的地形，水汽和熱空氣回流聚集不宜擴(kuò)散，多于一般北方城市的夏季降水，年平均降水量623.1 mm，夏玉米生育期溫度降雨變化見圖1。供試土壤為壤土，0～20 cm 耕層土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量10.89 g/kg，pH 值7.88，全氮1.07 g/kg，速效磷22.26 mg/kg，速效鉀83.98 mg/kg。

圖1 夏玉米生育期內(nèi)溫度、降雨變化Fig.1 Changes of temperature and rainfall during summer maize growth

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置灌水和生物炭2個(gè)因素，灌溉方案根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣灌溉設(shè)置I2：在苗期和拔節(jié)期灌水，分別灌水67.5 mm和54.0 mm，全生育期總灌水量121.5 mm，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)水灌溉I1：在苗期灌水，灌水量為67.5 mm；灌水均采用微噴方式定量灌溉。生物炭量設(shè)置3 個(gè)水平：C1（0 t/hm2）、C2（20 t/hm2）和C3（40 t/hm2），管理方案見表1。試驗(yàn)所用生物炭是由木柴在600～750 ℃高溫?zé)峤庵频茫拘再|(zhì)為：有機(jī)碳60.66%，pH 值7.8，灰分5.24%，全水分6.78%，全氮0.42%，全磷0.14%，全鉀9.19 g/kg。生物炭以基肥形式一次性翻入土壤，與0～20 cm 耕層土壤混合均勻。夏玉米試驗(yàn)品種為“鄭單958”，于2020年6月23日播種，采用人工點(diǎn)播的方式，種植密度每公頃5.997 萬株，于2020年10月4日收獲。

表1 夏玉米灌水生物炭量管理方案Tab.1 Water and charcoal management scheme for summer maize

試驗(yàn)所用氮肥為尿素，每公頃施氮肥431 kg（折合N 200 kg），基肥和追肥各占50%，播前每公頃施過磷酸鈣625 kg（折合P2O575 kg）和氯化鉀213 kg（折合K2O 128 kg），施肥方式均為溝施，施肥深度大致為5 cm，施肥后覆土灌水。

1.3 氨氣的捕獲與測定方法

本試驗(yàn)采用間歇式密閉容器抽氣法[19]，其原理是利用真空泵抽氣使洗氣瓶中形成負(fù)壓，土壤揮發(fā)出的氨氣被吸入硼酸洗氣瓶中，再用稀硫酸滴定測得氨揮發(fā)量。密閉式玻璃罩材料為亞克力板，體積為30 cm×20 cm×10 cm=6 L，上接2 m 通氣管；250 mL 洗氣瓶中盛放80 mL 的2%硼酸-指示劑溶液；使用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制空氣流速為2.5 L/min；各部分之間用橡膠軟管連接，氨揮發(fā)收集裝置見圖2。

圖2 氨揮發(fā)收集裝置圖Fig.2 NH3 volatilization collection device drawing

收集氨氣時(shí)，將密閉式罩扣入土壤表層下5 cm 深，隨機(jī)放置在測坑中。每日10∶00-12∶00 收集氣體，夏玉米苗期，6月23日施基肥后，從6月24日起每日監(jiān)測土壤的氨揮發(fā)變化，7月2日監(jiān)測氨揮發(fā)損失達(dá)到痕量，停止監(jiān)測，期間最高、最低氣溫平均值為30.4、22 ℃，降雨量為98.15 mm；夏玉米拔節(jié)期，7月28日追肥后，從7月29日起每日監(jiān)測土壤的氨揮發(fā)變化，8月11日監(jiān)測氨揮發(fā)損失達(dá)到痕量，停止監(jiān)測，期間最高、最低氣溫平均值為31.2、24.2 ℃，降雨量為112.2 mm。計(jì)算氨揮發(fā)通量公式：

式中：F為氨揮發(fā)速率，kg（hm2?d）；V為滴定用硫酸的體積，L；C為標(biāo)準(zhǔn)硫酸濃度，mol/L；0.014 為氮原子的相對原子質(zhì)量，kg/mol；A為捕獲裝置的橫截面積，hm2；T為連續(xù)收集氨氣的時(shí)間，h。

引發(fā)土壤氨揮發(fā)作用的氮素主要有兩個(gè)來源，一是夏玉米生育期內(nèi)施用的尿素轉(zhuǎn)化的銨態(tài)氮，另一個(gè)是土壤中原本存在的銨態(tài)氮，在不考慮氮肥激發(fā)效應(yīng)的前提下，土壤中銨態(tài)氮的氨揮發(fā)作用等同于本試驗(yàn)空白處理組的氨揮發(fā)作用。經(jīng)過施氮試驗(yàn)小區(qū)與空白試驗(yàn)小區(qū)的差值計(jì)算，可得夏玉米生育期內(nèi)由尿素轉(zhuǎn)化的銨態(tài)氮所引起的氨揮發(fā)損失量。

1.4 樣品采集與測定

試驗(yàn)開始后在試驗(yàn)地均勻采集0～20 cm 耕層土壤，土壤樣品帶回試驗(yàn)室，經(jīng)過風(fēng)干、過篩后測定土壤樣品的pH、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。具體為：土壤pH 采用1∶2.5 的水土比制備土壤溶液，用實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)測定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用1.0 mol/L 的氯化鉀溶液浸提，用紫外可見分光光度計(jì)測定。產(chǎn)量按小區(qū)收獲分別計(jì)產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

利用Origin 2019b進(jìn)行繪圖，采用Pearson檢驗(yàn)法進(jìn)行相關(guān)性分析，利用SPSS 26.0中的ANOVA程序?qū)Π睋]發(fā)量及產(chǎn)量進(jìn)行差異性分析，以p＜0.05差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥后氨揮發(fā)動態(tài)變化

兩次施肥后氨揮發(fā)日變化規(guī)律相同，隨著時(shí)間的延長，氨揮發(fā)均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（圖3）。不同處理氨揮發(fā)動態(tài)變化趨勢基本一致，氨揮發(fā)速率在施肥后2～4 d 出現(xiàn)峰值，隨后逐漸降低，直至與空白處理差異不顯著。追肥時(shí)期各施肥處理氨揮發(fā)速率均高于基肥時(shí)期各處理，且追肥時(shí)期各處理的氨揮發(fā)持續(xù)時(shí)間較基肥時(shí)期氨揮發(fā)持續(xù)時(shí)間長。追肥時(shí)期降雨較多，土壤含水率較高，當(dāng)土壤水分增加到一定值時(shí)，抑制了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而延長了氨揮發(fā)的排放過程[20,21]。

圖3 土壤氨揮發(fā)速率變化Fig.3 Changes in NH3 volatilization rate from soil

基施氮肥后[見圖3（a）]第3 天各處理氨揮發(fā)速率均達(dá)到峰值[分別為N 0.91、0.88、1.88、1.17、0.73、1.42 kg/（hm2?d）]，隨后降低，第9 天后與空白處理無差異，氨揮發(fā)過程基本結(jié)束。由于苗期灌水量相同，生物炭量是影響氨揮發(fā)的主要因素。C2 處理的氨揮發(fā)速率峰值較C1 處理降低3.30%～37.61%（p＜0.05），而C3 處理較C1 處理增高21.37%～106.59%（p＜0.05）。

在追肥期氨揮發(fā)過程中，影響氨揮發(fā)的因素分為灌水量和生物炭量的不同[見圖3（b）]。追肥后第3 天I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 處理氨揮發(fā)速率均達(dá)到峰值[分別為N 2.21、1.79、4.51、5.36、3.52、6.22 kg/（hm2?d）]。由于追肥期間氣溫較高，土壤水分蒸發(fā)速率加快，土壤水汽攜帶作用[22]導(dǎo)致追肥氨揮發(fā)速率與基肥氨揮發(fā)速率相比較高。I2處理的氨揮發(fā)速率峰值較I1 處理增高37.92%～142.53%（p＜0.05）。C2 處理的氨揮發(fā)速率峰值較C1 處理降低19.00%～34.33%（p＜0.05），C3 處理較C1 處理增高16.04%～104.07%（p＜0.05）。追肥期間生物炭對氨揮發(fā)速率的影響與基肥期間一致。

2.2 不同處理下氨揮發(fā)累積排放量

基肥期間I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 的氨揮發(fā)累積排放量[見圖4（a）]分別為N 4.54、2.75、6.92、4.12、2.52、7.52 kg/hm2，C2 處理的氨揮發(fā)累積排放量較C1 處理減少38.81%～39.37%（p＜0.05）；C3 處理比C1 處理增加52.27%～82.31%（p＜0.05）。追肥期間各處理的氨揮發(fā)累積排放量[見圖4（b）]分別為N 11.83、8.44、21.55、31.04、22.45、35.61 kg/hm2，C1 處理比C0 處理減少27.67%～28.65%（p＜0.05）；C3 處理比C1 處理增加14.71%～82.16%（p＜0.05）；在施炭量相同時(shí)，I2處理的氨揮發(fā)累積排放量均比I1處理高，增加65.24%～166.02%（p＜0.05）。

基肥時(shí)期，各處理氨揮發(fā)累積損失率[見圖4（c）]在施肥后迅速增大，第6 天后變化幅度呈現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢，由此可見，基肥時(shí)期主要的氨揮發(fā)發(fā)生在施肥后6 天內(nèi)[I1C1、I1C2、I1C3、I2C1、I2C2、I2C3 累積損失率分別達(dá)到82.87%、95.37%、92.92%、93.55%、96.73%、97.23%]。而追肥時(shí)期氨揮發(fā)累積損失率[見圖4（d）]的變化與基肥時(shí)期相比較緩慢，I1 處理下第8 天后變化幅度呈現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢[I1C1、I1C2、I1C3 分別達(dá)到91.3%、91.4%、87.5%]，而I2 處理下則在第11天后呈現(xiàn)出平穩(wěn)趨勢[I2C1、I2C2、I2C3 分別達(dá)到90.5%、85.0%、93.6%]。由此可見，追肥時(shí)期與基肥時(shí)期、I2 處理與I1處理相比氨揮發(fā)過程更長。

圖4 不同處理氨揮發(fā)累積排放量和累積損失率Fig.4 Cumulative emission of NH3 volatilization and cumulative loss rate of different treatments

夏玉米的全生育期中，不同處理間的氨揮發(fā)總量（圖5）達(dá)到顯著差異。不同生物炭量下，氨揮發(fā)隨灌溉量變化的表現(xiàn)特征一致，與I1相比，I2在C1、C2與C3處理下氨揮發(fā)總量分別顯著提高了114.84%、123.12%、51.51%。不同灌溉量下，氨揮發(fā)隨生物炭量變化的表現(xiàn)特征一致，與C1 相比，C2 限制了氨揮發(fā)，在I1與I2處理下顯著降低了31.64%與28.97%，而C3在I1與I2處理下顯著增加了73.92%與22.63%。

圖5 氨揮發(fā)總量Fig.5 Total amounts of NH3 volatilization

2.3 土壤pH、NH4+-N、NO3--N 及溫度與氨揮發(fā)速率相關(guān)性分析

基、追肥后土壤pH、NH4+-N 濃度及溫度與氨揮發(fā)速率均為極顯著正相關(guān)（圖6），這是由于尿素被施入土壤后迅速水解為NH4+-N，既增高了土壤中NH4+-N 的濃度，也提高了土壤pH。較高濃度的NH4+-N 為氨揮發(fā)提供了充足的物質(zhì)條件，高pH 會促使NH4+-N 向NH3轉(zhuǎn)化。隨著氨揮發(fā)的進(jìn)行，尿素完全水解后，NH4+-N與pH均出現(xiàn)回落，氨揮發(fā)速率呈現(xiàn)出同樣的動態(tài)規(guī)律。NO3--N 是NH4+-N 硝化作用的產(chǎn)物，表現(xiàn)出與NH4+-N 相反的動態(tài)規(guī)律，因此與氨揮發(fā)速率及NH4+-N濃度呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)?；手袦囟扰c氨揮發(fā)速率無明顯相關(guān)性，追肥中呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)，可能是追肥期，溫度達(dá)到可以顯著影響氨揮發(fā)的水平，溫度越高時(shí)，NH3擴(kuò)散的速度越快，因此可以通過調(diào)整追肥時(shí)期來避免高溫對氨揮發(fā)的影響。

圖6 氨揮發(fā)速率與NH4+-N、NO3--N、pH和溫度相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of NH3 volatilization flux with NH4+-N,NO3--N,pH and temperature

2.4 不同處理的效益評價(jià)

選取夏玉米產(chǎn)量、灌溉量以及農(nóng)田氨揮發(fā)排放量為評價(jià)指標(biāo)，采用熵權(quán)法對不同處理進(jìn)行評價(jià)，基本數(shù)據(jù)見表2。

表3為不同處理的綜合評分及排序，結(jié)合表2和表3分析可知，I2 處理的綜合評分均高于I1 處理，I1 處理雖然減少了灌溉量與氨揮發(fā)量，但同時(shí)顯著降低了夏玉米的產(chǎn)量，而I1C2與I1C2處理的綜合評分均高于I2C1，說明施用生物炭后，不僅減少了灌溉量與氨揮發(fā)量，并且在保證了夏玉米的產(chǎn)量，甚至達(dá)到了豐產(chǎn)的目的。在不同灌溉量下，均是C2 處理達(dá)到最優(yōu)。

表2 評價(jià)指標(biāo)基本數(shù)據(jù)Tab.2 Basic data of evaluation indicators

表3 各處理的綜合評分及排序Tab.3 Comprehensive score and ranking of each treatment

3 討 論

3.1 灌溉對土壤氨揮發(fā)的影響

氨揮發(fā)受土壤含水率的影響較明顯，土壤濕度越大，土壤水汽攜帶作用所致的氨揮發(fā)量占比越大，由氨分壓引起的擴(kuò)散作用所致的氨揮發(fā)量占比減小[22]。并且當(dāng)土壤含水率較低時(shí)，肥料的氧化強(qiáng)度減弱，大幅度降低了氨揮發(fā)速率[23]。本研究中基肥時(shí)期，不同灌溉處理之間的氨揮發(fā)量沒有顯著性差異，追肥時(shí)期，I2 處理灌水后土壤含水率較I1 處理顯著增高，首先為尿素水解提供良好的水分環(huán)境，同時(shí)抑制了硝化作用，降低了土壤中的NO3--N濃度，研究發(fā)現(xiàn)NO3--N濃度與氨揮發(fā)速率呈顯著負(fù)相關(guān)，因此追肥時(shí)期灌水延長了氨揮發(fā)過程，增加了氨揮發(fā)量。與劉陽陽等研究結(jié)果一致，增加灌水次數(shù)與灌水量后，土壤氨揮發(fā)顯著性增加[24]。

3.2 生物炭量對農(nóng)田土壤氨揮發(fā)的影響

生物炭表面含有大量的碳酸鹽、酸性官能團(tuán)，可以降低土壤H+數(shù)量，從而提高土壤pH 值[25]。土壤pH 值是影響氨揮發(fā)的重要參數(shù)之一[26]，本研究中也發(fā)現(xiàn)氨揮發(fā)速率與土壤pH呈顯著正相關(guān)，土壤pH值越大，越有利于平衡向NH3端進(jìn)行，進(jìn)而增加農(nóng)田氨排放量。研究發(fā)現(xiàn)氨揮發(fā)速率與NH4+-N 濃度呈顯著正相關(guān)，生物炭的多孔隙，大比表面積等特點(diǎn)為NH4+-N 與NH3提供了大量的吸附位點(diǎn)，土壤吸附能力增強(qiáng)[27-29]，既減少了氨揮發(fā)的底物[30]，也抑制了NH3的擴(kuò)散，兩者的共同作用下，促使生物炭可以減少農(nóng)田氨揮發(fā)?？梢钥闯?，生物炭對農(nóng)田氨揮發(fā)有著不同的影響，這可能是由于生物炭的施用量、制作材料、熱解溫度與基本物化性質(zhì)導(dǎo)致的[31-33]。本研究中探究了不同施炭量對氨揮發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)C2 處理通過改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)吸附能力，降低了氨揮發(fā)的峰值，進(jìn)而減少了氨揮發(fā)損失。而C3 處理因?yàn)檫^量的生物炭，顯著提高了土壤pH與土壤通透性，促進(jìn)了NH3在土壤與大氣中的交換作用，提高了氨揮發(fā)速率，增加了氨揮發(fā)損失。

3.3 生物炭量對夏玉米產(chǎn)量的影響

生物炭通過高溫裂解后制得，具有較高的灰分，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)[34]，其特有的結(jié)構(gòu)性質(zhì)可以改善耕層土壤理化性質(zhì)與土壤肥力狀況[35]。施入生物炭的同時(shí)，帶入土壤中的鉀與磷元素會促進(jìn)作物吸收生長。俞若涵等[36]在生物炭對夏玉米農(nóng)田土壤有效養(yǎng)分利用的影響中發(fā)現(xiàn)僅在適量施用生物炭的條件下才能有效促進(jìn)夏玉米對土壤養(yǎng)分的吸收和高效利用，進(jìn)而顯著提高夏玉米產(chǎn)量。而生物炭量較高會造成玉米早衰，導(dǎo)致葉綠素含量的減少和光合速率的降低，與低生物炭量相比，不利于玉米粒重的形成[37]。土壤呼吸與pH 值呈負(fù)相關(guān)[38]，過量施用生物炭顯著提高土壤pH 值，不利于作物根系生長，導(dǎo)致夏玉米早衰。本研究中也發(fā)現(xiàn)施用生物炭后，促進(jìn)了夏玉米產(chǎn)量的形成，但產(chǎn)量并不隨著生物炭量的增加始終增加，在生物炭量達(dá)到某一值后，高生物炭量會對產(chǎn)量出現(xiàn)抑制作用，與前人的研究成果一致。

4 結(jié) 論

（1）灌水量和生物炭量顯著（p＜0.05）影響氨揮發(fā)，施肥后灌水抑制了硝化作用，延長氨揮發(fā)的過程，提高了氨揮發(fā)速率，增加了氨揮發(fā)損失。不同生物炭量對氨揮發(fā)的影響并不一致，20 t/hm2的施用量可以減少氨揮發(fā)。

（2）氨揮發(fā)速率與土壤pH 及NH4+-N 濃度呈顯著正相關(guān)，與NO3--N 呈顯著負(fù)相關(guān)，在高溫時(shí)，與溫度表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

（3）生物炭可以抵消節(jié)水灌溉對夏玉米產(chǎn)量產(chǎn)生的不利影響，20 t/hm2的生物炭量既保證了產(chǎn)量，同時(shí)減少了灌溉量與氨揮發(fā)量。