化肥有機肥配施對鹽漬化土壤氨揮發(fā)及玉米產(chǎn)量的影響

周 慧，史海濱*，徐 昭，郭珈瑋，付小軍，李正中

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域管理局沙壕渠試驗站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015400）

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，該灌區(qū)現(xiàn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中施用的氮肥主要是無機化肥，且化肥施用量逐年增加，目前用量已超過60萬t·a-1[1-2]。由于過量施用尿素且長期施肥種類單一，導致肥料利用率低且嚴重威脅生態(tài)環(huán)境，給當?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了較大的挑戰(zhàn)。如何提高肥料利用效率、改善土壤環(huán)境和質(zhì)量是河套灌區(qū)亟待解決的科學問題之一。研究表明，有機肥養(yǎng)分元素全面而肥效緩，對環(huán)境負面影響較??；無機肥料養(yǎng)分單一而含量高、肥效快，但對環(huán)境負面影響大[3-5]；因此，減少無機氮肥用量，提高有機肥比重，采用有機無機肥料配施是解決該問題的主要途徑之一。

氮素損失是造成肥料利用率低和一些環(huán)境污染的主要原因，而氨揮發(fā)又是田間土壤氮素損失的重要途徑之一，我國氨揮發(fā)損失率達到21%[6-7]。因此，從環(huán)境友好的角度可利用田間氨揮發(fā)損失量來評價肥料施用模式的優(yōu)劣。目前，國內(nèi)外對于有機無機肥配施對氨揮發(fā)影響的研究已有很多[8-11]，但大多集中在非鹽漬土上，鹽分對氨揮發(fā)的影響已引起眾多學者的關注[12-14]。研究表明，高鹽度抑制土壤中硝化作用的進行，導致土壤氨揮發(fā)增加[15]，但微生物也可能由于鹽分過多而被抑制生長，從而降低肥料水解，減少土壤氨揮發(fā)[16]。河套灌區(qū)是我國土壤鹽漬化發(fā)育的典型地區(qū)，過量鹽分的存在嚴重影響著土壤的理化特征，從而影響土壤中氮素的轉化和損失[17-18]，對于氨揮發(fā)損失的影響更為復雜。目前，關于采用有機肥替代部分無機氮肥模式下不同鹽漬化農(nóng)田氨揮發(fā)損失的研究還鮮有報道。本文通過田間試驗，研究不同鹽漬化程度土壤有機無機氮肥用量配施對土壤氨揮發(fā)的影響，并以降低氨揮發(fā)損失和穩(wěn)產(chǎn)為依據(jù)，以期為河套灌區(qū)鹽漬化玉米農(nóng)田肥料管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年4—9月在河套灌區(qū)解放閘灌域沙壕渠試驗站進行。試驗區(qū)冬季寒冷少雪、夏季高溫炎熱，屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫達到7.7℃，無霜期為135～150 d，大于10℃的年積溫為3551℃，年平均日照時數(shù)3200 h，年凍融期在180 d左右。陽光充足，全年太陽總輻射約為6000 MJ·m-2，熱量充足，具有非常優(yōu)越的農(nóng)業(yè)發(fā)展條件。試驗田屬硫酸鹽-氯化物型鹽土，0～20 cm土層為粉壤土，20～40 cm為粉質(zhì)黏壤土，40～60 cm為粉壤土，60～100 cm為砂壤土。播種前輕、中度鹽漬化土壤0～40 cm平均電導率分別為0.382 dS·m-1和1.254 dS·m-1。試驗區(qū)耕層初始土壤性質(zhì)詳見表1。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為內(nèi)單314，播種日期為2018年4月27日，收獲日期為9月13日。參考李禎等[19]優(yōu)化畦灌灌水定額750 m3·hm-2作為灌水量，優(yōu)化施氮量240 kg·hm-2為施氮總量，分別在輕、中度鹽漬化農(nóng)田上設置1個空白對照處理和5個施肥處理，分別為單施化肥、3/4氮由化肥提供+1/4氮由有機肥提供、1/2氮由化肥提供+1/2氮由有機肥提供、1/4氮由化肥提供+3/4氮由有機肥提供、單施有機肥，依次記為CK和U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1，具體施肥設計見表2，施氮量為換算后的純氮素量。試驗共12個處理，3次重復，共36個小區(qū)，各小區(qū)長、寬分別為6 m和5 m，所施基肥和追肥深度均約5 cm。各小區(qū)間設有1 m寬的隔離帶并搭起15 cm高田埂。所施無機肥為尿素（含氮46%），有機肥為寧夏貝特肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的金臨門有機肥料（含N 10%、P2O51%、K2O 1%、有機質(zhì)≥45%、腐植酸≥17%、S≥8%），有機肥和磷肥（過磷酸鈣50 kg·hm-2）于耕作前作為基肥一次性施用，氮肥按1∶1比例分別于玉米播種期和拔節(jié)期灌水時施入。

表1 試驗區(qū)土壤基本性狀Table 1 Basic properties of tested soils

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

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤氨揮發(fā)測定

試驗采用通氣法[20]。由聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管制成高10 cm、內(nèi)徑15 cm的通氣法裝置，將2塊厚度為2 cm、直徑為16 cm的海綿均勻浸以15 mL的磷酸甘油溶液（50 mL H3PO4+40 mL C3H8O3，定容至1000 mL）后，置于裝置中，下層的海綿距管底5 cm，上層的海綿與管頂部相平，將裝置插入土中1 cm深處。在各裝置頂部20 cm處支撐起1個遮雨頂蓋以防止降雨對裝置的影響。

在各小區(qū)的對角線上分別安置3個氨捕獲裝置，于施肥當日開始捕獲氨的揮發(fā)，次日早晨8：00取樣。取樣時將下層海綿迅速取出并裝入有對應編號的自封袋中，密封，同時換上剛剛浸潤過的另1塊海綿，上層海綿視其干濕狀況每隔2～4 d更換1次。將取出的海綿剪碎后裝入500 mL塑料瓶，并加入300 mL 1.0 mol·L-1的KCl溶液，將海綿完全浸潤于其中后振蕩1 h，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。施肥后的最初1周，每日取1次樣，之后視監(jiān)測到氨揮發(fā)的量每隔2～5 d取1次樣，直至監(jiān)測不到為止。

土壤氨揮發(fā)速率計算公式：

式中：V為氨揮發(fā)速率，kg·hm-2·d-1；M為通氣法單個裝置平均每次測得的NH3-N，mg；A為捕獲裝置的橫截面積，m2；D為每次連續(xù)捕獲的時間，d。

1.3.2 土壤鹽分測定

土壤樣品在氨揮發(fā)測定期間于各氨收集裝置處用土鉆每隔5 d進行1次采樣，電導率采用電導率儀測定土水比1∶5浸提液。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 22.0與Excel 2016進行數(shù)據(jù)分析及圖表繪制，用LSD法進行多重比較確定差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 肥料配施對土壤電導率的影響

分析氨揮發(fā)測定期間土壤電導率均值（圖1）發(fā)現(xiàn)，土壤鹽漬化程度與有機無機肥料配施均對土壤電導率有顯著影響。在氨揮發(fā)測定期間，輕度和中度鹽漬化土壤電導率分別達到0.45～0.68 dS·m-1和1.04～1.40 dS·m-1。同一鹽漬化程度土壤電導率隨有機肥施入比例的增大呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，不同程度鹽漬化土壤電導率均表現(xiàn)為 U1＞O1＞U3O1＞U1O3＞U1O1＞CK。輕度和中度鹽漬土條件下不同肥料配施土壤電導率較CK分別高出24.8%～51.5%和10.30%～35.02%。

2.2 不同鹽漬化土壤肥料配施對土壤氨揮發(fā)速率的影響

由圖2A可知，施入基肥后，輕度鹽漬化土壤各肥料配施處理氨揮發(fā)速率變化范圍為0.081～1.642 kg·hm-2·d-1，不同處理氨揮發(fā)速率動態(tài)變化趨勢有所不同，U1和U3O1處理在第2 d出現(xiàn)峰值，分別為1.642 kg·hm-2·d-1和1.307 kg·hm-2·d-1，均呈單峰變化趨勢，U1O1和U1O3均在第2 d和第4 d出現(xiàn)峰值，呈雙峰變化趨勢，O1處理在施肥后第1 d即出現(xiàn)峰值，為1.519 kg·hm-2·d-1，隨后逐漸下降進入低揮發(fā)階段。中度鹽漬化土壤不同有機無機氮肥配施氨揮發(fā)速率變化范圍為0.077～1.855 kg·hm-2·d-1（圖2C），其氨揮發(fā)速率變化趨勢與輕度鹽漬化土壤基本一致。

圖1 不同施肥處理下輕度和中度鹽漬化土壤的電導率Figure 1 Electrical conductivity in mild and moderate saline soils under different nitrogen treatments

圖2 不同施肥處理下輕度和中度鹽漬化土壤氨揮發(fā)速率Figure 2 Soil ammonia volatilization rate in mild and moderate saline soils under different nitrogen treatments

追肥后，不同肥料配施處理氨高揮發(fā)期較施入基肥后明顯延長，輕度鹽漬化土壤不同肥料配施氨揮發(fā)速率變化范圍為 0.032～1.952 kg·hm-2·d-1，氨揮發(fā)強度較施入基肥后明顯提高，各處理氨揮發(fā)速率均呈單峰變化趨勢，且在追肥后第2 d出現(xiàn)峰值（圖2B）。中度鹽漬化土壤不同有機無機氮肥配施氨揮發(fā)速率變化范圍為0.030～2.143 kg·hm-2·d-1，除O1處理氨揮發(fā)速率于第3 d出現(xiàn)峰值外，其余各處理均于第2 d出現(xiàn)峰值，隨后逐漸進入低揮發(fā)階段（圖2D）。

同一處理中度鹽漬化土壤氨揮發(fā)速率均大于輕度鹽漬化土壤，施入基肥和追肥后中度鹽漬化土壤氨揮發(fā)速率較輕度鹽漬化土壤分別高出9.09%～19.22%和2.22%～35.27%，高鹽度明顯促進了土壤氨揮發(fā)。

2.3 不同鹽漬化土壤肥料配施對氨揮發(fā)累積量的影響

不同程度鹽漬化土壤有機無機氮肥配施對土壤氨揮發(fā)累積量影響各異（表3）。輕度鹽漬化土壤不同肥料配施處理氨揮發(fā)總量為12.80～16.05 kg·hm-2，U1處理氨揮發(fā)總量顯著高于其他處理，O1與U3O1處理之間無顯著差異，但均顯著高于U1O3處理，U1O1處理氨揮發(fā)總量最少，顯著低于其余施肥處理，氨揮發(fā)損失量為U1處理的79.77%。中度鹽漬化土壤不同有機無機氮肥配施處理氨揮發(fā)損失量為14.14～17.84 kg·hm-2，U1處理氨揮發(fā)總量最大，顯著高于其余處理，其次為U1O3處理，O1與U3O1處理之間無顯著差異，但均顯著高于U1O1處理，U1O1處理氨揮發(fā)總量為U1處理的79.28%。研究發(fā)現(xiàn)，同一處理中度鹽漬化土壤氨揮發(fā)累積量均顯著高于輕度鹽漬化土壤，中度鹽漬化土壤 U1、U3O1、U1O1、U1O3、O1處理氨揮發(fā)總量較輕度鹽漬化土壤分別高出11.16%、8.31%、10.47%、16.47%、6.82%。

表3 不同施肥處理下輕度和中度鹽漬化土壤上氨揮發(fā)累積量及損失率Table 3 Cumulative ammonia volatilization and loss rate in mild and moderate saline soils under different nitrogen treatments

不同程度鹽漬化土壤肥料配施處理氨揮發(fā)損失率表現(xiàn)不一。輕度鹽漬化土壤O1與U3O1處理氨揮發(fā)損失率無顯著差異，其余處理間均呈顯著差異（P＜0.05），U1處理氨揮發(fā)損失占施氮量比例最大，為5.20%，U1O1氨揮發(fā)損失率最少，為3.85%；中度鹽漬化土壤各處理氨揮發(fā)損失率均呈現(xiàn)出顯著性差異，U1處理氨揮發(fā)損失率最大為5.59%，其后依次是U1O3、U3O1、O1處理，U1O1處理最低，為4.04%。

2.4 肥料配施與土壤鹽分對氨揮發(fā)累積量的影響

通過回歸分析得到了土壤氨揮發(fā)在有機肥施入比例與土壤鹽分交互作用下的二元二次非線性回歸模型（表4），其中Y為氨揮發(fā)總量（kg），X1為有機肥施入比例（百分比），X2為土壤鹽分（dS·m-1）。通過顯著性分析得知，土壤氨揮發(fā)總量回歸模型的顯著水平小于0.05，獲得了較好的擬合度。

表4 土壤氨揮發(fā)累積量在有機肥施入比例與土壤鹽分作用下的回歸模型Table 4 Regression model of cumulative ammonia volatilization under the effect of organic fertilizer application ratio and soil salt

通過分析回歸方程各系數(shù)可知，在本研究條件下，適當增加有機肥施入比例可以降低土壤氨揮發(fā)損失，而土壤鹽分增大會使氨揮發(fā)損失量增加，增施有機肥和土壤鹽分之間會產(chǎn)生共同降低氨揮發(fā)損失的效應。因此，適當降低化肥施入比例，增加有機肥施入比例可以降低土壤氨揮發(fā)損失。

2.5 肥料配施對鹽漬化土壤玉米產(chǎn)量的影響

從表5可以看出，輕度和中度鹽漬化土壤不同有機無機氮肥配施對玉米產(chǎn)量和增產(chǎn)率影響各異。同一處理輕度鹽漬化土壤玉米產(chǎn)量均顯著高于中度鹽漬化土壤，各肥料配施處理下產(chǎn)量增加30.94%～61.75%。輕度鹽漬化土壤，各肥料配施處理玉米產(chǎn)量增幅為31.84%～54.52%，U1O1處理玉米產(chǎn)量最高，與U1O3處理之間無顯著差異，但較U1、U3O1、O1處理顯著增加。而中度鹽漬化土壤各肥料配施處理玉米產(chǎn)量增幅為10.08%～43.62%，O1處理玉米產(chǎn)量最大，與U1O3處理之間沒有顯著差異，但該2個處理均顯著高于其余處理。

3 討論

本研究結果表明，純無機肥氨揮發(fā)損失量最大，肥料配施能有效降低氨揮發(fā)損失。在輕度和中度鹽漬化土壤上，有機無機氮肥各半配施氨揮發(fā)損失較單施尿素分別降低20.25%和20.74%，而單施有機肥并不能有效抑制土壤氨揮發(fā)。究其原因，主要是由于尿素和有機肥所發(fā)生的反應不同，在土壤脲酶的作用下尿素被水解成NH4HCO3，隨后迅速轉化為NH+4-N，為氨揮發(fā)提供了充足的底物，使純無機肥處理氨揮發(fā)速率高于其他處理[21]。而有機肥中的有機質(zhì)在分解過程中大量有機酸被釋放，同時形成腐殖質(zhì)，抑制了尿素水解過程中土壤酸堿度的升高，從而顯著抑制土壤氨揮發(fā)[22]，且有機肥配施氮肥能夠促進土壤微生物活動，將土壤無機氮固定在有機氮庫中，減少了產(chǎn)生氨的無機氮量，進而降低氨揮發(fā)損失[23]，而在等氮量條件下單施有機肥，各形態(tài)有機氮經(jīng)過礦化作用轉化為NH+4-N，NH+4-N除被作物吸收利用和土壤吸附外，剩余部分大多以氨形態(tài)揮發(fā)[24]，因此并不能有效降低氨揮發(fā)損失。

表5 不同施肥處理對輕度和中度鹽漬化土壤上玉米籽粒產(chǎn)量及增產(chǎn)率的影響Table 5 The influence of different nitrogen treatments on grain yield of maize and rate of grain increase

羅健航等[25]研究發(fā)現(xiàn)，施入基肥后氨揮發(fā)速率峰值出現(xiàn)時間為1～4 d，追肥后峰值時間為1～2 d。而本研究表明各施肥處理氨揮發(fā)速率在施入基肥和追肥后均迅速達到峰值。這可能是由于本試驗在施入基肥后土壤有較好的墑情，土壤耕層含水率為18.35%，促使氮肥能較快被水解，導致耕層土壤內(nèi)銨態(tài)氮含量升高，為氨揮發(fā)提供了充足的物質(zhì)條件。追肥后土壤氨揮發(fā)損失量顯著高于施入基肥后，這是由于在灌水追肥后土壤耕層含水率迅速升高至24.5%，且此時溫度較施入基肥時的12.6℃增加為21.4℃，脲酶活性增強[26]，促使氨揮發(fā)損失速率較施入基肥后增加，導致在追肥后氨揮發(fā)量較施入基肥后明顯增加。

梁飛等[27]研究表明，土壤氨揮發(fā)隨著土壤含鹽量的增加而加劇，但土壤含鹽量對氨揮發(fā)累積量的影響符合“S”型增長模式，即隨著鹽含量增加到某一范圍以后，氨揮發(fā)速率開始增長緩慢甚至保持不變。本研究結果發(fā)現(xiàn)，當土壤電導率在0.45～1.40 dS·m-1范圍之內(nèi)時，高鹽分會促進土壤氨揮發(fā)損失，同一處理下中度鹽漬化土壤氨揮發(fā)損失量明顯高于輕度鹽漬化土壤，這與Mcelung等[28]研究結果一致。這是因為適當鹽分促進土壤氨態(tài)氮的硝化，使土壤氮素的硝化速率加快，降低土壤中氨態(tài)氮含量從而減少氨揮發(fā)損失[29]。隨著土壤鹽分增加，土壤中硝化細菌逐漸受到抑制，氨態(tài)氮累積量增加導致氨揮發(fā)損失量增加[27]。本研究表明，土壤電導率隨著有機肥施用量的增加呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，這可能是因為適當?shù)脑黾佑袡C肥配施比例改善了土壤理化性狀，毛管作用降低，溶于水中的鹽分也不易隨水蒸發(fā)至耕層土壤，但有機肥施用量過多時，其中含有的許多作物難以吸收利用的鈣、鈉、鎂、氯等離子將會在土壤中累積，從而導致土壤鹽分增加[30]，因此，不論無機肥還是有機肥，施入量過多均會導致土壤鹽分增加。適度的采用有機氮肥替代無機氮肥相比純施無機氮可顯著降低土壤鹽分含量，這間接降低了土壤鹽分對氨揮發(fā)的促進作用?？梢?，在鹽漬化土壤上，采用適度的有機肥替代無機化肥相比非鹽漬化土壤更加能夠降低氨揮發(fā)損失，優(yōu)勢更加明顯。

在本研究條件下，輕度鹽漬化土壤有機無機肥料各半配施較單施化肥增產(chǎn)率最高，其原因可以歸結為化肥與有機肥配施可以調(diào)控土壤氮素的固持和釋放，協(xié)調(diào)土壤氮素供應[31-33]，從而提高作物產(chǎn)量。謝軍等[34]研究表明有機氮肥替代50%化肥氮肥能夠明顯增加玉米的產(chǎn)量，這與本研究結果相似。中度鹽漬化土壤表現(xiàn)出有機肥施入比例越大玉米產(chǎn)量越高的趨勢，這可能是因為中度鹽漬化土壤需要施入較多有機肥來改善土壤通氣不良的狀況，以利于作物和土壤微生物呼吸[35]，且在作物生長前期，高鹽度會抑制作物的生長發(fā)育，本研究土壤初始肥力以及有機肥經(jīng)礦化過程釋放的養(yǎng)分可以滿足作物所需，而在作物生長后期，有機肥相較于尿素肥效持久的優(yōu)勢顯現(xiàn)[5]，利于作物增產(chǎn)。

4 結論

（1）純無機氮肥氨揮發(fā)損失量顯著高于其余施肥處理（P＜0.05），有機無機氮肥配施能有效降低氨揮發(fā)損失。輕度和中度鹽漬化土壤，1/2有機+1/2無機肥配施氨揮發(fā)損失量最小，顯著低于其余施肥處理（P＜0.05）。

（2）中度鹽漬化土壤氨揮發(fā)損失量均高于同一處理輕度鹽漬化土壤，土壤氨揮發(fā)隨著土壤含鹽量的增加而加劇。適宜的肥料配施能顯著降低土壤鹽分，其中1/2有機+1/2無機氮肥配施的土壤電導率最小，顯著低于單施化肥處理（P＜0.05）。

（3）輕度鹽漬化土壤，1/2有機+1/2無機氮肥配施玉米產(chǎn)量最高，較單施尿素玉米產(chǎn)量顯著增加；中度鹽漬化土壤，隨著有機肥施入比例增大玉米產(chǎn)量增加，1/4無機+3/4有機氮肥配施處理和單施有機肥處理之間玉米產(chǎn)量差異不顯著，但均顯著高于純無機肥處理（P＜0.05）。

（4）綜合氨揮發(fā)損失量和玉米產(chǎn)量得到，施氮總量為240 kg·hm-2時，采用1/2有機+1/2無機氮肥配施處理在降低氨揮發(fā)損失的同時還能實現(xiàn)提高玉米產(chǎn)量的目標，故推薦該處理為當?shù)剡m宜的有機無機氮肥配施模式。