袋控釋肥對(duì)斑苦竹林氨揮發(fā)的影響

王 茜 余 英 張艷麗 易桂林 楊潔鈺 桂仁意

(1 宜賓林竹產(chǎn)業(yè)研究院 四川宜賓 644000；2 宜賓市森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)中心 四川宜賓 644000； 3 浙江農(nóng)林大學(xué) 杭州 31130)

斑苦竹(Plieioblaslusmaculatus)屬禾本科竹亞科苦竹屬，筍期通常在3—5月，筍質(zhì)細(xì)膩，綠色健康；較其他苦竹，口感更脆甜，有回甘，滿足大健康時(shí)代人們對(duì)口感與健康的雙重飲食需求。四川宜賓地區(qū)斑苦竹筍源豐富，筍有獨(dú)特清香，品質(zhì)極佳，近年來(lái)廣受好評(píng)。為滿足市場(chǎng)需求，宜賓大部分斑苦竹筍培育借鑒了雷竹筍施肥培育的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，也發(fā)展了冬季覆蓋和重施肥技術(shù)[1]，使斑苦竹筍實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量翻倍、跨季節(jié)出筍，如今早產(chǎn)斑苦竹林產(chǎn)值可達(dá)3萬(wàn)元/667 m2。隨著斑苦竹種植效益大幅提升，越來(lái)越多竹農(nóng)加入斑苦竹林經(jīng)營(yíng)管理行列[2-4]。

冬季覆蓋和重施肥技術(shù)，在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也導(dǎo)致了肥料利用率低下、土壤酸化以及嚴(yán)重環(huán)境污染等問(wèn)題。此項(xiàng)技術(shù)化肥的全年用量為3.0～4.5 t/hm2[5]，氮肥用量是國(guó)際限量標(biāo)準(zhǔn)的3倍以上[6]。同時(shí)，在竹林培育過(guò)程中，部分筍農(nóng)為了增加經(jīng)濟(jì)效益，存在簡(jiǎn)化施肥方式、盲目施肥的情況?；蔬^(guò)量使用，不僅降低肥效，致使土壤板結(jié)甚至鹽堿化，還會(huì)增加大氣PM2.5濃度，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[7]，給竹林整體生態(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。根據(jù)蘇有健等[8]的研究，全世界進(jìn)入土壤的氮肥有10%～40%經(jīng)淋溶損失，1%～47%通過(guò)氨揮發(fā)損失；趙建誠(chéng)等[9]研究也表明，在肥培的竹林中氨揮發(fā)造成的損失可達(dá)總含氮量的20%以上。目前對(duì)于揮發(fā)造成的竹林施肥損失探討極少，但揮發(fā)是氮肥損失的主要途徑之一，探究不同施肥模式下的氨揮發(fā)量，對(duì)提高肥料利用率、節(jié)約經(jīng)營(yíng)成本、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。因此，通過(guò)優(yōu)選適宜氨揮發(fā)收集裝置、檢測(cè)方法，開展斑苦竹林施肥試驗(yàn)，研究袋控釋肥和傳統(tǒng)撒施肥對(duì)斑苦竹林氨揮發(fā)的影響，以期為竹林施肥改良優(yōu)化、竹林經(jīng)營(yíng)節(jié)能減排、竹林生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

高密度聚酯海綿為永嘉海綿制品定制；聚乙烯硬質(zhì)管、保鮮膜、凡士林均在普通建材市場(chǎng)采購(gòu)。(98%)硫酸、硼酸、(85%)磷酸、甘油、硫酸銨、硫酸亞鐵、三氯化鋁、苯酚、二硝基鐵氰化鈉、氫氧化鈉、磷酸氫二鈉、十水磷酸鈉、次氯酸鈉溶液、酒石酸鉀鈉、納氏試劑、乙二胺四乙酸二鈉、氫氧化鈉、均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

紫外分光光度計(jì)：UV-1750，日本島津公司；鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9070A，蘇州江東精密儀器有限公司；超聲波清洗機(jī)：F-060P，深圳福洋科技集團(tuán)有限公司；振蕩器：HY-3A，常州邁科諾儀器有限公司。

1.3 揮發(fā)氨收集方法

根據(jù)王朝輝等人的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[10-14]，結(jié)合斑苦竹林多位于山地的實(shí)際情況，本實(shí)驗(yàn)選擇原位測(cè)定法[10]，稍加改動(dòng)。通氣法和密閉法的裝置如圖1。硬質(zhì)塑料管道底部用保鮮膜、凡士林密封，確保不透氣。通氣法(圖1A)為與田間遮雨裝置一致，管道上方放置遮雨三角板。

注：A為通氣法裝置，B為密閉法裝置。圖1 揮發(fā)氨收集裝置Fig.1 Collecting device for volatile ammonia

取洗凈烘干的50 mL擴(kuò)散皿9套，加入0.1 mol/L 硫酸銨溶液10.0 mL、0.02 mol/L氫氧化鈉5.00 mL，放入上述捕獲裝置，其中3套用硼酸密閉法、3套用硫酸通氣法、3套用磷酸通氣法，吸收液中的氨用靛酚藍(lán)比色法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.1 硼酸密閉法

裝置如圖1B (密閉法)，用保鮮膜、凡士林密封硬質(zhì)塑料管道底部，確保不透氣，于管道底部，不銹鋼支架下端放置擴(kuò)散皿，擴(kuò)散皿外圈加入0.1 mol/L硫酸銨10.0 mL，將直徑200 mm裝有20.0 mL 2%硼酸溶液的培養(yǎng)皿放于不銹鋼支架上，培養(yǎng)皿頂部與實(shí)驗(yàn)臺(tái)保持5～7 cm的距離。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，于擴(kuò)散皿外圈再加入0.2 mol/L氫氧化鈉5.0 mL，用保鮮膜、凡士林密封管口。24 h后，依次向蒸發(fā)皿中加入0.2 mol/L的硫酸溶液5.0 mL中和剩余的氫氧化鈉，終止擴(kuò)散皿中氨的反應(yīng)，測(cè)定蒸發(fā)皿中剩余氨含量。揮發(fā)氨回收率計(jì)算方法如下:

(1)

式(1)中，R為揮發(fā)氨回收率，c0為硫酸銨原始濃度，c1為擴(kuò)散皿中剩余硫酸銨濃度，v0為硫酸銨體積，c為培養(yǎng)皿中吸收液中氨濃度，v為培養(yǎng)皿中吸收液體積。

1.3.2 硫酸吸收通氣法

如圖1A所示，取2塊厚2 cm、直徑16 cm的海綿，記錄質(zhì)量為m1上、m1下，將15.0 mL的硫酸甘油溶液(10.0 mL丙三醇+15.0 mL濃硫酸定容至250 mL)均勻加入海綿中，備用。在底部封口的硬質(zhì)塑料管道中放置擴(kuò)散皿，在外圈加入0.1 mol/L硫酸銨10.0 mL。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，在擴(kuò)散皿外圈加入0.2 mol/L氫氧化鈉5.0 mL，按圖1A所示位置放上備用海綿，開始捕獲揮發(fā)的氨氣。24 h后，取下海綿，依次向蒸發(fā)皿中加入0.2 mol/L的硫酸溶液5.0 mL中和剩余的氫氧化鈉，終止擴(kuò)散皿中氨的反應(yīng)，測(cè)定蒸發(fā)皿中剩余氨含量。

將2個(gè)潔凈廣口500 mL塑料瓶，分別稱重去皮。將上、下層海綿分別放入塑料瓶中，分別加入400 mL左右1.0 mol/L的氯化鉀溶液，記錄溶液質(zhì)量為m2上、m2下。使海綿完全浸于溶液中，振蕩1 h后，均勻移取樣液待測(cè)。提取液密度(p)測(cè)定為1.02 g/mL。提取液體積計(jì)算方法如下：

(2)

氨回收率計(jì)算方法如下：

(3)

式(3)中，R、c0、c1、v0的含義同公式(1)，c上為上層海綿提取液氨濃度，v上為上層海綿提取液氨體積，c下為下層海綿提取液氨濃度，v下為下層海綿提取液氨體積。

1.3.3 磷酸吸收通氣法

步驟同1.3.2，只是用磷酸代替硫酸。用15.0 mL的磷酸甘油溶液(10.0 mL 丙三醇+12.5mL濃磷酸定容至250 mL)浸潤(rùn)海綿，備用。

1.4 檢測(cè)方法

用納氏比色法、靛藍(lán)比色法分別測(cè)定磷酸通氣法中的所有樣液，比較測(cè)定差異。

1) 納氏比色法。根據(jù)陳動(dòng)等[15]改進(jìn)的納氏比色法，將25.0 mL加入2.0 mL過(guò)氧化氫、1.0 mL 硫酸亞鐵溶液、2.0 mL三氯化鋁溶液，攪拌2 min，待溶液絮凝沉淀，再取樣于10mm比色皿中，在波長(zhǎng)420 nm處測(cè)定。

2) 靛藍(lán)比色法。按照《土壤農(nóng)化分析》[16]中的靛酚藍(lán)比色法進(jìn)行測(cè)定。

1.5 林間試驗(yàn)

1.5.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

田間試驗(yàn)在四川省宜賓市翠屏區(qū)水庫(kù)村進(jìn)行。試驗(yàn)地年平均氣溫18.7 ℃，1月最低氣溫7 ℃，7月最高氣溫38℃，年日照時(shí)間1 069.9 h，年降雨量1 143.5 mm，降雨集中在4—9月。土壤發(fā)育為第四紀(jì)砂巖母質(zhì)的黃壤，斑苦竹林土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil at test site

1.5.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)間為2021年3月至2021年12月。選取相同坡度的9個(gè)相鄰試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為25 m2(5 m×5 m)。每個(gè)小區(qū)用規(guī)格為20 m×60 cm×5 mm鐵皮板隔開，鐵皮板嵌入地下30 cm，高出地面30 cm。試驗(yàn)設(shè)置3種施肥處理：處理CK不施肥、處理A撒施復(fù)合肥(含N量20.5%)3 kg、處理B坑埋袋控釋肥(含N量20.5%)3 kg，袋規(guī)格為10 cm×10 cm，袋上均勻打4排孔洞，每排4個(gè)。各處理均重復(fù)3次，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)之間設(shè)1 m保護(hù)行。

施用袋控釋肥的3個(gè)小區(qū)，在每個(gè)小區(qū)中均勻挖12個(gè)20 cm × 20 cm × 20 cm的淺坑，每個(gè)坑埋1袋250 g的袋控釋肥。

試驗(yàn)地的9個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)放置3個(gè)磷酸通氣裝置，如圖1用彩鋼瓦做成三角遮雨裝置。按王朝輝等[10]的通氣法，從施肥當(dāng)天開始捕獲氨氣，第1周每隔24 h更換1次上、下層海綿，裝入密封袋中；此后，視收集情況，下層海綿1～7 d更換1次，上層海綿3～7 d更換1次，收集液用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 收集方法對(duì)揮發(fā)氨回收的影響

3種收集方法的揮發(fā)氨回收率比較如圖2。從圖2可以看出，在3種收集方法中，誤差由高到低分別為硼酸密閉法>硫酸通氣法>磷酸通氣法，而回收率從高到低依次是磷酸通氣法>硫酸通氣法>硼酸密閉法?；厥章首畹偷氖桥鹚崦荛]法，回收率為60%；同時(shí)硼酸密閉法的變異系數(shù)為最高，近10%；表明硼酸密閉法的精確度和穩(wěn)定性相對(duì)較差。磷酸通氣法與硫酸通氣法在本次實(shí)驗(yàn)中變異系數(shù)接近，都低于3%；說(shuō)明通氣法的穩(wěn)定性較好，變異性低。磷酸通氣法的回收率為90%，高于硫酸通氣法的回收率，因此磷酸通氣法是本次方法優(yōu)選中的最佳收集方法。

圖2 不同收集方法的揮發(fā)氨回收率Fig.2 Volatile ammonia recovery rate of different collection methods

2.2 檢測(cè)方法對(duì)揮發(fā)氨回收的影響

2種檢測(cè)方法的回收率比較如圖3。從圖3可以看出，納氏比色法誤差>靛酚藍(lán)比色法誤差。2種比色法的變異系數(shù)都小于3%，離散程度低，穩(wěn)定性好，其中靛酚藍(lán)比色法變異系數(shù)為3‰。靛酚藍(lán)比色法回收率為90%，高于納氏色比法，因此優(yōu)選靛酚藍(lán)比色法為檢測(cè)方法。

圖3 不同檢測(cè)方法的揮發(fā)氨回收率Fig.3 Volatile ammonia recovery rate of different detection methods

2.3 不同施肥方式對(duì)氨揮發(fā)的影響

2.3.1 氨揮發(fā)速率變化

不同施肥方式的氨揮發(fā)速率變化如圖4。由圖4可知，施肥后的第1 d 即可檢測(cè)到揮發(fā)的氨氣，在監(jiān)測(cè)期(31 d)內(nèi)空白樣地氨揮發(fā)速率變化較小，2種施肥方式氨揮發(fā)速率都呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)，并在第4 d 達(dá)到氨揮發(fā)速率的峰值。撒施肥的峰值為24.38 kg/(hm2·d)，袋控釋肥的峰值為4.94 kg/(hm2·d)，相較撒施肥而言，袋控釋肥揮發(fā)速率的峰值降低了79.72%，且2種施肥模式對(duì)斑苦竹林氨揮發(fā)速率峰值影響差異顯著。

注：CK為不施肥，A為撒施復(fù)合肥，B為坑埋袋控釋肥。下同。圖4 不同施肥方式下氨揮發(fā)速率的變化Fig.4 Changes in ammonia volatilization rate under different fertilization methods

撒施肥區(qū)域在施肥后第1 d即檢測(cè)到明顯的揮發(fā)氨，揮發(fā)速率在第2 d 開始迅速增加，第3 d增速放緩，第4 d再次迅速增加并達(dá)到峰值。這可能是因?yàn)樵囼?yàn)地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，9月仍有大量降雨。暴雨帶來(lái)的降溫延緩了氨揮發(fā)速率的增加，第4 d 溫度上升后，溫、濕度增加，氨揮發(fā)速率便再次快速增長(zhǎng)，并達(dá)到峰值。施肥后的5～9 d，氨揮發(fā)速率快速下降，在揮發(fā)10 d左右便逐漸趨于平穩(wěn)。袋控釋肥的氨揮發(fā)一直處于較低水平，在前4 d氨揮發(fā)速率也呈現(xiàn)逐步增加態(tài)勢(shì)，在第3 d較大幅度上升后，第4 d達(dá)到峰值。這可能是因?yàn)榈? d暴雨后，雨水滲入袋控釋肥的包裝袋中，溶解部分肥料，使得肥料通過(guò)包裝袋的孔洞釋放，因此增幅較大。施肥后的5～7 d袋控釋肥的氨揮發(fā)速率逐步降低，趨于平穩(wěn)，緩慢釋放，在9月20日的暴雨過(guò)后再次出現(xiàn)微幅上升，在18 d后逐漸與空白樣地?fù)]發(fā)值接近。

2.3.2 氨揮發(fā)累積損失量及累積損失率變化

不同施肥方式的氨揮發(fā)累積損失量比較如圖5。從圖5可知，隨著時(shí)間增加，空白樣地氨揮發(fā)累積損失量均勻增加，30 d氨揮發(fā)累積損失量為6.44 kg/hm2。撒施肥樣地氨揮發(fā)總體呈現(xiàn)先快后緩的變化趨勢(shì)，損失量大，揮發(fā)時(shí)間較為集中。袋控釋肥樣地氨揮發(fā)總體表現(xiàn)為逐步揮發(fā)、緩慢增加、揮發(fā)量較小、揮發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。撒施肥樣地氨揮發(fā)在施肥后的前3 d呈現(xiàn)迅速上升的趨勢(shì)，第3 d 累積損失為38.00 kg/hm2，累積損失27.69%，第4～9 d 增速有所減緩，在第9 d累積損失量達(dá)到109.31 kg/hm2，累積損失79.78%，而后的第13 d增速進(jìn)一步放緩，在第21 d達(dá)到135.16 kg/hm2，監(jiān)測(cè)期最后10 d增長(zhǎng)趨于平穩(wěn)，僅增加了2.04 kg/hm2。而袋控釋肥樣地在前3 d氨揮發(fā)累積損失量增速十分平緩，第3 d累積損失量為4.40 kg/hm2，累積損失11.80%，第4～15 d增速開始明顯加快，第12 d累積損失量為29.83 kg/hm2，累積損失80.22%，第15 d時(shí)累積損失35.31 kg/hm2，累計(jì)損失89.88%。監(jiān)測(cè)期最后15 d累計(jì)損失量增速趨于平緩，僅增加2.92 kg/hm2。可見，2種施肥模式下的氨揮發(fā)累積損失量和累積速率存在明顯差異。袋控釋肥樣地的氨揮發(fā)累積損失量為36.96 kg/hm2，損失了總施氮量的15.01%，撒施肥樣地的氨揮發(fā)累積損失量為137.20 kg/hm2，損失了總施氮量的55.74%；袋控釋肥較撒施肥氨揮發(fā)累積損失總氮量降低了40.73個(gè)百分點(diǎn)。

圖5 不同施肥方式的氨揮發(fā)累積損失量變化Fig.5 Change of ammonia volatilization accumulation loss under different fertilization methods

3 討論

本文對(duì)于收集方法與檢測(cè)方法，主要從便捷性、可行性、回收率3個(gè)方面綜合考慮進(jìn)行篩選。由于在實(shí)際操作中，林業(yè)作業(yè)條件艱苦，實(shí)驗(yàn)條件往往無(wú)法充分保障，尤其是對(duì)于基層檢測(cè)站、小型實(shí)驗(yàn)室而言，缺少高級(jí)別的自動(dòng)化設(shè)備且專用設(shè)備儲(chǔ)備量不足，如全自動(dòng)定氮儀、流動(dòng)分析儀等，難以滿足全儀器分析的實(shí)驗(yàn)條件；用單個(gè)設(shè)備檢測(cè)如全氮蒸餾儀則效率不高，難以批量操作。因此，收集方法選擇設(shè)備簡(jiǎn)單、適合山地的測(cè)定方法更具有實(shí)際意義。本文選擇的原位測(cè)定法中的通氣法、密閉法都是所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、可以批量檢測(cè)的方法。

在檢測(cè)方法上，比色法法僅需要分光光度計(jì)，相較于需使用流動(dòng)分析儀的滴定法可行性更高。在同等條件下，比色法相對(duì)于一般蒸餾滴定法，檢出限較低，誤差更小，并且更加便捷，更適合批量操作檢測(cè)。周偉等[11]認(rèn)為，靛酚比色法的回收率為90%，而滴定法僅為60%，這表明僅有常規(guī)設(shè)備，主要過(guò)程是人為操作分析時(shí)，比色法相較蒸餾法精確度更高，因此本次實(shí)驗(yàn)采取了2種比色法進(jìn)行優(yōu)選。

由于試驗(yàn)地苦竹林雨后濕度較大，揮發(fā)氨收集裝置尤其是上層海綿，容易吸水積露；而當(dāng)高溫日曬時(shí)，也會(huì)失水，海綿變干，從而影響吸收液的體積。為準(zhǔn)確確定吸收液的體積，采用了質(zhì)量法對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的海綿稱重進(jìn)行確定。在3種收集方法對(duì)比中，密閉法回收率僅有60%，低于吳艷香[17]測(cè)定的75%，以及王朝暉等[10]測(cè)定的70%，與周偉等[11]測(cè)得的60%回收率一致，這可能與測(cè)定方法、硼酸吸收液所放位置、硼酸吸收液盛放容器的表面積和深度等有關(guān)。磷酸通氣法的回收率為90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于密閉法，這與吳艷香、王朝輝等和周偉等的研究結(jié)果一致。

從竹林累計(jì)氨揮發(fā)量上看，袋控釋肥氨揮發(fā)累積損失量為36.96 kg/hm2，為趙建誠(chéng)等[9]同深度累積損失量15.14 kg/hm2的2.44倍。這可能是因?yàn)槭┑恳约皻夂虿煌?，本研究施氮量為趙建誠(chéng)等試驗(yàn)施氮量的2倍，而宜賓翠屏區(qū)試驗(yàn)地溫度相較黃山高3.5 ℃，更有利于氨氣揮發(fā)。相比于撒施肥方式，袋控釋肥能夠有效降低氨揮發(fā)，這與胡昱彥等[18]、周麗平等[19]、潘波等[20]的研究結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本研究顯示，基于林業(yè)作業(yè)的特點(diǎn)，揮發(fā)氨宜采用磷酸通氣法進(jìn)行收集，檢測(cè)揮發(fā)氨宜采用靛酚藍(lán)比色法。在施氮水平為246 kg/hm2的斑苦竹林監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，袋控釋肥氨揮發(fā)累積損失量為37 kg/hm2，損失總施氮量的15%；撒施肥氨揮發(fā)累積損失量為137 kg/hm2，損失總施氮量的56%。袋控釋肥揮發(fā)損失的氮含量?jī)H為使用撒施肥模式揮發(fā)損失的27%，降低施氮損失41個(gè)百分點(diǎn)。因此，相較傳統(tǒng)撒施肥，使用袋控釋肥能夠有效節(jié)能減排，降低林間氨揮發(fā)，減少施肥的揮發(fā)損失并減輕對(duì)空氣的污染。