孫桂蘭，韓迎春，馮璐，楊北方，雷亞平，熊世武，張正貴，王占彪，李亞兵

（中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000）

棉花是我國主要經(jīng)濟作物之一，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要地位[1]。黃河流域是我國三大產(chǎn)棉區(qū)之一，該區(qū)棉花生產(chǎn)中的氮肥過量施用問題嚴重[2-3]。黃河流域棉花氮肥用量一般為187.5～270 kg·hm－2，是美國棉花帶最優(yōu)推薦施氮量（90 kg·hm－2）的 2.08～3 倍[4]。過量施用氮肥，增加了農(nóng)田土壤氮素損失的風險；而氨揮發(fā)是化學氮肥主要的損失途徑之一，占施氮量的23%[5]。氨揮發(fā)會帶來水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、溫室氣體排放增加等諸多環(huán)境問題[6-8]。

土壤氨揮發(fā)受施氮量、耕作制度、施肥種類、灌水條件以及土壤理化性質等因素的影響[9-10]。葛順峰等[11]研究發(fā)現(xiàn)不同施氮量下，土壤氨揮發(fā)速率存在明顯差異，且氨揮發(fā)損失量隨施氮量的增加而顯著升高。李詩豪等[12]研究發(fā)現(xiàn)在無機氮肥、緩釋氮肥和有機無機肥配施的3 種氮肥中，緩釋氮肥引起的氨揮發(fā)損失量最少。劉秋麗[13]研究發(fā)現(xiàn)，降水可以降低土壤氨揮發(fā)，不同灌溉順序導致的氨揮發(fā)損失量不同。

迄今，有關不同施氮量對土壤氨揮發(fā)影響的研究在稻田、蔬菜、春玉米等體系中已有大量研究[12,14-15]，但針對施氮量對黃河流域棉田氨揮發(fā)影響的研究還比較少。本研究探索了不同施氮量對棉田氨揮發(fā)的影響，旨在明確棉田氨揮發(fā)損失與施氮量的關系，為棉田氮肥減施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗于2018年在河南省安陽市中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所東場試驗基地進行 （36°06′N，114°21′E）。棉花品種為中棉所 60。耕層土壤基礎理化性狀：pH 8.12，有機質含量 16.27 g·kg－1，全氮含量1.16 g·kg－1，有效磷含量 12.27 mg·kg－1，速效鉀含量 162.0 mg·kg－1。

1.2 試驗設計

試驗按照常規(guī)尿素的施氮量設置4 個施肥處理。分別為：（1）F1： 不施氮肥；（2）F2： 施氮量為112.5 kg·hm－2；（3）F3： 施氮量為 168.75 kg·hm－2；（4）F4： 施氮量為 225.0 kg·hm－2。其中，225.0 kg·hm－2施氮量是黃河流域棉田常規(guī)施氮量。磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）使用量均為 102 kg·hm－2。試驗中氮肥按1∶1 分別在苗期和花鈴期施入，而磷肥和鉀肥在苗期一次性施入。

試驗采用完全隨機區(qū)組設計，重復3 次，共計12 個小區(qū)。小區(qū)為8 行區(qū)，行長10 m，小區(qū)面積60 m2。棉花于 4月 21日按等行距 76 cm 播種，130 cm寬膜雙行覆蓋，播種密度為每公頃9.0 萬株，11月6日最后一次收花。苗期施肥和花鈴期施肥的日期分別為5月23日和7月23日，均采用開溝撒施，其他管理均為常規(guī)田間管理。施肥后的日平均氣溫和降水量見圖1。

圖1 施肥后日平均溫度和降水量

1.3 樣品采集

試驗采用通氣法收集氨氣[16]。所用的裝置為硬質 PVC 管，其直徑為 15 cm、高為 10 cm（圖 2）。收集氨氣過程中，分別將兩塊均勻浸有15 mL 磷酸甘油溶液（50 mL 磷酸＋40 mL 丙三醇，定容至1 000 mL）的海綿（厚度均為2 cm、直徑均為16 cm）置于硬質PVC 管中，作為氨氣吸收層的下層海綿距管底4 cm，作為隔絕層的上層海綿與管頂部相平。取樣時，將下層海綿取出并立即裝入自封袋中，然后將新的浸有磷酸甘油溶液的海綿放入下層，上層海綿根據(jù)其干濕狀況3～7 d 更換1 次。將下層海綿帶回實驗室后，置于容積為500 mL 的塑料瓶中，加入 1.0 mol·L－1的 KCl 溶液 300 mL，使溶液完全沒過海綿，振蕩1 h 后，留取浸提液。

施肥當天在各個小區(qū)分別放置1 個氨氣收集裝置，然后在施肥后第 1、2、3、4、5、6、7、10、13、20、27、34 天取樣，每次取樣在 16:00 點開始。

1.4 樣品測定

浸提液中的銨態(tài)氮用靛酚藍比色法[17]進行測定。

氨揮發(fā)速率計算公式[15]：

式中，v為氨揮發(fā)速率（kg·hm－2·d－1），M為通氣法中單個裝置平均每次測得的氨量 （mg）、A為捕獲裝置的截面積 （m2）、D為每次連續(xù)捕獲的時間（d）。

氨揮發(fā)累積損失量計算公式[18]：

式中，Af為氨揮發(fā)累積損失量 （kg·hm－2），n為施肥后測定總次數(shù)，vi為第i次測定時的氨揮發(fā)速率（kg·hm－2·d－1)，Ti為第i次測定的施肥后的天數(shù)，Ti-Ti-1 為兩個相鄰測定日期之間的時間間隔（d）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和作圖均采用Excel 2013 完成，用SPSS 19.0 進行統(tǒng)計檢驗分析。

圖2 田間氨揮發(fā)收集裝置圖

2 結果與分析

2.1 施肥后棉田氨揮發(fā)速率變化

由圖3 可看出，苗期施肥后，4 個處理的氨揮發(fā)動態(tài)變化基本一致，在施肥后7 天內均有2 個峰值，氮肥處理的氨揮發(fā)速率明顯高于無氮肥處理的氨揮發(fā)速率，且施用氮肥對棉田氨揮發(fā)的影響主要在施肥后20 天內。

圖3 苗期施肥后不同處理棉田氨揮發(fā)速率

F2、F3和F4氨揮發(fā)速率在施肥后第2 天達到第1 個峰值，最高達 0.61 kg·hm－2·d－1，且峰值隨施氮量的增加而增大； 在施肥后第4 天達到第2 個峰值，最高達 0.50 kg·hm－2·d－1。F1在施肥后第 4 天達到第1 個峰值，在施肥后第7 天達到第2 個峰值。在施肥后20 d 內，各處理的氨揮發(fā)速率變化較大；連續(xù)測定至第20 天時，各處理的氨揮發(fā)速率已無明顯差異，處于 0.01～0.06 kg·hm－2·d－1之間。

圖4 花鈴期施肥后不同處理棉田氨揮發(fā)速率

由圖4 可看出，花鈴期施肥后，各處理（除F1外）氨揮發(fā)速率逐漸上升，施肥后第2 天達到峰值，最高達 0.84 kg·hm－2·d－1；第 3 天開始逐漸下降，至第 4 天各處理（除 F1外）無明顯差異。F1在施肥后第 1 天有 1 個峰值，1～5 天呈下降趨勢，第 5 天后逐漸上升，至第7 天有1 個小高峰。各處理在第7天以后，氨揮發(fā)速率變化不大。

2.2 施肥后棉田氨揮發(fā)累積損失量變化

由表1可知，2次施肥后，棉田氨揮發(fā)累積損失量均隨施氮量的增加而增加。苗期施肥后，氨揮發(fā)累積損失量較高，為 2.61～5.77 kg·hm－2，氨揮發(fā)導致的氮肥損失率為2.81%～4.63%； 花鈴期施肥后，氨揮發(fā)累積損失量較低，為 1.24～3.61 kg·hm－2，氨揮發(fā)導致的氮肥損失率為2.11%～2.70%。

從棉花的整個生育期看，氨揮發(fā)總量為3.85～9.38 kg·hm－2，氨揮發(fā)導致的氮肥損失率為 2.46%～3.67%。苗期施肥后氨揮發(fā)累積損失量所占比例較大，占氨揮發(fā)總量的61.51%～67.79%；而花鈴期施肥后僅占氨揮發(fā)總量的32.21%～38.49%。

3 討論與結論

本研究發(fā)現(xiàn)，從棉花的整個生育期看，氨揮發(fā)損失主要集中在施肥后1 周內，之后氨揮發(fā)速率逐漸下降（圖3 和圖4），這與楊淑莉等[19]的研究結果較一致。本試驗中，施用氮肥明顯提高了棉田氨揮發(fā)損失量，且氨揮發(fā)總量隨施氮量的增加而增加，棉田氨揮發(fā)總量為 3.85～9.38 kg·hm－2，氨揮發(fā)損失率為2.46%～3.67%（表1），這與景建元等[20]的研究結果較一致。

研究表明，施肥后，溫度較高時期的氨揮發(fā)累積損失量遠高于溫度較低時期[15,21]。本研究發(fā)現(xiàn)，苗期施肥后的溫度低于花鈴期施肥后的溫度，但苗期施肥后的氨揮發(fā)累積損失量高于花鈴期施肥后的氨揮發(fā)累積損失量。這與前人的研究結果不同，主要原因可能是降水量不同。雖然溫度升高會加快氨氣的擴散速率，但是降雨會引起地表徑流，稀釋土壤表面產(chǎn)生的氨氣，抑制土壤氨揮發(fā)[22]。由圖1 可知，本研究中，施肥后19 天內，苗期施肥后的日平均溫度基本都低于花鈴期施肥后的日平均溫度。然而，苗期施肥后總降水量為20.6 mm，花鈴期施肥后正值黃河流域降雨較多時期，總降水量高達262.9 mm，降雨過多抑制土壤氨揮發(fā)，導致棉田花鈴期施肥后的氨揮發(fā)損失量遠低于苗期施肥后的氨揮發(fā)損失量。

本研究結果表明，從棉花的整個生育期來看，施用氮肥明顯促進棉田氨揮發(fā)，且棉田氨揮發(fā)總量隨施氮量的增加而增加。苗期施肥后，不同處理氨揮發(fā)的差異主要集中在施肥后20 天內，第20 天及以后各處理的氨揮發(fā)速率無明顯差異?；ㄢ徠谑┓屎?，不同處理氨揮發(fā)的差異主要集中在施肥后7 天內，第7 天及以后各處理的氨揮發(fā)速率無明顯差異，至第27 天各處理氨揮發(fā)速率已趨近零。

表1 不同處理施肥后棉田氨揮發(fā)累積損失量和損失率