2018, Vol. 24 
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氨挥发的氮素随着大气湿沉降进入水圈导致水土富营养化等严峻的环境问题[1]，据统计中国一年大约有3.55 × 106 t氮以氨挥发形式损失[2]。紫色土耕地面积513.09万hm2，其中四川省占48.24%，是西南地区最主要的耕作土壤[3]。大白菜是主要的种植蔬菜之一，为了提高产量，氮肥的投入量巨大，氮肥过量施用则带来了蔬菜硝态氮残留[4]以及环境污染等问题[5]，因此研究紫色土大白菜地的氨挥发特征对紫色土地区的氮素高效利用和降低环境风险有积极意义。
当前对氨挥发的研究主要针对粮食作物玉米、小麦、水稻[6–10]。部分关于蔬菜的氨挥发研究主要集中在大棚内[11]。黄晶晶等[13]对紫色土水稻田的氨挥发进行了研究分析。氨挥发量受到施氮量[14]、氮肥种类[16]、施肥方式[17]、土壤pH[18]等因素的影响[19]。不同土壤和不同种植类型氨挥发差异很大[6, 8, 20]。而目前对于种植大白菜紫色土的田间氨挥发和影响因素研究还鲜有报道，特别是协调产量和氨挥发的最佳施氮量，具有重要意义。本研究采用密闭式连续通气法田间原位测定装置，对2012和2013年在不同施氮肥水平条件下，紫色土区大白菜地的氨挥发进行了测定，目的在于探明紫色土区大白菜地的产量、氨挥发特征及其影响因素，在综合考虑经济效益和环境效益双赢的模式下寻求最佳施氮量，减少氮素的损失。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验地位于四川省农业科学院土壤肥料研究所资阳试验站，地处东经104°34′12″～104°35′19″、北纬30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。多年 (2011～2014年) 年均降雨量为831.86 mm，70%分布在6—9月间，最高为987.65 mm，最低为678 mm。年均温16.8℃，极端最低温–3.6℃，极端最高温36.5℃。供试土壤为遂宁组母质发育的紫色土红沙土。2012年试验前0—20 cm土层土壤的基本理化性状：pH 7.91、有机质9.24 g/kg、全氮0.55 g/kg、水溶性氮2.71 mg/kg、铵态氮1.29 mg/kg、硝态氮0.69 mg/kg、有效磷3.02 mg/kg、速效钾90.21 mg/kg。
1.2 试验设计大白菜田间试验设置6个处理，施氮量依次为N 0 (CK)、112.5、150、187.5、225和300 kg/hm2，氮肥为尿素。磷肥和钾肥分别为过磷酸钙和氯化钾，施肥量分别为P2O5 105 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，全部作基肥。氮肥等分为两份，分别用于基肥和追肥。每个处理重复3次，完全随机区组排列，小区面积为30 m2。试验地周围设置宽度为3 m保护行，小区间筑宽30 cm，高20 cm田埂。
供试大白菜品种为‘青杂3号’，于2012年9月18日播种，10月14日移栽，2013年2月27日收获；2013年8月20日播种，9月20日移栽，2014年1月8日收获。行距50 cm，窝距50 cm。施用基肥日期为2012年10月19日和2013年9月24日，追肥日期为2012年12月5日和2013年11月4日，施肥方法均为撒施。田间灌溉和病虫草害管理均按照当地的常规方式进行。
1.3 氨挥发测定方法采用密闭室连续通气法监测稻田NH3挥发通量[21]，通过利用空气置换将土壤挥发出来的NH3随气流进入吸收瓶中，然后将吸收液带回室内进行测定，田间装置如图1所示。具体方法为：在地里预埋内径为50 cm、高为30 cm的不透光有机玻璃微区桶，微区内有一株白菜，用一带盖有机玻璃罩 (内径50 cm、高10 cm) 扣在微区桶上，并用透明胶带密封连接部分 (胶带宽度 ≥ 5 cm)，通过橡皮管与高为2.5 m的通气管连接 (所有通气管口在离试验地5 m之外2.5 m高的点，保证通入密室的气体一致且不被白菜地排放的NH3污染，其NH3浓度为大气中的NH3浓度)。
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| 图1 密闭室氨挥发测定装置 Fig. 1 Apparatus for ammonia volatilization |
在基肥和追肥施用之后的第一天开始测定氨挥发，固定在上午9:00—10:00，下午16:00—17:00进行，连续测14 d (降雨停止测定)，直至检测不到氨挥发。氨挥发测定的收集装置用装有2%的硼酸吸收气体中的NH3，然后用标准盐酸滴定其中收集到的NH3，由此得到大白菜地NH3挥发情况。
1.4 大白菜产量测定及植株样品的采集在大白菜成熟期全部收获，采用烘干法测定其干产。每个小区选择5棵有代表性的白菜植株，装入网袋带回实验室，烘干后全部粉碎，采用H2SO4–H2O2消煮提取，用连续流动分析仪测定大白菜全氮的含量。
1.5 数据处理NH3挥发通量的计算方程为：
| $F = C \times V/(S \times t) \times 24 \times 10000/1000000$ | (1) |
式中：F为一天当中NH3挥发通量[kg/(d·hm2)]；C为标准盐酸的浓度 (mg/L)；V为标准盐酸的滴定体积 (L)；S为密闭式内部面积 (m2)；t为氨挥发测定时间 (h)。
NH3挥发总量的计算方程为：
| ${N_{\rm A}} = \sum {(F \times d} )$ | (2) |
式中：NA为NH3挥发总量 (kg/hm2)；d为时间 (1 d)。
吸氮量的计算方程为：
| $NA = N \times W$ | (3) |
式中：NA是吸氮量 (kg/hm2)；N为大白菜含氮量；W为大白菜干重 (kg/hm2)。
单位产量氨挥发量的计算方法为：
| $D = {N_{\rm{A}}}/Y$ | (4) |
式中：D为单位产量氨挥发量 (g/kg)；Y为单位面积产量 (kg/hm2)。
氮肥农学利用效率计算方法为：
| $NUE = \left( {Y - {Y_{{\rm{N0}}}}} \right)/{N_{{\rm{fer}}}}$ | (5) |
式中：NUE为氮肥农学利用效率 (kg/kg)；YN0为空白区大白菜的单位面积产量 (kg/hm2)；Nfer为单位面积大白菜施氮量。
试验数据利用Excel软件处理计算并作图，用SPSS软件对实验数据进行方差分析和显著性检验。
2 结果与分析 2.1 大白菜产量、吸氮量及氮肥农学利用效率表1可知，随着施氮量的增加，2012年大白菜产量随着施氮量从0到187.5 kg/hm2呈现显著增加的趋势，但是从N 187.5 kg/hm2到225 kg/hm2、300 kg/hm2的增加不显著；2013年除不施氮处理大白菜产量显著低于施氮处理之外，随着施氮量的继续增加大白菜产量差异不显著。大白菜吸氮量与产量变化趋势基本上相同，随着施氮量增加，氮素吸收增加。2012和2013年两年，大白菜吸氮量的变化趋势是相同的，施氮量是从0增加到187.5 kg/hm2的时候，大白菜的吸氮量不断地增加。但是，随着施氮量从187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2的时候，吸氮量增加就呈现不显著的变化。氮肥农学利用效率随着氮肥施用量的增加呈先降低后增加再降低的趋势。施氮量为187.5 kg/hm2的处理，大白菜对氮肥利用率较高，说明当施氮量超过187.5 kg/hm2后，大白菜的产量和吸氮量增加量不显著，氮肥利用率降低，特别是2013年300 kg/hm2处理大白菜产量和氮素吸收量均有明显减低趋势。因此，综合考虑大白菜的产量、吸氮量以及氮肥农学利用效率可以得到，187.5 kg/hm2处理是最适宜的氮肥施用量。
| 表1 不同氮素水平大白菜产量及氮素吸收利用 Table 1 Yield and nitrogen uptake of cabbage under different N rates |
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图2表明，2012和2013年不同氮水平处理的条件下，大白菜地施用基肥、追肥之后氨挥发速率的变化规律。2012和2013年大白菜地施用基肥后，氨挥发速率都呈现出先上升至最大值，然后下降的趋势，且氨挥发速率随着施氮量的增加而增加。2012年施基肥后第9天，大白菜地的氨挥发速率达到最高值，各个施氮处理在第9天的氨挥发速率分别为0.02、0.38、0.52、1.15、2.02、2.50 kg/(hm2·d)。2013年大白菜地施用基肥后的氨挥发速率在第5天达到最高值，其中N 0至300 kg/hm2处理在第5天的氨挥发速率分别为0.11、0.75、1.46、1.62、2.33、3.71 kg/(hm2 ·d)。大白菜追肥后的氨挥发速率远低于基肥后，而且氨挥发速率与施氮量之间的相关性也低于基肥后。2012和2013年大白菜地追肥后的氨挥发速率，随着施氮量的增加同样也会增加，但是增加效果并不是很明显。除此之外，追肥之后氨挥发速率并没有像基肥后呈现出最大氨挥发速率值，而是保持比较平稳的变化，尤其是2012年。
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| 图2 大白菜地不同氮水平基肥和追肥后氨挥发速率动态 Fig. 2 Dynamic of NH3 volatilization rate after basal fertilization and topdressing in cabbage field |
表2表明，2012和2013年相同氮水平下氨挥发总量的损失基施后大于追肥后，基肥后的氨挥发总量介于1.08和23.58 kg/hm2之间，追肥后介于0.21和2.83 kg/hm2之间。施氮量从150 kg/hm2增加到187.5 kg/hm2，基肥后和追肥后氨挥发总量增加不显著；施氮量从187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2时，基肥后氨挥发的总量均显著增加。通过单季氨挥发损失量可以得到，大白菜地氨挥发年均损失量随着施氮水平从150 kg/hm2增加到187.5 kg/hm2的时候并不显著，而187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2的时候呈现显著性增加。因此，综合基肥和追肥氨挥发的情况，可以认为施氮量187.5 kg/hm2为最佳。
| 表2 不同氮水平基肥和追肥后大白菜地单季氨挥发损失氮总量 (kg/hm2) Table 2 Seasonal ammonia volatilization loss after basal and topdressing N in cabbage field |
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通过表2中单季氨挥发总量可以得到不同氮水平处理条件下，氨挥发损失率以及单位产量氨挥发量 (表3)。从表3中可知，氨挥发损失率随着施氮量的增加并不是单调变化的，而是呈现不规则的变化。氨挥发损失占肥料氮的比例变化范围在3.8%～7.2%，而且施氮量187.5 kg/hm2处理的氨挥发损失比例相对较低，仅次于施氮量112.5 kg/hm2处理。单位产量氨挥发量基本上是随着施氮量的增加呈现增加的趋势，从对照处理的0.73 g/kg升高至施氮量300 kg/hm2处理的2.60 g/kg。而且施氮量从187.5 kg/hm2增加到225 kg/hm2、300 kg/hm2时的增加速率同样大于施氮量从0到150 kg/hm2、187.5 kg/hm2，而且施氮量187.5 kg/hm2处理的单位产量氨挥发量仅大于施氮量112.5 kg/hm2处理。因此，综合考虑氨挥发损失率和单位产量氨挥发量，施氮量为187.5 kg/hm2为保证较低氨挥发量和较高产量的最佳施肥量。
| 表3 不同氮素水平氨挥发占肥料氮的比例及单位产量氨挥发量 Table 3 Ammonia volatilization loss from fertilizer nitrogen and the unit yield cabbage under different nitrogen rates |
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氮肥的施用不仅能够提高作物的产量，还能够改善作物的品质。可是，过分追求氮肥的增产增效作用而忽略过量氮肥对环境造成的污染，就会对环境造成难以估量的危害。因此，本研究通过设置不同水平的氮处理，研究其对紫色土大白菜的产量和氨挥发的影响，不仅能提高大白菜品质，而且对该区域农业供给侧结构改革意义重大。本研究中通过施氮量的增加，大白菜的产量和吸氮量同样也呈现出增加的趋势。但是施氮量为187.5 kg/hm2处理，大白菜的产量和吸氮量相对于施氮量112.5 kg/hm2和150 kg/hm2增加趋势不显著 (表1、图2)。很多研究同样也发现了存在临界氮水平影响作物的产量[23–26]。例如，闵炬等[23]研究发现在太湖地区施氮量为传统习惯施氮量的20%～40%时，能够保证黄瓜和番茄较高的产量和较好的品质。
本研究发现，基肥后氨挥发速率都是随着测定时间的延长呈现先增加后降低的趋势，2012年和2013年基肥后最大氨挥发速率分别出现在第9天和第5天。这可能与2013年的气温高于2012年的气温有关，后面会做进一步讨论说明。对于施氮处理而言，大白菜季氨挥发总量是6.53～22.72 kg/hm2，占总施肥量的5.8%～8.2%。此外，从图3中可以看出，大白菜季氨挥发量随着施肥量的增加而增加，增加趋势随着施氮量从0增加到187.5 kg N/hm2，氨挥发量呈现缓慢增加的趋势，而当施氮量从187.5 kg/hm2增加到300 kg/hm2，氨挥发量的增加趋势呈现陡然上升。本研究中大白菜季施氮肥处理氨挥发损失率为3.8%～7.2%。这一研究结果与他人的研究结果存在差异[6, 10–11, 13, 27]。例如，习斌等[11]在大棚菜地常规施肥下测定，氨挥发占总施氮量的0.73%，低于本研究的结果，这可能是由于试验中追肥后浇水造成的。相比大田作物水稻，夏文建等[6]在湖北稻–麦轮作体系中测定水稻氨挥发损失量为N 32.50～62.82 kg/hm2，肥料氮氨挥发损失率为8.2%～19.4%；而黄晶晶等[13]在紫色土水稻田上测定氨挥发介于N 23.4和96.9 kg/hm2之间，占施氮量的29.4%～38.0%。水稻土的氨挥发损失量要远大于大白菜地，这与水稻生长季节温度偏高，以及水稻田面有水层覆盖导致的还原条件有关。相比大田作物小麦和玉米而言，董文旭等[10]在华北平原小麦–玉米轮作体系中测定单施尿素的累积氨挥发损失量占尿素施用量的7.2%～9.7%，高于本研究中大白菜地的氨挥发损失率，这与大白菜生长时期是冬季，温度远低于玉米生长时期有关。葛顺峰等[27]在研究中指出较低的土壤温度会阻碍微生物的活动，降低脲酶的活性，从而减少了氨挥发的损失。总而言之，大白菜相对于其他大田作物，氨挥发量偏低，对环境的污染效应较低。
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| 图3 不同施氮量下大白菜产量和氨挥发量 Fig. 3 Cabbage yield and NH3 volatilization varied with nitrogen fertilizer application rate |
与大多数研究一致[7]，紫色土大白菜地的氨挥发量与施氮量成正比。不管是2012年还是2013年，基肥和追肥之后大白菜的氨挥发差异非常大。由于本研究基肥和追肥的施肥方式和每个处理施肥量均为一致，因此氨挥发差异可能与基肥和追肥氨挥发测定时间段的温度差异相关。从表4中，可以看出对于同一年的基肥或者追肥而言，每个处理之间的温度差异并不是很大。但是同一处理，同年的基肥和追肥之间温度的差异非常显著，基肥和追肥最大的温度差能够达到9.4℃。因此，温度同样会对大白菜地的氨挥发损失量起到比较显著的影响。温度对氨挥发的影响在他人的研究中也有相关的报道[10, 22, 28–30]。例如，宋永生等[28]通过研究太湖地区水稻氨挥发的影响因素，发现温度较高时脲酶的活性增加，从而加快尿素的分解，增加氨挥发的损失。龚巍巍等[29]通过菜地氨挥发的研究，发现氨挥发通量与土壤温度呈明显的正相关关系。因此，氨挥发通量不仅与施肥方式和施肥量呈现比较明显的正相关关系，还与土壤温度具有较大的相关关系。
| 表4 大白菜不同氮水平基肥和追肥后氨挥发测定时期土壤温度均值 (℃) Table 4 Average soil temperatures during the monitoring period after fertilization in cabbage field |
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本试验采用密闭式连续通气法测定了2012年和2013年不同氮水平的尿素撒施在大白菜地的土壤氨挥发。对于基肥而言，氨挥发的持续时间为两周左右，2012年最大氨挥发速率出现在第9天，而2013年最大氨挥发速率出现在第5天；对于追肥而言，氨挥发持续的时间也将近两周左右，但是并没有出现最大氨挥发速率，而是呈现比较平稳的变化。基肥和追肥之间氨挥发速率的差异是由于温度的不同造成的。
随着施氮量的增加，大白菜的产量和氨挥发总量呈现增加的趋势，但是当施氮量大于187.5 kg/hm2时，大白菜的产量增加不显著而氨挥发总量呈现显著的增加。除此之外，当施氮量为187.5 kg/hm2时，大白菜的吸氮量和氮肥农学利用效率都比较高；氨挥发损失率和单位产量氨挥发量比较低，仅大于施氮量112.5 kg/hm2处理。因此，综合考虑经济效益和环境效益，推荐施氮量187.5 kg/hm2为紫色土大白菜地的最佳氮肥投入量。
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