施用氮肥是粮食增产的主要手段之一,据联合国粮农组织的统计,化肥对粮食的贡献率占40%左右[1]。然而,所施用氮肥中氮素的1/3以上并未用于作物的增产,而是以其它形式进入环境中,对人类及周边环境造成不同程度的危害[2]。研究结果表明,尿素是我国农业生产中施用的主要氮肥品种,但其当季利用率只有30%左右,通过氨挥发损失的N可达施入量的29%~40%,其中表施尿素氨挥发损失可达10%~60%[2-3]。影响土壤氨挥发损失的因素主要有气候条件(温度、湿度、光照和风速等)、土壤性质、施肥量和施用方式、作物及其种植制度等[4]。而采用合理的农业治理措施(施肥量、施肥时间、施肥方式和添加脲酶抑止剂)是减少氮肥氨挥发损失的重要手段[4-5]。对土壤氨挥发的研究,前人多集中于石灰性土壤上,如北方潮土上种植的水稻、玉米和小麦等粮食作物施氮肥后的氨挥发率分别为30%~39%,11%~48%和1%~20%[6-10],对黑土区氨挥发的研究鲜见报道。本研究旨在阐明黑土区农业生产中,施入农田的尿素通过氨挥发损失的过程和数量,为减少该地区尿素氨挥发损失,提高氮肥利用率提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地点

试验地位于黑龙江省海伦市的中国科学院海伦农业生态实验站(47°27′N,126°55′E),写作论文该站处于我国东北黑土区的中央,海拔高度240m左右,属于温带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,四季分明,雨热同季,年平均气温1.5℃,≥10℃活动积温2600~2800℃,无霜期125~135d,年降雨量500~600mm。试验区地形平坦,玉米-大豆-小麦轮作,一年一熟制。供试土壤为黑土,土壤母质为第四纪黄土状母质,试验初始时土壤有机碳28.4g/kg、全N2.18g/kg、全P0.72g/kg、全K21.06g/kg、碱解N231.1mg/kg、速效P17.2mg/kg,速效K193.1mg/kg和pH6.21。

1.2试验设计

试验在2009年5-6月进行,设8个氮水平处理,分别为0,3,6,9,12,18,24,30g/m2,记作为:N0,N1,N2,N3,N4,N5,N6,N7;同时设4个施肥深度0,3,6,9cm,记作为:D0,D3,D6,D9,以盛有蒸馏水的盆为对照测定大气背景氨浓度。肥料为上海化工试剂公司生产的分析纯尿素,施肥方式为条施,随机排列,3次重复。1.土壤;2.底座;3.水槽;4.采气箱;5.进气口;6.出气口;7.孟氏瓶;8.2%硼酸;9.吸尘器图1氨挥发田间测定装置示意图

1.3试验方法

采用密闭室法测定土壤氨挥发量(图1),原理是用抽气减压的办法将田面挥发到空气中的氨吸入装有2%硼酸的孟氏瓶,使其被吸收固定于硼酸溶液中,再用标准酸滴定硼酸,所吸收NH3的数量即为氨挥发损失量。采气时调节抽气流量,使换气频率控制在15~20r/min。

2结果与讨论

2.1施肥后氨挥发速率的变化

不同施肥方式土壤氨挥发通量变化如图2所示,土壤氨挥发速率差异较大。随着施肥深度增加,土壤氨挥发速率逐渐降低,出现氨挥发峰值时间是逐渐延迟的。从图2可以看出,相同施肥深度条件下,随着施肥量的增加氨挥发速率增大。不同施肥量处理相比较,随着施肥深度的增加,N1,N2和N3处理的氨挥发速率迅速减少,当施肥深度达到6cm时,施肥N1,N2,N3处理的氨挥发为零,施肥深度达到9cm时,只有N7处理可见明显的土壤氨挥发损失。这主要由于深施肥后,施入的氮肥一部分被土壤吸附,一部分转化为硝态氮,减少氨的逸出,而施肥浅而集中时,肥料中氮被土壤吸附和转化的时间和空间均不够充分,故大量的氨到达土层表面而挥发损失。春季由于上层土温高于下层,上层更利于土壤中铵离子向氨分子转化,产生较多的氨,进而挥发损失,而深层由于土温较低,不利于微生物的活动和土壤酶活性的发挥,继而产生相对较少的氨逸出[9]。

2.2氨挥发总量及损失率

氨挥发损失量(扣除对照N0)及其占施入氮量的比率见表1,随着施肥量的增加氨挥发量增加,氮肥损失率也增加,氨挥发量为0~6.5g/m2,占施入氮量的比率的0~21.7%。在施肥深度为0cm和施肥量为N7时,氮肥损失率最大为21.68%。随着施肥深度的增加,氨挥发量逐渐减少,即使施N量达到300kg/hm2(N7)的高氮处理,在施肥深度为9cm时,氮损失率仅为2.49%,而施N量为30kg/hm2(N1),施肥深度为0cm时,氮损失率可以达到1.83%,可见施肥深度对氮肥损失率起主要作用,而施肥量起次要作用。这充分说明了,在农业生产中增施氮肥的同时,更要注重施肥深度。在目前农业生产中,东北黑土区主要种植作物为大豆和玉米,大豆氮肥施用量为N1(30kg/hm2),为了减少氮肥损失,建议施肥深度为3cm以下即可;而玉米是喜氮作物,氮肥用量较大,一般氮肥用量为N5(180kg/hm2),氮肥分为基肥N3(120kg/hm2)和追肥N2(60kg/hm2)两次施入,在生产中基肥深度建议在6cm以下,而追肥在3cm即可,这样可以提高玉米氮肥利用率。2.3氨挥发累积量与施氮水平的拟合模式在试验中发现,氨挥发损失量随着施肥量的增加而增加。经回归分析,氨挥发与施氮量呈抛物线性关系,其拟合方程符合y=ax2+bx+c(表2),且相关性很好。施氮量显著影响到土壤氨挥发量,不同施肥深度土壤氨挥发量与施氮量的关系见表2,周静2009年在红壤研究发现,氨挥发与施氮量呈指数关系,而邓美华2009年在水稻土研究结果为氨挥发与施氮量呈线性关系。这些结果进一步说明,在不同土壤上氨挥发与施氮量的相关性不一致,因土壤类型的差异而不同。不同施肥深度相比较,同等施肥水平下,随着施肥深度的增加,氨挥发量逐渐减少,在施等量氮肥后,根据施氮量适当深施氮肥,有利于减少氨挥发损失,提高黑土农田氮肥利用率。整个氨挥发损失结果体现出深施肥氨挥发损失低于浅施。氮素施入土壤后,由于土壤比较干燥,浅施肥方式条件下,氮肥被暴露于土表,不利于土壤固定,也不利于植物吸收,从而加强了土表的氨挥发。而深施肥处理,在施肥后,使氮肥溶解于土壤溶液中,促进了土壤对氮素的固定,同时有利于作物对氮素的吸收,因此可降低氨挥发损失[12]。

3结论

上述研究结果表明,施用尿素促进了农田氨挥发损失,并随施肥量的增加而增加,在相同施氮量条件下,随施肥深度的增加而减少。在黑土中氨挥发损失氮量与施氮量呈抛物线性关系。无论施肥量多少,均表现出深施肥使氨挥发较少,随施肥量的增加,深施肥的优越性更得以体现。为了节约能源,东北黑土区种植大豆推荐优化施肥深度在3cm以下;玉米基肥优化施肥深度在6cm以下,而追肥施肥深度在3cm以下。因此,根据施肥量来确定施肥深度,可适当减少成本,节约能源,提高氮肥利用率。