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施用氮肥是糧食增產的主要手段之一,據聯合國糧農組織的統計,化肥對糧食的貢獻率占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產,而是以其它形式進入環境中,對人類及周邊環境造成不同程度的危害[2]。研究結果表明,尿素是我國農業生產中施用的主要氮肥品種,但其當季利用率只有30%左右,通過氨揮發損失的N可達施入量的29%~40%,其中表施尿素氨揮發損失可達10%~60%[2-3]。影響土壤氨揮發損失的因素主要有氣候條件(溫度、濕度、光照和風速等)、土壤性質、施肥量和施用方式、作物及其種植制度等[4]。而采用合理的農業治理措施(施肥量、施肥時間、施肥方式和添加脲酶抑止劑)是減少氮肥氨揮發損失的重要手段[4-5]。對土壤氨揮發的研究,前人多集中于石灰性土壤上,如北方潮土上種植的水稻、玉米和小麥等糧食作物施氮肥后的氨揮發率分別為30%~39%,11%~48%和1%~20%[6-10],對黑土區氨揮發的研究鮮見報道。本研究旨在闡明黑土區農業生產中,施入農田的尿素通過氨揮發損失的過程和數量,為減少該地區尿素氨揮發損失,提高氮肥利用率提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地點

試驗地位于黑龍江省海倫市的中國科學院海倫農業生態實驗站(47°27′N,126°55′E),寫作論文該站處于我國東北黑土區的中央,海拔高度240m左右,屬于溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,四季分明,雨熱同季,年平均氣溫1.5℃,≥10℃活動積溫2600~2800℃,無霜期125~135d,年降雨量500~600mm。試驗區地形平坦,玉米-大豆-小麥輪作,一年一熟制。供試土壤為黑土,土壤母質為第四紀黃土狀母質,試驗初始時土壤有機碳28.4g/kg、全N2.18g/kg、全P0.72g/kg、全K21.06g/kg、堿解N231.1mg/kg、速效P17.2mg/kg,速效K193.1mg/kg和pH6.21。

1.2試驗設計

試驗在2009年5-6月進行,設8個氮水平處理,分別為0,3,6,9,12,18,24,30g/m2,記作為:N0,N1,N2,N3,N4,N5,N6,N7;同時設4個施肥深度0,3,6,9cm,記作為:D0,D3,D6,D9,以盛有蒸餾水的盆為對照測定大氣背景氨濃度。肥料為上海化工試劑公司生產的分析純尿素,施肥方式為條施,隨機排列,3次重復。1.土壤;2.底座;3.水槽;4.采氣箱;5.進氣口;6.出氣口;7.孟氏瓶;8.2%硼酸;9.吸塵器圖1氨揮發田間測定裝置示意圖

1.3試驗方法

采用密閉室法測定土壤氨揮發量(圖1),原理是用抽氣減壓的辦法將田面揮發到空氣中的氨吸入裝有2%硼酸的孟氏瓶,使其被吸收固定于硼酸溶液中,再用標準酸滴定硼酸,所吸收NH3的數量即為氨揮發損失量。采氣時調節抽氣流量,使換氣頻率控制在15~20r/min。

2結果與討論

2.1施肥后氨揮發速率的變化

不同施肥方式土壤氨揮發通量變化如圖2所示,土壤氨揮發速率差異較大。隨著施肥深度增加,土壤氨揮發速率逐漸降低,出現氨揮發峰值時間是逐漸延遲的。從圖2可以看出,相同施肥深度條件下,隨著施肥量的增加氨揮發速率增大。不同施肥量處理相比較,隨著施肥深度的增加,N1,N2和N3處理的氨揮發速率迅速減少,當施肥深度達到6cm時,施肥N1,N2,N3處理的氨揮發為零,施肥深度達到9cm時,只有N7處理可見明顯的土壤氨揮發損失。這主要由于深施肥后,施入的氮肥一部分被土壤吸附,一部分轉化為硝態氮,減少氨的逸出,而施肥淺而集中時,肥料中氮被土壤吸附和轉化的時間和空間均不夠充分,故大量的氨到達土層表面而揮發損失。春季由于上層土溫高于下層,上層更利于土壤中銨離子向氨分子轉化,產生較多的氨,進而揮發損失,而深層由于土溫較低,不利于微生物的活動和土壤酶活性的發揮,繼而產生相對較少的氨逸出[9]。

2.2氨揮發總量及損失率

氨揮發損失量(扣除對照N0)及其占施入氮量的比率見表1,隨著施肥量的增加氨揮發量增加,氮肥損失率也增加,氨揮發量為0~6.5g/m2,占施入氮量的比率的0~21.7%。在施肥深度為0cm和施肥量為N7時,氮肥損失率最大為21.68%。隨著施肥深度的增加,氨揮發量逐漸減少,即使施N量達到300kg/hm2(N7)的高氮處理,在施肥深度為9cm時,氮損失率僅為2.49%,而施N量為30kg/hm2(N1),施肥深度為0cm時,氮損失率可以達到1.83%,可見施肥深度對氮肥損失率起主要作用,而施肥量起次要作用。這充分說明了,在農業生產中增施氮肥的同時,更要注重施肥深度。在目前農業生產中,東北黑土區主要種植作物為大豆和玉米,大豆氮肥施用量為N1(30kg/hm2),為了減少氮肥損失,建議施肥深度為3cm以下即可;而玉米是喜氮作物,氮肥用量較大,一般氮肥用量為N5(180kg/hm2),氮肥分為基肥N3(120kg/hm2)和追肥N2(60kg/hm2)兩次施入,在生產中基肥深度建議在6cm以下,而追肥在3cm即可,這樣可以提高玉米氮肥利用率。2.3氨揮發累積量與施氮水平的擬合模式在試驗中發現,氨揮發損失量隨著施肥量的增加而增加。經回歸分析,氨揮發與施氮量呈拋物線性關系,其擬合方程符合y=ax2+bx+c(表2),且相關性很好。施氮量顯著影響到土壤氨揮發量,不同施肥深度土壤氨揮發量與施氮量的關系見表2,周靜2009年在紅壤研究發現,氨揮發與施氮量呈指數關系,而鄧美華2009年在水稻土研究結果為氨揮發與施氮量呈線性關系。這些結果進一步說明,在不同土壤上氨揮發與施氮量的相關性不一致,因土壤類型的差異而不同。不同施肥深度相比較,同等施肥水平下,隨著施肥深度的增加,氨揮發量逐漸減少,在施等量氮肥后,根據施氮量適當深施氮肥,有利于減少氨揮發損失,提高黑土農田氮肥利用率。整個氨揮發損失結果體現出深施肥氨揮發損失低于淺施。氮素施入土壤后,由于土壤比較干燥,淺施肥方式條件下,氮肥被暴露于土表,不利于土壤固定,也不利于植物吸收,從而加強了土表的氨揮發。而深施肥處理,在施肥后,使氮肥溶解于土壤溶液中,促進了土壤對氮素的固定,同時有利于作物對氮素的吸收,因此可降低氨揮發損失[12]。

3結論

上述研究結果表明,施用尿素促進了農田氨揮發損失,并隨施肥量的增加而增加,在相同施氮量條件下,隨施肥深度的增加而減少。在黑土中氨揮發損失氮量與施氮量呈拋物線性關系。無論施肥量多少,均表現出深施肥使氨揮發較少,隨施肥量的增加,深施肥的優越性更得以體現。為了節約能源,東北黑土區種植大豆推薦優化施肥深度在3cm以下;玉米基肥優化施肥深度在6cm以下,而追肥施肥深度在3cm以下。因此,根據施肥量來確定施肥深度,可適當減少成本,節約能源,提高氮肥利用率。