冬小麦是华北地区主要粮食作物之一，2014年该区小麦播种面积占全国小麦播种面积的15.4%^[1]。近年来，畜禽粪便在华北地区冬小麦-夏玉米轮作体系中有了较大的投入，有机肥氮在该地区的平均施用量已达74 kg N·hm^-2·a^{-1 [2]}。随着养殖业的进一步发展，畜禽粪便排放量处于进一步增加的态势^[3]，有机肥氮在农田生态系统的投入量势必会继续增加。氨挥发是农田氮素损失的重要途径，也是氮肥利用率低的重要原因之一^[4-5]。研究表明，我国主要粮食作物氮肥利用率为30%~35%，每年农田氮肥损失率为33.3%~73.6%，农田氨挥发损失占总施氮量的1%~47%^[6-7]。如何将畜禽粪便无害化、资源化投入到农田生产中，降低氨挥发损失，提高氮肥利用率，充分发挥氮肥增产效益，保护生态环境成为我国农业亟待解决的问题。目前，新西兰等国家主张禽畜粪便固液分离，固体粪渣（干物质含量高于15%）直接还田或发酵生产有机肥^[8]，通过研究新西兰草地施用牛粪粪渣的氮素利用及损失发现，牛粪固液分离的粪渣可不同程度提高土壤质量，实现畜牧-农业结合的可持续发展^[9-10]。近年来，国内科研工作者对不同土壤环境条件、肥料类型、氮肥用量、施肥方法以及环境因素对无机肥氨挥发影响等方面做了较多的研究^[11-13]，对畜禽粪便氨挥发的研究工作大都基于盆栽，温室培养及蔬菜地^[14-16]。而对有机无机肥配合施用，尤其是利用畜禽粪便固液分离后的粪渣等有机肥在农田施用过程中氨挥发损失的关注较少。为此，本研究以占我国畜禽粪便氮排放比例最高的牛粪^[17]为对象，研究了固液分离后的新鲜牛粪、堆腐牛粪和无机氮肥在华北平原冬小麦生长土壤上的氨挥发损失，以期为牛粪资源合理利用和创建适宜的氮肥管理模式提供科学数据。

1 材料与方法 1.1 试验区域和供试土壤

试验地点位于河北省唐山市玉田县杨家板桥镇恒天然玉田第二牧场（39°45′29″N，117°37′48″E），地处河北省东北部，唐山市最西端。属北温带大陆性季风气候，年均降水量693 mm，年均气温11.2 ℃，无霜期193 d。供试土壤为粉砂粘质潮土，土壤理化性质见表 1。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，分别为:不施肥的对照（CK）、化肥（NPK）、50%牛粪堆肥+50%尿素（COM）和50%新鲜牛粪+50%尿素（RAW），每个处理4次重复，随机区组排列。施肥处理为氮磷钾等量输入，氮、磷和钾用量分别为225 kg N·hm^-2、112.5 kg P₂O₅·hm^-2和112.5 kg K₂O·hm^-2。氮用量的基肥追肥比例为1:1，全部的P肥、K肥和50%的N肥以基肥一次施入（即基肥时，有机肥施用前进行氮磷钾全量养分含量测定，以基肥氮输入量112.5 kg N·hm^-2为基准，换算所需有机肥量，有机肥中不足的P和K用无机磷钾肥分别补充至112.5 kg P₂O₅·hm^-2和112.5 kg K₂O·hm^-2），追肥时施肥处理均追施尿素（112.5 kg N·hm^-2）。肥料品种:无机氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。新鲜牛粪为恒天然牧场内当天产生后进行固液分离的牛粪粪渣，堆肥为恒天然牧场固液分离后的牛粪粪渣经过4个月发酵腐熟。供试有机肥性质见表 2。

基肥于2013年10月26日表施，并立即翻耕，10月27日播种后灌水。追肥时间为2014年4月2日，施肥当日灌水。基肥和追肥施用后次日开始氨挥发测定。2014年5月30日小麦收获青贮。以CK处理的测定值作土壤背景氨挥发量，用于计算施肥处理中肥料的氨挥发强度。

1.3 氨挥发测定

氨挥发原位测定采用间歇密闭抽气法^[18]。利用真空泵减压抽气使密闭室内土壤挥发出的氨（NH₃）随气流通过装有2%硼酸的洗气瓶，使其吸收于硼酸溶液中，收集溶液用0.01 mol·L^-1 H₂SO₄滴定，计算吸收氮量。装置由不透明PVC材料制成的密闭室（高8 cm，直径15 cm）、250 mL洗气瓶和转速为2500 r·min^-1的真空泵组成（图 1）。测定时，密闭室置于底座上并用密封圈密封，换气速率为15~20次··min^-1。施肥后，每天上午8:30-10:30和下午2:30-4:30测定，以4 h的测定值计算每天氨挥发通量，持续测定至各施肥处理氨挥发通量接近背景值。基肥和追肥施用后的测定时间分别为18 d和15 d。

氨挥发速率计算公式如下:

式中:F为氨挥发速率，kg N·hm^-2·d^-1；C为标准酸浓度，mol·L^-1；V为样品滴定消耗的标准酸体积，mL; V₀为空白滴定消耗的标准酸体积，mL；M为密闭室覆盖的土壤面积，m²；h为每天测定氨挥发的时间，h；24与100为换算系数。

1.4 土壤样品采集和分析

每次施肥后的第1、3、5、7、10、13、15、17 d，用直径2 cm的土钻采集各小区0~10 cm的多点土壤样品，形成混合土样。土壤含水量用烘干法测定。NH₄⁺-N和NO₃^--N含量用2 mol·L^-1 KCl溶液浸提（水土比5:1），流动分析仪（Skalar，荷兰）测定。pH值采用1:1土水比，电位计法测定；土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量采用常规方法测定。

1.5 数据处理

采用SPSS 20.0软件对数据进行方差分析以及LSD检验，用Origin 8.5作图。

2 结果分析 2.1 不同处理土壤氨挥发速率的动态变化

基肥施用后，各处理土壤氨挥发速率变化趋势一致。在整个测定过程中，氨挥发速率一直较低，变化范围为0.01~0.25 kg N·hm^-2·d^-1（图 2）。氨挥发速率随着施肥后时间的延长逐渐增强，在第5 d达到峰值。其中，COM处理的峰值最高，为0.23 kg N·hm^-2·d^-1。随后氨挥发速率逐渐降低，到第17 d氨挥发通量降到0~0.027 kg N·hm^-2·d^-1，与土壤背景氨挥发速率无明显差异。

不同施肥处理的追肥均为尿素。与基肥施用后的情形明显不同，追肥后土壤氨挥发速率迅速增大（图 2）。施肥后第1 d氨挥发速率即达到最高值，不同处理峰值依次为:RAW>COM>NPK>CK，RAW处理的氨挥发速率显著高于其他处理（P < 0.05）。第2 d氨挥发速率降至0.03~0.27 kg N·hm^-2·d^-1，降幅达64.4%~81.0%。到第12 d，不同处理氨挥发速率已无明显差异，介于0.018~0.13 kg N·hm^-2·d^-1。

2.2 不同施肥处理对土壤累积氨挥发的影响

小麦生长季累积氨挥发量见图 3和表 3。基肥施用后累积氨挥发量一直缓慢增加，不同处理的累积氨挥发量表现为:RAW>NPK>COM>CK，RAW处理显著高于NPK和COM处理，但COM与NPK处理间差异不显著。追肥后各处理的累积氨挥发量明显高于基肥后，其中RAW处理的累积氨挥发量最高，达到4.21 kg N·hm^-2，COM处理为3.05 kg N·hm^-2，NPK处理为2.68 kg N·hm^-2。RAW处理的累积氨挥发量显著高于其他处理（P < 0.05）。在整个小麦生长季，RAW、COM和NPK处理氨挥发量分别为5.06、3.76、3.40 kg N·hm^-2，追肥后的氨挥发量占2次施肥累积氨挥发量的80%左右。RAW处理的氨挥发量比COM和NPK处理分别高出25.7%和32.8%，差异达到显著水平（P < 0.05）。COM处理比NPK处理高0.36 kg N·hm^-2，但差异不显著（P > 0.05）。

施肥处理中氨挥发损失一是来自土壤氮，二是施入的肥料氮。假设施肥处理来自土壤氮的氨挥发损失量等于不施氮处理的氨挥发损失量，那么施肥处理来自肥料氮的氨挥发损失率可由其与不施肥处理的差值计算获得^[19]。从表 3可见，基肥的氨挥发损失率为0.38%~0.50%，追肥氨挥发损失率略高，在2.08%~3.44%之间，RAW、COM和NPK处理2次施肥的氨挥发量占肥料氮总量的比例分别为1.97%、1.39%和1.23%。与无机肥相比，有机肥RAW和COM氨挥发损失率分别高出0.74%和0.16%。

将不同处理累积氨挥发排放量（y）与时间（t）用Elovish动力学方程（y=a+b×lnt）进行拟合（表 4）。结果表明，相关系数均达到显著水平，说明该方程是适宜的。方程中常数a为第1 d的氨挥发量，a < 0表示氨挥发量很低或者检测不到，a>0表示有可测氨挥发量。基肥期只有NPK处理的a值为正值，有机肥和对照处理均为负值，表明基肥施用后第1 d有机肥中无机态氮的水解还未完成，作为氨挥发源的NH₄⁺含量不足，氨挥发量均极低甚至无法检出。方程中的b值是氨挥发量y随ln（t）的变化速率，b=dy/dlnt，追肥期土壤氨挥发累积量的b值均大于基肥期，其中NPK处理累积氨挥发量的b值约为基肥的5.2倍，COM和RAW处理分别为基肥期的3.25和3.73倍，数据的对数方程拟合参数再现了追肥期氨挥发强于基肥期。

2.3 土壤性质和气候因素对氨挥发的影响

由图 4a可知，基肥施用后气温呈波浪式递减，波动在5.33~15 ℃之间。追肥测定期气温回升，平均为17.6 ℃，明显高于基肥测定期的平均温度。

基肥施用后，0~10 cm土壤含水量（图 4b）变化在19.9%~35.3%之间，追肥期则为14.6%~34.8%，总体上呈逐步下降的态势（图 4c）。两次施肥后灌水时间和灌水量相同，土壤水分含量的差异可能与温度和作物需水量不同有关。

图 5为氨挥发测定期间0~10 cm土壤NH₄⁺-N含量的动态变化。基肥测定期RAW和COM处理土壤NH₄⁺-N含量较低，变化在0.22~1.62 mg N·kg^-1之间。NPK处理土壤NH₄⁺-N含量在施肥后第2 d达到最高，为3.70 mg N kg^-1，此后逐渐下降。追肥后，土壤NH₄⁺-N含量的变化趋势与氨挥发速率的变化规律一致，施肥后第1 d即达到最大值，第3 d后各处理土壤NH₄⁺-N含量显著下降，处于平稳状态，说明追肥期尿素的水解在3 d内基本完成。此外，追肥后NH₄⁺-N的含量高于基肥后。

相关分析表明，基肥施用后氨挥发速率与气温存在着显著相关关系（表 5），土壤含水量与有机肥处理的氨挥发速率也显著相关，但这种关系未出现在无机肥处理中。土壤NH₄⁺-N含量与氨挥发速率也呈一定的相关，但没有达到显著水平。追肥期，土壤水分和NH₄⁺-N含量与氨挥发通量呈显著正相关，气温与氨挥发速率的相关关系则未达到显著水平。

3 讨论 3.1 不同施肥处理对土壤氨挥发损失的影响

本研究中冬小麦不同施肥处理累积氨挥发量为3.40~5.06 kg N·hm^-2，肥料氮的氨挥发损失率为1.23%~1.97%。对于河南封丘壤质潮土，Cai等^[20]报道麦季肥料氮的氨挥发损失率变化在1%~20%之间，倪康等^[21]测定的小麦季氨挥发量为13.31~17.89 kg N·hm^-2，肥料氮的损失率为7.54%~11.93%。吉艳芝等^[22]在河北保定轻壤质潮土上测定的冬小麦氮肥的氨挥发损失率为9.5%。本试验结果与前人在潮土上测定相比，肥料氮的氨挥发损失率较低，但接近于王珏等^[23]在河北潮褐土上获得的结果，他们发现麦季来自氮肥的氨挥发损失率为1%~4.2%。究其原因可能与土壤性质有关，本试验供试土壤为粘质潮土，粘粒含量多且有机质含量较高（表 1），质地黏重土壤一般对NH₄⁺有较强的吸附力，有效降低了土壤液相中NH₄⁺含量，从而减少了氨的挥发损失^[24]。Reynolds等^[25]证实粘粒含量与土壤氨挥发呈显著的负相关关系。

施用基肥后，氨挥发损失率以RAW最强，显著高于NPK和COM处理。NPK处理和COM处理氨挥发损失相近，差异不显著。基肥RAW处理氨挥发量高的原因可能是供试新鲜牛粪的全氮含量低于腐熟牛粪，而无机氮含量差异不大，在等氮量设计下RAW中无机和全氮比例高，使得RAW带入了更多的无机氮。此外，固体有机肥中干物质含量也显著影响着氨挥发强度^[26]。Petersen等^[27]认为，有机肥干物质含量高，由于持水能力强、粘度较高，施入土壤后无机氮不易下渗，从而提高了氨挥发强度。Li等^[28]将有机肥施用到草地时发现，有机肥中干物质含量越高，氨挥发强度就越大。本研究中，等氮输入时新鲜牛粪输入的干物质量约为牛粪堆肥处理的3倍，施肥后灌水，无机肥处理的无机氮随水下渗，新鲜牛粪处理中较多的干物质可能会阻止氮的下渗，为氨挥发提供较多NH₄⁺-N，使氨挥发损失率要高于COM和NPK处理。

追肥期，不同施肥处理追施等量尿素，与单施无机肥处理相比，有机肥与尿素配施提高了氨挥发损失量。原因可能是有机肥中有机物质能够阻碍NH₄⁺进入黏土矿物，减少铵的固定，增加NH₄⁺有效性，促进氨挥发^[29]。这与目前国内外许多报道结果不尽一致，一般认为有机无机配施能够降低土壤氨挥发，原因在于有机肥分解过程中可以产生大量有机酸，降低土壤pH，同时形成的腐殖质，提高土壤的吸附能力，吸附更多的NH₄⁺，降低土壤氨挥发损失^{[21, 30-32]}。本试验有机肥施用增加追肥尿素氮素损失的机制有待进一步研究。

3.2 土壤氨挥发的影响因子

温度对土壤氨挥发的影响是多方面的，温度升高能够提高水中NH₃/NH₄⁺比率，降低氨在水中的溶解度，促进从土壤向大气的扩散^[33]。温度上升增强土壤脲酶活性，加快尿素水解，提高土壤溶液中NH₄⁺浓度，增大氨分压，促进氨向大气的挥发^[34]。倪康等^[21]对潮土长期定位试验发现，小麦在基肥期的氨挥发速率与气温有显著的正相关关系，与本研究结果一致。基肥期温度低，脲酶活性弱，使得氨挥发的底物维持在较低水平，极大降低了氨挥发强度。与基肥期相比，追肥期温度大幅度上升，氨挥发底物供应充足，氨挥发速率增加。此时，温度不再是氨挥发速率的主要影响因子。

土壤含水量对氨挥发的影响报道不一。Fenn等^[35]认为，较高的土壤含水量降低了液相中NH₄⁺含量，降低了氨分压和氨挥发速率。张志莹等^[36]将不同处理的牛粪施入土壤，发现含水量50%~70%的土壤中各种粪肥的累积氨挥发量均显著高于含水量10%~30%的土壤。堆腐牛粪在土壤含水量为50%时，氨挥发量最大；土壤含水量70%时，新鲜牛粪的氨挥发损失最多。张承先等^[36]发现，有机无机配施时，氨挥发速率随土壤含水量增加而增大。从图 3可见，虽然基肥期有机肥处理土壤含水量波动较小，但也显著影响着有机肥的氨挥发速率。有机肥相对难溶，不易随水下渗，但容易在土壤中形成碱性环境，发生氨化反应。追施尿素后，有机肥处理耕层土壤的NH₄⁺-N含量迅速增加，它不仅来自尿素，也可能来自先前施入的有机肥，为氨挥发提供了更多的底物。随着监测时间的延长，土壤含水量不断降低，耕层土壤硝化作用增强，NH₄⁺很快转化为NO₃^-，使得氨挥发速率不断降低^[37]。对无机肥处理，基肥期温度低，尿素水解速率慢，加之氮素可能随水下渗或者土壤固定，使得土壤水分对氨挥发的影响不显著。追肥期，当温度不再是限制因子时，以及氨挥发底物供应充足，土壤水分对氨挥发的影响得以充分体现。

4 结论

不同施肥期氨挥发损失量差异显著，冬小麦氨挥发损失主要来自追肥。新鲜牛粪与尿素配施的氨挥发损失量最大，显著高于牛粪堆肥与尿素配施和NPK平衡施肥。基肥期氨挥发速率与气温密切相关，追肥期土壤含水量和NH₄⁺-N浓度是影响氨挥发的主控因子。在供试土壤上，无机和有机肥的氨挥发损失率小于2%，表明氨挥发在粘质潮土肥料氮损失较低。