2018, Vol. 37
2. 中国农业科学院农业信息研究所, 北京 100081;
3. 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所, 长春 130033;
4. 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193
2. Agricultural Information Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. Institute of Agricultural Resources and Environment, Jilin Academic of Agricultural Sciences, Changchun 130033;
4. College of Resources and Environmental Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China
我国氮肥用量占全球氮肥用量的35%左右[1]，而作物利用率普遍低于50%，损失率平均高达45%[2]，其中，氨挥发是氮肥损失的重要途径之一，其损失氮量约占施氮量的10%~60%[3-4]。氨挥发主要受到农业管理措施、土壤理化性状和气候条件等影响，科学合理的施肥措施是降低农田土壤氨挥发损失的重要途径[5]。肥料品种的选择是降低损失的关键环节之一，控释肥通过控制肥料养分逐步释放，以满足作物生长发育对养分的需求，在提高氮肥利用率、减少劳动力、降低环境污染等方面表现出较好的效果，已成为国内外研究的热点[6-7]。农业部颁布的《到2020年化肥使用量零增长的行动方案》中明确提出要加大控释肥料的应用。目前粮食作物生产系统中，控释肥施用条件下氨挥发及其产量表现的研究尚不明确。部分研究者认为单一控释肥（硫包衣尿素或树脂尿素）对降低氨挥发损失并不显著[8]，只有通过几种控释肥的配比施用，让其养分释放符合作物生长的需求，才能显著降低氨挥发；也有研究表明，在与常规施肥尿素等氮条件下，施用控释肥氨挥发量增加了8.02%，当控释减氮20%、30%时，氨挥发量相比常规施肥减少了8.86%、16.65%[5]；一些研究者通过室内试验研究发现包膜控释肥和高分子控释肥的氨挥发量显著低于普通复合肥处理，高分子控释肥的氨挥发量是普通复合肥的70%[9]；大田试验夏玉米施用控释肥各处理氨挥发通量、氨挥发累积损失量、损失率均显著低于施用普通尿素处理，且均随总氮素施用量的降低而降低[10]。控释肥在提升作物产量及氮素利用率方面也取得了显著的效果，目前研究表明控释肥能够提高肥料利用效率和作物产量[2]，有研究者[11]认为控释尿素在水稻上的增产幅度达到36.5%以上，其单位面积有效穗数及每穗结实粒数明显提高；刘飞等[12]研究表明，控释肥对于提高马铃薯产量、氮肥利用率和经济效益都具有明显优势，控释肥减量20%施用并未对其干物质积累量和产量造成明显影响；近年来，随着科学技术发展，控释氮肥的生产成本逐步降低，逐渐应用于大田粮食作物中，小麦、玉米可增产10%以上[13]。
春玉米是东北主要种植模式，播种面积占全国玉米总播种面积的30%以上，产量占全国玉米总产量的29%[14]。受劳动力短缺和成本等条件限制，目前东北农民习惯施肥方式逐渐从二次施肥方式转变成一次性施肥方式，控释肥在该方面具有一定的优势，在农业生产实际中施用量也呈现逐渐增加的态势。而目前对控释肥的研究主要集中在控释肥的生产工艺、养分释放特性以及田间施用过程中作物性状与产量水平等方面[15-17]，而对其施用方式下氨挥发及其产量的研究尚不系统，因此，本研究以东北典型春玉米种植模式为例，研究控释肥施用对土壤氨挥发特征、产量及其氮肥利用效率的影响，旨在为其农田应用与环境评价提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于吉林省公主岭市刘房子镇吉林省农业科学院试验地，地处东经124°53′，北纬43°34′。以春玉米种植系统为主，地势平坦，年平均气温4~5 ℃，无霜期125~140 d，有效积温2600~3000 ℃，年降水量450~600 mm，年蒸发量1200~1600 mm，全年平均日照时数2500~2700 h。试验田为玉米连作区，土壤为典型黑土（中层黑土）。土壤基本理化性状为：有机质25.69 g·kg-1，碱解氮127.15 mg·kg-1，速效磷32.9 mg· kg-1，速效钾124.05 mg·kg-1，土壤容重1.37 g·cm-3，pH5.45。玉米种植品种为先玉335。
1.2 试验设计本试验开始于2013年，设计了4个处理，分别为：对照处理（CK），尿素常规施肥处理（FP），控释肥180 kg N·hm-2处理（CRF180），控释肥144 kg N·hm-2处理（CRF144），见表 1。每个处理3次重复，共12个试验小区，随机区组排列，小区面积为12.7 m×3.15 m=40 m2。尿素常规施肥处理（FP）分两次施用（条状施入），底肥于播种前施入，肥种间隔以防止烧苗，施肥深度9~12 cm，施入后立即覆土；于6月27日进行追肥。控释肥处理氮肥则在播种时一次性施入（条状施入），施肥深度与FP处理深度相同。试验地全年无灌溉，其他管理措施与当地农民常规措施一致，6月8日除虫打药，6月18日除草。尿素含氮量46.7%，控释肥选用金正大树脂包膜尿素，含氮量为42%，包膜率4%，金正大控释肥肥料氮素养分释放率采用网袋法进行测定。在作物施肥当天，在种植地旁边空地，埋入由聚丙烯网袋（10 cm×10 cm）包裹的控释肥，设定3个重复。每个网袋控释肥量是5 g（精确至0.000 1 g），分别在第3、7、14、28、42、56、70、84、112 d取样并称质量，并测量氮素含量，见图 1。磷肥为重过磷酸钙（P2O5 46%），钾肥为氯化钾（K2O 60%）。
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表 1 各处理氮肥施用量 Table 1 Nitrogen rates for different treatments |
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图 1 控释肥氮素释放率 Figure 1 Nitrogen release rate of controlled release fertilizer |
氨挥发监测试验于2017年进行，采用DragerTube Method（DTM方法），属动态密闭箱法原位测定（图 2）。用四个密闭罩（各罐子覆盖面积为100 cm2，体积370 cm3）捕获气体，各罐子上的2个管道（直径0.5 cm）用于气体的输入输出，在出气口用特氟龙管子连接四个密闭罩，四个密闭罩分别置于两垄相邻的作物周边，每垄两个。用手泵抽气时（每次泵入体积100 cm3），气体经过一个德尔格氨检测管（手泵和氨管均购于德国德尔格公司，DrSgerwerkAG，LFPbeck，Germany），氨检测管中填充固态酸性混合物以及遇碱变蓝的pH指示剂溴苯酚，氨检测管可进行0.05~700 μL·L-1氨气的监测。抽气结束后（抽气次数一般15~30次），记录氨管上的读数和手泵抽气的次数、时间，并参考测定时期的平均大气压和温度，用于氨挥发浓度的计算。每次氨挥发测定约3 min，氨挥发监测频率可依据当时氨挥发的速率来进行调整，一般进行施肥后14 d内连续采样，直至仪器测不出明显的氨挥发损失[18]。
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图 2 测定氨挥发的DTM试验装置示意图 Figure 2 Experimental set-up of DTM for ammonia volatilization |
玉米产量的测定取每个处理5垄中间的第二、第三垄，长度6 m×宽度1.26 m，每个处理每个重复测产面积为7.56 m2，测取平均单株穗数、平均穗粒数及千粒重。
1.4 数据计算与分析氨挥发通量和总量的计算：
通过DTM进行原位测定，结合气象数据（以风速为主），校正为微气象学（IHF）下的氨挥发通量。由于该监测方法已和IHF微气象学法进行校验，所得结果与IHF法一致[14]；而且具有操作简便的特点，无需将氨采集进行实验室分析。因此，该方法在进行多个处理的田间氨挥发测定中具有明显的优势。
DTM氨挥发原位测定计算方法如下：
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(1) |
式中：FNg为氨排放量，mg N·m-2·h-1；V为抽气的体积，L；conc.为氨气的浓度，μL·L-1；ρNH3为该温度气压下NH3密度，mg·L-1；UN为NH3换算为N的分子量换算因子；UF为表面积换算因子，m2；UZ为时间换算因子，h。
经过气象学方法校正的DTM氨挥发的计算方法为：
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(2) |
式中：NH3fluxIHF为由IHF微气象法测定的氨挥发量，kg N·hm-2·h-1；V2m表示距地面2 m的风速，m·s-1。NH3fluxDTM为DTM测定的氨挥发量，kg N·hm-2·h-1。有关此DTM法的校正方程及依据的详细介绍可参考文献[19-21]。
氮肥利用效率：
氮肥农学效率=（施氮区产量-对照区产量）/施氮量
氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量。
采用Excel表格对数据进行处理，使用SPSS 23.0进行不同处理间的差异显著性比较。
2 结果与分析 2.1 控释肥施用对春玉米氨挥发的影响 2.1.1 氨挥发动态变化本研究中，春玉米整个生育期主要受施肥影响，氨挥发变化整体呈现“升高-降低-再升高-再降低”的态势（图 3A），并受降雨等因素影响，FP、CRF180、CRF144处理在作物生育后期也有少量氨挥发，且CRF180> CRF144>FP，控释肥处理氨挥发表现的更为持久。
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图 3 不同氮肥处理对氨挥发速率的影响 Figure 3 Ammonia volatilization rates after basal and top dressing fertilization |
FP、CRF180、CRF144处理氨挥发速率第一个高峰出现在施肥后的第2 d（图 3B），FP处理氨挥发速率低于控释肥处理，是由于常规施肥处理基施氮量仅占总施氮量的25%。第11 d降雨，加强了氮素水解，各处理氨挥发速率有明显的升高（CRF180>CRF144> FP），第12 d开始氨挥发速率均小于0.7 kg·hm-2·d-1，FP处理氨挥发过程基本结束，但控释肥处理仍有少量释放。这个阶段CK、FP、CRF180、CRF144处理氨挥发速率变化幅度分别为0~2.44、0~2.65、0~2.90、0~ 2.85 kg·hm-2·d-1，平均氨挥发速率分别为0.70、0.93、1.00、0.92 kg·hm-2·d-1。
FP处理追肥后氨挥发速率明显升高，追肥后7 d持续高于控释肥处理（图 3C），CRF180、CRF144处理在此期间氨挥发较为平稳。追肥后第12 d受降雨影响，各个处理氨挥发速率有所回升，之后逐渐降低。在追肥后的氨挥发过程中，CRF180、CRF144处理氨挥发速率变化幅度接近，分别为0.64~3.18、0.32~3.01 kg·hm-2·d-1，FP处理氨挥发速率变化幅度在0~3.46 kg·hm-2·d-1之间。FP、CRF180、CRF144的平均氨挥发速率分别为2.61、2.39、2.34 kg·hm-2·d-1。
2.1.2 氨挥发总量在春玉米整个生长周期中，施用控释肥各处理的土壤氨挥发总量与尿素常规施肥处理相比差异并不显著（表 2），FP、CRF180、CRF144处理氨挥发总量分别为59.97、63.87、59.67 kg N · hm-2，即CRF180>FP > CRF144。CRF180处理的土壤氨挥发总量较FP处理升高6.5%，CRF144处理的土壤氨挥发总量较FP处理降低0.5%。全生育期FP、CRF180、CRF144处理来自氮肥的氨挥发依次为19.9、23.8、19.6 kg·hm-2，分别相当于施氮量的11.06%、13.22%、13.61%。说明等氮量控释尿素相对普通分次施肥没有降低田间土壤的氨挥发总量，反而有所增加，但在相同氮肥不同施氮水平下，施氮量低的处理土壤氨挥发总量也较低。
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表 2 不同施肥处理下氨挥发总量及氨挥发损失率 Table 2 Cumulative NH3 volatilization and loss ratio under different fertilization treatments |
2013—2017年，各施氮肥处理间玉米产量没有显著差异，但均与不施肥处理（CK）差异显著（P < 0.05），见表 3。由此看出，控释肥施用条件下，能够保障作物产量。从产量构成因素来看，控释肥处理的玉米穗行数、行粒数和FP处理相当，CRF144处理穗粒数高于其他处理，但千粒重略低于FP处理。CRF180处理氮肥农学效率和FP处理相当（表 4），但其氮肥偏生产力略低于FP处理；CRF144处理氮肥农学效率和氮肥偏生产力均明显高于FP处理，差异达到显著水平（P < 0.05）。
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表 3 不同施肥处理对玉米产量及其构成因素的影响 Table 3 Effects of different fertilizer treatments on yield and its component of maize |
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表 4 控释肥对玉米氮素效率的影响 Table 4 Effects of different controlled-release fertilizer treatments on nitrogen efficiency of maize |
本研究表明春玉米施肥后氨挥发整体呈现“升高-降低-再升高-再降低”的变化情况，控释肥在试验后期仍有少量氨挥发，氨挥发速率峰值均于施肥后1~2 d出现，这与部分研究者的结果相似[10]。但有些研究者表明控释肥氨挥发峰值出现在6~12 d[5, 22]，出现该差异的原因可能是由于采用包膜控释肥料不同，导致肥料疏水性和释放率有所差异，且试验地降水等环境因素对其也会有所影响。FP处理追肥期氨挥发速率高于基肥期，这是追肥的施氮量占总施氮量的75%导致，而追肥期土温适宜（25 ℃左右），在有所降水（50 mm）的条件下，增大了肥料养分释放速率和释放量，有利于土壤氨挥发过程的进行，这与纪玉刚等[22]研究结果一致。依照当地农民习惯及作物生长情况，于6月8日除虫打药，6月18日除草等人为因素引起施肥后45~63 d之间氨挥发速率的小幅度增加，但其影响机制还有待于深入探讨。
3.2 不同肥料对土壤氨挥发总量的影响氨挥发是氮肥损失的重要途径之一，据统计此过程损失的氮量约占施氮量的10%~60%[3-4]，试验中春玉米农田全生育期FP、CRF180、CRF144处理来自氮肥的氨挥发依次为19.9、23.8、19.6 kg·hm-2，损失率为11.06%、13.22%、13.61%，低于李欠欠等[18]采用DTM法监测在陕西省长武县和吉林省梨树县春玉米氨挥发总量约占施氮肥量16%~22%的结果，也低于苏芳等[23]采用风洞法连续2年在华北平原监测夏玉米氨挥发（47~66 kg·hm-2，占施氮量的23%~33%）的结果，这可能是由于李欠欠、苏芳等试验施氮量高于本试验所导致。但高于纪玉纲等[22]采用通气法对春玉米的研究结果（10.47~12.52 kg · hm-2，占施氮量的3.17%~ 4.49%）。从本试验结果可以看出，氨挥发量CRF180处理略高于FP处理，但差异并不显著。FP处理尿素施入土壤后，发生尿素水解反应，导致初期就有大量氨气挥发；而控释肥则不同，它的树脂包膜材料具有疏水性，可以控制其膜内尿素缓慢持续释放[24]，因此在FP氨挥发趋近于零时，控释肥仍有持续少量挥发，导致同等施氮水平下控释肥氨挥发量略高于FP处理，这与卢艳艳等[25]、焉莉等[26]试验结果有所区别。不同施氮水平下氨挥发损失研究表明，施氮量低的处理土壤氨挥发总量也较低[27]，与本次试验结论一致。本试验中空白对照处理也存在一定的氨挥发损失，这可能由于各处理间没有隔离带，受周围施肥处理影响，以及取气过程中人为扰动等因素造成。
3.3 环境因素对土壤氨挥发的影响氮肥施入土壤水解成铵态氮，易引起挥发损失，同时受各种环境因素的影响。在本试验期间，随着时间的推移表层土壤含水量逐渐降低，当遇到降水后会有所回升，与氨挥发速率变化具有较好的一致性。也有研究[2]认为，施肥结合灌水时氨挥发损失量可以降低至2%~8%。同时，温度也显著影响氨挥发。春玉米施肥时正值春季，表层土壤温度在15~19 ℃之间；玉米拔节期FP追肥时是炎热的夏季，地表温度达25~ 35 ℃。温度升高加速铵向氨（NH3）的转化，促进氨由土壤表面向大气的挥发，当温度低时，脲酶活性低，不利于尿素水解，因而产生NH3较少[28]。
由于本次试验时间较短，数据量不足以支撑环境因素对氨挥发的影响研究，可在后续试验中，进一步探究氨挥发机理以及氨挥发特征与温度、水分的关系。土壤氨挥发受土壤特征、气候因素、农业措施等因素的影响，年际间有所差异，因此还需持续观测以明确控释肥施用对环境效应的影响[29]。
3.4 控释肥对玉米产量及氮肥利用效率的影响本试验中各施氮肥处理间玉米产量没有显著差异，可以看出控释肥施用条件下，对作物产量有一定的保障。朱红英等[30]研究了不同控释肥对玉米产量及产量性状的影响，结果表明大部分控释肥都能使玉米产量提高，大都增产10%左右，并对玉米生长发育、百粒重、单株粒重有明显作用，产量增幅为14.7%~20%，本试验中CRF144处理穗粒数要高于其他处理。相同施氮水平不同氮肥品种条件下，CRF180处理氮肥农学效率和FP处理相当，不同施氮水平下控释肥减氮20%的CRF144处理氮肥农学效率和氮肥偏生产力均明显高于FP处理，差异达到显著水平（P < 0.05），这与部分研究者的结果是类似的[31]。由于当前农村劳动力缺乏的因素，农作物施肥日趋简化，一次性施肥已相当普遍。目前市场上销售的肥料基本上为速效高氮型复合肥，存在苗期旺长或后期脱肥的风险。而控释肥可以在一定程度上控制肥料在农作物生长季节的释放率，使肥料养分释放规律与作物养分吸收规律趋向一致。可以看出控释肥一次性施肥方式下，在保障作物产量、减氮、提高氮肥利用率等方面具有一定的优势。
4 结论（1）本试验各个处理受施肥和降雨影响，氨挥发峰值均出现在施肥后（基肥和追肥）第1~2 d、第11~ 12 d左右。12~14 d后FP处理氨挥发速率减少至0，但CRF180、CRF144处理仍有少量挥发。FP处理追肥后7 d氨挥发速率持续高于控释肥处理，CRF180、CRF144处理在此期间氨挥发相对较为平稳。
（2）全生育期FP、CRF180、CRF144处理来自氮肥的氨挥发量依次为19.9、23.8、19.6 kg·hm-2，差异不显著（P > 0.05），损失率分别为11.06%、13.22%、13.61%。表明等氮量控释尿素相对普通分次施肥并没有降低田间土壤的氨挥发总量，反而有所增加。
（3）本试验条件下，控释肥处理能够保障作物产量在12 t·hm-2以上，与FP处理差异不显著（P > 0.05）。CRF144较FP处理提高了氮肥农学效率13%和氮肥偏生产力17.47%，差异显著（P < 0.05）。因此，综合氨挥发、作物产量和氮肥利用效率，在现有施氮量基础上减少20%，并且施用控释肥是该地区春玉米农田减肥增效适宜的推广技术。
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