2022, Vol. 41
2. 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016;
3. 青海诺木洪农场，青海 都兰 816100
2. State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture, Qinghai University, Xining 810016, China;
3. Qinghai Nuomuhong Farm, Dulan 816100, China
我国是世界上氮肥生产和消费量最大的国家[1]，氮肥消费量占世界总消费量约30%，但氮肥的当季表观利用率仅30%~35%，过量施氮已成为农田生态系统污染的主要来源之一，也是氮肥利用率较低的重要原因[2-3]。已有研究表明，氮肥配施硝化抑制剂可减少氮肥的气态损失，提高氮肥利用率[4-5]。氮肥施入土壤后的去向有：作物利用约35%，NH3挥发损失约11%，表观硝化-反硝化损失约34%，淋洗及径流损失约7%[6]。氮肥的气态损失主要有NH3和N2O等形式。肥料用量、气候条件等均会影响NH3挥发及N2O排放，其中氮肥用量的影响最为显著[7]。王成等[8]对香梨的研究表明，在施氮量450 kg·hm-2的基础上减少33.33% 的氮肥投入，NH3挥发和N2O损失量分别降低8.04 kg·hm-2和72.21 kg·hm-2。朱志军[9]发现，苹果园氮肥用量较常规高氮处理减少50% 时，N2O累积排放量降低43.27% 且对产量无影响。相关研究发现，添加硝化抑制剂可抑制土壤中的硝化作用，降低N2O排放系数，减少氮肥气态损失，提高产量[10]。也有研究发现，硝化抑制剂的施用增加了土壤铵态氮的浓度，促进了NH3挥发，但提高了作物产量及氮肥利用率[11]。因此，合理施用氮肥及硝化抑制剂可提高作物的氮肥利用率，降低氮素的气态损失[12]。
柴达木地区独特的气候条件为枸杞提供了适宜的生存环境，使得其外观品质好、营养成分高[13-14]。柴达木枸杞种植面积自2014年的不足2万hm2发展至2018年的3万hm2，枸杞产业已成为柴达木地区的主导产业[15]。为保证枸杞高产，种植户盲目投入大量氮肥。过量的氮肥未显著提高枸杞产量，但极易产生NH3、N2O等气体，从而降低氮肥利用率[16]。因此，探究合理的施氮措施，降低柴达木枸杞园土壤NH3挥发和N2O排放刻不容缓。目前研究施氮对NH3挥发和N2O排放影响的相关研究主要集中于梨、苹果等[8, 17]，而对柴达木枸杞的研究鲜有报道。本试验通过设置不同施氮量及配施硝化抑制剂，研究其对柴达木枸杞园土壤NH3挥发和N2O排放的影响，旨在为枸杞生产提高氮肥利用率及降低环境污染提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2019年及2020年在青海省海西州诺木洪农场（96°20′ E，36°25′N）进行。该地区属高原大陆性气候，海拔2 760 m，年平均降雨量58 mm，试验期间两年的降水总量分别为48.32 mm和28.65 mm，平均气温分别为14.43 ℃和17.52 ℃（图 1）。试验地土壤类型为灰棕漠土，质地为砂壤土。0~20 cm土层土壤基础理化性质：有机质含量19.51 g·kg-1，全氮含量1.43 g·kg-1，全磷（P2O5）含量3.05 g·kg-1，全钾（K2O）含量23.13 g·kg-1，碱解氮含量69.76 mg·kg-1，速效磷（P2O5）含量82.56 mg·kg-1，速效钾（K2O）含量210.80 mg·kg-1，pH 8.49。0~20 cm土层土壤容重为1.51 g·cm-3，以上均为试验前测定结果。
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图 1 监测期间的气温和降雨量 Figure 1 The air temperature and precipitation during the monitoring period |
供试枸杞为树龄10 a的宁杞1号；氮肥为尿素（N 46%，云天化集团），磷肥为重过磷酸钙（P2O5 46%，云天化集团），商品有机肥（有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%，青海恩泽农业技术有限公司）；硝化抑制剂为2-氯-6（三氯甲基）-吡啶（nitrapyrin，有效成分70%，可湿性粉剂，浙江奥复托化工有限公司）。
1.3 试验设计田间试验采用随机区组设计，枸杞种植株距为1.5 m、行距为2 m，各小区面积39 m2，共设置9个处理，每个处理3次重复。N667（农民习惯施氮量）、N534、N400、N267、N133、N0处理依次施用纯氮667、534、400、267、133、0 kg·hm-2，N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理是在N400、N267、N133处理施氮量的基础上，配施nitrapyrin 2.00、1.33、0.67 kg·hm-2。所有处理均施用商品有机肥1 667 kg·hm-2，P2O5 333 kg·hm-2，均为当地农民习惯施肥用量。
2019年5月20日及2020年5月14日在每株枸杞树的树冠下行间距主根30 cm处挖深20 cm、长50 cm、宽25 cm的施肥坑，均匀撒施有机肥及磷肥，尿素和nitrapyrin分别于2019年5月20日、6月30日及2020年5月15日、7月5日作为基肥和追肥两次施用（基肥与追肥的比例为1∶1）。每次施肥前将各处理每株树的尿素和nitrapyrin提前称于同一塑料袋，混合均匀后撒施入施肥坑。灌溉等其他田间管理与当地农民习惯一致。
1.4 样品采集与测定 1.4.1 氨气NH3挥发收集装置如图 2所示。该装置由聚氯乙烯硬质塑料管制成，内径15 cm，高10 cm。NH3收集前在各处理小区随机选取3株长势均一的枸杞树，距树主根30 cm处将塑料管楔入土壤（约1 cm）。NH3的捕获在施肥当日开始，下午15：00将2块厚度均为2 cm、直径为15 cm的海绵浸泡于15 mL的磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 L），充分吸收后放置于收集装置内。下层的海绵距管底5 cm，上层海绵与管顶部相平。24 h后将通气装置下层海绵于次日15：00取出，迅速装入自封袋密封，上层的海绵视其干湿情况3~7 d更换1次。将装有海绵的自封袋带回试验室，分别装入500 mL的塑料瓶中，加入300 mL 1.0 mol·L-1的KCl溶液浸泡，振荡1 h后（160 r·min-1）过滤，采用连续流动分析仪（Seal AA3）测定浸提液中的NH4+及NO3-含量。NH3挥发收集频率为：施肥后连续7 d，灌水后连续3 d，日降雨量 > 20 mm时加测1次，其余时间为每周2次。
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图 2 NH3挥发收集装置图 Figure 2 Diagram of NH3 volatilization collection device |
土壤NH3挥发速率的计算公式为：
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式中：F（NH3）为NH3挥发速率，kg·hm-2·d-1；M为通气法单个装置平均每次测得的氨量（NH3-N），mg；A为捕获装置的横截面积，m2；D为每次连续捕获的时间，d。
NH3挥发累积量及N2O累积量的计算均采用线性插值法[18]。
NH3挥发净损失率=（施氮处理NH3挥发累积量-不施氮处理NH3挥发累积量）/施氮量×100%[19]。
1.4.2 氧化亚氮N2O收集采用静态暗箱法。样品采集前将采样装置的底座楔入土壤。采样箱（长50 cm×宽50 cm×高50 cm）由不锈钢板焊接制成，箱体外部包有泡沫板以防止箱内温度有剧烈变化。在箱体一侧距底部约35 cm处接三通阀，其旁设有温度探测口，箱内顶部对角处安装小型风扇。采样在上午9：00—12：00进行，采气前将底座的外围凹槽（宽度2 cm）注满水以密封箱体，再将箱体紧扣于底座。在关箱后的第0、15、30、45 min分别用50 mL注射器抽取箱内气体，注射入密封气袋后用气相色谱仪（安捷伦GC7890）测定气体样品中N2O浓度。采样时间为2019年5—10月及2020年5—10月。采样频率为施肥后连续7 d，灌水后连续3 d，日降水量 > 20 mm时加测1次，其余时间为每周采集1次。
N2O的排放通量计算公式为：
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式中：F（N2O）为N2O排放通量，μg·m-2·h-1；2为N2O中氮原子的个数；14为氮原子的摩尔质量，g·mol-1；22.4为标准状态下气体的摩尔体积，L·mol-1；h为箱体高度，m；dc/dt为采样过程中箱内N2O浓度随时间的变化率；T为采样过程中气体收集箱内的平均温度，℃。
N2O排放净损失率=（施氮处理N2O累积量-不施氮处理N2O累积量）/施氮量×100%
1.4.3 枸杞产量2019年7月30日、8月20日、9月14日及2020年8月5日、8月27日、9月19日在各处理小区随机选取3株长势均一的枸杞树，分别采摘全部果实，晾干后测定枸杞干果质量。
枸杞净收益（元·hm-2）=枸杞产量（kg·hm-2）×[枸杞单价（40元·kg-1）-人工采果费（4.5元·kg-1）]-[尿素单价（1.98元·kg-1）×施用量（kg·hm-2）+重过磷酸钙单价（2.2元·kg-1）×施用量（kg·hm-2）+商品有机肥单价（1.2元·kg-1）×施用量（kg·hm-2）+nitrapyrin单价（160元·kg-1）×施用量（kg·hm-2）]
1.4.4 土壤温度与土壤湿度在采集NH3及N2O样品时用地温计测定10 cm土壤温度，并用烘干法测定0~10 cm土壤含水量，土壤容重采用环刀法[20]测定。
土壤充水孔隙率（WFPS）=土壤质量含水量×土壤容重/（1-土壤容重/2.65）[18]
1.5 数据处理采用Excel及Origin 8.0软件进行数据处理并做图，采用SPSS 25.0软件进行方差分析和显著性检验，并分析NH3挥发和N2O排放通量分别与WFPS及10 cm土壤温度的相关性。
2 结果与分析 2.1 土壤充水孔隙率与土壤温度每次灌水后WFPS先达到峰值后逐渐降低（图 3）。由于2019年7月3日和2020年6月21日的降雨并结合灌水，两年WFPS均在第二次灌水后达到峰值。2019年平均WFPS 58.32%与2020年的58.29%基本相同。10 cm土温随灌水的发生先降低后增加，2019和2020年的10 cm土温均在8月份达到最高，最高温度分别为19.51 ℃和21.70 ℃，最低温度分别为8.10 ℃和5.63 ℃。两年土壤温度均值分别为13.72 ℃和12.92 ℃。
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实线箭头和虚线箭头分别表示施肥和灌水日期；点线箭头表示施肥且灌水的日期。下同 Solid and dash arrows represent fertilization and irrigation dates, respectively; Dash dot arrows indicate fertilizer date combined with irrigation. The same below 图 3 试验期间土壤充水孔隙率（WFPS）和10 cm土壤温度 Figure 3 Soil water-filled pore space(WFPS)and 10 cm soil temperature during study period |
每次施肥后NH3挥发速率均升高，随后逐渐降低并趋于平缓。NH3挥发速率在施肥后的3~8 d出现峰值，灌水后的1~3 d呈下降趋势（图 4）。氮肥的施用显著提高了枸杞园土壤的NH3挥发速率，硝化抑制剂对NH3挥发速率无显著影响。N667处理的NH3挥发速率最高，N0处理最低。2019年N667处理的NH3挥发速率在施基肥后的第8 d（5月28日）和追肥后的第3 d（7月3日）达到峰值，分别为0.48 kg·hm-2·d-1和0.45 kg·hm-2·d-1；N667处理的NH3挥发速率较N534、N400、N0处理显著提高了10.64%、16.59%、49.43%，较N400I2.00、N267I1.33处理增加了14.04%、20.07%。2020年NH3挥发速率在施基肥后的第5 d（5月20日）和追肥后的第4 d（7月9日）出现峰值，分别为0.57 kg ·hm-2·d-1和0.47 kg·hm-2·d-1；N667处理的NH3挥发速率为0.34 kg·hm-2·d-1，较N400、N267处理增加了14.92%、21.94%，较N400I2.00、N267I1.33处理增加了21.07% 和24.63%。N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的NH3挥发速率与对应的N400、N267、N133处理间无明显差异。土壤温度和WFPS均在一定程度上影响了枸杞园土壤的NH3挥发。土壤温度与NH3挥发速率呈显著正相关（P < 0.05），WFPS与NH3挥发呈负相关（表 1）。
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图 4 枸杞生育期的NH3挥发速率 Figure 4 NH3 volatilization rate during wolfberry growing season |
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表 1 土壤充水孔隙率（WFPS）和土壤温度与NH3挥发和N2O排放的相关性分析 Table 1 The relationship between WFPS and soil temperature and NH3 emission, N2O flux |
NH3挥发累积量与施氮量呈极显著正相关，两年的相关系数分别为0.987和0.968（图 5）。配施硝化抑制剂对NH3挥发累积量及净损失量无显著影响。N667处理的NH3挥发累积量显著高于其他处理（表 2）。2019年各处理NH3挥发累积量为24.91~34.49 kg·hm-2，N667处理的NH3挥发累积量较N534和N400处理显著增加了8.87%、15.31%，N400I2.00和N267I1.33处理较N667处理NH3挥发累积量显著降低了13.22%、16.64%。2020年NH3挥发累积量为26.54~35.11 kg·hm-2，N667处理的NH3挥发累积量较N534、N400处理及N400I2.00、N267I1.33处理显著增加了9.17%、15.61%和17.98%、22.12%。
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图 5 施氮量与NH3挥发累积量的关系 Figure 5 The relationship between nitrogen fertilizer rate and accumulation NH3 volatilization |
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表 2 枸杞园NH3挥发累积量 Table 2 Cumulative loss of NH3 in wolfberry orchard |
NH3挥发净损失量随施氮量的增加而增加，两年N667处理的NH3挥发净损失量均为最高，较N534、N400处理显著增加了2.81、4.58 kg·hm-2和2.95、4.74 kg·hm-2，较N400I2.00处理显著增加了4.56 kg·hm-2和5.35 kg·hm-2。两年中硝化抑制剂对NH3挥发净损失量均无显著影响。
2.3 不同施氮措施对N2O排放的影响 2.3.1 N2O排放通量每次施肥和灌水后N2O排放通量均升高，且在施肥后的3~4 d达到峰值，灌水后的1~3 d显著增加，随后降低并趋于平缓（图 6）。N667处理的N2O排放通量最高，排放峰值均出现在基肥施用后的第4 d（2019年5月24日及2020年5月19日），分别为1 765.43 μg·m-2·h-1和1 783.27 μg·m-2·h-1；2019年和2020年试验期间N667处理的N2O日均排放通量分别为330.85、496.59 μg·m-2·h-1，分别较N400、N267、N0处理增加了42.21%、89.46%、636.86% 和23.64%、54.51%、979.07%，较N400I2.00、N267I1.33处理分别增加了123.80%、131.17% 和91.59%、129.97%。硝化抑制剂的添加显著降低了N2O的排放通量。2019年和2020年试验期间，N400I2.00处理的排放峰值分别为1 242.57 μg·m-2·h-1和1 252.75 μg·m-2·h-1，日均排放通量分别为147.83、259.20 μg·m-2·h-1，较N400处理分别降低了36.46%、35.47%。
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图 6 枸杞生育期的N2O排放通量 Figure 6 N2O emissions during wolfberry growing season |
N2O排放与土壤温度、WFPS均呈显著正相关（P < 0.05）（表 1）。2019年和2020年试验期间，N667处理的N2O排放与WFPS均呈极显著正相关，相关系数分别为0.599、0.617（P < 0.01），N400I2.00处理的N2O排放与WFPS呈显著正相关，相关系数分别为0.334和0.456。
2.3.2 N2O累积排放量N2O累积排放量与施氮量呈极显著正相关，2019年和2020年的相关系数分别为0.984和0.923（图 7）硝化抑制剂的添加显著降低了枸杞园N2O累积排放量及净损失量（表 3）。2019年和2020年N667处理的N2O累积排放量均最高，分别为6.84 kg·hm-2和9.73 kg·hm-2；N0处理最低，分别为0.91 kg·hm-2和1.19 kg·hm-2。2019年N667处理N2O累积排放量较N534、N400处理显著增加了24.36%、43.10%，N2O净损失量显著增加了29.19%、53.23%。N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的N2O累积排放量分别较N400、N267、N133处理显著降低了34.31%、31.45%、41.37%，N2O净损失量显著降低了42.38%、41.64%、65.19%。2020年N667处理N2O累积排放量较N534、N400处理显著增加了7.51%、16.11%，净损失量显著增加了8.65%、18.78%。与N400、N267、N133处理相比，N400I2.00、N267I1.33、N133I0.67处理的N2O累积排放量显著降低了28.52%、29.90%、33.84%，N2O净损失量显著降低了33.24%、36.98%、45.51%。
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图 7 施氮量与N2O累积排放量的关系 Figure 7 The relationship between nitrogen fertilizer rate and cumulative N2O emission |
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表 3 枸杞园N2O累积排放量 Table 3 Cumulative N2O emission in wolfberry orchard |
随施氮量的增加枸杞产量及净收益呈先增加后降低的趋势（表 4）。2019年N534处理的枸杞产量较N667处理显著增加了7.56%，净收益显著提高了7.95%（P < 0.05）。相同施氮量下添加硝化抑制剂提高了枸杞产量及净收益。其中两年N400I2.00处理的枸杞产量及净收益均最高，产量分别为7 867 kg·hm-2和8 462 kg·hm-2，净收益分别为274 504元·hm-2和295 626元·hm-2，2019年N400I2.00处理的枸杞产量较N667处理增加了9.26%，净收益提高了9.80%；2020年N400I2.00处理较N667、N400处理枸杞产量分别增加了6.67%、5.62%，净收益分别提高了7.10%、5.59%。
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表 4 不同氮肥处理的枸杞产量及经济效益 Table 4 Wolfberry yield and economic benefit |
由肥料效应方程（图 8）可知，2019年施氮量为445 kg·hm-2时枸杞产量最高，为7 583 kg·hm-2；施氮量为441 kg·hm-2时经济效益最佳，为264 557元·hm-2。2020年施氮量为554 kg·hm-2时枸杞产量最高，为8 055 kg·hm-2；施氮量为545 kg·hm-2时经济效益最佳，为280 891元·hm-2。
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图 8 施氮量与产量的关系 Figure 8 The relationship between nitrogen fertilizer rate and yield |
相关研究表明，作物产量随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势[21]。本试验结果也发现，施氮量为0~667 kg·hm-2时，枸杞产量呈先增后降的趋势，且根据肥料效应方程，2019年及2020年施氮量分别为445 kg·hm-2和554 kg·hm-2时，枸杞产量最高，施氮量为441 kg·hm-2和545 kg·hm-2时，枸杞经济效益最佳。农民习惯施氮量为667 kg·hm-2，均显著高于最佳产量施氮量及最佳经济效益施氮量。过量施氮降低了枸杞产量，可能是由于氮素与多种元素有协同和拮抗作用，过量的氮素可能阻碍了树体对其他营养元素的吸收和利用，且前人研究表明，土壤长期处于高氮水平会降低土壤pH值[22]，影响根系活力，直接导致根系吸收养分能力下降。本研究表明，施氮量为400 kg·hm-2配施2.00 kg·hm-2 nitrapyrin的枸杞产量显著高于农民习惯施氮量。原因可能是nitrapyrin可抑制土壤中氮素的硝化作用，降低NO3--N淋溶损失和硝化-反硝化损失，提高了氮素利用率及枸杞产量[23]，与段颜静[24]的研究结果相似。因此，在农民习惯施氮量的基础上减施40% 氮肥且配施nitrapyrin，可满足枸杞全生育期对氮素的需求，并有显著的增产效果，且可达到较优经济效益。
3.2 氮肥减施及添加硝化抑制剂对NH3挥发的影响本试验结果表明，氮肥减施显著降低了枸杞园土壤的NH3挥发速率及累积量。原因在于化学氮肥施入土壤后，尿素在脲酶的作用下水解为NH4HCO3，随后迅速转化为NO4+-N，为NH3挥发提供了充足的底物。相关分析表明，NH3挥发与土壤温度呈正相关，与土壤水分呈负相关。可能是由于土壤灌水提高了土壤含水量，而高含水量会抑制土壤脲酶活性，影响NH4+转化为NH3，同时灌水促使尿素向土壤深层淋溶，降低了土壤表层NH4+含量，进而减少了NH3挥发[25]。本试验NH3挥发损失率为0.62%~1.84%。针对苹果园的研究结果表明，施氮量为0~225 kg·hm-2时，NH3挥发损失率为5.71%~10.81%[26]。与前人研究相比，本试验的NH3挥发损失率偏低，可能是由于苹果园试验期间未进行人工灌溉，土壤水分主要来源于大气降水，且当地降雨量较低；而本试验枸杞生育期内灌水5次，土壤含水量较高。NH3挥发速率与土壤含水量呈负相关，使得本研究的NH3挥发损失较低。添加硝化抑制剂对NH3挥发的影响研究结果不一。廖欢等[11]、阿力木等[27]的研究表明，添加硝化抑制剂促进了NH3挥发；也有研究表明，添加nitrapyrin能降低NH3挥发[28]。本试验结果表明硝化抑制剂对NH3挥发无显著影响。可能的原因是硝化抑制剂可抑制NH4+-N转化为NO3--N，从而增加了土壤表层NH4+-N的含量，促进了NH3挥发，同时枸杞园在枸杞生育期内进行多次灌溉，致使土壤表层的氮素向深层转移，两者共同作用可能导致硝化抑制剂的添加对NH3挥发无显著影响。因此，试验地的环境条件可能导致硝化抑制剂对NH3挥发无显著影响，这与WOLF等[29]的研究结果相似。本试验土壤温度与NH3挥发速率呈显著正相关，主要是因为在适宜的土壤温度范围内，温度升高可提高土壤脲酶活性，加快尿素水解为NH4+-N，也会减弱土壤胶体对NH4+的吸附能力，增加土壤中NH4+含量，从而提高氨挥发速率[30]。
3.3 氮肥减施及添加硝化抑制剂对N2O排放的影响本试验表明，施氮量与N2O排放呈极显著正相关，与CHENG等[31]结果相似。这是由于化学氮肥为硝化细菌提供底物，进而促进了N2O排放。研究表明高氮施用量会显著增加氮肥的气态损失，降低枸杞对氮肥的利用率。土壤水分、土壤温度和N2O排放呈显著正相关。本研究结果显示，每次灌溉后N2O排放均升高。灌溉后土壤水分达到饱和甚至淹水，形成嫌气环境，从而降低了土壤的氧化还原电位，促进了反硝化作用及N2O排放[32]。同时本试验两年WFPS均值分别为58.32% 和58.29%，前人研究表明当WFPS小于60% 时，土壤硝化微生物活性随水分增加而增强[33]，说明试验地的水分条件促进了N2O的排放；土壤温度的升高提高了土壤硝化及反硝化微生物的活性，加快土壤硝化及反硝化作用，促进了N2O排放。本研究施氮量为0~667 kg·hm-2，N2O日均排放速率为6.55~67.57 g·hm-2 d−1，在同等施氮水平下，较XIE等[34]在苹果园（N2O日平均排放速率为71.78 g·hm-2）的研究结果偏低，可能是由于本试验地位于青藏高原，温度和湿度较低，一定程度上抑制了土壤微生物的活性，进而减少了N2O的排放。本试验结果显示，硝化抑制剂显著降低了N2O排放及损失率，这与陈浩等[35]研究发现添加nitrapyrin后N2O累积排放量降低的结果类似。nitrapyrin抑制了NH4+向NO2-转化，进而抑制了整个硝化过程，降低了N2O排放[36]。因此，通过调节试验地的土壤温度和土壤湿度也可降低土壤氮素的气态损失。
4 结论（1）随着氮肥用量的增加，枸杞产量及收益均呈先增加后降低的趋势；相同施氮量下添加硝化抑制剂处理的枸杞产量及收益无显著变化，但较农民习惯施肥处理显著提高。
（2）氮肥用量的提高显著增加了NH3挥发累积量和N2O累积排放量；添加0.5% 的nitrapyrin与农民习惯施氮量相比，显著降低了NH3挥发和N2O排放。
（3）综合经济效益和生态效益，推荐施氮量400 kg·hm-2且配施nitrapyrin 2.00 kg·hm-2为柴达木高肥力枸杞园较优的施氮组合。
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