玉米2潮土系统中氮肥硝化反硝化损失与ΝΟ排放

中国农业科学≥∏∏≥玉米2潮土系统中氮肥硝化反硝化损失与ΝΟ排放丁洪蔡贵信王跃思陈德立福建省农业科学院土壤肥料研究所福州中国科学院南京土壤研究所南京中国科学院大气物理研究所°≤北京澳大利亚墨尔本大学粮食与土地资源学院°∂摘要在华北平原潮土上应用原状土柱培养乙炔抑制法测定夏季玉米地氮肥硝化反硝化气态损失量和排放量∀结果表明潮土上尿素氮水解快硝化活性较高∀不施氮肥处理下土壤中排放总量为1Ù施氮大大增加排放量氮肥表施时排放量为1Ù穴施时为1Ù分别为施氮量的1和1∀不施氮肥时土壤氮的反硝化损失量为1Ù氮肥反硝化损失量表施时为1Ù穴施时为1Ù分别占施氮量的1和1∀硝化反硝化作用不是该地区氮肥损失的主要途径∀关键词玉米潮土施肥氮肥硝化反硝化中图分类号≥1文献标识码文章编号2222Νιτριφιχατιον2δενιτριφιχατιονΛοσσεσοφΝιτρογενΦερτιλιζερανδΝΟΕμισσιονΦρομΜαιζε2χηαοΣοιλΣψστεμινΝορτηΧηιναΠλαιν⁄≤∏2¬•≠∏2≤∞⁄2ΙνστιτυτεοφΣοιλανδΦερτιλιζερΦυϕιανΑχαδεμψοφΑγριχυλτυραλΣχιενχεσΦυζηου350013ΙνστιτυτεοφΣοιλΣχιενχεΧΑΣΝανϕινγ210008ΛΑΠΧΙνστιτυτεοφΑτμοσπηεριχΠηψσιχσΧΑΣΒειϕινγ100029ΙνστιτυτεοφΦοοδανδΛανδΡεσουρχεσΥνιϖΜελβουρνεΠς3052ΑυστραλιαΑβστραχτ¬∏222∏2≤∏∏√×∏Ù∏Ù∏Ù×∏ÙÙÙ√×∏2Κεψωορδσ≤2收稿日期22基金项目国家自然科学基金中国科学院大气边界层物理和大气化学国家重点实验室开放课题°≤ƒ澳大利亚≤•Ù中国博士后基金和中国科学院王宽诚博士后基金中国科学院土壤圈物质循环开放实验室项目作者简介丁洪2男江西安福人研究员博士主要从事土壤与植物营养!农业环境研究∀×2∞2我国氮肥的利用率还很低大约∗损失率平均达≈∀利用率低下造成了巨大的资源浪费和经济损失∀同时如此大量的氮肥投入农田对环境造成的影响也是不可估量的在我国部分地区已出现了地表水富营养化!地下水和蔬菜中硝态氮含量超标以及排放量增加等一系列环境问题∀氮肥施入农田后可以通过氨挥发!硝化反硝化和硝酸盐淋失等途径损失掉∀硝化反硝化作用不但造成氮素损失降低氮肥利用率而且所产生的是一种温室气体对全球气温的升高有很大影响同时进入大气中破坏臭氧层使更多的紫外线辐射到地面对地球生物产生伤害≈∀因此无论是从农业的观点还是从环境的角度看硝化反硝化作用已引起人们越来越多的关注∀氮肥的硝化2反硝化气态损失量在许多报道中众说不一∀∏等≈认为反硝化作用是土壤氮素损失的主要机制之一损失量从微量到高达∏≈估计氮肥损失中有是源于反硝化作用特别是在施肥量高的蔬菜水浇地里反硝化损失的氮每年可达#≈∀而≈在评述中认为在温暖地区和大多数热带农业系统中反硝化作用不可能是氮肥损失的重要途径等≈和等≈分别在小麦地和小麦玉米作物系统中研究的结果也表明氮肥的反硝化损失率很低且认为反硝化不是氮肥损失的主要机制其他一些研究者报道的反硝化损失量在1∗#范围内≈∀在我国研究报道有限而且开展的研究工作也不多≈∀本文在华北平原玉米2潮土系统中进行了氮肥的硝化反硝化气态损失和排放量的测定旨在为研究该区域氮肥损失!提高氮素利用率和环境评价提供科学依据∀材料与方法试验地点和土壤性质田间试验设在黄淮海平原中国科学院封丘农业生态试验站附近的农户田中土壤为石灰性潮土∀土壤质地为砂壤土有机质Ù全氮Ù速效磷°Ù速效钾Ù∀供试作物试验作物为玉米品种郑单作物按当地习惯在前茬作物小麦收获后板地播种行距株距∀田间管理措施与其他田块相同∀田间设计按照当地施肥习惯待作物长到一定时候进行苗期施肥∀在作物地里划出1≅1的小区设施氮肥和不施氮肥≤个处理氮肥为尿素施氮处理又分表施和穴施≥种两株玉米之间一穴每穴施肥量基本一致总施肥量为Ù∀施肥时间为年月日施肥后开始采样测定土壤中排放通量直至月日结束∀田间取样与方法田间气样采集试验选用乙炔抑制原状土柱培养法≈该方法是通过乙炔阻抑反硝化过程中ψ反应使硝化反硝化反应的产物都以形式存在有利于分析测定∀具体操作是采用°∂≤材料制作成≅的圆形培养桶桶的底部密封桶侧面近底部有一充气孔桶盖上有一取气孔均用橡皮塞塞住桶与盖之间垫上一密封圈用不锈钢螺丝使桶与盖密封∀每个桶中放入个用内径的不锈钢土钻取出的长原状土柱∀不施氮和氮肥表施处理小区的土柱随机采样穴施处理小区则分别靠近施肥点≥∗半径圆圈!中间施肥点≥∗行间和远离施肥点≥≠∗行间采土柱土柱放入桶中后密封一组充入乙炔气体另一组不充气设次重复埋在地里培养∀取出后用注射器抽取气体注入的真空玻璃瓶中带回室内进行测定∀穴施处理的排放量和反硝化损失量按气体浓度≅面积系数的加权法计算∀室内分析不同浓度的标准气体均由澳大利亚墨尔本大学提供∀气体样品分析应用美国惠普公司产的°气相色谱色谱柱为填充Ù目±的填充柱柱温ε检测器温度ε∞≤⁄检测定量六通阀进样进样量载气为2≤流速Ù∀结果与分析土壤中铵态氮和硝态氮含量的时间变化尿素氮肥施入土壤后迅速水解成铵态氮并进行硝化作用图和图∀施肥后第天氮肥表施的土壤铵态氮和硝态氮含量均达到最高值穴施处理施肥点的铵态氮前含量最高然后迅速硝化使之降低至第天硝态氮达到最高值∀但是在中肥料点和远肥料点的铵态氮和硝态氮含量均要低得多其中铵态氮含量一直与不施肥区相差无几而硝态氮也只是略高一点这说明氮肥穴施时肥料的扩散范围是有限的也证明氮肥穴施时分段采样是必要的∀期丁洪等玉米2潮土系统中氮肥硝化反硝化损失与排放≤代表对照代表氮肥表施≥代表深施≤∏≥图施肥后∗χμ土壤中铵态氮含量ƒ∗∏≥表示靠近肥料点≥表示中间≥≠表示远离肥料点≥≥∏≥≠图施肥后∗χμ土壤中硝态氮含量ƒ∗∏施肥后左右土壤中铵态氮基本都转化成硝态氮随后由于作物的快速生长对氮肥的吸收以及可能向下层土壤产生淋移土壤中的氮素含量急剧下降∀后氮肥表施的土壤含氮量接近不施氮处理而氮肥穴施时仍有较高的含氮量直至后才降至不施氮处理水平∀这些结果表明该地区土壤中尿素氮肥的水解和硝化作用都较强氮肥穴施可以维持对作物较长时间的氮素供应∀土壤中ΝΟ排放量的时间变化土壤中的是由土壤的硝化作用和反硝化作用产生的因此的排放量与土壤中的含量密切相关∀从图中可以看出不论是氮肥表施还是穴施处理施肥后第天开始排放量迅速增加第天均达到最高值这与该期间土壤中含量增加是一致的然后排放量逐渐降低∀不施氮处理区的排放量一直处于较低的平稳态势氮肥施用大大提高了的排放量∀穴施条件下排放量从施肥点由近至远呈现由高到低的趋势图与肥料的分布状况有关而且不同取样点的变化规律一致在远施肥点的排放量与不施氮区相差不大∀图不同处理下的ΝΟ排放量ƒ∏¬图氮肥穴施时不同采样点的ΝΟ排放量ƒ∏¬∏中国农业科学卷用土柱培养法研究氮肥的反硝化损失在氮肥穴施时会遇到如何采样最合理的问题施肥点土壤含氮量高相应释放量和反硝化损失量也高而远离肥料点的土壤含氮量低释放量和反硝化损失量也低∀偏重任何一边就会造成结果估计过高或过低∀因此本试验中采取靠近施肥点!中间点和远离施肥点进行采样根据各点测得的量和各自所占的面积系数计算出总的结果以便尽可能减少测定误差∀关于氮肥穴施时原状土柱培养法的采样技术问题有待进一步研究和完善∀土壤反硝化作用的时间变化及其与土壤温度和水分含量的关系从图!图中可以看出氮肥的反硝化损失出现几个峰值而且一个比一个更低这是由于土壤中含量逐步降低的结果∀不同采样点的反硝化损失量有很大差异靠近施肥点反硝化相当高中间肥料点和远离肥料点则要低得多但中间点稍高于远离点可见肥料多处反硝化也高∀土壤反硝化损失的变化趋势与土壤含水量变化趋势基本一致但与土壤温度变化无明显关系∀∗土层的温度保持在∗ε之间土温变化不太大只是在玉米生育后期偏低但这一温度范围基本是在土壤硝化作用和反硝化作用的适宜温度内因此不成为其制约因子∀但土壤含水量对排放量有一定的影响水分含量高造成土壤厌氧状态促进反硝化作用发生因此土壤水分含量增加反硝化损失也增加∀其实土壤温度!水分和氮含量都是影响土壤排放的主要因子当某一因子较低时就成为限制因图氮肥穴施时不同采样点的反硝化作用ƒ⁄图不同处理的反硝化作用及测定期间的土壤温度和水分含量ƒ⁄∏ε√Ù√∏∏子∀该区域夏季作物生长期间温度一般较高因此土壤水分和土壤有效氮含量是成为反硝化作用的主要限制因子∀1氮肥硝化反硝化气态损失总量和产生ΝΟ排放总量由表可见不施氮肥时土壤中排放量较低为12Ù施肥后大大增加氮肥表施时产生12Ù穴施产生12Ù表施略高于穴施分别占施氮量的1和1∀不施氮肥时土壤的反硝化损失量也较低为1Ù氮肥表施和穴施的反硝化损失量为1Ù和1Ù分别占施肥量的1和1∀由于硝化作用和反硝化作用各自产生的确切数量目前尚难区分如果按硝化作用和反硝化作用产生的量各占一半计算的话那么硝化反硝化气态损失的氮量仅为施肥量的1∗1即使把全部量归咎为硝化作用产生那么损失量最高也不超过1∗1∀表还显示该地区土壤中氮肥产生Ù的比例较高这是由于土壤属砂质性透水性强好气条件较好所致∀反硝化产物的Ù比例一般随水分含量的增加而降低≈∀因此可以认为该地区土壤硝化反硝化作用损失的氮素较低不是氮肥损失的主要途径但氮肥的施用大大增加了的排放量对大气环境会造成一定的危害∀期丁洪等玉米2潮土系统中氮肥硝化反硝化损失与排放表不同处理的ΝΟ排放与反硝化损失量×处理×Ù差值⁄占施氮量Ù排放量≤1穴施°111≥表施≥∏111反硝化损失量⁄≤11穴施°1111≥表施≥∏1111讨论氮肥的硝化反硝化气态损失量究竟有多大一直是争论的问题而且现有文献报道的结果差别也很大∀一般认为硝化作用所造成的气态氮损失比例很小但因产生排放而引起人们的注意同时硝化作用的发生又为反硝化作用准备了物质基础因此在农业生态系统中如何降低硝化作用活性是提高氮肥利用率和减少环境污染的重要措施∀目前降低农业生态系统中硝化作用的措施主要有改进施肥方法氮肥深施或施肥后灌水的施肥方式可以使肥料集中土壤中减少土壤表层或田间表层水中氮肥浓度能有效地减缓氮肥的硝化速率改进肥料剂型包膜肥料和缓控释肥料的研制与应用能大大降低硝化作用以及氮肥损失与排放如钙镁磷肥包膜氮肥!硫衣尿素!有机高分子材料包膜肥料和胶粘肥料等脲酶抑制剂和硝化抑制剂脲酶抑制剂可以减缓尿素水解使肥料易于向土层中移动或扩散降低表层中铵离子浓度从而降低硝化作用∀硝化抑制剂则是直接抑制硝化微生物活性而降低硝化作用硝化抑制剂的筛选与应用正是为了达到这一目的并成为热门研究课题之一改善农业管理措施如确定适宜氮肥用量!增施有机肥!增加覆盖!调节微生物活性和合理灌溉等∀本试验结果表明华北平原潮土上硝化作用活性较强氮肥施用后内基本硝化完全2的排放量占施肥量的1∗1明显高出÷≈总结国内现有资料得出的占施氮量1这一数字∀可以认为氮肥的施用对大气环境影响是较大的∀土壤反硝化作用受浓度!水分含量和含氧量!有机质含量!氮肥种类及数量!土壤质地!!温度!耕作方式!作物根系等诸多因素的影响因此对于不同文献报道的氮肥反硝化损失量的差异也就不难理解∀况且由于测定方法不同所得出的结果差异也会很大∀在国内已有少量的氮肥反硝化损失的报道结果差别也很大∀就是在同一试验区等≈用差减法得出反硝化损失占总损失为该方法是把作物回收!氨挥发和土壤残氮留去除后全部归为硝化反硝化损失其结果可能会偏高∀范晓晖等≈采用2示踪气体通量法测得的结果是硝化反硝化损失量占施肥量的1尿素不过该试验进行的时间只有未能对整个玉米生育期的土壤氮素变化和反硝化作用进行观测因此结果可能偏低∀本试验采用目前国际上应用较广的原状土柱培养乙炔抑制法在施肥后至收获前整个过程进行测定其结果是氮肥的反硝化损失量占施肥量的1∗1硝化反硝化气态损失总量约为施肥量的1∗1损失量是较低的∀由此认为该地区硝化反硝化作用不是氮肥损失的重要途径∀致谢氧化亚氮气体样品分析得到中国科学院大气物理研究所骆冬