摘要
基于潮土区不同灌溉方式实施 4 年田间定位试验基础上，探讨灌溉方式对潮土氨挥发和小麦产量的影响。采用传统灌溉（TI）、喷灌（SI）和滴灌水肥一体化（DI）3 种灌溉方式，以不施肥、灌水处理为对照（CK），共 4 个处理。结果表明：（1）小麦基肥和追肥期不同灌溉方式各处理氨挥发速率峰值分别出现在施肥后的第 3 d 和第 1 d，氨挥发排放速率较高时期内（施肥后前 4 d）DI 处理氨挥发速率显著低于 TI 处理。（2）不同灌溉方式各处理氨挥发总量、氨挥发损失率、氨排放系数和单位产量氨挥发强度均以 TI 最高，分别为 3.61 kg/hm2 、1.72%、1.07% 和 0.63 kg/t，以 DI 处理最低，分别为 2.98 kg/hm2 、1.42%、0.77% 和 0.43 kg/t，其较 TI 处理分别降低 17.6%、17.6%、 28.2% 和 30.7%。（3）灌溉显著提高了小麦产量，较 CK 增产 32.0% ～ 51.7%，其中以 DI 处理产量最高，达到 6.85 t/ hm2 ，较 CK、TI 和 SI 处理分别增产 57.1%、19.0% 和 10.7%。（4）相关性分析表明，基肥和追肥期土壤含水量、铵态氮含量与氨挥发速率均呈极显著或显著正相关，降水量、平均风速仅与追肥期氨挥发速率呈显著或极显著正相关。综上所述，滴灌水肥一体化是提高小麦产量同时减少农田氨挥发损失的最佳灌溉方式。
Abstract
The effects of irrigation methods on ammonia volatilization and wheat yield in fluvo-aquic soil were studied on the basis of a four-year field positioning experiment with different irrigation methods. A total of 4 treatments were set up， including three types of irrigation methods，i.e.，traditional irrigation（TI），sprinkling irrigation（SI）and drip irrigation （DI），with no fertilization and irrigation treatment as the control（CK）. The results showed as follows：（1）The peak of ammonia volatilization rate of different irrigation methods in wheat base fertilizer and topdressing period appeared on the 3rd and 1st day after fertilization，respectively，and the ammonia volatilization rate of DI treatment was significantly lower than that of TI treatment during the period of high ammonia volatilization rate（the first 4 days after fertilization）.（2）The total amount of ammonia volatilization，ammonia volatilization loss rate，ammonia emission coefficient and ammonia volatilization intensity per unit yield of TI were the highest in different irrigation methods，which were 3.61 kg/hm2 ，1.72%，1.07% and 0.63 kg/t，respectively，and the lowest in DI treatment，which were 2.98 kg/hm2 ，1.42%，0.77% and 0.43 kg/t， respectively，which were lower than TI treatment by 17.6%，17.6%，28.2% and 30.7%，respectively.（3）Irrigation significantly increased wheat yield by 32.0%-51.7% compared with CK，and the yield in DI treatment was the highest，up to 6.85 t/hm2 ，which was 57.1%，19.0% and 10.7% higher than that in CK，TI and SI，respectively.（4）Correlation analysis showed that soil water content and ammonium nitrogen content were very significantly or significantly positively correlated with ammonia volatilization rate during base fertilizer and topdressing period，while rainfall and average wind speed were only significantly or extremely significantly positively correlated with ammonia volatilization rate only during topdressing period. In summary，the drip irrigation was the best irrigation method to increase wheat yield and reduce NH3 volatilization loss in farmland under the soil environment and meteorological conditions in this study.
Keywords
华北平原是我国主要小麦生产区，为了获得高产，农民通常使用大量氮肥，小麦季施用量高达 325 kg/hm2，氮肥是活性 N 的主要来源，是实现小麦高产稳产的保障，但过量施用也会造成肥料利用效率低和氮肥的损失[1]。Wu 等[2]研究表明，麦类作物的氮肥利用率一般在 30%～40%，过量施用的氮肥则通过氨（NH3）挥发、硝化、反硝化作用和地表径流等途径进入土壤、水体和大气[3]，引发一系列的环境问题[4-6]，其中，通过 NH3 挥发形式损失的氮占氮肥施用量的 9%～40%[7]。挥发到大气中的氨通过干湿沉降再次回到地表，造成土壤酸化、水体富营养化和地下水污染等，加重面源污染[8-10]。因此，如何在保障小麦高产的同时减少化肥施用所产生的氨排放问题已成为小麦生产绿色可持续发展亟需解决的关键问题。
氨挥发是小麦栽培过程中不可避免的氮素损失途径[11]，除与肥料（尿素）自身固有的特性有关外，还受多种环境因素的影响。已有大量研究表明，土壤特性和水肥管理是影响氨挥发的重要因素[12-22]。研究表明，土壤物理、化学、生物特性通过调控土壤氮素的转化来影响 NH3 挥发[12]；肥料种类、用量及其运筹则通过影响土壤表层铵态氮含量进而影响氨挥发[13-17]；灌溉通过改变土壤结构及其理化性质对土壤水肥运移造成影响[18-20]，从而影响氨挥发[21-22]。然而，目前有关水肥一体化对氨挥发影响的研究报道主要集中在番茄[23]和马铃薯[24]上，其对小麦氨挥发的影响鲜有报道。因此，本研究以此为切入点展开研究。
潮土是华北平原主要的土壤类型之一，华北平原潮土区因其地势平坦、土壤耕层较厚、生产力高而成为小麦、玉米主产区。然而，潮土大多数属于石灰性土壤，pH 值在 6.8～9.2[25]，有利于氨挥发过程的发生，存在着高氨挥发损失的风险。目前，在潮土上开展的氨挥发研究，主要集中在氮肥用量、种类、运筹等对氨挥发的影响上[16-17，26]，但灌溉方式对潮土氨挥发影响的研究较少。基于此，本研究在潮土区 4 年定位试验的基础上，研究了不同灌溉方式对耕层土壤含水量、铵态氮（NH4 +-N）浓度、氨挥发特征及其排放系数和小麦产量的影响，分析了氨挥发及其影响因子的关系，探讨不同灌溉方式对潮土氨挥发和小麦产量的影响，以期为水肥一体化技术提高小麦产量的同时减少氨排放提供理论依据，进而促进水肥一体化技术在小麦绿色可持续生产的推广应用。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在农业农村部作物高效用水原阳科学观测实验站（35.05°N、113.97°E）开展，实验站位于河南省新乡市原阳县。该地区属于暖温带大陆性季风型气候，平均海拔 85 m，年均日照时长 1925.1 h，年均气温 14.5℃，年均降水量约 573.3 mm，降水时空分布不均衡，主要集中在 6—8 月，具有雨热同季的特点，试验期间旬降水量和平均气温见图1。试验地土壤为砂壤质潮土，试验起始年（2018 年 10 月）耕层土壤基本理化性质：pH 值为 7.68，有机质含量为 7.69 g/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为 0.49、0.63、2.31 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为 60.93、18.76、122.13 mg/kg。
图1小麦生育期旬降水量和平均气温
1.2 试验方案
定位试验始于 2018 年 10 月小麦播种，试验设置 3 种灌溉方式：传统灌溉（TI）、喷灌（SI）和滴灌（DI），以不施肥、灌水处理为对照（CK），共 4 个处理，每个处理 3 次重复。肥料采用有机肥与化肥配施，有机肥用量 7.5 t/hm2，河南百汇多肥业有限公司生产，主要以牛类、鸡粪和调节料为原料，有机质≥ 45%，全氮、全磷和全钾含量分别为 1.55%、 1.06% 和 1.72%。氮肥（ 普通尿素，N 46.4%）、磷肥（过磷酸钙，P2O5 12%）和钾肥（氯化钾，K2O 60%）用量分别为 210、90 和 90 kg/hm2，氮肥分 2 次施入，基肥和拔节期追肥之比为 6∶4。播种前一天（2021 年 10 月 27 日）有机肥与底施氮肥、磷肥和钾肥一起翻耕入土。不同灌溉方式下追肥方式不同，喷灌和滴灌采用水肥一体化设备施入，而传统灌溉采用撒施的方式，在小麦拔节期（2022 年 3 月 15 日）进行灌水追肥，在灌浆期（2022 年 5 月 18 日）再进行一次灌水，3 种灌溉方式每次灌水量均为 450 m3 /hm2，该灌水量的选择是基于本研究的前期研究结果[27]。本研究处于定位试验第 4 季小麦阶段，供试小麦品种为郑麦 103，于 2021 年 10 月 28 日播种，2022 年 6 月 9 日收获，播种量为 180 kg/ hm2，行距为 18 cm，其他栽培措施同当地常规管理。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 氨挥发排放速率的测定
试验采用改进的密闭海绵法，海绵采用 2 cm 厚的海绵，第一层海绵吸收田间释放的氨，第二层海绵吸收大气中的氨，装置顶端设有防水盖以避免外界环境（如降水、尘土）对试验造成影响。吸收液采用磷酸-丙三醇混合溶液（PG-mix），即取 85% 磷酸溶液 400 和 60 mL 丙三醇，并用去离子水定容至 1 L 容量瓶中。施肥后立即将吸附 60 mLPG-mix 溶液的海绵放入装置中，并记录好时间， 24 h 后更换新的 PG-mix 海绵，采样持续到海绵中的氨浓度不发生变化为止。田间取样时海绵样品密封冷藏保存，到实验室用去离子水冲洗挤压，去离子水每次使用 150 mL，重复 4 次，确保海绵中吸收的 NH4 + 全部转移至 1 L 容量瓶中，然后用去离子水定容至 1 L 刻度，把定容后的溶液摇匀后转移到 50 mL 样品瓶中，编号放入冰箱冷藏保存，最后用连续流动分析仪（Seal AA3 Auto Analyzer 3）测定浸取液中的铵态氮浓度。氨挥发速率、氨挥发累积损失量和氨挥发系数计算公式如下：
式中：F 为氨挥发速率，Nkg/（hm2 ·d）；C 为测得吸收液中 NH4 +-N 浓度，mg/L；V 为吸收液体积，L；T 为每次采样氨捕获时间，d；S 为捕获装置横截面积，m2。
氨挥发累积量 = 试验期间氨挥发通量之和；
氨挥发损失率（%）= 氨挥发排放总量 / 施氮量 ×100；
氨挥发排放系数（%）=（施氮区氨挥发量－ 不施氮区氨挥发量）/ 施氮量 ×100；
氨挥发排放强度（kg/t）= 单位面积氨总挥发量 / 单位面积小麦产量。
1.3.2 土壤无机态氮和水分含量的测定
在监测小麦基肥和追肥期氨挥发的同时，测定土壤耕层（0～20 cm）水分、铵态氮和硝态氮含量，采用五点法用土钻取耕层土壤，混匀，四分法取样，装入自封袋带回实验室，用 2 mol/L KCl 溶液（土水比 1∶5）浸提样品，利用流动分析仪测定土壤铵态氮和硝态氮含量。采用烘干法测定土壤含水量。
1.3.3 气象数据
旬累积降水量和平均气温来源于河南省气象探测数据中心（河南省气象档案馆），数据服务 ID： 1.2.156.416.CMA-HA.D3-S.202308.7CPII。
1.3.4 产量及其构成要素
小麦成熟期每小区收获 3 个 6 m2，晒干后称重并计算产量。
1.3.5 数据处理
利用 Excel 2016 和 SPSS 22.0 进行数据统计分析、绘图，采用多重比较进行显著性差异检验。
2 结果与分析
2.1 耕层土壤含水量动态变化特征
小麦施基肥后土壤耕层含水量介于 17.8%～2 2.4%，且不同灌溉方式下土壤耕层含水量之间无差异。小麦追肥期灌溉方式对耕层土壤含水量有显著的影响，灌水施肥后前 4 d，传统灌溉（TI） 处理耕层土壤含水量显著高于喷灌（SI）和滴灌 （DI）处理，第 5 d 后显著下降（图2）。与 TI 处理相比，SI 和 DI 处理耕层土壤含水量变化幅度较小，且两者间无差异。
图2氨挥发监测期耕层土壤含水量动态变化
注：a 为基肥期，b 为追肥期。
2.2 耕层土壤铵态氮含量动态变化特征
除 CK 外，小麦基肥期施肥处理土壤铵态氮含量动态变化特征基本一致，呈“双峰”的动态变化趋势，最大峰值出现在施肥后的第 2～3 d，随后呈明显下降趋势，施肥后第 9 d 又出现一个小峰值，可能与降水有关，直到施肥后第 13 d 之后灌水施肥处理土壤铵态氮含量与 CK 处理无差异（图3）。小麦追肥期土壤铵态氮含量动态变化特征与基肥期不同，呈先升高后迅速降低再趋于平稳的动态变化趋势，同时，研究结果还表明，灌溉方式显著影响土壤铵态氮含量动态变化特征，灌水施肥后前 4 d TI 处理土壤铵态氮含量显著高于 SI 和 DI 处理，第 5 d 开始灌溉施肥处理土壤铵态氮含量与 CK 处理无差异。
2.3 氨挥发动态变化特征
小麦基肥期施肥处理氨挥发速率峰值均出现在施肥后的第 3 d，TI、SI 和 DI 处理氨挥发速率分别达到 0.42、0.39 和 0.37 kg/（hm2 ·d），随后显著降低，直到第 7 d 之后施肥处理氨挥发速率与 CK 处理无差异（图4）。不同灌溉方式下施肥处理之间小麦氨挥发速率存在显著性差异，施肥后前 4 d TI 处理氨挥发速率显著高于 SI 和 DI 处理，第 5 d 开始不同灌溉方式间氨挥发速率无差异。小麦追肥期施肥处理氨挥发速率峰值出现在施肥后的第 1 d，随后呈快速降低再趋于平稳的变化趋势，直到第 5 d 之后施肥处理氨挥发速率与对照无差异（图4）。灌水施肥后前 3 d 不同灌溉方式下小麦氨挥发速率均以 TI 处理最高，达 0.49 kg/（hm2 ·d），显著高于 SI 和 DI 处理。
图3氨挥发监测期耕层土壤铵态氮含量动态变化
注：a 为基肥期，b 为追肥期。
2.4 氨累积挥发量
由图5可知，小麦基肥和追肥期氨累积挥发量主要集中在施肥后的前 5～6 d，呈先迅速积累后缓慢增加的动态变化趋势。基肥和追肥期氨累积挥发量均表现为 TI>SI>DI>CK，其中 TI 处理最高，基肥和追肥期分别为 1.93 和 1.69 kg/hm2，DI 处理最低，分别为 1.60 和 1.38 kg/hm2，比 TI 处理分别降低 17.12% 和 18.11%。
2.5 小麦产量和氨排放系数
由表1可知，与 CK 相比，不同灌溉方式下小麦产量均显著增加，增幅为 32.0%～51.7%，其中以DI 处理产量最高，为 6.85 t/hm2，较 CK、TI 和 SI 处理分别增产 57.1%、19.0% 和 10.7%。研究还发现，不同灌溉方式各处理氨挥发总量、氨挥发损失率、氨排放系数和单位产量氨挥发强度均以 TI 最高，分别为 3.61 kg/hm2、1.72%、1.07% 和 0.63 kg/t，以 DI 处理最低，分别为 2.98 kg/hm2、1.42%、0.77% 和 0.43 kg/t，较 TI 处理分别降低 17.6%、17.6%、 28.2% 和 30.7%。
图4不同灌溉技术下小麦施肥后氨挥发速率动态变化
注：a 为基肥期，b 为追肥期。** 和 * 分别表示处理间差异极显著和显著。
图5不同灌溉技术下小麦施肥后氨累积挥发量
注：a 为基肥期，b 为追肥期。
2.6 氨挥发速率及其影响因素相关性
氨挥发速率及其影响因素相关性分析（表2） 表明，土壤因素对氨挥发速率的影响较大，基肥和追肥期土壤含水量、铵态氮含量与氨挥发速率均呈极显著或显著正相关。研究还发现，气象因素仅对拔节期氨挥发速率有较大影响，其中降水量、平均风速与拔节期氨挥发速率呈显著或极显著正相关，而基肥期无相关性。
表1不同灌溉技术下小麦产量、氨挥发总量及排放系数和单位产量氨挥发强度
注：表中数据后小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）
表2氨挥发速率及其影响因素相关性
注：** 和 * 分别表示极显著和显著相关。
3 讨论
3.1 滴灌水肥一体化对潮土氨挥发特征的影响
本研究发现，小麦基肥期施肥处理氨挥发速率呈先升高而后迅速降低的变化趋势，峰值出现在施肥后的第 3 d，而追肥期氨挥发速率峰值出现在施肥后的第 1 d，随后呈快速降低再趋于平稳的变化趋势，该结果与伊英杰等[28]基于长期定位试验研究的小麦氨挥发速率变化特征一致。然而，与潮土区其他研究结果存在一定差异，如张水清等[17]研究表明，基肥期施肥后 2～3 d 氨挥发速率达到峰值，与本研究结果一致，而追肥期峰值出现在施肥后第 7 d，与本研究结果差异较大。然而，吕金岭等[16]研究结果与本研究恰好相反，小麦施基肥后第 1 d 出现氨挥发速率峰值，追肥后第 2～4 d 出现峰值。土壤类型相同条件下，研究结果的差异与氮肥种类的施用方式、灌溉方式、土壤含水量及铵态氮含量、气象条件等因素密切相关[15-19，29]。本研究也证实了这一结论，相关性分析表明，基肥和追肥期土壤含水量、铵态氮含量与氨挥发速率均呈极显著或显著正相关，降水量、平均风速仅与追肥期氨挥发速率呈显著或极显著正相关。此外，本研究中小麦施基肥和追肥后前 4 d 是氨挥发排放速率较高的时期，且此时段内滴灌处理氨挥发速率显著低于传统灌溉方式，这与前人研究结果一致[18，23-24]。说明灌溉方式对氨挥发速率及其挥发特征有重要的影响。有研究表明，灌溉方式通过改变土壤结构及其理化性质对土壤水肥运移造成影响[18-20]，从而影响氨挥发速率及进程[21-22]。
3.2 滴灌水肥一体化对潮土氨挥发损失的影响
氨挥发是小麦栽培系统中主要的氮素损失途径[11]，有研究表明，氨挥发形式损失的氮占氮肥使用量的 9%～40%[7]。前人研究结果表明，不同区域不同土壤类型小麦氨挥发损失率也存在很大差异。Cai 等[30] 在河南潮土上测定的小麦氮肥氨挥发损失率为 1%～20%，侯朋福等[31] 在江苏省粘性土上测定的小麦氮肥氨挥发损失率为 7.3%～18.2%，王钰等[32]在河北省潮褐土上测定的冬小麦的氮肥氨挥发损失率为 1%～4.2%。本研究在河南省砂质潮土上测定的小麦氮肥氨挥发损失率为 1.42%～1.72%，其中以滴灌处理最低，较传统灌溉降低 17.6%，该结果与同在河南省潮土上肖娇等[33]和刘世腾等[34]的研究结果相近，他们测定的氨挥发损失率分别为 1.23%～1.97% 和 1.18%～1.58%，但上述结果均显著低于张水清等[17]研究的 14.18%～15.52%。说明土壤类型相同的条件下，水氮管理方式对氨挥发损失具有重要的影响，在本研究中喷灌和滴灌显著降低了氨挥发损失率[18，21，24]。
3.3 滴灌水肥一体化对潮土氨排放系数及小麦产量的影响
本研究结果表明，与传统灌溉相比，喷灌和滴灌能够显著促进小麦产量的增加，并减少氨挥发损失，尤其是滴灌水肥一体化效果更佳。滴灌水肥一体化条件下，小麦产量较传统灌溉增加 19.0%，氨挥发累积量、氨排放系数和单位产量氨挥发强度较传统灌溉分别降低 17.6%、28.2% 和 30.7%，常菲等[18]和宋春妮等[24]的研究也证实了滴灌有利于产量的提高和氨挥发损失的减少。滴灌水肥一体化技术将肥料溶于水中，肥料随灌溉水一起输送到作物根区，一方面由于滴头位置不变，灌溉水由同一位置渗入土壤，并在土表以下逐渐扩散，能够保证水肥适时适量供给作物吸收，促进小麦产量的提高，同时减少土表肥料留存，从而降低氨挥发[23-24，35]。另一方面能够改善土壤结构，土壤通气性好，提高土壤微生物活性和根系活力，降低土壤 pH 值，增强硝化作用，减少氨挥发损失[19-20，36-37]。因此，滴灌水肥一体化是提高小麦产量和减少农田氨挥发损失的有效途径。
4 结论
在本研究土壤环境和气象条件下，小麦施基肥和追肥后前 4 d 是氨挥发排放速率较高的时期，且此段时间内滴灌水肥一体化氨挥发速率显著低于传统灌溉方式。与传统灌溉相比，滴灌水肥一体化条件下氨挥发总量、氨挥发损失率、氨排放系数和单位产量氨挥发强度分别降低了 17.6%、17.6%、 28.2% 和 30.7%。同时，滴灌水肥一体化小麦产量提高了 19.0%。因此，滴灌水肥一体化技术能够实现提高小麦产量的同时减少氨排放的双重目标。