在線監(jiān)測蔬菜氨揮發(fā)特征及影響因素研究

在線監(jiān)測蔬菜氨揮發(fā)特征及影響因素研究

作為世界上唯一的堿性氣體，氨氣對酸、富營養(yǎng)化、土壤氧化、溫室效應和能見度的直接或間接影響。在過去10年中，中國的氮和磷含量超過了世界氮的30%。據(jù)統(tǒng)計，世界氨含量中20%來自中國，尤其是高度集中的農(nóng)業(yè)地區(qū)。近幾十年來，由于農(nóng)業(yè)原料生產(chǎn)和肥料利用率低，中國的氮和磷生產(chǎn)呈現(xiàn)出上升趨勢[12.14]。據(jù)預測，到2030年，這一比例將達到61%。在中國的一些常見氮肥中，氮對氨的代謝中發(fā)揮著最大的作用，占氮肥使用總數(shù)的73%。20世紀80年代中期以來,中國蔬菜種植面積不斷擴大,到2008年達到1.79×106km2,占主要農(nóng)作物種植面積的11.4%,僅次于谷物種植面積.蔬菜是喜肥作物,蔬菜種植中的純氮肥施用量是普通大田作物的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,且氮素利用率低.1998~2008年間,蔬菜每畝氮肥施用量(折純量)平均是3種主要糧食作物的1.5倍.2008年,中國大中城市尿素施用量(以N計)平均占蔬菜氮肥施用總量(以N計)的85%.已有的氨揮發(fā)研究主要集中在大田作物,對蔬菜研究較少.曹兵等采用田間小區(qū)和微區(qū)試驗相結(jié)合的方法研究了小青菜、大白菜和番茄的氮素利用情況,結(jié)果表明3種蔬菜的氮素利用率分別為39.6%、25.9%和14.6%.杜連鳳采用差值法研究3種類型菜地氮肥的利用率,結(jié)果表明氮肥的利用率為2%~14%.已有研究中所采用試驗設(shè)備操作時人工環(huán)節(jié)較多,與自動分析相比誤差較大,時間分辨率較低.本研究采用由風洞系統(tǒng)-大氣氣態(tài)污染物連續(xù)收集與在線分析裝置和離子色譜聯(lián)用組成的氨揮發(fā)在線測定系統(tǒng),時間分辨率15min.通過對菜地氮肥施用后氨揮發(fā)進行模擬試驗,獲取相應的揮發(fā)通量和揮發(fā)損失率,提供菜地氨揮發(fā)特征的樣本數(shù)據(jù),并進一步探討氨揮發(fā)特征與環(huán)境影響因素之間的關(guān)系.1材料和方法1.1土壤概況和土壤類型試驗地點位于深圳大學城北大校區(qū)試驗地(22°35′N,113°58′E),試驗地東西長9m,南北寬8m,海拔高度20m,年平均氣溫22.5℃,年平均風速2.7m/s,多年平均年降雨量1966.5mm,全年降雨集中在夏季(4~9月),其雨量占年總雨量的84%.供試土壤為赤紅壤,是珠三角地區(qū)典型土壤類型,分布面積位列第二.供試土壤剖面深度為30cm,土壤有機質(zhì)含量19.1g/kg,土壤pH5.2,全氮0.78g/kg,全磷0.53g/kg,全鉀13.79g/kg.1.2測試方法1.2.1gac系統(tǒng)和在線試驗氨揮發(fā)在線測定系統(tǒng)由風洞系統(tǒng)、GAC(gas&aerosolcollectorandonlineanalyzersystem)系統(tǒng)和離子色譜(ICS-90)三部分聯(lián)用構(gòu)成.風洞系統(tǒng)是根據(jù)文獻的農(nóng)田氨揮發(fā)風洞法測定系統(tǒng)改裝而成,作為菜地施肥試驗的模擬裝置.該風洞系統(tǒng)完全自動采樣,且風洞內(nèi)外溫度、濕度等微氣象因子基本一致,氨氣收集效率達到90%.GAC系統(tǒng)是由北京大學環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室自主研發(fā)的大氣氣態(tài)污染物和氣溶膠連續(xù)收集與在線分析裝置改裝而成的,進行氨氣連續(xù)自動在線收集與分析,收集效率高,能實現(xiàn)與風洞系統(tǒng)、離子色譜(ICS-90)聯(lián)用.測定系統(tǒng)時間分辨率為15min,連續(xù)在線自動采樣和分析,減少人為因素對實驗數(shù)據(jù)的影響,提高實驗結(jié)果的準確性和可信度.系統(tǒng)構(gòu)造如圖1.種植業(yè)氨揮發(fā)受溫度、濕度、風速、作物自身狀況等多種因素共同作用[25~27],本試驗采用微型自動氣象站自動實時測量土壤溫度、土壤水分等氣象因子,用于探究各氣象因子對氨揮發(fā)的影響.微型氣象站以DT80(DatatakerInc.,澳大利亞)數(shù)據(jù)采集器為核心,集成多個傳感器,包括AV-10TH型空氣溫濕度儀、AV-10T型土壤溫度儀、AV-EC5型土壤濕度儀各兩套.微型氣象站時間分辨率設(shè)為15min.風洞系統(tǒng)出氣口和進氣口所收集的氣體樣品依次通過裝有甲磺酸吸收溶液的GAC系統(tǒng),ICS-90實時測定吸收液中NH4+濃度,進而以氣體吸收液中的NH4+含量差值折算出一定時間內(nèi)的氨揮發(fā)量.1.2.2化肥施肥效果選用尿素(國產(chǎn),含N量≥46.3%,粒度:0.85~2.80mm,執(zhí)行GB2440-2001標準)作為供試氮肥.選用珠三角地區(qū)常見、成活率高、便于水肥管理的蔬菜上海青(上海抗熱605)和生菜(喜綠54)作為供試菜種.試驗期間,對上海青1次基肥、1次追肥;生菜1次基肥,1次追肥的處理試驗進行氨揮發(fā)研究.菜地所有維護、管理均交由菜農(nóng)專門實施,菜農(nóng)根據(jù)蔬菜種植傳統(tǒng)習慣管理試驗地.菜農(nóng)根據(jù)傳統(tǒng)的氮素管理方式進行施肥,一次施用尿素折純量為96.9kg/hm2,1個蔬菜生長期通常施肥2次,每次施肥基本等量,折算出蔬菜整個生長期平均施尿素折純量為194kg/hm2.據(jù)1998~2008年的全國主要農(nóng)產(chǎn)品成本收益簡明資料知,1998~2008年間中國大中城市蔬菜尿素平均折純量為185kg/hm2,本試驗氮肥施用量與全國實際平均值相當,符合試驗設(shè)計.設(shè)置1個習慣施肥量處理和3個對照施肥量處理試驗,2種蔬菜各設(shè)2個氮肥處理試驗(基肥和追肥),每次施肥處理后連續(xù)采樣15d左右.試驗期間水肥設(shè)計見表1.(1)施肥處理試驗前,將自制氨氣發(fā)生器放置在風洞內(nèi)產(chǎn)生氨氣,利用氨揮發(fā)在線測定系統(tǒng)收集和分析氨氣,驗證系統(tǒng)性能.設(shè)置了3個平行對比實驗,氨氣收集效率分別為91.1%、90.2%、96.5%.(2)研究表明,施用氮肥所造成的氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后的2~3周內(nèi),本研究中將1次試驗設(shè)置為連續(xù)采樣19d.結(jié)果表明,采樣19d的氨揮發(fā)總量比采樣15d的氨揮發(fā)總量增加8%.考慮到4次試驗所處的環(huán)境溫度依次越來越高,高溫度加快氨氣揮發(fā)完成.另外,考慮每次試驗末期階段數(shù)據(jù)有效性問題,本研究將施肥處理后連續(xù)采樣15d的氨揮發(fā)累積量作為氨揮發(fā)總量.(3)定期對離子色譜進行校準,NH4+標準曲線具有較高相關(guān)性(R2=0.9991).2結(jié)果與討論2.1不同施肥處理中氨蒸發(fā)的特征分析2.1.1施氮量、施肥方式和氨揮發(fā)4次施肥處理試驗的氨揮發(fā)通量和揮發(fā)損失率見表2,本研究中氨揮發(fā)損失率為(21.6±2.9)%.曹兵等利用田間小區(qū)和微區(qū)試驗方法對南京露地大白菜的氮素損失進行研究,結(jié)果表明化學氮肥的氨揮發(fā)損失率為0.97%~17.1%;李德軍對廣州郊區(qū)的菜心菜地的尿素氨揮發(fā)進行研究,氨揮發(fā)損失率為10.9%.本研究中氨揮發(fā)損失率相對較高,主要由試驗環(huán)境條件的不同所致,包括溫度、降水及作物本身生長狀況不同.目前,菜地氨揮發(fā)研究的樣本量仍較少,研究方法也不盡相同,需開展更多相關(guān)研究來深入探討菜地氨揮發(fā).表1和表2表明施氮量和施肥方式與氨揮發(fā)特征有相關(guān)聯(lián)系.(1)施氮量影響3次撒施肥的試驗數(shù)據(jù)表明,氨揮發(fā)損失率與施氮量成負相關(guān),與已有研究結(jié)果一致.氨揮發(fā)通量與施氮量成明顯正相關(guān),施氮量決定了氮素在表層土壤中的起始濃度,氨揮發(fā)底物NH4+-N濃度有利于氨揮發(fā).對于尿素,施氮量增加則氮素起始濃度升高,其水解速率加快,促進了氨揮發(fā)過程.(2)施肥方式影響試驗以常用的撒施和穴施作為施肥方式.3次撒施肥處理試驗的氨揮發(fā)損失率分別為23.6%、21.3%、24.0%,1次穴施肥處理試驗的氨揮發(fā)損失率為17.6%.穴施使氮肥進入下層土壤,降低了土壤表面NH4+-N濃度,對氨揮發(fā)有明顯抑制作用,表明施肥方式對氨揮發(fā)損失率有較大影響.2.1.2施肥對土壤氨累積自發(fā)的影響4次施肥處理試驗的氨累積揮發(fā)損失率(氨累積揮發(fā)量與該次試驗中氨揮發(fā)總量的比值)與時間關(guān)系如圖2所示.4次試驗前12d的氨累積揮發(fā)量分別占其總揮發(fā)量的78.5%、90.9%、82.0%和90.0%,平均85.4%.表明菜地氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后前12d內(nèi).這主要是由于施氮肥初期NH4+-N濃度相對較高,氨揮發(fā)速率及揮發(fā)量較高,隨著NH4+-N濃度降低,氨揮發(fā)量逐漸降低.2.2不同因素對氨揮發(fā)油通量的影響氨揮發(fā)通量隨時間變化關(guān)系見圖3,以施肥時刻為0時.結(jié)果顯示,氨揮發(fā)通量隨時間變化關(guān)系差異較大,因種植業(yè)氨揮發(fā)是一個復雜的機制過程,受多種影響因素共同耦合作用.氨揮發(fā)通量最大值均出現(xiàn)在施肥后2~5d內(nèi),日間氨揮發(fā)平均通量一般為夜間氨揮發(fā)通量的1~2倍,表明溫度變化對氨揮發(fā)有顯著影響.2.2.1土壤溫度與nh3-n的關(guān)系提取微型自動氣象站同步監(jiān)測的土壤溫度、土壤水分等氣象因子數(shù)據(jù),考察各施肥處理試驗氨揮發(fā)通量與相應氣象因子相關(guān)性,結(jié)果見表3.4次試驗中氨揮發(fā)通量與土壤溫度呈明顯正相關(guān)(r=0.041,p<0.05,n=2777),土壤溫度升高有利于NH3-N形成,并加速其從土壤表面逸出,而使氨揮發(fā)通量增大.空氣溫度升高可加速NH3的運動和擴散,在4次試驗中氨揮發(fā)通量均與空氣溫度成正相關(guān),總體上相關(guān)性也較明顯(r=0.049,p<0.01,n=2777).4次試驗總體上,氨揮發(fā)通量與空氣濕度和土壤水分呈正相關(guān),而單次試驗中有負相關(guān)情況出現(xiàn),其機制過程有待進一步研究.2.2.2其他因素影響本試驗土質(zhì)為砂質(zhì)土,通透性強,土壤空氣擴散性與流動性好.尿素施入后,土層對氨氣擴散的阻隔作用被削弱,促進了氨揮發(fā).被試蔬菜上海青和生菜,地上部植株較小,對地面的遮陰及擋風效果不強,太陽輻射對地面的增溫效果顯著,土壤表面水分蒸發(fā)旺盛,也對氨揮發(fā)有促進作用.3氨揮發(fā)油總量(1)本試驗采用的氨揮發(fā)在線測定系統(tǒng)性能穩(wěn)定,系統(tǒng)氨氣收集效率平均達92.6%,能準確測定菜地尿素施用氨揮發(fā)情況.(2)菜地氮肥施用氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后12d內(nèi),其氨揮發(fā)量平均占氨揮發(fā)總量的85.4%;1次施肥中,氨揮發(fā)量最大值出現(xiàn)在施肥后2~5d內(nèi).4次菜地施肥處理試驗的氨揮發(fā)損失率分別為2