袋控释肥对斑苦竹林氨挥发的影响

王 茜 余 英 张艳丽 易桂林 杨洁钰 桂仁意

(1 宜宾林竹产业研究院 四川宜宾 644000；
2 宜宾市森林火灾预警监测中心 四川宜宾 644000；

3 浙江农林大学 杭州 31130)

斑苦竹(Plieioblaslusmaculatus)属禾本科竹亚科苦竹属，笋期通常在3—5月，笋质细腻，绿色健康；
较其他苦竹，口感更脆甜，有回甘，满足大健康时代人们对口感与健康的双重饮食需求。四川宜宾地区斑苦竹笋源丰富，笋有独特清香，品质极佳，近年来广受好评。为满足市场需求，宜宾大部分斑苦竹笋培育借鉴了雷竹笋施肥培育的技术经验，也发展了冬季覆盖和重施肥技术[1]，使斑苦竹笋实现了产量翻倍、跨季节出笋，如今早产斑苦竹林产值可达3万元/667 m2。随着斑苦竹种植效益大幅提升，越来越多竹农加入斑苦竹林经营管理行列[2-4]。

冬季覆盖和重施肥技术，在带来巨大经济效益的同时也导致了肥料利用率低下、土壤酸化以及严重环境污染等问题。此项技术化肥的全年用量为3.0～4.5 t/hm2[5]，氮肥用量是国际限量标准的3倍以上[6]。同时，在竹林培育过程中，部分笋农为了增加经济效益，存在简化施肥方式、盲目施肥的情况。化肥过量使用，不仅降低肥效，致使土壤板结甚至盐碱化，还会增加大气PM2.5浓度，对大气环境造成严重威胁[7]，给竹林整体生态环境带来负面影响。根据苏有健等[8]的研究，全世界进入土壤的氮肥有10%～40%经淋溶损失，1%～47%通过氨挥发损失；
赵建诚等[9]研究也表明，在肥培的竹林中氨挥发造成的损失可达总含氮量的20%以上。目前对于挥发造成的竹林施肥损失探讨极少，但挥发是氮肥损失的主要途径之一，探究不同施肥模式下的氨挥发量，对提高肥料利用率、节约经营成本、保护环境具有重要意义。因此，通过优选适宜氨挥发收集装置、检测方法，开展斑苦竹林施肥试验，研究袋控释肥和传统撒施肥对斑苦竹林氨挥发的影响，以期为竹林施肥改良优化、竹林经营节能减排、竹林生态环境保护提供科学参考。

1.1 实验材料

高密度聚酯海绵为永嘉海绵制品定制；
聚乙烯硬质管、保鲜膜、凡士林均在普通建材市场采购。(98%)硫酸、硼酸、(85%)磷酸、甘油、硫酸铵、硫酸亚铁、三氯化铝、苯酚、二硝基铁氰化钠、氢氧化钠、磷酸氢二钠、十水磷酸钠、次氯酸钠溶液、酒石酸钾钠、纳氏试剂、乙二胺四乙酸二钠、氢氧化钠、均为分析纯。

1.2 实验仪器

紫外分光光度计：UV-1750，日本岛津公司；
鼓风干燥箱：DHG-9070A，苏州江东精密仪器有限公司；
超声波清洗机：F-060P，深圳福洋科技集团有限公司；
振荡器：HY-3A，常州迈科诺仪器有限公司。

1.3 挥发氨收集方法

根据王朝辉等人的室内实验[10-14]，结合斑苦竹林多位于山地的实际情况，本实验选择原位测定法[10]，稍加改动。通气法和密闭法的装置如图1。硬质塑料管道底部用保鲜膜、凡士林密封，确保不透气。通气法(图1A)为与田间遮雨装置一致，管道上方放置遮雨三角板。

注：A为通气法装置，B为密闭法装置。图1 挥发氨收集装置Fig.1 Collecting device for volatile ammonia

取洗净烘干的50 mL扩散皿9套，加入0.1 mol/L 硫酸铵溶液10.0 mL、0.02 mol/L氢氧化钠5.00 mL，放入上述捕获装置，其中3套用硼酸密闭法、3套用硫酸通气法、3套用磷酸通气法，吸收液中的氨用靛酚蓝比色法进行测定。

1.3.1 硼酸密闭法

装置如图1B (密闭法)，用保鲜膜、凡士林密封硬质塑料管道底部，确保不透气，于管道底部，不锈钢支架下端放置扩散皿，扩散皿外圈加入0.1 mol/L硫酸铵10.0 mL，将直径200 mm装有20.0 mL 2%硼酸溶液的培养皿放于不锈钢支架上，培养皿顶部与实验台保持5～7 cm的距离。实验开始时，于扩散皿外圈再加入0.2 mol/L氢氧化钠5.0 mL，用保鲜膜、凡士林密封管口。24 h后，依次向蒸发皿中加入0.2 mol/L的硫酸溶液5.0 mL中和剩余的氢氧化钠，终止扩散皿中氨的反应，测定蒸发皿中剩余氨含量。挥发氨回收率计算方法如下:

(1)

式(1)中，R为挥发氨回收率，c0为硫酸铵原始浓度，c1为扩散皿中剩余硫酸铵浓度，v0为硫酸铵体积，c为培养皿中吸收液中氨浓度，v为培养皿中吸收液体积。

1.3.2 硫酸吸收通气法

如图1A所示，取2块厚2 cm、直径16 cm的海绵，记录质量为m1上、m1下，将15.0 mL的硫酸甘油溶液(10.0 mL丙三醇+15.0 mL浓硫酸定容至250 mL)均匀加入海绵中，备用。在底部封口的硬质塑料管道中放置扩散皿，在外圈加入0.1 mol/L硫酸铵10.0 mL。实验开始时，在扩散皿外圈加入0.2 mol/L氢氧化钠5.0 mL，按图1A所示位置放上备用海绵，开始捕获挥发的氨气。24 h后，取下海绵，依次向蒸发皿中加入0.2 mol/L的硫酸溶液5.0 mL中和剩余的氢氧化钠，终止扩散皿中氨的反应，测定蒸发皿中剩余氨含量。

将2个洁净广口500 mL塑料瓶，分别称重去皮。将上、下层海绵分别放入塑料瓶中，分别加入400 mL左右1.0 mol/L的氯化钾溶液，记录溶液质量为m2上、m2下。使海绵完全浸于溶液中，振荡1 h后，均匀移取样液待测。提取液密度(p)测定为1.02 g/mL。提取液体积计算方法如下：

(2)

氨回收率计算方法如下：

(3)

式(3)中，R、c0、c1、v0的含义同公式(1)，c上为上层海绵提取液氨浓度，v上为上层海绵提取液氨体积，c下为下层海绵提取液氨浓度，v下为下层海绵提取液氨体积。

1.3.3 磷酸吸收通气法

步骤同1.3.2，只是用磷酸代替硫酸。用15.0 mL的磷酸甘油溶液(10.0 mL 丙三醇+12.5mL浓磷酸定容至250 mL)浸润海绵，备用。

1.4 检测方法

用纳氏比色法、靛蓝比色法分别测定磷酸通气法中的所有样液，比较测定差异。

1) 纳氏比色法。根据陈动等[15]改进的纳氏比色法，将25.0 mL加入2.0 mL过氧化氢、1.0 mL 硫酸亚铁溶液、2.0 mL三氯化铝溶液，搅拌2 min，待溶液絮凝沉淀，再取样于10mm比色皿中，在波长420 nm处测定。

2) 靛蓝比色法。按照《土壤农化分析》[16]中的靛酚蓝比色法进行测定。

1.5 林间试验

1.5.1 试验地点

田间试验在四川省宜宾市翠屏区水库村进行。试验地年平均气温18.7 ℃，1月最低气温7 ℃，7月最高气温38℃，年日照时间1 069.9 h，年降雨量1 143.5 mm，降雨集中在4—9月。土壤发育为第四纪砂岩母质的黄壤，斑苦竹林土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil at test site

1.5.2 试验设计

试验时间为2021年3月至2021年12月。选取相同坡度的9个相邻试验区，每个小区面积为25 m2(5 m×5 m)。每个小区用规格为20 m×60 cm×5 mm铁皮板隔开，铁皮板嵌入地下30 cm，高出地面30 cm。试验设置3种施肥处理：处理CK不施肥、处理A撒施复合肥(含N量20.5%)3 kg、处理B坑埋袋控释肥(含N量20.5%)3 kg，袋规格为10 cm×10 cm，袋上均匀打4排孔洞，每排4个。各处理均重复3次，共9个小区，小区之间设1 m保护行。

施用袋控释肥的3个小区，在每个小区中均匀挖12个20 cm × 20 cm × 20 cm的浅坑，每个坑埋1袋250 g的袋控释肥。

试验地的9个小区，每个小区放置3个磷酸通气装置，如图1用彩钢瓦做成三角遮雨装置。按王朝辉等[10]的通气法，从施肥当天开始捕获氨气，第1周每隔24 h更换1次上、下层海绵，装入密封袋中；
此后，视收集情况，下层海绵1～7 d更换1次，上层海绵3～7 d更换1次，收集液用靛酚蓝比色法测定。

2.1 收集方法对挥发氨回收的影响

3种收集方法的挥发氨回收率比较如图2。从图2可以看出，在3种收集方法中，误差由高到低分别为硼酸密闭法>硫酸通气法>磷酸通气法，而回收率从高到低依次是磷酸通气法>硫酸通气法>硼酸密闭法。回收率最低的是硼酸密闭法，回收率为60%；
同时硼酸密闭法的变异系数为最高，近10%；
表明硼酸密闭法的精确度和稳定性相对较差。磷酸通气法与硫酸通气法在本次实验中变异系数接近，都低于3%；
说明通气法的稳定性较好，变异性低。磷酸通气法的回收率为90%，高于硫酸通气法的回收率，因此磷酸通气法是本次方法优选中的最佳收集方法。

图2 不同收集方法的挥发氨回收率Fig.2 Volatile ammonia recovery rate of different collection methods

2.2 检测方法对挥发氨回收的影响

2种检测方法的回收率比较如图3。从图3可以看出，纳氏比色法误差>靛酚蓝比色法误差。2种比色法的变异系数都小于3%，离散程度低，稳定性好，其中靛酚蓝比色法变异系数为3‰。靛酚蓝比色法回收率为90%，高于纳氏色比法，因此优选靛酚蓝比色法为检测方法。

图3 不同检测方法的挥发氨回收率Fig.3 Volatile ammonia recovery rate of different detection methods

2.3 不同施肥方式对氨挥发的影响

2.3.1 氨挥发速率变化

不同施肥方式的氨挥发速率变化如图4。由图4可知，施肥后的第1 d 即可检测到挥发的氨气，在监测期(31 d)内空白样地氨挥发速率变化较小，2种施肥方式氨挥发速率都呈现先上升后下降的变化趋势，并在第4 d 达到氨挥发速率的峰值。撒施肥的峰值为24.38 kg/(hm2·d)，袋控释肥的峰值为4.94 kg/(hm2·d)，相较撒施肥而言，袋控释肥挥发速率的峰值降低了79.72%，且2种施肥模式对斑苦竹林氨挥发速率峰值影响差异显著。

注：CK为不施肥，A为撒施复合肥，B为坑埋袋控释肥。下同。图4 不同施肥方式下氨挥发速率的变化Fig.4 Changes in ammonia volatilization rate under different fertilization methods

撒施肥区域在施肥后第1 d即检测到明显的挥发氨，挥发速率在第2 d 开始迅速增加，第3 d增速放缓，第4 d再次迅速增加并达到峰值。这可能是因为试验地属于亚热带季风气候，9月仍有大量降雨。暴雨带来的降温延缓了氨挥发速率的增加，第4 d 温度上升后，温、湿度增加，氨挥发速率便再次快速增长，并达到峰值。施肥后的5～9 d，氨挥发速率快速下降，在挥发10 d左右便逐渐趋于平稳。袋控释肥的氨挥发一直处于较低水平，在前4 d氨挥发速率也呈现逐步增加态势，在第3 d较大幅度上升后，第4 d达到峰值。这可能是因为第3 d暴雨后，雨水渗入袋控释肥的包装袋中，溶解部分肥料，使得肥料通过包装袋的孔洞释放，因此增幅较大。施肥后的5～7 d袋控释肥的氨挥发速率逐步降低，趋于平稳，缓慢释放，在9月20日的暴雨过后再次出现微幅上升，在18 d后逐渐与空白样地挥发值接近。

2.3.2 氨挥发累积损失量及累积损失率变化

不同施肥方式的氨挥发累积损失量比较如图5。从图5可知，随着时间增加，空白样地氨挥发累积损失量均匀增加，30 d氨挥发累积损失量为6.44 kg/hm2。撒施肥样地氨挥发总体呈现先快后缓的变化趋势，损失量大，挥发时间较为集中。袋控释肥样地氨挥发总体表现为逐步挥发、缓慢增加、挥发量较小、挥发时间较长的变化趋势。撒施肥样地氨挥发在施肥后的前3 d呈现迅速上升的趋势，第3 d 累积损失为38.00 kg/hm2，累积损失27.69%，第4～9 d 增速有所减缓，在第9 d累积损失量达到109.31 kg/hm2，累积损失79.78%，而后的第13 d增速进一步放缓，在第21 d达到135.16 kg/hm2，监测期最后10 d增长趋于平稳，仅增加了2.04 kg/hm2。而袋控释肥样地在前3 d氨挥发累积损失量增速十分平缓，第3 d累积损失量为4.40 kg/hm2，累积损失11.80%，第4～15 d增速开始明显加快，第12 d累积损失量为29.83 kg/hm2，累积损失80.22%，第15 d时累积损失35.31 kg/hm2，累计损失89.88%。监测期最后15 d累计损失量增速趋于平缓，仅增加2.92 kg/hm2。可见，2种施肥模式下的氨挥发累积损失量和累积速率存在明显差异。袋控释肥样地的氨挥发累积损失量为36.96 kg/hm2，损失了总施氮量的15.01%，撒施肥样地的氨挥发累积损失量为137.20 kg/hm2，损失了总施氮量的55.74%；
袋控释肥较撒施肥氨挥发累积损失总氮量降低了40.73个百分点。

图5 不同施肥方式的氨挥发累积损失量变化Fig.5 Change of ammonia volatilization accumulation loss under different fertilization methods

本文对于收集方法与检测方法，主要从便捷性、可行性、回收率3个方面综合考虑进行筛选。由于在实际操作中，林业作业条件艰苦，实验条件往往无法充分保障，尤其是对于基层检测站、小型实验室而言，缺少高级别的自动化设备且专用设备储备量不足，如全自动定氮仪、流动分析仪等，难以满足全仪器分析的实验条件；
用单个设备检测如全氮蒸馏仪则效率不高，难以批量操作。因此，收集方法选择设备简单、适合山地的测定方法更具有实际意义。本文选择的原位测定法中的通气法、密闭法都是所需设备简单、操作方便、可以批量检测的方法。

在检测方法上，比色法法仅需要分光光度计，相较于需使用流动分析仪的滴定法可行性更高。在同等条件下，比色法相对于一般蒸馏滴定法，检出限较低，误差更小，并且更加便捷，更适合批量操作检测。周伟等[11]认为，靛酚比色法的回收率为90%，而滴定法仅为60%，这表明仅有常规设备，主要过程是人为操作分析时，比色法相较蒸馏法精确度更高，因此本次实验采取了2种比色法进行优选。

由于试验地苦竹林雨后湿度较大，挥发氨收集装置尤其是上层海绵，容易吸水积露；
而当高温日晒时，也会失水，海绵变干，从而影响吸收液的体积。为准确确定吸收液的体积，采用了质量法对实验前后的海绵称重进行确定。在3种收集方法对比中，密闭法回收率仅有60%，低于吴艳香[17]测定的75%，以及王朝晖等[10]测定的70%，与周伟等[11]测得的60%回收率一致，这可能与测定方法、硼酸吸收液所放位置、硼酸吸收液盛放容器的表面积和深度等有关。磷酸通气法的回收率为90%，远远高于密闭法，这与吴艳香、王朝辉等和周伟等的研究结果一致。

从竹林累计氨挥发量上看，袋控释肥氨挥发累积损失量为36.96 kg/hm2，为赵建诚等[9]同深度累积损失量15.14 kg/hm2的2.44倍。这可能是因为施氮量以及气候不同，本研究施氮量为赵建诚等试验施氮量的2倍，而宜宾翠屏区试验地温度相较黄山高3.5 ℃，更有利于氨气挥发。相比于撒施肥方式，袋控释肥能够有效降低氨挥发，这与胡昱彦等[18]、周丽平等[19]、潘波等[20]的研究结论一致。

本研究显示，基于林业作业的特点，挥发氨宜采用磷酸通气法进行收集，检测挥发氨宜采用靛酚蓝比色法。在施氮水平为246 kg/hm2的斑苦竹林监测试验中，袋控释肥氨挥发累积损失量为37 kg/hm2，损失总施氮量的15%；
撒施肥氨挥发累积损失量为137 kg/hm2，损失总施氮量的56%。袋控释肥挥发损失的氮含量仅为使用撒施肥模式挥发损失的27%，降低施氮损失41个百分点。因此，相较传统撒施肥，使用袋控释肥能够有效节能减排，降低林间氨挥发，减少施肥的挥发损失并减轻对空气的污染。