發布時間：2022-02-18所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 氨揮發是農田氮素損失的重要途徑之一, 氨排放到大氣中后與酸性氣體反應形成二次氣溶膠, 對空氣質量有重要影響。本文研究了生物有機肥與化肥配施對稻田氨揮發的效果及主要機制, 旨在探索有效的稻田氨減排措施。本研究選取湖南省長沙縣典型雙季稻稻田, 開展為期兩
摘 要: 氨揮發是農田氮素損失的重要途徑之一, 氨排放到大氣中后與酸性氣體反應形成二次氣溶膠, 對空氣質量有重要影響。本文研究了生物有機肥與化肥配施對稻田氨揮發的效果及主要機制, 旨在探索有效的稻田氨減排措施。本研究選取湖南省長沙縣典型雙季稻稻田, 開展為期兩年 4 個稻季的田間試驗, 設置不施氮肥 (CK)、常規氮肥表施 (CON)、生物有機肥替代 40% 氮肥+化肥表施 (CB)、氮肥減量 30%+生物有機肥替代 40% 減量氮肥+化肥深施 (RBD) 4 種施肥處理, 觀測不同施肥處理下氨揮發動態及相關影響因素。兩年的田間定位試驗結果表明, 相同施氮量下, 采用生物有機肥與化肥配施顯著降低了氨揮發 (P<0.05), 且產量差異不顯著。深施減氮結合生物有機肥與化肥配施, 氨揮發較 CB 處理進一步顯著減少 (P<0.05); 除 2019 年晚稻季外, 其余 3 個稻季 CB 處理與 CON 處理間水稻籽粒產量差異不顯著。早、晚稻季, CB 和 RBD 氨揮發累積量較 CON 處理分別降低 25.2%~35.6% 和 63.2%~70.9% (P<0.05)。田面水銨態氮濃度與稻田氨揮發通量在各處理表現一致的變化趨勢, 且呈現顯著正相關 (P<0.05), 表明施用生物有機肥及化學氮肥深施均可有效降低田面水銨態氮濃度, 從而減少氨揮發。綜合兩年的試驗, 生物有機肥替代化肥結合深施減氮可減少稻田氨揮發達 60%, 且不降低水稻產量, 可有效實現稻田氮肥減量、氨揮發減排。
關鍵詞: 氨揮發; 氮循環; 生物有機肥; 深施; 水稻
水稻 (Oryza sativa) 是我國重要的糧食作物, 我國稻谷播種面積占糧食作物播種面積的 25.8%[1]。由于氮是作物生長的必需元素, 在一定范圍內增氮肥可以提高水稻產量, 因此農戶為了追求水稻產量而施入過量的氮肥, 導致出現氮肥利用效率不高及氮損 失 嚴 重 等 問 題。我 國 稻 田 氮 肥 的 利 用 率 僅為 30%~35% , 損失量可達 40%~50%[2-4]。除被吸收利用的氮以外, 剩余的氮素通過氨揮發、徑流、淋洗等多種途徑進入環境中, 造成農業面源污染以及大氣污染等[5]。
稻田氨揮發受施肥劑量、施肥方式等多種因素的影響。有研究表明施氮量減少 22%~44% 可降低氨揮發損失 20.2%~35.3%[6]。氮肥深施能減少氮肥損失、提高氮肥利用率[7] , 減少氨揮發[8]。Liu 等 [9] 在免耕水稻土和 Yao 等 [10] 在太湖地區稻田的研究表明, 深施氮肥與常規表施化肥相比, 能顯著減少氨揮發損失, 同時增加氮吸收、提高氮肥利用率和產量。楊明達[11] 研究表明相同控釋氮肥處理下, 側條施肥處理比撒施處理顯著降低氨揮發速率和氨揮發總量。在 南 方 雙 季 稻 田 中 采 用 機 械 側 條 施 肥 可 減 少 18.6%~26.9% 氨揮發累積損失, 并提高土壤速效氮含量和水稻氮素利用效率[12]。水稻田面水的銨態氮濃度是影響水稻季氨揮發的主要因素, 隨溫度上升, 對氨揮發速率的影響逐漸增大[13-14]。
有機肥部分替代化肥能降低農田氨揮發且提高作物產量。邢月等[15] 研究表明化肥處理能夠顯著增加氨揮發損失量, 可達 56.0 kg·hm−2 , 比 80% 尿素和 20% 有機肥混施處理和有機肥處理分別增加 11.3 kg·hm−2 和 28.7 kg·hm−2。單施化肥氨揮發損失率為 11.9%, 而單施有機肥和化肥有機肥混施處理氨揮發損失率分別為 2.3% 和 8.1%。華北平原旱地農田采用干豬糞為有機替代能有效降低氨揮發損失且提高作物產量[16]。
依據中華人民共和國行業標準 NY 884−2012 《生物有機肥》, 生物有機肥 (microbial organic fertilizers) 指特定功能微生物與主要以動植物殘體 (如畜禽糞便、農作物秸稈等) 為來源并經無害化處理、腐熟的有機物料復合而成的一類兼具微生物肥料和有機肥效應的肥料。微生物肥料是一種對環境友好的新型生物肥料, 可以促進植物生長, 提高果實品質, 改善土壤質量等[17]。在河套地區堿性土上采用微生物菌肥處理, 氨揮發減少, 但作物產量相對于農民習慣施肥顯著減少[18]。且采用生物有機肥和生物質炭混施, 氨揮發較單施生物有機肥顯著減少[19]。綠色木霉菌生物有機肥料 (Trichoderma viride biofertilizer) 在 減 少 堿 性 土 壤 氨 揮 發 和 提 高 甜 高 粱 (Sorghumdochna) 氮肥利用率方面具有巨大的潛力[20]。與化肥相比, 配施 50% 枯草桿菌生物有機肥 (Bacillus subtilis biofertilizer) 農田氮素損失減少 54%[21]。利用植物生 長 促 進菌 (plant growth-promoting bacteria, PGPB) 與降解有機物等制成的生物有機肥有效提高了氮肥和磷肥的利用效率, 可減少約 30% 的氮肥[22]。鑒于生物有機肥在南方稻田中對于氨揮發的影響及其主要機制尚未明確, 本研究基于中亞熱帶典型雙季稻田兩年試驗, 采用密閉室間歇抽氣法研究生物有機肥配施化肥等對稻田氨揮發的影響及其主要作用機制, 旨在為稻田氨揮發減排提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況
試 驗 在 位 于 湖 南 省 長 沙 縣 金 井 鎮 湘 豐 村 (113°19′52″E, 28°33′04″N) 的中國科學院長沙農業環境觀測研究站進行, 海拔 80 m。中亞熱帶季風氣候, 年平均氣溫 17.5 ℃, 年平均降雨量為 1330 mm, 降雨主要集中在 3−8 月, 無霜期約 300 d。試驗時間為 2019−2020 年水稻生長期, 試驗期間日平均氣溫與降水量由長沙環境觀測研究站氣象站記錄, 如圖 1 所示。試驗田為典型雙季稻稻田, 母質為花崗巖風化物。耕層 (0~20 cm) 土壤基本理化性質為: 全氮 含量 1.81 g·kg−1 , 全磷含量 0.50 g·kg−1 , 全鉀含量 37.8 g·kg−1 , 有機質含量 40.9 g·kg−1 , 容重 1.09 g·cm−3 , pH 為 5.06。土壤機械組成中砂礫、粉粒和黏粒的質量分數分別為 52%、45% 和 3%。
1.2 試驗設計
試驗采用隨機區組設計, 共 4 個處理: 不施氮肥處理 (CK); 常規化學氮肥表施處理 (CON), 氮肥基追比為 3∶1; 生物有機肥替代 40% 化學氮肥+化學氮肥 表 施 (CB), 剩 余 氮 肥 基 追 比 為 1∶1; 氮 肥 減 量 30%+生物有機肥替代 40% 減量化學氮肥+化學氮肥深施 (RBD), 化肥全部作為基肥, 深施方式為穴施, 深度為 7 cm, 位于每兩列水稻之間。每個處理 3 次重復, 小區面積 27 m2 (3 m×9 m)。每季磷鉀肥分別為 P2O5 75 kg·hm−2、K2O 100 kg·hm−2 , 作基肥一次性施入。 CON 處理早/晚稻季氮肥 (尿素, 46%) 分別為 150/180 kg(N)·hm−2。施生物有機肥處理根據 N 含量確定用量, 作基肥一次性表施。并計算生物有機肥攜入的磷鉀量, 剩余養分用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀補齊。生物有機菌肥由河北豐和綠光農業科技有限公司提供, 為粉狀。其中養分含量氮磷鉀≥6%、有機質≥ 60%、有效活菌數≥2 億·g −1 , 該有機肥包括螯合氨基酸、抗重茬劑、生根劑、保水劑、土壤激活素, 內含枯草、放線菌、木霉、芽孢桿菌等多種有益菌。具體施肥措施見表 1。試驗地田間管理與當地常規管理方式一致。供試作物品種: 早稻為‘潭兩優 45’, 晚稻為‘玉針香’。種植密度為 20 cm×20 cm, 每穴 2~3 株秧苗。2019 年早稻季, 移栽和施基肥時間為 4 月 30 日, 施追肥時間為 5 月 20 日, 收獲時間為 7 月 16 日; 2019 年 晚 稻 季, 移 栽 和 施 基 肥 時 間為 7 月 20 日, 施 追 肥 時 間為 8 月 2 日, 收 獲 時 間為 10 月 28 日。2020 年早稻季, 移栽和施基肥時間為 4 月 24 日, 施追肥時間為 5 月 10 日, 收獲時間為 7 月 13 日; 2020 年晚稻季, 移栽和施基肥時間為 7 月 18 日, 施追肥時間為 7 月 30 日, 收獲時間為 11 月 6 日。
1.3 樣品采集與測定
1.3.1 氨揮發收集與通量估算
氨揮發采用密閉室間歇抽氣法[23] , 氣室直徑為 20 cm, 氣室內的換氣速率為 15~20 次·min−1 , 通過調節閥和流量計控制換氣速率。密閉室內揮發的氨由抽氣泵帶動進入吸收瓶中, 被瓶中 0.05 mol·L−1 的稀酸 (100 mL) 吸收, 從而估算土壤表面揮發氨量及累積量。每次施肥后連續采樣 7~14 d, 采樣時間為每天的 9:00−11:00 和 15:00−17:00。
1.4 數據處理與作圖
運用 Origin 進行數據處理及制圖。采用 SPSS 進行單因素方差分析 (one-way ANOVA), 多重比較選用 Duncan 檢驗, 進行 Person 相關分析。
2 結果與分析
2.1 生物有機肥與化肥配施下稻田氨揮發動態
早稻季期間, 基肥施用后, 施氮處理每日氨揮發通量在 1~3 d 達到峰值, 之后逐日降低, 約 2 周后趨于平緩。CON 峰值最高, 早稻季兩年平均為 3.98 kg(N)·hm−2·d−1 , 兩個生物有機肥處理的峰值為 1.82~ 2.55 kg(N)·hm−2·d−1。氨揮發排放通量隨著施氮量增加而增加。追肥施用后, 氨揮發通量于第 2 天達到峰值, 隨后逐漸下降至與不施氮處理無顯著差異。 CB 處理峰值最高, 為 3.25 kg(N)·hm−2·d−1 , 而 CON 峰值低于 CB, 為 2.47 kg(N)·hm−2·d−1 , 主要是因為 CON 和 CB 處理基追肥比例不同, CB 處理追肥的施氮量高于 CON。晚稻季的基追肥氨揮發動態與早稻季的趨勢相似。施肥后的第 2 天達到峰值, 基追肥各施氮處理峰值分別為 1.38~8.58 kg(N)·hm−2·d−1 和 4.20~ 5.27 kg(N)·hm−2·d−1(圖 2)。晚稻季氨揮發通量明顯高于早稻季, 原因主要是晚稻季的施氮量、氣溫和光照等明顯高于早稻季, 利于尿素的水解, 促進了氨揮發。
2.2 生物有機肥與化肥配施對氨揮發累積量的影響
從圖 3A 可以看出, 不同處理氨揮發累積排放量有顯著差異 (P<0.05)。施氮量影響氨揮發累積量, 不同 施 肥 處 理 氨 揮 發 累 積 量 表 現 為 CON>CB> RBD>CK。兩年平均, 氨揮發累積排放量 CON 早稻季為 33.1 kg(N)·hm−2 , 晚稻季為 50.4 kg(N)·hm−2。施氮量相同的 CB 比 CON 氨揮發累積排放量小, CB 處理早稻季氨揮發累積排放量為 24.8 kg(N)·hm−2 , 晚稻季為 32.4 kg(N)·hm−2 ; 與 CON 相比, 早稻季和晚稻季氨揮發累積排放量分別降低了 25.2% 和 35.6%。兩個處理的氨揮發累積排放量有顯著差異 (P<0.05), 說明生物有機肥與氮肥配施有利于減少氨揮發。RBD 氨揮發累積排放量最小, 早稻季氨揮發累積量兩年平均為12.2 kg(N)·hm−2 , 晚稻季兩年平均為14.7 kg(N)·hm−2。相 較與 CON, 早稻季和晚稻季分別降低 63.2% 和 70.9%。RBD 與 CON 差異顯著 (P<0.05), 說明深施減氮, 同時用生物有機肥替代 40% 化肥可有效降低氨揮發排放量。晚稻季的氨揮發累積量普遍高于早稻季, 這與試驗設定中的施氮量有關, 晚稻季施氮量比早稻季施氮量增加 30 kg·hm−2 , 同時晚稻季氣溫和光照等條件也明顯高于早稻, 促進尿素的水解, 氨揮發增加。
如圖 3B 所示, 2019 年和 2020 年早、晚稻季的各處理氨揮發量占施氮量的比例差異顯著 (P<0.05)。不同施肥處理下的氨揮發損失量占施氮量的比例為 6.2%~25.5%。CON 氨揮發損失量占施氮量的比例為 17.5%~25.5%, CB 氨揮發損失量占施氮量的比例為 12.5%~15.1%。相對于 CON, 早稻季 CB 的氨揮發損失量占施氮量的比例平均下降了 29.5%, 晚稻季平均下降了 40.0%。RBD 的氨揮發損失量占施氮量的比例為 6.2%~8.2%, 與 CON 相比, 早稻季和晚稻季分
2.3 生物有機肥與化肥配施對田面水銨態氮濃度的影響
銨態氮是田面水中氮的主體形態。圖 4 是田面水銨態氮濃度在施肥后隨時間的動態變化。從圖中可以看出, 田面水銨態氮濃度變化趨勢與氨揮發變化趨勢相似。早稻季期間, 基肥施用后, 田面水銨態氮濃度第 1~2 天達到峰值, 之后逐日下降, 約兩周后趨于平緩。兩年早稻季平均 CON 峰值為27.1 mg·L−1 , CB 峰值為 14.5 mg·L−1, RBD 峰值為 12.0 mg·L−1。與 CON 的峰值相比, CB 峰值降低 46.5%, RBD 峰值降低 55.8%。追肥施加后, 田面水銨態氮濃度于第 1~2 天達到峰值, 然后逐漸下降至與不施肥處理無顯著差距。CB 峰值最高, 兩年平均為 15.7 mg·L−1, CON 處理為 13.7 mg·L−1 , 這是因為基追肥比例不同, CB 追肥量大于 CON。晚稻的田面水銨態氮濃度變化與早稻相似, 施肥后第 1 天達到峰值, 后逐漸降低到不施肥處理水平�；�、追肥各施氮處理峰值為 10.5~29.8 mg·L−1 和 15.8~18.1 mg·L−1。
2.4 不同施肥處理下稻田田面水銨態氮濃度與氨揮發通量的相關性分析
田面水銨態氮濃度對氨揮發有顯著影響[24]。當尿素施加在淹水稻田時, 會迅速被水解為 NH4 +和 HCO3 − [25]。大量銨態氮轉化為氨氣揮發。通過對田面水銨態氮濃度與氨揮發通量進行 Pearson 相關分析 (表 2), 發現各施氮處理氨揮發與田面水銨態氮濃度呈極顯著正相關 (P<0.01)。水稻田面水銨態氮濃度越高, 稻田氨揮發量越大。田面水銨態氮是稻田氨揮發的關鍵影響因素, 可以通過降低田面水中 NH4 + -N 的濃度來降低氨揮發量[6]。
2.5 生物有機肥與化肥配施對產量及氮素偏生產力的影響
由圖 5A 可知, 2019 年、2020 年早、晚稻季的產 量 在 不 同 施 肥 處 理 與 CK 間 存 在 顯 著 差 異 (P<0.05)。早稻季, CK 平均產量為 3.3 t·hm−2, CON 平均產量為 5.2 t·hm−2, CB 平均產量為 5.1 t·hm−2, RBD 平均產量為 5.0 t·hm−2, CB、CON、RBD 處理間均表現為無顯著差異。2019 年晚稻季, CON 產量為 8.4 t·hm−2, RBD 產量為 7.6 t·hm−2, CON 與 RBD 產量差異顯著 (P<0.05)。相較于 2019 年晚稻季, 2020 年晚稻整體產量低, CON、CB、RBD 產量差異不顯著。
由圖 5B 可知不同施肥處理的氮肥偏生產力。產量和施氮量決定氮肥偏生產力, 兩年各早、晚稻季 CON 與 CB 處 理 間 氮 肥 偏 生 產 力 差 異 不 顯 著, CON 與 RBD 之間差異顯著 (P<0.05)。早稻季 CON 平均氮肥偏生產力為 34.6 kg·kg−1, CB 為 34.1 kg·kg−1 , RBD 為 47.2 kg·kg−1。相較于 CON, 早稻季 RBD 的氮肥偏生產力增加 36.3%。2019 年晚稻季, 各處理氮肥偏生產力均大于早稻季, RBD 較 CON 氮肥偏生產力增加 29.6%。2020 年晚稻季, 因遭遇連續低溫陰雨、寒露風天氣, 晚稻產量有所下降, CON、CB 和 RBD 處理的氮肥偏生產力與 2019 年相比分別下降 29.6%、26.1% 和 27.9%。
3 討論
3.1 生物有機肥化肥配施、減氮深施對于氨揮發的影響
本試驗中 CB 處理與 CON 處理相比, 在早稻季和晚稻季, 氨揮發損失量占施氮量的比例分別減少 29.5% 和 40.0%, 氨揮發累積損失量分別減少 25.2% 和 35.7%, 說明生物有機肥與化肥配施處理能有效降低雙季稻田氨揮發損失, 這與白雪原[26] 研究結果一致, 生物有機肥在河套地區堿化土與南方稻田中都能降低氨揮發損失。有機肥在土壤中礦化為植物可以吸收的無機氮需要一定時間, 并且礦化過程是一個持續穩定的過程, 因此有機肥中的氮不易轉化為氨氣揮發到大氣中[27]。本試驗中施用的生物有機肥包含枯草、木霉、芽孢桿菌等多種有益菌。在堿性土壤中, 采用枯草芽孢桿菌生物有機肥配施與由秸稈和畜禽糞便堆肥而成的有機肥相比氨揮發減少 44%。枯草芽孢桿菌生物有機肥能增強硝化過程, 促進 NH4 + -N 向 NO3 − -N 轉化[28]。由功能基因 ureC 編碼的脲酶可以快速水解氮肥產生 NH4 + -N[29] , 是土壤中 NH4 + -N 的主要來源。Sun 等 [28] 發現配施枯草芽孢桿菌生物肥能降低土壤中 ureC 的數量, 進而減緩土壤中 NH4 + -N 的生成速率, 降低了氨揮發, 同時生物有機肥也改變了土壤氮循環微生物群落, 影響氮循環中硝化、反硝化、DNRA 過程。楊亞紅等[30] 研究表明, 相同施氮量下, 在堿性土壤上, 與化肥相比, 配施或全施解淀粉芽孢桿菌 (B. amyloliquefaciens) 生物有機肥, 能夠降低 70% 以上農田土壤氨揮發量, 解淀粉芽孢桿菌生物有機肥的施用, 提高了土壤細菌群落的多樣性及豐富度, 特別是芽孢桿菌、硝化螺旋菌屬 (Nitrospira) 相對豐度明顯提升, 促進了土壤硝化過程, 從而減少了氨揮發。汪霞[31] 通過盆栽試驗研究 3 種不同微生物菌劑和傳統化肥的配施對堿性土壤氨揮發減排效果的差異, 發現真菌類微生物菌劑綠色木霉菌氨揮發量比尿素處理降低 42.2%, 微生物菌劑解淀粉芽孢桿菌和多粘類芽孢桿菌 (Paenibacillus polymyxa) 氨揮發量分別降低 20.3% 和 13.8%, 其主要作用機制有降低氨揮發速率峰值期間的土壤 pH, 提高硝化菌群的豐度, 增強土壤硝化作用。與綠色木霉菌生物有機肥相比, 解淀粉芽孢桿菌負載于有機肥上施入農田土壤中有較好的定殖和存活能力, 解淀粉芽孢桿菌生物有機肥與化肥配施是降低農業氨排放的更優方式[32]。
本試驗中 RBD 處理與 CB 處理相比, 在早稻季和晚稻季, 氨揮發損失量占施氮量的比例分別減少 47.5% 和 51.7%, 氨 揮 發 累 積 量 分 別 減少 50.7% 和 54.7%。本研究結果表明, 減少 30% 氮肥施入結合深施氮肥是降低氨揮發的重要手段。施肥劑量主要通過影響田面水銨態氮的總濃度來影響土壤氨揮發, 銨態氮濃度會對氨揮發產生直接影響[33-34]。相較于表施, 氮肥深施可以降低 54%~90% 的氨揮發, 且有利于提高氮肥利用率、作物產量和根系活力[10,35-36]。這是因為氮肥深施可以減少氮肥與空氣的接觸面積, 增加土壤與尿素水解的 NH4 +的接觸, 使土壤膠體吸附更多 NH4 +[9-10] , 增加對銨的固定, 降低土壤脲酶活性 [33] , 減緩尿素的水解[9]。周麗平[37] 將等量尿素施于土表以下 25 cm 深度, 能夠明顯減少氨揮發速率峰值和氨揮發累積量。YAO 等 [10] 研究發現, 深施氮肥, NH4 + -N 幾乎沒有擴散進入田面水中, 可以在作物早期生長階段, 為土壤提供更多的 NH4 + -N, 并延長 2 個月氮供應時間。深施減氮 25% 時, 植物對15N 的吸收提高 62%, 15N 的損失降低 38%。周平遙等[38] 減量深施氨揮發損失率較減量撒施處理降低 23.9%~53.1%。施肥次數的減少, 可以減少追肥期間的氨揮發損失。胡瞞瞞等[39] 研究發現, 一次性深施處理能避開土壤氨高揮發期。Wang 等 [40] 研究了深層施肥和地面撒施在不同基肥施用比例下對稻田氨揮發的影響, 發現高比例基肥深施時, 可以有效地減少稻田氨揮發損失, 而追肥時與化肥表施處理無明顯差異。劉兆輝等[41] 研究結果表明, 與農民傳統施肥方式相比, 一次 性 基 施 緩 控 釋 肥 可 以 顯 著 減 少 農 田 氨 揮 發達 18.1%~81.3%。本研究 RBD 處理因為化學氮肥深施、且肥料一次性施用, 氨揮發損失較常規處理降幅最大。——論文作者：張 靖1,3 , 朱 瀟1,3 , 沈健林1,2 , 李 勇1,2 , 王 娟1,2** , 吳金水1,2,3
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