稻虾共作模式下秸秆还田对稻田氨挥发的影响

佀国涵，彭成林，袁家富①，夏贤格，程建平，徐祥玉，贾平安，谢媛圆，周剑雄

(1.湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北 武汉 430064；2.农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，湖北 武汉 430064；3.湖北省农业科学院粮食作物研究所，湖北 武汉 430064；4.潜江市农技推广中心，湖北 潜江 433199)

氮素是作物生长必需的营养元素，也是农业生产可持续发展的根本要素，在作物产量形成和品质方面起着至关重要的作用。目前我国已成为世界第一大氮肥消费国，氮肥用量占全球用量的35%左右，其中稻田氮肥占世界稻田氮肥用量的36.1%[1-2]，且氮肥利用率仅为27.1% ～ 35.6%[3]。稻田中施入的氮肥大部分通过气态挥发、淋溶和径流等途径损失进入环境中[4]，其中一部分氮肥以硝态氮形式进入地表水和地下水环境，污染水质；而另外一部分氮肥转化为气态氮，例如NH3、N2和N2O等进入大气，而NH3挥发是氮肥气态损失的主要途径之一[5]。

稻虾〔水稻(Oryzasativa)-克氏原螯虾(Procambarusclarkii)〕共作模式是我国长江中下游地区一种新兴的稻田种养复合生态模式，该模式将水稻种植和水产养殖进行有机结合，充分利用农田资源，实现了“一水两用、一田双收”的目的[6]。目前，全国稻虾种养面积主要分布在湖北、湖南、安徽、江苏和江西等长江中下游地区，且以湖北面积为最大，截至2018年湖北稻虾种养面积约为38.07万hm2，占全国总面积的48.96%[7]。稻虾共作模式下水稻秸秆以泡水覆盖形式还田，克氏原螯虾能够取食秸秆泡水腐解过程中产生的植物碎屑以及相关微生物、浮游动物[8]，这些均可能影响水稻季氨挥发特征。目前关于稻田复合种养生态系统中氨挥发方面的研究主要集中在稻鱼、稻蟹和稻鸭模式。LI等[9]研究了稻鱼和稻鸭共作系统的NH3挥发，发现由于鱼和鸭子的存在降低了田面水pH，从而降低稻鱼和稻鸭共作系统稻田NH3挥发。王昂等[10]研究了稻蟹共作系统氨的挥发损失，结果表明养蟹可以降低稻田NH3总挥发量，且其NH3总挥发量较中稻单作模式降低28.4%。稻虾共作模式对大气环境影响方面的研究主要集中在CH4、N2O和CO2等温室气体。SUN等[11]研究表明稻虾共作模式显著降低周年稻田CH4累积排放量，但可提高N2O累积排放量；徐祥玉等[12]研究表明稻虾共作模式显著降低水稻季CH4和N2O累积排放量，但对CO2累积排放量无显著影响。目前关于稻虾共作模式下秸秆还田对稻田氨挥发影响方面的研究鲜有报道，笔者采用通气法，通过监测分析稻虾共作模式下稻田氨排放通量和氨挥发损失，并同步研究稻田氨挥发的影响因子，以期为评估稻虾共作模式氮素损失提供数据支撑，为进一步推广稻虾共作模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于湖北省潜江市后湖农场移民村(30°22′41.2″ N，112°41′32.5″ E)，该区域属江汉平原低湖区，冬季静态地下水位为40～60 cm，属北亚热带季风湿润气候区，年均气温为16.1 ℃，无霜期为246 d，年均降水量为1 100 mm，种植制度为“中稻-冬闲”，土壤类型为湖积物发育而成的潮土性水稻土。2014年试验前0～20 cm耕层土壤基本理化性状：pH 为7.12，容重为0.97 g·cm-3，w(有机质)为26.43 g·kg-1，w(全氮)为2.36 g·kg-1，w(全磷)为0.45 g·kg-1，w(全钾)为19.5 g·kg-1，阳离子交换量为28.1 cmol·kg-1，w(碱解氮)为129.5 mg·kg-1，w(铵态氮)为19.01 mg·kg-1，w(硝态氮)为8.03 mg·kg-1，w(速效磷)为9.13 mg·kg-1，w(速效钾)为178.67 mg·kg-1。

1.2 试验设计

田间试验始于2014年10月，笔者试验于2018年6月至2018年10月进行，设置冬泡无秸秆还田(W)、冬泡+秸秆还田(WS)和冬泡+秸秆还田+养虾(WSC)3个处理。每个处理设置3次重复，共9个小区，每个小区面积为100 m2，在小区周围做宽60 cm、高40 cm的埂，并用地膜包裹。为了防止串水、串虾，处理间设宽0.4 m、深1.0 m的沟，在稻虾共作模式小区一侧开挖宽3.0 m、深1.0 m的虾沟，且四周设尼龙拦虾网，尼龙网埋入地下约1.0 m深，地上露出约0.3 m高，并用小竹棍支撑。

就养虾处理而言，虾苗于2014年10月按照质量为(5±2) g的幼虾9.0万尾·hm-2标准投放，虾苗在稻田中自行繁殖，以后每年此时根据实际情况补投适量亲虾，在每年3～5月投放虾饲料，饲料投入量平均为1 800 kg·hm-2，饲料中全氮、全磷和全钾含量分别为46.6、11.0和10.5 g·kg-1，于每年6月上旬捕捞成虾完毕，而未成熟的幼虾随水迁移至虾沟中，待整田、施肥、插秧、晒田控蘖及复水后再次进入稻田生活，在中稻收获前收获第2季成熟虾，于10月底中稻留高茬收获后，灌水冬泡进行下一季克氏原螯虾养殖，如此循环轮替[13]。

田间管理方式见表1。于2018年6月21日进行整地施肥，于6月22日移栽水稻秧苗(3叶1心)，栽插原则是宽行窄株、沟边密植，株行距为16.7 cm×26.6 cm，10月18日收割水稻。田间试验中氮肥(以N计)、磷肥(以P2O5计)和钾肥(以K2O 计)施用量分别为150、69和120 kg·hm-2，其中，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾；基肥、分蘖肥和穗肥中氮肥施用量占总施氮量的比例分别为58.0%、18.0%和24.0%，磷肥作为基肥一次性施入，基肥和穗肥中钾肥施用量占总施钾量的比例分别为50%和50%。稻草还田方式为高留茬加田间覆盖后灌水，并于水稻种植前旋耕掩埋，留茬高度约为40 cm，还田量为7 500 kg·hm-2，供试水稻为中稻品种鉴真2号，供试虾为克氏原螯虾。

表1 不同处理田间管理措施

1.3 样品采集与分析

1.3.1田间氨挥发测定

稻田氨挥发收集采用通气法[14]。收集装置由内径为15 cm、高度为30 cm的聚氯乙烯硬质塑料管制成，硬质塑料管下层5 cm处浸入土壤中，为防止降水对测定结果的影响，在装置顶部10 cm处支起一个半径大于收集装置的顶盖。测定过程中分别将2块厚度为2 cm、直径为15 cm的海绵均匀地浸在15 mL磷酸甘油溶液(50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至 1 000 mL)中并过夜，待完全吸收后置于管中，下层海绵距管底20 cm，用于捕获土壤挥发的氨气；上层海绵与管顶部相平，用于消除外界空气中氨气对下层海绵的干扰。施肥后第1周每天采样1次，之后第2周每2 d采样1次，之后根据测到的氨挥发量，每7 d 取样1 次，直至监测不到氨挥发时为止。每个小区均匀放置2个收集装置，将收集的海绵带回实验室，采用300 mL 1.0 mol·L-1KCl溶液进行浸提，在25 ℃恒温、转速为180 r·min-1条件下振荡1 h后过滤，采用AA3连续流动分析仪(德国SEAL公司)测定滤液中铵态氮含量。土壤氨挥发通量计算公式为

(1)

式(1)中，f为氨挥发通量(以N计)，kg·hm-2·d-1；c为浸提液中氨氮浓度，mg·L-1；V为浸提液体积，mL；A为吸收氨气的海绵有效面积，m2；t为采样时间，d。氨挥发损失量是以氨挥发速率乘以相应的时间间隔，然后将所有时间段的结果相累加得到。

1.3.2田面水取样及测定指标

于水稻移栽后第1天开始采集田面水样，施肥后每2 d采集1次共采集2周，其他时间每周采集1次，直至水稻收获。每次取样时于每个小区采集2个水样，每个水样选择2～3个采集点，釆用50 mL医用注射器抽取田面水，注入塑料瓶中，取样后立即带回实验室放入4 °C冰箱中保存。采用AA3连续流动分析仪测定田面水中NH4+-N浓度，采用Mettler Toledo pH计测定田面水pH。

1.3.3数据质量控制与统计分析

在样品测定过程中严格进行数据质量控制，平行双样测定个数为某批样品总数的20%，其测定合格率均大于95%；测定样品时每批次均带测标准样(100 μg·mL-1铵态氮标准样，北京北方伟业计量技术研究院出品)，且标准样测定值均落在保证值95%置信水平范围内；每一批样品均做2个空白样，以校正有关外界因素对测定分析结果的影响。测定数据采用Excel 2007进行初步处理，采用SPSS 21.0进行方差分析，采用最小显著性检验(LSD)法比较不同处理间差异显著性，差异显著性水平设为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同模式对稻田氨挥发通量动态变化的影响

由图1可知，氨挥发通量在每次氮肥施用后迅速增大，在1～5 d内达到峰值，随后逐渐降低。在整个水稻生育期，氨挥发通量由大到小依次为基肥期、分蘖肥期和穗肥期。在基肥期，WS处理氨挥发通量均值显著高于WSC和W处理(P<0.05)，WS、WSC和W处理氨挥发通量均值分别为(0.49±0.42)、(0.42±0.02)和(0.37±0.06) kg·hm-2·d-1；在分蘖肥期，以W处理氨挥发通量均值为最高，但不同处理间差异未达显著水平(P>0.05)；在穗肥期，以WSC处理氨挥发通量均值为最高，为(0.09±0.01) kg·hm-2·d-1，且显著高于WS和W处理(P<0.05)，而WS和W处理间氨挥发通量均值差异未达显著水平(P>0.05)。由此可见，相对于冬泡秸秆不还田处理，冬泡+秸秆还田处理显著提高基肥期氨挥发通量，但对分蘖肥期和穗肥期氨挥发通量影响不大；在冬泡+秸秆还田基础上养殖克氏原螯虾，可显著降低基肥期氨挥发通量，但可提高穗肥期氨挥发通量。

2.2 不同模式对稻田氨挥发损失量的影响

由表2可知，不同处理氨挥发损失量为8.76～9.74 kg·hm-2，占总施氮量比例为5.84%～6.49%，其中WS处理氨挥发损失量较W和WSC处理分别提高11.19%和9.07%，但处理间差异不显著。

表2 不同模式对稻田氨挥发损失量的影响

WSC为冬泡+秸秆还田+养虾处理，WS为冬泡+秸秆还田处理，W为冬泡秸秆不还田处理。同列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异达显著水平(P<0.05)。基肥期为水稻移栽后1～14 d，分蘖肥期为移栽后15～54 d，穗肥期为移栽后55～110 d。

在基肥期，稻田氨挥发损失量为3.70～4.93 kg·hm-2，占基肥施氮量的4.26%～5.67%，WS处理氨挥发损失量及其占基肥比例显著高于其他处理，其中WS处理氨挥发损失量较W和WSC处理分别提高33.24%和17.66%；在分蘖肥期，稻田氨挥发损失量为3.52～4.16 kg·hm-2，占分蘖肥施氮量的13.02%～15.40%，W处理氨挥发损失量及其占分蘖肥施氮量比例显著高于WSC处理，其中W处理氨挥发损失量较WSC处理提高18.18%；在穗肥期，稻田氨挥发损失量为1.10～1.42 kg·hm-2，占穗肥施氮量的3.05%～3.94%，WSC处理氨挥发损失量及其占穗肥施氮量比例均显著高于W和WS处理，其中WSC处理氨挥发损失量较WS和W处理分别提高29.09%和15.45%；WS处理氨挥发损失量及其占分蘖肥期或穗肥期比例在相应施肥期较W处理有降低趋势，但差异均未达显著水平(P>0.05)。

可见，稻田氨挥发损失主要发生在水稻生长中前期，相对于冬泡秸秆不还田处理，冬泡+秸秆还田处理增加了基肥期氨挥发损失量，但在分蘖肥期和穗肥期氨挥发损失量有降低趋势；在冬泡+秸秆还田基础上养殖克氏原螯虾，显著降低基肥期氨挥发损失量，增加穗肥期氨挥发损失量，但氨挥发总损失量差异不大。

2.3 不同模式下田面水NH4+-N浓度动态变化

由田面水NH4+-N浓度动态变化(图2)可知，至移栽后82 d，水稻处于成熟期，稻田处于湿润状态，无法采集田面水；基肥期田面水NH4+-N浓度在施肥后第2天即达到峰值，而分蘖肥和穗肥期则在第1天达到峰值，这可能与基肥施用后进行土壤翻压而分蘖肥和穗肥在表面撒施后未进行土壤翻压有关。在整个水稻生育期，田面水NH4+-N浓度峰值由大到小依次为基肥期、分蘖肥期和穗肥期。不同处理间比较(图2～3)而言，在基肥期，田面水NH4+-N峰值浓度和浓度均值由大到小依次为WS、WSC和W处理；在分蘖肥期，以WSC处理峰值浓度和浓度均值为最低；而在穗肥期，以WSC处理峰值浓度和浓度均值为最高。

2.4 不同模式下田面水pH动态变化

由图4可知，水稻全生育期内田面水pH变幅为6.01～7.83，田面水pH在每次施肥后7 d内呈先增加后降低趋势，且在2～3 d内达到最大值；在整个水稻生育期，田面水平均pH由大到小依次为分蘖肥期、基肥期和穗肥期；在基肥期，不同处理间田面水平均pH以WS处理(7.37±0.28)为最高，其次为WSC处理(7.30±0.42)，W处理(7.25±0.45)最低，但差异均未达显著水平(P>0.05)；在分蘖肥期和穗肥期，不同处理间田面水pH差异不大。

2.5 氨挥发通量与田面水pH和田面水NH4+-N浓度相关性分析

由图5可知，氨挥发通量与田面水NH4+-N浓度、田面水pH均呈极显著正相关(P<0.01)，两者决定系数R2分别为0.146 4和0.499 8，即田面水NH4+-N浓度和田面水pH越高，氨挥发通量就越大，可见影响稻田氨挥发通量的主要因素为田面水NH4+-N浓度和田面水pH。

3 讨论

氨挥发是氮肥施入稻田后导致氮素气态损失的重要途径之一。笔者研究表明氨排放通量均在施肥后1～5 d内上升到最大值，这表明施肥后1～5 d是氨排放最强烈的阶段，之后则呈缓慢下降趋势，该结果与陈园等[15]和肖新等[16]的研究结果一致。笔者研究表明，水稻季氨挥发损失量主要发生在水稻基肥期和分蘖肥期，且以分蘖肥期氨挥发损失占分蘖肥比例为最高，这与张静等[17]和宋勇生等[18]的研究结果一致，这主要是由于基肥和分蘖肥施用量大且相对集中，而此时水稻根系尚不发达，对氮素营养物质的吸收能力弱，需求量小，从而导致大量氮肥发生氨挥发损失[19]；另外，由于水稻分蘖期时间长，温度高，光照强，高温会通过提高脲酶活性加快尿素的水解速度，提高氨和NH4+-N的扩散速率，促进NH4+-N转化为氨而增加尿素氮的挥发损失，同时施用水稻分蘖肥时采取表面撒施方式，可增加田面水中NH4+-N浓度，提高氨挥发损失量及其占施氮量比例[20-21]；在穗肥期，由于水稻已生长茂盛，阻碍了空气流通，不利于氨挥发，同时水稻根系相对较发达，对氮素的吸收利用速度较快，从而降低了穗肥期氨挥发损失[22]。

笔者研究表明，水稻全生育期内稻田氨挥发损失率为5.84%～6.49%，与马玉华等[23]研究得到的稻田氨挥发损失率为6.2%～8.5%以及孙海军等[24]应用15N尿素标记技术研究得到稻田氨挥发损失率为8.4% 的结果基本吻合，但低于汪军等[25]对乌栅土研究得到的13.8%氨挥发损失率，究其原因可能与施氮量的差异有关，笔者试验中施氮量为150 kg·hm-2，马玉华等[23]和孙海军等[24]研究得到的氮肥施用量均为180 kg·hm-2，而汪军等[25]研究得到的氮肥施用量为240 kg·hm-2，进一步表明施氮量是影响稻田生态系统氨挥发损失的主要因子，因此控制适当水平的氮肥施用量是减少氮肥损失的有效途径，这与邬刚等[26]和叶世超等[27]的报道结果一致。

笔者研究表明，与冬泡秸秆不还田处理相比，冬泡+秸秆还田处理氨挥发损失量在基肥期显著提高，但在分蘖肥期和穗肥期有降低趋势，这与DE RUIJTER等[28]和TIAN等[29]研究结果一致，这主要是因为在基肥期，刚翻入土壤中的秸秆增加了土壤脲酶活性，促进了尿素的水解，而有机物质阻碍了NH4+-N进入土壤，减少NH4+-N的晶穴固定，提高了田面水NH4+-N浓度[30]，从而提高基肥期氨挥发通量；而在分蘖肥期和穗肥期，由于还田秸秆碳氮比高，还田初期微生物需从土壤中吸收氮素来分解秸秆，可显著降低耕作层土壤铵态氮和硝态氮含量[31]，从而造成秸秆还田处理在分蘖肥期和穗肥期氨挥发损失量存在降低趋势。李聪等[32]研究表明，克氏原螯虾的食物来源中浮游动物和有机碎屑的贡献率分别为11.2%～14.4%和21.2%～23.4%。笔者研究表明，相对于冬泡+秸秆还田处理，冬泡+秸秆还田+养虾处理氨挥发损失量在基肥期显著降低，但在穗肥期氨挥发损失量有所增加；这可能是由于稻虾共作模式下秸秆还田方式为留高茬与水体表面覆盖还田结合，秸秆与土壤接触并不紧密，使微生物对秸秆的分解受到限制，同时克氏原螯虾能够摄食秸秆泡水腐解过程中产生的植物有机碎屑以及以有机碎屑为食的浮游动物，从而降低了秸秆中N含量，降低了氮素施入量，减少了基肥期氨挥发损失量。而在穗肥期，经晒田覆水重新回到稻田中的克氏原螯虾，在稻田中觅食爬行等活动搅动了水土界面，提高了土壤NH4+-N向田面水扩散速率，同时克氏原螯虾的代谢产物也增加了额外的N素，理论上提高了田面水NH4+-N浓度，从而提高了穗肥期氨挥发损失量。稻田氨挥发是田面水中游离NH4+-N转换为气态NH3后经水面挥发到空气中的过程，与施氮量、田面水NH4+-N浓度和田面水pH等密切相关[33]。许多研究表明，田间水层NH4+-N浓度是影响稻田氨挥发通量的决定因子[34-35]。笔者研究中NH3挥发通量与田间水层NH4+-N浓度呈极显著正相关的结果与之相一致。一般认为，pH是影响稻田NH3挥发通量的另一个重要因素，在施入尿素后，由于尿素在水中的分解转化，导致pH呈先升高后降低的变化趋势，而pH升高会促进NH4+-N向NH3转化，引起氨挥发通量的增加[35]。笔者研究表明，田面水pH在每次施用肥料后呈先升高后降低趋势，且田间水pH与氨挥发通量呈极显著正相关。

4 结论

在整个水稻生育期，氨挥发通量由大到小依次为基肥期、分蘖肥期和穗肥期，且水稻季氨挥发损失量主要发生在水稻基肥期和分蘖肥期，且以分蘖肥期氨挥发损失占比为最高。相对于冬泡秸秆不还田处理，冬泡+秸秆还田处理显著提高了基肥期氨挥发通量和氨挥发损失量，但其氨挥发损失量在分蘖肥期和穗肥期有降低趋势；在冬泡+秸秆还田基础上养殖克氏原螯虾，显著降低了基肥期氨挥发通量和氨挥发损失量，提高了穗肥期氨挥发通量和氨挥发损失量，但氨挥发总损失量与冬泡+秸秆还田处理相比差异未达显著水平。氨挥发通量与田面水NH4+-N浓度、田面水pH均呈极显著正相关。因此，今后可根据稻虾共作模式下水稻各施肥期氨挥发特点，通过调整氮肥不同时期的施用比例，即提高基肥比例，降低穗肥比例，从而达到减少稻田氨挥发、提高氮肥利用率的目的。