耕作方式对早稻-再生稻稻田氨挥发的影响

孔盼，夏苏敬，张海维，朱建强

长江大学农学院，湖北 荆州 434025

氨挥发在稻田生态系统中是氮肥最为主要的气态损失途径，占施肥量的9%—40%（Fan et al.，2006；朱兆良，2000）。有研究表明（邓美华等，2006；Mkhabela et al.，2007；区惠平等，2013），氨挥发主要受施氮量和田间耕作方式影响，田面水NH4+-N含量也是影响氨挥发的重要因子。就耕作方式对稻田培肥和水稻对养分的吸收利用看，长年翻耕会使土壤疏松、容重降低，在秸秆还田的情况下容重降低更多，对水稻的生长更为有利（张大伟等，2009）；旋耕的耕深偏浅，长期使用这种耕作方法会使土壤犁底层变浅，通透性变差，渗水困难，不利于水稻植株的生长（姚秀娟，2007）；与翻耕相比，免耕水稻的土壤硬度较大，耕作层裂缝较多，导致土壤中的氮素下移，土壤深层氮素吸收能力变差，不利于保肥保水，不利于免耕水稻对氮素的吸收和利用（刘世平等，2007）。近年来，国内关于稻田氨挥发的研究多围绕单一翻耕、免耕和旋耕进行（曹凑贵等，2010；马玉华等，2013）、国外（Mkhabela et al.，2007；Liang et al.，2016）对翻耕和旋耕组合条件下再生稻稻田氨挥发及其产量研究比较缺乏。然而，再生稻稻田不同于一般双季稻稻田耕作，早稻耕作插秧后再生稻不需耕作，在这种“一种两收”的特殊农作制度下，耕作方式对稻田氨挥发有何影响，特别是其中变化趋势如何，对需氮量大的再生稻施肥管理十分重要，是值得研究的科学问题。在调查江汉平原再生稻稻田耕作方式的基础上，根据冬前是否翻耕和水稻插秧前旋耕情况，在田间管理完全一致的条件下，观测了4种耕作方式下早稻-再生稻稻田的土壤氨挥发和水稻产量，为早稻-再生稻稻田有效降低氨挥发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在湖北省荆州市金穗家庭农场（30°23′46.68″N，112°29′7.71″E）大田进行。试验所在地位于江汉平原腹地，属于北亚热带季风气候，年降水量 1100—1300 mm，太阳年辐射总量为435—460 KJ·cm−2，年日照时数 1800—2000 h，年平均气温 15.9—16.6 ℃，≥10 ℃的年积温 5000—5350 ℃，年无霜期242—263 d。4—10月降水量占全年80%，太阳辐射量占全年75%，≥10 ℃的积温为全年80%，具有水热同步和与农业生产季节一致的良好气候条件，适宜多种农作物的生长发育。该地区年均温度为18.4 ℃，年降水量为773.5 mm，2019年试验期间降水和气温见图1。土壤为湖泊成因的偏粘性潴育型水稻土，耕作层（0—20 cm）土壤基本性状为：土壤pH值6.27，有机质22.31 g·kg−1，土壤全氮 1.26 g·kg−1，全磷 0.51 g·kg−1，全钾 9.51 g·kg−1，碱解氮 78.61 mg·kg−1，速效磷 20.75 mg·kg−1，速效钾 85.51 mg·kg−1。试验地连续 4 年实行早稻-再生稻种植模式，冬闲期翻地炕田。

图1 试验期间大气温度和降水量Fig. 1 Air temperature and rainfall during the experiment

1.2 试验设计

在调查江汉平原再生稻稻田耕作方式的基础上，根据冬前是否翻耕和水稻插秧前旋耕情况，在田间管理完全一致的条件下，按单因素进行试验设计，设4种耕整模式：翻耕1次旋耕1次（T1）、翻耕1次旋耕2次（T2）、不翻耕旋耕2次（T3）、不翻耕旋耕3次（T4），每个处理3次重复，共计12个小区，小区面积为240 m2。冬前进行翻耕，耕深25 cm；春季栽种水稻前旋耕，耕深15 cm。

供试水稻品种为丰两优香1号，在早稻收获时留高桩萌生腋芽发育成再生稻，早稻-再生稻全生育期为215 d。早稻采用育秧机插移栽模式，于3月24日播种，4月21日移栽，株距16 cm，行距30 cm，每穴种植2株，8月13日收获早稻，10月20日收获再生稻，留40 cm稻桩为再生稻生长创造条件。试验田按常规田间管理，早稻和再生稻均采用机收，秸秆均粉碎还田。

试验用肥氮肥为普通尿素（含N 46%）、复合肥（N-P2O5-K2O百分含量为22-9-15）。全生育期有效养分施用总量为 N 281.2 kg·hm−2、P2O536 kg·hm−2、K2O 60 kg·hm−2。基肥和追肥均采用撒施。早稻移栽前（4月16日）施400 kg·hm−2复合肥作基肥，6月20日施入分蘖肥（150 kg·hm−2尿素），8月3日（早稻收获前10天）施尿素120 kg·hm−2作为再生稻促芽肥，8月18日（早稻收获后第5天）施150 kg·hm−2尿素作为再生稻提苗肥。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 氨挥发采集与测定

氨挥发通量采用通气法测定（王朝辉等，2002）。通气法装置由无底PVC管制成，外径17 cm，内径16 cm，高50 cm，上部接一个弯头，防止雨水对氨挥发气体收集的影响。测定过程中分别将两块厚度均为2 cm、直径为17 cm的海绵均匀浸于15 mL的磷酸甘油溶液后，将两层海绵置于PVC管中，下层的海绵距地面15 cm，上层的海绵与管顶部相平。下层海绵用于吸收土壤挥发出的氨气，上层海绵用于防止空气中的氨气和灰尘等进入。土壤氨挥发的捕获于施肥后当天开始，在各小区的不同位置分别放置两个捕获装置，次日10:00取样。取样时，将通气装置下层的海绵取出，迅速装入密封袋中保存；同时换上另一块刚浸过磷酸甘油的海绵。上层的海绵视干湿情况3—7 d更换1次。变动摆放位置后，将装置重新放好，开始下一次田间吸收。施肥后1周，每天取样1次；第2周，每隔3天取样1次；第3周，视测到的氨挥发量，每隔3—5天取样1次，以后取样间隔可延长到7—10 d，直至监测不到氨挥发为止。把取下的海绵带回试验室，分别放入500 mL塑料瓶中，加1 mol·L−1氯化钾溶液200 mL，将海绵完全浸于其中，振荡1 h，用Alliance-Futura Ⅱ连续流动分析仪测定浸提液的铵态氮含量。

1.3.2 田面水采集与测定

水稻田面水采集与氨挥发采集时间一致，将多点取得的田面水样混合后装入聚乙烯塑料瓶，带回实验室经真空泵抽滤后，用Alliance-Futura Ⅱ连续流动分析仪测定铵态氮（NH4+-N）。

1.3.3 测产

分别于两季水稻成熟后，每小区选择长势一致、能够代表小区整体水平的样方进行测产，每小区取3个样方，每样方3 m2。

1.4 有关指标计算

氨挥发通量T按式（1）计算，某段时间氨挥发累积量E按式（2）计算，氨挥发强度Q按式（3）计算，氮肥偏生产力Pfpn按式（4）计算。

式中：

T——氨挥发通量，kg·hm−2·d−1；

m——采用通气法时，单个装置平均每次测得的氨量，mg；

A——捕获装置的横截面积，m2；

tD——每次连续捕获的时间，以天计，d。

E——某段时间氨挥发累积量，kg·hm−2；

t——某段时间氨挥发持续的天数，d。

Q——氨挥发排放强度，kg·t−1；

Y——单位面积水稻产量，t·hm−2。

Pfpn——氮肥偏生产力，kg·kg−1；

YN——施氮区稻谷产量，kg·hm−2；

F——施氮量，kg·hm−2。

1.5 数据处理

运用 Excel 2007软件进行数据处理，DPS 7.5软件进行方差分析，并采用多重比较（LSD法）进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对早稻-再生稻稻田土壤氨挥发的影响

不同耕作方式下稻田氨挥发通量的季节性变化如图2所示，可以看出，早稻施入基肥后，各处理氨挥发通量于第 2天达到峰值（2.26—6.32 kg·hm−2·d−1），随后迅速降低，第 14 天各处理降至无显著差异，其峰值表现为T3>T4>T2>T1；施入分蘖肥后各处理氨挥发通量在第 3天均达到峰值（3.92—11.25 kg·hm−2·d−1），随后逐渐降低并趋于平缓，分蘖肥施入后第 13天各处理氨挥发通量降至无明显差异，各处理的氨挥发通量峰值表现为T3>T4>T1>T2。再生稻促芽肥施入之后，于第2天出现峰值，各处理排放通量峰值为 1.64—5.55 kg·hm−2·d−1，施促芽肥后氨挥发通量峰值表现T3>T4>T1>T2，促芽肥后第5天各处理氨挥发通量降至无明显差异；施提苗肥后氨挥发通量峰值表现T3>T4>T1>T2，提苗肥后第4天各处理氨挥发通量降至无明显差异。

图2 不同耕作方式下稻田氨挥发通量的季节性变化Fig. 2 Seasonal variation of ammonia volatilization flux in paddy fields under different tillage methods

由图2可知，稻田氨挥发峰值出现在施肥后第2天和第3天，各处理在氨挥发峰值处差距较大。为了了解不同耕作处理氨挥发通量峰值是否存在显著差异，对试验结果进行了统计分析，结果见表1。从表1可以看出，基肥施入后T1（T2）、T3、T4的峰值差异显著，T1与T2之间不显著；分蘖肥施入后T1、T2、T3（T4）峰值差异显著，T3与T4之间不显著；促芽肥施入后T2与T3（T4）峰值差异显著，T1、T3和T4之间彼此差异不显著；施入提苗肥后T2与T3（T4）峰值差异显著。各次施肥后最大的共性是 T2处理的氨挥发峰值均最小，且与T3和T4的差异均达显著水平。以上分析表明，在4种耕作方式中T2可显著降低施肥后的氨挥发。

表1 不同耕作方式下施肥后氨挥发通量峰值Table 1 Peak value of ammonia volatilization flux after fertilization under different tillage methods kg·hm−2·d−1

根据2019年早稻-再生稻生长期氨挥发田间监测，表2给出了各处理氨挥发累积量。对于早稻，在施入基肥后氨挥发累积量呈现 T3>T4>T1>T2，T1、T2、T3、T4各处理的氨挥发累积量分别占基肥施氮量的15.3%、13.7%、21.8%、20.8%；施入分蘖肥后，各处理氨挥发累积量分别占分蘖肥施氮量的17.4%、10.4%、21.3%、19.6%。对于再生稻，施入促芽肥后各处理氨挥发累积量分别占促芽肥施氮量的18.8%、10.6%、25.2%、21.9%；施入提苗肥后，各处理氨挥发累积量分别占提苗肥施氮量的6.6%、5.6%、9.5%、7.9%。

表2 不同耕作方式下施肥后稻田氨累积挥发量Table 2 Cumulative volatilization of ammonia in paddy field after fertilization under different tillage methods kg·hm−2

从氨挥发占当季施氮量的比例看，早稻季T1、T2、T3、T4分别占16.2%、12.3%、21.6%和20.3%，再生稻季分别占12.0%、7.8%、16.5%、14.2%。可见，在耕作方式一定下，施氮量多的早稻其氨挥发量比施氮量相对少的再生稻高。纵观早稻-再生稻全生育期，氨挥发排放量以T2最小，T1与T2之间以及它们与T3、T4之间在氨挥发排放量上均有显著差异。

2.2 耕作方式对早稻-再生稻稻田田面水 NH4+-N变化的影响

不同耕作方式下田面水NH4+-N质量浓度变化如图3所示，可以看出，施肥后4个处理NH4+-N含量总体变化趋势相似，均呈现T3>T4>T1>T2。早稻施入基肥后，各处理NH4+-N含量于第2天达到峰值（1.05—36.51 mg·L−1），随后迅速降低，第14天各处理降至无明显差异；分蘖肥后各处理田面水NH4+-N含量在第3天达到最大值，依次为T1（31.24 mg·L−1）、T2（18.83 mg·L−1）、T3（51.33 mg·L−1）、T4（46.54 mg·L−1），到了第 13天逐渐降低直至无明显差异。再生稻各处理施入促芽肥后，于第2天达到峰值（2.17—56.77 mg·L−1），随后迅速降低，至第5天已无差异；施入提苗肥后第2天出现峰值（0.68—52.14 mg·L−1），随后逐渐降低，至施肥后第5天各处理之间的差异均不显著。

图3 不同耕作方式下施肥后稻田田面水NH4+-N含量动态变化Fig. 3 Dynamic changes of NH4+-N content in surface water of paddy field after fertilization under different tillage methods

为了解各处理在田面水NH4+-N含量达到峰值的差异显著性，对试验数据进行了统计分析（见表3）。可以看出，每次施肥后T2与T3（T4）均达到显著水平，且T2处理的田面水NH4+-N含量峰值均最小。以上分析表明，在4种耕作方式中T2可显著降低施肥后田面水的NH4+-N含量，有利于减少氨挥发。

表3 不同耕作方式下施肥后田面水NH4+-N峰值Table 3 Peak value of NH4+-N in field water after fertilization under different tillage methods mg·mL−1

2.3 耕作方式对早稻-再生稻氨挥发排放强度的影响

根据2019年试验结果，图4给出了不同耕作方式下早稻季和再生稻季田间的氨挥发排放强度，可见氨挥发排放强度均呈现T3>T4>T1>T2，这说明在翻耕次数相同的条件下增加旋耕次数有效降低氨挥发排放强度。从各处理氨挥发排放强度的差异看，早稻季翻耕与旋耕结合的处理T1、T2与旋耕处理的T3、T4的差异比较显著，再生稻各处理间差异均不显著，这可能是再生季相距冬翻和春耕的时间较长（3个月），加之稻作期灌溉，使土壤产生了自然沉降而变得密实。

图4 耕作方式与氨挥发强度Fig. 4 Tillage methods and ammonia volatilization emission intensity

2.4 不同耕作方式下水稻产量、氮肥偏生产力与氨挥发损失分析

不同耕作方式下早稻和再生稻的产量与氮肥偏生产力试验结果见表 4。综合不同耕作方式试验结果，从产量大小和氮肥偏生产力看，均表现为T2>T1>T4>T3。试验结果表明，在生产效果上翻耕与旋耕结合优于单一旋耕，翻耕次数相同时适当增加旋耕可促进作物生长、提高作物产量。从耕作方式对早稻和再生稻产量的影响看，T2与T3、T4相比，早稻产量均比较显著，而再生稻的产量均无显著差异。从目前仅有的1年试验结果看，耕作方式对早稻-再生稻产量的影响主要在头季。由图4、表4可知，氨挥发排放强度与稻谷产量、氮肥偏生产力呈现此消彼长的关系，显见 T2的两季产量最高而氨挥发排放强度最低。由此可见，采用适当的耕作方式可以保证作物产量、降低氨挥发排放强度，从而减少氨挥发对环境的影响。

表4 不同耕作方式下水稻产量和氮肥偏生产力Table 4 Rice yield and partial productivity of nitrogen fertilizer under different tilliage methods

3 讨论

氨挥发在稻田生态系统中是氮肥最主要的气态损失途径，它主要受土壤条件、气候因子、田面水NH4+-N浓度和田间耕作方式影响（王朝辉等，2002；宋勇生等，2003）。田间比较试验表明，通气法与密闭法相比，操作简便易行，克服了传统密闭法捕获装置内外不透气的缺点，回收率高达99.51%，变异系数仅为0.77%，这一方法对于原位测定土壤氨挥发有着较大的应用潜力。本研究指出，全生育期稻田氨挥发累积量为 28.96—54.31 kg·hm−2，占施氮量的9.7%—18.2%（表 2）。这与黄进宝等（2006）报道的3.7%—11.7%和汪军等（2013）报道的田间氨挥发占施氮量 13.8%相近。本研究显示，早稻-再生稻稻田的氨挥发损失主要集中在施肥后1周内，且在施肥后2—3 d达到峰值，随后迅速下降，持续10 d左右，这与邓美华等（2006）、曹凑贵等（2010）、王大鹏等（2018）研究结果一致。

本文研究表明，不同耕作方式下氨挥发通量呈现 T3>T4>T1>T2的趋势，旋耕处理的氨挥发累积量高于翻耕与旋耕组合处理的47.4%，说明仅作旋耕可显著增加氨挥发，其主要原因可能是旋耕改善了表层土壤的通气性（姚秀娟，2007），提高了土壤脲酶活性（刘骁蒨等，2013），降低了肥料与土壤颗粒接触，促进了土壤氨挥发；适时深翻能改善耕作底层土壤紧实状况，降低土壤容重，增加土壤通透性和孔隙度，且土壤容重随耕作深度的增加而下降，翻耕对土壤容重的影响最大（张大伟等，2009；张向前等，2019）；而翻耕与旋耕结合可以使秸秆埋藏到较深的土层，肥料落入土壤孔隙，增加了与土壤的接触，有利于土壤颗粒对肥料氮的固定（冯国禄等，2011；葛畅等，2018），从而降低了土壤氨挥发。相关研究报道（Zhang et al.，2011；邓美华等，2006；马玉华等，2013），NH4+是衡量氨挥发大小的重要指标，田面水NH4+-N含量直接影响氨挥发，与氨挥发排放通量呈显著或极显著正相关（马玉华等，2013）。

通常，稻田氨挥发排放强度用生产1吨谷物田间排放的氨累积量（kg）表示，本试验结果表明，不同耕作方式下各处理氨挥发排放强度为T3>T4>T1>T2，显见，翻耕与旋耕结合有利降低氨挥发的排放强度，提高肥料利用率、增加产量（表4），其中以T2效果最好。与其他处理相比，T2早稻和再生稻产量分别增产10.8%、56.9%、44.9%和7.6%、32.6%、9.6%。关于不同耕作方式下氨挥发排放强度与稻谷产量、氮肥偏生产力的关系，本试验结果表明二者之间是一种此消彼长的关系，T2处理的两季产量最高而氨挥发排放强度最低。由此可见，采用适当的耕作方式可以保证作物产量、降低氨挥发排放强度，从而减少氨挥发对环境的影响。

4 结论

（1）从早稻-再生稻全生育期看，田间氨挥发损失量和排放强度呈现 T3>T4>T1>T2的趋势，以冬前翻耕、水稻播栽前旋耕二次的耕作方式（T2）氨挥发损失量和强度最小，可有效减少氮素损失。

（2）从促进作物生长和取得较高产量看，4种耕作方式呈现T2>T1>T4>T3的趋势，其中以T2最优，建议在生产实践中采用该耕作方式。

致谢：文中水文气象数据由湖北省荆州农业气象试验站提供，在此仅表谢忱。