张 靖,朱 潇,沈健林,李 勇,王 娟**,吴金水,3
(1.中国科学院亚热带农业生态研究所/中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室 长沙 410125; 2.中国科学院长沙农业环境观测研究站 长沙 410125; 3.中国科学院大学 北京 100049)
水稻()是我国重要的粮食作物,我国稻谷播种面积占粮食作物播种面积的25.8%。由于氮是作物生长的必需元素,在一定范围内增氮肥可以提高水稻产量,因此农户为了追求水稻产量而施入过量的氮肥,导致出现氮肥利用效率不高及氮损失严重等问题。我国稻田氮肥的利用率仅为30%~35% ,损失量可达40%~50%。除被吸收利用的氮以外,剩余的氮素通过氨挥发、径流、淋洗等多种途径进入环境中,造成农业面源污染以及大气污染等。
稻田氨挥发受施肥剂量、施肥方式等多种因素的影响。有研究表明施氮量减少22%~44%可降低氨挥发损失20.2%~35.3%。氮肥深施能减少氮肥损失、提高氮肥利用率,减少氨挥发。Liu等在免耕水稻土和Yao等在太湖地区稻田的研究表明,深施氮肥与常规表施化肥相比,能显著减少氨挥发损失,同时增加氮吸收、提高氮肥利用率和产量。杨明达研究表明相同控释氮肥处理下,侧条施肥处理比撒施处理显著降低氨挥发速率和氨挥发总量。在南方双季稻田中采用机械侧条施肥可减少18.6%~26.9%氨挥发累积损失,并提高土壤速效氮含量和水稻氮素利用效率。水稻田面水的铵态氮浓度是影响水稻季氨挥发的主要因素,随温度上升,对氨挥发速率的影响逐渐增大。
有机肥部分替代化肥能降低农田氨挥发且提高作物产量。邢月等研究表明化肥处理能够显著增加氨挥发损失量,可达56.0 kg·hm,比80%尿素和20%有机肥混施处理和有机肥处理分别增加11.3 kg·hm和28.7 kg·hm。单施化肥氨挥发损失率为11.9%,而单施有机肥和化肥有机肥混施处理氨挥发损失率分别为2.3%和8.1%。华北平原旱地农田采用干猪粪为有机替代能有效降低氨挥发损失且提高作物产量。
依据中华人民共和国行业标准NY 884—2012《生物有机肥》,生物有机肥(microbial organic fertilizers)指特定功能微生物与主要以动植物残体(如畜禽粪便、农作物秸秆等)为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。微生物肥料是一种对环境友好的新型生物肥料,可以促进植物生长,提高果实品质,改善土壤质量等。在河套地区碱性土上采用微生物菌肥处理,氨挥发减少,但作物产量相对于农民习惯施肥显著减少。且采用生物有机肥和生物质炭混施,氨挥发较单施生物有机肥显著减少。绿色木霉菌生物有机肥料(biofertilizer)在减少碱性土壤氨挥发和提高甜高粱()氮肥利用率方面具有巨大的潜力。与化肥相比,配施50%枯草杆菌生物有机肥(biofertilizer)农田氮素损失减少54%。利用植物生长促进菌(plant growth-promoting bacteria,PGPB)与降解有机物等制成的生物有机肥有效提高了氮肥和磷肥的利用效率,可减少约30%的氮肥。鉴于生物有机肥在南方稻田中对于氨挥发的影响及其主要机制尚未明确,本研究基于中亚热带典型双季稻田两年试验,采用密闭室间歇抽气法研究生物有机肥配施化肥等对稻田氨挥发的影响及其主要作用机制,旨在为稻田氨挥发减排提供科学依据。
试验在位于湖南省长沙县金井镇湘丰村(113°19′52″E,28°33′04″N)的中国科学院长沙农业环境观测研究站进行,海拔80 m。中亚热带季风气候,年平均气温17.5 ℃,年平均降雨量为1330 mm,降雨主要集中在3—8月,无霜期约300 d。试验时间为2019—2020年水稻生长期,试验期间日平均气温与降水量由长沙环境观测研究站气象站记录,如图1所示。试验田为典型双季稻稻田,母质为花岗岩风化物。耕层(0~20 cm)土壤基本理化性质为: 全氮含量1.81 g·kg,全磷含量0.50 g·kg,全钾含量37.8 g·kg,有机质含量40.9 g·kg,容重1.09 g·cm,pH为5.06。土壤机械组成中砂砾、粉粒和黏粒的质量分数分别为52%、45%和3%。
图1 试验期(2019—2020年)研究区平均气温与降雨量Fig.1 Monthly average temperature and precipitation from 2019 to 2020 in the stuey area
试验采用随机区组设计,共4个处理: 不施氮肥处理(CK); 常规化学氮肥表施处理(CON),氮肥基追比为3∶1; 生物有机肥替代40%化学氮肥+化学氮肥表施(CB),剩余氮肥基追比为1∶1; 氮肥减量30%+生物有机肥替代40%减量化学氮肥+化学氮肥深施(RBD),化肥全部作为基肥,深施方式为穴施,深度为7 cm,位于每两列水稻之间。每个处理3次重复,小区面积27 m(3 m×9 m)。每季磷钾肥分别为PO75 kg·hm、KO 100 kg·hm,作基肥一次性施入。CON处理早/晚稻季氮肥(尿素,46%)分别为150/180 kg(N)·hm。施生物有机肥处理根据N含量确定用量,作基肥一次性表施。并计算生物有机肥携入的磷钾量,剩余养分用尿素、过磷酸钙和氯化钾补齐。生物有机菌肥由河北丰和绿光农业科技有限公司提供,为粉状。其中养分含量氮磷钾≥6%、有机质≥60%、有效活菌数≥2亿·g,该有机肥包括螯合氨基酸、抗重茬剂、生根剂、保水剂、土壤激活素,内含枯草、放线菌、木霉、芽孢杆菌等多种有益菌。具体施肥措施见表1。试验地田间管理与当地常规管理方式一致。供试作物品种: 早稻为‘潭两优45’,晚稻为‘玉针香’。种植密度为20 cm×20 cm,每穴2~3株秧苗。2019年早稻季,移栽和施基肥时间为4月30日,施追肥时间为5月20日,收获时间为7月16日; 2019年晚稻季,移栽和施基肥时间为7月20日,施追肥时间为8月2日,收获时间为10月28日。2020年早稻季,移栽和施基肥时间为4月24日,施追肥时间为5月10日,收获时间为7月13日; 2020年晚稻季,移栽和施基肥时间为7月18日,施追肥时间为7月30日,收获时间为11月6日。
表1 各处理的生物有机肥和化肥氮肥的施用情况Table 1 Application rates and methods of microbial organic fertilizer and chemical fertilier of each treatment kg(N)·hm—2
1.3.1 氨挥发收集与通量估算
氨挥发采用密闭室间歇抽气法,气室直径为20 cm,气室内的换气速率为15~20 次·min,通过调节阀和流量计控制换气速率。密闭室内挥发的氨由抽气泵带动进入吸收瓶中,被瓶中0.05 mol·L的稀酸(100 mL)吸收,从而估算土壤表面挥发氨量及累积量。每次施肥后连续采样7~14 d,采样时间为每天的9:00—11:00和15:00—17:00。抽气结束后通过流动注射分析仪AA3 (Auto Analyzer 3,SEAL Analytical,德国)测定氨浓度,氨挥发通量计算:
式中:为氨挥发通量[kg(N)·hm·d];为吸收液铵态氮的浓度(mg·L);为稀硫酸吸收液的体积(mL);10为体积转换系数; 10为质量转换系数; 10为面积转换系数;为气室的半径(m); 6为时间转换系数,24 h与日氨挥发收集时间4 h的比值。
氨挥发累积通量估算公式如下:
式中:为当季累积通量[kg(N)·hm];和分别为第1次和最后1次采样时的排放通量[kg(N)·hm·d];F和为第和+1次采样时的排放通量[kg(N)·hm·d];为当季观测次数;和为第+1和第次采样的时间间隔(d)。
氨挥发损失率计算:
式中: E F为氨挥发损失率(%);F为施氮处理氨挥发通量[kg(N)·hm],为不施氮处理(CK)氨挥发通量[kg(N)·hm];为施氮量[kg(N)·hm]。
1.3.2 田面水收集与测定
水稻田面水采集与氨挥发采集时间一致,小区内采用五点取样法,装入聚乙烯塑料瓶中,并混合均匀,过滤后,通过流动注射分析仪测定水样中铵态氮和硝态氮浓度。
1.3.3 植株样品收集与测定
水稻成熟后,记录各小区水稻稻谷、秸秆鲜重,再根据各小区稻谷、秸秆的含水率折算稻谷标准产量(13.5%)及秸秆产量。
氮肥偏生产力计算:
式中: P FP为 氮肥偏生产力[kg·kg(N)],为施氮处理水稻产量(kg·hm),为施氮量[kg(N)·hm]。
运用Origin进行数据处理及制图。采用SPSS进行单因素方差分析(one-way ANOVA),多重比较选用Duncan检验,进行Person相关分析。
早稻季期间,基肥施用后,施氮处理每日氨挥发通量在1~3 d达到峰值,之后逐日降低,约2周后趋于平缓。CON峰值最高,早稻季两年平均为3.98 kg(N)·hm·d,两个生物有机肥处理的峰值为1.82~2.55 kg(N)·hm·d。氨挥发排放通量随着施氮量增加而增加。追肥施用后,氨挥发通量于第2 天达到峰值,随后逐渐下降至与不施氮处理无显著差异。CB处理峰值最高,为3.25 kg(N)·hm·d,而CON峰值低于CB,为2.47 kg(N)·hm·d,主要是因为CON和CB处理基追肥比例不同,CB处理追肥的施氮量高于CON。晚稻季的基追肥氨挥发动态与早稻季的趋势相似。施肥后的第2天达到峰值,基追肥各施氮处理峰值分别为1.38~8.58 kg(N)·hm·d和4.20~5.27 kg(N)·hm·d(图2)。晚稻季氨挥发通量明显高于早稻季,原因主要是晚稻季的施氮量、气温和光照等明显高于早稻季,利于尿素的水解,促进了氨挥发。
图2 2019年和2020年不同施肥处理下双季稻稻田氨挥发的动态变化Fig.2 Dynamics of NH3 fluxes under different fertilizer treatments from the double rice paddy field in 2019 and 2020
从图3A可以看出,不同处理氨挥发累积排放量有显著差异(<0.05)。施氮量影响氨挥发累积量,不同施肥处理氨挥发累积量表现为CON>CB>RBD>CK。两年平均,氨挥发累积排放量CON早稻季为33.1 kg(N)·hm,晚稻季为50.4 kg(N)·hm。施氮量相同的CB比CON氨挥发累积排放量小,CB处理早稻季氨挥发累积排放量为24.8 kg(N)·hm,晚稻季为32.4 kg(N)·hm; 与CON相比,早稻季和晚稻季氨挥发累积排放量分别降低了25.2%和35.6%。两个处理的氨挥发累积排放量有显著差异(<0.05),说明生物有机肥与氮肥配施有利于减少氨挥发。RBD氨挥发累积排放量最小,早稻季氨挥发累积量两年平均为12.2 kg(N)·hm,晚稻季两年平均为14.7 kg(N)·hm。相较与CON,早稻季和晚稻季分别降低63.2%和70.9%。RBD与CON差异显著(<0.05),说明深施减氮,同时用生物有机肥替代40%化肥可有效降低氨挥发排放量。晚稻季的氨挥发累积量普遍高于早稻季,这与试验设定中的施氮量有关,晚稻季施氮量比早稻季施氮量增加30 kg·hm,同时晚稻季气温和光照等条件也明显高于早稻,促进尿素的水解,氨挥发增加。
如图3B所示,2019年和2020年早、晚稻季的各处理氨挥发量占施氮量的比例差异显著(<0.05)。不同施肥处理下的氨挥发损失量占施氮量的比例为6.2%~25.5%。CON氨挥发损失量占施氮量的比例为17.5%~25.5%,CB氨挥发损失量占施氮量的比例为12.5%~15.1%。相对于CON,早稻季CB的氨挥发损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的氨挥发损失量占施氮量的比例为6.2%~8.2%,与CON相比,早稻季和晚稻季分别下降了63.0%和71.1%。
图3 2019年和2020年不同施肥处理下双季稻稻田氨挥发累积排放量(A)及其占施氮量的比例(B)Fig.3 Cumulative ammonia volatilization (A) and percentage of applied nitrogen (B) under different fertilizer treatments in the double rice paddy fields in 2019 and 2020
铵态氮是田面水中氮的主体形态。图4是田面水铵态氮浓度在施肥后随时间的动态变化。从图中可以看出,田面水铵态氮浓度变化趋势与氨挥发变化趋势相似。早稻季期间,基肥施用后,田面水铵态氮浓度第1~2 天达到峰值,之后逐日下降,约两周后趋于平缓。两年早稻季平均CON峰值为27.1 mg·L,CB峰值为14.5 mg·L,RBD峰值为12.0 mg·L。与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,田面水铵态氮浓度于第1~2天达到峰值,然后逐渐下降至与不施肥处理无显著差距。CB峰值最高,两年平均为15.7 mg·L,CON处理为13.7 mg·L,这是因为基追肥比例不同,CB追肥量大于CON。晚稻的田面水铵态氮浓度变化与早稻相似,施肥后第1天达到峰值,后逐渐降低到不施肥处理水平。基、追肥各施氮处理峰值为10.5~29.8 mg·L和15.8~18.1 mg·L。
图4 2019年和2020年不同施肥处理双季稻稻田田面水铵态氮浓度的动态变化Fig.4 Dynamics of NH4+-N concentration in surface water under different fertilizer treatments of the double rice paddy fields in 2019 and 2020
田面水铵态氮浓度对氨挥发有显著影响。当尿素施加在淹水稻田时,会迅速被水解为NH+和HCO
。大量铵态氮转化为氨气挥发。通过对田面水铵态氮浓度与氨挥发通量进行Pearson相关分析(表2),发现各施氮处理氨挥发与田面水铵态氮浓度呈极显著正相关(<0.01)。水稻田面水铵态氮浓度越高,稻田氨挥发量越大。田面水铵态氮是稻田氨挥发的关键影响因素,可以通过降低田面水中NH-N的浓度来降低氨挥发量。
表2 不同施肥处理的双季稻稻田氨挥发通量与田面水铵态氮浓度的相关系数Table 2 Correlation coefficients between NH3 flux and NH4+-N concentration in surface water of double rice paddy fields under different fertilizer treatments in 2019 and 2020 (n=35)
由图5A可知,2019年、2020年早、晚稻季的产量在不同施肥处理与CK间存在显著差异(<0.05)。早稻季,CK平均产量为3.3 t·hm,CON平均产量为5.2 t·hm,CB平均产量为5.1 t·hm,RBD平均产量为5.0 t·hm,CB、CON、RBD处理间均表现为无显著差异。2019年晚稻季,CON产量为8.4 t·hm,RBD产量为7.6 t·hm,CON与RBD产量差异显著(<0.05)。相较于2019年晚稻季,2020年晚稻整体产量低,CON、CB、RBD产量差异不显著。
由图5B可知不同施肥处理的氮肥偏生产力。产量和施氮量决定氮肥偏生产力,两年各早、晚稻季CON与CB处理间氮肥偏生产力差异不显著,CON与RBD之间差异显著(<0.05)。早稻季CON平均氮肥偏生产力为34.6 kg·kg,CB为34.1 kg·kg,RBD为47.2 kg·kg。相较于CON,早稻季RBD的氮肥偏生产力增加36.3%。2019年晚稻季,各处理氮肥偏生产力均大于早稻季,RBD较CON氮肥偏生产力增加29.6%。2020年晚稻季,因遭遇连续低温阴雨、寒露风天气,晚稻产量有所下降,CON、CB和RBD处理的氮肥偏生产力与2019年相比分别下降29.6%、26.1%和27.9%。
图5 2019年和2020年不同施肥处理水稻籽粒产量(A)及氮肥偏生产力(B)Fig.5 Grain yields (A) and partial factor productivities from applied nitrogen (B) under different fertilizer treatments in 2019 and 2020
本试验中CB处理与CON处理相比,在早稻季和晚稻季,氨挥发损失量占施氮量的比例分别减少29.5%和40.0%,氨挥发累积损失量分别减少25.2%和35.7%,说明生物有机肥与化肥配施处理能有效降低双季稻田氨挥发损失,这与白雪原研究结果一致,生物有机肥在河套地区碱化土与南方稻田中都能降低氨挥发损失。有机肥在土壤中矿化为植物可以吸收的无机氮需要一定时间,并且矿化过程是一个持续稳定的过程,因此有机肥中的氮不易转化为氨气挥发到大气中。本试验中施用的生物有机肥包含枯草、木霉、芽孢杆菌等多种有益菌。在碱性土壤中,采用枯草芽孢杆菌生物有机肥配施与由秸秆和畜禽粪便堆肥而成的有机肥相比氨挥发减少44%。枯草芽孢杆菌生物有机肥能增强硝化过程,促进NH-N向NO-N转化。由功能基因ureC编码的脲酶可以快速水解氮肥产生NH-N,是土壤中NH-N的主要来源。Sun等发现配施枯草芽孢杆菌生物肥能降低土壤中ureC的数量,进而减缓土壤中NH-N的生成速率,降低了氨挥发,同时生物有机肥也改变了土壤氮循环微生物群落,影响氮循环中硝化、反硝化、DNRA过程。杨亚红等研究表
2019E、2019L、2020E、2020L分别为2019年早稻季、2019年晚稻季、2020年早稻季和2020年晚稻季; 箭头代表氮肥施用; 各处理说明详见表1。2019E,2019L,2020E,2020L at the upper left corner mean the early-season rice of 2019,the late-season rice of 2019,the early-season rice of 2020,and the late-season rice of 2020,respectively.The arrows denote the N fertilizer application.The description of each treatment is shown in the table 1.明,相同施氮量下,在碱性土壤上,与化肥相比,配施或全施解淀粉芽孢杆菌(.)生物有机肥,能够降低70%以上农田土壤氨挥发量,解淀粉芽孢杆菌生物有机肥的施用,提高了土壤细菌群落的多样性及丰富度,特别是芽孢杆菌、硝化螺旋菌属()相对丰度明显提升,促进了土壤硝化过程,从而减少了氨挥发。汪霞通过盆栽试验研究3种不同微生物菌剂和传统化肥的配施对碱性土壤氨挥发减排效果的差异,发现真菌类微生物菌剂绿色木霉菌氨挥发量比尿素处理降低42.2%,微生物菌剂解淀粉芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌()氨挥发量分别降低20.3%和13.8%,其主要作用机制有降低氨挥发速率峰值期间的土壤pH,提高硝化菌群的丰度,增强土壤硝化作用。与绿色木霉菌生物有机肥相比,解淀粉芽孢杆菌负载于有机肥上施入农田土壤中有较好的定殖和存活能力,解淀粉芽孢杆菌生物有机肥与化肥配施是降低农业氨排放的更优方式。
本试验中RBD处理与CB处理相比,在早稻季和晚稻季,氨挥发损失量占施氮量的比例分别减少47.5%和51.7%,氨挥发累积量分别减少50.7%和54.7%。本研究结果表明,减少30%氮肥施入结合深施氮肥是降低氨挥发的重要手段。施肥剂量主要通过影响田面水铵态氮的总浓度来影响土壤氨挥发,铵态氮浓度会对氨挥发产生直接影响。相较于表施,氮肥深施可以降低54%~90%的氨挥发,且有利于提高氮肥利用率、作物产量和根系活力。这是因为氮肥深施可以减少氮肥与空气的接触面积,增加土壤与尿素水解的NH的接触,使土壤胶体吸附更多NH,增加对铵的固定,降低土壤脲酶活性,减缓尿素的水解。周丽平将等量尿素施于土表以下25 cm深度,能够明显减少氨挥发速率峰值和氨挥发累积量。YAO等研究发现,深施氮肥,NH-N几乎没有扩散进入田面水中,可以在作物早期生长阶段,为土壤提供更多的NH-N,并延长2个月氮供应时间。深施减氮25%时,植物对N的吸收提高62%,N的损失降低38%。周平遥等减量深施氨挥发损失率较减量撒施处理降低23.9%~53.1%。施肥次数的减少,可以减少追肥期间的氨挥发损失。胡瞒瞒等研究发现,一次性深施处理能避开土壤氨高挥发期。Wang等研究了深层施肥和地面撒施在不同基肥施用比例下对稻田氨挥发的影响,发现高比例基肥深施时,可以有效地减少稻田氨挥发损失,而追肥时与化肥表施处理无明显差异。刘兆辉等研究结果表明,与农民传统施肥方式相比,一次性基施缓控释肥可以显著减少农田氨挥发达18.1%~81.3%。本研究RBD处理因为化学氮肥深施、且肥料一次性施用,氨挥发损失较常规处理降幅最大。
适当的有机肥施用可使土壤中的碳氮比较适宜,有利于氮矿化和转化微生物的生长,保证了养分的充足供应,实现了产量的最大化。与绿色木霉菌生物有机肥相比,解淀粉芽孢杆菌负载于有机肥上施入农田土壤中有较好的定殖和存活能力,解淀粉芽孢杆菌生物有机肥与化肥配施是提高作物产量的更优方式。本试验中CON、CB与RBD处理产量差异不显著,但氮肥偏生产力RBD高于CON、CB处理。Sun等研究发现,与单施尿素相比,采用枯草芽孢杆菌生物有机肥替代尿素处理氮肥利用率提高了11.2%,产量提高5.0%。本试验采用40%生物有机肥配施,而Sun等的研究采用50%生物有机肥配施,配施比例增加可能有利于产量的增加。周丽平研究表明与尿素表施处理相比,尿素深施可明显提高夏玉米()的产量和氮素利用率,两年平均增产5.4%,氮肥表观回收率两年平均提高了27.9%,尿素深施有助于保蓄养分,促进植物生长发育。Min等将施氮量从270 kg·hm减到200 kg·hm,采用表面撒施时,产量显著下降13.1%,但是机械侧条深施处理,产量没有下降。而相同施氮量下,不同肥料采用机械侧条深施处理,其产量没有显著差异。
为了提高作物产量,传统常规施肥中通常将氮肥分次施入稻田,Pan等研究认为通过侧面深施的方式一次性施用氮肥可能足以满足整个生长周期对氮肥的需求,并提高产量。本研究中,RBD采用一次性穴施,施肥次数较CON、CB少,早稻季RBD与CON施氮量差距为45 kg(N)·hm。施氮量影响产量,但由于采用深施和生物有机肥配施氨挥发损失较低,氮素利用率高,早稻季RBD与CON、CB产量差异不显著; 2019年晚稻,RBD与CON施氮量相差54 kg·hm,产量差异显著(<0.05),施氮量减少,产量可能下降。但在2020年的早晚稻季中,RBD与CON处理相比,产量并未下降,可能与两年有机肥施用下土壤有机质含量增加,土壤保肥能力增加,从而能够在氮肥减施条件下保证水稻氮素供应。
两年四季田间定位试验研究表明,40%生物有机肥替代与化肥配施较常规化肥处理,氮肥的氨挥发损失率早稻季平均下降29.5%,晚稻季平均下降40.0%。早稻季和晚稻季氨挥发累积量分别降低25.2%和35.7%,且两处理间产量和氮肥偏生产力没有显著差异。
深施减氮结合生物有机肥替代40%化肥处理相较于常规化肥处理,早稻季和晚稻季氮肥的氨挥发损失率平均下降63.0%和71.1%,氨挥发累积量早稻季和晚稻季分别降低63.2%和70.9%。综合两年的试验结果,水稻产量并未较常规化肥处理显著下降。化肥生物有机肥配施以及化肥生物有机肥配施结合深施减氮处理均有效减少了田面水铵态氮浓度,且稻田氨挥发量与田面水铵态氮浓度呈极显著正相关,表明配施生物有机肥以及深施均是减少稻田田面水铵态氮浓度的有效措施,从而有利于实现氨减排。综合两年的试验,生物有机肥替代化肥结合深施减氮可减少稻田氨挥发达60%,且不降低水稻产量,可有效实现稻田氮肥减量、氨挥发减排。