氮肥减施对节水灌溉稻田NH3与N2O排放及氮肥利用的影响

李铁成 张忠学 张作合 杜思澄 韩 羽 薛 里

(1.东北农业大学水利与土木工程学院, 哈尔滨 150030;2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室, 哈尔滨 150030;3.绥化学院农业与水利工程学院, 绥化 152061)

0 引言

在过去的50年,氮肥作为农业生产活性氮的主要来源,其被广泛应用于农业生产,以应对人口不断增长带来的粮食需求。尿素由于增产效果明显且容易获取而成为应用最广泛的一种无机氮肥[1]。然而,过量施用尿素不能显著提高作物产量甚至会导致减产,而且盈余的氮素会以气态形式排放到大气中,对环境造成严重污染。N2O排放和NH3挥发是尿素气态损失的两种重要途径[2]。N2O作为三大温室气体之一,其年增温潜势是CO2的298倍,不仅会加剧全球气候变暖,而且会消耗平流层臭氧,导致臭氧层被破坏。NH3是大气中最丰富的碱性气体,一是能与SO2和NxO反应生成PM2.5,再结合其他污染物最终形成雾霾,二是会通过大气沉降的方式再次进入陆地生态系统,会增加农田生态系统 N2O,导致水生生态系统酸化和富营养化[3-4]。我国作为一个农业生产大国,稻田气态氮损失(N2O排放和NH3挥发)已成为不可忽视的环境问题,其所造成的氮素损失也导致氮肥利用率降低。因此,亟需通过调整农田管理措施来提高氮肥利用率并减少环境污染,这是我国农业高质量发展的现实要求。

近年来,为了缓解农业水资源供需矛盾,节水灌溉已大规模推广应用。之前大量研究证实节水灌溉能够满足水稻基本需水要求,并且能够促进水稻根系生长,在减少灌溉量的同时提高了氮肥吸收利用率[5]。但节水灌溉对气态氮排放的促进或抑制作用仍不明确。节水灌溉主要通过改变土壤含水率条件,从而对气态氮排放产生影响。INUBUSHI等[6]研究表明,高土壤含水率限制了氧气在土壤中的扩散,反硝化速率增强促进N2O排放,即增加了气态氮排放。BHAGAT等[7]研究却认为,高土壤含水率能够抑制土壤氨挥发,从而减少气态氮排放。XU等[8]研究也表明,控制灌溉虽然增加了N2O排放,却能有效减少土壤氨挥发,故减少了气体氮排放。与此同时,不合理且过量的氮肥施用是致使气态氮损失增加的另一主要因素。KIM等[9]研究发现,当氮肥用量低于作物对氮肥需求量时,N2O排放由于缺少底物,故排放通量较低且处于稳定状态;然而,当施氮用量远高于作物需求量时,过量的氮素为土壤微生物提供了充足的底物,致使N2O排放通量快速增加。同时,SMITH等[10]研究表明,土壤NH3挥发损失速率和损失量随着氮肥施用量的增加而增大。因此,探究节水灌溉模式下减施氮肥能否有效减少稻田气态氮损失,对于环境保护具有重要意义。

因此,本文通过一年的大田试验,测定整个水稻生长季的N2O排放通量和NH3挥发速率,计算氮肥气态损失量和损失率,并基于15N示踪技术估算水稻对氮肥的吸收利用量及水稻收获后氮肥在土壤中的残留量,为实现黑土稻田水肥资源高效利用及增产减排提供数据支撑和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年在黑龙江省水稻灌溉试验站进行,该站(46°57′28″N,127°40′45″E)位于庆安县和平镇,是典型的寒地黑土分布区。该地多年平均水面蒸发量为750 mm,作物水热生长期为156～171 d,全年无霜期128 d。气候特征属寒温带大陆性季风气候。供试土壤为黑土型水稻土,种植水稻20 a以上,土壤耕层厚度11.3 cm,犁底层厚度10.5 cm,土壤容重1.10 g/cm3,孔隙度61.8%。移栽与施肥前土壤基本理化性质为:pH值6.40,耕层土壤(0～20 cm)基础肥力为:有机质质量比41.4 g/kg、全氮质量比17.16 g/kg、全磷质量比15.25 g/kg、全钾质量比20.22 g/kg、碱解氮质量比154.36 g/kg、有效磷质量比25.33 g/kg和速效钾质量比157.25 g/kg。

1.2 试验设计

1.2.1小区试验

采用灌溉模式和施氮量两因素全面试验。灌溉模式设置两种,分别为常规淹灌(F)和控制灌溉(C)。不同灌溉模式的水分管理标准如表1所示。施氮量设置3个水平,分别为N(110 kg/hm2,常规施氮水平)、N1(99 kg/hm2,减氮10%)、N2(88 kg/hm2,减氮20%)。并在两种灌溉模式下分别设置不施氮肥处理(CK1和CK2)作为对照组,共8个处理,每个处理3次重复,共计24个小区。小区采用随机区组布置,每个小区面积为100 m2(10 m×10 m)。为防止各小区之间的水肥交换,四周设置水泥埂作为隔断,埋深至地表以下40 cm。供试水稻品种为当地推广种植品种“龙庆稻8”,种植株距为16.67 cm,行距为25 cm,种植密度约为24穴/m2,每穴种植3株。供试的化肥分别为尿素(N含量为46.4%)、过磷酸钙(P2O5含量为12%)、硫酸钾(K2O 含量为50%)。各处理磷肥和钾肥的用量一致,分别为 P2O545 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2,氮肥按照基肥、蘖肥、穗肥比例为4.5∶2∶3.5分施,磷肥作为基肥一次性施入,钾肥在基肥与水稻8.5叶龄分两次施用,施用比例为1∶1。其他田间管理措施与当地高产田保持一致。

表1 不同灌溉模式的水分管理标准Tab.1 Water management standards for different irrigation modes

1.2.2微区试验

为明确水稻对基肥、蘖肥和穗肥3期肥料的吸收利用及残留情况,在每个小区内设置1个微区,即每个处理下设置3个分处理,分处理1(M1)为仅基肥施用15N-尿素,蘖肥和穗肥施用未标记的普通尿素;分处理2(M2)为仅蘖肥施用15N-尿素,基肥和穗肥施用未标记的普通尿素;分处理3(M3)为仅穗肥施用15N-尿素,基肥和蘖肥施用未标记的普通尿素。微区为 1 m×1 m×0.5 m无底钢板矩形框,微区埋深为 30 cm,设置单独排灌系统。供试标记肥料为上海化工研究院生产的丰度为10.22%的15N-尿素。每个微区内水稻种植品种、种植密度、肥料用量、灌溉模式及田间管理措施与所在的试验小区保持一致。

1.3 测定项目与方法

NH3挥发速率使用通气法进行测量。通风室由PVC管(内径15 cm,高20 cm)和2块圆形海绵(直径16 cm,厚度2 cm)制成,海绵中浸泡有15 mL磷酸盐/甘油溶液(50 mL分析磷酸盐和40 mL的甘油用纯水稀释至1 000 mL)。通风室布置在每个小区中,埋深为5 cm。2块海绵分别插入PVC管中,其中上层的海绵与管顶部相平,下层海绵与上层海绵间隔1 cm。下雨时,PVC管的顶部盖上防雨罩。在施用氮肥7 d后每天取样,然后每隔1～3 d再取样 7 d,最后每隔7 d取样1次。将下层海绵浸入500 mL塑料瓶中,加300 mL 1.0 mol/L KCl溶液,并在恒温空气振荡器中振荡,然后用紫外-可见分光光度计(UV-1780型,岛津公司,日本)分析提取的溶液。NH3挥发速率(FNH3,kg/(hm2·d))计算公式为[11]

(1)

式中M——通气法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

D——每次连续捕获的时间,d

N2O排放通量使用静态室-气相色谱法进行测定,测量频率为7 d一次,遇强降雨则推迟测量,测量时间固定在09:00—11:00。静态室由静态箱和不锈钢底座组成。在移栽前,将不锈钢底座布置在每个小区中,埋深为30 cm。静态箱由透明有机玻璃板制成,每个静态箱都安装一个空气温度计和电子风扇,采样过程中需将静态箱安置在不锈钢底座上,采样过程外需将静态箱从底座上移走。在采样过程的0、10、20、30 min,分别使用50 mL E-Switch气袋通过橡胶管收集4个气体样品,用于测量每次N2O排放通量。N2O排放通量(FN2O,μg/(m2·h))计算公式为[12]

(2)

式中ρ——标准状态下N2O密度,kg/m3

h——静态箱在土壤或地表水上方的有效高度,m

dc/dt——室内N2O气体浓度的增加速率,mL/(m3·h)

t——取样时静态箱内的平均空气温度,℃

NH3累积挥发量(MNH3,kg/hm2)和N2O累积排放量(MN2O,kg/hm2)计算公式为[13]

(3)

(4)

式中ENH3i——第i次和第i-1次采样的平均NH3挥发速率,kg/(hm2·d)

EN2Oi——第i次和第i-1次采样的平均N2O排放通量,μg/(m2·h)

Di——第i次和第i-1次采样的时间间隔,d

n——采样次数

氮肥气态损失率(GNLR,%)计算公式为[14]

(5)

其中

Gfertilizer=MNH3-N+MN2O-N

(6)

GCK=MNH3-N+MN2O-N

(7)

式中Gfertilizer——施氮处理气态氮损失量,kg/hm2

GCK——不施氮肥处理气态氮损失量,kg/hm2

FN(total)——施氮量,kg/hm2

MNH3-N——NH3挥发氮损失量,kg/hm2

MN2O-N——N2O排放氮损失量,kg/hm2

于水稻成熟期在每个小区和微区中分别随机选择5株具有代表性的水稻植株。使用镰刀采集水稻植株样品,并进一步将其分为穗、茎和叶。使用压力水枪清洗穗、茎和叶,并将其置于干燥箱中105℃杀青30 min,然后在70℃下干燥至恒定质量并称量。将称量后的样品使用粉碎机粉碎过100目筛后混匀装入自封袋备用。同时,用100 mL环刀采集未扰动土壤样品,分别在0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm 层采集土壤样本。将未扰动的土壤样品置于干燥箱中,在70℃下干燥至恒定质量,并称量以获得土壤容重。然后剔除土壤样本中的石头和植物残体,将土壤样品风干至恒定质量,并研磨过100目筛装入自封袋备用。于东北农业大学农业农村部水资源高效利用重点实验室使用元素分析仪(Flash 2000 HT型,美国赛默飞世尔科学公司)和同位素质谱仪(DELTA V Advantage,美国赛默飞世尔科技公司)测量植物样品和土壤样品的N含量和丰度。

水稻植株从基肥、蘖肥和穗肥中吸收的15N百分比(Ndff(basal,tillering,panicle),%)以及基肥、蘖肥和穗肥残留在土壤中的15N百分比(A(basal,tillering,panicle),%)计算公式为[15]

(8)

(9)

式中a——微区内样品15N丰度,%

b——微区所在小区内样品15N丰度,%

c——15N-尿素15N丰度,%

d——天然15N丰度标准值,%

水稻植株从基肥、蘖肥和穗肥中吸收的氮素量(N(basal,tillering,panicle),kg/hm2)为

N(basal,tillering,panicle)=PNAANdff(basal,tillering,panicle)

(10)

式中PNAA——植株氮素总累积量,kg/hm2

水稻植株对氮肥的吸收利用率(PNRE(total),%)为

(11)

其中

N(total)=N(basal)+N(tillering)+N(panicle)

(12)

式中N(total)——水稻植株从基肥、蘖肥和穗肥中吸收的总氮素量,kg/hm2

N(basal)——水稻植株从基肥中吸收的总氮素量,kg/hm2

N(tillering)——水稻植株从蘖肥中吸收的总氮素量,kg/hm2

N(panicle)——水稻植株从穗肥中吸收的总氮素量,kg/hm2

基肥、蘖肥和穗肥残留在土壤中的氮素量(R(basal,tillering,panicle),kg/hm2)为

R(basal,tillering,panicle)=TSA(basal,tillering,panicle)

(13)

其中

TS=YVNS

(14)

式中TS——各层土壤氮素量,kg/hm2

Y——各层土壤容重,kg/m3

V——各层土壤体积,m3

NS——各层土壤氮含量,%

氮肥在土壤中的残留率(SNFR(total),%)为

(15)

其中

R(total)=R(basal)+R(tillering)+R(panicle)

(16)

式中R(total)——基肥、蘖肥和穗肥在土壤中的总残留量,kg/hm2

R(basal)——基肥在土壤中的残留量,kg/hm2

R(tillering)——蘖肥在土壤中的残留量,kg/hm2

R(panicle)——穗肥在土壤中的残留量,kg/hm2

氮肥总损失率(L(total),%)为[16]

L(total)=1-PNRE(total)-SNFR(total)

(17)

2 结果与分析

2.1 节水灌溉模式下减施氮肥对NH3挥发的影响

不同处理的NH3挥发速率如图1所示。结果表明,2种灌溉模式下,施肥处理水稻生育期内均出现3次NH3挥发排放峰值,且均是在施肥后2～3 d内出现排放峰值。两种灌溉模式下,NH3挥发排放峰值均随着施氮量的减少而降低。当施氮量相同时,控制灌溉模式下各施肥处理的NH3挥发排放峰值均高于常规淹灌模式下各处理。CN、CN1和CN2处理的NH3挥发排放峰值分别高于FN、FN1和FN2处理9.65%～24.48%、6.44%～19.17%和3.96%～22.61%,其中CN处理的NH3挥发排放峰值最高为0.83 kg/(hm2·d)。不同处理的NH3累积挥发量如表2所示。结果表明,2种灌溉模式下,NH3累积挥发量均随着施氮量的减少而降低。控制灌溉模式下各处理的NH3累积挥发量均显著高于常规淹灌模式下相同施氮量处理(P<0.05)。

图1 不同处理的NH3挥发速率变化曲线Fig.1 Variation curves of NH3 volatilization rate under different treatments

表2 不同处理的NH3累积挥发量、NO2累积排放量、氮肥气态损失量及损失率Tab.2 Accumulate NH3 volatilization rate, accumulate NO2 emission fluxes, nitrogen fertilizer gaseous nitrogen loss and loss rate under different treatments

2.2 节水灌溉模式下减施氮肥对N2O排放的影响

不同处理的N2O排放通量如图2所示。结果表明,2种灌溉模式下,施肥处理在水稻分蘖期和拔节期分别出现2次N2O排放通量峰值。2种灌溉模式下,N2O排放通量峰值均随着施氮量的减少而降低。当施氮量相同时,控制灌溉模式下各施肥处理的N2O排放通量峰值均高于常规淹灌模式下各处理。CN、CN1和CN2处理的分蘖期N2O排放通量峰值分别高于FN、FN1和FN2处理2.92%、5.44%和2.00%,CN、CN1和CN2处理的拔节期N2O排放通量峰值分别高于FN、FN1和FN2处理1.62%、12.49%和4.42%。其中CN处理的N2O排放通量峰值最高为191.92 μg/(m2·h)。不同处理的N2O累积排放量如表2所示。结果表明,两种灌溉模式下,N2O累积排放量均随着施氮量的减少而逐渐降低。当施氮量相同时,控制灌溉模式下各处理的 N2O 累积排放量高于常规淹灌模式下相同施氮量处理3.90%～26.29%。

图2 不同处理的N2O排放通量变化曲线Fig.2 Variation curves of N2O emission fluxes under different treatments

2.3 节水灌溉模式下减施氮肥对氮肥气态损失的影响

不同处理的氮肥气态损失量及损失率如表2所示。结果表明,2种灌溉模式下氮肥气态损失量及损失率均随着施氮量的减少而降低。FN处理的氮肥气态损失量及损失率均显著高于FN1和FN2处理,FN1处理的氮肥气态损失量及损失率显著高于FN2处理(P<0.05)。CN处理的氮肥气态损失量及损失率均显著高于CN1处理和CN2处理,CN1处理的氮肥气态损失量及损失率显著高于CN2处理(P<0.05)。当施氮量相同时,控制灌溉模式下各处理的氮肥气态损失量及损失率均高于常规淹灌模式。CN处理的氮肥气态损失量显著高于FN处理(P<0.05),但CN处理的氮肥气态损失率与FN处理无显著性差异(P>0.05)。

2.4 节水灌溉模式下减施氮肥对水稻产量与氮肥吸收、残留及损失的影响

不同处理的水稻产量与氮肥吸收量、残留量及损失量如表3所示。结果表明,适量减施氮肥能够稳产甚至在一定程度上增加水稻产量,2种灌溉模式下水稻产量均随着施氮量的减少先增加后减少。当施氮量相同时,控制灌溉模式下水稻产量均高于常规淹灌模式。常规淹灌模式下,水稻植株对氮肥的吸收利用量随着施氮量的降低而降低,吸收利用率随着施氮量的降低而增加;控制灌溉模式下,吸收利用率随着施氮量的降低而升高,CN1处理的吸收利用量高于CN和CN2处理。且控制灌溉模式下各处理的吸收利用量和吸收利用率均显著高于常规淹灌模式下相同施氮量处理(P<0.05)。2种灌溉模式下,氮肥在土壤中的残留量随着施氮量的减少而降低,残留率随着施氮量的降低而增大。当施氮量相同时,控制灌溉模式下氮肥在土壤中的残留量和残留率均高于常规淹灌模式。2种灌溉模式下,氮肥损失量和总损失率均随着施氮量的减少而降低,且控制灌溉模式下各处理的氮肥损失量和总损失率均显著低于常规淹灌模式下相同施氮量处理(P<0.05)。

表3 不同处理的水稻产量与氮肥吸收量、残留量及损失量Tab.3 Rice yield and nitrogen absorption, residual, and loss under different treatments

3 讨论

本研究表明,当施氮量相同时,控制灌溉模式下各处理氮肥气态损失量及损失率均高于常规淹灌模式。但同位素示踪结果表明,当施氮量相同时,控制灌溉模式下各处理的氮肥吸收利用量和吸收利用率均显著高于常规淹灌模式,且各处理的氮肥损失量和总损失率均显著低于常规淹灌模式(P<0.05)。这可能是因为采用同位素技术计算得到的氮肥损失量不仅包括气态氮损失,同时还包括径流和淋溶等损失,控制灌溉虽然增加了东北地区稻田气态氮损失,但显著较少了径流和淋溶损失,土壤中更多的氮素能被植株吸收利用,故提高了氮肥吸收利用量和吸收利用率。由此可知,推广节水灌溉后,增加的气态氮损失在一定程度上限制了进一步提高氮肥吸收利用率,故应该搭配合理的氮肥管理措施。本研究还发现,2种灌溉模式下,气态氮损失量及氮肥气态损失率均随着施氮量的减少而降低。因而推行节水灌溉后可以通过适量减少氮肥施用来减少稻田气态氮损失,从而提高氮肥吸收利用率。但过量减少氮肥施用对于水稻生长是十分不利的,因此在保证水稻产量的前提下,可考虑添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂,通过有效减少稻田气态氮损失来进一步提高水稻吸收利用率。

4 结束语

大田试验研究结果表明,2种灌溉模式下,东北黑土稻田氮肥气态损失量及损失率均随着施氮量的减少而降低。控制灌溉的应用增加了黑土稻田气态氮损失,不同施氮量下其NH3累积挥发量和N2O累积排放量均高于常规淹灌模式下相同施氮量处理,且控制灌溉模式下各处理的氮肥气态损失量及损失率均高于常规淹灌模式。但与常规淹水灌溉相比,采用控制灌溉模式虽然增加了气态氮损失,但降低了总的氮肥损失,这可能主要归因于控制灌溉模式降低了氮肥其他途径的损失。当施氮量相同时,控制灌溉模式下各处理的氮肥损失量和总损失率均显著低于常规淹灌模式,而且其氮肥吸收利用量和利用率均显著高于常规淹灌模式下各处理(P<0.05)。