氮肥减量配施铁粉对稻麦轮作农田活性氮损失的影响

龙亚欧,邱子健,胡明成,赵李佳,李天玲,高 南,妹尾啓史,申卫收① (.南京信息工程大学环境科学与工程学院/ 江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室/ 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 0044;.南京工业大学生物与制药工程学院/ 国家生化工程技术研究中心,江苏 南京 86:.日本东京大学大学院农学生命科学研究科应用生命化学专攻,日本 东京 -8657)

稻麦轮作是长江流域的主要种植方式,种植面积约为1.5×108hm2,占全球的10%左右[1]。我国农田氮肥施用量大,在2019年达5.4×107t[2]。氮肥的大量施用造成土壤质量退化,如土壤酸化、土壤肥力下降[3],进一步降低了氮肥利用率,同时造成了严重的环境负效应,例如氨挥发、N2O排放和矿物氮淋溶,加剧了空气污染、全球变暖和面源污染,危害人体健康。

在氮肥施入农田之后,氮逐渐水解为铵态氮,随后以氨气的形式从田面水层挥发到大气中,这个过程在全球氨挥发中有着不可忽视的影响。农业源氨气的年挥发量约900万t,农田氮肥施用是主要来源之一[4],由施肥等农业活动导致的氨挥发在农业源氨挥发中占了接近40%的比例[5]。氨气是大气中唯一的碱性气体,与二氧化硫和氮氧化物反应生成二次颗粒物,是灰霾形成的催化剂和加速剂;氨气的大量排放会加速灰霾形成、加剧空气污染。

全球变暖一直是气候变化的核心话题,自2021年在英国格拉斯哥召开《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会(COP26)以来,尤为受到各国的广泛关注。温室气体的辐射强迫在其中发挥重要作用[6],温室气体N2O在百年尺度上的增温潜势为相同浓度CO2的273倍,高强度的增温潜势使得它在全球变暖中尤为受到重视[7]。农业土壤是全球人为活动排放的N2O最为重要的来源[8-9],农田的每年N2O排放量占农业活动N2O排放总量的42%左右[10]。我国氮肥用量大、种植强度高、农田土壤N2O排放量大,面临的减排压力和挑战十分巨大,关乎我国碳中和目标的如期实现。

铵态氮和硝态氮是土壤矿物态氮的主要形式,但是由于土壤胶体通常带负电荷,铵态氮被土壤胶体所吸附;硝态氮由于带负电荷不容易被土壤胶体所吸附,因而移动性较强,在有大量水分的驱动下迅速向下淋溶,因此硝态氮是稻麦轮作农田氮素损失的主要形式[11-12]。有研究表明,硝态氮淋溶会随着施氮量的增加而升高[12-13]。硝态氮淋溶存在巨大的地下水污染风险,直接危害人体健康。此外,矿物态氮进入地表径流也会造成水体富营养化,加剧面源污染。

氮素是作物生长发育所需的大量营养元素。农田氮肥施用虽然增加了作物产量,但是长期不合理的施肥为生态环境带来诸多负面影响[14-15]。尽管减少氮肥施用量可以削减其环境负效应,还可能带来作物减产的风险。因此,需要在作物产量与环境效益两者之间寻求新的平衡,在保证作物产量的同时减少氮环境负效应。生物固氮无疑是其中最为有效的途径之一。生物固氮几乎不消耗能源,也不会造成环境污染,因而开发利用微生物资源、强化生物固氮以减少化学氮肥的投入,一直是国际研究的焦点、热点和难点。生物固氮是维持水稻田氮肥力水平的重要基础,在我国有几千年利用生物固氮维持土壤肥力和水稻生产的历史,例如水稻田光合细菌、浮萍等生物固氮和肥田。

长期以来,光合细菌和浮萍等水稻田生物固氮受到了广泛关注。最近笔者发现水稻田δ变形菌纲铁还原细菌可以固氮,添加铁粉能明显提高这类细菌的固氮水平[16-17]。水稻田土壤固氮基因(nifD)表达量的 70%以上均来源于这类具有固氮功能的铁还原细菌。该研究以长江流域典型稻麦轮作农田为研究对象,通过田间原位试验研究氮肥减量配施铁粉(铁还原菌的呼吸基质)对作物产量、氨挥发、N2O排放及硝态氮淋溶的影响,尝试构建基于新型生物固氮的绿色低氮稻作农业技术。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

所选试验地位于江苏省南京市六合区竹镇镇光华社区(32.58° N,118.69° E),属于滁河流域境内,为亚热带季风气候区,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,年降水量为941.6 mm,平均气温15.6 ℃,无霜期254 d。该地区是典型的稻麦轮作区,试验地所选用的小麦种植品种为“镇麦168”,水稻种植品种为“宁梗8号”,为当地农民普遍种植的小麦与水稻品种。该试验地土壤种类为马肝土,质地适中,通透性好。2019年布置田间原位试验时土壤基本理化性质如下:土壤pH值为5.9,全氮含量为1.68 g·kg-1,速效钾含量为108 mg·kg-1,有效磷含量为32 mg·kg-1,有机质含量为25.4 g·kg-1[11]。

1.2 试验设计

试验共设置7个处理,分别为传统施氮量100%N、传统施氮量80%N、传统施氮量80%N +Fe、传统施氮量60%N、传统施氮量60%N +Fe、不施氮0%N、不施氮0%N+Fe。2021年麦季传统施氮量为247.5 kg·hm-2(以纯N计),氮肥分2次施入田间,基肥、追肥分配比例为6∶4,磷肥和钾肥用量分别为67.5 kg·hm-2(以P2O5计)和76.5 kg·hm-2(以K2O计),磷肥和钾肥作为基肥一次性施入。2021年稻季传统施氮量为315 kg·hm-2(以纯N计),氮肥分3次施入田间,分别为基肥、第1次追肥和第2次追肥,比例为6∶3∶1,磷肥和钾肥用量分别为60 kg·hm-2(以P2O5计)和105 kg·hm-2(以K2O计),磷肥和钾肥作为基肥一次性施入。80%N处理在传统施氮量基础上减氮20%,60%N处理减氮40%,0%N处理不施氮肥。施用基肥时,除了0%N与0%N+Fe处理外,每个试验小区基肥的氮肥用量中包括1 000 kg·hm-2有机肥(7%N),剩余氮素由尿素补充;第1次和第2次追肥只施用尿素。施加铁粉处理仅在2019年布置田间原位试验时一次性施入铁粉(河北石家庄,纯度w>99%)5 000 kg·hm-2。试验小区施氮量见表1。

表1 试验小区施氮量Table 1 Amount of N fertilizer applied in each experimental plot kg·hm-2

1.3 田间试验小区管理

田间试验共设置7个处理,每个处理4个重复,共28个试验小区,完全随机区组排列。每个小区面积为20 m2,小区由田埂隔开防止水肥流失。在试验田挖凿3条水渠,并设置专门进出水口,试验田外围设置保护行。试验小区在种植、灌溉和田间管理上和当地传统管理方式保持一致。田间试验从2019年稻季开始,按照稻麦轮作的种植制度进行。

1.4 氨气的采集与测定

2020年12月11日播种小麦种子并施基肥,2021年2月25日追肥;2021年6月22日插秧并施基肥,7月19日第1次追肥,8月15日第2次追肥。在施基肥与追肥后通过密闭室间歇抽气法采集氨气,利用燃油抽气泵驱动装置类的气体流动,安装在土壤上方采集罩中的氨气被置换掉,由换气杆上方进入的空气接续填充,采集到的氨气沿着抽气方向流入洗瓶中,为硼酸吸收液所吸收,采集结束后将洗瓶带回田间实验室,用确定浓度的稀硫酸进行滴定。在每天07:00—09:00和14:00—16:00进行田间氨气采集,当氨挥发基本停止时结束采集。

1.5 N2O的采集与测定

通过静态暗箱法对温室气体进行采集,暗箱材质为PVC,箱体尺寸为50 cm50 cm60 cm,在顶部有开放小孔用于放置采样温度计,侧面有密闭式采样口,在箱体下部有分离式底座,规格为60 cm×60 cm×30 cm。采样时先将底座插入土壤中保持密闭,在底座上方槽内注满水液封密闭,再将箱体完整扣入凹槽内,在此后的0、15、30 min用带针头的针筒采样器抽取气样注入到真空气瓶内,同时记录箱内温度。温室气体采集完成后,将样品送回实验室,用气相色谱仪(GC Agilent-7890B,Wilmington, Delaware, USA)测定,N2O浓度用电子捕获探测器(ECD)定量,CH4浓度用火焰离子化检测器(FID)定量。在施肥后1个月内每3～5 d采样1次,1个月后7～10 d采样1次,每次的采样时间为08:00—12:00,N2O排放达到本底值时结束采样。

1.6 硝态氮的采集与测定

土壤渗滤液中硝态氮浓度通过埋管法测定。在各小区不同深度埋设渗漏管收集土壤渗滤液。渗漏管中填充石英砂,一般为硬质塑料,厚度为1 cm,管壁有孔,孔径约为 0.6 cm,外包尼龙网后埋于30、60、90 cm土层深度。稻田淹水条件下每隔1周采集1次,非淹水条件下每隔2～3周采集1次。渗漏管连接软质塑胶采样管至地表10 cm以上,通过真空泵抽空残余水后静置,待渗漏管再充满水后采集新水供无机氮浓度分析。采样时软质塑胶采样管插入底部,打开手提抽水泵抽取不同深度的渗滤液,并记录渗滤液的体积,带回实验室用分光光度法测定NO3--N浓度。

1.7 数据统计分析

采用IBM SPSS Statistics 21.0软件进行差异显著性检验,采用方差分析(ANOVA)对结果进行多重比较(平均值±标准差,n=4),采用最小显著性差异法(LSD)对处理之间的统计差异显著性进行检验,并用Origin 2018软件制图。

2 结果与分析

2.1 氮肥减量配施铁粉对作物产量的影响

2021年施氮处理的麦季小麦产量比未施氮肥处理均有不同程度增加(P<0.05),80%N配施铁粉处理的小麦产量较80%N处理提高了9.70%,100%N处理的小麦产量略低于80%N处理,但差异不显著(图1)。2021年施氮处理的水稻产量比未施氮肥处理均有不同程度的增加,水稻产量与施氮水平呈现正相关关系,减产幅度随着减氮量的增加而增加,7个处理呈阶梯状排列。减氮20%后水稻产量比传统施氮量降低14.44%(P<0.05),减氮20%配施铁粉处理的水稻产量与100%N处理水稻产量相当(P>0.05);减氮40%后水稻产量则降低32.46%(P<0.05)。减氮20%和40%配施铁粉比相同水平氮肥用量处理水稻产量分别增加5.78%和13.94%。

同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示处理间产量差异显著(P<0.05)。

2.2 氮肥减量配施铁粉对农田氨挥发的影响

由于麦季氨挥发较低,所以研究主要关注稻季氨挥发。稻季施基肥后,氨挥发峰值出现在前3 d内,其中传统施氮量处理达到最大氨挥发峰值,为3.30 kg·hm-2·d-1(以N计,下同)(图2);减氮20%和40%后,峰值分别降低了26.67%和55.15%,氨挥发在施肥2周后低于检测限。第1次追肥后氨挥发峰值同样在前3 d出现,传统施氮量处理氨挥发达到最大峰值,为4.14 kg·hm-2·d-1,减氮20%和40%后峰值分别降低了19.81%和72.46%,氨挥发在1周后基本停止。

图2 氮肥减量配施铁粉对水稻田氨挥发通量的影响Fig.2 Effect of reduction in nitrogen fertilizer in combination with iron powder on ammonia volatilization flux from flooded paddy field plots

第2次追肥后,由于氮肥施用量明显低于前2次,整体上未出现明显的氨挥发,仅传统施氮量处理与减氮20%处理有微弱氨挥发峰值,分别为0.90和0.67 kg·hm-2·d-1。配施铁粉对水稻田氨挥发峰值没有明显影响。氨累积挥发量随施氮量降低而下降,两者呈正相关关系(表2)。传统施氮量处理氨累积挥发量最高,达26.67 kg·hm-2,减氮20%和40%后,氨挥发量分别减少40.12%和72.25%(P<0.05)。减氮20%和40%配施铁粉相对于同水平氮肥处理没有显著影响累积挥发量。与传统施氮量相比,减氮20%配施铁粉显著降低了氨累积挥发量与氨挥发强度(P<0.05),降低幅度分别为50.99%和47.41%。

表2 氮肥减量配施铁粉对水稻田氨累积挥发量与氨挥发强度的影响Table 2 Effect of reduction in nitrogen fertilizer in combination with iron powder on cumulative ammonia volatilization and ammonia volatilization intensity from flooded paddy field plots

2.3 氮肥减量配施铁粉对农田N2O排放的影响

2021年麦季N2O排放峰值出现在温度回升的3月中旬,氮肥减量配施铁粉有降低N2O排放峰值的趋势(图3)。2021年稻季N2O脉冲式排放峰主要出现在烤田期内;减氮20%和40%配施铁粉比同水平氮肥处理增加了N2O排放峰值,例如80%N和60%N配施铁粉处理分别增加40.75%和91.95%;不施氮处理没有出现明显的N2O排放峰。

图3 氮肥减量配施铁粉对麦季和稻季N2O排放通量的影响Fig.3 Effect of reduction in nitrogen fertilizer in combination with iron powder on N2O flux from wheat and rice seasons

80%N配施铁粉处理的麦季N2O累积排放量相较80%N处理显著降低了78.16%(P<0.05),传统施氮量处理的N2O累积排放量低于80%N处理(表3)。稻季N2O累积排放量随施氮水平的降低而下降,呈正相关关系。其中以传统施氮量处理的N2O累积排放量为最高,达312.44 g·hm-2;减氮20%和40%后,N2O累积排放量分别下降了41.06%(P>0.05)和62.71%(P<0.05)。减氮20%和40%配施铁粉相对于同水平氮肥处理增加了N2O累积排放量(P>0.05),分别增加38.96%和15.75%。与传统施氮量相比,减氮20%配施铁粉处理降低了N2O累积排放量,降低幅度为18.27%,但无显著差异。

表3 氮肥减量配施铁粉对麦季与稻季N2O累积排放量的影响Table 3 Effect of reduction in nitrogen fertilizer in combination with iron powder on cumulative N2O emissions from wheat and rice seasons

2.4 氮肥减量配施铁粉对水稻田硝态氮和铵态氮淋溶的影响

铵态氮淋溶量远低于硝态氮,矿物态氮淋溶以硝态氮为主(表4)。在60%N处理下,配施铁粉增加了硝态氮淋溶,但其增长幅度随着土壤深度的增加而降低;在80%N处理下,配施铁粉处理土壤30 cm深度处硝态氮淋溶增加了12.88%,60 和90 cm深度处则分别降低了20.20%和19.26%。尽管统计差异不显著,配施铁粉还有增加土壤浅层渗滤液硝态氮淋溶量、降低深层渗滤液的硝态氮淋溶的趋势。

表4 氮肥减量配施铁粉对稻季硝态氮和铵态氮淋溶量的影响Table 4 Effect of reduction in nitrogen fertilizer in combination with iron powder on the leaching amounts of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in flooded paddy field plots

2.5 氮肥减量配施铁粉对水稻田氮损失的影响

氮损失主要包括氨挥发、N2O排放和硝态氮淋溶。无论配施铁粉与否,氮损失量随着氮肥用量的降低明显下降,其中100%N处理氮损失量最大,其次为80%N和60%N处理,0%N处理最小(图4)。硝态氮淋溶是稻季最主要的氮损失途径,占总氮损失的72.4%～99.7%。尽管硝态氮淋溶损失随着氮肥用量的增加而增加,但其在氮损失中的占比有所下降。氨挥发在氮损失中排第2位,随着氮肥用量的增加,无论是氨挥发量还是损失占比均呈上升趋势。N2O排放对水稻田氮损失几乎没有贡献。80%N和60%N处理的N2O累积排放量比100%N处理分别显著下降35.43%和61.42%(P<0.05)。配施铁粉对氮损失没有明显影响。

直方柱上方英文小写字母不同表示处理间氮损失差异显著(P<0.05)。

3 讨论

铁是作物生长过程中必需的微量元素[18],也是土壤中普遍存在的氧化还原活性金属元素[19]。铁循环在农田土壤中作为一种重要的生物地球化学过程发挥着不可忽视的作用。施用铁肥也利于提高作物产量和品质[20]。减少氮肥施用量之后会在很大程度上影响作物产量[21],有引起作物减产的风险。李庆[22]进行了堆肥与富铁水稻栽培试验,其中的2个作物品种有增产效果,增加幅度分别达26.4%与63.9%,表明外源FeCl3铁的加入促进了水稻生长。研究发现氮肥减量配施铁粉可保证作物产量维持在和传统施氮量处理同一水平上,这可能是因为外源铁粉施入土壤后刺激了铁还原细菌的生长、加强了生物固氮效应[12,17]。即使在氮肥减量的情形下,也可保证作物氮素养分需求,在一定程度防控了氮肥减量带来的作物减产风险,在作物稳产上具有积极影响。总体上看,减氮20%配施铁粉在经济效益与环境效应的综合统筹上更具可行性与竞争力。配施铁粉刺激铁还原细菌生长、增强其固氮活性的微生物生态机理值得进一步探索。

硝化过程与反硝化过程在农田土壤N2O产生、排放过程中具有至关重要的作用[27]。通常情况下,硝化过程在好氧环境下更易发生、进行,反硝化过程在厌氧环境下更易进行,当这2个过程进行程度不完全,N2O便会生成。农田土壤N2O产生与排放受到很多因素的影响,例如土壤有机碳含量、pH值、铜浓度、温度、水分含量、氧气含量等。施加铁肥后存在着N2O排放增加的趋势[12,28]。研究发现,相对同等氮肥水平处理,配施铁粉增加了N2O排放量,这可能是加入铁粉后影响了氮-铁耦合过程的缘故。一方面,铁循环与厌氧氨氧化的耦合间接促进了反硝化过程,厌氧氨氧化与Fe3+还原耦合有利于反硝化过程[29];另一方面,Fe2+氧化细菌驱动硝酸盐依赖的Fe2+氧化(NDFO过程)直接促进了反硝化过程[30],产生N2O这种含氮形态的气体[31-32]。

水稻田土壤硝态氮淋溶受多种因素的影响,包括肥料类型、用量和施用方式,降水、灌溉量或灌溉方式以及土壤理化性质等。化学氮肥的大量施入会加剧土壤硝态氮淋溶,并且随着氮肥用量的增加而增加。随着土壤深度的增加,硝态氮淋溶整体上呈现下降趋势,一方面可能是由于排水、烤田活动使得水盐向上运移,另一方面可能由于根系吸收和土壤反硝化作用。减氮配施铁粉也相应减少了深层渗滤液硝态氮淋溶,氮肥减量可能是主要原因;还有可能是铁还原细菌固氮促进了水稻生长、进而增加了氮的吸收利用。

在该研究中,硝态氮淋溶是最为主要的氮损失途径,其次为氨挥发;而铵态氮淋溶和N2O排放贡献极小。当然,通过反硝化损失特别是以氮气形式损失的氮没有考虑在内,因为以氮气为终产物的反硝化损失可能对长江流域水稻田氮损失具有较大的贡献。总之,在传统施氮量基础上减氮20%配施铁粉既能保证作物稳产,又能减少包括氨挥发、N2O排放与硝态氮淋溶等氮损失。配施铁粉可能刺激了铁还原细菌生长,进而增强了其生物固氮活性,将为基于铁还原细菌固氮构建绿色低氮稻作农业技术体系提供依据。

4 结论

减氮20%配施铁粉具有稳产、增产的效果,可能是因为配施铁粉刺激了铁还原细菌的生长、增强了其固氮活性。氮肥减量明显降低了氨挥发、N2O排放和硝酸盐淋溶。减氮20%配施铁粉显著降低氨挥发量与氨挥发强度(P<0.05)。减氮20%配施铁粉与相同氮水平处理相比,麦季N2O累积排放量显著降低(P<0.05);与传统施氮量相比,减氮20%配施铁粉降低了稻季N2O累积排放量。减氮20%配施铁粉也降低了土壤深层渗滤液硝态氮淋溶。因此,减氮20%配施铁粉不仅可以起到作物稳产、增产的作用,还可以减少包括氨挥发、N2O排放和硝态氮淋溶的氮素损失,具有显著的经济和环境效益。