優(yōu)化施肥對不同輪作系統(tǒng)稻田氨揮發(fā)的影響

盛偉紅，劉文波，趙晨光，郭俊杰，孫 博，陳 健，周 毅，郭世偉

(1 南京農業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院，江蘇 南京 210095；2 如皋市農業(yè)科學研究所，江蘇 南通 226575; 3安徽科技學院 資源與環(huán)境科學學院，安徽 鳳陽233100)

據(jù)估計，目前我國農田的氮肥損失率為40%～50%[1]，而氮肥的不合理施用是造成氮肥損失率居高不下的主要原因之一，這既帶來了經濟損失，也會污染大氣、水體等環(huán)境。因此，降低氮素損失，成為農田、區(qū)域和國家尺度控制氮肥用量、提高氮肥有效率和降低環(huán)境污染的關鍵[2]。

水旱輪作系統(tǒng)是我國典型的水稻種植制度，包括水稻-小麥、水稻-冬閑田、水稻-蔬菜等多種輪作方式，主要分布在長江和淮海流域10多個省(市)，種植面積約470萬hm2[3]。研究表明，我國稻田氮肥損失率可高達50%以上[4],其中氨(NH3)揮發(fā)是肥料氮的主要損失途徑之一[5-6]。已經證實，在長江中下游雙季稻連作體系中，肥料氮的氨揮發(fā)損失可達30%以上[7]。國內外對單、雙季稻作區(qū)和旱作作物氨揮發(fā)研究報道已有很多，然而在水旱輪作系統(tǒng)下，采用優(yōu)化施氮的方式降低水田氨揮發(fā)的相關研究卻鮮有報道。本研究通過定量監(jiān)測3種水旱輪作系統(tǒng)下稻田NH3揮發(fā)的動態(tài)變化趨勢，探究在不同輪作系統(tǒng)下，稻田NH3揮發(fā)的影響因素及其與水稻產量的關系，以期了解不同水旱輪作系統(tǒng)下稻田NH3揮發(fā)損失的規(guī)律，從而為通過養(yǎng)分資源管理途徑，減少我國不同水旱輪作制度下稻田生態(tài)系統(tǒng)的NH3揮發(fā)，實現(xiàn)高產高效水稻生產提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗點位于江蘇省如皋市農業(yè)科學研究所試驗田(120°49′E，32°37′N)，供試土壤為江淮沖積物形成的薄層高砂土。土壤基本理化性質如下：土壤有機質含量21.30 g/kg，全氮含量 1.22 g/kg，有效磷含量27.9 mg/kg，速效鉀含量78.33 mg/kg，pH 7.46。2015年旱作作物收獲后土壤基本理化性質為：土壤有機質含量20.27 g/kg，全氮含量 1.17 g/kg，有效磷含量30.47 mg/kg，速效鉀含量75.94 mg/kg，pH 7.49；2016年旱作作物收獲后基本理化性質為：土壤有機質含量20.19 g/kg，全氮含量1.19 g/kg，有效磷含量30.18 mg/kg，速效鉀含量74.17 mg/kg，pH 7.56。田間試驗始于2015年6月，于2015年和2016年6月水稻移栽后開始進行NH3揮發(fā)的測定，測定期間氣溫與降雨量情況如圖1所示。

供試水稻、小麥和蔬菜品種分別為鎮(zhèn)稻11號、揚麥10號和上海青，系當?shù)爻Ｒ?guī)種植品種。

圖1 2015─2016年水稻季NH3揮發(fā)測定時期氣溫與降雨量的動態(tài)變化Fig.1 Variations of temperature and rainfall during the rice season from 2015 to 2016

1.2 試驗設計

采用完全隨機區(qū)組試驗設計。設置水稻-小麥輪作(RW)、水稻-蔬菜輪作(RV)與水稻-冬閑田輪作(RF)3種輪作系統(tǒng)，每種輪作系統(tǒng)下設2種施肥處理，即農民習慣施肥(FFP)和優(yōu)化施肥(OPT)處理。同時設置不施肥處理(CK)以計算氮肥利用率，共計9個處理。每處理設置3個重復，各小區(qū)面積為40 cm2(5 m×8 m)。

2015年和2016年水稻的移栽時間分別為6月25日和6月24日。種植密度為30.77×104穴/hm2，每穴定植2株，株行距為25 cm×13 cm。不同輪作系統(tǒng)下肥料施用量見表1。其中，在農民習慣施肥處理中，氮肥(300 kg/hm2)作為基肥與分蘗肥按5∶5質量比施入，分蘗肥分別為水稻移栽后第8天(2015年)和第10天(2016年)施入；磷肥(120 kg/hm2)與鉀肥(75 kg/hm2)均作為基肥，于水稻移栽前一次性施入。在優(yōu)化施肥處理中，氮肥(180 kg/hm2)作為基肥、分蘗肥、穗肥(水稻移栽后41 d)按5∶3∶2質量比施入；磷肥(60 kg/hm2)全部基施；鉀肥(75 kg/hm2)作為基肥、穗肥按6∶4質量比施入。試驗所用氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素(N,46%)、過磷酸鈣(P2O5，14%)和氯化鉀(K2O，64%)。其他田間管理措施同當?shù)亓晳T。

表1 不同輪作系統(tǒng)下肥料的施用量 Table 1 Fertilizer application rates of different rotation systems kg/hm2

注：RW-FFP、RW-OPT、RV-FFP、RV-OPT、RF-FFP和RF-OPT 分別表示水稻-小麥輪作農民習慣施肥方式、水稻-小麥輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-蔬菜輪作農民習慣施肥方式、水稻-蔬菜輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-冬閑田輪作農民習慣施肥方式和水稻-冬閑田輪作優(yōu)化施肥方式。下表同。

Note:RW-FFP,RW-OPT,RV-FFP,RV-OPT,RF-FFP and RF-OPT represent the rice-wheat rotation system (farmer’s fertilizer practices),the rice-wheat rotation system (optimal fertilization),the rice-vegetable rotation system (farmer’s fertilizer practices),the rice-vegetable rotation system (optimal fertilization),the rice-fallow rotation system (farmer’s fertilizer practices) and the rice-fallow rotation system (optimal fertilization).The same follow.

1.3 測定項目與方法

1.3.1 NH3揮發(fā)通量 采用傳統(tǒng)抽氣密閉室法測定NH3揮發(fā)通量，田間裝置圖見文獻[8]。其原理是利用抽氣減壓的方法將田間揮發(fā)的NH3吸入裝有2%硼酸的固定裝置中，再通過0.01 mol/L稀硫酸滴定吸收NH3的硼酸，以滴定消耗的體積來計算NH3揮發(fā)通量。在施肥后第1天開始測定，測定時待吸收裝置中看不到明顯變色時停止。固定于每天上午08：00─10:00開始測定，共測定3次，每次測試時間為55 min，間隔5 min再開始下一次。通常情況下NH3揮發(fā)通量在06:00─08:00水平較低，在14:00─16:00水平較高，因此以08：00─10:00測定的通量值作為NH3揮發(fā)通量，各處理間換氣頻率保持一致，為每分鐘15～20次，NH3揮發(fā)通量計算公式如下[9]：

式中：F代表NH3揮發(fā)通量(kg/(hm2·d))，Cs為硫酸濃度(mol/L)，Vs為消耗硫酸溶液的體積(mL)，r為氣室的半徑(m)，t為NH3揮發(fā)收集的時間(h)。2015年由于水稻移栽后出現(xiàn)持續(xù)暴雨天氣，無法測定水稻移栽后的NH3揮發(fā)通量，造成數(shù)據(jù)缺失。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SAS 9.1對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；采用SPSS 17.0對試驗數(shù)據(jù)進行偏相關分析。

氮農學利用率(Nitrogen agronomic efficiency,AEN,kg/kg)=(施氮區(qū)產量-不施肥地區(qū)產量)/施氮量。

氮回收效率(Nitrogen recovery efficiency,REN)=(施氮區(qū)氮積累量-不施肥地區(qū)氮積累量)/施氮量×100%。

氮偏生產力(Nitrogen partial factor productivity,PFPN,kg/kg)=施氮區(qū)產量/施氮量。

增產率(Yield increase rate)=(施氮區(qū)產量-不施肥地區(qū)產量)/不施肥地區(qū)產量×100%。

2 結果與分析

2.1 不同輪作系統(tǒng)下施肥對稻田NH3揮發(fā)通量及積累量的影響

2.1.1 NH3揮發(fā)通量的動態(tài)變化 2015─2016年不同處理下水稻生長期間氨揮發(fā)通量的動態(tài)變化見圖2。

RW-FFP、RW-OPT、RV-FFP、RV-OPT、RF-FFP和RF-OPT 分別表示水稻-小麥輪作農民習慣施肥方式、水稻-小麥輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-蔬菜輪作農民習慣施肥方式、水稻-蔬菜輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-冬閑田輪作農民習慣施肥方式和水稻-冬閑田輪作優(yōu)化施肥方式。下圖同

由圖2可以看出，2016年稻田施入基肥后，各處理NH3揮發(fā)通量明顯增加，并于施肥后第2天達到最大值，隨后逐漸下降，至第10天趨近于零；各處理NH3揮發(fā)通量的變化規(guī)律相似；在3種輪作系統(tǒng)下，均表現(xiàn)出農民習慣施肥處理NH3的揮發(fā)通量峰值(13.3～13.8 kg/(hm2·d))明顯高于優(yōu)化施肥處理(8.3～9.1 kg/(hm2·d))。稻田施入分蘗肥后，兩個年度NH3揮發(fā)通量的動態(tài)變化趨勢與2016年施入基肥后的變化趨勢基本一致。稻田施入穗肥后，由于施肥量較少且在此生育時期水稻對氮素吸收利用加快等原因，優(yōu)化施肥處理沒有按施肥量(相當于基肥的40%，分蘗肥的67%)等比例出現(xiàn)NH3揮發(fā)通量的峰值，且與農民習慣處理也無明顯差異,而2015年NH3揮發(fā)通量出現(xiàn)了較低的峰值可能與當時的氣溫相對較高，促進了NH3揮發(fā)有關。

2.1.2 NH3揮發(fā)積累量 鑒于2015年施用基肥后缺失NH3揮發(fā)通量數(shù)據(jù)，故只對2016年NH3揮發(fā)積累量進行分析，結果見表2。表2顯示，在3種水旱輪作方式下，優(yōu)化施肥處理顯著降低了NH3揮發(fā)積累量及其占氮肥施用量百分比，平均降幅分別為49.1%和4.0%。對2016年水稻NH3揮發(fā)積累量與其占氮肥施用量百分比的影響進行雙因素方差分析，發(fā)現(xiàn)NH3揮發(fā)積累量與其占氮肥施用量百分比受施肥方式影響顯著(P<0.05)，輪作制度(P=0.575，P=0.742)及其與施肥方式交互作用(P=0.430，P=0.542)的影響不顯著。

表2 2016年不同處理下水稻生長期間NH3揮發(fā)積累量與百分比Table 2 Cumulative amounts and ratios of ammonia volatilization during the rice season under different treatments in 2016

注：同列數(shù)據(jù)后標不同小寫字母表示同一制度不同處理間P<0.05水平差異顯著。表4同。

Note:Different small letters in each period mean significant difference atP<0.05 level among different N treatments.The same in table 4.

2.2 NH3揮發(fā)環(huán)境影響因素及相關性分析

圖3顯示，在水稻生長季，田面水層pH為7.4～9.1，尿素的施入導致各處理pH值總體呈現(xiàn)出先升高后下降的現(xiàn)象。而施入分蘗肥后，水田pH值明顯的升高則是由于當日噴施了堿性農藥所致。

圖3顯示，在水稻生長期間，田間水層溫度波動較大，整體趨勢表現(xiàn)為水稻生長初期溫度較高，但后期溫度略有下降。在NH3揮發(fā)通量測定期間，水稻田間均處于淹水狀態(tài)，且由于降雨等原因，水層深度變化無明顯規(guī)律。

圖3 不同處理下水稻生長期間影響NH3揮發(fā)環(huán)境條件的動態(tài)變化Fig.3 Influencing factors of ammonia volatilization during rice growing season under different treatments

輪作制度Rotation system施肥方式Fertilization method田面水NH+4-N質量濃度NH+4-N concentration in flood water20152016水層pHpH in flood water20152016水層溫度Water temperature 20152016水層深度Water depth20152016RWFFP0.933***0.780***-0.1590.0110.1810.021-0.343-0.267 OPT0.785***0.829***0.1510.0660.1970.049-0.352*-0.238RFFFP0.934***0.776***0.2480.175-0.166-0.137-0.532*-0.474**OPT0.706***0.804***0.2450.0080.2790.201-0.379*-0.350*RVFFP0.933***0.837***0.1290.0460.0550.045-0.242-0.542***OPT0.704***0.850***0.1710.400**0.0010.011-0.186-0.204

注：2015年n1=24,n2=39;2016年n1=36,n2=48,其中n1為農民習慣施肥方式下采樣頻率，n2為優(yōu)化施肥方式下采樣頻率?！?”、“**”和“***”分別表示在P<0.05，P<0.01和P<0.001水平顯著相關。

Note：In 2015,n1=24 andn2=39 and in 2016,n1=36 andn2=48.n1represents sample number of FFP andn2represent sample number of OPT.“*”,“**” and “***” indicate significant correlation atP<0.05,P<0.01 andP<0.001,respectively.

2.3 水稻產量與氮肥利用率

表4表明，在不同輪作系統(tǒng)下，優(yōu)化施肥處理與農民習慣施肥處理的水稻平均產量差異均不顯著。與不施肥處理相比，3種輪作系統(tǒng)優(yōu)化施肥處理的平均增產率為79.0%，較農民習慣施肥處理提高1.4%。同時，優(yōu)化施肥處理的氮農學利用率、氮回收效率、氮偏生產力也均大于其同一輪作系統(tǒng)下的農民習慣施肥處理，分別較農民習慣施肥處理提高70.1%，59.7%和68.0%。這說明，優(yōu)化施肥處理可顯著提高稻田的氮肥利用率。在同一施肥處理條件下，水稻-蔬菜輪作制度下水稻平均產量(10.2 t/hm2)也顯著高于水稻-小麥輪作(9.5 t/hm2)和水稻-冬閑田輪作(9.0 t/hm2)。因而將施肥處理與輪作方式對2015-2016年平均水稻產量做雙因素分析，結果表明，輪作制度對水稻產量差異顯著(P<0.05)，而施肥方式(P=0.495，P=0.496)及其與輪作制度交互作用(P=0.831，P=0.835)對水稻產量均無顯著影響。

表4 2015-2016年不同處理下水稻平均產量及氮肥利用率Table 4 Grain yield and nitrogen use efficiency from 2015 to 2016 under different treatments

3 討 論

3.1 不同水旱輪作系統(tǒng)下優(yōu)化施肥對NH3揮發(fā)的影響

有研究表明，在輪作系統(tǒng)中，前茬作物收獲后的殘茬可通過增加土體有機質及改善土壤結構，影響NH3揮發(fā)總量[10]。但是在本試驗中，當施肥量相同時，不同輪作系統(tǒng)下NH3揮發(fā)積累量差異不顯著，這與前人的研究結果不一致。造成這種差異的主要原因可能是本研究的輪作年限較短，2015至2016年不同前茬作物收獲后有機質含量分別為20.27和20.19 g/kg，前茬作物的種植并未對土壤有機質造成顯著影響，因此沒有影響下一季度水稻NH3揮發(fā)通量。在3種輪作方式下，農民習慣施肥處理與優(yōu)化施肥處理平均NH3揮發(fā)積累量分別為80.3和40.9 kg/hm2，且均表現(xiàn)出農民習慣施肥處理的NH3揮發(fā)積累量顯著高于優(yōu)化施肥處理，增幅可達96.3%。同時，NH3揮發(fā)積累量所占施肥總量比例變化也呈現(xiàn)與NH3揮發(fā)積累量相同的趨勢，這表明在短期輪作制度下，NH3揮發(fā)主要與氮肥用量及基肥、分蘗肥的分配比例等施肥制度密切相關，具體表現(xiàn)為基肥和分蘗肥的施肥量越大，NH3揮發(fā)通量與NH3積累量也越高，這也是導致氮肥損失量增加的主要原因。

本研究中，在農民習慣施肥處理中，由于作為基肥與分蘗肥的氮肥用量相同，這2次施肥后，稻田NH3揮發(fā)通量基本無差異；在優(yōu)化施肥處理中，氮肥作為基肥施用后的NH3揮發(fā)通量明顯高于其作為分蘗肥施用，這主要是由后者的氮肥施用量(54 kg/hm2)低于前者(90 kg/hm2)所致。氮肥作為穗肥施用(36 kg/hm2)后也并未出現(xiàn)按施肥量(相當于基肥的40%，分蘗肥的67%)等比例NH3揮發(fā)通量的峰值，這主要是由于，一方面施用穗肥時水稻已生長茂盛，對田面產生一定的覆蓋，阻礙空氣流通，不利于NH3揮發(fā)；另一方面相比生育前期而言，穗肥施用時期的水稻根系相對較發(fā)達，對氮素的吸收利用速度較快，從而降低了NH3揮發(fā)損失[11-12]。

3.2 影響稻田NH3揮發(fā)通量的環(huán)境因素

3.3 優(yōu)化施肥對水稻產量及氮素利用率的影響

一般而言，隨著施氮量的增加，作物產量與氮吸收量會增加，但是當施氮量達到一定閾值時，產量增加與氮素投入量不匹配，導致氮素利用率顯著降低[21-22]。本研究結果表明，在相同輪作系統(tǒng)下，農民習慣施肥處理的產量均略低于優(yōu)化施肥處理，降低幅度為1.4%，且優(yōu)化施肥處理的氮素農學利用率、回收效率、偏生產力均分別較農民習慣施肥處理高9.3 kg/kg、21.6%和21.6 kg/kg，可知增加氮肥施用量并無相應增產效應，且還會導致氮素利用率下降。已有研究證實，水稻實地養(yǎng)分管理比農民習慣施肥方式增產5.0%左右[23]，這說明合理施用氮肥可在降低施用量的基礎上保持產量穩(wěn)定，甚至增產。

本研究中，在3種輪作系統(tǒng)中，水稻-蔬菜輪作體系下的水稻平均產量(10.2 t/hm2)依次高于水稻-小麥輪作系統(tǒng)(9.5 t/hm2)和水稻-冬閑田輪作系統(tǒng)(9.0 t/hm2)。由水稻平均產量與增產率的雙因素(輪作制度、施肥制度)方差分析結果可知，這主要是受到不同輪作間的影響(P<0.05)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于前茬種植作物施用氮肥量不同。有研究表明，施入土壤中的氮肥除了被作物吸收以及通過揮發(fā)等途徑損失到環(huán)境中外，還有很大一部分會殘留在土壤中[24]，作物收獲后殘留的肥料氮可占施氮量的15%～30%，最高可達48%[25]，這些殘留肥料氮的有效性高于土壤固有的氮[26]，致使殘留氮很容易被后茬作物吸收利用，從而增加作物產量。

4 結 論

不同施肥方式是影響NH3揮發(fā)通量的主要因素。綜合生產效益和環(huán)境效益，在不同的水旱輪作系統(tǒng)中，通過推薦施用氮肥180 kg/hm2，并采用基肥、分蘗肥、穗肥質量比5∶3∶2進行氮肥運籌的優(yōu)化施肥方式，可在減少氮肥施用的基礎上既保證水稻獲得高產，顯著減少稻季施氮的NH3揮發(fā)損失，又能提高氮素利用率，降低了施肥對農田生態(tài)系統(tǒng)造成的環(huán)境風險，最終實現(xiàn)水旱輪作系統(tǒng)稻田作物的高產高效。