頡健輝,李玲玲,謝軍紅,彭正凱,鄧超超,沈吉成,王進(jìn)斌,Eunice Essel
(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
氮素在作物產(chǎn)量形成中起著重要作用,合理施用氮肥是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。目前,我國(guó)氮肥用量高居不下,占全球用量的30%左右,但肥料利用率卻不足50%[1-2],增施氮肥成為作物增產(chǎn)的普遍習(xí)慣。研究發(fā)現(xiàn),過(guò)量施氮造成硝態(tài)氮淋溶,引起地下水污染、土壤板結(jié)等問(wèn)題,直接導(dǎo)致氮肥利用率下降[3]。同時(shí),氮肥的不合理施用引起NH3揮發(fā),造成氮肥損失。Bouwman 等研究證明,在全球范圍內(nèi)化學(xué)氮肥的NH3揮發(fā)損失率達(dá)10%~19%[4],而在發(fā)展中國(guó)家由于尿素等含氮肥料的廣泛使用,NH3揮發(fā)損失率更高[5]。進(jìn)入大氣中的NH3以干、濕沉降的方式返回陸地生態(tài)系統(tǒng),雖然可增加土壤有效態(tài)氮,但過(guò)量的NH3沉降能夠造成森林或水生生態(tài)系統(tǒng)的酸化、富營(yíng)養(yǎng)化及降低物種多樣性等一系列環(huán)境問(wèn)題[6-7]。
近年來(lái),玉米生產(chǎn)以高產(chǎn)為主要目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦弋a(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展,如何以較低的生產(chǎn)成本獲得較高的生產(chǎn)效益,提高資源利用效率和勞動(dòng)生產(chǎn)效率,增強(qiáng)玉米市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力成為旱作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題[8-9]。為了提高氮肥利用效率,科研人員在氮肥統(tǒng)籌方面做了大量工作,確定了高效的施氮技術(shù),其中,氮肥后移技術(shù)對(duì)作物產(chǎn)量的影響很大,而且能降低NH3揮發(fā),提高作物的氮肥利用率[10-12]。但這些研究大多在降雨充沛地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中開(kāi)展,在干旱半干旱地區(qū)覆膜條件下氮肥NH3揮發(fā)損失的研究相對(duì)缺乏。而干旱地區(qū)占全球陸地總面積45%,我國(guó)干旱地區(qū)大約占國(guó)土總面積的70%[13-14]。黃土高原是典型的干旱半干旱大陸季風(fēng)氣候區(qū),多年平均降水量200~600mm,生態(tài)脆弱、旱災(zāi)頻發(fā)、降水與作物生長(zhǎng)季錯(cuò)位等限制了土地生產(chǎn)力的提高[15-16]。玉米是該地區(qū)主要的糧食作物之一,全膜雙壟溝播技術(shù)是主要生產(chǎn)技術(shù),該技術(shù)有效地提高了水分利用效率和土地生產(chǎn)力[17-18]。但受高產(chǎn)利益驅(qū)動(dòng),普遍存在偏施、重施現(xiàn)象,因此系統(tǒng)掌握肥料氮在旱作覆膜玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中NH3揮發(fā)損失規(guī)律及其對(duì)氮肥利用率的影響,對(duì)制定該地區(qū)合理的氮肥管理措施具有重要意義。本研究依托位于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)定西旱作農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站始于2012 年的氮肥定位試驗(yàn),生育期采用通氣法對(duì)隴中旱農(nóng)區(qū)玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的土壤NH3揮發(fā)進(jìn)行了原位觀測(cè)[19],研究了氮肥運(yùn)籌對(duì)土壤NH3揮發(fā)規(guī)律、玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響,明晰氮肥應(yīng)用對(duì)作物-土壤系統(tǒng)固碳減排效應(yīng)機(jī)制,為本地區(qū)制定合理施肥制度提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
依托2012 年在甘肅省定西市李家堡鎮(zhèn)的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)站布設(shè)的定位試驗(yàn),于2018 年開(kāi)展研究。試區(qū)屬典型黃土高原半干旱丘陵溝壑區(qū),平均海拔為2000m,日照時(shí)數(shù)2476.6h,年均氣溫6.4℃,≥0℃積溫2933℃,≥10℃積溫2238.1℃,無(wú)霜期141d。多年平均降水量390.8mm,年蒸發(fā)量1532mm,為黃土高原西部典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土,土質(zhì)綿軟,土層深厚,質(zhì)地均勻,貯水性能良好。土壤有機(jī)質(zhì)12.01g·kg-1,堿解氮66.3mg·kg-1,有效磷19.4mg·kg-1,速 效 鉀220.3mg·kg-1,pH 值 為8.36。2018 年4~10 月降水如圖1 所示。
圖1 2018 年4~10 月日降水量
采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì),主處理為施氮水平,設(shè)3個(gè)水平和不施氮對(duì)照(N0),分別為:低施氮100kg·hm-2(N1)、 中 施 氮200kg·hm-2(N2)、 高施氮300kg·hm-2(N3);副處理為不同施肥時(shí)期及比例,分別為基肥∶拔節(jié)肥=1∶2(T1)和基肥∶拔節(jié)肥∶大喇叭口肥=1∶1∶1(T2)。共8 個(gè)處理,3 次重復(fù),總計(jì)24 個(gè)小區(qū),小區(qū)面積35.2m2(4.4m×8.0m)。具體施肥方案如表1 所示。
表1 試驗(yàn)期間施氮水平和施肥方式(kg·hm-2)
參試玉米品種為先玉335,密度為5.25 萬(wàn)株·hm-2,采用全膜雙壟溝播玉米生產(chǎn)技術(shù),該技術(shù)具體內(nèi)容如下:包含大小雙壟,總寬110cm,大壟寬為70cm、高10cm,小壟寬為40cm、高15cm,整地起壟后,用寬120cm、厚0.01mm 的超薄膜,每公頃用量75 kg,全地面覆蓋。膜與膜間不留空隙,兩幅膜相接處在大壟中間,用大壟的土壓住地膜,覆膜時(shí)地膜與壟面、壟溝貼緊,每隔2~3m 橫壓腰帶,壟溝內(nèi)每隔50cm 左右打滲水孔,以使降水滲入。
在4 月11 日,揭膜、施入基肥氮和磷肥(基肥為磷酸氫二銨、過(guò)磷酸鈣,施入P2O5150kg·hm-2)后深翻入土,并及時(shí)完成起壟、覆膜作業(yè),4 月29 日溝內(nèi)播種玉米。6 月26 日和7 月18 日分別按試驗(yàn)方案進(jìn)行穴施追肥(追肥為氮含量46%的尿素),根據(jù)密度確定每穴追肥量,田間及時(shí)拔出雜草、分蘗等,其他管理同全膜雙壟溝播大田玉米種植。
1.3.1 產(chǎn)量測(cè)定
各小區(qū)單獨(dú)收獲,測(cè)定與產(chǎn)量構(gòu)成有關(guān)指標(biāo)以及生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量,折算為單位面積產(chǎn)量。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算如下:
(1)氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮水平
(2)氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)=施氮區(qū)玉米籽粒產(chǎn)量/施用氮肥總量
(3)收獲指數(shù)(HI)=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量
1.3.2 NH3揮發(fā)樣品采集
NH3揮發(fā)測(cè)定采用通氣法[19],該方法裝置簡(jiǎn)單,條件易控,回收率高達(dá)99.51%,變異系數(shù)僅為0.77%。NH3揮發(fā)損失主要集中于前7d,累計(jì)NH3揮發(fā)量占總量的88.57%~96.72%。試驗(yàn)所用的通氣裝置由內(nèi)徑15cm、高12cm 的聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管制成。測(cè)定NH3揮發(fā)前先將兩塊直徑為16cm、厚度均為2cm 的吸水性較好的海綿均勻浸入15mL的吸收液(吸收液為磷酸甘油溶液,1000mL 溶液中含有50mL 磷酸和40mL 丙三醇)后,將兩層海綿有吸收液的一面朝下置于硬質(zhì)塑料管中,下層海綿距離地表5cm,上層海綿與管頂部相平。
施肥當(dāng)天按“S”型布設(shè)3 個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)上安裝3 個(gè)采氣裝置,安裝時(shí),一個(gè)裝置的中心位于兩株玉米種間,另外兩個(gè)管子分別位于小壟和大壟中央且與第一個(gè)管子在一條直線上。取樣時(shí)間為9:00~11:00。取樣時(shí),將通氣裝置下層的海綿取出,迅速按小區(qū)號(hào)分別裝入塑料袋中密封;同時(shí)換上一塊剛浸過(guò)吸收液的海綿。上層的海綿視其干濕情況3~7d更換1 次。更換海綿后將捕獲裝置重新安放好開(kāi)始下一次的氨吸收。第1 周每天取樣1次;第2~3 周每2~3d取樣1 次,直至捕獲不到NH3揮發(fā)為止。把吸收有氨氣的海綿放入自封袋帶回室內(nèi)分析,用1mol·L-1KCl 溶液將海綿完全浸沒(méi),室溫下振蕩1h,浸提液過(guò)濾后測(cè)定銨態(tài)氮含量,即為NH3揮發(fā)量。相關(guān)計(jì)算公式如下:
(1)NH3揮發(fā)速率計(jì)算公式:F=M/(A×D)
其中:F 為NH3揮發(fā)速率(kg·hm-2·d-1),M 為每次NH3揮發(fā)裝置測(cè)得的銨態(tài)氮含量(kg),A 為捕獲裝置橫截面積(hm2),D 為連續(xù)采集的時(shí)間(d)。
(2)NH3揮發(fā)總量為每次測(cè)得的NH3揮發(fā)量的總和。
(3)肥料NH3揮發(fā)損失率=(施氮區(qū)揮發(fā)量-不施氮區(qū)揮發(fā)量)/施氮量×100%
1.3.3 土壤水分與溫度測(cè)定
(1)土壤溫度
在所有采樣小區(qū)各安置一套地溫計(jì),每次采集氣體樣品的同時(shí)記錄地下5、10、15、20 及25cm處的土壤溫度。
(2)土壤體積含水量
每次采氣時(shí)用土鉆取0~5、5~10、10~30cm處土樣,用烘干法計(jì)算質(zhì)量含水量,換算為土壤體積含水量。
采用Excel2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與作圖,用SPSS19.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和最小顯著性檢驗(yàn)(LSD 法)。
從表2 可知,施氮水平、施氮水平與施肥時(shí)期及比例的互作效應(yīng)顯著影響玉米生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)和氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE),施肥時(shí)期及比例對(duì)以上指標(biāo)無(wú)影響。高、中施氮水平間生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量差異不顯著,但較對(duì)照顯著提高了106%和176%,較低施氮水平顯著提高了22%和19.1%;高、中施氮水平下HI 分別較對(duì)照提高了50%和25%,差異顯著;NPFP 和NAE 隨施氮水平增加而降低,與施氮300kg·hm-2相比,200kg·hm-2施氮水平下的NPFP 和NAE 提高了33%和26%。處理間,不同施氮時(shí)期及比例對(duì)同一施氮水平的生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量無(wú)影響,且中、高施氮水平下,處理N2T1、N2T2、N3T2 和N3T1 的生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用效率差異不顯著,因此本著節(jié)約成本的原則,黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)全膜雙壟溝播玉米的施氮制度為,施氮水平200kg·hm-2,按基肥∶拔節(jié)肥=1∶2 的比例施用,該制度下,玉米的生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量分別較對(duì)照增加131%和197%,NPFP 和NAE 較高施氮水平降低48%和47%。
2.2.1 NH3揮發(fā)速率
由圖2 可看出,拔節(jié)期追肥后,N2T1 和N3T1處理NH3揮發(fā)速率在施肥后第1d即達(dá)到最高,分別為3.65 和3.56kg·hm-2·d-1,之后隨著時(shí)間的推進(jìn)NH3揮發(fā)速率先迅速降低,隨后略有回升,最后逐漸降低至對(duì)照水平;N1T1 和N1T2 處理NH3揮發(fā)速率先迅速升高,施肥后第2d達(dá)到最高,峰值分別為3.62 和3.43kg·hm-2·d-1,之后隨著時(shí)間推進(jìn)逐漸降低至對(duì)照水平;N2T2 和N3T2 處理NH3揮發(fā)速率隨著時(shí)間推進(jìn)先緩慢升高,之后逐漸降低至對(duì)照水平,施肥處理間NH3揮發(fā)速率差異不顯著但與不施肥對(duì)照差異顯著。大喇叭口期追肥后,施肥處理NH3揮發(fā)速率先升高后降低,施肥后第4d達(dá)到最高,隨后逐漸降低,在施肥一周后略有回升,之后降低到對(duì)照水平;N3T2 處理NH3揮發(fā)速率明顯高于其他處理,達(dá)到排放峰時(shí),施氮水平越大其峰值也就越大,N3T2 處理NH3揮發(fā)速率峰值達(dá)到3.69kg·hm-2·d-1。而且氨揮發(fā)排放主要集中在施肥后一周內(nèi),遇降雨NH3揮發(fā)速率明顯降低。
表2 施肥對(duì)玉米產(chǎn)量及氮肥效率的影響
圖2 追肥后NH3 揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)
2.2.2 NH3揮發(fā)累積量
從圖3 可知,拔節(jié)期施肥后,NH3揮發(fā)累積量隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸增加,施肥處理和不施肥對(duì)照間差異顯著,由于施肥后出現(xiàn)不同程度的降水(總計(jì)106.8mm),導(dǎo)致施 肥第3d以后NH3揮發(fā)累積量在施肥處理間差異不顯著。大喇叭口期施肥后,NH3揮發(fā)累積量迅速增加,施肥一周后緩慢增加,到施肥后13d左右NH3揮發(fā)累積量基本保持不變,N3T2、N2T2、N1T2 和不施肥處理間差異顯著,從7 月24 日(施肥后第5d)起至測(cè)定截止,N3T2 處理較其他處理顯著增多,測(cè)定截止時(shí)高達(dá)53.3kg·hm-2。拔節(jié)期測(cè)定截止時(shí)N3T2、N2T2、N1T2 處理的NH3揮發(fā)累積量分別較大喇叭口期降低了36.6%、5.8%和11.7%。
圖3 追肥后NH3 揮發(fā)累積量動(dòng)態(tài)
2.2.3 NH3揮發(fā)量及NH3揮發(fā)損失率
由表3 可知,施氮水平、施肥時(shí)期和比例及其交互作用顯著影響NH3揮發(fā)量。高、中、低施氮水平分別較不施氮對(duì)照增加了6.5、5.9、5.4 倍,差異顯著;T1 處理NH3揮發(fā)量較T2 處理顯著降低了37%;處理間的排序?yàn)镹3T2>N2T2>N1T2>N2T1>N 3T1>N1T1>N0T2>N0T1,N3T2 的NH3揮發(fā)量達(dá)到90.23kg·hm-2,分別較其他施氮處理顯著增多了13%、23%、44%、46%和47%。NH3揮發(fā)損失率隨施氮水平增加而降低,高、中施氮水平較低施氮水平降低了59.6%和44.6%,差異顯著;與T2 相比,T1 處理NH3揮發(fā)損失率顯著降低了40.4%;處理間NH3揮發(fā)損失率變幅在13%~60%,趨勢(shì)為:N1T2>N1T1>N2T2>N3T2>N2T1>N3T1,N3T1處理分別較N2T1、N3T2、N2T2、N1T1、N1T2 處理降低了36%、52%、62%、67%和79%,但和N2T1 處理差異不顯著。
從圖4 可以看出,隨著土層深度的加深,土壤溫度在拔節(jié)期和大喇叭口期都表現(xiàn)為0~15cm 逐漸降低,20cm 處略有回升,隨后降低的趨勢(shì)。不施氮對(duì)照的土壤溫度在10cm 以上明顯高于施肥處理,在相同施肥時(shí)期及比例處理下,拔節(jié)期土壤0~10cm 平 均 溫 度 表 現(xiàn) 為:N3T2<N2T2<N1T2 和N1T1<N3T1<N2T1,分別較對(duì)照降低20.1%、18.3%、9.5%和11.4%、6.8%、11.7%;大喇叭口期土壤0~10cm 平 均 溫 度 表 現(xiàn) 為N3T2<N2T2<N1T2 和N3T1<N1T1<N2T1,分別較對(duì)照降低19.5%、16%、8%和14%、12.6%、4.9%,土層20cm 以下各處理間土壤溫度基本無(wú)差異。0~10cm 的土壤含水量小于10~30cm,拔節(jié)期不同施氮時(shí)期及比例下施氮水平間10~30cm 表現(xiàn)為N3T2>N0T2>N1T2>N2T2和N3T1>N0T1>N1T1>N2T1,N3T2 和N3T1 分別較對(duì)照提高了6.7%和2.3%;大喇叭口期10~30cm表現(xiàn)為:N3T2>N1T2>N0T2>N2T2 和N3T1>N0T1>N1T1>N2T1,N3T2 和N3T1 分別較對(duì)照提高了5.2%和2.9%。
圖4 施氮對(duì)0~30cm 土層溫度和體積含水量的影響
施用氮肥在一定范圍內(nèi)可以顯著提高作物產(chǎn)量,然而產(chǎn)量提升的效果隨肥料投入的增多先增加后降低,過(guò)量施氮后,氮肥利用效率降低[19-22]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),增施氮肥能顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量,但200 與300kg·hm-2施氮水平間差異不顯著,過(guò)多施氮造成了生產(chǎn)成本的增加,同時(shí)降低了氮肥農(nóng)學(xué)效率,其主要原因是合理的氮肥運(yùn)籌能有效地促進(jìn)作物根系發(fā)育以及干物質(zhì)積累與分配,進(jìn)而影響籽粒產(chǎn)量氮素超過(guò)一定的量,顯著地增加了玉米的生物產(chǎn)量,但沒(méi)有同比例的增加籽粒產(chǎn)量,最終導(dǎo)致氮肥利用效率下降[23-25]。不同施肥時(shí)期及比例處理下的生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和NAE無(wú)顯著差異,與前人[26-27]研究結(jié)果有一定出入,其主要原因是黃土高原半干旱區(qū)水熱是主要限制因子,氮肥對(duì)玉米的增產(chǎn)作用發(fā)揮的前提是通過(guò)氮素調(diào)控玉米適應(yīng)水分環(huán)境,2018 年降水充足、生育期間沒(méi)有發(fā)生水分脅迫,過(guò)多的降水可能增加氮素的淋失,同時(shí),施氮后NH3的揮發(fā)也造成植物吸收氮素之前已經(jīng)損失,使得玉米最終吸收利用的氮素只是一部分,這是利用率低的又一重要原因[3,19]。
增加施氮水平與施氮次數(shù)增加了NH3揮發(fā)損失,本試驗(yàn)基肥于4 月11 日施入后旋耕入土,之后連續(xù)兩天降水16.7mm,實(shí)驗(yàn)裝置收集到的NH3揮發(fā)量很少,一方面是因?yàn)榛蕿榫徯У?,而且?jīng)翻耕入土后導(dǎo)致土壤表層NH3揮發(fā)底物濃度低,降低了NH3揮發(fā)損失;另一方面基肥施入后產(chǎn)生的降雨環(huán)境,進(jìn)一步將肥料水解之后的NH4+-N滯留在土壤深層進(jìn)行硝化反應(yīng),而不能擴(kuò)散到土壤表層[9],所以,深施在一定程度上可以降低氮素肥料NH3揮發(fā)損失,提高肥料利用效率;玉米穴施追肥后,NH3揮發(fā)速率迅速升高,在1~4d后達(dá)到峰值,隨后逐漸降低,最后趨于對(duì)照。本試驗(yàn)中拔節(jié)期施肥后,由于NH3揮發(fā)測(cè)定期間出現(xiàn)不同程度的降水(總計(jì)106.8mm),施入的肥料大部分被溶解后流入土壤深層,導(dǎo)致施氮處理間NH3揮發(fā)速率和累積量均不顯著;大喇叭口期追肥后,NH3揮發(fā)速率和累積量隨施氮量增加逐漸升高,施用氮肥處理和對(duì)照間差異顯著,施肥一周以后氨揮發(fā)速率出現(xiàn)回升,可能是由于之前不同程度的降雨導(dǎo)致農(nóng)田土壤溫度和水分發(fā)生變化,減少了土壤中氮素向NH3揮發(fā)底物轉(zhuǎn)化的過(guò)程,NH3揮發(fā)速率迅速降低,經(jīng)過(guò)幾天的恢復(fù)后,又達(dá)到正常揮發(fā)水平。研究認(rèn)為,土壤水分、大氣溫度、地溫等因素也是影響氨揮發(fā)的主要因子[27-28]。本研究中,土壤0~10cm 土層溫度隨施氮水平的增多而降低,10~30cm 處無(wú)差異,主要原因是增加了施氮量,地上部分較大的葉面積指數(shù)產(chǎn)生遮陰現(xiàn)象,致使淺層土壤溫度差異明顯,較低的土壤溫度下氨揮發(fā)損失較低,同時(shí),拔節(jié)期、大喇叭口期良好水分環(huán)境一定程度上也降低了氨揮發(fā)損失。
施氮水平顯著影響玉米的生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量,將200kg·hm-2氮肥以基肥∶拔節(jié)肥=1∶2 的比例施用的玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量與300kg·hm-2的差異不顯著,但較對(duì)照顯著增加197%和131%,顯著提高了經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和固碳效應(yīng);增加施氮水平與追肥次數(shù)潛在地增加NH3揮發(fā)損失,使氮肥利用率降低。因此,在保證土壤較高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和固碳能力的前提下,使NH3揮發(fā)損失保持在合理水平的施氮制度為:施純氮200kg·hm-2,施肥時(shí)期和比例為基肥∶拔節(jié)肥=1∶2。