秸稈還田對(duì)關(guān)中地區(qū)麥玉復(fù)種體系土壤氨排放的影響*

呂宏菲, 馬星霞, 楊改河, 馮永忠, 任廣鑫, 李 娜, 謝呈輝, 許宏偉

秸稈還田對(duì)關(guān)中地區(qū)麥玉復(fù)種體系土壤氨排放的影響*

呂宏菲, 馬星霞, 楊改河**, 馮永忠, 任廣鑫, 李 娜, 謝呈輝, 許宏偉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 楊凌 712100)

農(nóng)業(yè)氨減排是霧霾治理最經(jīng)濟(jì)有效的方法, 而農(nóng)田肥料施用造成的氨排放是農(nóng)業(yè)氨排放的重要部分。本研究旨在探討冬小麥-夏玉米復(fù)種體系下土壤氨排放對(duì)秸稈還田的響應(yīng), 為減少農(nóng)業(yè)氨排放和控制霧霾提供理論依據(jù)。本試驗(yàn)于2018年6月—2019年6月在陜西關(guān)中楊凌地區(qū), 對(duì)土壤氨排放、0~40 cm土壤無機(jī)氮以及產(chǎn)量進(jìn)行了測(cè)定分析。試驗(yàn)采用雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì), 主區(qū)為秸稈還田方式, 設(shè)不還田(S0)、半量還田(S0.5)和全量還田(S1)3個(gè)水平; 副區(qū)為施肥, 設(shè)不施肥(F0)、減量施肥(F0.8)、常規(guī)施肥(F1)3個(gè)水平。結(jié)果表明: 秸稈還田與施肥及兩者互作對(duì)夏玉米季土壤氨累積排放量()有顯著影響。秸稈還田對(duì)冬小麥季土壤氨累積排放量無顯著影響。整個(gè)麥玉復(fù)種體系的氨累積排放量為1.31~19.26 kg·hm-2, 占施肥量的2.17%~4.69%, 各處理之間表現(xiàn)為: S0F1>S0.5F1>S1F1>S0F0.8>S0.5F0.8>S1F0.8>S1F0>S0.5F0>S0F0。在不施肥情況下, 秸稈還田能增加土壤氨累積排放量, 但秸稈還田配施氮肥較不還田處理顯著減少土壤氨累積排放量和氨損失率, 秸稈全量還田和半量還田之間的氨排放無明顯差異。其中S1F0.8和S0.5F0.8處理在整個(gè)復(fù)種體系中減排效果最為顯著, 分別較S0F0.8處理(11.62 kg·hm-2)減排38.64%和37.35%。相比于只施氮肥, 秸稈還田配施氮肥能顯著減少土壤中無機(jī)氮, 顯著提高夏玉米產(chǎn)量6.23%~20.20%, 冬小麥產(chǎn)量16.60%~28.17%。通過PCA分析發(fā)現(xiàn), S1F0.8和S0.5F0.8處理是減排增產(chǎn)的最優(yōu)組合。綜合考慮土壤氨排放和作物產(chǎn)量, 長(zhǎng)期秸稈還田配減量施肥處理, 能在保證作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)上減少土壤氨排放, 可在關(guān)中地區(qū)實(shí)施。

麥玉復(fù)種; 氨排放; 產(chǎn)量; 減量施氮; 秸稈還田

氨揮發(fā)是氮肥氣態(tài)損失的重要途徑, 也是導(dǎo)致氮肥利用率低的主要原因之一[1]。大量科學(xué)證據(jù)表明, 堿性污染物氨(NH3)與酸性污染物二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NO)在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 生成硫酸銨和硝酸銨, 形成PM2.5凝結(jié)核, 吸水并結(jié)合其他污染物而形成霧霾[2], 霧霾帶來的生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重影響到人們生活。研究發(fā)現(xiàn)通過加強(qiáng)NH3控制措施干預(yù)硫酸鹽形成過程, 可有效緩解霧霾[3]。人為NH3排放主要來自于農(nóng)業(yè), 而農(nóng)業(yè)NH3排放的重要來源是種植業(yè)肥料的使用, 國(guó)外學(xué)者對(duì)減氨和控霾的相關(guān)研究表明, 農(nóng)業(yè)NH3減排是霧霾治理最經(jīng)濟(jì)有效的方法[4-7]。

農(nóng)作物秸稈是當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 我國(guó)2016年秸稈總產(chǎn)量已突破8×108t[9]。將秸稈施用于農(nóng)田里能夠調(diào)控土壤水溫環(huán)境, 改善土壤結(jié)構(gòu)和作物生長(zhǎng)環(huán)境。高效持續(xù)利用作物秸稈在化肥減施、作物增產(chǎn)和改善大氣環(huán)境等方面具有重要作用。通常情況下, 土壤pH是影響土壤氨揮發(fā)的主要因素[10], 其他影響氨揮發(fā)的土壤因素還包括還田秸稈種類[11]和土壤陽離子交換量[12]、質(zhì)地[13-14]、銨態(tài)氮含量[15]、溫度[4-5]、含水量[13,16-18]和脲酶活性[19-20]等。近年來通過秸稈還田調(diào)控土壤氨排放的研究也屢見不鮮。李宗新等[21]研究發(fā)現(xiàn), 隨施肥量增加氨排放明顯增加, 與單施化肥相比, 秸稈還田配施化肥可顯著減少夏玉米()土壤氨揮發(fā)損失4.06~8.25 kg?hm-2; 董文旭等[11]、胡春勝等[22]研究也發(fā)現(xiàn)在冬小麥()-夏玉米一年兩熟制(麥玉復(fù)種體系)下, 小麥或玉米秸稈混合施肥可顯著減少氨揮發(fā)損失, 且小麥秸稈抑制氨揮發(fā)效果優(yōu)于玉米秸稈, 但在相同的秸稈還田下, 施氮100 kg?hm-2的氨揮發(fā)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于施氮70 kg?hm-2; 徐聰[23]在連續(xù)兩年的研究中指出秸稈還田配施氮肥對(duì)麥玉復(fù)種體系總的氨排放量并無明顯影響規(guī)律。以上研究之所以呈現(xiàn)不同結(jié)果, 主要由于秸稈還田方式、肥料配施量等不同。然而, 在陜西關(guān)中地區(qū)傳統(tǒng)麥玉復(fù)種體系下, 秸稈還田配施氮肥對(duì)土壤氨排放的影響如何尚少見報(bào)道。因此, 本研究基于合理的秸稈還田配施氮肥能夠?qū)r(nóng)田起到良好的增產(chǎn)減氨效果的假設(shè)之上, 在陜西關(guān)中地區(qū)以麥玉復(fù)種體系為研究對(duì)象, 開展了不同秸稈還田量配施不同施肥量下, 土壤氨排放規(guī)律及作物產(chǎn)量的研究, 旨在探索一個(gè)既能保證產(chǎn)量, 又能盡量減少土壤氨排放的田間管理模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究設(shè)于陜西省關(guān)中地區(qū)楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)(34°17′N, 108°07′E), 該區(qū)域?yàn)榇箨懶耘瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū), 年平均氣溫13.7 ℃, 最熱月月均溫為26.6 ℃, 最冷月月均溫為1.1 ℃, 全年降水量約為550 mm。作物常為一年兩熟制。本試驗(yàn)為長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 試驗(yàn)開始于2011年10月, 土壤為塿土, 2011年測(cè)定0~20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量為13.4 g?kg-1, 堿解氮含量32.7 mg?kg-1, 速效磷含量12.08 mg?kg-1, 速效鉀含量145.65 mg?kg-1。氨排放的測(cè)定周期為2018年6月至2019年6月, 2018年6月夏玉米種植之前0~20 cm土壤基礎(chǔ)指標(biāo)如表1所示。期間試驗(yàn)地氣溫與降雨量變化情況如圖1所示。

表1 2018年6月夏玉米種植之前0~20 cm土壤基礎(chǔ)指標(biāo)

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05). S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization.

圖1 試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)期間氣溫與降雨量變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)對(duì)象是2018—2019年麥玉復(fù)種體系, 夏玉米品種為‘漯單9號(hào)’, 播種采用免耕機(jī)械條播, 播量為42 kg?hm-2, 播幅3行, 行距50 cm, 2018年6月15日種植, 9月28日收獲, 其中大喇叭口期追肥, 施肥方式條施覆土, 追肥時(shí)大水灌溉1次, 灌溉量約120 mm。冬小麥品種為‘西農(nóng)889’, 機(jī)械翻耕后播種, 行距20 cm, 株距5 cm, 2018年10月11日種植, 2019年6月4日收獲, 其中肥料做基肥處理, 施肥方式是均勻撒施。

試驗(yàn)采用雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì)。其中主區(qū)為秸稈還田水平, 設(shè)置秸稈不還田(S0)、秸稈半量還田(S0.5)和秸稈全量還田(S1)3個(gè)梯度; 副區(qū)為施肥水平, 設(shè)不施肥(F0)、減量施肥(F0.8, 為常規(guī)施肥的80%)、常規(guī)施肥(F1)3個(gè)梯度。詳見表2。試驗(yàn)共計(jì)9個(gè)組合, 分別表示為S0F0、S0F0.8、S0F1、S0.5F0、S0.5F0.8、S0.5F1、S1F0、S1F0.8、S1F1, 重復(fù)3次。所有試驗(yàn)小區(qū)面積為68.8 m2(8.6 m′8 m), 小區(qū)之間間隔0.5 m。夏玉米季采用秸稈覆蓋還田方式, 所用秸稈為前茬作物冬小麥秸稈。冬小麥季采用秸稈翻耕入土還田方式。在作物收獲后, 人工移除S0處理小區(qū)內(nèi)所有秸稈, 隔行移除S0.5處理小區(qū)內(nèi)秸稈, 保留S1處理小區(qū)所有秸稈, 用打草機(jī)將小區(qū)內(nèi)秸稈粉碎成3~5 cm碎屑。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 土壤氨排放及環(huán)境因子測(cè)定

表2 試驗(yàn)期間冬小麥和夏玉米的具體施肥情況

尿素氮含量為≥46%, 磷酸二銨氮含量為≥17.4%。Total nitrogen contents of urea and diammonium phosphate are ≥46% and ≥17.4%, respectively.

在夏玉米5個(gè)生育時(shí)期(小喇叭口期、大喇叭口期、開花期、灌漿期、成熟期), 冬小麥的8個(gè)主要生育時(shí)期(播種期、苗期、抽穗期、分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期、成熟期), 分別用土鉆鉆取根層0~40 cm土壤, 每10 cm一層, 采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國(guó)SEAL Auto Analyzer 3)檢測(cè)每層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量, 土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量相加為無機(jī)氮含量。

1.3.2 土壤氨排放通量及累積排放量

田間氨排放通量()的計(jì)算公式為:

(kg·hm-2·d-1)=×10-2/(×) (1)

式中:為通氣法單個(gè)裝置平均每次測(cè)得的氨量(mg),為捕獲裝置的橫截面積(m2),表示每次連續(xù)捕獲的時(shí)間(d)。

氨累積排放量()的計(jì)算公式為:

(kg·hm-2)=∑(氨排放通量×每次連續(xù)收集的時(shí)間) (2)

1.3.3 作物產(chǎn)量測(cè)定

作物收獲時(shí), 不同處理重復(fù)選樣3次, 樣方面積1 m2, 將樣方內(nèi)所有作物風(fēng)干、脫粒, 統(tǒng)計(jì)實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法及軟件

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和計(jì)算, SPSS 17.0進(jìn)行方差分析及相關(guān)性分析, 使用Origin 2016、Canoco 5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田與施肥對(duì)氨排放通量的影響

夏玉米監(jiān)測(cè)期, 不同秸稈還田量配施不同尿素的氨排放變化規(guī)律整體呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì), 氨排放主要發(fā)生在施肥后的13 d內(nèi), 且在施肥后的第3 d出現(xiàn)排放通量的最大值0.06~3.13 kg·hm-2·d-1; 不同處理的最大排放通量表現(xiàn)為S0F1>S0F0.8>S0.5F1>S1F1> S1F0.8>S0.5F0.8>S1F0>S0.5F0>S0F0(圖2a)。3種還田水平下, 隨著施肥量的增加, 平均氨排放通量均明顯增加。但3種施氮條件下, 秸稈還田的平均氨排放量有所不同, 其中F0處理下秸稈還田會(huì)增加平均氨排放通量, 但差異不顯著; F0.8和F1處理下, 秸稈還田能夠明顯降低平均氨排放通量, 但兩種秸稈還田量之間差異不顯著。

冬小麥監(jiān)測(cè)期, 氨排放通量呈“降低—升高—降低—再升高—再降低”趨勢(shì), 施肥后第2 d降低是由于降雨, 增加了土壤含水量, 并且引起氣溫驟降4 ℃, 從而減少了土壤氨排放通量, 第15 d升高, 是因?yàn)樵谑┓屎?4~15 d內(nèi)較之前氣溫升高5~7 ℃, 有利于土壤氨排放(圖2b)。氨排放主要發(fā)生在施肥后15 d內(nèi), 施肥后4~5 d出現(xiàn)氨排放通量的峰值0.06~0.81 kg·hm-2·d-1,表現(xiàn)為S1F1>S0.5F1>S0F1>S0.5F0.8>S1F0.8>S0F0.8> S1F0=S0.5F0>S0F0。通過對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)期平均氨排放通量分析可得: 相同秸稈還田量下, 隨施肥量增加, 平均氨排放通量也增加; 相同施肥水平下, 秸稈還田能增加土壤平均氨排放通量。只有在施肥后第1 d差異顯著, 其他監(jiān)測(cè)時(shí)期差異不顯著。

綜上可知, 施肥量和秸稈還田能顯著影響土壤氨排放通量。隨著施肥量的增加土壤氨排放通量不斷增加; 秸稈還田能顯著減少夏玉米季土壤氨排放通量, 增加冬小麥季土壤氨排放通量。

2.2 秸稈還田與施肥對(duì)氨累積排放量的影響

如表3所示, 夏玉米監(jiān)測(cè)期的氨累積排放量顯著受秸稈還田和施肥量影響。相同秸稈還田量下, 隨施肥量增加, 氨累積排放量顯著增加, 氨損失率也增加; 相同施肥量下, 秸稈還田能顯著減少土壤氨累積排放量和氨損失率, 但半量還田和全量還田間差異不顯著。秸稈還田和施肥及兩者互作對(duì)夏玉米季氨累積排放量有極顯著或顯著影響。

圖2 不同秸稈還田和施肥處理下夏玉米(a)和冬小麥(b)土壤氨排放通量變化

S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization.

表3 不同秸稈還田和施肥處理下夏玉米和冬小麥生長(zhǎng)季氨累積排放量和氨損失率

S: 秸稈還田; F: 施肥; S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。**和*分別表示<0.01水平和<0.05水平影響顯著; ns表示影響不顯著。S: straw returning; F: fertilization; S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization. Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments at< 0.05 level. ** and * mean significant effects at< 0.01 and< 0.05, respectively. “ns” means no significant effect.

冬小麥監(jiān)測(cè)期, 相同還田量下, 常規(guī)施肥顯著增加了土壤氨累積排放量, 使氨損失率有所升高; 相同施肥量下, 秸稈還田增加土壤氨累積排放量和氨損失率, 但與秸稈不還田處理間差異不顯著。施肥對(duì)冬小麥季氨累積排放量有極顯著影響, 但秸稈還田和兩者互作影響不顯著。

整個(gè)麥-玉復(fù)種的氨累積排放量依次為S0F1> S0.5F1>S1F1>S0F0.8>S0.5F0.8>S1F0.8>S1F0>S0.5F0>S0F0, 最大為19.26 kg?hm-2, 最小為1.31 kg?hm-2。不施肥處理下, 秸稈半量還田和全量還田較不還田土壤氨累積排放量分別增加0.41 kg?hm–2和0.44 kg?hm–2。與只施肥相比, 秸稈還田配施氮肥減少氨累積排放量4.34~6.38 kg?hm–2、降低氨損失率1.21%~1.55%。其中S1F0.8和S0.5F0.8處理在整個(gè)復(fù)種體系中減排效果最為顯著, 減排幅度分別38.64%和37.35%。

2.3 秸稈還田與施肥對(duì)土壤無機(jī)氮的影響

各處理夏玉米季土壤耕層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響如圖3A、3B所示。0~30 cm土層內(nèi), 隨土壤深度增加, 各處理的硝態(tài)氮含量均---呈逐漸減少趨勢(shì); 30~ 40 cm土層除S0F1和S0.5F1處理較20~30 cm土層顯著升高外其余均無明顯差異。各處理的銨態(tài)氮含量在0~30 cm土層逐漸減少, 30~40 cm土層除S0F0.8、S0F1處理明顯增加外, 其他處理均沒有顯著變化(圖3B)。

冬小麥季硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量變化如圖3C、3D所示。各處理的變化一致, 均為隨著土層深度增加呈減少趨勢(shì)。施肥量增加能顯著增加土壤0~40 cm土層硝態(tài)氮含量, 除S1F1處理比S0F1處理顯著高2.94 mg?kg–1外, 其他秸稈還田配施氮肥處理比只施肥處理顯著減少9.32~23.04 mg?kg–1。分析圖3D發(fā)現(xiàn): S0.5F0處理比S0F0處理銨態(tài)氮含量顯著高0.44 mg?kg–1; 除S1F0.8處理比S0F0.8處理顯著低4.02 mg?kg–1外, 其他秸稈還田配施氮肥處理比只施肥處理顯著增加2.06~3.40 mg?kg–1。

分析整個(gè)麥玉復(fù)種體系土壤無機(jī)氮含量(表4)發(fā)現(xiàn), 施肥對(duì)0~40 cm土壤無機(jī)氮含量影響顯著, 表現(xiàn)出隨施肥量增加而顯著增加趨勢(shì)。秸稈還田對(duì)土壤無機(jī)氮含量影響與施肥條件有關(guān)。在F0下, 秸稈還田能增加無機(jī)氮含量, 增幅為15.04%~55.10%, 半量還田與全量還田之間無顯著差異。在F0和F1處理下, 除S1F1處理0~20 cm土層有所增加外, 秸稈還田與只施肥相比, 顯著減少無機(jī)氮含量5.56%~ 31.36%(<0.05)。值得注意的是在0~20 cm土層, F0.8處理下, 隨秸稈還田量增加, 無機(jī)氮含量顯著減少, 在其他土層兩種秸稈還田量之間無顯著差異。

圖3 不同秸稈還田和施肥處理下夏玉米(A、B)、冬小麥(C、D)土壤0~40 cm硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量

表4 麥玉復(fù)種體系中不同秸稈還田和施肥處理下不同深度耕層土壤無機(jī)氮平均含量

S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization. Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments at< 0.05 level.

2.4 秸稈還田與施肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響

由圖4可以看出, 秸稈還田和施肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量和冬小麥產(chǎn)量的影響效果相似。不施肥情況下, 夏玉米產(chǎn)量S1、S0.5處理分別比S0處理高464.44 kg×hm-2、662.36 kg×hm-2, 冬小麥產(chǎn)量分別高978.33 kg×hm-2、288.33 kg×hm-2, 但增加效果不顯著。在相同施肥情況下, 秸稈還田能顯著提高夏玉米、冬小麥產(chǎn)量, 夏玉米產(chǎn)量增幅為18.84%~20.21%(F0.8)和6.23%~ 11.01%(F1), 冬小麥產(chǎn)量增幅為28.17%~27.88(F0.8)和27.36%~ 16.60%(F1), 但全量還田和半量還田處理間差異不顯著, 減量施肥和常規(guī)施肥處理間差異也不顯著。

2.5 秸稈還田與施肥對(duì)各指標(biāo)的PCA分析

不同處理影響土壤氨排放通量()、每生產(chǎn)1 t糧食所產(chǎn)生的氨累積排放量(/)、0~40 cm各層無機(jī)氮含量、0~40 cm銨態(tài)氮含量和作物產(chǎn)量()變換的PCA分析如圖5所示(W代表冬小麥, M代表夏玉米)。9個(gè)處理被劃分為3個(gè)組別, 第1組別內(nèi)有S0F1、S0.5F1、S1F1、S0F0.8處理, 第2組別包含S0.5F0.8、S1F0.8處理, 第3組別包含S0F0、S0.5F0和S1F0處理。變異累計(jì)貢獻(xiàn)率為97.94%(其中PC1能夠解釋92.27%的差異; PC2能夠解釋5.67%的差異)。通過PCA分析可以看出, 在整個(gè)麥玉復(fù)種體系中S0.5F0.8、S1F0.8處理下的夏玉米和冬小麥產(chǎn)量為較高水平, 同時(shí)每生產(chǎn)1 t糧食所產(chǎn)生的氨累積排放量處于較低水平, 綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn), 秸稈還田配合減量施肥的田間管理模式既能減少田間氨排放量, 又能保證高產(chǎn), 建議在關(guān)中地區(qū)推廣使用。

圖4 不同秸稈還田和施肥處理下冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量

S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization. Different lowercase letters mean significant differences among different treatments at 0.05 level.

圖5 秸稈還田和施肥處理與各指標(biāo)之間的主成分分析

: 氨排放通量;/: 每生產(chǎn)1 t糧食所產(chǎn)生的氨累積排放量;: 產(chǎn)量; W: 冬小麥; M: 夏玉米; 0-10: 0~10 cm土壤無機(jī)氮含量; 10-20: 10~20 cm土壤無機(jī)氮含量; 20-30: 20~30 cm土壤無機(jī)氮含量; 30-40: 30~40 cm土壤無機(jī)氮含量; S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。: ammonia emission flux;/: accumulated ammonia emissions per ton grain production;: yield; W: winter wheat; M: summer maize; 0-10: inorganic nitrogen content of 0-10 cm soil layer; 10-20: inorganic nitrogen content of 10-20 cm soil layer; 20-30: inorganic nitrogen content of 20-30 cm soil layer; 30-40: inorganic nitrogen content of 30-40 cm soil layer; S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization..

3 討論

土壤無機(jī)氮含量與氨排放密切相關(guān), 土壤銨態(tài)氮含量與土壤氨排放呈顯著正相關(guān)[20,24]。本研究發(fā)現(xiàn), 隨施肥量增加, 提供給土壤微生物和土壤酶更多可轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮的底物, 土壤中銨態(tài)氮總量和轉(zhuǎn)化的速度增大, 土壤的氨排放速率和氨累積排放量也隨之增加, 這與前人[25-27]得出的氨排放結(jié)果規(guī)律一致。但氨累積量低于前人研究結(jié)果, 氨排放的測(cè)量方法、施肥方式和灌水條件可能是引起差異的主要原因[16,28-29]。Ruijter等[30]將作物秸稈和有機(jī)物殘?bào)w與土壤混合處理, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)作物秸稈及有機(jī)殘?bào)w能夠有效增加氨揮發(fā), 原因是秸稈還田后微生物增殖, 種群建立, 釋放出自身生長(zhǎng)不需要的銨態(tài)氮, 在土壤表面很容易以NH3的形式釋放出來, 這與本研究得出的在不施肥條件下, 秸稈還田能顯著增加土壤氨排放的結(jié)論一致。長(zhǎng)期秸稈配施氮肥能夠有效補(bǔ)充土壤中碳源和氮源[31], 增加土壤有機(jī)酸含量, 使土壤pH降低[32], 從而抑制土壤中銨態(tài)氮向NH3轉(zhuǎn)化[33]; 同時(shí)土壤微生物活性增加, 加速土壤無機(jī)氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等)固定轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮, 減少土壤中氨排放底物, 進(jìn)而減少氨排放量[34-35]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn): 相對(duì)于只施肥處理, 秸稈還田能顯著降低麥玉復(fù)種系統(tǒng)土壤的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量, 進(jìn)而降低土壤氨排放, 這與Gill等[36]和楊弘[24]的研究結(jié)果相似, 其中S0.5F0.8和S1F0.8處理減排效果最佳。但對(duì)于冬小麥季秸稈還田能增加土壤銨態(tài)氮含量和氨排放, 徐聰[23]的研究也得到了相似結(jié)果, 可能由于西北干旱地區(qū)冬季低溫干燥, 有機(jī)物質(zhì)阻礙了銨態(tài)氮進(jìn)入黏土礦物固定位置, 減少了銨的晶穴固定, 從而增加了土壤銨態(tài)氮含量, 進(jìn)而促進(jìn)氨的轉(zhuǎn)化[37]。綜合分析可以得出, 長(zhǎng)期秸稈還田配施氮肥有助于土壤氮素積累, 減少氮素?fù)p失。

秸稈還田能夠優(yōu)化農(nóng)田土壤理化性狀和土壤結(jié)構(gòu), 維持和增加土壤微生物活性和數(shù)量[38-39], 補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)含量[40], 從而為作物籽粒發(fā)育提供充足的碳源[41], 達(dá)到增產(chǎn)目的。施氮對(duì)作物增產(chǎn)有顯著效果, 但過量施氮不僅不會(huì)使作物產(chǎn)量增加, 反而會(huì)帶來減產(chǎn)及土壤氮素殘留過高等風(fēng)險(xiǎn)[42], 因此, 秸稈還田與氮肥合理配施是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的有效途徑。楊憲龍等[43]在關(guān)中地區(qū)連續(xù)4年的定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 小麥?zhǔn)┑?50~191 kg(N)?hm-2、玉米施氮180 kg(N)?hm-2作物即可獲得高產(chǎn), 施氮過高或過低都有減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于只施肥處理, 秸稈還田配施氮肥使小麥季平均產(chǎn)量增幅達(dá)到25.43%, 玉米平均產(chǎn)量增幅達(dá)4.4%, 且增產(chǎn)效果隨種植年限的推移而加強(qiáng)。本研究得出S0.5F0.8和S1F0.8處理增產(chǎn)效果最佳, 但增幅高于以往研究[44-45], 作物品種、秸稈還田方式、種植年限和耕作措施等不同可能是造成差異的重要原因。綜合分析可知, 秸稈還田配施合理氮肥能有效增加作物產(chǎn)量, 減少資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

麥玉復(fù)種體系中, 不施肥情況下, 秸稈還田能增加土壤無機(jī)氮含量和氨排放; 隨著施肥量增加, 土壤耕層無機(jī)氮和氨排放顯著增加; 與只施肥相比, 秸稈還田配施氮肥顯著減少麥玉復(fù)種體系土壤無機(jī)氮含量、氨排放和氨損失率。秸稈還田配施氮肥顯著提高作物產(chǎn)量, 但半量還田和全量還田之間、減量施氮和常規(guī)施氮之間均無顯著性差異。在本試驗(yàn)中, 麥玉復(fù)種系統(tǒng)半量或全量秸稈還田配合減量施肥是減排增產(chǎn)的最優(yōu)組合, 建議在陜西關(guān)中地區(qū)推廣使用。

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Effect of straw returning on ammonia emissions from soil in a wheat-maize multiple cropping system in the Guanzhong region, China*

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(College of Agronomy, Northwest A & F University / the Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province, Yangling 712100, China)

Wheat-maize multiple cropping system; Ammonia emission; Yield; Nitrogen fertilizer reduction; Straw returning

S318

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* 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31971859)和陜西省科技統(tǒng)籌計(jì)劃項(xiàng)目(2016KTCL02-11)資助

楊改河, 從事資源生態(tài)、循環(huán)農(nóng)業(yè)與區(qū)域發(fā)展方面的研究。E-mail: ygh@nwsuaf.edu.cn

呂宏菲, 從事農(nóng)田生態(tài)與高效耕作栽培制度方面的研究。E-mail: kanalhf2019@163.com

2019-08-25

2019-12-19

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31971859) and the Overall Science and Technology Program of Shaanxi Province, China (2016KTCL02-11).

, E-mail: ygh@nwsuaf.edu.cn

Dec. 19, 2019

Aug. 25, 2019;