水、肥及秸稈協(xié)同管理對小麥-玉米輪作體系土壤氨揮發(fā)及作物產(chǎn)量的影響

孟謠，王維華，龐茹月，鄒曉霞

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266109）

肥料在全球范圍內(nèi)的普及促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展［1，2］，然而，過量施肥對土壤和水體環(huán)境造成極大破壞［3，4］，且氮肥損失率高。據(jù)報道我國氮肥損失率約為14% ～52%［5-7］，氨揮發(fā)是氮肥施入土壤后的主要損失途徑之一［8，9］。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球每年施入農(nóng)田的氮肥，大約有40%通過氨揮發(fā)途徑進入大氣中［10，11］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的人為氨排放是主要的排放源，占全球人為氨排放總量的90%［12］，而氮肥施用量過多等原因?qū)е碌姆N植業(yè)氨排放量占農(nóng)業(yè)源氨排放量的54%［13］，是農(nóng)業(yè)氨排放的主要來源。因此，探索有效的田間管理方式，對降低農(nóng)田氨揮發(fā)，降低土壤氮素損失率、提高氮肥利用效率至關(guān)重要。

田間管理方式對農(nóng)田土壤氨揮發(fā)有重要影響。其中，氮肥施用方式及施用量是影響氨揮發(fā)的重要因素［14］。有研究表明，表施氮肥的氨揮發(fā)損失量最大，損失率高達45% ～73%［15］，而水肥一體化施用或減/適量施肥均能夠有效降低土壤氨揮發(fā)［16，17］。灌溉同樣會對氨揮發(fā)產(chǎn)生影響，在灌水前施肥可適當(dāng)降低肥料氨揮發(fā)損失［18］，但當(dāng)土壤含水量較低時灌溉會促進氨揮發(fā)［19］。秸稈還田是近年來普遍重視的培肥地力的增產(chǎn)措施，研究表明秸稈還田方式對土壤氨揮發(fā)也有影響，如稻稈還田配施化肥可顯著減少氨揮發(fā)［20，21］，秸稈碳化還田比直接還田可以減少氨揮發(fā)20%以上［22］。

合理的水、肥及秸稈管理能有效降低土壤氨揮發(fā)，減少環(huán)境負影響，但當(dāng)前研究主要集中于單一水、肥或秸稈管理對土壤氨揮發(fā)的影響［23］，對其協(xié)同管理的研究報道較少。因此，本試驗設(shè)置不同水、肥、秸稈協(xié)同管理方案，研究其對小麥-玉米輪作體系土壤氨揮發(fā)及作物產(chǎn)量的影響，以探尋有效協(xié)同管理方式，為實現(xiàn)小麥-玉米綠色生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗于2019年6月至2020年7月在山東省萊陽市團旺鎮(zhèn)（東經(jīng)120.38°，北緯36.46°）土地上進行。該區(qū)域地處膠東半島中部，屬于溫帶季風(fēng)氣候，年平均降水量800 mm左右，年平均氣溫11.2℃，年平均無霜期173天。

供試土壤類型為棕壤，試驗前0～20 cm土層土壤基本理化性狀：pH值5.80、有機質(zhì)含量9.24 mg/kg、堿解氮104.76 mg/kg、速效磷37.13 mg/kg、速效鉀227.94 mg/kg。試驗期間，主要氣象條件詳見圖1。

供試玉米品種為鄭單958，小麥品種為煙農(nóng)24。供試肥料分別為金正大牌氮磷鉀復(fù)合肥（15-15-15）及尿素（N 46%）；氮磷鉀增效復(fù)混肥（22-8-10），由山東糧源生物科技有限公司生產(chǎn)；穩(wěn)定尿素（N 45%），由河北冀衡賽瑞化工有限公司生產(chǎn)［23］；液體尿素（N 30%），主要成分為改性尿素硝酸銨溶液［24］。供試秸稈碳為小麥、玉米秸稈在缺氧、亞高溫條件下熱解形成的富碳產(chǎn)物，碳含量60%以上。供試秸稈腐熟解劑由廣州市微元生物科技有限公司生產(chǎn)，主要成分為粗纖維降解菌劑（有效活菌數(shù)≥200×108cfu/g）。

圖1 試驗區(qū)氣象條件

1.2 試驗設(shè)計及方法

試驗以農(nóng)民常規(guī)管理方式為對照，設(shè)計6種水、肥及秸稈協(xié)同管理方案。其中，CK：漫灌+常規(guī)氮磷鉀復(fù)合肥+秸稈還田；OWF1：滴灌+氮磷鉀增效復(fù)混肥（一次性基施）+秸稈還田；OWF2：水肥一體追肥+氮磷鉀增效復(fù)混肥+秸稈還田；OWF1+SC：滴灌+氮磷鉀增效復(fù)混肥（一次性基施）+秸稈碳；OWF2+SC：水肥一體追肥+氮磷鉀增效復(fù)混肥+秸稈碳；OWF1+SD：滴灌+氮磷鉀增效復(fù)混肥（一次性基施）+秸稈還田+秸稈腐解劑；OWF2+SD：水肥一體追肥+氮磷鉀增效復(fù)混肥+秸稈還田+秸稈腐解劑。小區(qū)長20 m，寬5 m。隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)。秸稈還田量為10 000 kg/hm2，秸稈碳用量為2 250 kg/hm2，秸稈腐解劑（水溶后均勻噴施于秸稈表面）用量為15 kg/hm2。追肥分別于小麥返青期和玉米大喇叭口期實施，其中水肥一體化處理追施液體尿素，CK追施尿素（N 46%）。各處理磷、鉀肥純養(yǎng)分用量一致，均為90 kg/hm2，而穩(wěn)定尿素（N 45%）均為基施，用以補充氮肥用量。氮肥施用量詳見表1。

表1 各處理氮肥（折純氮）施用量 （kg/hm2）

1.3 氨揮發(fā)測定

采用密閉室連續(xù)抽氣法（圖2）進行土壤氨揮發(fā)的監(jiān)測及收集［25-28］。其原理是通過空氣流通將土壤揮發(fā)出來的氨氣進行置換，使氨氣被1%硼酸溶液吸收，將吸收液做好標記，密封，帶回實驗室后用標準鹽酸（0.01 mol/L）進行測定。具體方法：在試驗區(qū)預(yù)埋直徑為20 cm、高為10 cm的有機玻璃罩，形成密閉室，其中一側(cè)用橡皮管與高度為3 m的通氣管連接（所有通氣管口均在小麥、玉米冠層之上，保證通入密室的氣體一致，其NH3濃度為大氣中的NH3濃度），另一側(cè)與真空泵連接進行空氣置換。

從基肥和追肥施后的第一天開始測定氨揮發(fā)，連續(xù)監(jiān)測15 d，時間為每天上午9—10時，連續(xù)抽氣1 h，期間若因天氣影響無法監(jiān)測則暫停，待條件允許后繼續(xù)開展測定。

圖2 氨揮發(fā)測定裝置

氨氣揮發(fā)通量計算方法：

F=C×V/（S×t）×24×10000/1000000。

式中：F為氨揮發(fā)通量［kg/（d·hm2）］；C為標準鹽酸濃度（mg/L）；V為滴定體積（L）；S為密閉室內(nèi)部面積（m2）；t為測定時間（h）。

氨氣揮發(fā)總量計算方法：

NA=Σ（F×t）。

式中：NA為NH3揮發(fā)總量（kg/hm2）；t為時間（d）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和IBM SPSSStatistics 24軟件進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 水、肥及秸稈協(xié)同管理對玉米季土壤氨揮發(fā)的影響

2.1.1 玉米基肥期土壤氨揮發(fā)動態(tài) 玉米施基肥后，各處理的土壤氨揮發(fā)通量在測定時期內(nèi)呈略下降趨勢。除OWF2+SC外，其他處理均在施基肥后第1 d達到峰值，其中CK峰值最高，為2.01 kg/（d·hm2），OWF1+SD處理最低，為1.39 kg/（d·hm2），較CK 降低30.85%。施肥 后5～8 d因降水影響，氨揮發(fā)通量出現(xiàn)波動峰，隨后逐漸降低并趨于平穩(wěn)（圖3）。

圖3 玉米基肥期土壤氨揮發(fā)通量

2.1.2 玉米追肥期土壤氨揮發(fā)動態(tài) 玉米追肥后，各處理土壤氨揮發(fā)通量如圖4所示。由于臺風(fēng)天氣原因，追肥后并未立即監(jiān)測，于追肥后第5 d開始測定，因此不能確定前4 d是否出現(xiàn)氨揮發(fā)峰值。施肥后第10 d和12 d，由于降水影響出現(xiàn)兩個氨揮峰值，第12 d監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，CK氨揮發(fā)通量最高，為7.95 kg/（d·hm2），OWF1+SD處理峰值最低，為1.64 kg/（d·hm2），較CK降低79.37%，其他處理較CK降低2.30%～70.19%。

圖4 玉米追肥期土壤氨揮發(fā)通量

2.2 水、肥及秸稈協(xié)同管理對小麥季土壤氨揮發(fā)的影響

2.2.1 小麥基肥期土壤氨揮發(fā)動態(tài) 由圖5看出，小麥施基肥后各處理土壤氨揮發(fā)整體變化趨勢基本一致，均在施肥后2～4 d內(nèi)出現(xiàn)峰值，其中OWF1處理峰值最高，為0.63 kg/（d·hm2），OWF2處理峰值最低，為0.53 kg/（d·hm2），較OWF1處理降低15.87%。各處理的氨揮發(fā)通量達到峰值后隨施肥后時間推移逐漸下降并趨于平穩(wěn)。

圖5 小麥基肥期土壤氨揮發(fā)通量

2.2.2 小麥追肥期土壤氨揮發(fā)動態(tài) 小麥返青期追肥后，各處理土壤氨揮發(fā)變化如圖6所示。不同處理土壤氨揮發(fā)通量變化趨勢基本一致，除OWF2+SD處理外，其他處理土壤氨揮發(fā)通量均在追肥后第1 d達到峰值，其中，OWF2+SC處理氨揮發(fā)通量最高，為0.34 kg/（d·hm2），其他處理相較OWF2+SC處理降低6.67% ～39.38%。追肥后7～8 d，由于降水影響，土壤氨揮發(fā)通量出現(xiàn)次峰值，其中，OWF2+SD處理峰值最高，為0.27 kg/（d·hm2），其他處理相較OWF2+SD處理降低9.20%～36.80%。

圖6 小麥追肥期土壤氨揮發(fā)通量

2.3 水、肥及秸稈協(xié)同管理對土壤累積氨揮發(fā)的影響

由表2看出，玉米季，CK累積氨揮發(fā)量最高，為42.82 kg/（d·hm2），OWF1、OWF2、OWF1+SD處理均顯著降低，分別較CK降低18.08% ～24.45%，且呈追肥高于基肥的趨勢。小麥季，各處理間累積氨揮發(fā)量無明顯差異，但呈基肥處理高于追肥的趨勢。就周年累積氨揮發(fā)量而言，CK最高，除OWF2+SC、OWF2+SD處理外，其他處理均顯著低于CK，降幅為14.96%～22.03%。

表2 周年土壤累積氨揮發(fā)量 （kg/hm2）

2.4 水、肥及秸稈協(xié)同管理對作物產(chǎn)量的影響

與CK相比，各協(xié)同管理措施玉米及小麥產(chǎn)量均有不同程度的增加（表3）。玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為CK＜OWF2+SC＜OWF2＜OWF1+SC＜OWF1+SD＜OWF1＜OWF2+SD，小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為CK＜OWF2＜OWF1+SC＜OWF1+SD＜OWF2+SC＜OWF1＜OWF2+SD。OWF1、OWF2+SD處理的小麥和玉米產(chǎn)量與CK相比增幅較大，分別為19.82%、26.13%和20.91%、24.25%。OWF2、OWF1+SC、OWF2+SC處理在小麥季的增產(chǎn)幅度要高于玉米季，但是OWF2、OWF1+SC處理下小麥和玉米季作物增產(chǎn)幅度相似。

表3 各處理小麥及玉米產(chǎn)量

3 討論

3.1 田間管理方式對土壤氨揮發(fā)的影響

施肥方式及肥料種類對農(nóng)田土壤氨揮發(fā)有重要影響。肖強等［23］研究表明在同等施氮量條件下，與普通尿素相比，施用控釋尿素與抑制劑涂覆尿素在夏玉米、冬小麥季均顯著降低累積氨揮發(fā)量；萬偉帆等［29］研究表明，優(yōu)化施氮模式較農(nóng)民傳統(tǒng)施肥模式可顯著降低氨揮發(fā)量，而在水肥一體化的滴灌條件下，對氨揮發(fā)無顯著影響；但也有研究表明，施用尿素硝酸銨溶液產(chǎn)生的氨揮發(fā)量顯著高于普通尿素，而在尿素硝酸銨溶液中加入脲酶抑制劑則能夠顯著降低氨揮發(fā)量［24］，這與本研究結(jié)果一致。

降雨及灌溉同樣對氨揮發(fā)有重要影響。較大的降雨量及灌溉量能夠促進氮肥向土壤深處淋溶，從而減少氨揮發(fā)；而小的降雨量及灌溉量有助于尿素水解成NH+4，進而促進氨揮發(fā)［30，31］。降雨及灌溉與施肥的前后時間同樣會對氨揮發(fā)過程產(chǎn)生影響，若降雨或灌溉在施肥前，則會促進氨揮發(fā)，因為濕潤的土壤有利于尿素水解；若降雨或灌溉在施肥后，則會減少氨揮發(fā)，因為降雨或灌溉有助于將氮肥下滲到土壤深層，使NH+4被土壤膠體吸附便于作物吸收［32］。但也有研究表明，施肥后灌溉并不能減少氨排放：如李鑫等［33］研究發(fā)現(xiàn)，撒施氮肥后灌水促進了氨揮發(fā)；馬曉燕等［34］也發(fā)現(xiàn)，每次灌溉都會引起氨排放通量顯著增加。本研究中OWF2+SC、OWF2+SD處理的累積氨揮發(fā)量顯著高于OWF1+SC、OWF1+SD處理。這可能是由于液體肥料是肥水一起施用，使土壤水相中NH+4濃度增大，從而增加氨揮發(fā)損失［35］。降雨及灌溉對土壤氨揮發(fā)的影響還可能與肥料種類及施用方式等有關(guān)，其相互影響機制還有待于進一步研究探討。

秸稈利用方式對土壤氨揮發(fā)也有顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn)：水肥一體化施肥方式下，秸稈直接還田能有效減少氨揮發(fā)損失量，而添加秸稈碳與秸稈腐解劑在一定程度上促進了氨揮發(fā)。這可能是由于添加秸稈腐解劑相比直接秸稈還田加快了秸稈腐解速度，使土壤碳含量增加，而外源碳能夠改變土壤氮動態(tài)［36］。Dalenberg等［37］研究表明，土壤中添加外源碳，對土壤氮產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)，土壤內(nèi)源氮釋放增加，氨揮發(fā)量增加。許云翔等［38］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈碳添加增加氨排放，與本研究結(jié)果一致。

環(huán)境因子也會對土壤氨揮發(fā)產(chǎn)生影響［39］。研究表明，小麥和玉米施肥后的氨揮發(fā)通量與溫度之間都具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系［40，41］。本研究中小麥季的土壤氨揮發(fā)累積量要低于玉米季，主要是由于小麥季兩次施肥時間分別在11月上旬與次年3月下旬，土壤溫度維持在10～15℃左右，而玉米季兩次施肥時間分別在6月下旬與8月上旬，土壤溫度維持在20～30℃之間，土壤溫度升高，土壤中的脲酶活性也隨之提高，加快尿素分解，土壤銨離子向氨的轉(zhuǎn)化過程加快，促進氨從土壤表面釋放到大氣［42］；另外，溫度升高會加速肥料中溶于土壤水的過程［43］，土壤液相中與NH3濃度增加，氨揮發(fā)速率也會升高。董文旭等［44］在研究小麥、玉米不同施肥時期氨揮發(fā)情況時也發(fā)現(xiàn)，玉米追肥期的氨揮發(fā)通量要顯著高于小麥基肥與追肥時的氨揮發(fā)通量，與本研究結(jié)果一致。

3.2 水、肥及秸稈協(xié)同管理對作物產(chǎn)量的影響

近年來，關(guān)于水、肥及秸稈管理措施對作物產(chǎn)量的影響多有研究。陳立冬等［45］在研究秸稈還田條件下水肥耦合對水稻產(chǎn)量的影響時發(fā)現(xiàn)，肥料施用量與灌水量對水稻產(chǎn)量影響較大，中等施氮量和秸稈還田量，配合充分的水分供應(yīng)，可以獲得較高產(chǎn)量；張婉晴［46］研究發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下秸稈覆蓋和施肥對產(chǎn)量的增產(chǎn)效果影響顯著，秸稈覆蓋較無覆蓋夏玉米平均增產(chǎn)12.83%；王明英［47］通過研究陜西渭北地區(qū)不同水肥優(yōu)化管理模式對冬小麥產(chǎn)量的影響表明，優(yōu)化水肥管理較農(nóng)民常規(guī)管理措施顯著提高小麥產(chǎn)量。本研究表明，在減肥節(jié)水條件下，各處理產(chǎn)量較CK均有不同程度的增加，對小麥產(chǎn)量的影響效果較玉米顯著，其中OWF2+SD處理對小麥、玉米產(chǎn)量的影響最為顯著。可見，探索不同形式的水、肥及秸稈協(xié)同管理對節(jié)約水肥資源、提高作物產(chǎn)量有積極效果，可作為綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展方向。

4 結(jié)論

在氮肥減量15%條件下，OWF1、OWF2、OWF1+SC、OWF1+SD處理小麥-玉米周年累積氨揮發(fā)量顯著低于CK，降幅為14.96%～22.03%；各處理小麥、玉米產(chǎn)量較CK均增加，且除OWF2+SC外差異均達顯著水平。綜上所述，OWF1、OWF2、OWF1+SC、OWF1+SD處理可作為棕壤區(qū)小麥-玉米輪作種植體系水、肥、秸稈協(xié)同增效管理措施，為實現(xiàn)小麥-玉米綠色生產(chǎn)提供科學(xué)參考。