王鑫宇,蔡煥杰,王曉云,趙政鑫,王 銳
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院,陜西 楊凌 712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100)
夏玉米是陜西關(guān)中地區(qū)的主要糧食作物之一,常年播種面積達60萬hm2以上,占全省玉米種植面積的60%以上[1]。氮肥對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用,其糧食增產(chǎn)貢獻率可達30%~50%[2]。但有研究表明,農(nóng)民盲目追求高產(chǎn),氮肥過量投入的現(xiàn)象十分嚴重[3],這不僅增大了農(nóng)業(yè)投入成本,還引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。過量的氮素會下滲至土層深處或以NH3及氮氧化物等氣體形式進入大氣,造成氮肥資源浪費和生態(tài)環(huán)境惡化等問題[4]。有研究表明,NH3結(jié)合二氧化硫和氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成的PM2.5顆粒,然后結(jié)合其他污染物進而形成霧霾[5]。氧化亞氮(N2O)雖然不是氮肥損失的主要途徑,但氮肥過量施用會造成N2O排放量增加并對環(huán)境產(chǎn)生不利影響[6],如產(chǎn)生溫室效應(yīng)和破壞臭氧層等[7-8]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈副產(chǎn)品是一種重要的有機質(zhì)資源[9]。但在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈利用率較低,這樣不僅會造成生物質(zhì)資源的浪費,不恰當?shù)慕斩捥幚矸绞竭€會對土壤、大氣和水體造成嚴重的影響[10]。
基于當前秸稈資源利用率低和氮肥施用不合理的情況,在秸稈還田的基礎(chǔ)上施用氮肥已成為近年來的研究熱點。秸稈還田可以提高土壤有機質(zhì)含量,降低土壤容重,增加土壤孔隙度,提高土壤保水能力[11-12]。有研究表明,單獨秸稈還田難以滿足作物養(yǎng)分需求,增產(chǎn)效果不明顯[13],秸稈還田配施氮肥能夠更有效地提高作物產(chǎn)量[14]。穩(wěn)定性氮肥是指在肥料的生產(chǎn)過程中,添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑,或者同時添加兩種抑制劑的肥料[15]。研究表明,穩(wěn)定性肥料不但能夠減少溫室氣體排放,減少氮損失,而且還能促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收,提高經(jīng)濟效益[16]。目前,對于秸稈還田對農(nóng)田土壤NH3揮發(fā)的研究較少且結(jié)論具有不確定性。有研究表明,秸稈還田配施氮肥與單施氮肥相比,可以減少農(nóng)田氨揮發(fā)損失[17-19]。但也有研究認為,秸稈還田措施下的農(nóng)田土壤氨排放量高于秸稈不還田[20-21]。有關(guān)秸稈還田對農(nóng)田N2O排放影響的研究結(jié)果也具有差異性,秸稈覆蓋還田可顯著增加N2O排放,而秸稈翻埋入土壤后可降低N2O排放[22-24]。所以有關(guān)秸稈還田對于農(nóng)田土壤N2O和NH3排放的影響還需進一步研究。
目前,關(guān)中地區(qū)有關(guān)秸稈還田和施氮措施的研究多集中在玉米產(chǎn)量形成、田間土壤理化性質(zhì)和經(jīng)濟效益等方面,而綜合考慮秸稈還田和施氮措施對氮素損失、氮素利用和玉米產(chǎn)量影響的研究較少。因此,本研究以陜西關(guān)中地區(qū)夏玉米作為研究對象,綜合分析秸稈還田和施氮措施對夏玉米產(chǎn)量、氮肥利用、土壤硝態(tài)氮分布以及農(nóng)田土壤N2O和NH3排放的影響,旨在為夏玉米穩(wěn)產(chǎn)節(jié)肥減排高效栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。
試驗于2019年6—10月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室(34°20′N,108°24′E)進行。該地屬于半干旱半濕潤氣候,年平均氣溫12.9℃,多年平均降水量約為550 mm,試驗期間當?shù)貧鉁嘏c降水情況見圖1。試驗站地區(qū)的土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)黏壤土,0~100 cm土層的平均田間持水量為25%,凋萎系數(shù)為8.5%,0~20 cm土層有機質(zhì)11.17 g·kg-1,全氮0.95 g·kg-1,速效磷13.67 mg·kg-1,速效鉀183.20 mg·kg-1,硝態(tài)氮23.10 mg·kg-1,pH值為7.82。
試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,試驗因素為施氮措施和秸稈還田模式。施氮措施設(shè)置3個水平,分別為穩(wěn)定性氮肥施氮量F1(180 kg·hm-2)、尿素減量施氮量F2(180 kg·hm-2)和尿素農(nóng)戶傳統(tǒng)施氮量F3(270 kg·hm-2);秸稈還田模式設(shè)置2個水平,分別為秸稈不還田(N)和秸稈還田(S)。其中穩(wěn)定性氮肥(緩釋肥)在播前以基肥形式一次性施入,常規(guī)尿素在播前以基肥形式(2019年6月15日)施入總施氮量的60%,以追肥形式(2019年7月29日)施入總施氮量的40%。施肥方式是均勻撒播后進行人工翻耕。試驗共6個處理,每個處理重復(fù)6次,共36個小區(qū),小區(qū)面積為12 m2,各小區(qū)隨機排列。
夏玉米采用小麥秸稈粉碎覆蓋還田,秸稈還田量為全量還田,秸稈碳氮比為72。供試玉米品種為‘吉祥一號’,于2019年6月15日播種,10月2日收獲。其他管理同一般高產(chǎn)大田。
1.3.1 玉米產(chǎn)量及植株氮素測定 在玉米收獲期各處理小區(qū)隨機選取10株玉米,自然風(fēng)干、脫粒后統(tǒng)計產(chǎn)重及其構(gòu)成因素,并折算成單位面積產(chǎn)量。植株樣本烘干稱重后進行粉碎,過0.5 mm篩,用濃H2SO4-H2O2消煮,用AA3流動分析儀(Seal, Germany)測定植株全氮含量。
1.3.2 氧化亞氮的測定 土壤N2O氣體氣樣采集從2019年6月17日開始,至2019年9月30日結(jié)束。用靜態(tài)暗箱法采集氣體,暗箱箱體是由不透光的聚氯乙烯材料制成的邊長為45 cm×45 cm×45 cm的中空正方體。在夏玉米播種時將50 cm×50 cm×50 cm的靜態(tài)箱底座埋于小區(qū)中央,底座入土深度為20 cm,直至夏玉米收獲。靜態(tài)箱底座不罩作物,每次取樣前去除底座內(nèi)的雜草。采集樣品時將靜態(tài)箱放在底座凹槽內(nèi)并且用水進行密封,以便提高觀測的準確性。在靜態(tài)箱箱體頂部安裝有電子溫度計,用于測量取氣過程中靜態(tài)箱箱體內(nèi)的溫度。夏玉米生育期內(nèi)每隔一周左右采集1次,施肥、降水或灌溉后取樣頻率加密,取氣樣時在靜態(tài)箱內(nèi)分別取0、10、20、30 min的4次氣樣。氣體采集后立即帶回實驗室使用氣相色譜儀(Agilent Technologies 7890A GC System, America)測出N2O氣體濃度,并且根據(jù)濃度計算出氣體排放通量。排放通量公式為:
(1)
式中,F(xiàn)為氣體排放通量(μg·m-2·h-1);ρ是標準狀態(tài)下氣體密度(g·cm-3·h-1);h為采樣箱高度(0.45 m);dC/dT為箱內(nèi)氣體濃度變化率(μg·m-3·h-1);T為采樣時箱內(nèi)溫度(℃)。
氧化亞氮排放量計算公式為:
M=∑(FN+1+FN)×0.5
×(tN+1+tN)×24×10-2
(2)
式中,M為全生育期內(nèi)氣體累積排放量(kg·hm-2);F為氣體排放速率(mg·m-2·h-1);N為采樣次數(shù);t為采樣時間即距初次采樣的天數(shù)。
氧化亞氮排放率計算公式為:
氧化亞氮排放率(%)=氧化亞氮排放量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)
1.3.3 土壤氨揮發(fā)的測定 土壤氨揮發(fā)測定采用通氣法[25],收集裝置由PVC硬質(zhì)塑料管制成,內(nèi)徑15 cm,高10 cm。分別將兩塊厚度均為2 cm、直徑為16 cm的海綿均勻浸以15 mL 磷酸甘油溶液(50 mL 磷酸+40 mL 丙三醇,定容至1 000 mL)置于收集裝置中,下層海綿距管底5 cm,上層海綿與管頂部相平,并將裝置插入土中2 cm深處。遇到陰雨天氣,配備遮雨裝置,測定仍可照常進行。
氨揮發(fā)的捕獲從夏玉米追肥后當天開始,每個小區(qū)分別隨機放置3個氨揮發(fā)收集裝置,將海綿放置在收集裝置中24 h后回收海綿。在取樣時首先將下層海綿裝入提前準備好的塑封袋內(nèi),密封,同時換上新的收集海綿進行新一輪的揮發(fā)氨吸收。上層海綿根據(jù)干濕度在3~5 d內(nèi)進行更換。在施肥后的一周內(nèi)每天取樣,2~3周每3天取樣一次,往后可間隔至7~10 d,一直到吸收的揮發(fā)氨維持在很低的水平,停止取樣。
取樣結(jié)束后,把收集的海綿立即裝入體積為500 mL裝有300 mL 1 mol·L-1的氯化鉀溶液的塑料瓶內(nèi),進行振蕩浸提,浸提液過濾后用AA3流動分析儀(Seal, Germany)測定溶液中銨態(tài)氮含量。
氨揮發(fā)速率的計算公式為:
(3)
氨揮發(fā)累積量的計算公式為:
(4)
式中,VNH3為氨揮發(fā)速率(kg·hm-2·d-1),C為氨揮發(fā)累積量(kg·hm-2),M為單個裝置平均每次收集的氨量(NH3-N,mg),A為收集裝置的橫截面積(0.0177 m2),T為持續(xù)捕獲氨氣的時間(d)。
氨揮發(fā)損失率的計算公式為:
氨揮發(fā)損失率(%)=氨揮發(fā)累積量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2)
1.3.4 土壤硝態(tài)氮含量測定 在玉米收獲期,用土鉆采集0~100 cm土層土樣,每10 cm為一層,晾干研磨后,稱取5 g土樣,加入50 mL 2 mol·L-1氯化鉀溶液,振蕩30 min 后過濾,用AA3流動分析儀(Seal, Germany)測定浸提液中硝態(tài)氮含量。土壤硝態(tài)氮含量的計算公式為:
土壤硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)=浸提液硝態(tài)氮濃度(mg·L-1)×浸提液體積(mL)/土樣質(zhì)量(g)
1.3.5 作物氮素利用計算公式
氮素吸收效率(kg·kg-1)=植株氮素累積量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2);
氮素利用效率(kg·kg-1)=籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/植株氮素累積量(kg·hm-2);
氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1)=籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/施氮量(kg·hm-2);
氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素吸收量(kg·hm-2)/植株氮素吸收量(kg·hm-2)。
采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理和誤差計算,使用SPSS 22.0對各指標進行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較,多重比較采用最小顯著性差異法(LSD)在P<0.05的顯著性水平上進行比較,使用Origin 2018作圖。
2.1.1 N2O排放通量變化 在夏玉米生長期,施用穩(wěn)定性氮肥處理SF1和NF1的N2O排放通量動態(tài)變化趨勢一致(圖2a),表現(xiàn)為:在播種施肥后出現(xiàn)排放峰值(219.02 μg·m-2·h-1和342.12 μg·m-2·h-1),之后急速下降,在施肥后的15 d至收獲期土壤N2O排放通量一直穩(wěn)定波動在較低排放水平。施用尿素SF3、SF2、NF3和NF2處理的土壤N2O排放通量也具有相同的變化趨勢,即在施基肥和追肥后出現(xiàn)排放高峰(施基肥:735.45、369.85、816.84 μg·m-2·h-1和567.82 μg·m-2·h-1;追肥后:435.39、279.76、546.81 μg·m-2·h-1和420.75 μg·m-2·h-1),而在其他生長時期,土壤N2O排放通量與施用穩(wěn)定性氮肥處理基本保持在同一水平。
在不同秸稈還田模式(N和S)下,各施氮措施的土壤N2O排放峰值還有以下特點:施用穩(wěn)定性氮肥措施(F1)的N2O排放峰值顯著小于同時期的施用常規(guī)尿素措施(F2和F3)的排放峰值;且尿素施氮措施的排放峰值隨氮肥施用量的增加而增大(F3>F2)。
2.1.2 氨揮發(fā)速率變化 在夏玉米拔節(jié)期追肥后氨揮發(fā)監(jiān)測期間,不同秸稈還田模式和施氮措施的土壤氨揮發(fā)損失動態(tài)變化有一定差異(圖2b)。在秸稈不還田(N)和秸稈還田(S)模式下,F(xiàn)1穩(wěn)定性氮肥措施的氨揮發(fā)速率隨時間推移無顯著變化,基本維持在較低水平(0.01~0.19 kg·hm-2·d-1);F2和F3尿素施氮措施的氨揮發(fā)速率變化趨勢基本一致,即在施肥后氨揮發(fā)速率迅速升高,且在施肥后的一周內(nèi)保持較高水平,之后逐漸進入低揮發(fā)的階段,到追肥7 d以后,各施氮措施的氨揮發(fā)速率無顯著差異,整體上呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。在兩種還田模式下,F(xiàn)2和F3施氮措施的土壤氨揮發(fā)速率均在施肥后的第2天達到峰值4.10~5.20 kg·hm-2·d-1,到第7天氨揮發(fā)速率均降到0.14 kg·hm-2·d-1以下。各追肥處理的最大氨揮發(fā)速率表現(xiàn)NF3>SF3>NF2>SF2>NF1、SF1。在不同秸稈還田模式(N和S)下,常規(guī)尿素施氮措施的氨揮發(fā)速率峰值隨施氮量的增加而增大。
2.1.3 N2O排放量和氨揮發(fā)累積量 在秸稈不還田(N)和秸稈還田(S)模式下,不同施氮措施均表現(xiàn)為:F3尿素農(nóng)戶施氮措施的土壤N2O排放量最高(2.70 kg·hm-2和2.46 kg·hm-2),F(xiàn)2尿素減量措施的土壤N2O排放量次之(1.91 kg·hm-2和1.53 kg·hm-2),F(xiàn)1穩(wěn)定性氮肥措施的土壤N2O排放量最低(0.85 kg·hm-2和0.78 kg·hm-2),不同施氮措施之間差異達到顯著水平(P<0.05)。在相同施氮水平下,秸稈還田(S)對比秸稈不還田(N),除了SF2和NF2處理的N2O排放量有顯著性差異,其他處理間均無顯著性差異(P>0.05)。秸稈還田模式和施氮均對土壤N2O排放量有極顯著影響(P<0.01),而秸稈和施氮對N2O排放量無顯著的交互效果(P>0.05)(表1)。
夏玉米農(nóng)田土壤氨揮發(fā)累積量如表1所示,在不同秸稈還田模式(N和S)下,不同施氮措施均表現(xiàn)為:F3尿素農(nóng)戶施氮措施的氨揮發(fā)累積量最高(14.37 kg·hm-2和15.40 kg·hm-2),F(xiàn)2尿素減量措施的氨揮發(fā)累積量次之(11.80 kg·hm-2和12.49 kg·hm-2),F(xiàn)1穩(wěn)定性氮肥措施的氨揮發(fā)累積量最低(1.61 kg·hm-2和1.79 kg·hm-2),不同施氮措施之間差異達到顯著水平(P<0.05)。在相同施氮水平下,秸稈還田(S)模式的氨揮發(fā)累積量均高于秸稈不還田(N),但除了SF3和NF3的氨揮發(fā)累積量有顯著性差異,其他處理間均無顯著性差異。由方差分析可知,秸稈還田模式和施氮均對夏玉米追肥后監(jiān)測期的氨揮發(fā)累積量產(chǎn)生極顯著的影響(P<0.01),但兩者交互作用產(chǎn)生的影響不顯著(P>0.05)。
表1 不同處理N2O排放量和氨揮發(fā)累積量
在夏玉米收獲期,無秸稈還田+常規(guī)尿素農(nóng)戶施氮量處理(NF3)的0~100 cm土層硝態(tài)氮含量為28.62~49.90 mg·kg-1,顯著高于其他處理,在土壤深層表現(xiàn)尤為明顯;秸稈還田+穩(wěn)定性氮肥處理(SF1)、秸稈還田+尿素減量處理(SF2)和無秸稈還田+穩(wěn)定性氮肥處理(NF1)0~100 cm土層硝態(tài)氮含量均維持在較低的水平(3.42~14.47、5.16~15.02 mg·kg-1和7.35~13.72 mg·kg-1);而秸稈還田+尿素農(nóng)戶施氮量處理(SF3)和無秸稈還田+尿素減量處理(NF2)不同土層深度的硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出0~70 cm土層含量較低,而70~100 cm土層含量迅速增加的趨勢。在相同施氮水平下,秸稈還田模式(SF1、SF2和SF3)的土壤硝態(tài)氮含量顯著低于秸稈不還田模式(NF1、NF2和NF3),分別顯著降低了65.65%、144.79%和128.48%(圖3)。
不同秸稈還田模式和施氮措施對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有不同程度的影響(表2)。在相同施氮水平下,秸稈還田(S)模式下的產(chǎn)量均高于秸稈不還田(N),產(chǎn)量增幅為4.96%~8.94%,但差異不顯著(P>0.05)。在不同秸稈還田模式(N和S)下,均是F1穩(wěn)定性氮肥措施的玉米產(chǎn)量最大,分別為9 171.56 kg·hm-2和9 626.71 kg·hm-2,比其他施氮措施高3.70%~5.32%和1.23%~1.48%,但差異并不顯著(P>0.05)。在相同秸稈還田模式下,各施氮措施的玉米產(chǎn)量和百粒重均無顯著性差異,說明對比傳統(tǒng)尿素施肥量,一定程度上減量施用速效氮肥和施用穩(wěn)定性氮肥均不會造成玉米減產(chǎn)。
表2 秸稈還田模式和施氮對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響
秸稈還田模式對玉米產(chǎn)量和穗粒數(shù)有極顯著的影響,對玉米百粒重?zé)o顯著性影響。施氮對玉米產(chǎn)量、百粒重以及穗粒數(shù)均無顯著性影響;二者交互作用對玉米產(chǎn)量、百粒重以及穗粒數(shù)均無顯著性影響。
如表3所示,各處理的玉米氮素累積量和氮素利用效率分別在173.44~203.96 kg·hm-2和43.88~55.59 kg·kg-1范圍內(nèi),各處理間均未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。尿素農(nóng)戶施氮處理NF3和SF3的氮素吸收效率分別為0.64 kg·kg-1和0.65 kg·kg-1,均顯著低于其他處理(P<0.05),而施用穩(wěn)定性氮肥處理(NF1和SF1)和尿素減量處理(NF2和SF2)的氮素吸收效率之間無顯著性差異(P>0.05)。在秸稈不還田(N)模式下,以尿素農(nóng)戶施氮處理NF3的氮肥偏生產(chǎn)力最低(32.25 kg·kg-1),NF1和NF2處理分別比其顯著增加了57.98%和52.37%(P<0.05),二者間無顯著性差異。與之類似,在秸稈還田(S)模式下,仍以SF3處理的氮肥偏生產(chǎn)力最低,為35.14 kg·kg-1,SF1和SF2處理分別比其顯著增加了52.19%和50.34%(P<0.05)。不同處理的氮收獲指數(shù)之間均無顯著性差異(P>0.05)。
表3 秸稈還田模式與施氮對玉米氮素吸收利用的影響
有研究表明,施入適宜的氮肥量可以顯著提高玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素[43-45]。本研究表明,在秸稈還田(S)和秸稈不還田(N)模式下,不同施氮措施的玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為F1>F2>F3,但處理之間無顯著性差異,說明與農(nóng)戶傳統(tǒng)尿素施氮量相比,一定程度上減量施速效氮肥和施用穩(wěn)定性氮肥均不會造成玉米減產(chǎn)。同一施氮水平下,玉米的產(chǎn)量均表現(xiàn)為秸稈還田(S)>秸稈不還田(N),這與于舒函等[46]研究結(jié)果一致。這是因為秸稈還田措施能夠優(yōu)化農(nóng)田土壤理化性狀和耕層結(jié)構(gòu),增加土壤蓄水能力[47],提高土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性[48-49],進而增加產(chǎn)量。但秸稈還田模式下的玉米產(chǎn)量和無秸稈還田之間差異不顯著,本試驗只進行了一年,秸稈還田對產(chǎn)量的長期影響還需進一步研究。
氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥利用率及氮肥收獲指數(shù)是表征作物氮肥吸收利用的重要指標。秸稈還田合理配施氮肥能促進作物對氮素的吸收利用,提高氮肥利用率[50]。研究表明,秸稈還田模式下,作物氮吸收量、氮肥利用率、氮肥吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力均高于無秸稈還田模式[51-53]。氮收獲指數(shù)、氮肥吸收利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率以及氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量增加而顯著降低[54-55]。本研究中,在相同施氮水平下,秸稈還田模式下的夏玉米氮素利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力略高于無秸稈還田,但玉米氮素累積量、氮素吸收效率以及氮收獲指數(shù)各處理間無顯著性差異,這可能是由于秸稈還田需長期施用才能有明顯的后效,所以秸稈還田對玉米氮素吸收利用的影響還需進一步研究。
1)與農(nóng)戶施氮量相比,適當減量施氮和施用穩(wěn)定性氮肥均不會降低夏玉米產(chǎn)量,且秸稈還田對增產(chǎn)具有促進作用;
2)在不同秸稈還田條件下,施用穩(wěn)定性氮肥和減量施用速效肥均可減少土壤氨揮發(fā)和氧化亞氮排放,且施用穩(wěn)定性氮肥的減排效果更好;
3)秸稈還田能降低0~100 cm土層土壤硝態(tài)氮含量;與農(nóng)戶傳統(tǒng)尿素施氮量相比,施用穩(wěn)定性氮肥和減量施用速效肥均可顯著減少土壤硝態(tài)氮含量。
因此,從綜合角度考慮,秸稈還田+穩(wěn)定性氮肥處理(SF1)是本研究地區(qū)夏玉米穩(wěn)產(chǎn)減排的最優(yōu)試驗處理組合。