有機種植對濱海稻田氨揮發(fā)特征及水稻產量的影響

郭柯凡 王豐 婁文月 朱元宏 沙之敏 曹林奎 蔣敏

摘要：為了探討有機種植對濱海稻田氨揮發(fā)損失及水稻產量的影響，設置不施肥對照（CK）、常規(guī)種植（CT）、有機種植（CO）3個處理，采用密閉室間歇抽氣法，開展有機種植方式下濱海稻田氨揮發(fā)特征的研究。結果表明，有機種植的濱海稻田氨揮發(fā)總量為34.72kg/hm2，較常規(guī)種植顯著降低55.94%（P<0.05）。田面水NH+4-N濃度與稻田氨揮發(fā)通量呈極顯著正相關（P<0.01），有機種植可有效降低田面水NH+4-N濃度，從而直接減少了氨揮發(fā)的產生。有機種植的水稻產量下降4.33%，但與常規(guī)種植相比，未達顯著水平。因此，有機種植在保持水稻基本穩(wěn)產的情況下，有效降低了濱海稻田由于氨揮發(fā)造成的氮素損失。

關鍵詞：水稻；濱海鹽土；有機種植；氨揮發(fā)；產量

中圖分類號：S181；S511.06文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）10-0243-07

濱海鹽堿土是我國鹽堿土的一個重要組成部分，主要分布在沿海地區(qū)，面積約為130萬hm2［1］，并隨著河流入?？诘脑鲩L而不斷增加［2］。濱海鹽堿土作為我國重要的后備土地資源，用于種植水稻不但能有效緩解糧食壓力，還能通過淋溶與水稻自身生物作用而降低土壤的鹽堿程度［3-4］。而土壤鹽堿含量高及土壤有機質、肥力低，不但會降低水稻產量［5］，還會極大促進氨揮發(fā)的產生。

氨（NH3）作為大氣中的主要堿性氣體，與空氣中的SO2、NOx等反應形成的次級產物，占PM2.5總量的25%～60%［6-7］，嚴重影響空氣質量；還能通過干濕沉降引起水體富營養(yǎng)化、土壤酸化等環(huán)境問題［8-9］。有研究表明，中國氨揮發(fā)量達14Tg/年［10］。農業(yè)源氨排放占總排放量的80%～90%［11-12］，其中29.41%～47.40%是由化肥不合理施用導致的［13］。氨揮發(fā)在水稻種植期間也大量發(fā)生，施入稻田的氮肥有13.2%～47.0%是通過氨揮發(fā)途徑損失的［14］。有機肥替代化肥，不但減少了化肥用量，還能有效降低稻田氨揮發(fā)的產生［15］。李喜喜等研究表明，使用豬糞或菜籽餅替代30%～50%的化肥可降低10%～18%的氨揮發(fā)量［16］。有機種植模式使氨揮發(fā)下降幅度更大。單施菜籽餅時，氨揮發(fā)下降40%［17］；單施糞肥時，氨揮發(fā)可減少至0.7％～1.0％，基本不產生氨揮發(fā)［18］。但糞肥或菜籽餅存在養(yǎng)分含量不足、存儲運輸困難等負面效應［19］，難以大規(guī)模使用。有機肥養(yǎng)分較高，兼顧生態(tài)與高效，是菜籽餅肥與糞肥的良好替代之一。

本研究分析糞肥配施商品有機肥的有機種植模式對稻田氨揮發(fā)及水稻產量的影響，旨在為促進水稻綠色生產提供科學依據和理論基礎。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2021年在上海市崇明區(qū)濱海水稻生態(tài)農場（121.81°E，31.59°N）展開。該地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫15.2℃，年平均降水量1056mm，年平均日照時長1960.7h，無霜期約247d（圖1）。試驗區(qū)土壤為典型濱海鹽土，保肥能力較差。試驗前土壤基礎理化性質：全氮、全磷、速效鉀、有機質含量分別為0.91、0.79、0.11、14.21g/kg，pH值8.15。

1.2試驗材料

供試水稻品種為中晚熟常規(guī)優(yōu)質稻品種南粳46，肥料為復合肥（含N、P2O5、K2O均為15%）、尿素（含N46%）、干羊糞、商品有機肥（上海勝維有機肥有限公司）。有機肥主要養(yǎng)分含量見表1。

1.3試驗設計及田間管理

試驗設置3個處理，分別為空白對照（CK）、常規(guī)種植（CT）、有機種植（CO），施肥量均以純氮計（375kg/hm2），每個處理重復3次。各小區(qū)面積60m2（8m×7.5m）。CO處理以干羊糞為基肥，商品有機肥為追肥，基追比為4∶6，施肥時間分別為5月28日、6月15日、7月16日、8月7日；CT處理按常規(guī)種植模式，以復合肥為基肥，尿素為追肥，基追比為3∶7，施肥時間分別為5月28日、6月15日、7月5日、7月16日、8月7日。具體氮肥施用量見表2。各小區(qū)單獨設置進水口與排水口，小區(qū)間田埂采用防滲膜包裹隔離，防止串肥。水稻于6月5日移栽，移栽行株距為20cm×12cm，每穴4苗，11月8日收獲水稻。

1.4樣品采集與測定

1.4.1NH3的采樣與測定

每次施肥后連續(xù)9d進行取樣，此后每隔2周取樣1次。通過密閉室間歇抽氣法［20］，于每天07：00—09：00、15：00—17：00進行收集。采樣裝置主要由抽氣泵、洗氣瓶、密封罩、換氣桿、乳膠管等組成，密閉罩為直徑20cm、高30cm的圓柱形有機玻璃罩，底部開口，頂部安置2個氣口：一個為25mm進氣口，與2.5m進氣管相連；另一個為采氣口，與洗氣瓶相連。采樣時，將密閉罩置于小區(qū)中心，抽氣泵使氣體流經洗氣瓶，氨氣被吸收液（100mL0.005mol/LH2SO4）吸收，設定換氣頻率為15～20次/min。取樣結束后移開密封罩，避免內外環(huán)境影響。取樣完成后，采用靛酚藍分光光度法測定氨含量，以4h的平均通量值計算全天的氨揮發(fā)通量。

1.4.2田面水收集及測定

水稻田面水采集與氨揮發(fā)采集時間一致，小區(qū)內采用五點取樣法，將各點水樣混合均勻，過濾后帶回實驗室分析。pH值采用pH計（雷磁，PHSJ-3F）測定，NH+4-N濃度采用納氏試劑分光光度法測定，NO-3-N濃度采用紫外分光光度法測定。

1.4.3水稻產量測定

在水稻收獲期，采集1.0m×1.0m樣方內的水稻樣品用于測定籽粒產量（Y，t/hm2）。

1.5計算公式及數據分析

氨揮發(fā)通量計算公式為：

F=c×v×10-3×10-6×6π×r2×10-4。

式中：F為氨揮發(fā)日通量，kg/（hm2·d）；C為吸收液NH+4-N濃度，mg/L；V為稀硫酸吸收液體積，mL；10-3為體積轉換系數；10-6為質量轉換系數；6為時間轉換系數；r為密閉室半徑，m；10-4為面積轉換系數。

氨揮發(fā)損失率=（施氮處理氨揮發(fā)總量-空白處理氨揮發(fā)總量）/施氮量×100%；

氮肥農學利用率=（施氮處理水稻產量-空白處理水稻產量）/施氮量×100%；

單位產量下的氨揮發(fā)累積排放量=籽粒產量/氨揮發(fā)累積量。

運用Origin2018進行數據處理及制圖。采用SPSS25進行單因素方差分析。

2結果與分析

2.1有機種植對稻田氨揮發(fā)特征的影響

2.1.1有機種植對稻田氨揮發(fā)通量的影響

不同處理下，濱海稻田氨揮發(fā)的季節(jié)性變化如圖2所示。氮肥施用使氨揮發(fā)通量明顯上升。除基肥期外，CT、CO處理施氮后，NH3揮發(fā)日通量在1～3d內達到峰值后，在施肥6～9d內降低至與CK處理相似水平。CT處理的NH3揮發(fā)日通量最高峰值發(fā)生在第2次追肥期，為6.83kg/（hm2·d），CO處理的NH3揮發(fā)日通量最高峰值發(fā)生在第4次追肥期，為3.83kg/（hm2·d）。CO處理在基肥期的氨揮發(fā)日通量無明顯變化，這可能是由于CO處理以堆肥后的羊糞為基肥，含氮量低，養(yǎng)分釋放緩慢［20］，并且羊糞中含有的有機質對NH+4-N有吸附作用［21］，減少了NH3的揮發(fā)。除穗肥期外，CT處理施肥后氨揮發(fā)日通量高于CO、CK處理；在穗肥期CO處理的氨揮發(fā)日通量高于CT處理。這可能與施氮量相關，穗肥期CO處理的施氮量為98.70kg/hm2，CT處理為23.30kg/hm2，CO處理的較大施氮量使氨揮發(fā)日通量高于CT處理。

2.1.2有機種植不同時期氨揮發(fā)累積量與氮損失率

由表3可知，不同處理下濱海稻田氨揮發(fā)累積排放總量為12.97～78.80kg/hm2，呈CT>CO>CK的趨勢，處理間差異顯著（P<0.05）。與CT處理相比，CO處理的氨揮發(fā)累積排放量顯著降低了55.94%。在基肥和1、2、3次追肥期，CT處理的氨揮發(fā)累積量均顯著高于其他處理，分別為16.93、17.35、22.98、16.12kg/hm2，CO處理的氨揮發(fā)累積量僅在第1次追肥期顯著高于CK處理，為5.03kg/hm2；在第4次追肥期，CO處理的NH3積累排放量最高，為11.39kg/hm2，CT與CO處理間差異顯著（P<0.05）。CT處理的氨揮發(fā)主要發(fā)生在前4次施肥期，氨揮發(fā)量占總量的93.12%，而CO處理的氨揮發(fā)主要發(fā)生在第3、4次追肥期，氨揮發(fā)量占總量的66.91%。

由表4可知，CT處理氮損失率顯著高于CO處理。CT處理的氮損失率為13.84%～26.98%，第1、2次追肥期氮損失率較高，分別為26.98%、22.51%；CO處理的氮損失率為1.01%～10.00%，追肥期氮損失率明顯高于基肥期。

2.2有機種植的水稻田面水NH+4-N濃度、NO-3-N濃度及pH值變化

施肥后各處理的水稻田面水NH+4-N濃度變化趨勢與氨揮發(fā)日通量變化趨勢相似（圖3-a），CT處理的田面水NH+4-N濃度在施肥后均有明顯上升，并在1～3d內達到最高峰后迅速下降，在6～9d下降至與CK處理相似的水平，濃度范圍在0.53～124.58mg/L之間；CO處理的田面水NH+4-N濃度除基肥期無明顯變化外，追肥后變化趨勢與CT處理類似，濃度范圍在0.87～72.87mg/L之間，與CT處理相比有顯著降低。

施肥后田面水NO-3-N濃度變化幅度較小，且一直處于較低水平，變化范圍在0.05～1.24mg/L之間（圖3-b）。在追肥期，CO處理的田面水NO-3-N濃度變化較為平緩，并顯著低于CT處理（P<0.05），表明商品有機肥對可能對稻田生態(tài)系統(tǒng)的氮素轉化過程具有一定的影響。

各處理的水稻田面水pH值變化范圍為7.44～8.06，各處理變化趨勢較為類似，不施肥處理略高于施肥處理（圖3-c）。CT處理田面水pH值變化幅度最大；CO處理的田面水pH值在基肥期以及第1、4次追肥期略高于CT處理，而第2、3次追肥期略低于CT處理，總體而言兩者沒有差別，均值均為7.79。

2.3有機種植的水稻田面水NH+4-N濃度、NO-3-N濃度、pH值與氨揮發(fā)通量的相關性分析

將氨揮發(fā)日通量與施肥后田面水NH+4-N濃度、NO-3-N濃度、pH值進行Pearson相關分析后發(fā)現（圖4），CT處理的氨揮發(fā)日通量與田面水NH+4-N濃度呈極顯著正相關（P<0.01），與田面水NO-3-N濃度呈顯著負相關（P<0.05），與田面水pH值呈顯著正相關（P<0.05）。CO處理的氨揮發(fā)日通量與田面水NH+4-N濃度呈極顯著正相關（P<0.01），與田面水NO-3-N濃度呈顯著正相關（P<0.05），與田面水pH值呈顯著負相關（P<0.05）?？梢娞锩嫠甆H+4-N濃度是影響稻田氨揮發(fā)的最重要因素，田面水NO-3-N濃度與pH值也會影響稻田氨揮發(fā)，影響效果與肥料類型有關。

2.4有機種植對水稻產量的影響

CT、CO處理的水稻產量分別為8.07、7.72t/hm2，有機種植雖使水稻產量降低4.33%，但無顯著差異（表5）。分別計算各處理的水稻單位產量的氨揮發(fā)累積排放量，CO處理的平均單位產量氨揮發(fā)累積排放量較CT處理降低53.95%，差異顯著（P<0.05），這與各處理間稻田氨揮發(fā)季累積量的結果一致。與CT處理相比，CO處理雖然在單位面積有效穗數、每穗粒數略有降低，但結實率、千粒質量略有提高，因此兩者間產量并無顯著差異。

3討論

本研究中，CO與CT處理相比，稻田氨揮發(fā)累積損失量降低了44.08kg/hm2，降幅達55.94%?？梢?，有機種植能顯著降低濱海稻田氨揮發(fā)，這與已有研究結果一致。邢月等研究發(fā)現有機種植使上海稻田氨揮發(fā)降低了28.7kg/hm2［22］。張奇等研究表明，有機種植使川中紫色土丘陵區(qū)稻田氨揮發(fā)降低了77.52%［23］。吳凡等研究表明，有機種植使洱海流域稻田氨揮發(fā)降低了71.89%［24］。氨揮發(fā)影響因素眾多，這些因素都是通過影響田面水NH+4-N濃度來影響氨揮發(fā)的產生［25-27］。與化肥相比，施用有機肥后田面水NH+4-N濃度變化幅度較低，減少氨揮發(fā)的產生［21］。首先，與化肥施入后被脲酶迅速水解為NH+4-N不同［28］，有機肥的礦化較為緩慢［20］，養(yǎng)分釋放較慢，使田面水NH+4-N濃度維持在較低水平；其次，有機肥能增加土壤有機質含量和陽離子交換量（CEC）［28-29］，使土壤對NH+4-N的固存能力提高［21］。此外，有機質分解過程產生的有機酸與腐殖質降低了土壤pH值，也間接降低氨揮發(fā)的產生［13］。本研究中，有機種植CO處理主要降低了施肥后田面水NH+4-N濃度以及pH值，從而降低氨揮發(fā)。有機肥對氨揮發(fā)的降低需要等氮替代的前提條件［25］。本試驗中，穗肥期CO處理施用有機肥的含氮量遠高于CT處理，氨揮發(fā)也高于CT處理。

本研究中，CT處理的稻田氨揮發(fā)主要發(fā)生在基肥以及前3次追肥期，這主要與施氮量以及溫度有關［30-31］。常規(guī)種植前期施氮量大，溫度高，此時水稻植株較小，對氮素的吸收能力較弱［27］，因此氨揮發(fā)量大。有機種植CO處理的氨揮發(fā)主要發(fā)生在追肥期，產生的氨揮發(fā)量占總量的91.88%。這可能與不同有機肥的有機質礦化速率存在差異有關［32］。研究表明，有機肥中有機氮礦化為可被作物吸收的無機氮的過程，需要微生物的主導，并與有機肥的碳、氮含量密切相關［33］。有機肥較小的C/N比更易增加土壤微生物活性與加強礦化作用［34］。周博等研究表明，氮含量是影響有機肥礦化的主要因子，有機氮的礦化量與全氮含量呈線性關系［35］。本研究中追肥使用的商品有機肥全氮含量是羊糞的4.08倍，C/N比較低，有機氮礦化速率及礦化量增加，因此氨揮發(fā)速率及損失率也隨之增加。

本研究中，CO處理的水稻產量降低4.33%，與大多數研究結果一致。邢月等研究表明，全量有機肥替代化肥的水稻產量降低了5.55%［22］。分析各處理產量構成因素后發(fā)現，CO處理的單位面積有效穗數、每穗粒數低于CT處理，而千粒質量及結實率高于CT處理。這可能是由于本研究基肥為羊糞，羊糞釋放養(yǎng)分速率較慢，而分蘗期的商品有機肥追施量較少，無法給水稻及時提供充足的養(yǎng)分，從而導致水稻分蘗及每穗粒數減少；而在穗肥期追施足量商品有機肥后，充足且持續(xù)的氮素供應提高了結實率并增加了千粒質量，增加的結實率與千粒質量無法完全彌補有效穗及每穗粒數的減少對產量造成的影響，所以產量還是略有下降。

4結論

本研究表明，與常規(guī)種植相比，有機種植使濱海稻田氨揮發(fā)累積量下降55.94%，氨揮發(fā)率下降65.41%。水稻田面水NH+4-N濃度是影響氨揮發(fā)的最主要因素。與常規(guī)種植相比，有機種植使水稻單位面積有效穗、每穗粒數略微下降，結實率、千粒質量略微增加，產量總體減少4.33%。有機種植是有效減少濱海稻田氨揮發(fā)損失及保證水稻穩(wěn)產的種植模式，但此模式減排穩(wěn)產的持續(xù)性以及對土壤質量的影響還需在未來的研究中進一步探索。

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