氮肥減施對節(jié)水灌溉稻田NH3與N2O排放及氮肥利用的影響

李鐵成 張忠學 張作合 杜思澄 韓 羽 薛 里

(1.東北農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院, 哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室, 哈爾濱 150030;3.綏化學院農(nóng)業(yè)與水利工程學院, 綏化 152061)

0 引言

在過去的50年,氮肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活性氮的主要來源,其被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),以應對人口不斷增長帶來的糧食需求。尿素由于增產(chǎn)效果明顯且容易獲取而成為應用最廣泛的一種無機氮肥[1]。然而,過量施用尿素不能顯著提高作物產(chǎn)量甚至會導致減產(chǎn),而且盈余的氮素會以氣態(tài)形式排放到大氣中,對環(huán)境造成嚴重污染。N2O排放和NH3揮發(fā)是尿素氣態(tài)損失的兩種重要途徑[2]。N2O作為三大溫室氣體之一,其年增溫潛勢是CO2的298倍,不僅會加劇全球氣候變暖,而且會消耗平流層臭氧,導致臭氧層被破壞。NH3是大氣中最豐富的堿性氣體,一是能與SO2和NxO反應生成PM2.5,再結合其他污染物最終形成霧霾,二是會通過大氣沉降的方式再次進入陸地生態(tài)系統(tǒng),會增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) N2O,導致水生生態(tài)系統(tǒng)酸化和富營養(yǎng)化[3-4]。我國作為一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國,稻田氣態(tài)氮損失(N2O排放和NH3揮發(fā))已成為不可忽視的環(huán)境問題,其所造成的氮素損失也導致氮肥利用率降低。因此,亟需通過調(diào)整農(nóng)田管理措施來提高氮肥利用率并減少環(huán)境污染,這是我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的現(xiàn)實要求。

近年來,為了緩解農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾,節(jié)水灌溉已大規(guī)模推廣應用。之前大量研究證實節(jié)水灌溉能夠滿足水稻基本需水要求,并且能夠促進水稻根系生長,在減少灌溉量的同時提高了氮肥吸收利用率[5]。但節(jié)水灌溉對氣態(tài)氮排放的促進或抑制作用仍不明確。節(jié)水灌溉主要通過改變土壤含水率條件,從而對氣態(tài)氮排放產(chǎn)生影響。INUBUSHI等[6]研究表明,高土壤含水率限制了氧氣在土壤中的擴散,反硝化速率增強促進N2O排放,即增加了氣態(tài)氮排放。BHAGAT等[7]研究卻認為,高土壤含水率能夠抑制土壤氨揮發(fā),從而減少氣態(tài)氮排放。XU等[8]研究也表明,控制灌溉雖然增加了N2O排放,卻能有效減少土壤氨揮發(fā),故減少了氣體氮排放。與此同時,不合理且過量的氮肥施用是致使氣態(tài)氮損失增加的另一主要因素。KIM等[9]研究發(fā)現(xiàn),當?shù)视昧康陀谧魑飳Φ市枨罅繒r,N2O排放由于缺少底物,故排放通量較低且處于穩(wěn)定狀態(tài);然而,當施氮用量遠高于作物需求量時,過量的氮素為土壤微生物提供了充足的底物,致使N2O排放通量快速增加。同時,SMITH等[10]研究表明,土壤NH3揮發(fā)損失速率和損失量隨著氮肥施用量的增加而增大。因此,探究節(jié)水灌溉模式下減施氮肥能否有效減少稻田氣態(tài)氮損失,對于環(huán)境保護具有重要意義。

因此,本文通過一年的大田試驗,測定整個水稻生長季的N2O排放通量和NH3揮發(fā)速率,計算氮肥氣態(tài)損失量和損失率,并基于15N示蹤技術估算水稻對氮肥的吸收利用量及水稻收獲后氮肥在土壤中的殘留量,為實現(xiàn)黑土稻田水肥資源高效利用及增產(chǎn)減排提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2021年在黑龍江省水稻灌溉試驗站進行,該站(46°57′28″N,127°40′45″E)位于慶安縣和平鎮(zhèn),是典型的寒地黑土分布區(qū)。該地多年平均水面蒸發(fā)量為750 mm,作物水熱生長期為156～171 d,全年無霜期128 d。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風氣候。供試土壤為黑土型水稻土,種植水稻20 a以上,土壤耕層厚度11.3 cm,犁底層厚度10.5 cm,土壤容重1.10 g/cm3,孔隙度61.8%。移栽與施肥前土壤基本理化性質(zhì)為:pH值6.40,耕層土壤(0～20 cm)基礎肥力為:有機質(zhì)質(zhì)量比41.4 g/kg、全氮質(zhì)量比17.16 g/kg、全磷質(zhì)量比15.25 g/kg、全鉀質(zhì)量比20.22 g/kg、堿解氮質(zhì)量比154.36 g/kg、有效磷質(zhì)量比25.33 g/kg和速效鉀質(zhì)量比157.25 g/kg。

1.2 試驗設計

1.2.1小區(qū)試驗

采用灌溉模式和施氮量兩因素全面試驗。灌溉模式設置兩種,分別為常規(guī)淹灌(F)和控制灌溉(C)。不同灌溉模式的水分管理標準如表1所示。施氮量設置3個水平,分別為N(110 kg/hm2,常規(guī)施氮水平)、N1(99 kg/hm2,減氮10%)、N2(88 kg/hm2,減氮20%)。并在兩種灌溉模式下分別設置不施氮肥處理(CK1和CK2)作為對照組,共8個處理,每個處理3次重復,共計24個小區(qū)。小區(qū)采用隨機區(qū)組布置,每個小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)。為防止各小區(qū)之間的水肥交換,四周設置水泥埂作為隔斷,埋深至地表以下40 cm。供試水稻品種為當?shù)赝茝V種植品種“龍慶稻8”,種植株距為16.67 cm,行距為25 cm,種植密度約為24穴/m2,每穴種植3株。供試的化肥分別為尿素(N含量為46.4%)、過磷酸鈣(P2O5含量為12%)、硫酸鉀(K2O 含量為50%)。各處理磷肥和鉀肥的用量一致,分別為 P2O545 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2,氮肥按照基肥、蘗肥、穗肥比例為4.5∶2∶3.5分施,磷肥作為基肥一次性施入,鉀肥在基肥與水稻8.5葉齡分兩次施用,施用比例為1∶1。其他田間管理措施與當?shù)馗弋a(chǎn)田保持一致。

表1 不同灌溉模式的水分管理標準Tab.1 Water management standards for different irrigation modes

1.2.2微區(qū)試驗

為明確水稻對基肥、蘗肥和穗肥3期肥料的吸收利用及殘留情況,在每個小區(qū)內(nèi)設置1個微區(qū),即每個處理下設置3個分處理,分處理1(M1)為僅基肥施用15N-尿素,蘗肥和穗肥施用未標記的普通尿素;分處理2(M2)為僅蘗肥施用15N-尿素,基肥和穗肥施用未標記的普通尿素;分處理3(M3)為僅穗肥施用15N-尿素,基肥和蘗肥施用未標記的普通尿素。微區(qū)為 1 m×1 m×0.5 m無底鋼板矩形框,微區(qū)埋深為 30 cm,設置單獨排灌系統(tǒng)。供試標記肥料為上海化工研究院生產(chǎn)的豐度為10.22%的15N-尿素。每個微區(qū)內(nèi)水稻種植品種、種植密度、肥料用量、灌溉模式及田間管理措施與所在的試驗小區(qū)保持一致。

1.3 測定項目與方法

NH3揮發(fā)速率使用通氣法進行測量。通風室由PVC管(內(nèi)徑15 cm,高20 cm)和2塊圓形海綿(直徑16 cm,厚度2 cm)制成,海綿中浸泡有15 mL磷酸鹽/甘油溶液(50 mL分析磷酸鹽和40 mL的甘油用純水稀釋至1 000 mL)。通風室布置在每個小區(qū)中,埋深為5 cm。2塊海綿分別插入PVC管中,其中上層的海綿與管頂部相平,下層海綿與上層海綿間隔1 cm。下雨時,PVC管的頂部蓋上防雨罩。在施用氮肥7 d后每天取樣,然后每隔1～3 d再取樣 7 d,最后每隔7 d取樣1次。將下層海綿浸入500 mL塑料瓶中,加300 mL 1.0 mol/L KCl溶液,并在恒溫空氣振蕩器中振蕩,然后用紫外-可見分光光度計(UV-1780型,島津公司,日本)分析提取的溶液。NH3揮發(fā)速率(FNH3,kg/(hm2·d))計算公式為[11]

(1)

式中M——通氣法單個裝置平均每次測得的氨量,mg

A——捕獲裝置的橫截面積,m2

D——每次連續(xù)捕獲的時間,d

N2O排放通量使用靜態(tài)室-氣相色譜法進行測定,測量頻率為7 d一次,遇強降雨則推遲測量,測量時間固定在09:00—11:00。靜態(tài)室由靜態(tài)箱和不銹鋼底座組成。在移栽前,將不銹鋼底座布置在每個小區(qū)中,埋深為30 cm。靜態(tài)箱由透明有機玻璃板制成,每個靜態(tài)箱都安裝一個空氣溫度計和電子風扇,采樣過程中需將靜態(tài)箱安置在不銹鋼底座上,采樣過程外需將靜態(tài)箱從底座上移走。在采樣過程的0、10、20、30 min,分別使用50 mL E-Switch氣袋通過橡膠管收集4個氣體樣品,用于測量每次N2O排放通量。N2O排放通量(FN2O,μg/(m2·h))計算公式為[12]

(2)

式中ρ——標準狀態(tài)下N2O密度,kg/m3

h——靜態(tài)箱在土壤或地表水上方的有效高度,m

dc/dt——室內(nèi)N2O氣體濃度的增加速率,mL/(m3·h)

t——取樣時靜態(tài)箱內(nèi)的平均空氣溫度,℃

NH3累積揮發(fā)量(MNH3,kg/hm2)和N2O累積排放量(MN2O,kg/hm2)計算公式為[13]

(3)

(4)

式中ENH3i——第i次和第i-1次采樣的平均NH3揮發(fā)速率,kg/(hm2·d)

EN2Oi——第i次和第i-1次采樣的平均N2O排放通量,μg/(m2·h)

Di——第i次和第i-1次采樣的時間間隔,d

n——采樣次數(shù)

氮肥氣態(tài)損失率(GNLR,%)計算公式為[14]

(5)

其中

Gfertilizer=MNH3-N+MN2O-N

(6)

GCK=MNH3-N+MN2O-N

(7)

式中Gfertilizer——施氮處理氣態(tài)氮損失量,kg/hm2

GCK——不施氮肥處理氣態(tài)氮損失量,kg/hm2

FN(total)——施氮量,kg/hm2

MNH3-N——NH3揮發(fā)氮損失量,kg/hm2

MN2O-N——N2O排放氮損失量,kg/hm2

于水稻成熟期在每個小區(qū)和微區(qū)中分別隨機選擇5株具有代表性的水稻植株。使用鐮刀采集水稻植株樣品,并進一步將其分為穗、莖和葉。使用壓力水槍清洗穗、莖和葉,并將其置于干燥箱中105℃殺青30 min,然后在70℃下干燥至恒定質(zhì)量并稱量。將稱量后的樣品使用粉碎機粉碎過100目篩后混勻裝入自封袋備用。同時,用100 mL環(huán)刀采集未擾動土壤樣品,分別在0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm 層采集土壤樣本。將未擾動的土壤樣品置于干燥箱中,在70℃下干燥至恒定質(zhì)量,并稱量以獲得土壤容重。然后剔除土壤樣本中的石頭和植物殘體,將土壤樣品風干至恒定質(zhì)量,并研磨過100目篩裝入自封袋備用。于東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水資源高效利用重點實驗室使用元素分析儀(Flash 2000 HT型,美國賽默飛世爾科學公司)和同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage,美國賽默飛世爾科技公司)測量植物樣品和土壤樣品的N含量和豐度。

水稻植株從基肥、蘗肥和穗肥中吸收的15N百分比(Ndff(basal,tillering,panicle),%)以及基肥、蘗肥和穗肥殘留在土壤中的15N百分比(A(basal,tillering,panicle),%)計算公式為[15]

(8)

(9)

式中a——微區(qū)內(nèi)樣品15N豐度,%

b——微區(qū)所在小區(qū)內(nèi)樣品15N豐度,%

c——15N-尿素15N豐度,%

d——天然15N豐度標準值,%

水稻植株從基肥、蘗肥和穗肥中吸收的氮素量(N(basal,tillering,panicle),kg/hm2)為

N(basal,tillering,panicle)=PNAANdff(basal,tillering,panicle)

(10)

式中PNAA——植株氮素總累積量,kg/hm2

水稻植株對氮肥的吸收利用率(PNRE(total),%)為

(11)

其中

N(total)=N(basal)+N(tillering)+N(panicle)

(12)

式中N(total)——水稻植株從基肥、蘗肥和穗肥中吸收的總氮素量,kg/hm2

N(basal)——水稻植株從基肥中吸收的總氮素量,kg/hm2

N(tillering)——水稻植株從蘗肥中吸收的總氮素量,kg/hm2

N(panicle)——水稻植株從穗肥中吸收的總氮素量,kg/hm2

基肥、蘗肥和穗肥殘留在土壤中的氮素量(R(basal,tillering,panicle),kg/hm2)為

R(basal,tillering,panicle)=TSA(basal,tillering,panicle)

(13)

其中

TS=YVNS

(14)

式中TS——各層土壤氮素量,kg/hm2

Y——各層土壤容重,kg/m3

V——各層土壤體積,m3

NS——各層土壤氮含量,%

氮肥在土壤中的殘留率(SNFR(total),%)為

(15)

其中

R(total)=R(basal)+R(tillering)+R(panicle)

(16)

式中R(total)——基肥、蘗肥和穗肥在土壤中的總殘留量,kg/hm2

R(basal)——基肥在土壤中的殘留量,kg/hm2

R(tillering)——蘗肥在土壤中的殘留量,kg/hm2

R(panicle)——穗肥在土壤中的殘留量,kg/hm2

氮肥總損失率(L(total),%)為[16]

L(total)=1-PNRE(total)-SNFR(total)

(17)

2 結果與分析

2.1 節(jié)水灌溉模式下減施氮肥對NH3揮發(fā)的影響

不同處理的NH3揮發(fā)速率如圖1所示。結果表明,2種灌溉模式下,施肥處理水稻生育期內(nèi)均出現(xiàn)3次NH3揮發(fā)排放峰值,且均是在施肥后2～3 d內(nèi)出現(xiàn)排放峰值。兩種灌溉模式下,NH3揮發(fā)排放峰值均隨著施氮量的減少而降低。當施氮量相同時,控制灌溉模式下各施肥處理的NH3揮發(fā)排放峰值均高于常規(guī)淹灌模式下各處理。CN、CN1和CN2處理的NH3揮發(fā)排放峰值分別高于FN、FN1和FN2處理9.65%～24.48%、6.44%～19.17%和3.96%～22.61%,其中CN處理的NH3揮發(fā)排放峰值最高為0.83 kg/(hm2·d)。不同處理的NH3累積揮發(fā)量如表2所示。結果表明,2種灌溉模式下,NH3累積揮發(fā)量均隨著施氮量的減少而降低。控制灌溉模式下各處理的NH3累積揮發(fā)量均顯著高于常規(guī)淹灌模式下相同施氮量處理(P<0.05)。

圖1 不同處理的NH3揮發(fā)速率變化曲線Fig.1 Variation curves of NH3 volatilization rate under different treatments

表2 不同處理的NH3累積揮發(fā)量、NO2累積排放量、氮肥氣態(tài)損失量及損失率Tab.2 Accumulate NH3 volatilization rate, accumulate NO2 emission fluxes, nitrogen fertilizer gaseous nitrogen loss and loss rate under different treatments

2.2 節(jié)水灌溉模式下減施氮肥對N2O排放的影響

不同處理的N2O排放通量如圖2所示。結果表明,2種灌溉模式下,施肥處理在水稻分蘗期和拔節(jié)期分別出現(xiàn)2次N2O排放通量峰值。2種灌溉模式下,N2O排放通量峰值均隨著施氮量的減少而降低。當施氮量相同時,控制灌溉模式下各施肥處理的N2O排放通量峰值均高于常規(guī)淹灌模式下各處理。CN、CN1和CN2處理的分蘗期N2O排放通量峰值分別高于FN、FN1和FN2處理2.92%、5.44%和2.00%,CN、CN1和CN2處理的拔節(jié)期N2O排放通量峰值分別高于FN、FN1和FN2處理1.62%、12.49%和4.42%。其中CN處理的N2O排放通量峰值最高為191.92 μg/(m2·h)。不同處理的N2O累積排放量如表2所示。結果表明,兩種灌溉模式下,N2O累積排放量均隨著施氮量的減少而逐漸降低。當施氮量相同時,控制灌溉模式下各處理的 N2O 累積排放量高于常規(guī)淹灌模式下相同施氮量處理3.90%～26.29%。

圖2 不同處理的N2O排放通量變化曲線Fig.2 Variation curves of N2O emission fluxes under different treatments

2.3 節(jié)水灌溉模式下減施氮肥對氮肥氣態(tài)損失的影響

不同處理的氮肥氣態(tài)損失量及損失率如表2所示。結果表明,2種灌溉模式下氮肥氣態(tài)損失量及損失率均隨著施氮量的減少而降低。FN處理的氮肥氣態(tài)損失量及損失率均顯著高于FN1和FN2處理,FN1處理的氮肥氣態(tài)損失量及損失率顯著高于FN2處理(P<0.05)。CN處理的氮肥氣態(tài)損失量及損失率均顯著高于CN1處理和CN2處理,CN1處理的氮肥氣態(tài)損失量及損失率顯著高于CN2處理(P<0.05)。當施氮量相同時,控制灌溉模式下各處理的氮肥氣態(tài)損失量及損失率均高于常規(guī)淹灌模式。CN處理的氮肥氣態(tài)損失量顯著高于FN處理(P<0.05),但CN處理的氮肥氣態(tài)損失率與FN處理無顯著性差異(P>0.05)。

2.4 節(jié)水灌溉模式下減施氮肥對水稻產(chǎn)量與氮肥吸收、殘留及損失的影響

不同處理的水稻產(chǎn)量與氮肥吸收量、殘留量及損失量如表3所示。結果表明,適量減施氮肥能夠穩(wěn)產(chǎn)甚至在一定程度上增加水稻產(chǎn)量,2種灌溉模式下水稻產(chǎn)量均隨著施氮量的減少先增加后減少。當施氮量相同時,控制灌溉模式下水稻產(chǎn)量均高于常規(guī)淹灌模式。常規(guī)淹灌模式下,水稻植株對氮肥的吸收利用量隨著施氮量的降低而降低,吸收利用率隨著施氮量的降低而增加;控制灌溉模式下,吸收利用率隨著施氮量的降低而升高,CN1處理的吸收利用量高于CN和CN2處理。且控制灌溉模式下各處理的吸收利用量和吸收利用率均顯著高于常規(guī)淹灌模式下相同施氮量處理(P<0.05)。2種灌溉模式下,氮肥在土壤中的殘留量隨著施氮量的減少而降低,殘留率隨著施氮量的降低而增大。當施氮量相同時,控制灌溉模式下氮肥在土壤中的殘留量和殘留率均高于常規(guī)淹灌模式。2種灌溉模式下,氮肥損失量和總損失率均隨著施氮量的減少而降低,且控制灌溉模式下各處理的氮肥損失量和總損失率均顯著低于常規(guī)淹灌模式下相同施氮量處理(P<0.05)。

表3 不同處理的水稻產(chǎn)量與氮肥吸收量、殘留量及損失量Tab.3 Rice yield and nitrogen absorption, residual, and loss under different treatments

3 討論

本研究表明,當施氮量相同時,控制灌溉模式下各處理氮肥氣態(tài)損失量及損失率均高于常規(guī)淹灌模式。但同位素示蹤結果表明,當施氮量相同時,控制灌溉模式下各處理的氮肥吸收利用量和吸收利用率均顯著高于常規(guī)淹灌模式,且各處理的氮肥損失量和總損失率均顯著低于常規(guī)淹灌模式(P<0.05)。這可能是因為采用同位素技術計算得到的氮肥損失量不僅包括氣態(tài)氮損失,同時還包括徑流和淋溶等損失,控制灌溉雖然增加了東北地區(qū)稻田氣態(tài)氮損失,但顯著較少了徑流和淋溶損失,土壤中更多的氮素能被植株吸收利用,故提高了氮肥吸收利用量和吸收利用率。由此可知,推廣節(jié)水灌溉后,增加的氣態(tài)氮損失在一定程度上限制了進一步提高氮肥吸收利用率,故應該搭配合理的氮肥管理措施。本研究還發(fā)現(xiàn),2種灌溉模式下,氣態(tài)氮損失量及氮肥氣態(tài)損失率均隨著施氮量的減少而降低。因而推行節(jié)水灌溉后可以通過適量減少氮肥施用來減少稻田氣態(tài)氮損失,從而提高氮肥吸收利用率。但過量減少氮肥施用對于水稻生長是十分不利的,因此在保證水稻產(chǎn)量的前提下,可考慮添加脲酶抑制劑或硝化抑制劑,通過有效減少稻田氣態(tài)氮損失來進一步提高水稻吸收利用率。

4 結束語

大田試驗研究結果表明,2種灌溉模式下,東北黑土稻田氮肥氣態(tài)損失量及損失率均隨著施氮量的減少而降低?？刂乒喔鹊膽迷黾恿撕谕恋咎餁鈶B(tài)氮損失,不同施氮量下其NH3累積揮發(fā)量和N2O累積排放量均高于常規(guī)淹灌模式下相同施氮量處理,且控制灌溉模式下各處理的氮肥氣態(tài)損失量及損失率均高于常規(guī)淹灌模式。但與常規(guī)淹水灌溉相比,采用控制灌溉模式雖然增加了氣態(tài)氮損失,但降低了總的氮肥損失,這可能主要歸因于控制灌溉模式降低了氮肥其他途徑的損失。當施氮量相同時,控制灌溉模式下各處理的氮肥損失量和總損失率均顯著低于常規(guī)淹灌模式,而且其氮肥吸收利用量和利用率均顯著高于常規(guī)淹灌模式下各處理(P<0.05)。