摘 要: 氨挥发是农田氮素损失的重要途径之一, 氨排放到大气中后与酸性气体反应形成二次气溶胶, 对空气质量有重要影响。本文研究了生物有机肥与化肥配施对稻田氨挥发的效果及主要机制, 旨在探索有效的稻田氨减排措施。本研究选取湖南省长沙县典型双季稻稻田, 开展为期两年 4 个稻季的田间试验, 设置不施氮肥 (CK)、常规氮肥表施 (CON)、生物有机肥替代 40% 氮肥+化肥表施 (CB)、氮肥减量 30%+生物有机肥替代 40% 减量氮肥+化肥深施 (RBD) 4 种施肥处理, 观测不同施肥处理下氨挥发动态及相关影响因素。两年的田间定位试验结果表明, 相同施氮量下, 采用生物有机肥与化肥配施显著降低了氨挥发 (P<0.05), 且产量差异不显著。深施减氮结合生物有机肥与化肥配施, 氨挥发较 CB 处理进一步显著减少 (P<0.05); 除 2019 年晚稻季外, 其余 3 个稻季 CB 处理与 CON 处理间水稻籽粒产量差异不显著。早、晚稻季, CB 和 RBD 氨挥发累积量较 CON 处理分别降低 25.2%~35.6% 和 63.2%~70.9% (P<0.05)。田面水铵态氮浓度与稻田氨挥发通量在各处理表现一致的变化趋势, 且呈现显著正相关 (P<0.05), 表明施用生物有机肥及化学氮肥深施均可有效降低田面水铵态氮浓度, 从而减少氨挥发。综合两年的试验, 生物有机肥替代化肥结合深施减氮可减少稻田氨挥发达 60%, 且不降低水稻产量, 可有效实现稻田氮肥减量、氨挥发减排。
关键词: 氨挥发; 氮循环; 生物有机肥; 深施; 水稻
水稻 (Oryza sativa) 是我国重要的粮食作物, 我国稻谷播种面积占粮食作物播种面积的 25.8%[1]。由于氮是作物生长的必需元素, 在一定范围内增氮肥可以提高水稻产量, 因此农户为了追求水稻产量而施入过量的氮肥, 导致出现氮肥利用效率不高及氮损 失 严 重 等 问 题。我 国 稻 田 氮 肥 的 利 用 率 仅为 30%~35% , 损失量可达 40%~50%[2-4]。除被吸收利用的氮以外, 剩余的氮素通过氨挥发、径流、淋洗等多种途径进入环境中, 造成农业面源污染以及大气污染等[5]。
稻田氨挥发受施肥剂量、施肥方式等多种因素的影响。有研究表明施氮量减少 22%~44% 可降低氨挥发损失 20.2%~35.3%[6]。氮肥深施能减少氮肥损失、提高氮肥利用率[7] , 减少氨挥发[8]。Liu 等 [9] 在免耕水稻土和 Yao 等 [10] 在太湖地区稻田的研究表明, 深施氮肥与常规表施化肥相比, 能显著减少氨挥发损失, 同时增加氮吸收、提高氮肥利用率和产量。杨明达[11] 研究表明相同控释氮肥处理下, 侧条施肥处理比撒施处理显著降低氨挥发速率和氨挥发总量。在 南 方 双 季 稻 田 中 采 用 机 械 侧 条 施 肥 可 减 少 18.6%~26.9% 氨挥发累积损失, 并提高土壤速效氮含量和水稻氮素利用效率[12]。水稻田面水的铵态氮浓度是影响水稻季氨挥发的主要因素, 随温度上升, 对氨挥发速率的影响逐渐增大[13-14]。
有机肥部分替代化肥能降低农田氨挥发且提高作物产量。邢月等[15] 研究表明化肥处理能够显著增加氨挥发损失量, 可达 56.0 kg·hm−2 , 比 80% 尿素和 20% 有机肥混施处理和有机肥处理分别增加 11.3 kg·hm−2 和 28.7 kg·hm−2。单施化肥氨挥发损失率为 11.9%, 而单施有机肥和化肥有机肥混施处理氨挥发损失率分别为 2.3% 和 8.1%。华北平原旱地农田采用干猪粪为有机替代能有效降低氨挥发损失且提高作物产量[16]。
依据中华人民共和国行业标准 NY 884−2012 《生物有机肥》, 生物有机肥 (microbial organic fertilizers) 指特定功能微生物与主要以动植物残体 (如畜禽粪便、农作物秸秆等) 为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料。微生物肥料是一种对环境友好的新型生物肥料, 可以促进植物生长, 提高果实品质, 改善土壤质量等[17]。在河套地区碱性土上采用微生物菌肥处理, 氨挥发减少, 但作物产量相对于农民习惯施肥显著减少[18]。且采用生物有机肥和生物质炭混施, 氨挥发较单施生物有机肥显著减少[19]。绿色木霉菌生物有机肥料 (Trichoderma viride biofertilizer) 在 减 少 碱 性 土 壤 氨 挥 发 和 提 高 甜 高 粱 (Sorghumdochna) 氮肥利用率方面具有巨大的潜力[20]。与化肥相比, 配施 50% 枯草杆菌生物有机肥 (Bacillus subtilis biofertilizer) 农田氮素损失减少 54%[21]。利用植物生 长 促 进菌 (plant growth-promoting bacteria, PGPB) 与降解有机物等制成的生物有机肥有效提高了氮肥和磷肥的利用效率, 可减少约 30% 的氮肥[22]。鉴于生物有机肥在南方稻田中对于氨挥发的影响及其主要机制尚未明确, 本研究基于中亚热带典型双季稻田两年试验, 采用密闭室间歇抽气法研究生物有机肥配施化肥等对稻田氨挥发的影响及其主要作用机制, 旨在为稻田氨挥发减排提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试 验 在 位 于 湖 南 省 长 沙 县 金 井 镇 湘 丰 村 (113°19′52″E, 28°33′04″N) 的中国科学院长沙农业环境观测研究站进行, 海拔 80 m。中亚热带季风气候, 年平均气温 17.5 ℃, 年平均降雨量为 1330 mm, 降雨主要集中在 3−8 月, 无霜期约 300 d。试验时间为 2019−2020 年水稻生长期, 试验期间日平均气温与降水量由长沙环境观测研究站气象站记录, 如图 1 所示。试验田为典型双季稻稻田, 母质为花岗岩风化物。耕层 (0~20 cm) 土壤基本理化性质为: 全氮 含量 1.81 g·kg−1 , 全磷含量 0.50 g·kg−1 , 全钾含量 37.8 g·kg−1 , 有机质含量 40.9 g·kg−1 , 容重 1.09 g·cm−3 , pH 为 5.06。土壤机械组成中砂砾、粉粒和黏粒的质量分数分别为 52%、45% 和 3%。
1.2 试验设计
试验采用随机区组设计, 共 4 个处理: 不施氮肥处理 (CK); 常规化学氮肥表施处理 (CON), 氮肥基追比为 3∶1; 生物有机肥替代 40% 化学氮肥+化学氮肥 表 施 (CB), 剩 余 氮 肥 基 追 比 为 1∶1; 氮 肥 减 量 30%+生物有机肥替代 40% 减量化学氮肥+化学氮肥深施 (RBD), 化肥全部作为基肥, 深施方式为穴施, 深度为 7 cm, 位于每两列水稻之间。每个处理 3 次重复, 小区面积 27 m2 (3 m×9 m)。每季磷钾肥分别为 P2O5 75 kg·hm−2、K2O 100 kg·hm−2 , 作基肥一次性施入。 CON 处理早/晚稻季氮肥 (尿素, 46%) 分别为 150/180 kg(N)·hm−2。施生物有机肥处理根据 N 含量确定用量, 作基肥一次性表施。并计算生物有机肥携入的磷钾量, 剩余养分用尿素、过磷酸钙和氯化钾补齐。生物有机菌肥由河北丰和绿光农业科技有限公司提供, 为粉状。其中养分含量氮磷钾≥6%、有机质≥ 60%、有效活菌数≥2 亿·g −1 , 该有机肥包括螯合氨基酸、抗重茬剂、生根剂、保水剂、土壤激活素, 内含枯草、放线菌、木霉、芽孢杆菌等多种有益菌。具体施肥措施见表 1。试验地田间管理与当地常规管理方式一致。供试作物品种: 早稻为‘潭两优 45’, 晚稻为‘玉针香’。种植密度为 20 cm×20 cm, 每穴 2~3 株秧苗。2019 年早稻季, 移栽和施基肥时间为 4 月 30 日, 施追肥时间为 5 月 20 日, 收获时间为 7 月 16 日; 2019 年 晚 稻 季, 移 栽 和 施 基 肥 时 间为 7 月 20 日, 施 追 肥 时 间为 8 月 2 日, 收 获 时 间为 10 月 28 日。2020 年早稻季, 移栽和施基肥时间为 4 月 24 日, 施追肥时间为 5 月 10 日, 收获时间为 7 月 13 日; 2020 年晚稻季, 移栽和施基肥时间为 7 月 18 日, 施追肥时间为 7 月 30 日, 收获时间为 11 月 6 日。
1.3 样品采集与测定
1.3.1 氨挥发收集与通量估算
氨挥发采用密闭室间歇抽气法[23] , 气室直径为 20 cm, 气室内的换气速率为 15~20 次·min−1 , 通过调节阀和流量计控制换气速率。密闭室内挥发的氨由抽气泵带动进入吸收瓶中, 被瓶中 0.05 mol·L−1 的稀酸 (100 mL) 吸收, 从而估算土壤表面挥发氨量及累积量。每次施肥后连续采样 7~14 d, 采样时间为每天的 9:00−11:00 和 15:00−17:00。
1.4 数据处理与作图
运用 Origin 进行数据处理及制图。采用 SPSS 进行单因素方差分析 (one-way ANOVA), 多重比较选用 Duncan 检验, 进行 Person 相关分析。
2 结果与分析
2.1 生物有机肥与化肥配施下稻田氨挥发动态
早稻季期间, 基肥施用后, 施氮处理每日氨挥发通量在 1~3 d 达到峰值, 之后逐日降低, 约 2 周后趋于平缓。CON 峰值最高, 早稻季两年平均为 3.98 kg(N)·hm−2·d−1 , 两个生物有机肥处理的峰值为 1.82~ 2.55 kg(N)·hm−2·d−1。氨挥发排放通量随着施氮量增加而增加。追肥施用后, 氨挥发通量于第 2 天达到峰值, 随后逐渐下降至与不施氮处理无显著差异。 CB 处理峰值最高, 为 3.25 kg(N)·hm−2·d−1 , 而 CON 峰值低于 CB, 为 2.47 kg(N)·hm−2·d−1 , 主要是因为 CON 和 CB 处理基追肥比例不同, CB 处理追肥的施氮量高于 CON。晚稻季的基追肥氨挥发动态与早稻季的趋势相似。施肥后的第 2 天达到峰值, 基追肥各施氮处理峰值分别为 1.38~8.58 kg(N)·hm−2·d−1 和 4.20~ 5.27 kg(N)·hm−2·d−1(图 2)。晚稻季氨挥发通量明显高于早稻季, 原因主要是晚稻季的施氮量、气温和光照等明显高于早稻季, 利于尿素的水解, 促进了氨挥发。
2.2 生物有机肥与化肥配施对氨挥发累积量的影响
从图 3A 可以看出, 不同处理氨挥发累积排放量有显著差异 (P<0.05)。施氮量影响氨挥发累积量, 不同 施 肥 处 理 氨 挥 发 累 积 量 表 现 为 CON>CB> RBD>CK。两年平均, 氨挥发累积排放量 CON 早稻季为 33.1 kg(N)·hm−2 , 晚稻季为 50.4 kg(N)·hm−2。施氮量相同的 CB 比 CON 氨挥发累积排放量小, CB 处理早稻季氨挥发累积排放量为 24.8 kg(N)·hm−2 , 晚稻季为 32.4 kg(N)·hm−2 ; 与 CON 相比, 早稻季和晚稻季氨挥发累积排放量分别降低了 25.2% 和 35.6%。两个处理的氨挥发累积排放量有显著差异 (P<0.05), 说明生物有机肥与氮肥配施有利于减少氨挥发。RBD 氨挥发累积排放量最小, 早稻季氨挥发累积量两年平均为12.2 kg(N)·hm−2 , 晚稻季两年平均为14.7 kg(N)·hm−2。相 较与 CON, 早稻季和晚稻季分别降低 63.2% 和 70.9%。RBD 与 CON 差异显著 (P<0.05), 说明深施减氮, 同时用生物有机肥替代 40% 化肥可有效降低氨挥发排放量。晚稻季的氨挥发累积量普遍高于早稻季, 这与试验设定中的施氮量有关, 晚稻季施氮量比早稻季施氮量增加 30 kg·hm−2 , 同时晚稻季气温和光照等条件也明显高于早稻, 促进尿素的水解, 氨挥发增加。
如图 3B 所示, 2019 年和 2020 年早、晚稻季的各处理氨挥发量占施氮量的比例差异显著 (P<0.05)。不同施肥处理下的氨挥发损失量占施氮量的比例为 6.2%~25.5%。CON 氨挥发损失量占施氮量的比例为 17.5%~25.5%, CB 氨挥发损失量占施氮量的比例为 12.5%~15.1%。相对于 CON, 早稻季 CB 的氨挥发损失量占施氮量的比例平均下降了 29.5%, 晚稻季平均下降了 40.0%。RBD 的氨挥发损失量占施氮量的比例为 6.2%~8.2%, 与 CON 相比, 早稻季和晚稻季分
2.3 生物有机肥与化肥配施对田面水铵态氮浓度的影响
铵态氮是田面水中氮的主体形态。图 4 是田面水铵态氮浓度在施肥后随时间的动态变化。从图中可以看出, 田面水铵态氮浓度变化趋势与氨挥发变化趋势相似。早稻季期间, 基肥施用后, 田面水铵态氮浓度第 1~2 天达到峰值, 之后逐日下降, 约两周后趋于平缓。两年早稻季平均 CON 峰值为27.1 mg·L−1 , CB 峰值为 14.5 mg·L−1, RBD 峰值为 12.0 mg·L−1。与 CON 的峰值相比, CB 峰值降低 46.5%, RBD 峰值降低 55.8%。追肥施加后, 田面水铵态氮浓度于第 1~2 天达到峰值, 然后逐渐下降至与不施肥处理无显著差距。CB 峰值最高, 两年平均为 15.7 mg·L−1, CON 处理为 13.7 mg·L−1 , 这是因为基追肥比例不同, CB 追肥量大于 CON。晚稻的田面水铵态氮浓度变化与早稻相似, 施肥后第 1 天达到峰值, 后逐渐降低到不施肥处理水平。基、追肥各施氮处理峰值为 10.5~29.8 mg·L−1 和 15.8~18.1 mg·L−1。
2.4 不同施肥处理下稻田田面水铵态氮浓度与氨挥发通量的相关性分析
田面水铵态氮浓度对氨挥发有显著影响[24]。当尿素施加在淹水稻田时, 会迅速被水解为 NH4 +和 HCO3 − [25]。大量铵态氮转化为氨气挥发。通过对田面水铵态氮浓度与氨挥发通量进行 Pearson 相关分析 (表 2), 发现各施氮处理氨挥发与田面水铵态氮浓度呈极显著正相关 (P<0.01)。水稻田面水铵态氮浓度越高, 稻田氨挥发量越大。田面水铵态氮是稻田氨挥发的关键影响因素, 可以通过降低田面水中 NH4 + -N 的浓度来降低氨挥发量[6]。
2.5 生物有机肥与化肥配施对产量及氮素偏生产力的影响
由图 5A 可知, 2019 年、2020 年早、晚稻季的产 量 在 不 同 施 肥 处 理 与 CK 间 存 在 显 著 差 异 (P<0.05)。早稻季, CK 平均产量为 3.3 t·hm−2, CON 平均产量为 5.2 t·hm−2, CB 平均产量为 5.1 t·hm−2, RBD 平均产量为 5.0 t·hm−2, CB、CON、RBD 处理间均表现为无显著差异。2019 年晚稻季, CON 产量为 8.4 t·hm−2, RBD 产量为 7.6 t·hm−2, CON 与 RBD 产量差异显著 (P<0.05)。相较于 2019 年晚稻季, 2020 年晚稻整体产量低, CON、CB、RBD 产量差异不显著。
由图 5B 可知不同施肥处理的氮肥偏生产力。产量和施氮量决定氮肥偏生产力, 两年各早、晚稻季 CON 与 CB 处 理 间 氮 肥 偏 生 产 力 差 异 不 显 著, CON 与 RBD 之间差异显著 (P<0.05)。早稻季 CON 平均氮肥偏生产力为 34.6 kg·kg−1, CB 为 34.1 kg·kg−1 , RBD 为 47.2 kg·kg−1。相较于 CON, 早稻季 RBD 的氮肥偏生产力增加 36.3%。2019 年晚稻季, 各处理氮肥偏生产力均大于早稻季, RBD 较 CON 氮肥偏生产力增加 29.6%。2020 年晚稻季, 因遭遇连续低温阴雨、寒露风天气, 晚稻产量有所下降, CON、CB 和 RBD 处理的氮肥偏生产力与 2019 年相比分别下降 29.6%、26.1% 和 27.9%。
3 讨论
3.1 生物有机肥化肥配施、减氮深施对于氨挥发的影响
本试验中 CB 处理与 CON 处理相比, 在早稻季和晚稻季, 氨挥发损失量占施氮量的比例分别减少 29.5% 和 40.0%, 氨挥发累积损失量分别减少 25.2% 和 35.7%, 说明生物有机肥与化肥配施处理能有效降低双季稻田氨挥发损失, 这与白雪原[26] 研究结果一致, 生物有机肥在河套地区碱化土与南方稻田中都能降低氨挥发损失。有机肥在土壤中矿化为植物可以吸收的无机氮需要一定时间, 并且矿化过程是一个持续稳定的过程, 因此有机肥中的氮不易转化为氨气挥发到大气中[27]。本试验中施用的生物有机肥包含枯草、木霉、芽孢杆菌等多种有益菌。在碱性土壤中, 采用枯草芽孢杆菌生物有机肥配施与由秸秆和畜禽粪便堆肥而成的有机肥相比氨挥发减少 44%。枯草芽孢杆菌生物有机肥能增强硝化过程, 促进 NH4 + -N 向 NO3 − -N 转化[28]。由功能基因 ureC 编码的脲酶可以快速水解氮肥产生 NH4 + -N[29] , 是土壤中 NH4 + -N 的主要来源。Sun 等 [28] 发现配施枯草芽孢杆菌生物肥能降低土壤中 ureC 的数量, 进而减缓土壤中 NH4 + -N 的生成速率, 降低了氨挥发, 同时生物有机肥也改变了土壤氮循环微生物群落, 影响氮循环中硝化、反硝化、DNRA 过程。杨亚红等[30] 研究表明, 相同施氮量下, 在碱性土壤上, 与化肥相比, 配施或全施解淀粉芽孢杆菌 (B. amyloliquefaciens) 生物有机肥, 能够降低 70% 以上农田土壤氨挥发量, 解淀粉芽孢杆菌生物有机肥的施用, 提高了土壤细菌群落的多样性及丰富度, 特别是芽孢杆菌、硝化螺旋菌属 (Nitrospira) 相对丰度明显提升, 促进了土壤硝化过程, 从而减少了氨挥发。汪霞[31] 通过盆栽试验研究 3 种不同微生物菌剂和传统化肥的配施对碱性土壤氨挥发减排效果的差异, 发现真菌类微生物菌剂绿色木霉菌氨挥发量比尿素处理降低 42.2%, 微生物菌剂解淀粉芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌 (Paenibacillus polymyxa) 氨挥发量分别降低 20.3% 和 13.8%, 其主要作用机制有降低氨挥发速率峰值期间的土壤 pH, 提高硝化菌群的丰度, 增强土壤硝化作用。与绿色木霉菌生物有机肥相比, 解淀粉芽孢杆菌负载于有机肥上施入农田土壤中有较好的定殖和存活能力, 解淀粉芽孢杆菌生物有机肥与化肥配施是降低农业氨排放的更优方式[32]。
本试验中 RBD 处理与 CB 处理相比, 在早稻季和晚稻季, 氨挥发损失量占施氮量的比例分别减少 47.5% 和 51.7%, 氨 挥 发 累 积 量 分 别 减少 50.7% 和 54.7%。本研究结果表明, 减少 30% 氮肥施入结合深施氮肥是降低氨挥发的重要手段。施肥剂量主要通过影响田面水铵态氮的总浓度来影响土壤氨挥发, 铵态氮浓度会对氨挥发产生直接影响[33-34]。相较于表施, 氮肥深施可以降低 54%~90% 的氨挥发, 且有利于提高氮肥利用率、作物产量和根系活力[10,35-36]。这是因为氮肥深施可以减少氮肥与空气的接触面积, 增加土壤与尿素水解的 NH4 +的接触, 使土壤胶体吸附更多 NH4 +[9-10] , 增加对铵的固定, 降低土壤脲酶活性 [33] , 减缓尿素的水解[9]。周丽平[37] 将等量尿素施于土表以下 25 cm 深度, 能够明显减少氨挥发速率峰值和氨挥发累积量。YAO 等 [10] 研究发现, 深施氮肥, NH4 + -N 几乎没有扩散进入田面水中, 可以在作物早期生长阶段, 为土壤提供更多的 NH4 + -N, 并延长 2 个月氮供应时间。深施减氮 25% 时, 植物对15N 的吸收提高 62%, 15N 的损失降低 38%。周平遥等[38] 减量深施氨挥发损失率较减量撒施处理降低 23.9%~53.1%。施肥次数的减少, 可以减少追肥期间的氨挥发损失。胡瞒瞒等[39] 研究发现, 一次性深施处理能避开土壤氨高挥发期。Wang 等 [40] 研究了深层施肥和地面撒施在不同基肥施用比例下对稻田氨挥发的影响, 发现高比例基肥深施时, 可以有效地减少稻田氨挥发损失, 而追肥时与化肥表施处理无明显差异。刘兆辉等[41] 研究结果表明, 与农民传统施肥方式相比, 一次 性 基 施 缓 控 释 肥 可 以 显 著 减 少 农 田 氨 挥 发达 18.1%~81.3%。本研究 RBD 处理因为化学氮肥深施、且肥料一次性施用, 氨挥发损失较常规处理降幅最大。——论文作者：张 靖1,3 , 朱 潇1,3 , 沈健林1,2 , 李 勇1,2 , 王 娟1,2** , 吴金水1,2,3
