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不同氮肥管理措施对华北地区夏玉米田增产减排的效果分析

2018-03-20刘兆辉张建军江丽华

中国土壤与肥料 2018年1期
关键词:夏玉米氮肥分层

徐 钰,刘兆辉,张建军,石 璟,王 梅,杨 岩,江丽华*

(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所,农业部黄淮海平原农业环境重点实验室,山东省植物营养与肥料重点实验室,山东 济南 250100;2.济南市农业局,山东 济南 250099)

氧化亚氮(N2O)是仅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的第三大痕量温室气体,对温室效应的贡献率约为5%,2011年大气中N2O浓度已达到324 nmol/mol,比工业化前升高了20%,且仍以年均0.2%~0.3%的速度增长[1-2]。在已知的N2O排放源中,农业生产是全球N2O的重要人为排放源,其中农田N2O排放量占人为排放源总量的84%,占全球N2O排放量的39%~52%[2-3]。许多研究报告表明,化学氮肥的施用对农田土壤N2O的排放有明显促进作用,是农业土壤中N2O的最大来源[4],2005年中国因氮肥施用产生的N2O排放量占农田排放总量的50%以上[5]。可见,减少因氮肥施用而产生的N2O对于全球N2O的减排具有重要作用。施用化学氮肥引起的农田N2O排放分为直接排放和间接排放两大类[6-7],目前的研究多集中在通过降低施氮量达到减少N2O直接排放[8-9],而通过选择合适的氮肥类型、施肥时间和施肥方式等提高氮肥利用率的手段实现氮肥施用后N2O的间接减排方面研究较少,尤其是后者[10-12]。

华北平原是中国的重要粮食产区,夏玉米是该区最主要的粮食作物之一,2015年玉米产量约占全国的30%[13],对于国家的粮食安全起着非常重要的作用。该区的玉米施肥多在播种期或出苗后采用沟施覆土,受限于后期玉米植株高大和炎热的天气,追肥采用条带撒施或均匀撒施,肥料利用率较低,导致大量的N2O排放[14]。由于城镇化和老龄化,农村劳动力在数量和质量上双重短缺,玉米生产中亟需操作方便和程序简化的氮肥管理技术来保证粮食安全,并实现N2O减排。研究表明,玉米上采用氮肥条施、施用缓控释肥或分层施肥可以提高肥料利用率,在同等养分投入的情况下,能保证玉米产量,后两者还可以实现一次性施肥,省工省力[15-18]。但三者对玉米农田N2O排放影响的研究较少[10,19],尤其是后者还未见报道。因此,本文通过田间原位观测,研究氮肥条施、分层施肥和施用缓控释肥3种氮肥管理措施下玉米土壤的N2O排放规律,并从玉米产量、减排成本和经济效益综合分析,明确三者的减排效果,以便为华北平原夏玉米保产减排且效益最优措施的筛选和推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在章丘市枣园镇庆元村进行,试验点地势平坦,处于暖温带半湿润大陆性季风气候区,多年平均气温12.8℃,多年平均降水量600.8 mm,年平均日照时数2 647.6 h,无霜期192 d。土壤为褐土,质地为轻壤土,0~20 cm表土有机质为16.5 g/kg,有效磷7.9 mg/kg,速效钾116.0 mg/kg,硝态氮1.4 mg/kg,铵态氮2.4 mg/kg,pH值8.2。

1.2 试验设计

前茬作物为冬小麦,收获后秸秆全还田,试验设4个处理,分别为(1)农民习惯施肥(FP):出苗后,全部磷、钾肥和40%氮肥在苗一侧沟施(6~8 cm),60%氮肥在大喇叭口—抽雄期撒施,氮肥为尿素;(2)氮肥条施(ND):出苗后,全部磷、钾肥和40%氮肥在苗一侧沟施(6~8 cm),60%氮肥在大喇叭口—抽雄期条施(6~8 cm),氮肥为尿素;(3)缓控释氮肥(CRF):出苗后,氮、磷、钾肥在苗一侧一次性条施(6~8 cm),氮肥为缓控释氮肥;(4)分层条施(LD):玉米出苗后,在苗一侧,开沟分两层将肥料一次性施入,其中上层为距离地面6~8 cm处,施30%氮肥及全部磷、钾肥;下层为距离地面20 cm处,施70%氮肥,氮肥为尿素。

各处理施肥量相等,N、P2O5、K2O分别为240、90和120 kg/hm2,磷肥为重过磷酸钙(P2O544%),钾肥为氯化钾(K2O 60%),尿素(N 46%),缓控释氮肥(N 44%)。试验采取3次重复,小区面积为51 m2,试验地四周设置2 m宽保护行。行距0.85 m,株距20 cm,玉米品种为先玉335,于2013年6月24日播种,第1次苗肥于7月1日施入,第2次大喇叭口—抽雄期追肥于7月29日施入。试验期间进行2次灌溉,分别于7月2日和8月25日,每次灌溉量为750 m3/hm2,灌溉方式为漫灌,9月30日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 N2O采集与测定

N2O的排放通量采用静态暗箱-气相色谱法进行测定。采样箱箱体由不锈钢材料制成,外覆绝热材料(泡沫聚苯乙烯),底部边缘粘有密封胶条。顶箱(50 cm×50 cm×50 cm)箱体采气管线一端通过箱体侧面取气接头深入箱内10 cm左右,另一端用三通阀密封,采样时与采样注射器相连。为保证植株的正常生长和取样的顺利进行,当作物生长超过50 cm后,采样时增加1~2个中段箱(50 cm×50 cm×50 cm)。底座(50 cm×50 cm×20 cm)由不锈钢材料制成,播种后将其埋入地下。为了避免采样操作过程中局部踩实土壤而导致气体横向流动受到干扰,同时也避免采样操作过程对箱内及其周围植物的机械性破坏,在采样点周围搭设了木桥。

采样一般在9:00~11:00进行,平常取样为3~7 d一次,施肥后连续取样一周,灌溉或降雨后连续取样2 d。采样时,将箱体置于底座上,用夹子将箱体和底座加在一起,确保不漏气。密封后立即用100 mL塑料注射器抽取气体,每隔8 min取样1次,取样5次,并准确记录采样时的具体时间和箱内温度。

采集的N2O气样用改进的Agilent 7890A气相色谱仪测定:(1)N2O排放通量采用线性回归法进行计算[20],公式为:F=(M/V0)×H×(dc/dt)×[273/(273+T)]×(P/P0)×k。式中,F为目标气体的排放通量[N2O mg/(m2·h)];M为气体的摩尔质量(g/mol),V0为标准状态下(温度273 K,气压1 013 hPa)气体的摩尔体积(22.41×10-3m3);H为采样箱气室高度(cm);dc/dt为采样箱内气体浓度的变化速率;P和T分别为采样时箱内气体的实际压力(Pa)和温度(℃);P0为标准大气压(Pa);k为量纲转换系数。F为负值时表示土壤从大气吸收该气体,为正值时表示土壤向大气排放该气体;(2)气体交换总量利用内插法计算相邻两次监测之间未监测日期的排放通量,然后将每天的交换通量累加即可。

1.3.2 产量测定

各区选择长势均匀的13.6 m2样方玉米,把玉米穗全部取下称重,然后从中随机选取15穗称重,风干后脱粒称重,计算产量(风干籽粒含水量约14%)。

1.3.3 成本计算方法

玉米成本主要包括:①耕播过程涉及的机械租赁费和种子费用成本;②灌溉过程涉及的电费和人工费;③施肥过程涉及的化肥费用成本和人工费用;④病虫草害防治过程涉及的农药费用成本和人工费用;⑤收获过程涉及的机械租赁费和人工费用。本研究中的成本各项数据均为试验中的实际值,详见表1。其中尿素1 900元/t,缓控释氮肥2 400元/t,重过磷酸钙2 200元/t,氯化钾3 400元/t,耕播和收获机械租赁费分别为750和900元/hm2。施肥用工成本方面:肥料条施用工每次900元/hm2;撒施劳动量与开沟施肥相比减半,用工为每次450元/hm2;分层施肥增加了劳动量,施肥用工成本比开沟增加1倍,为每次1 800元/hm2。

表1 不同氮肥管理措施下玉米生产成本 (元/hm2)

1.4 数据处理

所得数据使用Excel 2007进行处理和作图,采用SAS 8.1进行处理间显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥管理措施下土壤N2O排放特征

由图1可见,4个氮管理措施下的N2O排放通量在大多观测时间中均较小,且波动不大,一般低于N 50 μg/(m2·h);施肥并灌溉后,会观测到“脉冲式”的N2O排放,峰值持续时间一般为3~5 d;此外,苗肥施用后第8 d的一次强降水,也观测到了较强的N2O排放,其排放通量介于N 115.3~132.6 μg/(m2·h),持续时间仅1 d。由于各处理施用的氮肥类型和施用方式不同,N2O的排放特征略有差别。FP和ND处理为两次施肥,分别观测到两次N2O排放峰。第一次发生在苗肥后,两者施肥量及施肥方式相同,观测到的N2O排放峰值均约为N 400 μg/(m2·h);第二次发生在追肥后,FP处理下氮肥撒施引起的N2O排放峰值高达N 825.4 μg/(m2·h),而氮肥条施的ND处理下N2O排放峰值为N 325.5 μg/(m2·h),前者是后者的1.5倍。可见,与氮肥撒施相比,条施可以显著降低N2O排放峰值。CRF为缓控释肥,在玉米苗期一次性施用,近1个月内的N2O排放通量保持在N 110 μg/(m2·h)左右,观测期内未出现明显的N2O排放峰。尿素苗期分两层一次性施用的LD处理中,生长期仅观测到1次较强的N2O排放,其峰值与同期的FP和ND处理相近,但其在1个月内保持较高的排放通量,仅次于CRF处理,N2O排放通量在N 95 μg/(m2·h)上下浮动。

图1 不同农业管理措施下土壤N2O排放特征注:↓表示施肥。

2.2 不同氮肥管理措施下玉米田N2O排放量

由图2可见,FP处理下玉米农田的N2O-N累积排放量为1.59 kg/hm2,显著高于其他氮肥管理措施。CRF和LD处理下的N2O-N累积排放量分别为1.30和1.29 kg/hm2,两者间无显著性差异,但均显著低于ND处理。ND、CRF和LD处理下的N2O-N累积排放量分别比FP降低12.6%、18.2%和18.9%,均达到了一定的减排效果,尤以后两者的效果最佳。

图2 不同农业管理措施下农田N2O排放总量注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.3 不同氮肥管理措施下玉米产量及收益

从表2可以看出,与FP相比,ND、CRF和LD处理下的玉米产量均有不同程度增加,增产率分别为2.3%、3.6%和6.3%,仅有LD增产显著。玉米的净收益取决于玉米产值与生产成本。各处理产值由玉米产量决定,大小顺序为LD>CRF>ND>FP。从生产成本来看,各处理成本差异主要由化肥成本和施肥用工的差异造成(表1),缓控释氮肥价格高于普通氮肥,CRF处理的化肥成本比其他处理每公顷增加317.7元,但因其一次性施用,施肥用工成本较其他处理平均减少近1倍,因此生产总成本较其他处理节省132.3~582.3元/hm2;尽管LD处理实现了一次性施肥,但由于施肥用工成本增加1倍,其生产总成本等同于ND处理;而FP处理追肥使用撒施,施肥用工成本减少,使其生产总成本较ND减少450元/hm2,各处理玉米生产成本顺序为ND=LD>FP>CRF。由此计算出,ND和FP处理下玉米净收益相近,在4种氮肥管理措施中净收益最低;CRF处理玉米的净收益最高,其次为LD处理,但两者每公顷仅相差80.5元,未达显著性差异。与FP相比,仅CRF处理玉米净收益增加效果显著,约增收7.5%。

表2 不同氮肥管理措施下玉米产量及收益

注:同列数值间不同字母表示差异显著(P<0.05),下同。

2.4 不同氮肥管理措施下玉米田的排放强度

不同氮肥管理措施下的单位产量N排放强度和单位净收益N排放强度见表3。可以看出,FP处理下的单位产量N排放强度和单位净收益N排放强度均最高,分别为189.2 g/t和1.5 kg/万元,其他3种氮肥管理措施均能显著降低两种N排放强度,减排顺序为LD>CRF>ND,减排率分别为23.5%和26.7%、21.2%和26.7%、14.5%和13.3%。

表3 不同氮肥管理措施下玉米单位产量和单位净收益的N排放强度

2.5 不同氮肥管理措施下的减排成本分析

二氧化碳当量(CO2-eq)用作比较不同温室气体排放的量度单位,是评价温室气体排放的常用表示方法,非CO2温室气体的二氧化碳当量为该气体的吨数乘以其全球变暖潜能值(GWP)。IPCC第5次评估报告[2]中指出,在100年时间内,N2O导致大气增温的潜力是相同质量的CO2的298倍,即N2O的GWP为298。经计算,本试验条件下每减排1 kg CO2-eq,CRF处理可减少0.97元成本,ND和LD处理则分别增加4.83和3.23元成本(表4)。

表4 不同氮肥管理措施下的减排成本

3 讨论

3.1 不同氮肥管理措施对土壤N2O排放的影响

本研究结果表明,夏玉米生长季农田土壤N2O的排放峰值主要出现在施肥+灌溉(降雨)事件后,这与前人研究结果一致[11,21]。施肥为土壤微生物提供充足的底物,促进硝化和反硝化过程中N2O的生成与排放;而灌溉则为反硝化微生物营造了厌氧环境,提高了反硝化过程中N2O的生成与排放[22-23],因而会促进N2O的排放。氮肥管理方式不同,引起的土壤N2O排放也不尽相同。FP和ND处理为两次施肥,均出现两次N2O排放峰。苗肥时,两者施肥量与施肥方式一致,引起的土壤N2O排放峰值也相同;追肥时,等氮量施用情况下,FP处理的N2O排放峰较ND处理增加2.5倍。一方面,氮肥深施降低了表层土壤的氮肥浓度;另一方面,灌溉后深层土壤含水量增加,反硝化作用增强,而过高的土壤含水量阻止了土壤N2O向大气中的扩散而被进一步还原为N2[24]。统计表明,FP和ND处理的两次排放峰值持续时间约占整季的11%,但N排放量却占总排放量的40%左右,施氮后形成N2O排放高峰的差异导致FP处理下玉米生长期的N2O排放总量显著高于ND处理,后者较前者减排12.8%。可见,与氮肥撒施相比,氮肥深施覆土可以显著降低N2O排放峰值,进而起到N2O减排的作用。

胡小康等[25]的研究表明,玉米十叶期的施肥量是基肥时的1.3~2倍,但其N2O的最大排放速率分别只有基肥时最大排放速率的19.4%~35.0%。本研究的结果与之相似,ND处理下追肥的施氮量是苗肥的1.5倍,但观测到的土壤N2O排放峰值为基肥的80%,生长后期植株生物量大对氮素需求量多,土壤中用于硝化作用的底物浓度较低,致使N2O的排放减少。因此,农田N2O的减排上要重视基肥的施用,苗期作物生物量小,对氮素吸收利用较低,可以通过减少基肥施用量来减少N2O的排放[21]。

CRF处理在施肥后1个月内保持较高的N2O排放,但未发现明显的N2O排放峰,本研究所用缓控释肥为热固水性树脂包膜尿素,能够根据玉米生长需肥曲线缓慢释放氮素[20],从源头上控制硝化和反硝化的底物浓度,并增强作物对氮素的吸收,显著降低了N2O排放。有研究认为缓控释肥可以降低N2O排放[26-27],有的则相反[28-29],这与气候、土壤特性和缓控释肥的养分释放机制有关[30-31]。本研究中缓控释肥的施用可以显著减少N2O排放,CRF处理下玉米季N2O排放量较FP和ND分别降低12.8%和6.6%。

张婧等[20]研究认为,一次性分层施肥引起的N2O排放峰值高于肥料分次施用处理,而本研究结果与之相反,LD处理下的排放峰值与同期的ND处理相当,这可能与不同层次的氮肥施用量及环境条件有关,一方面,本研究中的氮肥主要施用在20 cm土层,占总肥量的70%;另一方面,施肥后的灌溉加之降水,土壤含水量较高,深层产生的N2O容易被进一步还原成N2,致使N2O的排放量减少[24]。与CRF处理相似,LD处理在施肥后1个月内也保持较高的N2O排放,可能与这期间有10余次降水,土壤含水量仍保持较高水平,深层N2O的扩散传输过程会受到影响有关[32-33],具体原因还有待于进一步研究。LD对夏玉米土壤N2O也有一定的减排作用,与CRF相当,较FP和ND分别减排18.7%和7.1%,达显著性差异。

3.2 不同氮肥管理措施对土壤N2O减排效果分析

与传统施肥相比,本研究中氮肥条施、施用缓控释氮肥和氮肥一次性分层施用一定程度减少了N素损失,提高了肥料利用率[16,20],因此玉米增产2.3%~6.3%,单位产量N2O排放也降低20%以上,尤以一次性施肥的CRF和LD效果最好。效益方面,氮肥条施增加了追肥劳动力,其生产成本的增加高于玉米增产的收入,其净收益略低于FP。实现一次性施肥的缓控释肥,尽管肥料成本较高,但可以与省工成本相抵,净收益较FP增加7.5%。与FP相比,一次性分层施肥开沟的深度增加,施肥用工成本增加,但因其增产效果显著,玉米净收益也有一定增加。CRF和LD在玉米产量和效益上都表现出了较强的优势,但由于一次性分层施肥操作时对施肥开沟要求较高,相比而言施用缓控释肥更容易被农民接受并使用。经济评估显示,氮肥条施和一次性分层施肥有较好的减排效果,但其劳动力成本较高,每减排1 kg CO2-eq,需要增加3.2~4.8元;而施用缓控释肥,农田减排1 kg CO2-eq的同时可以节省约1元成本。当然,研究中为便于操作均采用人工施肥,其用工成本的增加是减排成本增加的根源。如果生产中应用条施施肥机械(单次费用750元/hm2)和玉米分层施肥机械(单次费用900元/hm2)代替人工施肥,LD处理的成本较FP节省300元/hm2,则每减排1 kg CO2-eq,LD处理可减少2.19元成本。由于ND追肥时植株生长较高,田间无法进入机械,仍需人工操作,所以其减排成本并未改变。因此,若生产中没有配套的玉米施肥机械,CRF可被选为夏玉米保产减排且效益最优的氮肥管理措施;反之,LD和CRF两种氮肥管理措施均可,前者效果最佳。本研究为华北平原夏玉米农田N2O减排技术的筛选提供了建议,但由于试验仅一季,其持续保产增收效果如何还需多年试验进行验证。

4 结论

4.1 氮肥管理措施下,玉米季农田土壤N2O排放主要集中在施肥+灌溉事件后。与农民习惯相比,氮肥条施、施用缓控释肥和一次性分层施肥会降低N2O排放峰值,玉米生长季N2O总排放量减少12.6%~18.9%。

4.2 与农民习惯相比,氮肥条施增产2.3%,但由于施肥成本增加,其净效益略有减少;尽管缓控释肥料成本增加,但一次性施用,降低了劳动力投入成本,产量和净收益分别增加3.6%和7.5%;氮肥一次性分层施用对施肥开沟的深度要求高,施肥用工成本增加,但因其增产效果显著,玉米净收益约增加6%。氮肥条施、施用缓控释肥和一次性分层施肥下的单位产量N排放强度和单位净收益N排放强度均有所降低。

4.3 本试验条件下每减排1 kg CO2-eq,施用缓控释肥可减少0.97元成本,而氮肥条施和一次性分层施用则分别增加成本4.83和3.23元。如果生产中使用施肥机械,一次性分层施肥的减排成本可节省2元。综合来看,在无配套的玉米施肥机械时,施用缓控释肥可被选为夏玉米保产减排且效益最优的氮肥管理措施;反之,也可选用一次性分层施肥。

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巴西2020—2021年度夏玉米产量预计减少17.7%
有趣的分层现象
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江淮小氮肥 耕耘六十年——纪念安徽小氮肥诞生六十周年
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雨林的分层