胡瞒瞒, 董文旭, 王文岩, Gokul Gaudel, Peter Mosongo, 胡春胜**

华北平原氮肥周年深施对冬小麦-夏玉米轮作体系土壤氨挥发的影响*

胡瞒瞒1,2, 董文旭1, 王文岩1, Gokul Gaudel1,2, Peter Mosongo1,2, 胡春胜1,2**

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省土壤生态学重点实验室 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049)

氮肥深施能有效减少土壤氨挥发, 然而目前国内外关于小麦-玉米轮作体系氮肥深施缺乏周年系统性研究。本试验于2018年10月—2019年10月在中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田进行, 利用动态箱法研究不同深施模式氨挥发损失率、氨挥发特征, 旨在探讨冬小麦-夏玉米轮作体系下土壤氨排放对氮肥深施的响应, 为减少农业源氨排放和优化农田施肥提供理论依据。试验设置5个处理: 不施肥(CK)、常规肥料表施(T1)、缓释肥表施(T2)、缓释肥基追肥分层深施(T3)、缓释肥一次性分层深施(T4)。结果表明: 氨挥发主要发生在玉米追肥季, 占全年氨挥发量的84.84%; T1、T2、T3和T4处理的周年氨挥发累积量分别为22.75 kg∙hm−2、6.17 kg∙hm−2、2.25 kg∙hm−2和0.55 kg∙hm−2, 分别占总施肥量的4.86%、1.32%、0.48%和0.13%。与常规肥料表施(T1)相比, 缓释肥处理(T2、T3和T4)分别降低72.88%、90.11%和97.32%的氨挥发损失; 一次性深施处理(T4)能避开土壤氨高挥发期, 周年氨挥发累积量与不施肥处理(0.43 kg∙hm−2)没有显著差异, 且显著低于表施处理。CK、T1、T2、T3和T4全年产量分别为8.31 t∙hm−2、13.20 t∙hm−2、12.66 t∙hm−2、14.42 t∙hm−2和14.22 t∙hm−2; 与常规肥料表施(T1)相比, 缓释肥深施(T3和T4)均可提高作物产量, 分别增产9.25%和7.75%。而缓释肥表施(T2)产量略有降低。综合考虑土壤氨排放和作物产量, 缓释肥表施(T2)可以显著降低土壤氨挥发, 但是作物产量不稳定; 而氮肥深施(T3、T4)能在保证作物高产的基础上显著降低土壤氨排放, 是一种高效、简便、环境友好的施肥方式。

氨挥发; 氮肥深施; 单位产量氨排放强度; 缓释肥; 冬小麦-夏玉米轮作

农田氨挥发不仅造成肥料大量损失, 而且污染大气环境[1-3]。在农业领域, 高效、简便、环境友好的清洁生产模式得到广泛关注[4]。目前, 在全球范围内, 平均18%的氮肥因氨挥发而损失[5-6]。而在华北平原高强度农业生产过程中过量施肥现象普遍存在[7]。研究表明, 施入土壤中的氮肥会有1%~47%通过氨挥发损失[8-10]。因此, 减少农业氨挥发非常迫切, 而优化施肥措施是降低农田氨挥发的关键技术之一[11]。前人针对农田氨减排进行了大量研究, 许多学者研究证明抑制剂添加[12-14]、氮肥减量[15-17]、表施结合灌溉[9]等措施都能一定程度上降低氨挥发。近年来控释肥发展非常迅速, 控释肥既可使养分释放与作物需求基本同步, 又能降低氮肥损失, 是解决当前农田氨挥发损失的理想肥料。为进一步降低农田氨排放、简化农业管理, 控释肥深施成为一种有前景的施肥措施[18-19]。早在1995年吴景贵等[20]提出玉米()深施技术, 近年来, 一些学者在玉米、小麦()和水稻()等作物上对氮肥深施进行尝试探究[21-23], 结果表明深施对降低农田氨挥发有明显作用; Tauchnitz等[24]和Webb等[25]对欧洲壤土通过注射施肥研究表明, 注射可以提高氮肥利用率, 改善硝酸盐浸出和温室气体挥发对环境造成的有害影响。然而目前国内外关于小麦-玉米轮作体系氮肥深施缺乏周年系统性研究。本研究通过田间原位监测, 探讨氮肥深施条件下小麦-玉米轮作下土壤氨挥发损失率、氨挥发特征, 明确氮肥深施减少土壤氨排放的效果, 为冬小麦-夏玉米轮作体系的保产减排措施提供数据支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于中国科学院栾城农业生态系统试验站, 海拔50.1 m, 属于半湿润半干旱季风气候区, 年平均气温12.3 ℃, 全年降雨集中在夏季, 年均降水量480.7 mm。供试土壤为潮褐土, 肥力较高, 土壤理化性质如下: 土壤容重1.33 g∙cm−3, 土壤pH 8.0, 有机质含量15 g∙kg−1, 土壤全氮1.01 g∙kg−1, 速效磷9.3 mg∙kg−1, 速效钾95.6 mg∙kg−1。耕作制度为冬小麦-夏玉米轮作。小麦底肥和追肥期间平均气温分别为17 ℃和21 ℃左右, 玉米底肥和追肥期间平均气温分别为33 ℃和36 ℃左右。

1.2 试验处理

试验于2018—2019年冬小麦-夏玉米季进行, 进行了两个作物生长季底肥和追肥共计4次氨挥发测定。试验采用随机区组设计, 设置5个处理, 分别为: 对照(CK)、常规肥料表施(T1)、缓释肥表施(T2)、缓释肥基追肥分层深施(T3)、缓释肥一次性分层深施(T4)。T1和T2采用均匀撒施; T3和T4的氮肥采用先进的施肥机按照1∶1的比例分5~10 cm和15~20 cm两个层次深施; 一次性深施(T4)指把整个生育期的肥料在播种时分层深施, 后期不再追肥; 表施和分层深施处理施肥量与相应的农户常规施肥量相同。小麦播种前灌溉, 然后施肥播种; 追肥时间为返青期, 施肥后灌溉。玉米先施底肥播种, 后灌溉; 追肥时期为大喇叭口期前, 施肥后灌溉。本研究以不施肥(CK)和农民传统的氮素管理方式(常规肥料表施, T1)作为对照, 3种优化施肥方式作为研究处理。冬小麦于2018年10月14日机器播种, 行距为15 cm, 播种量为90 kg∙hm−2; 夏玉米于2019年6月16日机器播种, 行距60 cm, 株距35 cm。每个小区面积25 m2, 每个处理4次重复, 所有处理均不额外增施磷钾肥。各处理施肥方式及施肥量如表1所示。供试缓释尿素是脲酶抑制剂尿素, 河南心连心化肥有限公司生产; 供试缓释复合肥为腐殖酸类复合肥。供试冬小麦品种为‘栾麦7号’, 夏玉米品种为‘郑丹958’。

表1 不同处理的冬小麦-夏玉米轮作体系施肥方式及施肥量

1.3 氨气的捕获方法

采用动态箱法收集氨气。动态箱长30 cm, 宽20 cm, 高10 cm, 由有机玻璃制成, 由抽气管、动态箱、抽气泵、连接管、吸收装置等几部分组成。抽气管高度大概2 m, 以避免抽取高浓度的冠层空气, 吸收装置采用硼酸吸收法。动态箱上方有两个孔, 大孔是进气口, 小孔是出气口。其工作原理为抽气泵通过抽气管将空气从动态箱一侧的进气口吸入动态箱中, 经过密封的地表, 然后从动态箱出气口流出, 流出的混合气体进入经乳胶管连接的硼酸吸收液, 最终被硼酸吸收, 吸收过的废气通过硼酸吸收瓶的出气孔排出, 如此两个小时为一个周期进行测定[26]。

表施处理动态箱放置在作物行间; 深施处理动态箱放置在施肥带上, 通过转换计算得出单位面积氨挥发通量。根据以往经验, 每天上午9:00—11:00时测定值可基本代表全天氨挥发通量平均值[27], 本试验在下午14:00—16:00增加一次测定, 取平均值代表全天氨挥发通量。氨挥发检测周期持续至施肥区氨挥发通量与对照区无差别为止, 一般7~10 d, 视现场监测情况而定。

1.4 测定项目和方法

1.4.1 土壤氨挥发测定

根据动态箱法原理, 即仅考虑流入和流出采样箱的气体NH3浓度以及采样箱底面积计算氨挥发通量[28], 计算公式为:

=×0.021×0.014÷0.06×104×12÷103(1)

式中:为氨挥发通量, 单位为kg(N)∙hm-2∙d-1;为滴定用硫酸的体积, mL; 0.021为滴定用硫酸的当量浓度; 0.014为氮原子的相对原子质量, kg∙mol-1; 0.06为动态箱的截面积, m2; 104为面积转换系数; 12为24 h与日氨挥发收集时间2 h的比值; 103为质量转换系数。

氨挥发累积挥发量为取样时间内氨挥发通量对时间的积累, 计算公式为:

12+F(2)

式中:为氨挥发测定期间内累积挥发量, 单位为kg(N)∙hm-2;F为第天的氨挥发通量, 单位为kg(N)∙hm-2∙d-1。

1.4.2 单位产量氨排放强度

根据邬刚等[29]的研究单位产量氨排放强度计算公式为:

=/(3)

式中:为单位产量氨排放强度(以N计, 下同), kg(N)∙t-1;为单位面积氨挥发总量, kg(N)∙hm-2;为单位面积作物产量, t∙hm-2。

1.4.3 表层土壤样品采集与测定

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行计算和统计, 采用SPSS 20.0软件中Duncan法进行差异显著性分析(=0.05), 采用OringinPro 2018软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 氨挥发通量挥发特征

小麦-玉米轮作体系不同施肥时期各施肥处理土壤氨挥发通量如图1所示。在各测定时期, CK处理氨挥发通量均保持较低且相对稳定的状态。小麦底肥季各施肥处理氨挥发通量变化趋势基本相同, 都在施肥后的第3 d达挥发峰值, 随后逐渐降低。其中, T1处理的NH3挥发峰值最高, 为0.55 kg(N)∙hm−2∙d−1; T2其次, 峰值为0.35 kg(N)∙hm−2∙d−1。与T1相比, T3和T4均能降低NH3挥发, 其峰值分别为0.19 kg(N)∙hm−2∙d−1和0.20 kg(N)∙hm−2∙d−1。小麦追肥季氨挥发通量明显低于小麦底肥时期。追肥季T1处理首先达挥发高峰, 且峰值高于另外两个缓释肥处理(T2和T3)。T2和T3处理氨挥发通量变化比较一致, 均在施肥后的第4 d达挥发高峰, 分别为0.11 kg(N)∙hm−2∙d−1和0.17 kg(N)∙hm−2∙d−1。追肥第6 d T1处理出现第2个挥发高峰, 而T2、T3几乎没有氨挥发。

玉米底肥季T1处理氨挥发通量极大, 在施肥后第2 d首先达挥发高峰, 为1.01 kg(N)∙hm−2∙d−1; 另外3个缓释肥处理氨挥发通量比较低[均低于0.30 kg(N)∙hm−2∙d−1]。追肥季T1处理在施肥后第3 d达挥发高峰, 而缓释肥处理(T2、T3和T4)在整个施肥阶段氨挥发通量均较低。

图1 不同施肥处理下冬小麦-夏玉米轮作体系不同施肥时期氨挥发通量变化(a、b、c、d分别为小麦底肥、小麦追肥、玉米底肥、玉米追肥氨挥发通量变化情况; CK、T1、T2、T3、T4含义见表1)

2.2 氨挥发累积量特征

表2为不同施肥模式周年氨挥发累积量。从生长季看, 小麦底肥季T1处理的累积挥发量最高, 为1.05 kg(N)∙hm−2, 占施氮量的0.97%; 与T1处理相比, T2处理减排效果不显著; 而T3和T4能显著降低氨挥发, 氨减排率分别为58.76%、78.35%。追肥季T1处理的氨累积挥发量最高, 为1.00 kg(N)∙hm−2, 占施氮量的0.83%; 控释肥表施(T2和T3)与T1处理相比氨挥发分别减少67.00%和39.00%, 差异均达显著水平(<0.05); 而缓释肥表施(T2)与缓释肥分层深施(T3)之间减排效果没有明显差异。

玉米季底肥T1处理累积挥发量最高, 为1.41 kg(N)∙hm−2, 占施氮量的1.17%; 其次是T2, 累计挥发量达0.68 kg(N)∙hm−2; 深施处理(T3和T4)累积挥发量极低, 占施氮量的0.15%左右, 减排85.00%以上; 与T1相比, T2、T3、T4减排效果显著。追肥季T1处理累积挥发量极高; T2处理显著降低, 占施氮量的3.44%; 而T3处理氨挥发损失量极低, 与T1相比氨挥发减排93.00%以上。

总体来看, 常规肥料表施(T1)周年氨挥发损失量最高, 占施氮量的4.86%; 玉米追肥季是农田氨挥发潜力最大的时期, 该时期挥发量占周年氨挥发量的84.84%; 缓释肥表施(T2)周年氨挥发损失量其次, 占施氮量的1.31%左右; 而缓释肥深施(T3、T4)周年氨挥发损失量极低, 分别占施氮量的0.48%、0.16%。

表2 不同施肥处理冬小麦-夏玉米氨挥发总累积量及损失率

同行不同小写字母表示处理间在<0.05水平差异显著。CK、T1、T2、T3和T4含义见表1。Different small letters in the same row indicate significant differences among treatments at<0.05 level. The meanings of CK, T1, T2, T3and T4are shown in the table 1.

2.3 不同施肥模式表层土壤铵态氮、硝态氮和pH变化

氮肥深施能够显著降低表层土壤中铵态氮含量。T3和T4在小麦底肥季(图2a, b, c)和玉米底肥季(图2g, h, i)施肥深度在5 cm以下, 表层土壤的铵态氮、硝态氮和pH几乎没有变化。小麦底肥季T1、T2处理施肥后铵态氮含量在氨挥发通量达峰值的次日(施肥后4 d)达到峰值(图2a)。而小麦追肥季, T3处理采用液体肥注射深施随后灌溉, 可能由于灌溉水冲刷的作用在0~5 cm深度土层检测到表层土壤铵态氮、硝态氮和pH发生明显变化(图2d, e, f); 图2d和图2e表明, 缓释尿素注射深施时, 前期表层土铵态氮和硝态氮含量较低, 后期快速升高, 但是由于抑制剂的作用, 铵态氮主要转化为硝态氮, 故氨挥发通量较低。

玉米底肥季T1处理肥料分解速率较快, 表层土壤铵态氮含量在施肥第2 d达峰值; 而T2处理表层土壤铵态氮、硝态氮含量较低(图2g, h)。追肥季表施处理变化趋势一致, 均在施肥第3 d达分解高峰; 而T3处理与CK相比表层土壤铵态氮含量略有提高, 可能由于蒸腾作用深层土壤中的铵态氮随土壤水向上流动(图2j)。总体看小麦季铵态氮含量略大于相应的硝态氮含量, 玉米季硝态氮含量远远大于相应的铵态氮含量。

小麦/玉米轮作体系表层土壤pH在施肥后肥料分解释放铵态氮过程中pH略有升高, 随后开始降低, 在硝态氮含量达到峰值前后达最低值, 随着作物对土壤中各种离子的吸收利用, 土壤pH又逐渐升高。

2.4 作物产量和单位产量氨排放强度

不同施肥处理周年作物产量如表3所示。缓释肥深施增加作物产量。与常规肥料表施(T1)相比, 小麦季缓释肥深施处理(T3、T4)分别增产8.61%、9.60%, 玉米季分别增产9.67%、6.57%。采用缓释肥表施(T2)小麦产量没有变化而玉米产量略有降低。从全年总产量来看, 整个小麦-玉米周期均采用缓释肥分层深施(T3)产量最高, 为14.42 t∙hm−2, 与常规肥料表施(T1)相比增产9.25%, 其次是缓释肥一次性层深施处理(T4), 增产7.75%。缓释肥表施(T2)全年产量略有减少, 但未达显著水平。单位产量氨排放强度(用表示, 下同)指生产单位籽粒产量的氨排放量, 目前用来表示农业生产对环境的影响。常规肥料表施(T1)值最高, 为1.72 kg(N)∙t−1; 与T1相比, 全年采用缓释肥表施(T2)显著降低值, 而释肥深施(T3、T4)不仅能够增加产量, 而且值分别降低90.70%、97.67%, 差异达极显著水平。

图2 冬小麦季和夏玉米季施肥后表层土壤、和pH变化情况(图a、b、c为小麦底肥, d、e、f为小麦追肥, g、h、i为玉米底肥, j、k、l为玉米追肥)

CK、T1、T2、T3和T4含义见表1。The meanings of CK, T1, T2, T3and T4are shown in the table 1.

表3 冬小麦-夏玉米轮作体系不同施肥处理氨挥发总量、总产量及单位产量氨排放强度

同列不同小写字母表示处理间在<0.05水平差异显著。CK、T1、T2、T3和T4含义见表1。Different small letters in the same column indicate significant differences among treatments at<0.05 level. The meanings of CK, T1, T2, T3and T4are shown in the table 1.

3 讨论与结论

3.1 施肥方式对氨挥发的影响

深施主要通过降低表层土壤铵态氮含量而降低氨挥发。许多研究表明, 氮肥深施是提高氮肥利用率最有效的途径[40-41]。本研究缓释肥基追肥分层深施(T3)周年氨挥发损失量占施氮量的0.48%, 与常规肥料表施(T1)相比减排90.11%, 与缓释肥表施(T2)相比减排63.53%。小麦追肥季T3氨挥发损失量低于T1但高于相应的缓释肥表施(T2)。可能因为注射处理所用的肥料是液体肥, 液体肥容易与脲酶发生反应分解成铵态氮[42], 加之注射深度较浅, 施肥较集中, 灌溉之后表层土流失, 导致更容易挥发。因此田间实际注射深施时应适当增加注射深度。玉米追肥季是氨挥发损失量最大的阶段[37,43-45], 该研究通过缓释肥一次性分层深施(T4)免去玉米追肥, 避开了高氨挥发期, 相对于缓释肥基追肥分层深施(T3)氨挥发损失率降低6.99%, 减排效果最佳。全年都采用一次性深施处理, 表层土壤几乎测定不到土壤铵态氮、硝态氮和pH的变化, 氨挥发损失量可忽略不计, 这与Rochette等[46]的研究结果相同。

3.2 施肥方式对单位产量氨排放强度的影响

资源高效利用和环境友好的生产模式是粮食生产的方向。本研究发现, 改善施肥措施不仅可以显著降低氨挥发损失还能保证产量。缓释肥深施(T3、T4)增产效果高于缓释肥表施(T2)处理。Xia等[47]研究表明深施主要通过促进作物后期的生长发育而提高产量。缓释肥深施一方面能有效地降低肥料因氨挥发造成的损失, 另一方面能够使肥料缓慢释放, 满足产量形成关键期对肥料的需求[41,48-50]。由于深施能极大地降低氨挥发损失量、提高作物产量, 因此缓释氮肥深施(T3、T4)比缓释肥表施(T2)更加显著地降低单位产量氨排放强度。目前劳动力短缺已严重制约我国农业生产[51], 氮肥深施不仅实现了机械化, 而且单位产量氨排放强度非常低, 是一种高效、清洁的生产模式。

4 结论

缓释肥周年深施能降低90.11%~97.32%的氨排放, 增产7.75%~9.25%, 降低单位产量氨排放强度90.00%以上。土壤氨挥发主要发生在玉米追肥期, 通过缓释肥深施或缓释肥表施能够降低94.71%或78.61%的氨挥发损失; 而通过缓释肥一次性分层深施能避开土壤氨排放高潜力期。缓释肥深施作为一种高效、简便、环境友好的施肥方式, 可以显著降低土壤氨挥发、保证作物产量。

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The effects of deep application of nitrogen fertilization on ammonia volatilization in a winter wheat/summer maize rotation system in the North China Plain*

HU Manman1,2, DONG Wenxu1, WANG Wenyan1, Gokul Gaudel1,2, Peter Mosongo1,2, HU Chunsheng1,2**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Soil Ecology, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The deep application of nitrogen fertilizers can reduce soil ammonia volatilization, but no annual systematic study in a winter wheat/summer maize rotation system exists. Nitrogen fertilizer was deeply applied to soil from a winter wheat/summer maize rotation system to determine the effects on ammonia emissions and optimize farmland fertilization. Five treatments were used from October 2018 to October 2019: no fertilization (CK), conventional fertilizer surface-application (T1), slow-release fertilizer surface-application (T2), twice layered deep-application of slow-release fertilizer (T3), and single layered deep-application of slow-release fertilizer (T4). Ammonia volatilization primarily occurred in the corn top-dressing season and accounted for 84.84% of the annual ammonia volatilization. The cumulative amounts of annual ammonia volatiles were 22.75 (T1), 6.17 (T2), 2.25 (T3), and 0.55 kg·hm−2(T4), accounting for 4.86%, 1.32%, 0.48%, and 0.16% of the total fertilizer application, respectively. The slow-release fertilizer treatments reduced the ammonia volatilization loss by 72.88% (T2), 90.11% (T3), and 96.30% (T4) compared to T1. The single deep application treatment (T4) avoided the summertime high soil ammonia volatilization period, and the cumulative annual ammonia emissions were comparable to the unfertilized emissions (0.43 kg·hm−2). The annual yields were 8.31 (CK), 13.20 (T1), 12.66 (T2), 14.42 (T3), 14.22 (T4) t·hm−2; and compared with T1, the slow-release fertilizer deep application increased the crop yield by 9.25% (T3) and 7.75% (T4). The surface application of slow-release fertilizer (T2) slightly decreased the yield but significantly reduced the ammonia volatilization amount. In conclusion, the deep application of slow-release nitrogen fertilizer improved crop yield and reduced soil ammonia emissions, and was shown to be a simple, efficient, and environment-friendly fertilization method.

Ammonia volatilization; Nitrogen deep application; Ammonia discharge per unit output; Slow-release fertilizer; Winter wheat-summer maize rotation

S143.1

10.13930/j.cnki.cjea.200290

胡瞒瞒, 董文旭, 王文岩, Gokul Gaudel, Peter Mosongo, 胡春胜. 华北平原氮肥周年深施对冬小麦-夏玉米轮作体系土壤氨挥发的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(12): 1880-1889

HU M M, DONG W X, WANG W Y, GAUDEL G, MOSONGO P, HU C S. The effects of deep application of nitrogen fertilization on ammonia volatilization in a winter wheat/summer maize rotation system in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(12): 1880-1889

* 国家重点研发计划项目(2018YFC0213300, 2017YFD0800601)和国家自然基金项目(31570442)资助

胡春胜, 主要从事农田生态系统碳氮水循环和土壤生态过程研究。E-mail: cshu@sjziam.ac.cn

胡瞒瞒, 主要研究方向为农田生态系统氨减排。E-mail: 2572083047@qq.com

2020-04-17

2020-07-29

* This study was supported by the National Key R&D Program of China (2018YFC0213300, 2017YFD0800601), and the National Natural Science Foundation of China (31570442).

, E-mail: cshu@sjziam.ac.cn

Apr. 17, 2020;

Jul. 29, 2020