太湖地區(qū)直播稻田氮素滲漏損失試驗(yàn)研究

李勇,楊林章,殷廣德

(1河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210098;2中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇南京210008;3江蘇省土壤肥料技術(shù)指導(dǎo)站,江蘇南京210036)

直播水稻由于具有省工節(jié)時(shí)、高效穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)水抗災(zāi)等優(yōu)點(diǎn),目前被許多國家推廣采用[1-4]。隨著城市化進(jìn)程的加快和農(nóng)村勞動(dòng)力的減少,我國太湖流域江蘇、浙江、上海等地區(qū)越來越多地開始推廣旱直播水作水稻種植方式[5]。與傳統(tǒng)移栽水稻相比,直播水稻無育秧期和落黃、返青期,無移栽過程,整個(gè)生長過程都在同一田塊進(jìn)行。因而,在水肥管理上直播稻田與移栽稻田有所不同。旱直播水作水稻兼有旱地和水田的特征,為防止種子腐爛,在播種后15 d左右田間無積水,期間降水將被直接排出,待出苗5～10 cm左右再進(jìn)行灌溉。直播稻在肥料運(yùn)籌上,需適當(dāng)控制總氮量,幼苗期的生長需肥量較少,更注重中期對氮素養(yǎng)分的吸收[6]。張奇春等[7]在浙江省金華市對直播早稻優(yōu)化氮肥施用的田間試驗(yàn),認(rèn)為傳統(tǒng)的施肥技術(shù),特別是氮肥施用技術(shù),不適用于直播水稻;直播水稻在生育前期吸入體內(nèi)的N素主要用于營養(yǎng)生長,對中后期生殖生長的貢獻(xiàn)有限,中期施用氮肥不可忽視。倪竹如等[8]應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究了不同氮肥施用技術(shù)對直播水稻氮素吸收及其產(chǎn)量形成的影響,結(jié)果表明在氮肥用量相同的情況下,在施基肥的基礎(chǔ)上,追施苗肥、蘗肥和穗肥的施用技術(shù)能促進(jìn)直播稻均衡生長。Schnier等[9]和Biloni等[10]研究了尿素不同施用方法對傳統(tǒng)稻田和直播稻田中氮素循環(huán)的影響,發(fā)現(xiàn)灌溉施肥方案的不同造成了直播稻田和傳統(tǒng)稻田的氮素滲漏損失規(guī)律存在較大差異?？v觀國內(nèi)外已發(fā)表文獻(xiàn),主要集中在直播稻田氮肥施用技術(shù)的優(yōu)化方面,對其氮素流失研究不多,而專門針對旱直播稻田氮素滲漏特征研究更少。

隨著我國太湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐漸缺乏,直播水稻越來越成為替代傳統(tǒng)移栽水稻的有效種植方式。然而,旱直播水稻與傳統(tǒng)移栽水稻在灌溉和施肥制度上的差異,導(dǎo)致了田間氮素等養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化特征不同。為有效控制農(nóng)業(yè)氮素污染對淺層地下水的影響,加強(qiáng)對直播稻田氮素滲漏流失特征的研究,以太湖流域丹陽地區(qū)旱直播水稻代表性的灌溉施肥模式為基礎(chǔ),開展了對氮素的滲漏流失特征和通量的田間試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)位于江蘇省南部地區(qū)太湖流域丹陽市運(yùn)河鎮(zhèn),地處長江三角洲腹地,水稻是該地區(qū)的主要糧食作物。當(dāng)?shù)貙儆诒眮啛釒喜考撅L(fēng)氣候,溫、光、水協(xié)調(diào),四季分明,年平均氣溫15.4℃、日照時(shí)間2057.2 h、無霜期238 d、降水量1072.8 mm。田間土壤主要為粉砂土,具體理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the field experimental soil

丹陽地區(qū)大多為稻-麥輪作,每年6月上、中旬直播種植水稻,11月初收割,隨后種植冬小麥。本試驗(yàn)田面積為30 m×15 m,平分為3個(gè)10 m×15 m田塊作為重復(fù)。田埂筑高壓實(shí),盡量減少水肥的側(cè)滲、串流。水稻在6月8日播種,11月1日收割,歷時(shí)147 d。播種時(shí)田間表層土壤含水量在0.4 cm3/cm3左右,稻種和基肥均勻撒入田面,和剩余麥茬一起由機(jī)械翻耕時(shí)埋入土壤,翻耕深度為5 cm左右。

灌溉水引自附近河道,由電力灌溉。整個(gè)稻季的灌溉水量為470 mm,降水量為543.2 mm。施肥方案按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣設(shè)計(jì),基肥施復(fù)合肥(氮、磷、鉀含量各為15%),追肥施尿素(含氮為46%)?；省⒚绶?、蘗肥、穗肥分別在6月8日、6月28日、7月18日和8月20日施入,折合施氮量分別為:N 60、60、50、和50 kg/hm2。其中苗肥、蘗肥和穗肥由人工播撒,施肥時(shí)田間保持一定的水層。

1.2 樣品采集和分析方法

試驗(yàn)前在每個(gè)試驗(yàn)田塊設(shè)置1個(gè)滲漏水收集裝置,收集裝置由一個(gè)20 cm×30 cm的矩形盤平放于土壤表層以下40 cm處,用PVC管接出收集于采樣瓶中,田面有水時(shí)每2～5 d采樣1次,其他時(shí)間5～15 d采樣1次,記錄收集水量并做水質(zhì)分析。每個(gè)田塊分別在 20、40、60、80、100 cm 5 個(gè)不同深度埋設(shè)陶土頭管采集滲漏液。施肥后第1、3、5、7 d連續(xù)取樣4次,之后7～10 d取樣1次。采集的水樣經(jīng)酸化并低溫保存,供分析用。水樣中NO-3-N采用紫外分光光度法測定,NH+4-N采用納氏試劑比色法分析。

土壤中40 cm深度水分的下滲速率由收集的滲濾水體積除以相應(yīng)的時(shí)間天數(shù)和矩形盤面積獲得。氮素的下滲速率則為滲漏水中氮素的物質(zhì)量除以相應(yīng)的收集天數(shù),并轉(zhuǎn)換為單位面積后求得。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤剖面氮素濃度分布

肥料施入田間后迅速發(fā)生水解反應(yīng),部分氮素通過氨揮發(fā)進(jìn)入大氣。隨后銨態(tài)氮經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮,進(jìn)入表層土壤。圖1看出,各種深度氮素濃度的變化與施肥規(guī)律一致。水稻播種后至幼苗期(約2周),盡管基肥施入量較大,但由于田面無積水,下滲量少[11]。苗肥施入后在水流作用下氮素隨之運(yùn)移,20 cm處硝態(tài)氮濃度急劇上升,不同深度土壤中硝態(tài)氮的濃度均有較大幅度增加。盡管有研究顯示水稻幼苗期對氮素的吸收偏重于硝態(tài)氮形式[12-13],但總體吸收量較小。在 20、40、60、80和100 cm處硝態(tài)氮最大濃度值分別達(dá)到了36.9(施肥后第 3 d)、21.8(第 7 d)、19.4(第 9 d)、14.9(第9 d)和16.5 mg/L(第9 d)。60 cm以下土壤層中硝態(tài)氮在同一天達(dá)到最大值,可能與土壤剖面的滲透系數(shù)分布有關(guān)。當(dāng)土壤水分和氮素通過犁底層后,下滲速率增大[11],這在室內(nèi)土柱試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證。但在整個(gè)稻季,銨態(tài)氮的濃度變化卻較小,大量的銨態(tài)氮并未隨著滲漏水往下運(yùn)移,而是被土壤吸附和作物根系吸收利用,或經(jīng)氨揮發(fā)和硝化作用生成硝態(tài)氮[14-16]。

蘗肥和穗肥與苗肥的施入量和施入方法基本相同,但其后出現(xiàn)的硝態(tài)氮的濃度明顯降低,至10 mg/L以下。主要是播種時(shí)施入的基肥由于田面維持無水2周左右,期間復(fù)合肥并未完全水解,或者部分水解的銨態(tài)氮生成了硝態(tài)氮;表層土壤氧化性較好,反硝化作用較弱,在無水分運(yùn)移情況下硝態(tài)氮在土壤表層易產(chǎn)生累積,部分殘余基肥與剛施入的苗肥形成了疊加效應(yīng)。殷曉燕等[6]研究表明,直播水稻生育前期土壤表層氮大量累積,在灌水和降雨的影響下,向下層的遷移增加。說明旱直播稻田基肥施入后水稻幼苗期如遇較大暴雨易引起氮素的徑流和滲漏損失。隨著水稻生長,需氮量逐漸增加,大量的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮被水稻根系吸收,減少了相應(yīng)的滲漏損失。

施肥后田面水中銨態(tài)氮濃度較高,而硝態(tài)氮濃度較低,在所監(jiān)測分析范圍內(nèi)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮平均濃度分別約為7.89和1.50 mg/L。土壤中硝態(tài)氮的平均濃度從20 cm深度的8.41 mg/L下降到了40 cm深度的5.79 mg/L,60 cm的5.87 mg/L,80 cm的4.64 mg/L和100 cm的4.51 mg/L。水稻根系對氮素的吸收主要發(fā)生在0—20 cm土層,直播水稻則可能更淺[7];同時(shí),淹水條件下反硝化作用增強(qiáng)[11,17]。大量的銨態(tài)氮在田間水和0—20 cm土層中被揮發(fā)、作物吸收或轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮[17-18]。反硝化作用則主要發(fā)生在0—40 cm深度土壤層中,40 cm以下土壤中的反硝化作用越來越弱[17,19]。試驗(yàn)土壤剖面在40 cm深度附近存在的大量鐵錳氧化物,在一定程度上促進(jìn)了硝化—反硝化過程[20]。

2.2 氮素滲漏損失通量分析

水稻根系深度主要集中在表層土壤內(nèi),40 cm以下土壤中氮素基本不能被作物吸收利用。本試驗(yàn)稻田中氮素的滲漏損失通量以水稻根系深度范圍40 cm為界面進(jìn)行計(jì)算。如圖2所示,水稻田在干濕交替過程中水分的下滲速率發(fā)生較大的波動(dòng)。田間從干到濕的過程引起較大的水分下滲,特別是烤田期后首次灌溉,平均下滲速率達(dá)到9 mm/d以上;田間持續(xù)積水時(shí)平均滲漏速率約為6.4 mm/d。這與在太湖地區(qū)稻田的其他研究成果(0～10 mm/d)是基本一致的[15]。

從圖2和圖3可以看出,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在40 cm處下滲速率與施肥和降水及灌溉密切相關(guān)。銨態(tài)氮滲漏主要發(fā)生在施肥后數(shù)天內(nèi),下滲量較小。硝態(tài)氮的滲漏主要發(fā)生在苗肥施入后,最大滲漏速率達(dá)到153 mg/(m2?d)。隨著水稻生長需氮量的增加,蘗肥和穗肥施入后氮素在根區(qū)附近的滲漏流失量急劇減少,最大滲漏速率約為61 mg/(m2?d)。由圖3對時(shí)間進(jìn)行積分求和可得,整個(gè)稻季銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在40 cm深度土壤滲漏損失量為N 32.2 kg/hm2,其中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別約為N 3.8和28.4 kg/hm2。在太湖地區(qū),傳統(tǒng)移栽水稻的田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),氮素滲漏量(-80 cm)為N 4.6～ 28.0 kg/hm2,田間滲漏液(-80 cm)中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的濃度均較低[14-15,21-22]。這方面差異可能與水稻種植方式、土壤滲漏特性和灌溉施肥方案等密切相關(guān);同時(shí)淹水條件下40—80 cm土層的反硝化作用使部分硝態(tài)氮以氣態(tài)形式流失也是其中重要的原因之一。

圖1 直播稻田田面水和不同深度土壤溶液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度歷時(shí)分布Fig.1 Concentration change of ammonium-N and nitrate-N in standing water and soil solutions at different depths in the direct-seeding rice field

3 結(jié)論

1)直播稻田氮素滲漏主要發(fā)生在幼苗期,期間水稻對氮素的吸收利用少,并且施入的基肥不容易迅速水解,大部分仍然滯留在表層土壤,增大了首次灌溉或降水時(shí)氮素滲漏流失的風(fēng)險(xiǎn)。直播稻田應(yīng)以水稻生長需氮量為基礎(chǔ),適當(dāng)減少前期施肥量,充分利用基肥與苗肥的疊加效應(yīng),增加蘗肥和穗肥的比重,減小氮素滲漏流失。

2)稻田土壤中干濕交替的環(huán)境促進(jìn)了氮素的硝化—反硝化過程,特別是0—40 cm土壤層中,大部分已經(jīng)轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。土壤深度40 cm處硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度平均值分別為5.79和0.49 mg/L,硝態(tài)氮濃度最大值出現(xiàn)在苗肥施入后的第7 d,達(dá)到21.8 mg/L。而在80 cm深度硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的平均濃度分別約為N 4.64和0.49 mg/L,硝態(tài)氮的濃度最大值出現(xiàn)在施肥后第9 d,為14.9 mg/L。

3)以土壤深度40 cm為界面計(jì)算的氮素?fù)p失通量表明,整個(gè)稻季銨態(tài)氮和硝態(tài)氮滲漏損失量為N 32.2 kg/hm2,其中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別約為N 3.8和28.4 kg/hm2,硝態(tài)氮是氮素滲漏流失的主要形式。

圖2 稻季降水/灌溉量和田間40 cm深度土壤水分下滲速率歷時(shí)變化Fig.2 Distribution of the water leaching flux at soil depth of 40 cm and precipitation/irrigation during rice growing season

圖3 稻季40 cm深度土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮滲漏速率歷時(shí)變化Fig.3 Distribution of the leaching flux of ammonium-N and nitrate-N through the soil interface at depth of 40 cm during rice growing season

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