免耕條件下控釋肥對(duì)麥季氧化亞氮排放的影響

張?jiān)婪迹?鄭建初， 周 煒， 胡宇容， 王 鑫， 盛 婧， 陳留根

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心，江蘇 南京 210014)

二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)是與全球氣候變化關(guān)系密切的溫室效應(yīng)氣體［1］，其中N2O的單位質(zhì)量全球增溫潛勢(shì)(GWP)最高，100 a尺度上是CO2的298倍［2］。大氣中N2O的體積分?jǐn)?shù)已由工業(yè)革命前的2.70×10-7提高到目前的3.24×10-7［2］，并以每年0.2% ～0.3% 的速率增長［3］。農(nóng)田是大氣N2O的重要來源，施用化肥(尤其是氮肥)是農(nóng)田N2O排放量增加的原因之一，全球每年因施用化學(xué)氮肥產(chǎn)生的N2O約1.5×106t，占人類活動(dòng)向大氣輸入N2O量的44%和每年向大氣輸入N2O總量的13%［4］。有學(xué)者指出，化學(xué)氮肥施用量的逐年增加已成為中國農(nóng)田N2O排放量逐年上升的主要因素［5-7］，因此，如何減少因氮肥施用而產(chǎn)生的N2O排放對(duì)于緩解全球氣候變暖顯得極為迫切。

控釋肥是目前國內(nèi)外肥料研究的熱點(diǎn)，前人關(guān)于控釋肥對(duì)作物產(chǎn)量及其肥料利用率的影響已有大量研究［8-11］，關(guān)于控釋肥影響農(nóng)田N2O氣體排放方面，大多數(shù)研究者認(rèn)為，控釋肥的施用減少了農(nóng)田氮肥施用后N2O的直接排放，以及因氮肥的滲漏和徑流損失而間接引起的N2O排放［12-14］，也有研究顯示施用控釋肥增加了N2O排放［15］或者沒有顯著影響［16-17］。免耕是保護(hù)性耕作最主要的技術(shù)之一，省工節(jié)本優(yōu)勢(shì)明顯［18-19］，在南方稻麥兩熟農(nóng)田，免耕主要應(yīng)用于冬小麥生長季［20-21］，但迄今為止免耕條件下控釋肥對(duì)稻麥兩熟農(nóng)田麥季N2O排放的影響未見報(bào)道。為此，本研究選取長江下游典型稻麥兩熟高產(chǎn)農(nóng)田為對(duì)象，對(duì)免耕條件下不同肥料處理的麥季N2O排放動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期為合理施肥和發(fā)展農(nóng)田免耕技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2012年11月至2013年6月在江蘇省常熟市蘇州現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)(31°33'N，120°37'E)進(jìn)行，該區(qū)主要為水稻-冬小麥兩熟制。試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒駶櫺约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫15.5℃，年降水量為1 042 mm，日照2 130 h，太陽輻射4.94×105J/cm2，無霜期242 d。試驗(yàn)期間的降水量和日均溫見圖1。試驗(yàn)區(qū)稻田土壤類型屬烏柵土，試驗(yàn)前耕層(0～20 cm)土壤容重1.2 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量32.4 g/kg，全氮含量1.7 g/kg，速效磷含量9.8 g/kg，速效鉀含量96.6 mg/kg，pH值6.3(水土比2.5∶1.0)。

采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理4個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2，肥料品種試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理:碳酸氫銨處理(碳酸氫銨由張家港市華昌化工股份有限公司生產(chǎn)，氮含量17.0%，)、尿素處理(尿素由四川美豐化工股份有限公司生產(chǎn)，氮含量46.4%，)、復(fù)合肥處理(復(fù)合肥由中國農(nóng)資集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，氮、五氧化二磷、氧化鉀含量均為16.0%)、Osomcote控釋肥處理(Osomcote控釋肥由美國Scotts公司生產(chǎn)，5～6個(gè)月型樹脂包膜復(fù)合肥，氮、五氧化二磷、氧化鉀含量分別為14.0%、13.0%和13.0%)、Nutricote控釋肥處理(Nutricote控釋肥由日本Chisso-Asahi株式會(huì)社生產(chǎn)，180 d型樹脂包膜復(fù)合肥，氮、五氧化二磷、氧化鉀含量均為13%)和無氮對(duì)照，各處理氮、五氧化二磷、氧化鉀施用量均為210 kg/hm2，五氧化二磷和氧化鉀不足部分施入等量的過磷酸鈣和氯化鉀。

麥季供試品種為揚(yáng)麥14號(hào)，2012年11月11日稻田免耕套種小麥(2012年11月14日機(jī)收水稻)，播種量150 kg/hm2，碳酸氫銨、尿素、復(fù)合肥于2012年11月15日撒施基肥(占總肥量60%)，次年的3月3日撒施拔節(jié)肥(占總肥量40%);Osomcote控釋肥和Nutricote控釋肥作為基肥于2012年11月15日一次性施入土壤。小麥生長期無灌溉，其他田間管理措施參照當(dāng)?shù)匾话愀弋a(chǎn)田，于2013年6月4日收獲小麥。

1.2 樣品采集與分析

N2O氣樣采集與分析采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法。聚氯乙烯采樣箱(購自中國科學(xué)院南京土壤研究所)外部包有薄海綿和鋁箔膠帶，防止太陽照射導(dǎo)致箱內(nèi)溫度變化過大。冬小麥生長季每周采氣1次(春節(jié)期間除外)，施肥之后3周每周采氣2次，采樣時(shí)間在8∶00～10∶00。采氣樣前打開采樣箱內(nèi)頂部2個(gè)小風(fēng)扇以充分混勻箱內(nèi)氣體，采集氣樣時(shí)，將采樣箱垂直安放在底座5 cm深的凹槽內(nèi)并加水密封，每隔10 min采一次樣，共4次。

圖1 試驗(yàn)期間的降水量和日均溫Fig.1 Daily precipitation and average daily temperature during w inter wheat-grow ing season

每周取耕層0～20 cm的土樣，充分混勻后用2 mol/L KCl浸提新鮮土樣的有效氮和，土水比為1∶5)，用Skalar連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。小麥?zhǔn)斋@期，每小區(qū)取長勢(shì)均勻的1 m2樣方2個(gè)，收獲脫粒后烘干計(jì)產(chǎn)(冬小麥籽粒產(chǎn)量以15%水分計(jì))。

氣樣中的N2O體積分?jǐn)?shù)采用帶有63Ni電子捕獲檢測(cè)器的Agilent7890A氣相色譜測(cè)定，分離柱為Porapak Q填充柱(80/100目)，柱溫60℃，檢測(cè)溫度為300℃，載氣為95%氬氣+5%甲烷，流速40 ml/min。氣體排放通量采用下式計(jì)算:

式中F為氣體排放通量［mg/(m2·h)］，ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的密度(kg/m3)，h是采樣箱的凈高度(m)，dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)氣體的濃度變化率，273為氣態(tài)方程常數(shù)，T為采樣過程中采樣箱內(nèi)的平均溫度(℃)。

N2O排放系數(shù)(以N2O-N形式排放的氮素占施入氮肥的百分率)按下式計(jì)算:

N2O排放系數(shù)=(Tn-T0)/44×28/施氮量×100%［23］

式中:Tn為施氮處理N2O排放總量，T0為不施氮處理N2O排放總量。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，N2O排放通量用每次觀測(cè)4個(gè)重復(fù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示，季節(jié)平均排放通量是將4個(gè)重復(fù)的觀測(cè)值按時(shí)間間隔加權(quán)平均后再平均。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS11.5統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和和多重比較(Duncan’s法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋肥對(duì)麥季土壤有效氮季節(jié)變化的影響

從圖2可以看出，在整個(gè)小麥生長期間各肥料處理的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)變化，不施氮肥的對(duì)照處理麥季土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量始終維持較低水平。除對(duì)照外，其他處理的銨態(tài)氮含量均在2013年1月23日達(dá)到最大值(10.6～39.2 mg/kg)，施用Osomcote控釋肥處理在2013年4月14日又出現(xiàn)土壤銨態(tài)氮含量增加的小高峰。在小麥播種后1個(gè)月內(nèi)普通肥料(碳酸氫銨、尿素和復(fù)合肥)處理的土壤硝態(tài)氮含量迅速增加，顯著高于施用控釋肥(Osomcote和Nutricote控釋肥)處理，此后至施用拔節(jié)肥土壤硝態(tài)氮含量有明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)施用拔節(jié)肥后其含量在迅速上升后再次下降，而施用Osomcote和Nutricote控釋肥處理在返青時(shí)土壤硝態(tài)氮含量保持在較高水平，Osomcote控釋肥處理在2013年4月14日后的1個(gè)月時(shí)間里土壤硝態(tài)氮含量明顯高于其他處理。

2.2 控釋肥對(duì)麥季氧化亞氮排放通量季節(jié)變化的影響

在小麥生長期間，不同處理下農(nóng)田氧化亞氮排放通量的變化趨勢(shì)較為相似(圖3)。各處理均在2012年11月23日出現(xiàn)氧化亞氮排放最大高峰，碳酸氫銨、尿素、復(fù)合肥、Osomcote控釋肥和Nutricote控釋肥處理及對(duì)照的氧化亞氮排放峰值分別 為 487.6μg/(m2·h)、529.3 μg/(m2·h)、613.8μg/(m2·h)、408.6 μg/(m2·h)、321.4μg/(m2·h)和 257.9 μg/(m2·h)，施氮肥處理明顯提高了氧化亞氮排放峰值，控釋肥(Osomcote和Nutricote控釋肥)處理的氧化亞氮排放峰值顯著低于普通肥料(碳酸氫銨、尿素和復(fù)合肥)處理。各處理的排放高峰在持續(xù)3～7 d后，其氧化亞氮排放通量逐漸下降并維持較低水平直到小麥?zhǔn)斋@，即使施用普通肥料(碳酸氫銨、尿素和復(fù)合肥)于次年的3月3日撒施拔節(jié)肥后，也未觀測(cè)到明顯的氧化亞氮排放高峰。

圖2 麥季土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The variation of soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents during w inter wheat-grow ing season

圖3 麥季氧化亞氮排放通量的季節(jié)變化Fig.3 The variation of nitrous oxide fluxes during winter wheat-growing season

2.3 控釋肥對(duì)麥季不同生育階段氧化亞氮累積排放量影響

為進(jìn)一步分析比較不同處理氧化亞氮排放的差異，明確控釋肥對(duì)小麥生長季氧化亞氮排放的影響，將小麥全生育期分為播種至越冬始期、越冬始期至返青期、返青至抽穗期、抽穗至成熟期4個(gè)階段。圖4顯示，不同肥料處理下小麥不同生育階段氧化亞氮累積排放量均以播種至越冬始期為最大，此階段氧化亞氮累積排放量占全生育期總排放量的50%～73%，說明氧化亞氮排放量主要集中在小麥生育前期。不同肥料處理對(duì)小麥不同生育階段氧化亞氮累積排放量有極顯著影響，在氧化亞氮累積排放量最大的播種至越冬始期，以復(fù)合肥處理的氧化亞氮累積排放量(1.68 kg/hm2)為最高，與尿素處理(1.48 kg/hm2)無顯著差異，但均高于其他處理，尿素與碳酸氫銨(1.29 kg/hm2)處理差異不大，但顯著高于 Osomcote控釋肥處理(1.23 kg/hm2)、Nutricote控釋肥處理(0.74 kg/hm2)和對(duì)照(0.48 kg/hm2)，碳酸氫銨和Osomcote控釋肥處理顯著高于Nutricote控釋肥處理和對(duì)照，Nutricote控釋肥處理顯著高于對(duì)照，說明氮肥施用顯著增加了播種至越冬始期的氧化亞氮累積排放量，施用控釋肥特別是Nutricote控釋肥能減少此階段氧化亞氮排放量。在越冬始期至返青期，以碳酸氫銨處理的氧化亞氮累積排放量(0.44 kg/hm2)為最高，與復(fù)合肥處理無顯著差異，但顯著高于其他處理，復(fù)合肥處理顯著高于尿素處理、對(duì)照和Osomcote控釋肥處理，Nutricote控釋肥和尿素處理均顯著高于對(duì)照和Osomcote控釋肥處理。在返青至抽穗期，尿素處理的氧化亞氮累積排放量(0.32 kg/hm2)顯著高于其他處理，復(fù)合肥處理顯著高于碳酸氫銨和Osomcote控釋肥處理，對(duì)照和Nutricote控釋肥處理顯著高于Osomcote控釋肥處理。抽穗至成熟期階段的氧化亞氮累積排放量以尿素處理(0.43 kg/hm2)為最高，顯著高于其他處理，Osomcote控釋肥處理顯著高于碳酸氫銨、復(fù)合肥和Nutricote控釋肥處理和對(duì)照。

圖4 小麥不同生育階段氧化亞氮的累積排放量Fig.4 Accumulative em issions of nitrous oxide at different growing periods during winter wheat-growing season

2.4 控釋肥對(duì)麥季氧化亞氮總排放量的影響

從小麥整個(gè)生育期氧化亞氮的總排放量來看，不同肥料處理對(duì)麥季氧化亞氮總排放量有極顯著影響(表1)，表現(xiàn)為尿素處理 ＞復(fù)合肥處理＞碳酸氫銨處理＞Osomcote控釋肥處理＞Nutricote控釋肥處理 ＞對(duì)照，分別為2.55 kg/hm2、2.39 kg/hm2、1.99 kg/hm2、1.70 kg/hm2、1.37 kg/hm2和 0.97 kg/hm2，尿素和復(fù)合肥處理間無顯著差異，但均顯著高于其他處理，碳酸氫銨、Osomcote控釋肥、Nutricote控釋肥與對(duì)照間的差異均達(dá)顯著水平，控釋肥(Osom cote控釋肥、Nutricote控釋肥)處理麥季氧化亞氮總排放量平均比普通含氮肥料(尿素、復(fù)合肥、碳酸氫銨)處理低34.00%，其中，Osomcote控釋肥處理較尿素、復(fù)合肥、碳酸氫銨處理分別減排氧化亞氮33.00%、29.00%和15.00%，Nutricote控釋肥處理較尿素、復(fù)合肥、碳酸氫銨處理分別減排46.00%、43.00%和31.00%。種植小麥過程中施用氮肥增加氧化亞氮總排放量是顯而易見的，施氮處理麥季氧化亞氮總排放量是對(duì)照的1.4～2.6倍，肥料氮通過氧化亞氮直接排放的損失率為0.12%～0.48%，控釋肥(Osomcote控釋肥、Nutricote控釋肥)處理的排放系數(shù)顯著低于普通肥料(碳酸氫銨、尿素、復(fù)合肥)處理。表明，施氮顯著增加麥季氧化亞氮總排放量，控釋肥較普通含氮肥料減排氧化亞氮的效果相當(dāng)明顯。

表1 各處理氧化亞氮季節(jié)總排放量及排放系數(shù)Table 1 Total emissions and emission coefficients of nitrous oxide during winter wheat-growing season in each treatment

2.5 控釋肥對(duì)小麥產(chǎn)量及單位產(chǎn)量氧化亞氮排放量的影響

從表1可以看出，含氮肥料施用后小麥籽粒產(chǎn)量顯著提高，產(chǎn)量表現(xiàn)為尿素處理＞復(fù)合肥處理＞碳酸氫銨處理＞Osomcote控釋肥處理＞Nutricote控釋肥處理 ＞對(duì)照，分別為6.23 t/hm2、6.13 t/hm2、5.84 t/hm2、5.02 t/hm2、4.79 t/hm2和3.21 t/hm2?？蒯尫?Osomcote控釋肥、Nutricote控釋肥)處理的小麥產(chǎn)量顯著低于普通含氮肥料(尿素、復(fù)合肥、碳酸氫銨)處理，平均減產(chǎn)19%，其中，Osomcote控釋肥處理較尿素、復(fù)合肥和碳酸氫銨處理分別減產(chǎn)19%、18%和14%，Nutricote控釋肥處理較尿素、復(fù)合肥和碳酸氫銨處理分別減產(chǎn)23%、22%和18%。單位產(chǎn)量氧化亞氮排放量以尿素、復(fù)合肥處理較高，顯著高于其他處理，碳酸氫銨、Osomcote控釋肥處理的單位產(chǎn)量氧化亞氮排放量顯著高于Nutricote控釋肥處理。說明施用控釋肥的小麥產(chǎn)量低于施用普通含氮肥料，綜合產(chǎn)量因素，施用Nutricote控釋肥有利于氧化亞氮減排。

3 討論

眾多報(bào)道證實(shí)，氮肥施用對(duì)農(nóng)田土壤氧化亞氮排放具有明顯的促進(jìn)作用［3，6-7］。本試驗(yàn)施氮條件下免耕小麥生長期間氧化亞氮總排放量明顯高于對(duì)照不施氮肥處理，這也證明含氮肥料的施用使農(nóng)田氧化亞氮總排放量顯著增加。本研究中，控釋肥料的施用能大大減少麥季氧化亞氮總排放量，這與黃國宏等［12］、Iain 等［13］、紀(jì)洋等［14］的 研究結(jié) 論一致，與 Yan 等［15］、李方 敏等［16］、丁洪等［17］的結(jié)果不同，這可能與試驗(yàn)條件和種植作物的不同有關(guān)。從本研究結(jié)果來看，不同肥料處理下小麥播種至越冬始期的氧化亞氮累積排放量占全生育期總排放量的50%～73%，控釋肥正是通過大幅減少這一階段的氧化亞氮累積排放量從而實(shí)現(xiàn)了麥季氧化亞氮總排放量的減排，其原因可能是施用控釋肥處理的土壤硝態(tài)氮含量在小麥播種后1個(gè)月內(nèi)顯著低于普通肥料。

控釋肥一般作為基肥一次性施用，其養(yǎng)分釋放速率很難與作物的需肥規(guī)律完全一致，而普通肥料的分次施用則是根據(jù)作物需肥規(guī)律來滿足其對(duì)養(yǎng)分的需求，因此本試驗(yàn)免耕條件下施用控釋肥的(Osomcote控釋肥和Nutricote控釋肥)小麥產(chǎn)量較施用普通含氮肥料(碳酸氫銨、尿素、復(fù)合肥)顯著減少，這與前人［8-10，14］的研究結(jié)論不完全一致。由于本研究中免耕小麥生長期間施用追肥并未出現(xiàn)明顯氧化亞氮排放高峰，而控釋肥能減少小麥前期的氧化亞氮累積排放量，因此，能否在控釋肥作基肥施用的基礎(chǔ)上再追施普通含氮肥料，以此來協(xié)調(diào)氧化亞氮減排和作物減產(chǎn)的矛盾。有關(guān)控釋肥和普通肥料配合施用尚待進(jìn)一步研究。

致謝: 本研究野外試驗(yàn)采樣過程中得到薛森、楊云、蔣晨楠、張俊、王準(zhǔn)等同學(xué)的幫助，在此表示感謝!

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