鄔 剛,袁嫚嫚,曹哲偉,張兆冬,王莉莉,王永露,孫義祥①
(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,安徽 合肥 230031;2.安徽省定遠(yuǎn)縣土壤肥料工作站,安徽 定遠(yuǎn) 233200)
水分和氮素是影響水稻新陳代謝和生長發(fā)育過程的兩個重要因素。我國水稻生產(chǎn)中水分消耗量和氮肥投入量均較大[1-3],但是兩者利用效率并不高,我國農(nóng)田灌溉水有效利用率僅為50%[4],水稻生產(chǎn)中化肥氮素利用效率僅為27.1%~35.6%[5-6]。不合理灌溉和施肥不僅會導(dǎo)致水和氮肥資源的浪費(fèi),還會造成農(nóng)業(yè)面源污染,危害生態(tài)環(huán)境[7-8]。因此,如何實(shí)現(xiàn)水肥資源高效利用是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需求。
節(jié)水灌溉是提高農(nóng)田水分利用效率主要途徑之一,目前常見的節(jié)水灌溉模式包括“淺、濕、曬”灌溉、間歇灌溉、控制灌溉和蓄水灌溉技術(shù)[9]。已有研究表明,與傳統(tǒng)淹水灌溉方式比較,采用節(jié)水灌溉方式有利于創(chuàng)造良好根系形態(tài)、提高根系活力[10],提高葉面積指數(shù)和高效葉面積率[11]等。此外,節(jié)水灌溉還可減少農(nóng)田氮素?fù)p失[12],有助于提高氮素利用效率[13]。近幾年,隨著我國化肥使用量零增長行動的推進(jìn),緩/控釋肥作為提高氮肥利用率的技術(shù)途徑在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。與普通尿素相比,施用緩/控釋肥能顯著增加水稻根干重、總根長、根系體積和根系傷流強(qiáng)度[14],減少氮素淋溶和氣態(tài)氮素?fù)p失[15],進(jìn)而增加水稻氮素利用率。
氨揮發(fā)是稻田氮肥氣態(tài)損失主要途徑,據(jù)統(tǒng)計(jì),稻田系統(tǒng)氨揮發(fā)損失可達(dá)總施氮量的9%~40%[16-18]。影響稻田氨揮發(fā)損失的因素主要有當(dāng)?shù)貧夂驐l件(溫度、光照和風(fēng)速等)、土壤性質(zhì)和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施等[19]。目前關(guān)于稻田氨揮發(fā)損失的研究主要針對單獨(dú)的氮肥管理或水分管理措施[20-23],而水氮耦合對稻田氨揮發(fā)損失影響的田間研究鮮有報(bào)道。因此,筆者通過田間試驗(yàn),設(shè)置不同水分和氮肥管理模式,明確水氮耦合條件下稻田氨揮發(fā)損失特征,并對控制灌溉和優(yōu)化施氮減少稻田氨揮發(fā)的效果進(jìn)行探討,以期為安徽省水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)于2016年在安徽省滁州市定遠(yuǎn)縣池河鎮(zhèn)青崗村進(jìn)行(32°33"N,117°52"E)。試驗(yàn)地位于江淮丘陵區(qū),屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫為14.9~15.7℃,年平均降水量為923~997 mm,耕作制度為稻麥輪作,土壤類型為黃褐土。0~20 cm土壤基本理化性質(zhì):pH值為6.60、w(有機(jī)質(zhì))為23.3 g·kg-1,w(全氮)為1.27 g·kg-1,w(速效磷)為25.9 mg · kg-1,w(速效鉀)為165.5 mg · kg-1。
試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),設(shè)置主區(qū)為水分管理,副區(qū)為氮肥管理。按灌水方式設(shè)2個主區(qū)(表1),分別為常規(guī)灌溉(W1):參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣管理模式,除分蘗末期和收獲前1周烤田落干外,其他生育期水稻田面水層深3~5 cm;控制灌溉(W2):淺水(深1~2 cm)移栽,栽后7 d內(nèi)田面水層深2 cm,保證秧苗返青,其他生育期稻田不保持水層,而根據(jù)土壤飽和含水率控制灌水量。每個主區(qū)按氮肥管理設(shè)4個副區(qū):不施氮肥(N0);在施氮量195 kg·hm-2基礎(chǔ)上,設(shè)置3個氮肥運(yùn)籌,即常規(guī)施肥1〔m(基肥)∶m(分蘗肥)∶m(穗肥)=5∶2∶3,肥料種類均為普通尿素,N1〕;常規(guī)施肥2〔m(基肥)∶m(分蘗肥)∶m(穗肥)=7∶0∶3,肥料種類均為普通尿素,N2〕;優(yōu)化施肥(普通尿素與緩釋尿素配施的一次性基施,普通尿素與緩釋尿素施用比例為7∶3,N3)。
表1 稻田生育期不同階段土壤水分管理方式Table 1 Water management of different irrigation management pattern in rice growth stages
磷鉀肥〔m(P2O5)∶m(K2O)=2.5∶3.0〕作為基肥一次性施入,P2O5施用量為75 kg·hm-2,K2O施用量為90 kg·hm-2,基肥施用深度為20 cm。普通尿素含氮量w為46%,緩釋尿素(釋放期為60 d,樹脂尿素含氮量w為44%),磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣〔w(P2O5)為 12%〕和氯化鉀〔w(K2O)為60%〕。分蘗肥和穗肥均為尿素。每個處理設(shè)3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,副區(qū)為5 m×7 m,小區(qū)間做埂隔離,并用塑料薄膜覆蓋埂體,保證每個小區(qū)單獨(dú)排灌。水稻品種為豐兩優(yōu)香1號,于2016年6月10日移栽,基肥(6月9日)于移栽前深施,分蘗肥(7月2日)和穗肥(8月2日)分別于移栽后22和52 d以撒施方式施入,9月28日收獲,水稻移栽時株距為20 cm,行距為26.7 cm。
1.3.1 水稻產(chǎn)量的測定
成熟期每個副區(qū)選定長勢均勻的10 m2作為水稻測產(chǎn)小區(qū),每個副區(qū)單打單收。稻谷曬干后測定質(zhì)量和含水量,實(shí)收產(chǎn)量以含水量w為13.5%折算。
1.3.2 田面水樣品采集與測定
常規(guī)灌溉處理每次施肥后,采用多點(diǎn)混合法,施肥后1周內(nèi)每天采集1次,1周后2 d采集1次,直至其NH4+-N濃度與對照區(qū)無差別為止。水樣過濾后,放于4℃冰箱保存,用納氏比色法測定其NH4+-N濃度。
1.3.3 表層土壤樣品采集與測定
控制灌溉處理每次施肥后,采用多點(diǎn)混合法采集0~10 cm土壤樣品,采集頻率與水樣一致。土壤樣品采集后集中放于4℃冰箱保存,經(jīng)0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提后采用流動分析儀測定NH4+-N含量。
1.3.4 氨排放通量測定
采用密閉室監(jiān)測稻田氨揮發(fā)通量[24]:密閉室為內(nèi)直徑20 cm、高15 cm、底部開放的透明有機(jī)玻璃圓筒,將密閉室嵌入2行植株之間的表層土壤中,內(nèi)部留有8~10 cm高的空間。圓筒頂部有2個通氣孔,一個與2.0 m高的塑料管連接(以保證通入密閉室內(nèi)氣體不被稻田排放的NH3污染,其NH3濃度為大氣NH3濃度)。另一個與500 mL孟氏洗氣瓶相連,瓶內(nèi)裝有120 mL的φ為2%硼酸指示劑(甲基紅-溴甲酚綠)溶液用于吸收氣體中氨(以1 min 15~20次頻率吸氣),然后采用0.02 mol· L-1硫酸溶液滴定其NH4+-N濃度,計(jì)算得到稻田氨揮發(fā)通量。氨揮發(fā)測定在施肥后每天上午9:00—11:00進(jìn)行,此時土壤產(chǎn)生的氣態(tài)氨相當(dāng)于全天平均水平[24],連續(xù)抽2 h,將收集氨氣的硼酸溶液帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行滴定,檢測周期持續(xù)至施肥區(qū)與對照區(qū)氨揮發(fā)通量無差別為止,基肥、分蘗肥和穗肥施用后氨揮發(fā)監(jiān)測時間分別為9、8和7 d。
氨揮發(fā)通量計(jì)算公式為
式(1)中,NNH3為以氨形式揮發(fā)的氮含量,kg·hm-2·d-1;14為 N 的相對原子質(zhì)量;C1/2H2SO4為硫酸標(biāo)液濃度,0.02 mol·L-1;V 和 V0分別為滴定收集氨處理和空白滴定所消耗的硫酸標(biāo)液體積,mL;d為密閉室內(nèi)半徑,m。
氨揮發(fā)排放強(qiáng)度計(jì)算公式為
式(2)中,QNH3為氨揮發(fā)(以N計(jì))排放強(qiáng)度,kg·t-1;E為單位面積氨揮發(fā)(以N計(jì))排放總量,kg·hm-2;Y為單位面積水稻產(chǎn)量,t· hm-2。
采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì),采用SPSS 17.0軟件中Duncan法進(jìn)行差異顯著性分析。
稻田氨揮發(fā)通量動態(tài)變化見圖1。如圖1所示,監(jiān)測期氨揮發(fā)通量峰值均出現(xiàn)在施肥后1~3 d內(nèi)。施基肥后,稻田土壤氨揮發(fā)迅速升高,在第2天達(dá)到峰值,峰值為14.29~23.26 kg·hm-2·d-1,各處理氨揮發(fā)通量峰值由大到小依次為W2N2、W2N3、W2N1、W1N3、W1N2、W1N1、W1N0 和W2N0。隨后氨揮發(fā)通量迅速降低,5 d時各處理平均氨揮發(fā)通量是降至峰值的34.32%;5 d后氨揮發(fā)通量緩慢降低,直至第9天,不同處理氨揮發(fā)通量無明顯差異,為0.10~0.33 kg· hm-2· d-1。
圖1 不同水分和氮肥管理模式氨揮發(fā)通量動態(tài)變化Fig.1 The dynamics curve for NH3volatilization fluxes under different water and fertilization management
水稻分蘗期追肥后,氨揮發(fā)通量變化趨勢與施基肥后情況不同,W1N1和W2N1處理在追肥后1 d就達(dá)到氨揮發(fā)通量峰值,峰值分別為6.68和5.22 kg·hm-2·d-1,隨后緩慢降低,直至第 8天,各處理氨揮發(fā)通量無明顯差異,為0~0.21 kg·hm-2·d-1。
水稻孕穗期追肥后,氨揮發(fā)通量變化趨勢與分蘗期追肥后情況基本一致,W1N1、W1N2、W2N1和W2N2處理亦在追肥后第1天達(dá)到氨揮發(fā)通量峰值,為 0.99~2.44 kg·hm-2·d-1,峰值由大到小依次為W1N1、W1N2、W2N2和W2N1。隨后氨揮發(fā)通量緩慢降低,直至第6天,各處理氨揮發(fā)通量無明顯差異,為0~0.15 kg·hm-2·d-1。
整個生育期,在W1處理?xiàng)l件下,N0、N1、N2和N3全生育期氨揮發(fā)通量平均值分別為0.18、2.90、2.48 和 2.49 kg·hm-2·d-1;在 W2 處理?xiàng)l件下,N0、N1、N2和N3全生育期氨揮發(fā)通量平均值分別為0.18、2.61、2.39和2.48 kg·hm-2·d-1。
不同水分與氮肥管理對稻田氨揮發(fā)損失量與損失率的影響見表2。
表2 不同水分與氮肥管理對稻田氨揮發(fā)損失量與損失率的影響Table 2 The ammonia volatilization emission volume and ratio under different water and fertilization management
施基肥后連續(xù)9 d監(jiān)測期內(nèi),氮肥管理顯著影響稻田氨揮發(fā)損失。W1處理?xiàng)l件下不同氮肥管理基肥氨揮發(fā)損失量由大到小依次為W1N3、W1N2和W1N1,而氨揮發(fā)損失率由大到小依次為W1N1、W1N2和W1N3。與W1N1處理相比,W1N2和W1N3處理基肥氨揮發(fā)損失量分別顯著增加33.48%和42.56%(P<0.05),而W1N2與W1N3處理則差異不顯著(P>0.05)。W2處理?xiàng)l件下基肥氨揮發(fā)損失變化趨勢與W1處理基本一致,與W2N1相比,W2N2和W2N3基肥氨揮發(fā)損失量分別顯著增加25.78%和35.59%(P<0.05)。在相同氮肥管理?xiàng)l件下,灌溉方式對基肥氨揮發(fā)損失量和損失率的影響不顯著(P>0.05)?;拾睋]發(fā)損失量占氨揮發(fā)損失總量比例最大,不同處理為52.92%~90.78%。
N2和N3處理未追施分蘗肥。N1處理?xiàng)l件下不同水分管理顯著影響分蘗肥氨揮發(fā)損失量和損失率。與W1N1處理相比,W2N1處理分蘗肥氨揮發(fā)損失量和損失率分別顯著降低26.43%和17.82%(P<0.05)。在N2和N3條件下,W2N2和W2N3處理氨揮發(fā)損失量較W1N2和W1N3分別降低25.18%和31.53%。
相同水分管理?xiàng)l件下,不同氮肥管理?xiàng)l件下穗肥氨揮發(fā)損失量和損失率差異不顯著,而相同氮肥管理(除N3處理)條件下,不同水分管理?xiàng)l件下穗肥氨揮發(fā)損失差異顯著。與W1N1處理相比,W2N1處理穗肥氨揮發(fā)損失量顯著降低48.98%;W2N2處理穗肥氨揮發(fā)損失量較W1N2處理顯著降低37.44%(P<0.05)。
從全生育期看,各處理稻季氮肥氨揮發(fā)損失總量和損失率由大到小依次均為W1N1、W2N1、W1N2、W1N3、W2N3和W2N2。通過交互作用分析發(fā)現(xiàn),稻季氨揮發(fā)損失受水分和氮肥管理的共同影響,氮肥管理對氨揮發(fā)排放的貢獻(xiàn)率高于水分管理(表2)。W1處理?xiàng)l件下,W1N2和W1N3處理氨揮發(fā)損失總量比W1N1處理分別顯著降低14.22%和14.07%;W2處理?xiàng)l件下,W2N2處理氨揮發(fā)損失總量比W2N1處理顯著降低8.26%;N1處理?xiàng)l件下,W1N1處理氨揮發(fā)損失總量比W2N1處理顯著增加10.04%(P<0.05)。
如圖2所示,W1處理?xiàng)l件下,不同氮肥管理處理氨揮發(fā)通量與田面水NH4+-N濃度呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),決定系數(shù)(R2)由大到小依次為W1N3(R2=0.936)、W1N2(R2=0.900)和 W1N1(R2=0.834)處理。W1處理?xiàng)l件下,不同氮肥管理處理氨揮發(fā)通量與表層土壤NH4+-N含量亦呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),R2由大到小依次為W2N3(R2=0.649)、W2N2(R2=0.592)和 W2N1(R2=0.542)處理。N3處理與田面水和表層土壤NH4+-N濃度或含量與氨揮發(fā)通量相關(guān)性最高,表明N3處理?xiàng)l件下,氨揮發(fā)通量受田面水或表層土壤NH4+-N濃度或含量的影響最大。在氮肥管理相同條件下,水分管理不同,則田面水或表層土壤中NH4+-N濃度或含量與氨揮發(fā)通量相關(guān)性也不同,均表現(xiàn)為常規(guī)灌溉高于控制灌溉。
圖2 氨揮發(fā)通量與田面水和表層土壤-N的關(guān)系Fig.2 Relationship between ammonia volatilization rate and-N concentration in surface water or surface soil
不同水分和氮肥管理模式對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響見表3。如表3所示,不同處理千粒重差異不顯著(P>0.05)。不同處理穗粒數(shù)由大到小依次為 W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N3、W2N2、W1N0和W2N0處理。W1N2處理穗粒數(shù)比W2N2處理顯著增加10.03%,W1N3處理也比W2N3處理顯著增加8.85%(P<0.05);但W2N2處理有效穗數(shù)比W1N2處理顯著增加26.08%,W2N3處理也比W1N3處理顯著增加24.24%(P<0.05)。從籽粒產(chǎn)量來看,不同處理產(chǎn)量由大到小依次為W2N3、W2N2、W2N1、W1N3、W1N1、W1N2、W2N0和W1N0處理,W2N3處理產(chǎn)量最高,W2N2處理籽粒產(chǎn)量比W1N2處理顯著增加10.89%,W2N3處理也比W1N3處理顯著增加9.82%(P<0.05)。
表3 不同水分與氮肥管理水稻籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 3 Effects of different water and fertilization management on rice yield and its components
氨揮發(fā)排放強(qiáng)度是生產(chǎn)單位籽粒產(chǎn)量的氨揮發(fā)量,可以作為環(huán)境效應(yīng)的判定指標(biāo)。如圖3所示,在W1處理?xiàng)l件下,W1N1處理氨揮發(fā)排放強(qiáng)度最大。與W1N1處理相比,W1N2和W1N3處理氨揮發(fā)排放強(qiáng)度分別降低15.69%和19.55%。在W2處理?xiàng)l件下,不同氮肥管理氨揮發(fā)排放強(qiáng)度無顯著差異(P>0.05)。通過水分管理可顯著降低氨揮發(fā)排放強(qiáng)度,在N1處理?xiàng)l件下,W2N1處理氨揮發(fā)排放強(qiáng)度比W1N1處理顯著降低15.54%(P<0.05);在N2處理?xiàng)l件下,W2N2處理氨揮發(fā)排放強(qiáng)度比W1N2處理顯著降低9.17%(P<0.05)。
圖3 不同水分與氮肥管理對氨揮發(fā)排放強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of different water and fertilization management on emission intensity of ammonia volatilization
常規(guī)灌溉條件下,氨揮發(fā)發(fā)生在水層與大氣的界面處;而控制灌溉條件下,大部分氨揮發(fā)發(fā)生在土壤表面。不同氮肥管理對稻田水分狀況的響應(yīng)亦存在差異。筆者研究表明不同氮肥管理模式下,水分管理對稻田氨揮發(fā)的影響不一致。N1處理?xiàng)l件下,常規(guī)灌溉氨揮發(fā)累積總量比控制灌溉高,且在兩種灌溉方式下,稻田氨揮發(fā)排放通量分別與稻田田面水NH4+-N濃度和0~10 cm表層土壤NH4+-N含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖2),與已有研究結(jié)果[18]一致。這主要是因?yàn)榭刂乒喔饶茱@著降低分蘗肥和穗肥氨揮發(fā)排放量。為使移栽水稻能快速活棵,控制灌溉處理在基肥期仍保留2 cm深水層,沒有建立無水層,因此期間氨揮發(fā)和常規(guī)淹水條件下無差異;而在分蘗肥和穗肥期控制灌溉處理建立無水層,尿素水解后產(chǎn)生的NH4+隨水往下層土壤遷移,從而減少氨分壓和氨揮發(fā)[18]。但對于N2和N3處理,水分管理對兩者氨揮發(fā)無顯著影響。
在稻田系統(tǒng)中,氮肥施用是引起氨揮發(fā)排放增加的重要因素,氮肥高效管理是阻控氨揮發(fā)損失的重要途徑。稻田氮肥高效利用的方式很多,其中以緩釋肥料為載體的技術(shù)越來越受到關(guān)注。緩釋肥料通過控制氮素釋放速度,使表層土壤或田面水保持降低氮素水平并長期供給作物吸收利用,從而減少氨損失和提高氮素利用效率。在施氮量相同條件下,湖南省早稻和晚稻樹脂包膜尿素處理的氨揮發(fā)損失率較普通尿素處理分別減少42.98%~54.26% 和 27.84%~35.287%[20]。徐久凱等[25]通過室內(nèi)模擬研究發(fā)現(xiàn),與普通尿素相比,45%緩釋尿素和55%普通尿素配施能顯著降低氨揮發(fā)量的25.94%。筆者研究發(fā)現(xiàn),在常規(guī)灌溉條件下,N3處理氨揮發(fā)排放總量比N1處理顯著降低14.07%(P<0.05)。這是因?yàn)榫忈屇蛩刈鳛榛逝c土壤充分混勻施用后,包膜材料阻隔膜內(nèi)尿素與土壤脲酶直接接觸,從而阻礙膜內(nèi)外水分運(yùn)移,減少參與氨揮發(fā)的底物尿素態(tài)氮,降低了氨揮發(fā)排放。但也有研究表明緩釋肥表面撒施施入土壤后,會導(dǎo)致田面水NH4
+-N濃度維持在較高水平,從而增加氨揮發(fā)損失[26]。
水分和氮肥是水稻產(chǎn)量形成中兩個重要因素,不同水分和氮肥管理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響不同。大量研究表明,與淹水灌溉相比,控制灌溉既可以促進(jìn)水稻生長,又可以提高水稻產(chǎn)量[27-28]。筆者研究也表明,控制灌溉水稻產(chǎn)量比常規(guī)灌溉有所增加,這主要是因?yàn)橛行霐?shù)顯著增加,這與呂銀斐等[28]研究結(jié)果一致。不同氮肥管理對水稻產(chǎn)量影響很大。張木等[29]研究發(fā)現(xiàn),早稻生產(chǎn)中采用緩釋尿素與普通尿素配合一次性基施能顯著增加有效穗數(shù)和穗粒數(shù)。王玉紅等[30]研究亦表明,樹脂包膜尿素與普通尿素配合施用能增產(chǎn)8%~21%,增產(chǎn)原因是群體結(jié)構(gòu)合理,無效分蘗少,成穗率和結(jié)實(shí)率高。筆者研究也有此趨勢,但差異不顯著,這可能是因?yàn)榫忈屇蛩睾推胀蛩嘏浜媳壤缓侠?,兩者配合后氮肥釋放?guī)律與水稻生長階段養(yǎng)分需求不完全匹配造成的。因此,需要在今后工作中進(jìn)一步研究。
(1)氮肥管理模式顯著影響氨揮發(fā)損失,在常規(guī)灌溉條件下,普通尿素與緩釋尿素配合一次性基施能顯著降低氨揮發(fā)損失。水分管理對不同氮肥管理稻田氨揮發(fā)的影響不一致,常規(guī)施肥1〔m(基肥)∶m(分蘗肥)∶m(穗肥)=5∶2∶3,肥料種類均為普通尿素〕處理時,通過控制灌溉可以減少氨揮發(fā)損失。
(2)稻季氨揮發(fā)損失受到水分和氮肥管理的共同影響,氮肥管理對氨揮發(fā)排放的貢獻(xiàn)率高于水分管理模式。綜合比較氨揮發(fā)排放強(qiáng)度,控制灌溉和普通尿素與緩釋尿素配合一次性基施是資源高效和環(huán)境友好的稻田水肥管理模式。