秸稈炭化還田對熱帶土壤-水稻體系氨揮發(fā)的影響

吳佩聰，張 鵬，單 穎，鄒剛?cè)A，丁哲利，朱治強(qiáng)，趙鳳亮，*

(1.海南大學(xué) 熱帶作物學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南 ?？?571101； 3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319； 4.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 海口實(shí)驗(yàn)站，海南 海口 571101)

隨著人口的增加，人們對糧食的需求也在逐步提高。為保障全球糧食安全，滿足人們的需求，氮肥用量的需求也在不斷增加。然而，過量施加氮肥帶來一系列問題，如氮肥利用率低、氮素?fù)p失嚴(yán)重等[1]。王桂良[2]通過分析我國1990—2010年主要糧食作物氮肥利用率相關(guān)的文獻(xiàn)得出，1990—1999、2000—2005、2006—2010年水稻的平均氮肥利用率分別為37%、28%和37%，北方單季稻氮肥利用率最高(40%)。一般地，氨揮發(fā)損失占氮素?fù)p失的1%～60%，而且總氨揮發(fā)量隨著施氮量的增加而增加[3-5]。有研究表明，每年因氨揮發(fā)造成的全球氮肥損失達(dá)1 100×104t，占年施氮量的14%[6-7]。氨揮發(fā)會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，比如農(nóng)業(yè)資源浪費(fèi)、農(nóng)業(yè)面源污染等。

水稻秸稈內(nèi)含有豐富的礦質(zhì)營養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)，可改善土壤肥力，提高水稻產(chǎn)量。然而，秸稈還田會提高田面水的pH，促進(jìn)田面水的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氨；秸稈還田還會直接增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤脲酶活性，促進(jìn)尿素水解，從而增加氨揮發(fā)[8-9]。Sun等[10]研究表明，秸稈還田顯著提高了氨揮發(fā)總排放量。汪軍等[11]研究表明，在田間試驗(yàn)條件下，與單施氮肥處理相比，小麥秸稈還田顯著促進(jìn)氨揮發(fā)，烏柵土和黃泥土的水稻氨揮發(fā)損失分別增加19.8%和20.6%。車慶博[12]研究表明，添加不同類型的秸稈(玉米、水稻和大豆)均會提髙氨揮發(fā)速率，增加氨揮發(fā)總量，而且氨揮發(fā)總量隨著秸稈添加量的增加而增加。Tian等[13]通過連續(xù)3 a的稻麥輪作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會顯著提高基肥期稻田的氨揮發(fā)量。Wang等[9]的研究也表明，秸稈還田會促進(jìn)氨揮發(fā)。綜上所述，秸稈直接還田可能不利于降低農(nóng)田氨揮發(fā)。

生物炭是一種富碳材料，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、堿性、多孔性、多吸附性和養(yǎng)分含量豐富等獨(dú)特的理化性質(zhì)，作為一種外源輸入材料參與土壤氮素循環(huán)，會對土壤氨揮發(fā)產(chǎn)生重要的影響。有研究表明，添加生物炭能夠通過顯著提高土壤pH，促進(jìn)尿素分解，增加累積氨揮發(fā)量[14-18]。但由于其特有的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，生物炭對土壤中的礦質(zhì)氮有較強(qiáng)的吸附能力，因而也有可能會減少土壤中氮肥的氨揮發(fā)損失[19-21]。He等[22]研究表明，長期來看，生物炭可通過提高土壤對NH3的吸附能力和硝化速率，減少NH3的排放。董玉兵等[23]研究認(rèn)為，施用一定量的生物炭顯著降低了水稻土的氨揮發(fā)，累積氨揮發(fā)量比對照減少了36.6%。Mandal等[19]在林地土壤上的研究也得到了相似的結(jié)果。目前，熱帶地區(qū)已開展的氨揮發(fā)研究主要集中在不同施肥制度和不同灌溉措施的優(yōu)化管理方面[18，24]，關(guān)于生物炭對熱帶土壤-水稻種植體系氨揮發(fā)動態(tài)和排放通量影響的研究鮮有報道，在熱帶地區(qū)施用生物炭能否有效減少氨揮發(fā)也有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，本研究采用土柱試驗(yàn)方法，通過秸稈直接還田和炭化還田的對比，研究炭化還田對熱帶地區(qū)土壤-水稻種植體系氨揮發(fā)的影響，旨在為減輕農(nóng)業(yè)污染、提高氮肥利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所試驗(yàn)溫室內(nèi)進(jìn)行，該地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候，全年平均氣溫24.3 ℃，最高平均氣溫28 ℃，最低平均氣溫18 ℃，平均降水量2 067 mm，年平均日照時數(shù)2 000 h以上。

1.2 試供材料

試供水稻品種為博Ⅱ優(yōu)15。所用生物炭系水稻秸稈在500 ℃厭氧條件下裂解制備而成。水稻秸稈含碳40.4%，含氮0.63%，碳氮比(C/N)為67.3。生物炭的pH為10.2，微孔比表面積153 m2·g-1，含碳65.7%，含氮0.61%，C/N為110。試供土壤采自已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行3 a處理的田間小區(qū)(表1)。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計和田間管理

采用水稻土柱試驗(yàn)方法，土柱高度為50 cm，直徑為25 cm(圖1)。設(shè)置6個處理：不施氮肥(ON)，單施化肥(CT)，施用生物炭(BI)，生物炭+化肥(CBI)，添加秸稈(ST)，秸稈+化肥(CST)。土柱試驗(yàn)前各小區(qū)土壤(干基)基本理化性質(zhì)見表1，土壤有機(jī)碳使用Multi N/C 3100總有機(jī)碳/有機(jī)氮測定儀(德國耶拿)測定。

試驗(yàn)處理與田間小區(qū)相同，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。在田間試驗(yàn)中未設(shè)置施用生物炭(BI)和添加秸稈(ST)2個處理，為了更加明確地闡明施用秸稈和生物炭對氨揮發(fā)的影響，方便與生物炭+化肥(CBI)和秸稈+化肥(CST)作比較，在土柱試驗(yàn)中添加了BI和ST處理；并分別采用田間試驗(yàn)中CBI和CST處理小區(qū)的土壤進(jìn)行研究。除ON、BI和ST不施氮肥處理外，其他3個處理氮投入量保持一致(秸稈和生物炭帶入的氮考慮在內(nèi))。每個土柱生物炭施用量為6 t·hm-2，秸稈添加量為6 t·hm-2。施肥前均勻混入土壤。N、P2O5和K2O投入量分別為225 kg·hm-2、105 kg·hm-2、150 kg·hm-2，分別由尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)提供。氮肥分3次施用，基肥、分蘗肥和穗肥分別在8月2日、8月23日、10月4日施用，分別占50%、30%、20%。在水稻生長季節(jié)，田面水除曬田期與收獲前1周外，均維持高度在5 cm左右。

圖1 土柱示意圖Fig.1 Soil column diagram

1.4 測定項(xiàng)目與方法

氨氣采集裝置由有機(jī)玻璃材質(zhì)制成，系內(nèi)徑19 cm、高度15 cm、底部開放的圓筒。采用磷酸甘油-雙層海綿吸收法收集氨氣，2塊海綿的厚度均為2 cm，直徑為25 cm，用磷酸-甘油溶液將海綿均勻浸濕，放置于有機(jī)玻璃內(nèi)。上層海綿與有機(jī)玻璃頂部持平，上下層海綿之間距離10 cm。在施肥后，用收集裝置將整個水稻植株罩住，底部與土柱用水密封，每天10：00—18：00收集氨，收集結(jié)束后取出下層海綿，放入250 mL 2 mol·L-1KCl溶液振蕩1 h后收集溶液，用靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮濃度，計算每天氨揮發(fā)的排放通量(取平均值)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過Microsoft Excel 2010整理后，利用SPSS 25軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨揮發(fā)排放特征

2.1.1 氨揮發(fā)排放通量

水稻施肥期是氨揮發(fā)損失的主要時期[25]，因此，本研究在3次施肥后當(dāng)天開始測定氨揮發(fā)排放通量。不同處理的氨揮發(fā)排放通量可見圖2，不同處理間氨揮發(fā)排放通量的變化趨勢相似。施入基肥后，各處理的氨揮發(fā)排放通量迅速上升，于第2天到達(dá)一個小高峰，峰值為2.38～3.81 kg·hm-2。氨揮發(fā)排放通量在施肥第7天出現(xiàn)另一個高峰，峰值為2.66～4.09 kg·hm-2，隨后氨揮發(fā)排放通量迅速下降，直至各處理之間無明顯差異?；势谇耙恢軆?nèi)CST的氨揮發(fā)通量高于其他處理，說明添加生物炭對基肥期氨揮發(fā)排放通量有消減作用。施加分蘗肥后，所有處理的氨揮發(fā)排放通量均在施肥后第3～4天達(dá)到排放高峰，然后迅速下降，CST處理的氨揮發(fā)排放通量高峰于施肥后第4天出現(xiàn)，其余處理均在第3天出現(xiàn)。添加生物炭處理的氨揮發(fā)排放通量低于添加秸稈和單施化肥處理。穗肥施入后，各處理之間于第3天達(dá)到揮發(fā)高峰，揮發(fā)量最高的為ST處理，峰值為0.308 kg·hm-2；BI處理氨揮發(fā)排放通量最低。

同一處理不同施肥階段氨揮發(fā)排放通量的變化趨勢相似，都呈先升高后降低的趨勢。所有處理的氨揮發(fā)排放通量均在基肥期最高，穗肥期最低。其中，CST處理的氨揮發(fā)排放通量在不同時期變化幅度最大，為0.03～4.09 kg·hm-2；CBI處理的變化幅度略小于CST，為0.034～3.960 kg·hm-2；ON處理的變化幅度最小。

以上結(jié)果表明，施肥后2～7 d為氨揮發(fā)排放的高峰期。與秸稈直接還田相比，秸稈炭化還田對氨揮發(fā)排放具有一定的消減作用，但是生物炭的添加對峰值出現(xiàn)時間沒有明顯的影響。

2.1.2 累積氨揮發(fā)量

表2顯示了整個水稻生長期的累積氨揮發(fā)量。各個處理中，CST處理的累積氨揮發(fā)量最高，為26.15 kg·hm-2；其次為CT處理，累積氨揮發(fā)量為24.90 kg·hm-2；BI與ON處理的累積氨揮發(fā)量最低。基肥期在NH3收集過程中，累積氨揮發(fā)量占總生育期累積氨揮發(fā)量最大，達(dá)到總排放量的80%～85%。從整個生育期累積氨揮發(fā)量來看，CBI和BI處理的氨揮發(fā)減排效果最好，BI處理與ON處理累積氨揮發(fā)量一致。同一處理不同時期都呈基肥期累積氨揮發(fā)量最高、穗肥期最低的變化趨勢。

箭頭所示分別為施入基肥、分蘗肥、穗肥的時候，對應(yīng)日期分別為8月2日、8月23日、10月4日。下同。The arrows show the time when basal fertilizer， tiller fertilizer and panicle fertilizer was applied， respectively.The same as below.圖2 不同施肥階段的氨揮發(fā)排放通量Fig.2 Ammonia volatilization flux at different fertilization stages

表2 不同處理下累積氨揮發(fā)量的動態(tài)變化

2.2 田面水的化學(xué)性質(zhì)

如表3所示，各處理的田面水整體處于弱酸性至中性?；势谂c分蘗肥期各處理的pH之間存在顯著差異(P<0.05)，其中ST處理的pH在基肥期相較于其他處理顯著(P<0.05)高出0.10～0.69個pH單位。穗肥期除CT處理外，各處理之間無顯著差異(P>0.05)。

表3 田面水pH

2.3 土壤的化學(xué)性質(zhì)

圖3 田面水濃度 concentration of surface water

圖4 田面水NO3--N濃度 concentration of surface water

同一時期柱上無相同小寫字母表示不同處理間差異顯著。下同。Different lowercase letters indicated significant differences between different treatments in the same period. The same as below.圖5 不同處理土壤含量變化Fig.5 Changes of content in soil treated with different treatments

2.4 不同處理田面水和表層土壤濃度或含量與氨揮發(fā)通量相關(guān)性分析

圖6 不同處理土壤NO3--N含量變化Fig.6 Changes of NO3--N content in soil treated with different treatments

表4 土壤氨揮發(fā)通量與土壤、田面水理化指標(biāo)之間的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

田面水pH是影響土壤-水稻種植體系氨揮發(fā)的重要因素之一。本研究中，田面水的pH與氨揮發(fā)呈顯著負(fù)相關(guān)。這與Sun等[26]的研究結(jié)果一致，但與前人的研究結(jié)果不一致[27，36]，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)為土柱盆栽試驗(yàn)，受灌溉排水的影響較大，但是具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。土壤氮素轉(zhuǎn)化極其復(fù)雜，不僅與田面水pH有很大關(guān)系，而且與土壤微生物也密切相關(guān)[37]。關(guān)于生物炭施加對稻田氨揮發(fā)的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。