盛偉紅，劉文波，趙晨光，郭俊杰，孫 博，陳 健，周 毅，郭世偉

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095；2 如皋市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 226575; 3安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 鳳陽(yáng)233100)

據(jù)估計(jì)，目前我國(guó)農(nóng)田的氮肥損失率為40%～50%[1]，而氮肥的不合理施用是造成氮肥損失率居高不下的主要原因之一，這既帶來了經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)污染大氣、水體等環(huán)境。因此，降低氮素?fù)p失，成為農(nóng)田、區(qū)域和國(guó)家尺度控制氮肥用量、提高氮肥有效率和降低環(huán)境污染的關(guān)鍵[2]。

水旱輪作系統(tǒng)是我國(guó)典型的水稻種植制度，包括水稻-小麥、水稻-冬閑田、水稻-蔬菜等多種輪作方式，主要分布在長(zhǎng)江和淮海流域10多個(gè)省(市)，種植面積約470萬(wàn)hm2[3]。研究表明，我國(guó)稻田氮肥損失率可高達(dá)50%以上[4],其中氨(NH3)揮發(fā)是肥料氮的主要損失途徑之一[5-6]。已經(jīng)證實(shí)，在長(zhǎng)江中下游雙季稻連作體系中，肥料氮的氨揮發(fā)損失可達(dá)30%以上[7]。國(guó)內(nèi)外對(duì)單、雙季稻作區(qū)和旱作作物氨揮發(fā)研究報(bào)道已有很多，然而在水旱輪作系統(tǒng)下，采用優(yōu)化施氮的方式降低水田氨揮發(fā)的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道。本研究通過定量監(jiān)測(cè)3種水旱輪作系統(tǒng)下稻田NH3揮發(fā)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，探究在不同輪作系統(tǒng)下，稻田NH3揮發(fā)的影響因素及其與水稻產(chǎn)量的關(guān)系，以期了解不同水旱輪作系統(tǒng)下稻田NH3揮發(fā)損失的規(guī)律，從而為通過養(yǎng)分資源管理途徑，減少我國(guó)不同水旱輪作制度下稻田生態(tài)系統(tǒng)的NH3揮發(fā)，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效水稻生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)點(diǎn)位于江蘇省如皋市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田(120°49′E，32°37′N)，供試土壤為江淮沖積物形成的薄層高砂土。土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤有機(jī)質(zhì)含量21.30 g/kg，全氮含量 1.22 g/kg，有效磷含量27.9 mg/kg，速效鉀含量78.33 mg/kg，pH 7.46。2015年旱作作物收獲后土壤基本理化性質(zhì)為：土壤有機(jī)質(zhì)含量20.27 g/kg，全氮含量 1.17 g/kg，有效磷含量30.47 mg/kg，速效鉀含量75.94 mg/kg，pH 7.49；2016年旱作作物收獲后基本理化性質(zhì)為：土壤有機(jī)質(zhì)含量20.19 g/kg，全氮含量1.19 g/kg，有效磷含量30.18 mg/kg，速效鉀含量74.17 mg/kg，pH 7.56。田間試驗(yàn)始于2015年6月，于2015年和2016年6月水稻移栽后開始進(jìn)行NH3揮發(fā)的測(cè)定，測(cè)定期間氣溫與降雨量情況如圖1所示。

供試水稻、小麥和蔬菜品種分別為鎮(zhèn)稻11號(hào)、揚(yáng)麥10號(hào)和上海青，系當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植品種。

圖1 2015─2016年水稻季NH3揮發(fā)測(cè)定時(shí)期氣溫與降雨量的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Variations of temperature and rainfall during the rice season from 2015 to 2016

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。設(shè)置水稻-小麥輪作(RW)、水稻-蔬菜輪作(RV)與水稻-冬閑田輪作(RF)3種輪作系統(tǒng)，每種輪作系統(tǒng)下設(shè)2種施肥處理，即農(nóng)民習(xí)慣施肥(FFP)和優(yōu)化施肥(OPT)處理。同時(shí)設(shè)置不施肥處理(CK)以計(jì)算氮肥利用率，共計(jì)9個(gè)處理。每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，各小區(qū)面積為40 cm2(5 m×8 m)。

2015年和2016年水稻的移栽時(shí)間分別為6月25日和6月24日。種植密度為30.77×104穴/hm2，每穴定植2株，株行距為25 cm×13 cm。不同輪作系統(tǒng)下肥料施用量見表1。其中，在農(nóng)民習(xí)慣施肥處理中，氮肥(300 kg/hm2)作為基肥與分蘗肥按5∶5質(zhì)量比施入，分蘗肥分別為水稻移栽后第8天(2015年)和第10天(2016年)施入；磷肥(120 kg/hm2)與鉀肥(75 kg/hm2)均作為基肥，于水稻移栽前一次性施入。在優(yōu)化施肥處理中，氮肥(180 kg/hm2)作為基肥、分蘗肥、穗肥(水稻移栽后41 d)按5∶3∶2質(zhì)量比施入；磷肥(60 kg/hm2)全部基施；鉀肥(75 kg/hm2)作為基肥、穗肥按6∶4質(zhì)量比施入。試驗(yàn)所用氮肥、磷肥和鉀肥分別為尿素(N,46%)、過磷酸鈣(P2O5，14%)和氯化鉀(K2O，64%)。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)亓?xí)慣。

表1 不同輪作系統(tǒng)下肥料的施用量 Table 1 Fertilizer application rates of different rotation systems kg/hm2

注：RW-FFP、RW-OPT、RV-FFP、RV-OPT、RF-FFP和RF-OPT 分別表示水稻-小麥輪作農(nóng)民習(xí)慣施肥方式、水稻-小麥輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-蔬菜輪作農(nóng)民習(xí)慣施肥方式、水稻-蔬菜輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-冬閑田輪作農(nóng)民習(xí)慣施肥方式和水稻-冬閑田輪作優(yōu)化施肥方式。下表同。

Note:RW-FFP,RW-OPT,RV-FFP,RV-OPT,RF-FFP and RF-OPT represent the rice-wheat rotation system (farmer’s fertilizer practices),the rice-wheat rotation system (optimal fertilization),the rice-vegetable rotation system (farmer’s fertilizer practices),the rice-vegetable rotation system (optimal fertilization),the rice-fallow rotation system (farmer’s fertilizer practices) and the rice-fallow rotation system (optimal fertilization).The same follow.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 NH3揮發(fā)通量 采用傳統(tǒng)抽氣密閉室法測(cè)定NH3揮發(fā)通量，田間裝置圖見文獻(xiàn)[8]。其原理是利用抽氣減壓的方法將田間揮發(fā)的NH3吸入裝有2%硼酸的固定裝置中，再通過0.01 mol/L稀硫酸滴定吸收NH3的硼酸，以滴定消耗的體積來計(jì)算NH3揮發(fā)通量。在施肥后第1天開始測(cè)定，測(cè)定時(shí)待吸收裝置中看不到明顯變色時(shí)停止。固定于每天上午08：00─10:00開始測(cè)定，共測(cè)定3次，每次測(cè)試時(shí)間為55 min，間隔5 min再開始下一次。通常情況下NH3揮發(fā)通量在06:00─08:00水平較低，在14:00─16:00水平較高，因此以08：00─10:00測(cè)定的通量值作為NH3揮發(fā)通量，各處理間換氣頻率保持一致，為每分鐘15～20次，NH3揮發(fā)通量計(jì)算公式如下[9]：

式中：F代表NH3揮發(fā)通量(kg/(hm2·d))，Cs為硫酸濃度(mol/L)，Vs為消耗硫酸溶液的體積(mL)，r為氣室的半徑(m)，t為NH3揮發(fā)收集的時(shí)間(h)。2015年由于水稻移栽后出現(xiàn)持續(xù)暴雨天氣，無(wú)法測(cè)定水稻移栽后的NH3揮發(fā)通量，造成數(shù)據(jù)缺失。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SAS 9.1對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用SPSS 17.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏相關(guān)分析。

氮農(nóng)學(xué)利用率(Nitrogen agronomic efficiency,AEN,kg/kg)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施肥地區(qū)產(chǎn)量)/施氮量。

氮回收效率(Nitrogen recovery efficiency,REN)=(施氮區(qū)氮積累量-不施肥地區(qū)氮積累量)/施氮量×100%。

氮偏生產(chǎn)力(Nitrogen partial factor productivity,PFPN,kg/kg)=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

增產(chǎn)率(Yield increase rate)=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施肥地區(qū)產(chǎn)量)/不施肥地區(qū)產(chǎn)量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作系統(tǒng)下施肥對(duì)稻田NH3揮發(fā)通量及積累量的影響

2.1.1 NH3揮發(fā)通量的動(dòng)態(tài)變化 2015─2016年不同處理下水稻生長(zhǎng)期間氨揮發(fā)通量的動(dòng)態(tài)變化見圖2。

RW-FFP、RW-OPT、RV-FFP、RV-OPT、RF-FFP和RF-OPT 分別表示水稻-小麥輪作農(nóng)民習(xí)慣施肥方式、水稻-小麥輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-蔬菜輪作農(nóng)民習(xí)慣施肥方式、水稻-蔬菜輪作優(yōu)化施肥方式、水稻-冬閑田輪作農(nóng)民習(xí)慣施肥方式和水稻-冬閑田輪作優(yōu)化施肥方式。下圖同

由圖2可以看出，2016年稻田施入基肥后，各處理NH3揮發(fā)通量明顯增加，并于施肥后第2天達(dá)到最大值，隨后逐漸下降，至第10天趨近于零；各處理NH3揮發(fā)通量的變化規(guī)律相似；在3種輪作系統(tǒng)下，均表現(xiàn)出農(nóng)民習(xí)慣施肥處理NH3的揮發(fā)通量峰值(13.3～13.8 kg/(hm2·d))明顯高于優(yōu)化施肥處理(8.3～9.1 kg/(hm2·d))。稻田施入分蘗肥后，兩個(gè)年度NH3揮發(fā)通量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)與2016年施入基肥后的變化趨勢(shì)基本一致。稻田施入穗肥后，由于施肥量較少且在此生育時(shí)期水稻對(duì)氮素吸收利用加快等原因，優(yōu)化施肥處理沒有按施肥量(相當(dāng)于基肥的40%，分蘗肥的67%)等比例出現(xiàn)NH3揮發(fā)通量的峰值，且與農(nóng)民習(xí)慣處理也無(wú)明顯差異,而2015年NH3揮發(fā)通量出現(xiàn)了較低的峰值可能與當(dāng)時(shí)的氣溫相對(duì)較高，促進(jìn)了NH3揮發(fā)有關(guān)。

2.1.2 NH3揮發(fā)積累量 鑒于2015年施用基肥后缺失NH3揮發(fā)通量數(shù)據(jù)，故只對(duì)2016年NH3揮發(fā)積累量進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。表2顯示，在3種水旱輪作方式下，優(yōu)化施肥處理顯著降低了NH3揮發(fā)積累量及其占氮肥施用量百分比，平均降幅分別為49.1%和4.0%。對(duì)2016年水稻NH3揮發(fā)積累量與其占氮肥施用量百分比的影響進(jìn)行雙因素方差分析，發(fā)現(xiàn)NH3揮發(fā)積累量與其占氮肥施用量百分比受施肥方式影響顯著(P<0.05)，輪作制度(P=0.575，P=0.742)及其與施肥方式交互作用(P=0.430，P=0.542)的影響不顯著。

表2 2016年不同處理下水稻生長(zhǎng)期間NH3揮發(fā)積累量與百分比Table 2 Cumulative amounts and ratios of ammonia volatilization during the rice season under different treatments in 2016

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示同一制度不同處理間P<0.05水平差異顯著。表4同。

Note:Different small letters in each period mean significant difference atP<0.05 level among different N treatments.The same in table 4.

2.2 NH3揮發(fā)環(huán)境影響因素及相關(guān)性分析

圖3顯示，在水稻生長(zhǎng)季，田面水層pH為7.4～9.1，尿素的施入導(dǎo)致各處理pH值總體呈現(xiàn)出先升高后下降的現(xiàn)象。而施入分蘗肥后，水田pH值明顯的升高則是由于當(dāng)日噴施了堿性農(nóng)藥所致。

圖3顯示，在水稻生長(zhǎng)期間，田間水層溫度波動(dòng)較大，整體趨勢(shì)表現(xiàn)為水稻生長(zhǎng)初期溫度較高，但后期溫度略有下降。在NH3揮發(fā)通量測(cè)定期間，水稻田間均處于淹水狀態(tài)，且由于降雨等原因，水層深度變化無(wú)明顯規(guī)律。

圖3 不同處理下水稻生長(zhǎng)期間影響NH3揮發(fā)環(huán)境條件的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Influencing factors of ammonia volatilization during rice growing season under different treatments

輪作制度Rotation system施肥方式Fertilization method田面水NH+4-N質(zhì)量濃度NH+4-N concentration in flood water20152016水層pHpH in flood water20152016水層溫度Water temperature 20152016水層深度Water depth20152016RWFFP0.933***0.780***-0.1590.0110.1810.021-0.343-0.267 OPT0.785***0.829***0.1510.0660.1970.049-0.352*-0.238RFFFP0.934***0.776***0.2480.175-0.166-0.137-0.532*-0.474**OPT0.706***0.804***0.2450.0080.2790.201-0.379*-0.350*RVFFP0.933***0.837***0.1290.0460.0550.045-0.242-0.542***OPT0.704***0.850***0.1710.400**0.0010.011-0.186-0.204

注：2015年n1=24,n2=39;2016年n1=36,n2=48,其中n1為農(nóng)民習(xí)慣施肥方式下采樣頻率，n2為優(yōu)化施肥方式下采樣頻率?！?”、“**”和“***”分別表示在P<0.05，P<0.01和P<0.001水平顯著相關(guān)。

Note：In 2015,n1=24 andn2=39 and in 2016,n1=36 andn2=48.n1represents sample number of FFP andn2represent sample number of OPT.“*”,“**” and “***” indicate significant correlation atP<0.05,P<0.01 andP<0.001,respectively.

2.3 水稻產(chǎn)量與氮肥利用率

表4表明，在不同輪作系統(tǒng)下，優(yōu)化施肥處理與農(nóng)民習(xí)慣施肥處理的水稻平均產(chǎn)量差異均不顯著。與不施肥處理相比，3種輪作系統(tǒng)優(yōu)化施肥處理的平均增產(chǎn)率為79.0%，較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理提高1.4%。同時(shí)，優(yōu)化施肥處理的氮農(nóng)學(xué)利用率、氮回收效率、氮偏生產(chǎn)力也均大于其同一輪作系統(tǒng)下的農(nóng)民習(xí)慣施肥處理，分別較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理提高70.1%，59.7%和68.0%。這說明，優(yōu)化施肥處理可顯著提高稻田的氮肥利用率。在同一施肥處理?xiàng)l件下，水稻-蔬菜輪作制度下水稻平均產(chǎn)量(10.2 t/hm2)也顯著高于水稻-小麥輪作(9.5 t/hm2)和水稻-冬閑田輪作(9.0 t/hm2)。因而將施肥處理與輪作方式對(duì)2015-2016年平均水稻產(chǎn)量做雙因素分析，結(jié)果表明，輪作制度對(duì)水稻產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)，而施肥方式(P=0.495，P=0.496)及其與輪作制度交互作用(P=0.831，P=0.835)對(duì)水稻產(chǎn)量均無(wú)顯著影響。

表4 2015-2016年不同處理下水稻平均產(chǎn)量及氮肥利用率Table 4 Grain yield and nitrogen use efficiency from 2015 to 2016 under different treatments

3 討 論

3.1 不同水旱輪作系統(tǒng)下優(yōu)化施肥對(duì)NH3揮發(fā)的影響

有研究表明，在輪作系統(tǒng)中，前茬作物收獲后的殘茬可通過增加土體有機(jī)質(zhì)及改善土壤結(jié)構(gòu)，影響NH3揮發(fā)總量[10]。但是在本試驗(yàn)中，當(dāng)施肥量相同時(shí)，不同輪作系統(tǒng)下NH3揮發(fā)積累量差異不顯著，這與前人的研究結(jié)果不一致。造成這種差異的主要原因可能是本研究的輪作年限較短，2015至2016年不同前茬作物收獲后有機(jī)質(zhì)含量分別為20.27和20.19 g/kg，前茬作物的種植并未對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)造成顯著影響，因此沒有影響下一季度水稻NH3揮發(fā)通量。在3種輪作方式下，農(nóng)民習(xí)慣施肥處理與優(yōu)化施肥處理平均NH3揮發(fā)積累量分別為80.3和40.9 kg/hm2，且均表現(xiàn)出農(nóng)民習(xí)慣施肥處理的NH3揮發(fā)積累量顯著高于優(yōu)化施肥處理，增幅可達(dá)96.3%。同時(shí)，NH3揮發(fā)積累量所占施肥總量比例變化也呈現(xiàn)與NH3揮發(fā)積累量相同的趨勢(shì)，這表明在短期輪作制度下，NH3揮發(fā)主要與氮肥用量及基肥、分蘗肥的分配比例等施肥制度密切相關(guān)，具體表現(xiàn)為基肥和分蘗肥的施肥量越大，NH3揮發(fā)通量與NH3積累量也越高，這也是導(dǎo)致氮肥損失量增加的主要原因。

本研究中，在農(nóng)民習(xí)慣施肥處理中，由于作為基肥與分蘗肥的氮肥用量相同，這2次施肥后，稻田NH3揮發(fā)通量基本無(wú)差異；在優(yōu)化施肥處理中，氮肥作為基肥施用后的NH3揮發(fā)通量明顯高于其作為分蘗肥施用，這主要是由后者的氮肥施用量(54 kg/hm2)低于前者(90 kg/hm2)所致。氮肥作為穗肥施用(36 kg/hm2)后也并未出現(xiàn)按施肥量(相當(dāng)于基肥的40%，分蘗肥的67%)等比例NH3揮發(fā)通量的峰值，這主要是由于，一方面施用穗肥時(shí)水稻已生長(zhǎng)茂盛，對(duì)田面產(chǎn)生一定的覆蓋，阻礙空氣流通，不利于NH3揮發(fā)；另一方面相比生育前期而言，穗肥施用時(shí)期的水稻根系相對(duì)較發(fā)達(dá)，對(duì)氮素的吸收利用速度較快，從而降低了NH3揮發(fā)損失[11-12]。

3.2 影響稻田NH3揮發(fā)通量的環(huán)境因素

3.3 優(yōu)化施肥對(duì)水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響

一般而言，隨著施氮量的增加，作物產(chǎn)量與氮吸收量會(huì)增加，但是當(dāng)施氮量達(dá)到一定閾值時(shí)，產(chǎn)量增加與氮素投入量不匹配，導(dǎo)致氮素利用率顯著降低[21-22]。本研究結(jié)果表明，在相同輪作系統(tǒng)下，農(nóng)民習(xí)慣施肥處理的產(chǎn)量均略低于優(yōu)化施肥處理，降低幅度為1.4%，且優(yōu)化施肥處理的氮素農(nóng)學(xué)利用率、回收效率、偏生產(chǎn)力均分別較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理高9.3 kg/kg、21.6%和21.6 kg/kg，可知增加氮肥施用量并無(wú)相應(yīng)增產(chǎn)效應(yīng)，且還會(huì)導(dǎo)致氮素利用率下降。已有研究證實(shí)，水稻實(shí)地養(yǎng)分管理比農(nóng)民習(xí)慣施肥方式增產(chǎn)5.0%左右[23]，這說明合理施用氮肥可在降低施用量的基礎(chǔ)上保持產(chǎn)量穩(wěn)定，甚至增產(chǎn)。

本研究中，在3種輪作系統(tǒng)中，水稻-蔬菜輪作體系下的水稻平均產(chǎn)量(10.2 t/hm2)依次高于水稻-小麥輪作系統(tǒng)(9.5 t/hm2)和水稻-冬閑田輪作系統(tǒng)(9.0 t/hm2)。由水稻平均產(chǎn)量與增產(chǎn)率的雙因素(輪作制度、施肥制度)方差分析結(jié)果可知，這主要是受到不同輪作間的影響(P<0.05)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于前茬種植作物施用氮肥量不同。有研究表明，施入土壤中的氮肥除了被作物吸收以及通過揮發(fā)等途徑損失到環(huán)境中外，還有很大一部分會(huì)殘留在土壤中[24]，作物收獲后殘留的肥料氮可占施氮量的15%～30%，最高可達(dá)48%[25]，這些殘留肥料氮的有效性高于土壤固有的氮[26]，致使殘留氮很容易被后茬作物吸收利用，從而增加作物產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

不同施肥方式是影響NH3揮發(fā)通量的主要因素。綜合生產(chǎn)效益和環(huán)境效益，在不同的水旱輪作系統(tǒng)中，通過推薦施用氮肥180 kg/hm2，并采用基肥、分蘗肥、穗肥質(zhì)量比5∶3∶2進(jìn)行氮肥運(yùn)籌的優(yōu)化施肥方式，可在減少氮肥施用的基礎(chǔ)上既保證水稻獲得高產(chǎn)，顯著減少稻季施氮的NH3揮發(fā)損失，又能提高氮素利用率，降低了施肥對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，最終實(shí)現(xiàn)水旱輪作系統(tǒng)稻田作物的高產(chǎn)高效。