夏永秋, 王慎強(qiáng), 孫朋飛, 陳小琴, 沈健林, 王 華, 肖智華, 李曉明,楊 廣, 顏曉元

(1.江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站/中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所 南京 210008; 2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 長(zhǎng)沙 410125; 3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 長(zhǎng)沙 410128)

氮肥施入土壤后, 氮素的去向主要分為3種途徑: 一部分被植物吸收利用, 另一部分以無(wú)機(jī)氮、有機(jī)氮和土壤固定態(tài)等形態(tài)殘留在土壤中, 其余部分則以氨揮發(fā)、徑流淋洗、氮?dú)?、氮氧化物氣體等形式損失進(jìn)入環(huán)境[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 我國(guó)種植業(yè)通過(guò)氨揮發(fā)造成的氮素?fù)p失可達(dá)施氮量的9%～42%, 其中碳銨和尿素的氨揮發(fā)損失可分別達(dá)49%～66%和29%～40%[2-3]。由此, 我國(guó)種植業(yè)大量氨排放引起國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注。

長(zhǎng)江中下游稻、菜、果是我國(guó)種植業(yè)氨揮發(fā)的主要場(chǎng)所。水稻(Oryza sativa)是南方主要糧食作物,大田水稻一般采用穴栽的方式種植, 稻株吸收的養(yǎng)分絕大部分來(lái)自于根系周?chē)?。而我?guó)農(nóng)民習(xí)慣的水稻施肥仍然以基肥加后期追肥為主, 施肥方式大多直接撒于土壤表面。從而土壤供肥與水稻需肥不匹配、根區(qū)與肥區(qū)吻合度差, 導(dǎo)致施肥后田面水氨濃度大、稻田肥料利用率低和氨揮發(fā)損失大等問(wèn)題[4]。隨著人民生活水平的提高, 蔬菜、瓜果的需求量日益增加, 其肥料用量也呈直線增加趨勢(shì)。據(jù)調(diào)查, 我國(guó)蔬菜化肥用量1998年為604.51萬(wàn)t, 2014年增加到1291.36萬(wàn)t, 增加了1.1倍, 其化肥用量占農(nóng)作物化肥總用量的比例從1998年的13.38%增加至2014年的18.81%。水果化肥用量1998年為531.55萬(wàn)t,2014年增加到1223.42萬(wàn)t, 增加了1.4倍, 其化肥用量占比從1998年的11.76%增長(zhǎng)到2014年的17.82%[5]。其中, 我國(guó)南方地區(qū)蔬菜、瓜果化肥用量增長(zhǎng)尤為突出。據(jù)第二次污染普查, 海南、浙江、福建、上海、廣東等地蔬菜、瓜果播種面積占省(區(qū)、市)內(nèi)農(nóng)作物總播種面積比例已超過(guò)30%。因此, 長(zhǎng)江中下游稻、菜、果高強(qiáng)度的化肥施用導(dǎo)致了大量的氨揮發(fā)損失。

過(guò)量施肥、不合理的肥料類(lèi)型和施肥方式是農(nóng)田氨揮發(fā)量大的重要原因, 高效氨減排技術(shù)是國(guó)際研究熱點(diǎn)[3]。歐美開(kāi)展了大量養(yǎng)分管理研究, 實(shí)現(xiàn)農(nóng)田氮肥減施, 從源頭減少農(nóng)田氨揮發(fā)[6]。通過(guò)肥料深施、緩控施肥、添加抑制劑和微生物菌劑等, 提高養(yǎng)分效率, 是降低氨揮發(fā)損失的重要途徑[7]。鑒于我國(guó)氮肥品種單一, 多數(shù)為銨態(tài)氮肥, 60%為表施, 南方水稻田極易發(fā)生氨揮發(fā)等情況, 歐美的經(jīng)驗(yàn)不能直接借鑒[5]。盡管目前國(guó)內(nèi)外圍繞控氨減排技術(shù)取得不少進(jìn)展, 但是各減排技術(shù)不規(guī)范、減排效果在不同區(qū)域差別大、經(jīng)濟(jì)成本較高, 集成效果不理想。在深入理解肥料氮在土壤中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律與損失機(jī)制基礎(chǔ)上, 參數(shù)化各減排技術(shù)、充分挖掘各單項(xiàng)氨減排技術(shù)、集成各項(xiàng)技術(shù)、開(kāi)發(fā)潛在新技術(shù), 是實(shí)現(xiàn)高效控氨減排的突破口。

十三五期間, 在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“農(nóng)畜牧業(yè)氨排放污染高效控制技術(shù)”的支持下, 課題2“長(zhǎng)江中下游種植業(yè)高效控氨減排關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”針對(duì)南方土壤硝化強(qiáng)度弱, 銨態(tài)氮存續(xù)長(zhǎng)、氮肥表施排放嚴(yán)重等問(wèn)題, 重點(diǎn)研究稻田優(yōu)化減氮技術(shù)、稻田側(cè)根深施技術(shù)及機(jī)具、周叢生物成膜抑氨技術(shù)、果樹(shù)大顆粒肥料深施與蔬菜新型緩釋肥等減排技術(shù); 以長(zhǎng)江中下游種植業(yè)“精準(zhǔn)減氮、緩釋抑氨、根施控氨、生物固銨”的“減、抑、控、固”全鏈條氨減排思路, 提出協(xié)調(diào)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)江中下游主要種植業(yè)氨減排技術(shù), 實(shí)現(xiàn)氨揮發(fā)減排40%的課題目標(biāo)。本文將重點(diǎn)介紹該課題取得的主要研究進(jìn)展。

1 長(zhǎng)江中下游典型種植業(yè)氨排放特征

1.1 長(zhǎng)江中下游典型稻菜果氨排放系數(shù)及變異

課題以長(zhǎng)江中下游典型稻菜果種植模式為依托,選取代表性區(qū)域稻菜果監(jiān)測(cè)點(diǎn)位, 課題組在統(tǒng)一密閉式抽氣法測(cè)定方法的基礎(chǔ)上, 通過(guò)3年的田塊試驗(yàn), 結(jié)合已有文獻(xiàn)報(bào)道, 明確了常規(guī)施肥下長(zhǎng)江中下游典型單季稻、雙季稻、露天蔬菜、桃樹(shù)(Amygdalus persica)氨排放系數(shù)，如圖1所示。稻田氨排放系數(shù)和變異最大, 平均排放系數(shù)為14.2%, 露天蔬菜次之(平均為11.2%), 果樹(shù)最低(平均為4.76%)。

圖1 長(zhǎng)江中下游典型稻菜果田氨排放系數(shù)及變異(不同字母表示在 P<0.05水平差異顯著, 方差分析軟件為SPSS V19.0)Fig.1 Ammonia emission coefficients and variations of paddy rice, open-air vegetables, and peach tree in the middle and lower reaches of the Yangtze River (different letters indicate significant differences at P<0.05 level, variance analysis is conducted by SPSS V19.0)

與以往研究相比, 本研究所得的氨揮發(fā)系數(shù)基本一致。Lin等[8]測(cè)得太湖地區(qū)氨揮發(fā)系數(shù)為9.0%～17.6%。Ju等[9]統(tǒng)計(jì)了太湖地區(qū)26塊試驗(yàn)田的氮素?fù)p失結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)稻田氨揮發(fā)系數(shù)為11.6%±4.7%。田昌等[10]的研究表明, 湖南典型雙季稻的氨揮發(fā)系數(shù)為14.6%～28.7%。Shan等[11]研究了太湖地區(qū)不同肥料處理下蔬菜氨揮發(fā)損失, 3年(2010?2012年)的大田試驗(yàn)結(jié)果表明, 露天蔬菜氨揮發(fā)損失系數(shù)為11.51%～17.39%。Zhang等[12]研究了桃樹(shù)的氨揮發(fā)損失, 結(jié)果表明, 常規(guī)配施緩控施肥氨揮發(fā)損失系數(shù)為6.28%。

1.2 長(zhǎng)江中下游典型稻菜果氨排放特征

稻田氨揮發(fā)在施肥后各階段均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì), 峰值出現(xiàn)在每次施肥后的1～5 d, 氨揮發(fā)持續(xù)時(shí)間為7～21 d, 之后與空白處理無(wú)顯著差異。稻田氨揮發(fā)具有顯著的日變化, 氨揮發(fā)主要發(fā)生在白天, 夜間基本沒(méi)有氨揮發(fā)。氣候條件(溫濕度等)、土壤因素及農(nóng)業(yè)措施(施肥量及類(lèi)型、施肥方式、施肥時(shí)期等)等通過(guò)影響田面水銨態(tài)氮濃度和pH等影響稻田氨揮發(fā)。

露天蔬菜地氨揮發(fā)均表現(xiàn)為施肥后顯著上升、到達(dá)頂峰后緩慢下降的趨勢(shì)。從氨揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)變化來(lái)看, 施肥后1～8 d是氨揮發(fā)的主要時(shí)間段, 此階段各施肥處理氨揮發(fā)速率差異顯著(P<0.05), 氨揮發(fā)持續(xù)時(shí)間為10～15 d, 此后與空白處理無(wú)顯著差異。從季節(jié)變化來(lái)看, 夏季種植期(8?9月)蔬菜地氨揮發(fā)通量顯著高于其他季節(jié)。溫度和土壤表層銨態(tài)氮含量是其主要影響因素。

果樹(shù)由于樹(shù)干龐大, 施肥以環(huán)施為主, 不同樹(shù)干距離氨揮發(fā)規(guī)律一致, 都是施肥后2～3 d出現(xiàn)排放高峰, 持續(xù)時(shí)間為5～10 d, 此后與無(wú)施肥處理無(wú)顯著差異。但是不同樹(shù)干距離氨揮發(fā)總量差異顯著。在常規(guī)施肥下, 距離樹(shù)干45～90 cm處氨揮發(fā)總量最大, 占總排放量的45%; 其次為距離樹(shù)干90～135 cm處, 氨揮發(fā)占總量的40%; 距離樹(shù)干0～45 cm氨揮發(fā)排放量?jī)H占排放總量的15%。

2 長(zhǎng)江中下游典型種植業(yè)高效控氨減排關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙季稻優(yōu)化減氮技術(shù)

針對(duì)雙季稻體系氨揮發(fā)量大、現(xiàn)有減排措施單一、減排措施效果不穩(wěn)定等現(xiàn)狀, 課題組在湖南長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)雙季稻試驗(yàn)基地開(kāi)展不同氮肥劑量(全量、減量)、不同施肥方式(表施和深施)和肥料類(lèi)型(尿素、尿素+脲酶抑制劑、微生物菌肥替代等)及組合優(yōu)化比選試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙季稻稻田控氮減氨。

該技術(shù)體系(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)? 202010783702.7)主要包括氮肥減量30%、氮肥減量30%結(jié)合基肥深施、氮肥減量30%結(jié)合脲酶抑制劑、氮肥減量30%結(jié)合深施及脲酶抑制劑、有機(jī)無(wú)機(jī)配施(微生物菌肥替代40%化學(xué)氮肥), 以及氮肥減量30%結(jié)合深施以及微生物菌肥替代40%化學(xué)氮肥等措施。研究結(jié)果表明(圖2), 氮肥減量30%可以減少氨揮發(fā)(減幅43.0%), 但顯著降低了晚稻季水稻產(chǎn)量。減氮深施技術(shù)可實(shí)現(xiàn)減排潛力為65.7%, 尿素深施增加了其與土壤的接觸, 更多的NH4+被土壤膠體吸附, 限制了銨態(tài)氮由土壤向田面水的擴(kuò)散, 從而減緩了尿素的水解,降低了稻田NH3損失[13]。就氮肥形態(tài)替代來(lái)說(shuō), 微生物菌肥替代40%化學(xué)氮肥(有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施)可減少35.6%的氨排放。但微生物菌肥含氮量低, 替代氮肥所使用的菌肥量大, 相應(yīng)增加了成本與勞動(dòng)強(qiáng)度。相較常規(guī)表施, 減氮表施添加脲酶抑制劑(配施1% NBPT)能達(dá)到極佳減排效果(75.9%～81.7%)。脲酶抑制劑可以與尿素競(jìng)爭(zhēng)脲酶的活性位點(diǎn), 從而減少脲酶與尿素的結(jié)合, 延緩尿素的水解反應(yīng), 從而減少氨揮發(fā), 同時(shí)一定程度上緩解了N2O和NOx的排放[14-15]?？紤]不同減排技術(shù)的交互作用, 試驗(yàn)同時(shí)設(shè)置了減氮深施結(jié)合菌肥替代與脲酶抑制劑組合的比選試驗(yàn), 相較于常規(guī)處理, 組合技術(shù)顯著延遲了氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)時(shí)間, 降低氨揮發(fā)通量峰值, 減排效果最好, 減排潛力為77.3%～81.7%。減氮配合深施或脲酶抑制劑或菌肥替代化肥及其組合, 均未降低水稻產(chǎn)量, 且提高了氮肥利用率。綜合考慮深施成本、產(chǎn)量收益, 脲酶抑制劑表施可獲得最佳經(jīng)濟(jì)收益。

圖2 雙季稻稻田優(yōu)化減氮技術(shù)及其減排潛力和經(jīng)濟(jì)效益Fig.2 Optimized nitrogen reduction technology of double-cropping rice field and its mitigation potential of ammonia emission and economic benefit

2.2 稻田深施控氨技術(shù)

針對(duì)當(dāng)前稻田肥料深施存在的條施肥料利用率不高、深度太淺土蓋不住肥、深施機(jī)具效果不穩(wěn)定等問(wèn)題, 課題組分別通過(guò)室內(nèi)和田間試驗(yàn), 開(kāi)展了稻田深施控氨及其機(jī)具研究。

通過(guò)盆栽試驗(yàn), 比較了傳統(tǒng)氮肥撒施、條施、不同點(diǎn)位深施對(duì)稻田氨揮發(fā)的影響。設(shè)置的處理為:SF (傳統(tǒng)氮肥撒施)、R5 (減氮30%+條施、深度5 cm)、R10 (減氮30%+條施、深度10 cm)、B5 (減氮30%+大顆粒球肥定點(diǎn)深施, 深度5 cm)、B10 (減氮30%+大顆粒球肥定點(diǎn)深施, 深度10 cm); 施肥點(diǎn)為每?jī)芍晁局虚g點(diǎn), 隔行施肥。農(nóng)田管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣管理。結(jié)果表明: 1)與SF相比, R5、R10、B5和B10處理的水稻田總氨揮發(fā)量分別減少31.61%、44.04%、37.05%和46.63%, 氮肥減量深施能夠有效抑制氨揮發(fā), 且隨著施肥深度的加深, 抑制效果加強(qiáng)。且在施肥深度為5 cm時(shí), 肥球點(diǎn)施優(yōu)于條施。2)氨揮發(fā)累計(jì)損失量表現(xiàn)為SF>R5>B5>R10>B10, B10處理的氨揮發(fā)量最低。3)與SF相比, 減氮深施處理的氮素回收率、氮素農(nóng)藝?yán)眯屎妥蚜Ｉa(chǎn)效率分別提高27.89%～51.63%、33.13%～54.50%和34.03%～53.30%。4)與SF相比, R5、R10、B5沒(méi)有顯著減產(chǎn), 而B(niǎo)10處理水稻增產(chǎn)7.32%。B10處理能達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)和減少氨排放的目的。

在上述點(diǎn)位優(yōu)化施肥的基礎(chǔ)上, 在江蘇省泰州市姜堰區(qū)梁徐鎮(zhèn)進(jìn)一步研究了肥料配方和水稻側(cè)根施肥對(duì)氨揮發(fā)和水稻氮磷利用率的影響。試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理: 1)不施氮肥, 磷鉀肥撒施(CK); 2)氮磷鉀肥撒施(FFP); 3)氮肥(尿素)一次穴施, 磷鉀撒施(RZF1);4)氮(尿素)磷鉀肥一次穴施(RZF2); 5)氮(氯化銨)磷鉀肥一次穴施(RZF3); 6)氮(硫酸銨)磷鉀肥一次穴施(RZF4)。結(jié)果表明, 根據(jù)土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況及水稻品種的養(yǎng)分需求特點(diǎn), 基于普通速效性肥料配置水稻專(zhuān)用肥, 在秧苗移栽的同時(shí), 將水稻全生育期所需肥料通過(guò)人工或機(jī)械施用于偏離水稻秧苗根系5 cm左右、距地表10 cm左右的位置(圖3),后期不再進(jìn)行任何追肥, 可以保證產(chǎn)量甚至顯著增產(chǎn)。氨揮發(fā)累積損失量可降為1.3～5.2 kg(N)?hm?2, 氨揮發(fā)損失率降為0.6%～3.5%, 與不施氮肥的空白處理無(wú)顯著差異, 氮肥利用率可達(dá)44.8%～66.6% (專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)? 202010696951.2)。

圖3 稻田肥球點(diǎn)位(圓點(diǎn))優(yōu)化Fig.3 Location optimization for ball fertilizer (dots) in paddy field

目前水稻施肥機(jī)械多為氣送式側(cè)條深施作業(yè)方式, 仍存在肥料利用率低的問(wèn)題。基于上述試驗(yàn)基礎(chǔ), 課題組研制了水稻插秧機(jī)的球肥精準(zhǔn)側(cè)深穴施裝置(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)? 202110223156.6), 包括送肥機(jī)構(gòu)、鷹嘴式施肥器與帶動(dòng)鷹嘴式施肥器升降的升降機(jī)構(gòu)。具體施肥時(shí), 肥料箱中的球肥落入球肥轉(zhuǎn)盤(pán)上的容肥孔內(nèi), 容肥孔體積略大于一顆球肥, 每個(gè)容肥孔中可存放一顆球肥; 驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)球肥轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng), 當(dāng)某一個(gè)容肥孔旋轉(zhuǎn)至與過(guò)料孔對(duì)齊時(shí), 該容肥孔內(nèi)的球肥可經(jīng)過(guò)料孔落入送肥管中, 再經(jīng)送肥管落入閉合的左、右鷹嘴內(nèi)。本裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、穴施精度高、施肥量一致性好、肥料利用率高的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 稻田周叢生物成膜抑氨技術(shù)

稻田系統(tǒng)土-水界面廣泛存在周叢生物, 可能是影響稻田氨揮發(fā)的主要因素。周叢生物是絲狀藻類(lèi)通過(guò)黏附在土壤/沉積物表面生長(zhǎng), 與細(xì)菌、真菌和其他微生物形成聚集體[16], 常以藻類(lèi)等自養(yǎng)微生物為優(yōu)勢(shì)物種[17]。此外, 周叢生物內(nèi)部存在空隙和微孔,這些空隙和微孔有助于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的來(lái)回轉(zhuǎn)移。周叢生物具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性, 能顯著影響水土環(huán)境的理化性質(zhì), 在調(diào)節(jié)氮素循環(huán)和能量流動(dòng)方面發(fā)揮著重要作用[18]?，F(xiàn)有研究表明, 周叢生物對(duì)氨揮發(fā)的影響存在直接抑制(覆蓋和吸附)和間接促進(jìn)(提高pH和NH4+濃度)的雙重作用[19]。因此, 如何最大限度發(fā)揮周叢生物對(duì)氮素的儲(chǔ)存作用并同時(shí)減少藻類(lèi)對(duì)氨揮發(fā)的促進(jìn)作用, 有望成為抑制稻田氨揮發(fā)的新的技術(shù)突破口, 并有望形成一套新型稻田氨揮發(fā)抑制技術(shù)。

針對(duì)上述問(wèn)題, 課題組使用包埋法制備出周叢生物誘導(dǎo)載體(制備方法見(jiàn)專(zhuān)利201911138867.2), 試驗(yàn)田中插秧后, 均勻撒施誘導(dǎo)載體, 用量為45 kg?hm?2;穗肥施加后再次撒施誘導(dǎo)載體30 kg?hm?2; 對(duì)照田中不施加任何載體。比較不同水稻生長(zhǎng)期內(nèi)試驗(yàn)田與對(duì)照田中不同施肥期周叢生物氮儲(chǔ)存能力及其誘導(dǎo)的氨揮發(fā)通量。結(jié)果表明, 誘導(dǎo)載體的使用能夠快速誘導(dǎo)稻田周叢生物的生長(zhǎng), 人工誘導(dǎo)生長(zhǎng)的周叢生物具有更大的氮富集能力, 表現(xiàn)出更強(qiáng)的抑制氨揮發(fā)潛勢(shì)。

如表1所示, 人工誘導(dǎo)載體的使用能快速誘導(dǎo)稻田周叢生物的生長(zhǎng), 增加了稻田周叢生物的生物量,具有更大的氮富集能力, 從而減少施肥后田面水NH4+濃度, 抑制了氨揮發(fā)。載體誘導(dǎo)使得基肥、分蘗肥、穗肥后周叢生物中氮儲(chǔ)量分別增加0.44 kg?hm?2、6.36 kg?hm?2和2.23 kg?hm?2。

表1 不同施肥期稻田人工誘導(dǎo)的周叢生物氮儲(chǔ)量Table 1 Nitrogen storage in artificial induced and naturally growth periphyton in different fertilization periods of paddy field kg?hm?2

為了使周叢生物儲(chǔ)存的氮釋放出來(lái)供水稻利用,同時(shí)降低田面水pH, 達(dá)到釋肥抑氨的效果, 試驗(yàn)通過(guò)施用特丁凈來(lái)達(dá)到此目的。試驗(yàn)共施加2次特丁凈,間隔兩天, 每次施加0.1 kg?hm?2, 對(duì)照田中不施加特丁凈。結(jié)果表明, 特丁凈的使用可顯著抑制稻田氨揮發(fā)的發(fā)生, 其中基肥期、分蘗肥期以及穗肥期周叢生物誘導(dǎo)的氨揮發(fā)量(處理組與對(duì)照組之差)分別為17.64 kg?hm?2、4.29 kg?hm?2以 及0.11 kg?hm?2, 特丁凈的使用對(duì)基肥期氨揮發(fā)抑制效果最顯著(表2)。利用特丁凈將該時(shí)期氨揮發(fā)累計(jì)損失量降低了71.3% [17.76 kg(N)?hm?2]。

表2 抑氨技術(shù)對(duì)稻田氨揮發(fā)累積量及損失率的影響Table 2 Effects of ammonia inhibition technology on ammonia volatilization accumulation and ammonia volatilization loss rate in periphyton in paddy field

基于上述試驗(yàn)結(jié)果, 提出以抑藻控氨-快速成膜-抑藻釋銨的“控-固-釋”技術(shù)(圖4)。該技術(shù)在基肥期推薦施加特丁凈, 抑制藻類(lèi)與水稻的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng), 降低田面水pH。在分蘗期與穗肥期, 周叢生物介導(dǎo)的氨揮發(fā)量均小于周叢生物導(dǎo)致的氮儲(chǔ)存增加量, 因此可在這兩個(gè)時(shí)期誘導(dǎo)周叢生物的生長(zhǎng), 通過(guò)強(qiáng)化周叢生物對(duì)氮的儲(chǔ)存, 抵消對(duì)氨揮發(fā)的影響。在花期再次施入特丁凈, 將分蘗期與穗肥期周叢生物固定的銨態(tài)氮釋放出來(lái), 供水稻后期利用, 最終實(shí)現(xiàn)肥料高效利用與減少氨揮發(fā)排放的目的。

圖4 稻田周叢生物“控-固-釋”技術(shù)Fig.4 Periphyton “retrain-immobilization-release” technology in paddy field

2.4 露天蔬菜新型緩釋抑氨技術(shù)

太湖地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一, 該地區(qū)蔬菜種植氮肥投入量大, 復(fù)種指數(shù)高, 氨揮發(fā)損失量可占到施氮量的24%。目前控氨減排技術(shù)主要是針對(duì)大田作物, 目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)蔬菜的控氨減排技術(shù)?；诖? 課題組以太湖地區(qū)大面積種植的‘上海青’(Brassica chinensis)為供試蔬菜作物, 通過(guò)田間試驗(yàn), 研究了不同氮肥品種和肥料用量對(duì)‘上海青’產(chǎn)量及氨揮發(fā)的影響, 比較了氨揮發(fā)造成的環(huán)境損失。

試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)處理, 其中: 200 kg(N)?hm?2條件下4個(gè)處理, 包括1)傳統(tǒng)尿素(N200)、2)硝基復(fù)合肥(N200A)、3)脲酶抑制劑(NBPT)尿素(N200B)、4)有機(jī)肥部分替代(尿素∶有機(jī)肥=7∶3)(N200C);160 kg(N)?hm?2條件下3個(gè)處理, 包括5)減施20%氮尿素(N160)、6)減施20%氮金正大牌緩控釋肥(N160A)、7)減施20%氮美農(nóng)牌緩控釋肥(N160B);1個(gè)不施肥處理為8)不施肥(CK)。通過(guò)對(duì)不同氮肥品種對(duì)露天蔬菜地氨揮發(fā)及其環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià), 得出同時(shí)協(xié)調(diào)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益, 且相對(duì)增產(chǎn)效果較優(yōu)的肥料種類(lèi)措施。在常規(guī)施氮條件下,硝基復(fù)合肥處理具有較高的農(nóng)學(xué)效益和較低的環(huán)境成本, N200A蔬菜產(chǎn)量平均為34.03 t?hm?2, 與N200相比, 增加25.13%, 同時(shí)N200A的環(huán)境損益最低, 為140.63元?hm?2。在減氮20%條件下, 緩控施肥具有較高的農(nóng)學(xué)效益和較低的環(huán)境成本, 與N160相比,N160A和N160B處理‘上海青’產(chǎn)量均有增產(chǎn)效果(15.04%～27.98%), 其中N160B的環(huán)境損失最低, 僅為108.34元t?hm?2, 與N200相比減少88.16%。

4個(gè)蔬菜種植季N200、N200A、N200B、N200C、N160、N160A、N160B和CK處理的氨揮發(fā)累積量變化范圍分別為1.80～44.86 kg?hm?2、0.47～5.72 kg?hm?2、0.09～8.84 kg?hm?2、1.55～5.49 kg?hm?2、2.42～32.34 kg?hm?2、2.09～13.16 kg?hm?2、1.55～5.49 kg?hm?2和0.18～3.87 kg?hm?2。4個(gè)種植季, 各施肥處理平均氨揮發(fā)系數(shù)分別為11.22% (N200)、0.84% (N200A)、2.28%(N200B)、5.12% (N200C)和8.63% (N160)、3.19%(N160A)、0.90% (N160B), 常規(guī)尿素(N200)氨排放系數(shù)最高, 硝基復(fù)合肥處理(N200A)和美農(nóng)緩控釋肥處理(N160B)氨排放系數(shù)最小。

硝基復(fù)合肥處理增產(chǎn)率最高, 氨揮發(fā)減排量最多, 是最有效的露天蔬菜地氨減排技術(shù)。這是因?yàn)椤虾Ｇ唷窍蚕踝魑? 對(duì)硝基肥利用率高。同時(shí), 由于施入的硝態(tài)氮不是氨揮發(fā)的底物, 因此氨揮發(fā)極少。但是, 由于安全因素, 市場(chǎng)上硝基肥較少, 我們進(jìn)一步推薦了脲酶抑制劑和蔬菜專(zhuān)用緩控施肥措施,這兩種措施也能達(dá)到較好的減排效果和經(jīng)濟(jì)收益。由此, 我們提出如圖5所示露天蔬菜新型緩釋抑氨技術(shù)。

圖5 露天蔬菜新型緩釋抑氨技術(shù)Fig.5 Slow-release fertilizers in reducing ammonia emission for open-air vegetables

2.5 果樹(shù)大顆粒肥深施控氨技術(shù)

由于水果經(jīng)濟(jì)效益比較高, 近年來(lái)太湖地區(qū)稻改果的面積越來(lái)越大, 而集約化果園的氨揮發(fā)損失與減排技術(shù)尚少見(jiàn)報(bào)道?；诖? 課題選擇陽(yáng)山水蜜桃特色果樹(shù)為研究對(duì)象, 研制專(zhuān)用大顆粒肥料。針對(duì)水蜜桃氮、鉀需求量較高的特點(diǎn), 該肥料氮磷鉀比例為12∶11∶18, 采用活化腐殖酸、化學(xué)緩釋肥以及功能微生物菌劑通過(guò)制造車(chē)間制作成直徑5 cm、高3 cm的圓柱形水蜜桃專(zhuān)用生物有機(jī)無(wú)機(jī)超大顆粒肥料, 重量約為100 g?顆?1。根據(jù)緩釋肥的養(yǎng)分釋放特點(diǎn), 以等基肥施氮量和總追肥施氮量的大顆粒肥料在果樹(shù)休眠期和開(kāi)花期進(jìn)行施肥。施入方式為圍繞樹(shù)冠滴水線(距離樹(shù)干40～60 cm)挖溝深施或鉆孔深施, 深度為10～20 cm。

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理: 1)對(duì)照不施化學(xué)氮肥(CK); 2)農(nóng)民常規(guī)化肥氮用量(T1); 3) ?30%化肥氮+深施(T2); 4)等T2施氮量的大顆粒肥料深施8 cm (T3); 5)等T2施氮量的大顆粒肥料深施13 cm(T4)。根據(jù)不同施肥措施的水蜜桃園氨揮發(fā)消減效果和經(jīng)濟(jì)效益, 對(duì)太湖果園大顆粒肥料深施控氨技術(shù)的可行性進(jìn)行評(píng)估。

與常規(guī)施肥相比, 大顆粒肥料深施13 cm效果最好, 增加了20%～30%的果實(shí)產(chǎn)量、18%～25%的果實(shí)數(shù)量、果實(shí)構(gòu)成中>250 g的果實(shí)數(shù)量, 提高了果實(shí)吸氮量, 消減了52.7%～63.7%的氨揮發(fā)總量, 同時(shí)降低了N2O排放及氮素徑流造成的氮素?fù)p失。在經(jīng)濟(jì)效益上, 大顆粒肥料的施用雖然增加了經(jīng)濟(jì)成本, 但削減了兩次追肥產(chǎn)生的人工成本, 增加了果實(shí)產(chǎn)量,增加45 000～60 000元?hm?2的凈收益。由此, 我們提出如圖6所示果樹(shù)大顆粒肥深施控氨技術(shù): 在果樹(shù)休眠期和開(kāi)花期圍繞樹(shù)冠滴水線(距離樹(shù)干40～60 cm)挖溝深施或鉆孔深施大顆粒專(zhuān)用肥, 深度為10～20 cm。

圖6 果樹(shù)大顆粒肥深施控氨技術(shù)Fig.6 Deep application of large-size granular fertilizer in reducing ammonia emission for fruit trees

3 結(jié)論與展望

通過(guò)本課題研究, 主要取得以下6個(gè)方面的主要進(jìn)展:

1)長(zhǎng)江中下游典型稻菜果氨排放特征: 在常規(guī)施肥下, 稻田氨排放系數(shù)和變異最大(平均為14.2%),露天蔬菜次之(平均為11.2%), 果樹(shù)最低(平均為4.76%)。

2)雙季稻氮肥減量技術(shù): 脲酶抑制劑技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果最優(yōu), 為2569元?hm?2。脲酶抑制劑或者菌肥替代和深施組合技術(shù)氨揮發(fā)減排效果最佳, 氨揮發(fā)減排分別可達(dá)81.7%和77.3%。

3)水稻肥料側(cè)根深施技術(shù): 將所用肥料在距水稻根系5 cm、土深10 cm處作基肥一次穴施, 既能滿(mǎn)足作物肥料需求, 又最大程度減少氨揮發(fā)。

4)稻田周叢生物成膜抑氨技術(shù): 在基肥施加后使用特丁凈抑制周叢生物中藻類(lèi)生長(zhǎng)減少分蘗期氨揮發(fā)的排放, 在分蘗肥及穗肥期通過(guò)人工載體促進(jìn)周叢生物對(duì)氮的儲(chǔ)存攔截, 在開(kāi)花期再施加特丁凈使周叢生物存儲(chǔ)的氮釋放出來(lái), 供后期水稻利用, 最終實(shí)現(xiàn)肥料的高效利用與氨減排的目的。

5)露天蔬菜緩釋抑氨技術(shù): 硝基復(fù)合肥具有氨揮發(fā)減排和增產(chǎn)雙重最佳效果, 脲酶抑制劑和蔬菜專(zhuān)用緩控施肥措施, 也能達(dá)到較好的減排效果和經(jīng)濟(jì)收益。

6)果樹(shù)大顆粒肥深施控氨技術(shù): 果樹(shù)專(zhuān)用大顆粒肥料深施13 cm較常規(guī)減少52.7%～63.7%的氨揮發(fā)總量, 并實(shí)現(xiàn)增加45 000～60 000元?hm?2的凈收益。

基于本課題的研究結(jié)果和尚未完全解決的該領(lǐng)域科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題, 建議“十四五”期間繼續(xù)開(kāi)展以下幾方面研究:

1)農(nóng)田氨排放具有很強(qiáng)的時(shí)空變異, 需要加強(qiáng)氨揮發(fā)損失的長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè), 明確典型作物類(lèi)型、不同區(qū)域特征氨排放影響因素, 提出區(qū)域氨排放估算模型。

2)加強(qiáng)氨減排環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益核算, 應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法, 開(kāi)展全鏈條綜合減排技術(shù)研究。綜合考慮氨揮發(fā)和溫室氣體(CH4和N2O)協(xié)同減排等因素, 有針對(duì)性地提出綜合的氨揮發(fā)減排技術(shù)體系。

3)加大機(jī)具研制力度, 研發(fā)兼具操作簡(jiǎn)易、成本低廉的氨揮發(fā)減排技術(shù)。綜合利用農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物、新型緩控釋肥料、選育氮高效品種, 充分挖掘氨揮發(fā)減排潛力。