康興蓉,周旋,彭建偉*,楊相東,徐章倩,黃粵林,費講馳
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,長沙 410128;2.湖南省土壤肥料研究所,長沙 410125;3.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081)
水稻是我國的主要糧食作物,我國水稻種植面積及產(chǎn)量分別約占全球的18.5%和27.7%,占我國糧食作物總量的27%和38%[1]。在水稻生產(chǎn)過程中,農(nóng)民為提高產(chǎn)量一味增加氮(N)肥施用量,過量施N 現(xiàn)象普遍存在[2-3]。長期不合理施用N 肥造成水稻N 肥利用率降低,損失量加大。據(jù)統(tǒng)計,施入土壤中的N 有14%~52%以硝化反硝化、淋溶和氨揮發(fā)等形式損失,其中氨揮發(fā)占總N 損失量的9%~40%[4-6],為主要的損失途徑[7-9]。而氨通過干濕沉降又返回陸地和水體,造成土壤酸化、水體富營養(yǎng)化,加劇了溫室效應[10]。為加強農(nóng)業(yè)面源污染控制,國家有關部門聯(lián)合印發(fā)《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》,明確要求洞庭湖周邊地區(qū)2020 年化肥使用量比2015 年減少10%以上[11]。因此,迫切需要優(yōu)化N 肥施用以滿足作物需求,并減少氨揮發(fā)造成的N素損失[12]。
一般而言,氨揮發(fā)損失主要受土壤條件,氣候因子和肥料種類、用量及施用方式等因素的影響,其損失量會隨著施N 量的增加而增加[13]。合理的N 肥施用既符合水稻N 素的吸收規(guī)律,提高N 素利用率,又能減少稻田中氨揮發(fā)、徑流、滲漏等方式的N素損失,減輕對生態(tài)環(huán)境的影響[14]。緩/控釋N 肥可控制N 素釋放速率,從而滿足水稻生長需肥規(guī)律,提高N 肥利用率,減少稻田氨排放[15],但存在作物前期生長遲緩等問題,因此推廣難度較大?;诓煌寥赖亓妥魑飳︷B(yǎng)分的需求,將緩釋肥料和普通肥料按比例進行復配,使其釋放特性與作物需肥規(guī)律相匹配,可顯著提高肥料利用率[16-17]。這種施用方法操作簡單、價格低廉,為緩釋肥在大田作物上的普及提供了可能[18-19]。
尿素是世界范圍內(nèi)應用最廣泛的農(nóng)業(yè)N 源[20]。聚氨酯(PUR)全稱為聚氨基甲酸酯,作為包膜材料用于制備控釋包膜肥,具有生產(chǎn)成本低、制備工藝簡單、易實現(xiàn)連續(xù)化等優(yōu)點[3,21-22],已成為最有前景的膜材類別[23-24]。目前,關于聚氨酯包膜尿素與普通尿素配比施用對稻田氨揮發(fā)減排的研究鮮有報道。本課題組連續(xù)兩年在洞庭湖雙季稻種植區(qū)開展聚氨酯包膜尿素與普通尿素配比對雙季早稻氮肥利用率及氨揮發(fā)特征影響的研究,并探討其影響因子,以期為阻控平原河網(wǎng)區(qū)氨揮發(fā)、提高N肥利用率以及控釋摻混肥的推廣提供科學依據(jù)。
試驗于2018 年和2019 年的3—7 月在湖南省益陽市赫山區(qū)蘭溪鎮(zhèn)椆木垸村稻田(28°58′25″N,112°45′47″E)進行。該地屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的季風濕潤性氣候,年均氣溫16.9 ℃,年無霜期272 d,年日照時數(shù)1 554 h,年均降雨量1 433 mm[25-26]。供試土壤為第四紀紅土發(fā)育的紅黃泥,中等地力,前茬為水稻,兩年水稻分別種植在相鄰田塊上,0~20 cm 耕層土壤基本理化性質見表1[3,25]。
表1 2018—2019年供試土壤基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil tested in 2018—2019
2018 年和2019 年早稻季降水及溫度情況如圖1所示,數(shù)據(jù)由益陽市氣象局提供。2018 年和2019 年雙季早稻生長期間(4—7 月)累計降雨量分別為348.6 mm 和558.9 mm,平均氣溫分別為25.4 ℃和23.9 ℃,其中 4 月和 5 月降雨量分別為 261.9 mm 和333.6 mm。2018 年較大降雨發(fā)生于 4 月 23 日、4 月 30日和 5 月6 日,分別為 38.1、31.6 mm 和35.0 mm;2019年較大降雨發(fā)生于 4 月 29 日、5 月 12 日和 7 月 12 日,分別為57.3、57.3 mm和84.5 mm。
圖1 2018—2019年早稻季降水及大氣溫度Figure 1 Precipitation and atmospheric temperature in early rice season for 2018—2019
供試水稻品種為湘早秈45 號,全生育期106 d 左右。供試肥料為聚氨酯包膜尿素(含N 44%),N 素釋放周期約為90 d,由中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所提供;尿素(N 46%)、鈣鎂磷肥(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)均由當?shù)剞r(nóng)資部門提供。
試驗共設置4 個處理:①CK,不施N 肥;②CF(Conventional fertilization),常規(guī)施肥,N 用量為 150 kg·hm-2,普通尿素按基肥∶分蘗肥=6∶4 施用;③PuCU(Polyurethane coated urea),聚氨酯包膜尿素一次性基肥施用;④0.6PuCU+0.4CF,60%N 聚氨酯包膜尿素+40%N 普通尿素一次性基肥施用。各處理P2O5用量為 45 kg·hm-2,K2O 用量為 90 kg·hm-2,均作基肥一次性施用。各處理具體施肥情況見表2。種植密度為17.5 cm×25.0 cm,小區(qū)面積21 m(23 m×7 m)。各處理均重復3次,隨機區(qū)組排列。小區(qū)田埂用農(nóng)膜覆蓋,四周設保護行,避免串水串肥,田間管理按當?shù)亓晳T方式。2018年和2019年早稻播種日期分別為3月17日和3月12日,基肥日期分別為4月18日和4月16日,追肥日期均為4 月24 日,移栽日期分別為4 月19 日和4月17日,收獲日期分別為7月10日和7月14日。
表2 不同處理施肥用量(kg·hm-2)Table 2 Application rate under different fertilization treatments(kg·hm-2)
1.4.1 氨揮發(fā)采集及測定
氨揮發(fā)采用半密閉法測定[27-28]。氣體收集裝置由內(nèi)徑15 cm、高40 cm 的聚氯乙烯(PVC)硬質管制成。將兩塊厚度為2 cm、直徑為16 cm 的海綿均勻浸以15 mL 磷酸甘油溶液后,置于PVC 管中,下層海綿距離地表6 cm,上層海綿與PVC 管頂部齊平。采樣時,取出上層海綿后,將下層海綿用封口袋裝好帶回實驗室浸提測定,更換下層海綿,上層海綿更換磷酸甘油后仍放置在上層以阻擋空氣中氨進入。將收集的下層海綿浸泡在200 mL 1 mol·L-1KCl溶液中,振蕩1 h,用全自動間歇性化學分析儀(SmartChem 200)測定浸提液中-N含量,計算氨揮發(fā)通量。
在施肥后第1、3、5、7、8、10、14 天連續(xù)收集氣體樣品,之后每7 d采集一次,直至水稻成熟期結束。
式中:FNH3為氨揮發(fā)通量,kg·hm-2·d-1;m為平均每次測得的氨量(-N),g;A為捕獲裝置的橫截面積,m2;t為每次連續(xù)捕獲的天數(shù),d;C為KCl 浸取液中-N濃度,mol·L-1;V為 KCl 浸取液的體積,200 mL;Mo為氨的摩爾質量,17 g·mol-1。
氨揮發(fā)累積損失量的計算公式[29]如下:
式中:Af為氨揮發(fā)累積損失量,kg·hm-2;n為施肥后測定的總次數(shù);Vi為第i次測定時的氨揮發(fā)速率,kg·hm-2·d-1;Ti為第i次測定時的施肥后天數(shù);Ti-Ti-1為兩個相鄰測定日期之間的時間間隔,d。
氨揮發(fā)損失率=(施N 區(qū)氨揮發(fā)累積N 損失量-不施N區(qū)氨揮發(fā)累積N損失量)/施N量×100%
1.4.2 植株采集及測定
各小區(qū)采集成熟期水稻植株5 穴,樣品清洗、剪碎、混勻后于105 ℃殺青30 min,之后75 ℃烘干至質量恒定,測定地上部干質量,粉碎過篩后,經(jīng)H2SO4-H2O2消煮,采用凱氏定氮法測定全N含量。
N肥利用效率的計算公式[30-31]如下:
N 肥吸收利用率(NRE,%)=(施N 區(qū)地上部植株吸N量-空白區(qū)地上部植株吸N量)/施N量×100%
N 肥農(nóng)學利用率(NAE,kg·kg-1)=(施 N 區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/施N量
N 肥生理利用率(NPE,kg·kg-1)=(施N 區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量)/(施N 區(qū)地上部植株吸N 量-空白區(qū)地上部植株吸N量)
N肥偏生產(chǎn)力(NPEP,kg·kg-1)=施N區(qū)產(chǎn)量/施N量
1.4.3 田面水采集及測定
采用100 mL 醫(yī)用注射器,在不擾動水層的前提下,按對角線取樣,每個小區(qū)取5 點田面水約300 mL裝于塑料瓶,采用Smartchem 200 全自動間斷化學分析儀測定田面水pH和-N、NO-3-N濃度。
采用Excel 2016 和SPSS 17.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,處理間差異顯著性分析采用最小顯著差異法(LSD)。采用Pearson 相關系數(shù)分析氨揮發(fā)通量與田面水pH、-N濃度、降雨量及大氣溫度之間的關系。采用Origin 8.5軟件制圖及進行方程擬合[32]。
式中:Qt為氨揮發(fā)累積量,kg·hm-2;a為第 1 天氨揮發(fā)累積量,kg·hm-2;b為氨揮發(fā)速率,即單位時間內(nèi)的氨揮發(fā)量,kg·hm-2·d-1;t為監(jiān)測時間。
如圖2 所示,2018 年和2019 年早稻季全生育期氨揮發(fā)通量變化表現(xiàn)基本一致?;适┯煤?,各施肥處理在前3 d 內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)峰值,CF 處理分別為4.22 kg·hm-2·d-1和 5.07 kg·hm-2·d-1,0.6PuCU+0.4CF 處理分別為 3.10 kg·hm-2·d-1和 3.21 kg·hm-2·d-1,PuCU 處理分別為 0.66 kg·hm-2·d-1和 0.86 kg·hm-2·d-1。速效N 肥快速釋放使氨揮發(fā)加快,因此CF 處理氨揮發(fā)通量較高,PuCU 處理氨揮發(fā)通量一直較低,顯著低于CF 處理,而略高于CK 處理。與CF 處理相比,0.6PuCU+0.4CF 和PuCU 處理峰值分別降低26.54%~36.68%和83.04%~84.36%。移栽后第10 天,CF 處理氨揮發(fā)通量又出現(xiàn)峰值,分別為2.33 kg·hm-2·d-1和3.09 kg·hm-2·d-1,之后逐漸下降。水稻生育后期各施肥處理氨揮發(fā)通量均趨于CK處理。
圖2 不同施肥處理下早稻季全生育期氨揮發(fā)通量Figure 2 NH3 volatilization flux during the whole growth period of early rice season under different fertilization treatments
2.2.1 氨揮發(fā)累積動態(tài)
由圖3 可知,移栽后第10 天,與CK 處理相比,2018 年CF 和0.6PuCU+0.4CF 處理氨揮發(fā)累積量分別增加21.13 kg·hm-2和11.66 kg·hm-2,2019年分別增加20.72 kg·hm-2和 10.57 kg·hm-2;與 CF 處理相比,2018年PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 處理氨揮發(fā)累積量分別減少 20.44 kg·hm-2和 9.47 kg·hm-2,2019 年分別減少18.21 kg·hm-2和 10.14 kg·hm-2。施肥后,速效N 前期快速釋放,CF 處理氨揮發(fā)快速累積且累積量較高,而PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 處理氨揮發(fā)緩慢,顯著低于CF 處理。2018 年早稻分蘗盛期(第 36 天)PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 處理氨揮發(fā)累積量較CF 處理分別降低 83.00% 和 55.22%,2019 年(第 42 天)分別降低65.36%和45.29%。
圖3 不同施肥處理下稻田氨揮發(fā)累積量Figure 3 Cumulative NH3 volatilization in paddy field under different fertilization treatments
2.2.2 氨揮發(fā)損失量
由表3 可知,施肥處理對雙季早稻基肥期、追肥期和整個生育期氨揮發(fā)損失量(率)效應極顯著(P<0.01),年份和年份與施肥處理間交互效應對雙季早稻各時期氨揮發(fā)損失量(率)效應不顯著(P>0.05)。各施肥處理早稻全生育期間氨揮發(fā)損失量(率)均高于CK 處理。兩年CF 處理早稻全生育期氨揮發(fā)損失量(率)均值為 39.48 kg·hm-2(22.22%)。PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 處理氨揮發(fā)損失總量(率)分別為12.01 kg·hm-2(3.91%)和 20.70 kg·hm-2(9.70%)。與CF 處理相比,0.6PuCU+0.4CF 和 PuCU 處理氨揮發(fā)損失總量分別降低了47.57%和69.56%。
表3 不同施肥處理下稻田氨揮發(fā)損失量和損失率Table 3 NH3 loss and rate in paddy field under different fertilization treatments
如圖4 所示,基肥施用后第1 天,CF 處理田面水NH+
圖4 不同施肥處理下早稻季田面水-N濃度Figure 4 -N concentration in surface water of early rice field under different fertilization treatments
4-N 濃度達峰值,2018 年和 2019 年分別為 10.91 mg·L-1和 10.88 mg·L-1,0.6PuCU+0.4CF 和 PuCU 處理分別較CF 處理降低18.95%和47.86%。2018 年移栽后第 7 天和 2019 年移栽后第 10 天,CF 處理-N 濃度再次出現(xiàn)峰值(9.03 mg·L-1和16.43 mg·L-1),而施用包膜尿素處理大幅下降。水稻生長后期,各施肥處理田面水-N濃度逐漸降低,趨于CK處理。
2.3.2 田面水NO-3-N濃度
如圖5 所示,基肥施用后前3 d,各處理田面水NO-3-N 濃度出現(xiàn)峰值,CF 處理 2018 年和 2019 年分別為1.43 mg·L-1和2.01 mg·L-1,0.6PuCU+0.4CF和PuCU處理較CF 處理分別降低22.12%和46.12%。2018 年移栽后第7天和2019年移栽后第10天,CF處理NO-3-N濃度再次出現(xiàn)峰值(0.93 mg·L-1和1.07 mg·L-1),而施用包膜尿素處理NO-3-N 濃度大幅下降。水稻生長后期,各施肥處理田面水NO-3-N濃度逐漸降低,趨于CK處理。
圖5 不同施肥處理下早稻季田面水NO-3-N濃度Figure 5 NO-3-N concentration in surface water of early rice field under different fertilization treatments
2.3.3 田面水pH變化
如圖6 所示,基肥施用后田面水pH 兩年均呈先增加后降低的趨勢。CF 和0.6PuCU+0.4CF 處理田面水pH快速上升達到峰值,2018年分別為7.45和7.04、2019 年分別為 7.96 和 7.42,而 PuCU 處理增幅較小。水稻生長后期,各施肥處理田面水pH逐漸降低,趨于CK處理。
圖6 不同施肥處理下早稻季田面水pHFigure 6 Surface water pH of early rice field under different fertilization treatments
由表4 可知,施肥處理對雙季早稻成熟期N 素吸收量及N肥利用效率效應顯著或極顯著,而年份效應不顯著(P>0.05,NAE 除外),施肥處理與年份間的交互效應也不顯著(P>0.05)。2018 年和2019 年雙季早稻成熟期施N 處理N 素吸收量較CK 處理分別增加59.81%~109.98%和39.17%~134.05%;早稻全生育期CF 處理 N 肥 NRE 和 NAE 分別為 29.19% 和 13.82 kg·kg-1,PuCU 和 0.6PuCU+0.4CF 處 理 的 NRE 分 別 為60.22%和 71.36%,NAE 分別為 18.99 kg·kg-1和20.34 kg·kg-1。與 CF 處理相比,0.6PuCU+0.4CF 和 PuCU 處理雙季早稻N 素吸收量分別顯著增加49.79%和36.15%,NRE 分別提高163.08% 和 116.29%,NAE 分別提高69.85%和55.97%,NPFP 分別提高15.10%和11.99%。
表4 不同施肥處理下雙季早稻氮素吸收量及氮肥利用效率Table 4 N uptake and its use efficiency of double cropping early rice under different fertilization treatments
表5 稻田氨揮發(fā)與田面水氮素濃度及氣候條件的相關系數(shù)Table 5 Correlation coefficients of ammonia volatilization in paddy field with N concentration in surface water and climatic conditions
由表6 可知,將不同處理氨揮發(fā)累積量隨時間變化用Elovich 方程進行擬合,其相關性均達到極顯著水平(P<0.01),但該動力學模型對不同處理氨揮發(fā)的擬合程度存在差異。參數(shù)b為斜率,可表征不同處理下氨的揮發(fā)強度,不同處理b值大小表現(xiàn)為CF>0.6Pu?CU+0.4CF>PuCU>CK,這與氨排放累積量變化趨勢基本一致。通過2018年模型計算出2019年理論氨揮發(fā)累積量與實際氨揮發(fā)累積量相近,表明所建立的氨揮發(fā)累積動力學模型擬合性較好。
表6 不同施肥處理下氨揮發(fā)累積動力學模型Table 6 Dynamic model of ammonia volatilization under different fertilization treatments
大量研究認為,速效N肥一次性基施不是合理的施肥方式,不能滿足植株全生育期的養(yǎng)分需求,且會加劇N 素損失[33-34]。李菊梅等[35]研究發(fā)現(xiàn),稻田生態(tài)系統(tǒng)施用尿素后氨揮發(fā)損失比例高達37.8%。本研究中,CF 處理早稻季氨揮發(fā)總量兩年平均為39.48 kg·hm-2,損失率高達22.22%,與前人研究結果接近[36]。XU 等[7]研究發(fā)現(xiàn),普通尿素和包膜尿素處理雙季稻田氨揮發(fā)損失分別占施N 量的16%~30%和4%~8%。等施N 量下,緩控釋肥料較常規(guī)化肥分次施用能減少稻田氨揮發(fā)排放量13.80%~86.36%[37]。鄔剛等[38]研究發(fā)現(xiàn),控釋N 肥可減少江淮丘陵區(qū)稻田26.2%的氨揮發(fā)。本研究中,洞庭湖區(qū)早稻季PuCU處理氨揮發(fā)損失量(率)僅為12.01 kg·hm-2(3.91%),較CF處理降幅顯著。
氨揮發(fā)峰值的出現(xiàn)與施肥時期密切相關[33]。唐良梁等[39]的研究發(fā)現(xiàn),水稻季氨揮發(fā)持續(xù)的時間較短,主要發(fā)生在施肥后的一周內(nèi)。追肥是造成氨揮發(fā)的重要原因,本研究中CF 處理在追肥后產(chǎn)生的氨排放占比高,控釋包膜肥一次性施用處理在水稻生長中后期幾乎無氨產(chǎn)生。CF 與0.6PuCU+0.4CF 處理氨揮發(fā)速率在前3 d達到峰值,PuCU處理整個水稻生長季未出現(xiàn)峰值,與前人研究結果相似[15,40],即控釋包膜肥施用推遲氨揮發(fā)速率峰值的出現(xiàn)。此外,0.6Pu?CU+0.4CF 處理會增加水稻生長前期的氨揮發(fā)量,但與CF處理相比,損失量仍平均降低47.57%。
稻田土壤氨揮發(fā)主要影響因素為表層水氨分壓和風速等氣候因子,降低稻田N素揮發(fā)損失的主要途徑應為減少其表層水-N 濃度[43]。氨揮發(fā)與稻田水溫存在較好的正相關關系。雖然控釋尿素養(yǎng)分釋放慢,但由于速效氮的水解及此時期稻田有較高的水層,肥料顆粒密度小,大量浮在水層上面,加上施肥期間背景氣溫高,使得田面水和土壤中-N濃度迅速增加,促進了氨的揮發(fā)[45]。吳萍萍等[44]的研究表明,一定范圍內(nèi),溫度升高能提高脲酶活性,促進尿素分解。溫度升高增加液相中-N的比例,從而促進氨揮發(fā)作用[46]。而本研究中大氣溫度、降雨量與氨揮發(fā)量并未表現(xiàn)出一致性,反映出田間環(huán)境條件的復雜性。
研究表明,施用緩釋N 肥可有效增加水稻產(chǎn)量,提高肥料利用率,減少施肥成本,降低環(huán)境污染[47-48]。本研究中,PuCU 處理不僅能在生長前期降低氨揮發(fā)損失,使養(yǎng)分釋放周期延長,而且后期能滿足作物對養(yǎng)分的需求。兩年間,在P、K肥用量和施用方法一致的條件下,0.6PuCU+0.4CF 處理較CF 處理平均提高水稻 N 素吸收、NAE 和 NPFP 分別為 49.79%、69.85%和15.10%,提高NRE 高達71.36%,且產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分別提高15.10%和16.93%[25],高于陳琨等[49]的研究結果。因此,施用聚氨酯控釋摻混肥可顯著提高洞庭湖區(qū)水稻N 素累積量及N 肥利用效率,該方法適合在該區(qū)域進行推廣。
陳賢友等[50]的研究表明,硫磺加樹脂雙層包膜尿素與普通尿素的摻混比例達70%以上且一次性基施(N 210 kg·hm-2)可滿足水稻整個生育期N 肥需求,增產(chǎn)顯著,NAE 和NRE 明顯提高。付月君等[51]則發(fā)現(xiàn),一次性基施40%緩釋N 肥+60%尿素處理(N 150 kg·hm-2)的水稻N 肥利用率在各處理中最高。本研究中,與CF 處理相比,施用控釋N 肥均不同程度避免了尿素迅速水解釋放養(yǎng)分的問題,有效協(xié)調了水稻全生育期的N 素供應,且0.6PuCU+0.4CF 處理的增產(chǎn)效果優(yōu)于PuCU 處理。這可能是由于雙季早稻生長初期氣溫較低,PuCU處理的溶出速率受到抑制,前期生長受到養(yǎng)分短缺的影響,而0.6PuCU+0.4CF 處理因摻混比例較為適宜,既能在早稻生長前期通過尿素提供適量的速效養(yǎng)分,又能增加生長后期土壤N素的供應強度,降低 N 肥損失的風險[52]。0.6PuCU+0.4CF 處理較PuCU 處理早稻NRE 平均提高19.03%。研究表明,聚氨酯尿素摻混普通尿素能較全面協(xié)調作物全生育期的N素需求,促進早稻生長,進而發(fā)揮其增產(chǎn)潛力。
本試驗條件下,施用控釋包膜肥能顯著降低雙季早稻田氨揮發(fā)損失,且單施包膜尿素和控釋摻混尿素處理稻田氨揮發(fā)累積損失量較常規(guī)施肥處理分別顯著降低69.56%和47.57%。施用聚氨酯控釋摻混肥能有效利用前期尿素釋放N 素較快、后期控釋N 肥緩釋的特點,保證水稻生長過程中N 素的充分供應,改善植株N素的營養(yǎng)狀況,在降低氨揮發(fā)損失的同時提高作物N肥利用效率,進而實現(xiàn)減排、增效。