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有機(jī)種植對(duì)濱海稻田氨揮發(fā)特征及水稻產(chǎn)量的影響

2023-06-17 16:24:32郭柯凡王豐婁文月朱元宏沙之敏曹林奎蔣敏
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年10期
關(guān)鍵詞:水稻產(chǎn)量

郭柯凡 王豐 婁文月 朱元宏 沙之敏 曹林奎 蔣敏

摘要:為了探討有機(jī)種植對(duì)濱海稻田氨揮發(fā)損失及水稻產(chǎn)量的影響,設(shè)置不施肥對(duì)照(CK)、常規(guī)種植(CT)、有機(jī)種植(CO)3個(gè)處理,采用密閉室間歇抽氣法,開展有機(jī)種植方式下濱海稻田氨揮發(fā)特征的研究。結(jié)果表明,有機(jī)種植的濱海稻田氨揮發(fā)總量為34.72kg/hm2,較常規(guī)種植顯著降低55.94%(P<0.05)。田面水NH+4-N濃度與稻田氨揮發(fā)通量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),有機(jī)種植可有效降低田面水NH+4-N濃度,從而直接減少了氨揮發(fā)的產(chǎn)生。有機(jī)種植的水稻產(chǎn)量下降4.33%,但與常規(guī)種植相比,未達(dá)顯著水平。因此,有機(jī)種植在保持水稻基本穩(wěn)產(chǎn)的情況下,有效降低了濱海稻田由于氨揮發(fā)造成的氮素?fù)p失。

關(guān)鍵詞:水稻;濱海鹽土;有機(jī)種植;氨揮發(fā);產(chǎn)量

中圖分類號(hào):S181;S511.06文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1002-1302(2023)10-0243-07

濱海鹽堿土是我國(guó)鹽堿土的一個(gè)重要組成部分,主要分布在沿海地區(qū),面積約為130萬(wàn)hm2[1],并隨著河流入??诘脑鲩L(zhǎng)而不斷增加[2]。濱海鹽堿土作為我國(guó)重要的后備土地資源,用于種植水稻不但能有效緩解糧食壓力,還能通過(guò)淋溶與水稻自身生物作用而降低土壤的鹽堿程度[3-4]。而土壤鹽堿含量高及土壤有機(jī)質(zhì)、肥力低,不但會(huì)降低水稻產(chǎn)量[5],還會(huì)極大促進(jìn)氨揮發(fā)的產(chǎn)生。

氨(NH3)作為大氣中的主要堿性氣體,與空氣中的SO2、NOx等反應(yīng)形成的次級(jí)產(chǎn)物,占PM2.5總量的25%~60%[6-7],嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量;還能通過(guò)干濕沉降引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化等環(huán)境問(wèn)題[8-9]。有研究表明,中國(guó)氨揮發(fā)量達(dá)14Tg/年[10]。農(nóng)業(yè)源氨排放占總排放量的80%~90%[11-12],其中29.41%~47.40%是由化肥不合理施用導(dǎo)致的[13]。氨揮發(fā)在水稻種植期間也大量發(fā)生,施入稻田的氮肥有13.2%~47.0%是通過(guò)氨揮發(fā)途徑損失的[14]。有機(jī)肥替代化肥,不但減少了化肥用量,還能有效降低稻田氨揮發(fā)的產(chǎn)生[15]。李喜喜等研究表明,使用豬糞或菜籽餅替代30%~50%的化肥可降低10%~18%的氨揮發(fā)量[16]。有機(jī)種植模式使氨揮發(fā)下降幅度更大。單施菜籽餅時(shí),氨揮發(fā)下降40%[17];單施糞肥時(shí),氨揮發(fā)可減少至0.7%~1.0%,基本不產(chǎn)生氨揮發(fā)[18]。但糞肥或菜籽餅存在養(yǎng)分含量不足、存儲(chǔ)運(yùn)輸困難等負(fù)面效應(yīng)[19],難以大規(guī)模使用。有機(jī)肥養(yǎng)分較高,兼顧生態(tài)與高效,是菜籽餅肥與糞肥的良好替代之一。

本研究分析糞肥配施商品有機(jī)肥的有機(jī)種植模式對(duì)稻田氨揮發(fā)及水稻產(chǎn)量的影響,旨在為促進(jìn)水稻綠色生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年在上海市崇明區(qū)濱海水稻生態(tài)農(nóng)場(chǎng)(121.81°E,31.59°N)展開。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫15.2℃,年平均降水量1056mm,年平均日照時(shí)長(zhǎng)1960.7h,無(wú)霜期約247d(圖1)。試驗(yàn)區(qū)土壤為典型濱海鹽土,保肥能力較差。試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì):全氮、全磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量分別為0.91、0.79、0.11、14.21g/kg,pH值8.15。

1.2試驗(yàn)材料

供試水稻品種為中晚熟常規(guī)優(yōu)質(zhì)稻品種南粳46,肥料為復(fù)合肥(含N、P2O5、K2O均為15%)、尿素(含N46%)、干羊糞、商品有機(jī)肥(上海勝維有機(jī)肥有限公司)。有機(jī)肥主要養(yǎng)分含量見表1。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理,分別為空白對(duì)照(CK)、常規(guī)種植(CT)、有機(jī)種植(CO),施肥量均以純氮計(jì)(375kg/hm2),每個(gè)處理重復(fù)3次。各小區(qū)面積60m2(8m×7.5m)。CO處理以干羊糞為基肥,商品有機(jī)肥為追肥,基追比為4∶6,施肥時(shí)間分別為5月28日、6月15日、7月16日、8月7日;CT處理按常規(guī)種植模式,以復(fù)合肥為基肥,尿素為追肥,基追比為3∶7,施肥時(shí)間分別為5月28日、6月15日、7月5日、7月16日、8月7日。具體氮肥施用量見表2。各小區(qū)單獨(dú)設(shè)置進(jìn)水口與排水口,小區(qū)間田埂采用防滲膜包裹隔離,防止串肥。水稻于6月5日移栽,移栽行株距為20cm×12cm,每穴4苗,11月8日收獲水稻。

1.4樣品采集與測(cè)定

1.4.1NH3的采樣與測(cè)定

每次施肥后連續(xù)9d進(jìn)行取樣,此后每隔2周取樣1次。通過(guò)密閉室間歇抽氣法[20],于每天07:00—09:00、15:00—17:00進(jìn)行收集。采樣裝置主要由抽氣泵、洗氣瓶、密封罩、換氣桿、乳膠管等組成,密閉罩為直徑20cm、高30cm的圓柱形有機(jī)玻璃罩,底部開口,頂部安置2個(gè)氣口:一個(gè)為25mm進(jìn)氣口,與2.5m進(jìn)氣管相連;另一個(gè)為采氣口,與洗氣瓶相連。采樣時(shí),將密閉罩置于小區(qū)中心,抽氣泵使氣體流經(jīng)洗氣瓶,氨氣被吸收液(100mL0.005mol/LH2SO4)吸收,設(shè)定換氣頻率為15~20次/min。取樣結(jié)束后移開密封罩,避免內(nèi)外環(huán)境影響。取樣完成后,采用靛酚藍(lán)分光光度法測(cè)定氨含量,以4h的平均通量值計(jì)算全天的氨揮發(fā)通量。

1.4.2田面水收集及測(cè)定

水稻田面水采集與氨揮發(fā)采集時(shí)間一致,小區(qū)內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法,將各點(diǎn)水樣混合均勻,過(guò)濾后帶回實(shí)驗(yàn)室分析。pH值采用pH計(jì)(雷磁,PHSJ-3F)測(cè)定,NH+4-N濃度采用納氏試劑分光光度法測(cè)定,NO-3-N濃度采用紫外分光光度法測(cè)定。

1.4.3水稻產(chǎn)量測(cè)定

在水稻收獲期,采集1.0m×1.0m樣方內(nèi)的水稻樣品用于測(cè)定籽粒產(chǎn)量(Y,t/hm2)。

1.5計(jì)算公式及數(shù)據(jù)分析

氨揮發(fā)通量計(jì)算公式為:

F=c×v×10-3×10-6×6π×r2×10-4。

式中:F為氨揮發(fā)日通量,kg/(hm2·d);C為吸收液NH+4-N濃度,mg/L;V為稀硫酸吸收液體積,mL;10-3為體積轉(zhuǎn)換系數(shù);10-6為質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);6為時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù);r為密閉室半徑,m;10-4為面積轉(zhuǎn)換系數(shù)。

氨揮發(fā)損失率=(施氮處理氨揮發(fā)總量-空白處理氨揮發(fā)總量)/施氮量×100%;

氮肥農(nóng)學(xué)利用率=(施氮處理水稻產(chǎn)量-空白處理水稻產(chǎn)量)/施氮量×100%;

單位產(chǎn)量下的氨揮發(fā)累積排放量=籽粒產(chǎn)量/氨揮發(fā)累積量。

運(yùn)用Origin2018進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及制圖。采用SPSS25進(jìn)行單因素方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1有機(jī)種植對(duì)稻田氨揮發(fā)特征的影響

2.1.1有機(jī)種植對(duì)稻田氨揮發(fā)通量的影響

不同處理下,濱海稻田氨揮發(fā)的季節(jié)性變化如圖2所示。氮肥施用使氨揮發(fā)通量明顯上升。除基肥期外,CT、CO處理施氮后,NH3揮發(fā)日通量在1~3d內(nèi)達(dá)到峰值后,在施肥6~9d內(nèi)降低至與CK處理相似水平。CT處理的NH3揮發(fā)日通量最高峰值發(fā)生在第2次追肥期,為6.83kg/(hm2·d),CO處理的NH3揮發(fā)日通量最高峰值發(fā)生在第4次追肥期,為3.83kg/(hm2·d)。CO處理在基肥期的氨揮發(fā)日通量無(wú)明顯變化,這可能是由于CO處理以堆肥后的羊糞為基肥,含氮量低,養(yǎng)分釋放緩慢[20],并且羊糞中含有的有機(jī)質(zhì)對(duì)NH+4-N有吸附作用[21],減少了NH3的揮發(fā)。除穗肥期外,CT處理施肥后氨揮發(fā)日通量高于CO、CK處理;在穗肥期CO處理的氨揮發(fā)日通量高于CT處理。這可能與施氮量相關(guān),穗肥期CO處理的施氮量為98.70kg/hm2,CT處理為23.30kg/hm2,CO處理的較大施氮量使氨揮發(fā)日通量高于CT處理。

2.1.2有機(jī)種植不同時(shí)期氨揮發(fā)累積量與氮損失率

由表3可知,不同處理下濱海稻田氨揮發(fā)累積排放總量為12.97~78.80kg/hm2,呈CT>CO>CK的趨勢(shì),處理間差異顯著(P<0.05)。與CT處理相比,CO處理的氨揮發(fā)累積排放量顯著降低了55.94%。在基肥和1、2、3次追肥期,CT處理的氨揮發(fā)累積量均顯著高于其他處理,分別為16.93、17.35、22.98、16.12kg/hm2,CO處理的氨揮發(fā)累積量?jī)H在第1次追肥期顯著高于CK處理,為5.03kg/hm2;在第4次追肥期,CO處理的NH3積累排放量最高,為11.39kg/hm2,CT與CO處理間差異顯著(P<0.05)。CT處理的氨揮發(fā)主要發(fā)生在前4次施肥期,氨揮發(fā)量占總量的93.12%,而CO處理的氨揮發(fā)主要發(fā)生在第3、4次追肥期,氨揮發(fā)量占總量的66.91%。

由表4可知,CT處理氮損失率顯著高于CO處理。CT處理的氮損失率為13.84%~26.98%,第1、2次追肥期氮損失率較高,分別為26.98%、22.51%;CO處理的氮損失率為1.01%~10.00%,追肥期氮損失率明顯高于基肥期。

2.2有機(jī)種植的水稻田面水NH+4-N濃度、NO-3-N濃度及pH值變化

施肥后各處理的水稻田面水NH+4-N濃度變化趨勢(shì)與氨揮發(fā)日通量變化趨勢(shì)相似(圖3-a),CT處理的田面水NH+4-N濃度在施肥后均有明顯上升,并在1~3d內(nèi)達(dá)到最高峰后迅速下降,在6~9d下降至與CK處理相似的水平,濃度范圍在0.53~124.58mg/L之間;CO處理的田面水NH+4-N濃度除基肥期無(wú)明顯變化外,追肥后變化趨勢(shì)與CT處理類似,濃度范圍在0.87~72.87mg/L之間,與CT處理相比有顯著降低。

施肥后田面水NO-3-N濃度變化幅度較小,且一直處于較低水平,變化范圍在0.05~1.24mg/L之間(圖3-b)。在追肥期,CO處理的田面水NO-3-N濃度變化較為平緩,并顯著低于CT處理(P<0.05),表明商品有機(jī)肥對(duì)可能對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程具有一定的影響。

各處理的水稻田面水pH值變化范圍為7.44~8.06,各處理變化趨勢(shì)較為類似,不施肥處理略高于施肥處理(圖3-c)。CT處理田面水pH值變化幅度最大;CO處理的田面水pH值在基肥期以及第1、4次追肥期略高于CT處理,而第2、3次追肥期略低于CT處理,總體而言兩者沒有差別,均值均為7.79。

2.3有機(jī)種植的水稻田面水NH+4-N濃度、NO-3-N濃度、pH值與氨揮發(fā)通量的相關(guān)性分析

將氨揮發(fā)日通量與施肥后田面水NH+4-N濃度、NO-3-N濃度、pH值進(jìn)行Pearson相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)(圖4),CT處理的氨揮發(fā)日通量與田面水NH+4-N濃度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與田面水NO-3-N濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與田面水pH值呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。CO處理的氨揮發(fā)日通量與田面水NH+4-N濃度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與田面水NO-3-N濃度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與田面水pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)??梢娞锩嫠甆H+4-N濃度是影響稻田氨揮發(fā)的最重要因素,田面水NO-3-N濃度與pH值也會(huì)影響稻田氨揮發(fā),影響效果與肥料類型有關(guān)。

2.4有機(jī)種植對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

CT、CO處理的水稻產(chǎn)量分別為8.07、7.72t/hm2,有機(jī)種植雖使水稻產(chǎn)量降低4.33%,但無(wú)顯著差異(表5)。分別計(jì)算各處理的水稻單位產(chǎn)量的氨揮發(fā)累積排放量,CO處理的平均單位產(chǎn)量氨揮發(fā)累積排放量較CT處理降低53.95%,差異顯著(P<0.05),這與各處理間稻田氨揮發(fā)季累積量的結(jié)果一致。與CT處理相比,CO處理雖然在單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)略有降低,但結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量略有提高,因此兩者間產(chǎn)量并無(wú)顯著差異。

3討論

本研究中,CO與CT處理相比,稻田氨揮發(fā)累積損失量降低了44.08kg/hm2,降幅達(dá)55.94%。可見,有機(jī)種植能顯著降低濱海稻田氨揮發(fā),這與已有研究結(jié)果一致。邢月等研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)種植使上海稻田氨揮發(fā)降低了28.7kg/hm2[22]。張奇等研究表明,有機(jī)種植使川中紫色土丘陵區(qū)稻田氨揮發(fā)降低了77.52%[23]。吳凡等研究表明,有機(jī)種植使洱海流域稻田氨揮發(fā)降低了71.89%[24]。氨揮發(fā)影響因素眾多,這些因素都是通過(guò)影響田面水NH+4-N濃度來(lái)影響氨揮發(fā)的產(chǎn)生[25-27]。與化肥相比,施用有機(jī)肥后田面水NH+4-N濃度變化幅度較低,減少氨揮發(fā)的產(chǎn)生[21]。首先,與化肥施入后被脲酶迅速水解為NH+4-N不同[28],有機(jī)肥的礦化較為緩慢[20],養(yǎng)分釋放較慢,使田面水NH+4-N濃度維持在較低水平;其次,有機(jī)肥能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和陽(yáng)離子交換量(CEC)[28-29],使土壤對(duì)NH+4-N的固存能力提高[21]。此外,有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程產(chǎn)生的有機(jī)酸與腐殖質(zhì)降低了土壤pH值,也間接降低氨揮發(fā)的產(chǎn)生[13]。本研究中,有機(jī)種植CO處理主要降低了施肥后田面水NH+4-N濃度以及pH值,從而降低氨揮發(fā)。有機(jī)肥對(duì)氨揮發(fā)的降低需要等氮替代的前提條件[25]。本試驗(yàn)中,穗肥期CO處理施用有機(jī)肥的含氮量遠(yuǎn)高于CT處理,氨揮發(fā)也高于CT處理。

本研究中,CT處理的稻田氨揮發(fā)主要發(fā)生在基肥以及前3次追肥期,這主要與施氮量以及溫度有關(guān)[30-31]。常規(guī)種植前期施氮量大,溫度高,此時(shí)水稻植株較小,對(duì)氮素的吸收能力較弱[27],因此氨揮發(fā)量大。有機(jī)種植CO處理的氨揮發(fā)主要發(fā)生在追肥期,產(chǎn)生的氨揮發(fā)量占總量的91.88%。這可能與不同有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)礦化速率存在差異有關(guān)[32]。研究表明,有機(jī)肥中有機(jī)氮礦化為可被作物吸收的無(wú)機(jī)氮的過(guò)程,需要微生物的主導(dǎo),并與有機(jī)肥的碳、氮含量密切相關(guān)[33]。有機(jī)肥較小的C/N比更易增加土壤微生物活性與加強(qiáng)礦化作用[34]。周博等研究表明,氮含量是影響有機(jī)肥礦化的主要因子,有機(jī)氮的礦化量與全氮含量呈線性關(guān)系[35]。本研究中追肥使用的商品有機(jī)肥全氮含量是羊糞的4.08倍,C/N比較低,有機(jī)氮礦化速率及礦化量增加,因此氨揮發(fā)速率及損失率也隨之增加。

本研究中,CO處理的水稻產(chǎn)量降低4.33%,與大多數(shù)研究結(jié)果一致。邢月等研究表明,全量有機(jī)肥替代化肥的水稻產(chǎn)量降低了5.55%[22]。分析各處理產(chǎn)量構(gòu)成因素后發(fā)現(xiàn),CO處理的單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)低于CT處理,而千粒質(zhì)量及結(jié)實(shí)率高于CT處理。這可能是由于本研究基肥為羊糞,羊糞釋放養(yǎng)分速率較慢,而分蘗期的商品有機(jī)肥追施量較少,無(wú)法給水稻及時(shí)提供充足的養(yǎng)分,從而導(dǎo)致水稻分蘗及每穗粒數(shù)減少;而在穗肥期追施足量商品有機(jī)肥后,充足且持續(xù)的氮素供應(yīng)提高了結(jié)實(shí)率并增加了千粒質(zhì)量,增加的結(jié)實(shí)率與千粒質(zhì)量無(wú)法完全彌補(bǔ)有效穗及每穗粒數(shù)的減少對(duì)產(chǎn)量造成的影響,所以產(chǎn)量還是略有下降。

4結(jié)論

本研究表明,與常規(guī)種植相比,有機(jī)種植使濱海稻田氨揮發(fā)累積量下降55.94%,氨揮發(fā)率下降65.41%。水稻田面水NH+4-N濃度是影響氨揮發(fā)的最主要因素。與常規(guī)種植相比,有機(jī)種植使水稻單位面積有效穗、每穗粒數(shù)略微下降,結(jié)實(shí)率、千粒質(zhì)量略微增加,產(chǎn)量總體減少4.33%。有機(jī)種植是有效減少濱海稻田氨揮發(fā)損失及保證水稻穩(wěn)產(chǎn)的種植模式,但此模式減排穩(wěn)產(chǎn)的持續(xù)性以及對(duì)土壤質(zhì)量的影響還需在未來(lái)的研究中進(jìn)一步探索。

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