朱文彬，曾 科，田玉華，張 超，李 曉，葛仁山，尹 斌*

不同深施方式對太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)和氮肥利用率的影響①

朱文彬1,2，曾 科1,2，田玉華1，張 超3，李 曉3，葛仁山3，尹 斌1*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 江蘇華昌化工股份有限公司，江蘇張家港 215600)

本研究以太湖地區(qū)稻田為研究對象開展連續(xù)兩年的田間試驗(yàn)，通過設(shè)置不施氮肥(CK)、常規(guī)施氮(CN)、減氮表施(RN)、減氮側(cè)深施(RNS)和減氮穴施(RNP)5種施氮處理，探究不同深施方式對稻田氨揮發(fā)與氮肥利用率的影響。結(jié)果表明，與表施處理(CN和RN)相比，RNS和RNP通過降低田面水NH4+-N濃度和pH分別減少30.95% ～ 41.54% 和66.71% ～ 72.23% 的氨揮發(fā)排放(<0.05)。相較于RN處理，RNP促進(jìn)水稻根系生長并增加根區(qū)土壤有效氮含量，進(jìn)而增加水稻產(chǎn)量(6.23%)，提高氮肥利用率(50.15%)，降低土壤氮盈余(63.92%)(<0.05)。與CN處理相比，RNS顯著降低土壤氮盈余(29.20%)(<0.05)，但水稻吸氮量和氮肥利用率均未顯著增加。相較于RNS，RNP進(jìn)一步降低氨揮發(fā)損失(50.84%)和土壤氮盈余(51.07%)，提高氮肥利用率(40.40%)(<0.05)。綜上所述，RNP的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效益最高，但因穴施機(jī)械及肥料造粒技術(shù)等因素的限制，尚難應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)；而側(cè)深施肥在我國水稻大規(guī)模集約化生產(chǎn)中效益較高且切實(shí)可行。

氮肥深施；氨揮發(fā)；氮肥利用率；土壤氮擴(kuò)散；水稻根系特征

我國農(nóng)業(yè)源氨揮發(fā)排放量從1980年的2.1 Tg增至1996年的4.7 Tg，隨后降至2012年的2.8 Tg，其中稻田氨揮發(fā)排放量約為1.7 Tg[1-2]。太湖流域是我國水稻主產(chǎn)區(qū)之一，水稻單季施氮量在N 270 kg/hm2以上的農(nóng)戶超過80%，有些甚至高達(dá)320 kg/hm2[3-4]。大量氮素?fù)p失不僅造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)降低氮肥利用率[5]。

傳統(tǒng)粗放的施氮方式是造成稻田氨揮發(fā)排放量較高且氮肥利用率低的主要原因。氮肥深施對稻田氨減排以及氮肥利用率提升的效果顯著且穩(wěn)定性較高，不易受氣候變化、田間管理和土壤性狀等因素的影響[6-8]。然而，穴施可能造成水稻生長前期莖葉徒長和后期貪青晚熟；加之穴施機(jī)械和肥料造粒技術(shù)等因素的限制，穴施技術(shù)很難在大規(guī)模水稻生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。近些年，側(cè)深施肥技術(shù)發(fā)展迅速，且在促進(jìn)水稻增產(chǎn)、提高氮肥利用率與降低氮素?fù)p失等方面效果顯著，將側(cè)深施肥技術(shù)與插秧機(jī)械相結(jié)合可進(jìn)一步提高水稻生產(chǎn)效率和凈環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。然而，以往研究僅關(guān)注穴施或側(cè)深施對水稻生產(chǎn)的影響，缺乏對不同深施方式下，稻田農(nóng)學(xué)和環(huán)境效益響應(yīng)的系統(tǒng)評價(jià)。因此，本文以太湖地區(qū)典型稻田為試驗(yàn)對象，開展了連續(xù)兩年的田間試驗(yàn)，旨在探究不同深施方式對水稻產(chǎn)量、稻田氨揮發(fā)排放和氮肥利用率的影響，以期為我國優(yōu)化稻田氮素管理模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

田間試驗(yàn)點(diǎn)為中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(31°15′15″N，120°57′43″E)，年均降水量1 038 mm，年均氣溫15.5 ℃。供試土壤類型為潛育人為土，由河湖沉積物發(fā)育而來，其基本理化性質(zhì)(0 ～ 20 cm)：土壤有機(jī)質(zhì)46.12 g/kg，全氮2.67 g/kg，全磷0.75 g/kg，全鉀17.95 g/kg，有效磷31.00 mg/kg，速效鉀243.03 mg/kg，pH(H2O) 6.87，土壤容重1.20 g/cm3。試驗(yàn)期間氣溫和降雨情況如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和田間管理

試驗(yàn)于2019—2020年稻季進(jìn)行，共設(shè)置5個(gè)施肥處理：不施氮處理(CK)、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理(CN)、減氮表施處理(RN)、減氮側(cè)深施處理(RNS)和減氮穴施處理(RNP)，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)采用不平衡裂區(qū)設(shè)計(jì)，CK、CN、RN和RNS處理的小區(qū)面積為42 m2(6 m×7 m)；RNP處理作為裂區(qū)設(shè)置在RN處理小區(qū)中，裂區(qū)面積為4 m2(2 m×2 m)。CN和RN處理均為表施，施氮量分別為N 300和255 kg/hm2，其中基肥、分蘗肥和穗肥分別占40%、30% 和30% 的尿素。RNS和RNP處理施氮量均為N 255 kg/hm2，其中60% 作為基肥側(cè)深施或穴施，其余40% 作穗肥表施。側(cè)深施肥即將尿素呈條帶狀施于水稻一側(cè)5 cm，土表以下5 cm處；穴施即將尿素呈點(diǎn)狀施于水稻一側(cè)5 cm，土表以下10 cm處，具體如圖2所示。所有處理的磷肥(過磷酸鈣，P2O512%)和鉀肥(氯化鉀，K2O 60%)均作基肥一次性施入，單季施用量分別是90 和120 kg/hm2。水稻品種為南粳46，在秧齡30 d左右移栽，移栽密度為20 cm×20 cm，每穴3株水稻。所有小區(qū)的田間水分管理等措施與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)措施保持一致(圖1)。

1.3 稻田氨揮發(fā)采樣與測定

采用密閉室間歇通氣法采集稻田氨揮發(fā)，采用靛酚藍(lán)比色法測定吸收液NH4+-N濃度[11-12]。與此同時(shí)，采集田面水，經(jīng)過濾后測定田面水NH4+-N和NO3–-N濃度。采用便攜式pH計(jì)測定田面水pH。氨揮發(fā)通量計(jì)算公式如下所示：

1.4 水稻產(chǎn)量、吸氮量、氮盈余和氮素回收利用率的測定

水稻成熟后，于各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)1 m2樣方內(nèi)的水稻地上部分(小區(qū)邊緣除外)。RNP處理的裂區(qū)內(nèi)水稻全部收取。采集的樣品，經(jīng)脫粒、風(fēng)干、稱重后，計(jì)算水稻產(chǎn)量和秸稈生物量。測產(chǎn)后，隨機(jī)選取一部分籽粒和秸稈樣品置于80 ℃的烘箱中烘至恒重，經(jīng)粉碎和過篩(<0.149 mm)，采用碳氮元素分析儀(Primacs SNC100-IC, 2019)測定氮含量。水稻吸氮量根據(jù)籽粒和秸稈的干物質(zhì)量與氮含量進(jìn)行計(jì)算，氮盈余為當(dāng)季施氮量與吸氮量之差。氮肥利用率計(jì)算公式為：

圖2 側(cè)深施和穴施施肥及土樣采集圖解

1.5 土壤NH4+-N和NO3?-N動(dòng)態(tài)變化的測定

在2020年稻季基肥施入后的第7、14、28、45天分別采集RN、RNS和RNP處理的土壤樣品。對RNP和RNS處理，以施肥位點(diǎn)為中心，在水平方向上每間隔3 cm(即0 ～ 3、3 ～ 6和6 ～ 9 cm)用直徑3 cm的采樣器采集0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15和15 ～ 20 cm的土壤樣品(圖2)；對RN處理，按照“S”形采樣法，采集0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15和15 ～ 20 cm的土壤樣品。去除可見肥料顆粒、石子、植物殘?bào)w等雜質(zhì)后，用1 mol/L KCl溶液浸提鮮土(土液比1∶5，∶)，采用靛酚藍(lán)比色法測定土壤NH4+-N和NO3?-N含量。

1.6 水稻根系特征和不同生育期水稻含氮量的測定

在2019年稻季，采集分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和收獲期水稻地上部分樣品(每個(gè)小區(qū)采集2穴)，新鮮的水稻籽粒和秸稈在80 ℃烘至恒重，經(jīng)粉碎過篩(<0.149 mm)，用碳氮元素分析儀(Primacs SNC100-IC, 2019)測定水稻籽粒和秸稈全氮含量。

采集RN、RNS和RNP處理下分蘗期水稻根系(每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取兩穴水稻)，將整株水稻完整取出，盡量避免損傷根系，清洗水稻根系后，用EPSON根系掃描儀(Expression 11000XL)測定水稻根系長度、根表面積、根體積和根尖數(shù)。采用水稻根系參數(shù)分析軟件(WinRHIZO Pro, 2008)分析處理水稻根系特征指標(biāo)。如果不能立即測定，將水稻根系用50% 乙醇溶液于–4 ℃暫時(shí)保存，并于一周內(nèi)完成測定。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 2017進(jìn)行繪圖。采用單因素方差分析比較不同處理間的顯著性差異。所有數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)后，對不同處理的氨揮發(fā)、水稻產(chǎn)量、秸稈生物量、吸氮量、氮盈余和氮肥利用率進(jìn)行多重比較。采用R語言繪制不同生育期水稻地上部分吸氮量與水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的相關(guān)性熱圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨揮發(fā)日通量，氨揮發(fā)累積量，田面水NH4+-N、NO3?-N濃度和pH

各處理的氨揮發(fā)日通量均在施肥后1 ～ 3 d內(nèi)達(dá)到峰值，隨后逐漸降低。不同處理氨揮發(fā)日通量順序?yàn)椋篊K

田面水NH4+-N濃度變化規(guī)律與氨揮發(fā)日通量類似，而田面水NO3?-N濃度的變化無明顯規(guī)律。與表施處理(CN和RN)相比，減氮深施處理(RNS和RNP)降低田面水pH。Pearson相關(guān)性結(jié)果表明，稻田氨揮發(fā)日通量與田面水NH4+-N濃度以及pH均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05)(圖3)。

2.2 水稻生物量、吸氮量、土壤氮盈余和氮肥利用率

不同施氮處理對水稻產(chǎn)量、吸氮量、土壤氮盈余和氮肥利用率的影響如表2所示。單純減少氮肥投入(RN)有降低稻谷產(chǎn)量的趨勢，而減氮深施處理(RNS和RNP)可保證產(chǎn)量穩(wěn)定，甚至增加稻谷產(chǎn)量，其中RNP處理顯著增加2020年稻谷產(chǎn)量(8.79%) (<0.05)。相比于CN處理，RNS處理的土壤氮盈余降低29.20% (28.13% 和30.26%)(<0.05)，但未增加水稻吸氮量；RNP處理的水稻吸氮量和氮肥利用率分別增加15.11%(10.95% 和19.27%)和50.15%(47.09% 和53.21%)，土壤氮盈余降低63.92%(61.50% 和69.34%) (<0.05)。相較于RNS處理，RNP處理的吸氮量和氮肥利用率進(jìn)一步增加23.26%(18.65% 和27.86%)和40.40%(36.95% 和43.84%)，土壤氮盈余降低51.07%(44.80% 和57.34%)。Pearson相關(guān)性結(jié)果表明，氮肥利用率和土壤氮盈余分別與稻田氨揮發(fā)呈顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系(<0.05，表3)。

表1 2019年和2020年稻季氨揮發(fā)累積量和氨揮發(fā)排放強(qiáng)度

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同一年份不同處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

表2 不同施肥處理下水稻生物量、吸氮量、氮盈余和氮素回收利用率

表3 氨揮發(fā)累積量與稻谷產(chǎn)量、吸氮量、氮盈余和氮肥利用率的Pearson相關(guān)性

注：*、**分別表示相關(guān)性達(dá)<0.05和<0.01顯著水平。

2.3 土壤NH4+-N和NO3?-N的動(dòng)態(tài)變化

RN處理的土壤NH4+-N和NO3?-N含量分別為4.05 ～ 49.29 mg/kg和12.11 ～ 76.77 mg/kg，均在基肥后第14天含量最高，至第45天降至最低?；屎蟮?和14天，0 ～ 5 cm土層NH4+-N含量顯著高于10 ～ 15 cm和15 ～ 20 cm；而在基肥后第14和28天，0 ～ 5 cm土層NO3–-N含量顯著高于15～20 cm土層(圖4)。

基肥后第7天，RNS處理土壤NH4+-N含量達(dá)到最大值(4.50 ～ 122.30 mg/kg)，且主要分布在土表以下0 ～ 10 cm(圖5)；基肥后第14天，RNS處理NO3–-N含量達(dá)到最大值(13.89 ～ 96.25 mg/kg)。RNP處理的土壤NH4+-N和NO3–-N含量范圍分別為4.86 ～ 107.6和11.34 ～ 81.51 mg/kg，且均在基肥后第14天達(dá)到最大值，主要分布土表以下5 ～ 15 cm以及施肥位點(diǎn)兩側(cè)6 cm區(qū)域內(nèi)(如圖2中橙色虛線框所示)。基肥后第45天，RNS和RNP處理的NH4+-N含量分別降至5.41 ～ 35.79和7.06 ～ 35.35 mg/kg，NO3–-N含量分別降至23.08 ～ 55.50和29.34 ～ 52.23 mg/kg(圖5)。

2.4 水稻根系生長和不同生育期水稻含氮量

如圖6所示，減氮深施處理(RNS和RNP)可促進(jìn)水稻根系生長，以RNS處理效果最顯著。RNS和RNP處理的水稻根系生物量、根長、根表面積、根體積、根平均直徑與根尖數(shù)分別比RN處理顯著增加67.80%、40.68%，112.46%、78.07%，101.48%、64.45%，94.19%、50.95%，128.56%、75.38% 和110.10%、97.82%(<0.05)。與RNP處理相比，RNS處理的根系生物量、根長、根表面積、根平均直徑、根體積和根尖數(shù)可進(jìn)一步提高19.28%、19.31%、22.51%、30.32%、28.15% 和6.21%。

(圖中小寫字母不同表示同一采樣日不同土層間差異達(dá)P<0.05顯著水平；DAF表示基肥施入后天數(shù)，下圖同)

圖5 RNS和RNP處理土壤NH4+-N (A) and NO3?-N (B)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散

(圖中小寫字母不同表示處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平)

相較于CN處理，RNS處理抽穗期水稻地上部分含氮量顯著增加27.26%(<0.05)，而RNP處理的分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和收獲期水稻地上部分含氮量分別顯著增加17.04%、65.53%、50.68% 和21.73% (<0.05)(圖7)。與RNS處理相比，RNP處理下水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期和收獲期地上部分含氮量分別提高9.99%、24.92%、15.14%和13.53%，且水稻產(chǎn)量、吸氮量和氮肥利用率之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖8)。

3 討論

3.1 不同施氮方式對稻田氨揮發(fā)的影響

本文系統(tǒng)探究了表施、側(cè)深施和穴施3種施氮方式對稻田氨揮發(fā)的影響，結(jié)果表明，降低施氮量未顯著降低稻田氨揮發(fā)損失，且有降低水稻產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)(表1、表2)。穴施和側(cè)深施可保障水稻產(chǎn)量穩(wěn)定或增產(chǎn)，同時(shí)顯著降低稻田氨揮發(fā)排放(表1、圖3)，主要是因?yàn)榈噬钍╋@著降低田面水NH4+-N濃度和pH[7]。然而，施肥深度與氮肥分布是造成不同深施方式氨減排效果差異的主要原因[13]。減氮側(cè)深施(RNP)的氮肥呈點(diǎn)狀分布，土壤NH4+-N的遷移受到土壤黏粒和土壤膠體的吸附和離子交換作用的限制[14-15]。此外，氮肥深施下土壤脲酶活性的降低也有利于降低氨揮發(fā)[16]。相較而言，減氮穴施(RNS)處理下，NH4+-N主要分布在較淺土層(0 ～ 10 cm)，由于NH4+較易向上遷移，因此田面水NH4+-N濃度較高，促進(jìn)氨揮發(fā)產(chǎn)生[17]。Pearson相關(guān)性結(jié)果表明，氮肥利用率的增加和土壤氮盈余的降低也有助于減少稻田氨揮發(fā)損失(表2、表3)。Chen等[18]研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)土壤氮盈余與稻田氨揮發(fā)損失顯著負(fù)相關(guān)，然而，氮肥利用率和氨揮發(fā)的關(guān)系尚不明確。

(*表示該處理與CN間差異達(dá)P<0.05顯著水平)

圖8 不同生育期水稻含氮量與水稻產(chǎn)量和氮素回收利用率之間的相關(guān)性熱圖

除氨揮發(fā)，土壤NO3–-N的分布可能造成稻田氮素反硝化、淋溶和徑流的損失。RNP處理下，NO3–-N的分布更集中于根區(qū)范圍，其含量有隨土壤深度增加而增加的趨勢，因此較易發(fā)生淋溶損失；而RNS處理的NO3–-N主要分布在0 ～ 10 cm土層且易發(fā)生水平遷移，因此徑流損失風(fēng)險(xiǎn)較大(圖5B)。此外，有研究表明，氮肥深施可分別降低42.5% 和13.3% 的N2O和N2損失[19]。然而，不同深施方式對稻田反硝化的影響有待進(jìn)一步探究。

3.2 不同氮肥深施方式提高氮肥利用率的機(jī)制

與傳統(tǒng)表施相比，減氮深施(RNS和RNP)可提高氮肥利用率，其中RNP對水稻增產(chǎn)和氮肥利用率提高的效果最優(yōu)，因?yàn)樵谘ㄊl件下，較為發(fā)達(dá)的根系(圖6)以及水稻根區(qū)較高的土壤有效氮含量(圖5)有助于水稻直接獲取氮素養(yǎng)分。此外，穴施的氮肥具有緩釋特性，土壤氮素有效性的延長能夠增加水稻吸氮量(圖7)。相關(guān)研究也表明，相較于表施，氮肥穴施的水稻根區(qū)高NH4+-N可維持近兩個(gè)月，并可促進(jìn)水稻根系生長，增加氮素在水稻生長后期向籽粒中轉(zhuǎn)移，進(jìn)而提高氮肥利用率[6-7, 10, 20]。RNS的土壤有效氮分布較為分散(0 ～ 10 cm土層)，盡管超過88% 的根系分布在0 ～ 10 cm土層[21]，較高的氮素?fù)p失也會(huì)降低氮肥利用率。

然而，氮肥穴施下水稻根區(qū)較高的NH4+-N含量為處在生長前期的水稻提供過多氮素營養(yǎng)，可能導(dǎo)致水稻秸稈和葉片吸收過多氮素，造成水稻貪青晚熟，生長期延長[20]。緩/控釋肥或有機(jī)無機(jī)肥可調(diào)節(jié)氮素供給，緩解因早期養(yǎng)分過剩造成的水稻貪青晚熟與養(yǎng)分資源浪費(fèi)[22-23]。

3.3 穴施與側(cè)深施在水稻集約化生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

現(xiàn)階段我國水稻生產(chǎn)正由不同尺度的小田塊向大規(guī)模集約化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，隨著我國城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化不斷發(fā)展，勞動(dòng)力成本也在不斷增加，農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。東南亞國家也存在類似問題，以印度尼西亞為例，因機(jī)械化率較低，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠人力進(jìn)行，與人力相比，機(jī)械化作業(yè)的生產(chǎn)效率提高了近11倍[24]。簡易、高效、低投入、高收益是未來集約化農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，雖然穴施的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效益最高，但如不提高施肥效率、降低成本，穴施將很難在大規(guī)模集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用[20]。

機(jī)械側(cè)深施肥技術(shù)已在不同地區(qū)大面積示范和推廣應(yīng)用，且成效顯著[9, 25]。將側(cè)深施肥技術(shù)與插秧機(jī)及施肥器相結(jié)合能夠降低29.1% ～ 59.3% 和39.0% ～ 65.6% 的徑流和氨揮發(fā)損失，同時(shí)生產(chǎn)每公頃水稻可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤211.6 kg[9]。因此，機(jī)械側(cè)深施肥技術(shù)高產(chǎn)、高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢可有效推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。然而，從2001年到2010年，我國可用機(jī)械每年僅增長0.75%[24]。近些年，我國施肥機(jī)械的研發(fā)與應(yīng)用已取得較大進(jìn)展，如：顆粒肥料深施器、機(jī)械插秧側(cè)深施肥等已在部分地區(qū)示范應(yīng)用，并取得較好的農(nóng)學(xué)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[9, 26]。因此，大力開發(fā)施肥機(jī)械，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。然而，側(cè)深施肥與穴施相比在水稻生產(chǎn)的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效益等方面仍存在差距，因此，在提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的同時(shí)，有必要采取優(yōu)化措施進(jìn)一步提高側(cè)深施肥技術(shù)的生產(chǎn)效率和綜合效益。

4 結(jié)論

氮肥深施可顯著降低稻田氨揮發(fā)排放并提高氮肥利用率，其中，穴施的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效益最高，但因穴施機(jī)械及肥料造粒技術(shù)等因素的限制，還難以在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用；而側(cè)深施肥的水稻生產(chǎn)效益較高，是目前我國水稻大規(guī)模集約化生產(chǎn)中切實(shí)可行的施肥方式。

[1] Kang Y N, Liu M X, Song Y, et al. High-resolution ammonia emissions inventories in China from 1980 to 2012[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2016, 16(4): 2043–2058.

[2] Wang H Y, Zhang D, Zhang Y T, et al. Ammonia emissions from paddy fields are underestimated in China[J]. Environmental Pollution, 2018, 235: 482–488.

[3] 王海, 席運(yùn)官, 陳瑞冰, 等. 太湖地區(qū)肥料、農(nóng)藥過量施用調(diào)查研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展, 2009, 26(3): 10–15.

[4] Wu L A, Chen X P, Cui Z L, et al. Improving nitrogen management via a regional management plan for Chinese rice production[J]. Environmental Research Letters, 2015, 10(9): 095011.

[5] 晏娟, 沈其榮, 尹斌, 等. 太湖地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)下施氮量對作物產(chǎn)量及氮肥利用率影響的研究[J]. 土壤, 2009, 41(3): 372–376.

[6] Liu T Q, Fan D J, Zhang X X, et al. Deep placement of nitrogen fertilizers reduces ammonia volatilization and increases nitrogen utilization efficiency in no-tillage paddy fields in central China[J]. Field Crops Research, 2015, 184: 80–90.

[7] Nkebiwe P M, Weinmann M, Bar-Tal A, et al. Fertilizer placement to improve crop nutrient acquisition and yield: A review and meta-analysis[J]. Field Crops Research, 2016, 196: 389–401.

[8] 巨曉棠, 張翀. 論合理施氮的原則和指標(biāo)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2021, 58(1): 1–13.

[9] Min J, Sun H J, Wang Y, et al. Mechanical side-deep fertilization mitigates ammonia volatilization and nitrogen runoff and increases profitability in rice production independent of fertilizer type and split ratio[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 316: 128370.

[10] Zhong X M, Zhou X, Fei J C, et al. Reducing ammonia volatilization and increasing nitrogen use efficiency in machine-transplanted rice with side-deep fertilization in a double-cropping rice system in Southern China[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2021, 306: 107183.

[11] Cao Y S, Tian Y H, Yin B, et al. Assessment of ammonia volatilization from paddy fields under crop management practices aimed to increase grain yield and N efficiency[J]. Field Crops Research, 2013, 147: 23–31.

[12] 田玉華, 曾科, 尹斌. 基于不同監(jiān)測方法的太湖地區(qū)稻田基蘗肥期氨排放研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2019, 56(5): 1180–1189.

[13] 鄧美華, 尹斌, 張紹林, 等. 不同施氮量和施氮方式對稻田氨揮發(fā)損失的影響[J]. 土壤, 2006, 38(3): 263–269.

[14] Griggs B R, Norman R J, Wilson C E, et al. Ammonia volatilization and nitrogen uptake for conventional and conservation tilled dry-seeded, delayed-flood rice[J]. Soil Science Society of America Journal, 2007, 71(3): 745–751.

[15] Liu X W, Wang H Y, Zhou J M, et al. Effect of N fertilization pattern on rice yield, N use efficiency and fertilizer-N fate in the Yangtze River Basin, China[J]. PLoS One, 2016, 11(11): e0166002.

[16] Soares J R, Cantarella H, de Campos Menegale M L. Ammonia volatilization losses from surface-applied urea with urease and nitrification inhibitors[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 52: 82–89.

[17] Pan W L, Madsen I J, Bolton R P, et al. Ammonia/ ammonium toxicity root symptoms induced by inorganic and organic fertilizers and placement[J]. Agronomy Journal, 2016, 108(6): 2485–2492.

[18] Chen G, Zhao G H, Cheng W D, et al. Rice nitrogen use efficiency does not link to ammonia volatilization in paddy fields[J]. The Science of the Total Environment, 2020, 741: 140433.

[19] Xia L L, Li X B, Ma Q Q, et al. Simultaneous quantification of N2, NH3and N2O emissions from a flooded paddy field under different N fertilization regimes[J]. Global Change Biology, 2020, 26(4): 2292–2303.

[20] Yao Y L, Zhang M, Tian Y H, et al. Urea deep placement for minimizing NH3loss in an intensive rice cropping system[J]. Field Crops Research, 2018, 218: 254–266.

[21] 張玉, 秦華東, 黃敏, 等. 水稻根系空間分布特性的數(shù)學(xué)模擬及應(yīng)用[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(3): 304–308.

[22] Aulakh M S, Khera T S, Doran J W, et al. Yields and nitrogen dynamics in a rice-wheat system using green manure and inorganic fertilizer[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64(5): 1867–1876.

[23] Kumar K A, Swain D K, Bhadoria P B S. Split application of organic nutrient improved productivity, nutritional quality and economics of rice-chickpea cropping system in lateritic soil[J]. Field Crops Research, 2018, 223: 125–136.

[24] Paman U, Inaba S, Uchida S. The mechanization of small-scale rice farming: Labor requirements and costs[J]. Engineering in Agriculture, Environment and Food, 2014, 7(3): 122–126.

[25] Zhu C H, Xiang J, Zhang Y P, et al. Mechanized transplanting with side deep fertilization increases yield and nitrogen use efficiency of rice in Eastern China[J]. Scientific Reports, 2019, 9(1): 5653.

[26] 劉愛云, 高建國, 楊正華. 機(jī)械側(cè)深施肥對水稻產(chǎn)量及氮肥利用率的影響[J]. 上海農(nóng)業(yè)科技, 2020(3): 86–87.

Effects of Different Deep Fertilization Methods on Ammonia Volatilization and Nitrogen Use Efficiency in Rice Fields in Taihu Lake Region

ZHU Wenbin1,2, ZENG Ke1,2, TIAN Yuhua1, ZHANG Chao3, LI Xiao3, GE Renshan3, YIN Bin1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Jiangsu Huachang Chemical Co., Ltd., Zhangjiagang, Jiangsu 215600, China)

A two-year field experiment was conducted in the Taihu Lake Region with five treatments: no nitrogen (N) input (CK), conventional N broadcasting (CN), reduced N broadcasting (RN), reduced N with side deep fertilization (RNS), and reduced N with point deep fertilization (RNP), to explore the effects of different deep fertilization methods on ammonia volatilization (NH3) and N use efficiency (NUE) in paddy fields. The results showed that compared to surface application treatments (CN and RN), RNS and RNP reduced ammonia volatilization by 30.95%–41.54% and 66.71%–72.23% (<0.05), respectively, owing to the reduced NH4+-N concentration and pH in floodwater. RNP significantly promoted the root growth of rice, and increased soil available N content in root zone than RN, thereby increasing rice yield (6.23%) and NUE (50.15%), and decreasing soil N surplus (63.92%) (<0.05). RNS markedly reduced soil N surplus (29.20%) (<0.05), but N uptake and NUE of rice were not significantly increased versus CN. In contrast with RNS, RNP further decreased NH3volatilization (50.84%) and soil N surplus (51.07%), and increased NUE (40.40%) (<0.05). Overall, RNP can achieve the maximum agronomic and environmental benefits, but it is difficult to be widely used in agriculture production owing to the limitation of the development of point-deep fertilization machines and fertilizer granulation technology, whereas side-deep fertilization method is feasible to be adopted in large-scale intensive production of rice due to the higher agronomic and environmental benefits.

Deep fertilization; Ammonia volatilization; Nitrogen use efficiency; Soil nitrogen diffusion; Root characteristics of rice

S143.1+2

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.005

朱文彬, 曾科, 田玉華, 等. 不同深施方式對太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)和氮肥利用率的影響. 土壤, 2023, 55(4): 729–738.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0800306，2017YFD0200104)資助。

(byin@issas.ac.cn)

朱文彬(1991—)，男，安徽淮北人，博士研究生，主要從事農(nóng)田氮素循環(huán)和面源污染控制研究。E-mail: wbzhu@issas.ac.cn