2019, Vol. 39
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氮素是作物生长发育重要的营养元素之一, 其合理施用对作物增产、保障粮食安全具有重要意义.我国氮肥生产量和施用量均居世界首位, 但由于氮肥的过量施用, 导致作物氮肥利用率较低, 仅为35%左右(于飞等, 2015), 远低于世界发达国家水平.过量施用氮肥在增加农业生产成本的同时, 也会对生态环境造成严重影响.研究表明, 氮肥施用量过高不仅会降低氮素利用率(陈贵等, 2013), 也会导致一部分氮素以氧化亚氮(N2O)和氨(NH3)挥发的形式进入大气(张文等, 2015; 孙海军, 2015).NH3挥发是氮肥气态损失的重要途径(苏芳等, 2007; 朱兆良, 2008; 黄容等, 2014)；N2O是仅次于CO2和CH4的重要温室气体(Stocker et al., 2013), 在大气中稳定存留的时间长达150年(张振贤等, 2005; 李鑫等, 2008), 其百年尺度的增温潜势是CO2的265倍, CH4的23倍(Ameloot et al., 2016).
农田N2O排放和NH3挥发主要受气候、土壤类型、肥料类型及农业措施等因素影响(丁维军等, 2013; 王良等, 2016), 采用合理的施肥措施是减少农田N2O排放和NH3挥发的重要途径(敖玉琴等, 2016).陈浩等(2017)对菜地土壤的研究发现, 减量施氮可在不显著影响产量的情况下降低N2O排放；相同氮水平下, 硝化抑制剂能有效抑制菜地N2O排放, 并保证其产量.孙海军等(2015)研究表明, 在减氮条件下, 硝化抑制剂的施用可显著增加水稻产量, 同时也具有增加氨挥发排放的风险.河套灌区传统施氮量为430 kg·hm-2, 玉米产量达12 t·hm-2.优化施氮(氮肥减量)可以降低土壤N2O排放和NH3挥发, 但其产量也会显著降低.硝化抑制剂的配合施用可有效抑制硝化细菌的活性, 使施入土壤中的氮长时间以NH4+-N形态存在, 供作物吸收利用(俞巧钢等, 2011; 张怡等, 2013), 从而有效降低玉米田N2O排放(Boeckx et al., 2005; 李香兰等, 2008)、氮素径流及淋溶损失(俞巧钢等, 2010), 增加作物产量(陈晨等, 2017).目前, 国内外关于优化施氮(氮肥减量及其配施硝化抑制剂)主要集中于N2O排放或NH3挥发的单独研究, 对于二者的综合研究十分匮乏.因此, 本研究结合河套灌区现有的耕作条件和田间管理措施, 对氮肥减量及其配合施用硝化抑制条件下, 玉米农田N2O排放和NH3挥发开展综合研究, 以估算不同优化措施下N2O排放和NH3挥发的综合环境效应, 为减缓河套灌区农田温室气体排放和氨挥发提供重要依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验地概况田间试验于2017年4—9月在内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗长胜村进行, 该地区位于我国西北黄河中上游的河套灌区, 属中温带大陆性季风气候, 年平均气温为3.5~7.2 ℃, 多年年平均降雨量为200~250 mm, 且主要集中于6—9月(图 1).试验地土壤(0~20 cm)的基本理化性质为：有机质14.6 g·kg-1, 硝态氮8.3 mg·kg-1, 铵态氮3.6 mg·kg-1, pH=8.3.
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| 图 1 玉米生育期气温与降雨量动态变化 Fig. 1 Air temperature and rainfall dynamics during maize growth period |
试验共设置4个处理, 每个处理4次重复, 完全随机区组设计, 4个处理分别为：①不施肥处理(CK)；②传统施肥(CON, 375 kg·hm-2)；③优化处理1(OPT1, 175 kg·hm-2)；④优化处理2(OPT2, OPT1+硝化抑制剂).优化施氮量由测土配方施肥确定, 硝化抑制剂3, 4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)用量为氮肥水平的0.8%.试验小区面积为68.2 m2(11 m×6.2 m).
供试玉米品种为宁玉218, 于2017年4月26日播种, 9月16日收获.玉米生育期内施肥2次、灌水3次.供试氮肥为硫酸铵, 钾肥为硫酸钾, 磷肥为过磷酸钙.氮肥分基肥和追肥2次施用, 比例为40%：60%；磷肥和钾肥作为基肥一次性施用.基肥和追肥的施肥方式分别为撒施后旋耕和撒施, 基肥和追肥施用时间分别为2017年4月26日和2017年6月17日.田间水分管理与当地常规相一致, 为大水漫灌, 第1次灌水时间为6月18日, 第2次灌水时间为7月5日, 第3次灌水时间为8月6日.
2.3 样品采集与测定 2.3.1 N2O-N气体采集与检测N2O-N采用静态暗箱-气相色谱法测定.静态暗箱由箱体和底座两部分组成, 箱体由1.2 cm厚的不锈钢板焊接而成, 其长、宽、高均为50 cm.在箱体一侧距底部约25 cm处接取气三通阀, 在其旁有温度探测口, 箱外层用泡沫包裹, 以达到保温的效果, 箱内顶部装有小型风扇用于混合箱内气体.在玉米播种前, 底座(50 cm×50 cm×15 cm)底部插入土壤12 cm处, 底座上方有3 cm深的水槽用于注水, 以密封箱体, 整个生长季不再移动.观测期间箱内不含玉米和杂草, 底座位于2株玉米间的畦上且两边各覆盖半个行距, 可均匀代表整行玉米田的土面状况.采样时, 将采样箱置于注水水槽上, 追肥后7 d每2 d采集1次, 追肥1周后采样频率调整为每10~15 d 1次.气体的采集于上午8：30—11：30进行, 分别在关箱后0、10、20、30 min用注射器采气, 用300 mL气袋收集, 收集的样品带回实验室用气相色谱分析仪(Picarro 2308)测定.气体采集完毕, 将采样箱移走以减小对植株和土壤的影响.
N2O-N排放通量根据以下公式进行计算(Lyamuremye et al., 1996)：
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(1) |
式中, F为被测气体排放通量(μg·m-2·h-1), ρ为被测气体标准状态下的气体密度(kg·m-3), h为采样箱的有效高度(m), dC/dt为箱体内被测气体的浓度变化率, T为采样时箱内平均气温(℃), 273为气态方程常数.
N2O-N累计排放量(Fc, kg·hm-2)根据两次监测的间隔天数(Δt, d)计算, 具体公式如下：
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(2) |
NH3-N挥发采用通气法测定, 该方法操作简单方便, 测定结果准确, 回收率高达99.51%(王朝辉等, 2002).试验装置由聚氯乙烯硬质塑料管制成(10 cm×15 cm).试验期间, 将浸泡于15 mL磷酸甘油溶液(50 mL磷酸+40 mL丙三醇, 定容至1000 mL)的两块海绵(2 cm×16 cm)分别置于硬质塑料管的底部与顶部, 其中, 下层海绵距管底5 cm, 上层海绵与管顶持平.土壤NH3-N挥发捕获装置于施肥当天在各小区随机放置2个, 次日上午8：00取样.取样时, 将通气装置下层的海绵取出装入塑封袋中, 同时换上另一块刚浸过磷酸甘油的海绵, 上层的海绵根据其干湿情况3~7 d更换1次.施肥灌水后的第1周每1~2 d取样1次；第2~3周视检测到的NH3-N挥发量进行取样, 如挥发量较大, 每1~3 d取样1次；反之, 每7 d取样1次.取回的海绵装入500 mL塑料瓶中, 加300 mL 2 mol·L-1的KCl溶液, 使海绵完全浸于其中, 振荡1 h后, 用连续流动分析仪(FIAstar 5000)测定其吸收的NH3-N.
土壤NH3-N挥发速率和累计排放量的计算公式分别为：
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(3) |
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(4) |
式中, E为土壤NH3-N挥发速率(kg·hm-2·d-1), FNH3-N为土壤NH3-N累计排放量(kg·hm-2), M为通气法单个装置平均每次测的氨量(mg, 以NH3-N计), A为捕获装置的横截面积(m2), D为每次连续测定的时间(d).
2.4 玉米产量的测定玉米产量由各小区测产所得, 每个小区随机选取长势均匀的两行玉米, 全部带回实验室后将玉米粒烘干称重, 根据面积估算玉米产量.其他相关的N2O-N排放氮素比率(R1)和NH3-N挥发氮素比率(R2)计算公式分别如下所示：
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(5) |
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(6) |
式中, L1为N2O-N排放损失总N量, L2为NH3-N挥发损失总N量, L为施氮量.
2.5 数据处理采用Excel 2003进行数据整理和图表制作, 利用SAS9.2进行相关性分析和方差分析(p＜0.05).
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 N2O-N排放 3.1.1 N2O-N排放通量与土壤温度动态变化N2O-N排放通量与土壤温度的动态变化如图 2所示, 各处理N2O-N排放通量的季节变化趋势与土壤温度的季节变化趋势一致.整个生育期内, CK处理的N2O-N排放通量很低, 趋近于0；其它处理的N2O-N排放通量变化趋势一致, 但通量数值大小存在明显差异.基肥施入后, 土壤温度较低, 各处理的N2O-N排放通量较小且变化平稳, 未出现N2O-N排放峰.随着玉米的生长, 土壤温度逐渐升高, 追肥5 d后, CON、OPT1和OPT2处理的N2O-N排放通量均达到峰值, 其峰值大小顺序为CON (1.63 mg·m-2·h-1)＞OPT1 (0.60 mg·m-2·h-1)＞OPT2 (0.38 mg·m-2·h-1)＞CK (0.01 mg·m-2·h-1), 之后逐渐降低.
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| 图 2 玉米生育期N2O-N排放速率及土壤温度动态变化(箭头分别表示施基肥日期和施追肥日期, 下同) Fig. 2 Dynamics of N2O-N emission rate and soil temperature during maize growth period |
由表 1可知, 各处理N2O-N排放通量与土壤温度呈显著正相关关系(p＜0.05), 其中, OPT1处理达极显著水平(p＜0.01), 相关系数为0.7690.
| 表 1 土壤温度与N2O-N排放通量的相关性分析 Table 1 Analysis of correlation between soil temperature and N2O-N emission flux |
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由表 2可知, 氮肥的施用会显著增加土壤N2O-N排放(p＜0.05).基肥时期, OPT1处理的N2O-N排放量较CON处理降低50%(p＜0.05), OPT1处理与CK处理、OPT2处理之间无显著性差异.追肥时期, OPT1处理的N2O-N排放量较CON处理降低44.8%(p＜0.05), OPT2处理的N2O-N排放量较OPT1处理降低33.9%(p＜0.05).全生育期尺度上, OPT1处理的N2O-N排放量较CON处理降低45.2%(p＜0.05), OPT2处理的N2O-N排放量较OPT1处理降低34.6%(p＜0.05).追肥时期的N2O-N排放量显著高于基肥时期(p＜0.05), 对全生育期N2O-N排放的贡献率达93%.OPT2处理的N2O-N损失氮素比率较OPT1处理低41.5%.
| 表 2 不同处理对N2O-N生育期累计排放量及其损失氮素比率的影响 Table 2 Effects of different treatments on cumulative emission of N2O-N growth period and nitrogen ratio lost |
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NH3-N排放速率动态变化如图 3所示, 玉米全生育期内CK处理的NH3-N挥发速率维持在相对较低的水平.CON处理、OPT1处理和OPT2处理NH3-N挥发的季节变化趋势一致, 于基肥施入7 d后出现第1个峰值, 随后逐渐降低；追肥7 d后, NH3-N挥发速率达到第2个峰值, 峰值大小顺序为CON(4.31 kg·hm-2·d-1)＞OPT2(1.58 kg·hm-2·d-1)＞OPT1(1.09 kg·hm-2·d-1)＞CK(0.53 kg·hm-2·d-1), 之后逐渐降低.
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| 图 3 玉米生育期NH3-N挥发速率动态变化 Fig. 3 Dynamic change of volatilization rate of NH3-N during maize growth period |
由表 3可知, 氮肥施用会显著促进NH3-N挥发.基肥时期, OPT1和OPT2处理的NH3-N挥发较CON处理分别降低74.7%和65.6%(p＜0.05), 而OPT1处理与OPT2处理间无明显差异.追肥时期, OPT1和OPT2处理的NH3-N挥发较CON处理分别降低65.0%和46.4%, OPT2处理的NH3-N挥发较OPT1处理增加34.6%(p＜0.05).全生育期尺度上, 相对于CON处理, OPT1和OPT2处理的NH3-N挥发量分别降低了68.8%和54.0%(p＜0.05), OPT2处理的NH3-N挥发量较OPT1处理增加47.5%.追肥时期的NH3-N挥发量显著高于基肥时期(p＜0.05), 对全生育期NH3-N挥发贡献率达66.1%.OPT2处理NH3-N挥发损失氮素比率较OPT1处理增加70.5%.综合N2O-N和NH3-N挥发可知(表 2和3), 各处理N素综合损失比率顺序与NH3挥发损失氮素比率一致, 为CON(14.95%)＞OPT2(12.47%)＞OPT1(8.28%)＞CK.
| 表 3 不同处理对各时期NH3-N累计挥发量及挥发损失氮素比率的影响 Table 3 Effect of different treatments on nitrogen ratio of NH3-N accumulated volatilization and volatilization loss in different periods |
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各处理玉米产量在8.63~15.25 t·hm-2之间(图 4), 其中, OPT2处理产量最高, 为15.25 t·hm-2, CK处理产量最低, 为8.63 t·hm-2.相对于CON处理, OPT1处理产量显著降低(p＜0.05), 降幅达22.1%；OPT2处理较OPT1处理增加了32.9%的玉米产量(p＜0.05), 与CON处理无明显差异.
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| 图 4 氮肥减量及其配施硝化抑制剂对玉米产量的影响 Fig. 4 Effect of optimized nitrogen application on maize grain yield |
本研究中, N2O-N排放存在明显的季节差异性(图 2), 其中, 追肥时期(夏季)土壤N2O-N排放显著高于基肥时期(春季), 温度差异可能是造成此现象的主要原因.本研究发现, 土壤N2O-N排放与土温呈显著正相关关系(p＜0.05).春季基肥时期土壤温度较低, 土壤微生物活性差, 硝化作用较弱, 所以土壤N2O-N排放量较低；追肥时期(即夏季), 土温逐渐升高, 达到适宜硝化作用发生的温度区间, 此时氮肥的施用增加了底物浓度, 进而显著促进硝化作用和反硝化作用的进行, 导致土壤N2O-N大量排放(敖玉琴等, 2016).大量施氮是引起河套灌区农田N2O-N排放的主要原因, 而氮肥减量可以降低玉米农田N2O-N排放量(表 2, p＜0.05), 这是由于氮肥施用量的降低减小了硝化作用和反硝化作用的底物浓度, 从而导致土壤N2O排放减少(王永生等, 2016).陈浩等(2017)研究表明, 与常规施肥相比, 减量施氮在不显著降低产量的情况下平均降低N2O排放27.1%, 而本研究结果表明, 减量施氮会显著降低N2O排放和玉米产量, 与传统施氮相比产量降低22.1%.在减量施氮的基础上添加硝化抑制剂能降低29.4%的N2O排放量, 这与本研究结果一致.因此, 氮肥减量配合DMPP施用显著降低了玉米农田N2O-N累计排放量, 也显著降低了氮素比率.DMPP减少土壤N2O-N排放有两方面原因：一方面是DMPP抑制了硝化作用, 减少了此过程的N2O-N排放；另一方面是由于硝化作用减弱, NO3-相应的减少, 导致反硝化作用减弱, N2O-N排放量降低(孙志梅等, 2008; 武志杰等, 2008; Weiske et al., 2002).因此, 氮肥减量并配施硝化抑制剂是一种有效降低河套灌区玉米农田N2O排放的管理措施.
4.2 优化施氮及其配施硝化抑制剂对土壤NH3-N挥发的影响氮肥施用量增加导致NH3-N挥发量显著增加.与传统施肥相比, 氮肥减量减少了53%的氮肥用量, 因此, 其NH3-N挥发量降低了68.8%, NH3-N挥发氮素损失比率降低了33.2%(表 3, p＜0.05).DMPP施用抑制了NH4+-N的硝化作用, 使土壤中的NH4+含量长时间维持在较高水平(俞巧钢等, 2011; 2010;张文学等, 2013), 因此, 氮肥减量配合施用DMPP导致玉米农田NH3挥发量增加.前人研究亦表明, 硝化抑制剂的添加会导致土壤氨挥发总量增加(Malla et al., 2005).因此, 玉米农田施用DMPP时可减少氮肥施用量并配合其他氮素管理措施以避免因氨挥发增加而导致的环境问题.
4.3 优化施氮及其配施硝化抑制剂对玉米产量的影响为了满足日益增长的人口对粮食的需求, 过量施氮已经成为我国农业生产中的一个普遍现象(Ju et al., 2009).本研究表明, 与传统施肥相比, 氮肥减量处理的玉米产量显著降低, 而氮肥减量配合施用DMPP可使玉米维持在高产水平, 较OPT1处理产量增加32.9%(p＜0.05).这可能是由于施用DMPP显著降低氮素硝化-反硝化损失(Malla et al., 2005; 李香兰等, 2009; Aulakh et al., 2001), 从而提高了氮肥利用率.以往研究表明, 硝化抑制剂的施用还可增加牧草、玉米、白菜及小麦等作物的产量(华建峰等, 2008; 肖焱波等, 2009; 黄东风等, 2009; O′Connor et al., 2012), 说明硝化抑制剂应用于作物生产具有一定的增产效果.本研究结果表明, 在河套灌区玉米农田合理降低氮肥施用量的情况下配合施用硝化抑制剂具有重要的生产实践意义.
5 结论(Conclusions)氮肥减量及配合硝化抑制剂施用可显著影响河套灌区玉米农田氧化亚氮排放和氨挥发损失.N2O-N排放与土壤温度呈显著的正相关关系.氮肥减量并配施硝化抑制剂可使N2O-N排放较传统施氮和氮肥减量分别降低64.2%和34.6%(p＜0.05), 其NH3-N挥发较传统施氮降低54.0%(p＜0.05), 相对于氮肥减量增加47.5%(p＜0.05), 但显著低于传统施肥.减施氮量条件下, 硝化抑制剂DMPP的施用可显著增加玉米产量, 与传统施肥条件下玉米产量处于同一水平.因此, 在玉米农田生产过程中, 氮肥减量并配施DMPP可同时实现保产减排, 是一种值得在河套灌区玉米生产中推广的农田管理措施.
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