孔盼,夏蘇敬,張海維,朱建強
長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025
氨揮發(fā)在稻田生態(tài)系統(tǒng)中是氮肥最為主要的氣態(tài)損失途徑,占施肥量的9%—40%(Fan et al.,2006;朱兆良,2000)。有研究表明(鄧美華等,2006;Mkhabela et al.,2007;區(qū)惠平等,2013),氨揮發(fā)主要受施氮量和田間耕作方式影響,田面水NH4+-N含量也是影響氨揮發(fā)的重要因子。就耕作方式對稻田培肥和水稻對養(yǎng)分的吸收利用看,長年翻耕會使土壤疏松、容重降低,在秸稈還田的情況下容重降低更多,對水稻的生長更為有利(張大偉等,2009);旋耕的耕深偏淺,長期使用這種耕作方法會使土壤犁底層變淺,通透性變差,滲水困難,不利于水稻植株的生長(姚秀娟,2007);與翻耕相比,免耕水稻的土壤硬度較大,耕作層裂縫較多,導(dǎo)致土壤中的氮素下移,土壤深層氮素吸收能力變差,不利于保肥保水,不利于免耕水稻對氮素的吸收和利用(劉世平等,2007)。近年來,國內(nèi)關(guān)于稻田氨揮發(fā)的研究多圍繞單一翻耕、免耕和旋耕進(jìn)行(曹湊貴等,2010;馬玉華等,2013)、國外(Mkhabela et al.,2007;Liang et al.,2016)對翻耕和旋耕組合條件下再生稻稻田氨揮發(fā)及其產(chǎn)量研究比較缺乏。然而,再生稻稻田不同于一般雙季稻稻田耕作,早稻耕作插秧后再生稻不需耕作,在這種“一種兩收”的特殊農(nóng)作制度下,耕作方式對稻田氨揮發(fā)有何影響,特別是其中變化趨勢如何,對需氮量大的再生稻施肥管理十分重要,是值得研究的科學(xué)問題。在調(diào)查江漢平原再生稻稻田耕作方式的基礎(chǔ)上,根據(jù)冬前是否翻耕和水稻插秧前旋耕情況,在田間管理完全一致的條件下,觀測了4種耕作方式下早稻-再生稻稻田的土壤氨揮發(fā)和水稻產(chǎn)量,為早稻-再生稻稻田有效降低氨揮發(fā)提供理論依據(jù)。
試驗在湖北省荊州市金穗家庭農(nóng)場(30°23′46.68″N,112°29′7.71″E)大田進(jìn)行。試驗所在地位于江漢平原腹地,屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候,年降水量 1100—1300 mm,太陽年輻射總量為435—460 KJ·cm?2,年日照時數(shù) 1800—2000 h,年平均氣溫 15.9—16.6 ℃,≥10 ℃的年積溫 5000—5350 ℃,年無霜期242—263 d。4—10月降水量占全年80%,太陽輻射量占全年75%,≥10 ℃的積溫為全年80%,具有水熱同步和與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)一致的良好氣候條件,適宜多種農(nóng)作物的生長發(fā)育。該地區(qū)年均溫度為18.4 ℃,年降水量為773.5 mm,2019年試驗期間降水和氣溫見圖1。土壤為湖泊成因的偏粘性潴育型水稻土,耕作層(0—20 cm)土壤基本性狀為:土壤pH值6.27,有機(jī)質(zhì)22.31 g·kg?1,土壤全氮 1.26 g·kg?1,全磷 0.51 g·kg?1,全鉀 9.51 g·kg?1,堿解氮 78.61 mg·kg?1,速效磷 20.75 mg·kg?1,速效鉀 85.51 mg·kg?1。試驗地連續(xù) 4 年實行早稻-再生稻種植模式,冬閑期翻地炕田。
圖1 試驗期間大氣溫度和降水量Fig. 1 Air temperature and rainfall during the experiment
在調(diào)查江漢平原再生稻稻田耕作方式的基礎(chǔ)上,根據(jù)冬前是否翻耕和水稻插秧前旋耕情況,在田間管理完全一致的條件下,按單因素進(jìn)行試驗設(shè)計,設(shè)4種耕整模式:翻耕1次旋耕1次(T1)、翻耕1次旋耕2次(T2)、不翻耕旋耕2次(T3)、不翻耕旋耕3次(T4),每個處理3次重復(fù),共計12個小區(qū),小區(qū)面積為240 m2。冬前進(jìn)行翻耕,耕深25 cm;春季栽種水稻前旋耕,耕深15 cm。
供試水稻品種為豐兩優(yōu)香1號,在早稻收獲時留高樁萌生腋芽發(fā)育成再生稻,早稻-再生稻全生育期為215 d。早稻采用育秧機(jī)插移栽模式,于3月24日播種,4月21日移栽,株距16 cm,行距30 cm,每穴種植2株,8月13日收獲早稻,10月20日收獲再生稻,留40 cm稻樁為再生稻生長創(chuàng)造條件。試驗田按常規(guī)田間管理,早稻和再生稻均采用機(jī)收,秸稈均粉碎還田。
試驗用肥氮肥為普通尿素(含N 46%)、復(fù)合肥(N-P2O5-K2O百分含量為22-9-15)。全生育期有效養(yǎng)分施用總量為 N 281.2 kg·hm?2、P2O536 kg·hm?2、K2O 60 kg·hm?2。基肥和追肥均采用撒施。早稻移栽前(4月16日)施400 kg·hm?2復(fù)合肥作基肥,6月20日施入分蘗肥(150 kg·hm?2尿素),8月3日(早稻收獲前10天)施尿素120 kg·hm?2作為再生稻促芽肥,8月18日(早稻收獲后第5天)施150 kg·hm?2尿素作為再生稻提苗肥。
1.3.1 氨揮發(fā)采集與測定
氨揮發(fā)通量采用通氣法測定(王朝輝等,2002)。通氣法裝置由無底PVC管制成,外徑17 cm,內(nèi)徑16 cm,高50 cm,上部接一個彎頭,防止雨水對氨揮發(fā)氣體收集的影響。測定過程中分別將兩塊厚度均為2 cm、直徑為17 cm的海綿均勻浸于15 mL的磷酸甘油溶液后,將兩層海綿置于PVC管中,下層的海綿距地面15 cm,上層的海綿與管頂部相平。下層海綿用于吸收土壤揮發(fā)出的氨氣,上層海綿用于防止空氣中的氨氣和灰塵等進(jìn)入。土壤氨揮發(fā)的捕獲于施肥后當(dāng)天開始,在各小區(qū)的不同位置分別放置兩個捕獲裝置,次日10:00取樣。取樣時,將通氣裝置下層的海綿取出,迅速裝入密封袋中保存;同時換上另一塊剛浸過磷酸甘油的海綿。上層的海綿視干濕情況3—7 d更換1次。變動擺放位置后,將裝置重新放好,開始下一次田間吸收。施肥后1周,每天取樣1次;第2周,每隔3天取樣1次;第3周,視測到的氨揮發(fā)量,每隔3—5天取樣1次,以后取樣間隔可延長到7—10 d,直至監(jiān)測不到氨揮發(fā)為止。把取下的海綿帶回試驗室,分別放入500 mL塑料瓶中,加1 mol·L?1氯化鉀溶液200 mL,將海綿完全浸于其中,振蕩1 h,用Alliance-Futura Ⅱ連續(xù)流動分析儀測定浸提液的銨態(tài)氮含量。
1.3.2 田面水采集與測定
水稻田面水采集與氨揮發(fā)采集時間一致,將多點取得的田面水樣混合后裝入聚乙烯塑料瓶,帶回實驗室經(jīng)真空泵抽濾后,用Alliance-Futura Ⅱ連續(xù)流動分析儀測定銨態(tài)氮(NH4+-N)。
1.3.3 測產(chǎn)
分別于兩季水稻成熟后,每小區(qū)選擇長勢一致、能夠代表小區(qū)整體水平的樣方進(jìn)行測產(chǎn),每小區(qū)取3個樣方,每樣方3 m2。
氨揮發(fā)通量T按式(1)計算,某段時間氨揮發(fā)累積量E按式(2)計算,氨揮發(fā)強度Q按式(3)計算,氮肥偏生產(chǎn)力Pfpn按式(4)計算。
式中:
T——氨揮發(fā)通量,kg·hm?2·d?1;
m——采用通氣法時,單個裝置平均每次測得的氨量,mg;
A——捕獲裝置的橫截面積,m2;
tD——每次連續(xù)捕獲的時間,以天計,d。
E——某段時間氨揮發(fā)累積量,kg·hm?2;
t——某段時間氨揮發(fā)持續(xù)的天數(shù),d。
Q——氨揮發(fā)排放強度,kg·t?1;
Y——單位面積水稻產(chǎn)量,t·hm?2。
Pfpn——氮肥偏生產(chǎn)力,kg·kg?1;
YN——施氮區(qū)稻谷產(chǎn)量,kg·hm?2;
F——施氮量,kg·hm?2。
運用 Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,DPS 7.5軟件進(jìn)行方差分析,并采用多重比較(LSD法)進(jìn)行差異顯著性檢驗。
不同耕作方式下稻田氨揮發(fā)通量的季節(jié)性變化如圖2所示,可以看出,早稻施入基肥后,各處理氨揮發(fā)通量于第 2天達(dá)到峰值(2.26—6.32 kg·hm?2·d?1),隨后迅速降低,第 14 天各處理降至無顯著差異,其峰值表現(xiàn)為T3>T4>T2>T1;施入分蘗肥后各處理氨揮發(fā)通量在第 3天均達(dá)到峰值(3.92—11.25 kg·hm?2·d?1),隨后逐漸降低并趨于平緩,分蘗肥施入后第 13天各處理氨揮發(fā)通量降至無明顯差異,各處理的氨揮發(fā)通量峰值表現(xiàn)為T3>T4>T1>T2。再生稻促芽肥施入之后,于第2天出現(xiàn)峰值,各處理排放通量峰值為 1.64—5.55 kg·hm?2·d?1,施促芽肥后氨揮發(fā)通量峰值表現(xiàn)T3>T4>T1>T2,促芽肥后第5天各處理氨揮發(fā)通量降至無明顯差異;施提苗肥后氨揮發(fā)通量峰值表現(xiàn)T3>T4>T1>T2,提苗肥后第4天各處理氨揮發(fā)通量降至無明顯差異。
圖2 不同耕作方式下稻田氨揮發(fā)通量的季節(jié)性變化Fig. 2 Seasonal variation of ammonia volatilization flux in paddy fields under different tillage methods
由圖2可知,稻田氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)在施肥后第2天和第3天,各處理在氨揮發(fā)峰值處差距較大。為了了解不同耕作處理氨揮發(fā)通量峰值是否存在顯著差異,對試驗結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計分析,結(jié)果見表1。從表1可以看出,基肥施入后T1(T2)、T3、T4的峰值差異顯著,T1與T2之間不顯著;分蘗肥施入后T1、T2、T3(T4)峰值差異顯著,T3與T4之間不顯著;促芽肥施入后T2與T3(T4)峰值差異顯著,T1、T3和T4之間彼此差異不顯著;施入提苗肥后T2與T3(T4)峰值差異顯著。各次施肥后最大的共性是 T2處理的氨揮發(fā)峰值均最小,且與T3和T4的差異均達(dá)顯著水平。以上分析表明,在4種耕作方式中T2可顯著降低施肥后的氨揮發(fā)。
表1 不同耕作方式下施肥后氨揮發(fā)通量峰值Table 1 Peak value of ammonia volatilization flux after fertilization under different tillage methods kg·hm?2·d?1
根據(jù)2019年早稻-再生稻生長期氨揮發(fā)田間監(jiān)測,表2給出了各處理氨揮發(fā)累積量。對于早稻,在施入基肥后氨揮發(fā)累積量呈現(xiàn) T3>T4>T1>T2,T1、T2、T3、T4各處理的氨揮發(fā)累積量分別占基肥施氮量的15.3%、13.7%、21.8%、20.8%;施入分蘗肥后,各處理氨揮發(fā)累積量分別占分蘗肥施氮量的17.4%、10.4%、21.3%、19.6%。對于再生稻,施入促芽肥后各處理氨揮發(fā)累積量分別占促芽肥施氮量的18.8%、10.6%、25.2%、21.9%;施入提苗肥后,各處理氨揮發(fā)累積量分別占提苗肥施氮量的6.6%、5.6%、9.5%、7.9%。
表2 不同耕作方式下施肥后稻田氨累積揮發(fā)量Table 2 Cumulative volatilization of ammonia in paddy field after fertilization under different tillage methods kg·hm?2
從氨揮發(fā)占當(dāng)季施氮量的比例看,早稻季T1、T2、T3、T4分別占16.2%、12.3%、21.6%和20.3%,再生稻季分別占12.0%、7.8%、16.5%、14.2%??梢?,在耕作方式一定下,施氮量多的早稻其氨揮發(fā)量比施氮量相對少的再生稻高??v觀早稻-再生稻全生育期,氨揮發(fā)排放量以T2最小,T1與T2之間以及它們與T3、T4之間在氨揮發(fā)排放量上均有顯著差異。
不同耕作方式下田面水NH4+-N質(zhì)量濃度變化如圖3所示,可以看出,施肥后4個處理NH4+-N含量總體變化趨勢相似,均呈現(xiàn)T3>T4>T1>T2。早稻施入基肥后,各處理NH4+-N含量于第2天達(dá)到峰值(1.05—36.51 mg·L?1),隨后迅速降低,第14天各處理降至無明顯差異;分蘗肥后各處理田面水NH4+-N含量在第3天達(dá)到最大值,依次為T1(31.24 mg·L?1)、T2(18.83 mg·L?1)、T3(51.33 mg·L?1)、T4(46.54 mg·L?1),到了第 13天逐漸降低直至無明顯差異。再生稻各處理施入促芽肥后,于第2天達(dá)到峰值(2.17—56.77 mg·L?1),隨后迅速降低,至第5天已無差異;施入提苗肥后第2天出現(xiàn)峰值(0.68—52.14 mg·L?1),隨后逐漸降低,至施肥后第5天各處理之間的差異均不顯著。
圖3 不同耕作方式下施肥后稻田田面水NH4+-N含量動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of NH4+-N content in surface water of paddy field after fertilization under different tillage methods
為了解各處理在田面水NH4+-N含量達(dá)到峰值的差異顯著性,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析(見表3)??梢钥闯觯看问┓屎骉2與T3(T4)均達(dá)到顯著水平,且T2處理的田面水NH4+-N含量峰值均最小。以上分析表明,在4種耕作方式中T2可顯著降低施肥后田面水的NH4+-N含量,有利于減少氨揮發(fā)。
表3 不同耕作方式下施肥后田面水NH4+-N峰值Table 3 Peak value of NH4+-N in field water after fertilization under different tillage methods mg·mL?1
根據(jù)2019年試驗結(jié)果,圖4給出了不同耕作方式下早稻季和再生稻季田間的氨揮發(fā)排放強度,可見氨揮發(fā)排放強度均呈現(xiàn)T3>T4>T1>T2,這說明在翻耕次數(shù)相同的條件下增加旋耕次數(shù)有效降低氨揮發(fā)排放強度。從各處理氨揮發(fā)排放強度的差異看,早稻季翻耕與旋耕結(jié)合的處理T1、T2與旋耕處理的T3、T4的差異比較顯著,再生稻各處理間差異均不顯著,這可能是再生季相距冬翻和春耕的時間較長(3個月),加之稻作期灌溉,使土壤產(chǎn)生了自然沉降而變得密實。
圖4 耕作方式與氨揮發(fā)強度Fig. 4 Tillage methods and ammonia volatilization emission intensity
不同耕作方式下早稻和再生稻的產(chǎn)量與氮肥偏生產(chǎn)力試驗結(jié)果見表 4。綜合不同耕作方式試驗結(jié)果,從產(chǎn)量大小和氮肥偏生產(chǎn)力看,均表現(xiàn)為T2>T1>T4>T3。試驗結(jié)果表明,在生產(chǎn)效果上翻耕與旋耕結(jié)合優(yōu)于單一旋耕,翻耕次數(shù)相同時適當(dāng)增加旋耕可促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量。從耕作方式對早稻和再生稻產(chǎn)量的影響看,T2與T3、T4相比,早稻產(chǎn)量均比較顯著,而再生稻的產(chǎn)量均無顯著差異。從目前僅有的1年試驗結(jié)果看,耕作方式對早稻-再生稻產(chǎn)量的影響主要在頭季。由圖4、表4可知,氨揮發(fā)排放強度與稻谷產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)此消彼長的關(guān)系,顯見 T2的兩季產(chǎn)量最高而氨揮發(fā)排放強度最低。由此可見,采用適當(dāng)?shù)母鞣绞娇梢员WC作物產(chǎn)量、降低氨揮發(fā)排放強度,從而減少氨揮發(fā)對環(huán)境的影響。
表4 不同耕作方式下水稻產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力Table 4 Rice yield and partial productivity of nitrogen fertilizer under different tilliage methods
氨揮發(fā)在稻田生態(tài)系統(tǒng)中是氮肥最主要的氣態(tài)損失途徑,它主要受土壤條件、氣候因子、田面水NH4+-N濃度和田間耕作方式影響(王朝輝等,2002;宋勇生等,2003)。田間比較試驗表明,通氣法與密閉法相比,操作簡便易行,克服了傳統(tǒng)密閉法捕獲裝置內(nèi)外不透氣的缺點,回收率高達(dá)99.51%,變異系數(shù)僅為0.77%,這一方法對于原位測定土壤氨揮發(fā)有著較大的應(yīng)用潛力。本研究指出,全生育期稻田氨揮發(fā)累積量為 28.96—54.31 kg·hm?2,占施氮量的9.7%—18.2%(表 2)。這與黃進(jìn)寶等(2006)報道的3.7%—11.7%和汪軍等(2013)報道的田間氨揮發(fā)占施氮量 13.8%相近。本研究顯示,早稻-再生稻稻田的氨揮發(fā)損失主要集中在施肥后1周內(nèi),且在施肥后2—3 d達(dá)到峰值,隨后迅速下降,持續(xù)10 d左右,這與鄧美華等(2006)、曹湊貴等(2010)、王大鵬等(2018)研究結(jié)果一致。
本文研究表明,不同耕作方式下氨揮發(fā)通量呈現(xiàn) T3>T4>T1>T2的趨勢,旋耕處理的氨揮發(fā)累積量高于翻耕與旋耕組合處理的47.4%,說明僅作旋耕可顯著增加氨揮發(fā),其主要原因可能是旋耕改善了表層土壤的通氣性(姚秀娟,2007),提高了土壤脲酶活性(劉驍蒨等,2013),降低了肥料與土壤顆粒接觸,促進(jìn)了土壤氨揮發(fā);適時深翻能改善耕作底層土壤緊實狀況,降低土壤容重,增加土壤通透性和孔隙度,且土壤容重隨耕作深度的增加而下降,翻耕對土壤容重的影響最大(張大偉等,2009;張向前等,2019);而翻耕與旋耕結(jié)合可以使秸稈埋藏到較深的土層,肥料落入土壤孔隙,增加了與土壤的接觸,有利于土壤顆粒對肥料氮的固定(馮國祿等,2011;葛暢等,2018),從而降低了土壤氨揮發(fā)。相關(guān)研究報道(Zhang et al.,2011;鄧美華等,2006;馬玉華等,2013),NH4+是衡量氨揮發(fā)大小的重要指標(biāo),田面水NH4+-N含量直接影響氨揮發(fā),與氨揮發(fā)排放通量呈顯著或極顯著正相關(guān)(馬玉華等,2013)。
通常,稻田氨揮發(fā)排放強度用生產(chǎn)1噸谷物田間排放的氨累積量(kg)表示,本試驗結(jié)果表明,不同耕作方式下各處理氨揮發(fā)排放強度為T3>T4>T1>T2,顯見,翻耕與旋耕結(jié)合有利降低氨揮發(fā)的排放強度,提高肥料利用率、增加產(chǎn)量(表4),其中以T2效果最好。與其他處理相比,T2早稻和再生稻產(chǎn)量分別增產(chǎn)10.8%、56.9%、44.9%和7.6%、32.6%、9.6%。關(guān)于不同耕作方式下氨揮發(fā)排放強度與稻谷產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力的關(guān)系,本試驗結(jié)果表明二者之間是一種此消彼長的關(guān)系,T2處理的兩季產(chǎn)量最高而氨揮發(fā)排放強度最低。由此可見,采用適當(dāng)?shù)母鞣绞娇梢员WC作物產(chǎn)量、降低氨揮發(fā)排放強度,從而減少氨揮發(fā)對環(huán)境的影響。
(1)從早稻-再生稻全生育期看,田間氨揮發(fā)損失量和排放強度呈現(xiàn) T3>T4>T1>T2的趨勢,以冬前翻耕、水稻播栽前旋耕二次的耕作方式(T2)氨揮發(fā)損失量和強度最小,可有效減少氮素?fù)p失。
(2)從促進(jìn)作物生長和取得較高產(chǎn)量看,4種耕作方式呈現(xiàn)T2>T1>T4>T3的趨勢,其中以T2最優(yōu),建議在生產(chǎn)實踐中采用該耕作方式。
致謝:文中水文氣象數(shù)據(jù)由湖北省荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗站提供,在此僅表謝忱。