夏永秋, 王慎強, 孫朋飛, 陳小琴, 沈健林, 王 華, 肖智華, 李曉明,楊 廣, 顏曉元

(1.江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站/中國科學院南京土壤研究所 南京 210008; 2.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 長沙 410125; 3.湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院 長沙 410128)

氮肥施入土壤后, 氮素的去向主要分為3種途徑: 一部分被植物吸收利用, 另一部分以無機氮、有機氮和土壤固定態(tài)等形態(tài)殘留在土壤中, 其余部分則以氨揮發(fā)、徑流淋洗、氮氣、氮氧化物氣體等形式損失進入環(huán)境[1]。據(jù)統(tǒng)計, 我國種植業(yè)通過氨揮發(fā)造成的氮素損失可達施氮量的9%～42%, 其中碳銨和尿素的氨揮發(fā)損失可分別達49%～66%和29%～40%[2-3]。由此, 我國種植業(yè)大量氨排放引起國際社會的普遍關注。

長江中下游稻、菜、果是我國種植業(yè)氨揮發(fā)的主要場所。水稻(Oryza sativa)是南方主要糧食作物,大田水稻一般采用穴栽的方式種植, 稻株吸收的養(yǎng)分絕大部分來自于根系周圍。而我國農(nóng)民習慣的水稻施肥仍然以基肥加后期追肥為主, 施肥方式大多直接撒于土壤表面。從而土壤供肥與水稻需肥不匹配、根區(qū)與肥區(qū)吻合度差, 導致施肥后田面水氨濃度大、稻田肥料利用率低和氨揮發(fā)損失大等問題[4]。隨著人民生活水平的提高, 蔬菜、瓜果的需求量日益增加, 其肥料用量也呈直線增加趨勢。據(jù)調(diào)查, 我國蔬菜化肥用量1998年為604.51萬t, 2014年增加到1291.36萬t, 增加了1.1倍, 其化肥用量占農(nóng)作物化肥總用量的比例從1998年的13.38%增加至2014年的18.81%。水果化肥用量1998年為531.55萬t,2014年增加到1223.42萬t, 增加了1.4倍, 其化肥用量占比從1998年的11.76%增長到2014年的17.82%[5]。其中, 我國南方地區(qū)蔬菜、瓜果化肥用量增長尤為突出。據(jù)第二次污染普查, 海南、浙江、福建、上海、廣東等地蔬菜、瓜果播種面積占省(區(qū)、市)內(nèi)農(nóng)作物總播種面積比例已超過30%。因此, 長江中下游稻、菜、果高強度的化肥施用導致了大量的氨揮發(fā)損失。

過量施肥、不合理的肥料類型和施肥方式是農(nóng)田氨揮發(fā)量大的重要原因, 高效氨減排技術是國際研究熱點[3]。歐美開展了大量養(yǎng)分管理研究, 實現(xiàn)農(nóng)田氮肥減施, 從源頭減少農(nóng)田氨揮發(fā)[6]。通過肥料深施、緩控施肥、添加抑制劑和微生物菌劑等, 提高養(yǎng)分效率, 是降低氨揮發(fā)損失的重要途徑[7]。鑒于我國氮肥品種單一, 多數(shù)為銨態(tài)氮肥, 60%為表施, 南方水稻田極易發(fā)生氨揮發(fā)等情況, 歐美的經(jīng)驗不能直接借鑒[5]。盡管目前國內(nèi)外圍繞控氨減排技術取得不少進展, 但是各減排技術不規(guī)范、減排效果在不同區(qū)域差別大、經(jīng)濟成本較高, 集成效果不理想。在深入理解肥料氮在土壤中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律與損失機制基礎上, 參數(shù)化各減排技術、充分挖掘各單項氨減排技術、集成各項技術、開發(fā)潛在新技術, 是實現(xiàn)高效控氨減排的突破口。

十三五期間, 在國家重點研發(fā)計劃項目“農(nóng)畜牧業(yè)氨排放污染高效控制技術”的支持下, 課題2“長江中下游種植業(yè)高效控氨減排關鍵技術研發(fā)”針對南方土壤硝化強度弱, 銨態(tài)氮存續(xù)長、氮肥表施排放嚴重等問題, 重點研究稻田優(yōu)化減氮技術、稻田側根深施技術及機具、周叢生物成膜抑氨技術、果樹大顆粒肥料深施與蔬菜新型緩釋肥等減排技術; 以長江中下游種植業(yè)“精準減氮、緩釋抑氨、根施控氨、生物固銨”的“減、抑、控、固”全鏈條氨減排思路, 提出協(xié)調(diào)環(huán)境與經(jīng)濟的長江中下游主要種植業(yè)氨減排技術, 實現(xiàn)氨揮發(fā)減排40%的課題目標。本文將重點介紹該課題取得的主要研究進展。

1 長江中下游典型種植業(yè)氨排放特征

1.1 長江中下游典型稻菜果氨排放系數(shù)及變異

課題以長江中下游典型稻菜果種植模式為依托,選取代表性區(qū)域稻菜果監(jiān)測點位, 課題組在統(tǒng)一密閉式抽氣法測定方法的基礎上, 通過3年的田塊試驗, 結合已有文獻報道, 明確了常規(guī)施肥下長江中下游典型單季稻、雙季稻、露天蔬菜、桃樹(Amygdalus persica)氨排放系數(shù)，如圖1所示。稻田氨排放系數(shù)和變異最大, 平均排放系數(shù)為14.2%, 露天蔬菜次之(平均為11.2%), 果樹最低(平均為4.76%)。

圖1 長江中下游典型稻菜果田氨排放系數(shù)及變異(不同字母表示在 P<0.05水平差異顯著, 方差分析軟件為SPSS V19.0)Fig.1 Ammonia emission coefficients and variations of paddy rice, open-air vegetables, and peach tree in the middle and lower reaches of the Yangtze River (different letters indicate significant differences at P<0.05 level, variance analysis is conducted by SPSS V19.0)

與以往研究相比, 本研究所得的氨揮發(fā)系數(shù)基本一致。Lin等[8]測得太湖地區(qū)氨揮發(fā)系數(shù)為9.0%～17.6%。Ju等[9]統(tǒng)計了太湖地區(qū)26塊試驗田的氮素損失結果, 發(fā)現(xiàn)稻田氨揮發(fā)系數(shù)為11.6%±4.7%。田昌等[10]的研究表明, 湖南典型雙季稻的氨揮發(fā)系數(shù)為14.6%～28.7%。Shan等[11]研究了太湖地區(qū)不同肥料處理下蔬菜氨揮發(fā)損失, 3年(2010?2012年)的大田試驗結果表明, 露天蔬菜氨揮發(fā)損失系數(shù)為11.51%～17.39%。Zhang等[12]研究了桃樹的氨揮發(fā)損失, 結果表明, 常規(guī)配施緩控施肥氨揮發(fā)損失系數(shù)為6.28%。

1.2 長江中下游典型稻菜果氨排放特征

稻田氨揮發(fā)在施肥后各階段均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢, 峰值出現(xiàn)在每次施肥后的1～5 d, 氨揮發(fā)持續(xù)時間為7～21 d, 之后與空白處理無顯著差異。稻田氨揮發(fā)具有顯著的日變化, 氨揮發(fā)主要發(fā)生在白天, 夜間基本沒有氨揮發(fā)。氣候條件(溫濕度等)、土壤因素及農(nóng)業(yè)措施(施肥量及類型、施肥方式、施肥時期等)等通過影響田面水銨態(tài)氮濃度和pH等影響稻田氨揮發(fā)。

露天蔬菜地氨揮發(fā)均表現(xiàn)為施肥后顯著上升、到達頂峰后緩慢下降的趨勢。從氨揮發(fā)速率動態(tài)變化來看, 施肥后1～8 d是氨揮發(fā)的主要時間段, 此階段各施肥處理氨揮發(fā)速率差異顯著(P<0.05), 氨揮發(fā)持續(xù)時間為10～15 d, 此后與空白處理無顯著差異。從季節(jié)變化來看, 夏季種植期(8?9月)蔬菜地氨揮發(fā)通量顯著高于其他季節(jié)。溫度和土壤表層銨態(tài)氮含量是其主要影響因素。

果樹由于樹干龐大, 施肥以環(huán)施為主, 不同樹干距離氨揮發(fā)規(guī)律一致, 都是施肥后2～3 d出現(xiàn)排放高峰, 持續(xù)時間為5～10 d, 此后與無施肥處理無顯著差異。但是不同樹干距離氨揮發(fā)總量差異顯著。在常規(guī)施肥下, 距離樹干45～90 cm處氨揮發(fā)總量最大, 占總排放量的45%; 其次為距離樹干90～135 cm處, 氨揮發(fā)占總量的40%; 距離樹干0～45 cm氨揮發(fā)排放量僅占排放總量的15%。

2 長江中下游典型種植業(yè)高效控氨減排關鍵技術

2.1 雙季稻優(yōu)化減氮技術

針對雙季稻體系氨揮發(fā)量大、現(xiàn)有減排措施單一、減排措施效果不穩(wěn)定等現(xiàn)狀, 課題組在湖南長沙縣金井鎮(zhèn)雙季稻試驗基地開展不同氮肥劑量(全量、減量)、不同施肥方式(表施和深施)和肥料類型(尿素、尿素+脲酶抑制劑、微生物菌肥替代等)及組合優(yōu)化比選試驗來實現(xiàn)雙季稻稻田控氮減氨。

該技術體系(專利申請?zhí)? 202010783702.7)主要包括氮肥減量30%、氮肥減量30%結合基肥深施、氮肥減量30%結合脲酶抑制劑、氮肥減量30%結合深施及脲酶抑制劑、有機無機配施(微生物菌肥替代40%化學氮肥), 以及氮肥減量30%結合深施以及微生物菌肥替代40%化學氮肥等措施。研究結果表明(圖2), 氮肥減量30%可以減少氨揮發(fā)(減幅43.0%), 但顯著降低了晚稻季水稻產(chǎn)量。減氮深施技術可實現(xiàn)減排潛力為65.7%, 尿素深施增加了其與土壤的接觸, 更多的NH4+被土壤膠體吸附, 限制了銨態(tài)氮由土壤向田面水的擴散, 從而減緩了尿素的水解,降低了稻田NH3損失[13]。就氮肥形態(tài)替代來說, 微生物菌肥替代40%化學氮肥(有機無機肥配施)可減少35.6%的氨排放。但微生物菌肥含氮量低, 替代氮肥所使用的菌肥量大, 相應增加了成本與勞動強度。相較常規(guī)表施, 減氮表施添加脲酶抑制劑(配施1% NBPT)能達到極佳減排效果(75.9%～81.7%)。脲酶抑制劑可以與尿素競爭脲酶的活性位點, 從而減少脲酶與尿素的結合, 延緩尿素的水解反應, 從而減少氨揮發(fā), 同時一定程度上緩解了N2O和NOx的排放[14-15]?？紤]不同減排技術的交互作用, 試驗同時設置了減氮深施結合菌肥替代與脲酶抑制劑組合的比選試驗, 相較于常規(guī)處理, 組合技術顯著延遲了氨揮發(fā)峰值出現(xiàn)時間, 降低氨揮發(fā)通量峰值, 減排效果最好, 減排潛力為77.3%～81.7%。減氮配合深施或脲酶抑制劑或菌肥替代化肥及其組合, 均未降低水稻產(chǎn)量, 且提高了氮肥利用率。綜合考慮深施成本、產(chǎn)量收益, 脲酶抑制劑表施可獲得最佳經(jīng)濟收益。

圖2 雙季稻稻田優(yōu)化減氮技術及其減排潛力和經(jīng)濟效益Fig.2 Optimized nitrogen reduction technology of double-cropping rice field and its mitigation potential of ammonia emission and economic benefit

2.2 稻田深施控氨技術

針對當前稻田肥料深施存在的條施肥料利用率不高、深度太淺土蓋不住肥、深施機具效果不穩(wěn)定等問題, 課題組分別通過室內(nèi)和田間試驗, 開展了稻田深施控氨及其機具研究。

通過盆栽試驗, 比較了傳統(tǒng)氮肥撒施、條施、不同點位深施對稻田氨揮發(fā)的影響。設置的處理為:SF (傳統(tǒng)氮肥撒施)、R5 (減氮30%+條施、深度5 cm)、R10 (減氮30%+條施、深度10 cm)、B5 (減氮30%+大顆粒球肥定點深施, 深度5 cm)、B10 (減氮30%+大顆粒球肥定點深施, 深度10 cm); 施肥點為每兩株水稻中間點, 隔行施肥。農(nóng)田管理按照當?shù)剞r(nóng)民習慣管理。結果表明: 1)與SF相比, R5、R10、B5和B10處理的水稻田總氨揮發(fā)量分別減少31.61%、44.04%、37.05%和46.63%, 氮肥減量深施能夠有效抑制氨揮發(fā), 且隨著施肥深度的加深, 抑制效果加強。且在施肥深度為5 cm時, 肥球點施優(yōu)于條施。2)氨揮發(fā)累計損失量表現(xiàn)為SF>R5>B5>R10>B10, B10處理的氨揮發(fā)量最低。3)與SF相比, 減氮深施處理的氮素回收率、氮素農(nóng)藝利用效率和籽粒生產(chǎn)效率分別提高27.89%～51.63%、33.13%～54.50%和34.03%～53.30%。4)與SF相比, R5、R10、B5沒有顯著減產(chǎn), 而B10處理水稻增產(chǎn)7.32%。B10處理能達到穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)和減少氨排放的目的。

在上述點位優(yōu)化施肥的基礎上, 在江蘇省泰州市姜堰區(qū)梁徐鎮(zhèn)進一步研究了肥料配方和水稻側根施肥對氨揮發(fā)和水稻氮磷利用率的影響。試驗設7個處理: 1)不施氮肥, 磷鉀肥撒施(CK); 2)氮磷鉀肥撒施(FFP); 3)氮肥(尿素)一次穴施, 磷鉀撒施(RZF1);4)氮(尿素)磷鉀肥一次穴施(RZF2); 5)氮(氯化銨)磷鉀肥一次穴施(RZF3); 6)氮(硫酸銨)磷鉀肥一次穴施(RZF4)。結果表明, 根據(jù)土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況及水稻品種的養(yǎng)分需求特點, 基于普通速效性肥料配置水稻專用肥, 在秧苗移栽的同時, 將水稻全生育期所需肥料通過人工或機械施用于偏離水稻秧苗根系5 cm左右、距地表10 cm左右的位置(圖3),后期不再進行任何追肥, 可以保證產(chǎn)量甚至顯著增產(chǎn)。氨揮發(fā)累積損失量可降為1.3～5.2 kg(N)?hm?2, 氨揮發(fā)損失率降為0.6%～3.5%, 與不施氮肥的空白處理無顯著差異, 氮肥利用率可達44.8%～66.6% (專利申請?zhí)? 202010696951.2)。

圖3 稻田肥球點位(圓點)優(yōu)化Fig.3 Location optimization for ball fertilizer (dots) in paddy field

目前水稻施肥機械多為氣送式側條深施作業(yè)方式, 仍存在肥料利用率低的問題。基于上述試驗基礎, 課題組研制了水稻插秧機的球肥精準側深穴施裝置(專利申請?zhí)? 202110223156.6), 包括送肥機構、鷹嘴式施肥器與帶動鷹嘴式施肥器升降的升降機構。具體施肥時, 肥料箱中的球肥落入球肥轉(zhuǎn)盤上的容肥孔內(nèi), 容肥孔體積略大于一顆球肥, 每個容肥孔中可存放一顆球肥; 驅(qū)動電機帶動球肥轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動, 當某一個容肥孔旋轉(zhuǎn)至與過料孔對齊時, 該容肥孔內(nèi)的球肥可經(jīng)過料孔落入送肥管中, 再經(jīng)送肥管落入閉合的左、右鷹嘴內(nèi)。本裝置具有結構簡單緊湊、穴施精度高、施肥量一致性好、肥料利用率高的優(yōu)點。

2.3 稻田周叢生物成膜抑氨技術

稻田系統(tǒng)土-水界面廣泛存在周叢生物, 可能是影響稻田氨揮發(fā)的主要因素。周叢生物是絲狀藻類通過黏附在土壤/沉積物表面生長, 與細菌、真菌和其他微生物形成聚集體[16], 常以藻類等自養(yǎng)微生物為優(yōu)勢物種[17]。此外, 周叢生物內(nèi)部存在空隙和微孔,這些空隙和微孔有助于營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的來回轉(zhuǎn)移。周叢生物具有很強的環(huán)境適應性, 能顯著影響水土環(huán)境的理化性質(zhì), 在調(diào)節(jié)氮素循環(huán)和能量流動方面發(fā)揮著重要作用[18]。現(xiàn)有研究表明, 周叢生物對氨揮發(fā)的影響存在直接抑制(覆蓋和吸附)和間接促進(提高pH和NH4+濃度)的雙重作用[19]。因此, 如何最大限度發(fā)揮周叢生物對氮素的儲存作用并同時減少藻類對氨揮發(fā)的促進作用, 有望成為抑制稻田氨揮發(fā)的新的技術突破口, 并有望形成一套新型稻田氨揮發(fā)抑制技術。

針對上述問題, 課題組使用包埋法制備出周叢生物誘導載體(制備方法見專利201911138867.2), 試驗田中插秧后, 均勻撒施誘導載體, 用量為45 kg?hm?2;穗肥施加后再次撒施誘導載體30 kg?hm?2; 對照田中不施加任何載體。比較不同水稻生長期內(nèi)試驗田與對照田中不同施肥期周叢生物氮儲存能力及其誘導的氨揮發(fā)通量。結果表明, 誘導載體的使用能夠快速誘導稻田周叢生物的生長, 人工誘導生長的周叢生物具有更大的氮富集能力, 表現(xiàn)出更強的抑制氨揮發(fā)潛勢。

如表1所示, 人工誘導載體的使用能快速誘導稻田周叢生物的生長, 增加了稻田周叢生物的生物量,具有更大的氮富集能力, 從而減少施肥后田面水NH4+濃度, 抑制了氨揮發(fā)。載體誘導使得基肥、分蘗肥、穗肥后周叢生物中氮儲量分別增加0.44 kg?hm?2、6.36 kg?hm?2和2.23 kg?hm?2。

表1 不同施肥期稻田人工誘導的周叢生物氮儲量Table 1 Nitrogen storage in artificial induced and naturally growth periphyton in different fertilization periods of paddy field kg?hm?2

為了使周叢生物儲存的氮釋放出來供水稻利用,同時降低田面水pH, 達到釋肥抑氨的效果, 試驗通過施用特丁凈來達到此目的。試驗共施加2次特丁凈,間隔兩天, 每次施加0.1 kg?hm?2, 對照田中不施加特丁凈。結果表明, 特丁凈的使用可顯著抑制稻田氨揮發(fā)的發(fā)生, 其中基肥期、分蘗肥期以及穗肥期周叢生物誘導的氨揮發(fā)量(處理組與對照組之差)分別為17.64 kg?hm?2、4.29 kg?hm?2以 及0.11 kg?hm?2, 特丁凈的使用對基肥期氨揮發(fā)抑制效果最顯著(表2)。利用特丁凈將該時期氨揮發(fā)累計損失量降低了71.3% [17.76 kg(N)?hm?2]。

表2 抑氨技術對稻田氨揮發(fā)累積量及損失率的影響Table 2 Effects of ammonia inhibition technology on ammonia volatilization accumulation and ammonia volatilization loss rate in periphyton in paddy field

基于上述試驗結果, 提出以抑藻控氨-快速成膜-抑藻釋銨的“控-固-釋”技術(圖4)。該技術在基肥期推薦施加特丁凈, 抑制藻類與水稻的養(yǎng)分競爭, 降低田面水pH。在分蘗期與穗肥期, 周叢生物介導的氨揮發(fā)量均小于周叢生物導致的氮儲存增加量, 因此可在這兩個時期誘導周叢生物的生長, 通過強化周叢生物對氮的儲存, 抵消對氨揮發(fā)的影響。在花期再次施入特丁凈, 將分蘗期與穗肥期周叢生物固定的銨態(tài)氮釋放出來, 供水稻后期利用, 最終實現(xiàn)肥料高效利用與減少氨揮發(fā)排放的目的。

圖4 稻田周叢生物“控-固-釋”技術Fig.4 Periphyton “retrain-immobilization-release” technology in paddy field

2.4 露天蔬菜新型緩釋抑氨技術

太湖地區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一, 該地區(qū)蔬菜種植氮肥投入量大, 復種指數(shù)高, 氨揮發(fā)損失量可占到施氮量的24%。目前控氨減排技術主要是針對大田作物, 目前還沒有專門針對蔬菜的控氨減排技術。基于此, 課題組以太湖地區(qū)大面積種植的‘上海青’(Brassica chinensis)為供試蔬菜作物, 通過田間試驗, 研究了不同氮肥品種和肥料用量對‘上海青’產(chǎn)量及氨揮發(fā)的影響, 比較了氨揮發(fā)造成的環(huán)境損失。

試驗共設置8個處理, 其中: 200 kg(N)?hm?2條件下4個處理, 包括1)傳統(tǒng)尿素(N200)、2)硝基復合肥(N200A)、3)脲酶抑制劑(NBPT)尿素(N200B)、4)有機肥部分替代(尿素∶有機肥=7∶3)(N200C);160 kg(N)?hm?2條件下3個處理, 包括5)減施20%氮尿素(N160)、6)減施20%氮金正大牌緩控釋肥(N160A)、7)減施20%氮美農(nóng)牌緩控釋肥(N160B);1個不施肥處理為8)不施肥(CK)。通過對不同氮肥品種對露天蔬菜地氨揮發(fā)及其環(huán)境經(jīng)濟效益的監(jiān)測與評價, 得出同時協(xié)調(diào)環(huán)境效益與經(jīng)濟效益, 且相對增產(chǎn)效果較優(yōu)的肥料種類措施。在常規(guī)施氮條件下,硝基復合肥處理具有較高的農(nóng)學效益和較低的環(huán)境成本, N200A蔬菜產(chǎn)量平均為34.03 t?hm?2, 與N200相比, 增加25.13%, 同時N200A的環(huán)境損益最低, 為140.63元?hm?2。在減氮20%條件下, 緩控施肥具有較高的農(nóng)學效益和較低的環(huán)境成本, 與N160相比,N160A和N160B處理‘上海青’產(chǎn)量均有增產(chǎn)效果(15.04%～27.98%), 其中N160B的環(huán)境損失最低, 僅為108.34元t?hm?2, 與N200相比減少88.16%。

4個蔬菜種植季N200、N200A、N200B、N200C、N160、N160A、N160B和CK處理的氨揮發(fā)累積量變化范圍分別為1.80～44.86 kg?hm?2、0.47～5.72 kg?hm?2、0.09～8.84 kg?hm?2、1.55～5.49 kg?hm?2、2.42～32.34 kg?hm?2、2.09～13.16 kg?hm?2、1.55～5.49 kg?hm?2和0.18～3.87 kg?hm?2。4個種植季, 各施肥處理平均氨揮發(fā)系數(shù)分別為11.22% (N200)、0.84% (N200A)、2.28%(N200B)、5.12% (N200C)和8.63% (N160)、3.19%(N160A)、0.90% (N160B), 常規(guī)尿素(N200)氨排放系數(shù)最高, 硝基復合肥處理(N200A)和美農(nóng)緩控釋肥處理(N160B)氨排放系數(shù)最小。

硝基復合肥處理增產(chǎn)率最高, 氨揮發(fā)減排量最多, 是最有效的露天蔬菜地氨減排技術。這是因為‘上海青’是喜硝作物, 對硝基肥利用率高。同時, 由于施入的硝態(tài)氮不是氨揮發(fā)的底物, 因此氨揮發(fā)極少。但是, 由于安全因素, 市場上硝基肥較少, 我們進一步推薦了脲酶抑制劑和蔬菜專用緩控施肥措施,這兩種措施也能達到較好的減排效果和經(jīng)濟收益。由此, 我們提出如圖5所示露天蔬菜新型緩釋抑氨技術。

圖5 露天蔬菜新型緩釋抑氨技術Fig.5 Slow-release fertilizers in reducing ammonia emission for open-air vegetables

2.5 果樹大顆粒肥深施控氨技術

由于水果經(jīng)濟效益比較高, 近年來太湖地區(qū)稻改果的面積越來越大, 而集約化果園的氨揮發(fā)損失與減排技術尚少見報道。基于此, 課題選擇陽山水蜜桃特色果樹為研究對象, 研制專用大顆粒肥料。針對水蜜桃氮、鉀需求量較高的特點, 該肥料氮磷鉀比例為12∶11∶18, 采用活化腐殖酸、化學緩釋肥以及功能微生物菌劑通過制造車間制作成直徑5 cm、高3 cm的圓柱形水蜜桃專用生物有機無機超大顆粒肥料, 重量約為100 g?顆?1。根據(jù)緩釋肥的養(yǎng)分釋放特點, 以等基肥施氮量和總追肥施氮量的大顆粒肥料在果樹休眠期和開花期進行施肥。施入方式為圍繞樹冠滴水線(距離樹干40～60 cm)挖溝深施或鉆孔深施, 深度為10～20 cm。

試驗共設置5個處理: 1)對照不施化學氮肥(CK); 2)農(nóng)民常規(guī)化肥氮用量(T1); 3) ?30%化肥氮+深施(T2); 4)等T2施氮量的大顆粒肥料深施8 cm (T3); 5)等T2施氮量的大顆粒肥料深施13 cm(T4)。根據(jù)不同施肥措施的水蜜桃園氨揮發(fā)消減效果和經(jīng)濟效益, 對太湖果園大顆粒肥料深施控氨技術的可行性進行評估。

與常規(guī)施肥相比, 大顆粒肥料深施13 cm效果最好, 增加了20%～30%的果實產(chǎn)量、18%～25%的果實數(shù)量、果實構成中>250 g的果實數(shù)量, 提高了果實吸氮量, 消減了52.7%～63.7%的氨揮發(fā)總量, 同時降低了N2O排放及氮素徑流造成的氮素損失。在經(jīng)濟效益上, 大顆粒肥料的施用雖然增加了經(jīng)濟成本, 但削減了兩次追肥產(chǎn)生的人工成本, 增加了果實產(chǎn)量,增加45 000～60 000元?hm?2的凈收益。由此, 我們提出如圖6所示果樹大顆粒肥深施控氨技術: 在果樹休眠期和開花期圍繞樹冠滴水線(距離樹干40～60 cm)挖溝深施或鉆孔深施大顆粒專用肥, 深度為10～20 cm。

圖6 果樹大顆粒肥深施控氨技術Fig.6 Deep application of large-size granular fertilizer in reducing ammonia emission for fruit trees

3 結論與展望

通過本課題研究, 主要取得以下6個方面的主要進展:

1)長江中下游典型稻菜果氨排放特征: 在常規(guī)施肥下, 稻田氨排放系數(shù)和變異最大(平均為14.2%),露天蔬菜次之(平均為11.2%), 果樹最低(平均為4.76%)。

2)雙季稻氮肥減量技術: 脲酶抑制劑技術經(jīng)濟效果最優(yōu), 為2569元?hm?2。脲酶抑制劑或者菌肥替代和深施組合技術氨揮發(fā)減排效果最佳, 氨揮發(fā)減排分別可達81.7%和77.3%。

3)水稻肥料側根深施技術: 將所用肥料在距水稻根系5 cm、土深10 cm處作基肥一次穴施, 既能滿足作物肥料需求, 又最大程度減少氨揮發(fā)。

4)稻田周叢生物成膜抑氨技術: 在基肥施加后使用特丁凈抑制周叢生物中藻類生長減少分蘗期氨揮發(fā)的排放, 在分蘗肥及穗肥期通過人工載體促進周叢生物對氮的儲存攔截, 在開花期再施加特丁凈使周叢生物存儲的氮釋放出來, 供后期水稻利用, 最終實現(xiàn)肥料的高效利用與氨減排的目的。

5)露天蔬菜緩釋抑氨技術: 硝基復合肥具有氨揮發(fā)減排和增產(chǎn)雙重最佳效果, 脲酶抑制劑和蔬菜專用緩控施肥措施, 也能達到較好的減排效果和經(jīng)濟收益。

6)果樹大顆粒肥深施控氨技術: 果樹專用大顆粒肥料深施13 cm較常規(guī)減少52.7%～63.7%的氨揮發(fā)總量, 并實現(xiàn)增加45 000～60 000元?hm?2的凈收益。

基于本課題的研究結果和尚未完全解決的該領域科學問題和技術難題, 建議“十四五”期間繼續(xù)開展以下幾方面研究:

1)農(nóng)田氨排放具有很強的時空變異, 需要加強氨揮發(fā)損失的長期原位監(jiān)測, 明確典型作物類型、不同區(qū)域特征氨排放影響因素, 提出區(qū)域氨排放估算模型。

2)加強氨減排環(huán)境和經(jīng)濟效益核算, 應用生命周期評價方法, 開展全鏈條綜合減排技術研究。綜合考慮氨揮發(fā)和溫室氣體(CH4和N2O)協(xié)同減排等因素, 有針對性地提出綜合的氨揮發(fā)減排技術體系。

3)加大機具研制力度, 研發(fā)兼具操作簡易、成本低廉的氨揮發(fā)減排技術。綜合利用農(nóng)業(yè)有機廢棄物、新型緩控釋肥料、選育氮高效品種, 充分挖掘氨揮發(fā)減排潛力。