胡中澤， 衣政偉， 楊大柳， 王 安， 陳留根， 張岳芳， 王 顯

(1.江蘇省農業(yè)科學院泰州農業(yè)科學研究所，江蘇泰州225300；2.江蘇省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所/農業(yè)農村部長江下游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室，江蘇南京210014)

小麥是長江下游經濟發(fā)達區(qū)重要的糧食作物。氮肥的合理施用是保證小麥高產穩(wěn)產的關鍵，但是過多地施用氮肥不僅難以實現(xiàn)小麥增產，還會降低氮肥利用率，甚至會帶來一系列環(huán)境污染問題[1-3]。氨揮發(fā)是氮肥損失的主要途徑，對生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)至關重要，可能通過改變地球的輻射收支對全球氣候產生影響，另外，大氣中的NH3通過干濕沉降回到地面水體中，也會造成水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[4-5]。

農田氨揮發(fā)除受氣候條件、土壤特性影響外，還受到農藝措施(如氮肥運籌、秸稈還田等)的影響[5-9]。山楠等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的減少，小麥季土壤中氨的總揮發(fā)量從21.2 kg/hm2減少到4.4 kg/hm2，損失率從7.9%降低到4.4%。呂金嶺等[8]通過優(yōu)化施氮，將小麥季土壤中氨的揮發(fā)量從12.0 kg/hm2降低到6.8 kg/hm2，氮肥利用率從35.2%提高到48.3%。秸稈還田也可以減少土壤中氨的揮發(fā)量，俞巧鋼等[9]的研究結果表明，秸稈還田后的稻田土壤中氨的揮發(fā)量比單施化肥處理減少了29.9%～54.7%。

秸稈還田可以培肥地力，增加土壤碳匯，有利于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，花生秸稈還田能增加土壤中的氮素含量，降低后茬冬小麥施氮量，提高氮肥利用率[11]，花生秸稈還田使夏花生-冬小麥系統(tǒng)的年產量提高了5%～13%[12]，但是花生秸稈還田后對農田土壤中氨揮發(fā)的影響鮮見報道。本研究綜合分析氮肥減施與花生秸稈還田對麥田土壤中氨揮發(fā)、氮肥利用率及小麥產量的影響，以期在確保小麥高產的前提下，減少麥田土壤中氨的揮發(fā)量，同時提高氮肥利用率，為小麥合理施肥和資源高效利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年11月至2021年6月在江蘇省農業(yè)科學院泰州農業(yè)科學研究所本部基地(119°59′38″ E， 32°32′23″ N)進行。該地區(qū)海拔2 m，屬亞熱帶季風性氣候，年平均降水量1 051 mm，年均氣溫14.5 ℃，年日照時長2 235 h，無霜期219 d。試驗期間的天氣情況見圖1。試驗田土壤類型為沙壤土，土壤有機質含量為18.3 g/kg，全氮含量為1.1 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為80.2 mg/kg、10.7 mg/kg、150.9 mg/kg，pH 值為7.1。分別于2020年11月16日、2021年3月5日施肥。

a:11-10;b:12-10;c:01-09;d:02-08;e:03-10;f:04-09;g:05-09;h:06-08。圖1 試驗期間的氣溫及降水量Fig.1 Air temperature and precipitation during wheat season

1.2 試驗設計

采用雙因素裂區(qū)試驗，以花生秸稈還田為主區(qū)，設秸稈還田(3.0 t/hm2，碳氮比26.97)和不還田2種方式；以氮肥用量為裂區(qū)，設常規(guī)施氮(240 kg/hm2)、氮肥減量20%(192 kg/hm2)、氮肥減量40%(144 kg/hm2)和不施氮肥4個施氮水平。共組成8個處理：秸稈不還田+常規(guī)施氮(N100)、秸稈不還田+減氮20%(N80)、秸稈不還田+減氮40%(N60)、秸稈不還田+不施氮肥(N0)、秸稈還田+常規(guī)施氮(SN100)、秸稈還田+減氮20%(SN80)、秸稈還田+減氮40%(SN60)、秸稈還田+不施氮肥(SN0)。小區(qū)面積 12 m2，試驗重復3 次，共24個小區(qū)。供試冬小麥品種為弱筋寧麥13號，2020年11月15日進行人工條播，行距25 cm，基本苗數(shù)為每公頃3.00×106株，2021年6月2日收獲。氮肥按基肥∶拔節(jié)肥=6∶4施用，磷肥(P2O590 kg/hm2)一次性基施，鉀肥(K2O 90 kg/hm2)按基肥、拔節(jié)肥等量施用?；试诓シN當天施用，拔節(jié)肥在2021年3月5日施用。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 麥田土壤中氨揮發(fā)量的測定 本研究采用間歇密閉室抽氣法[13]收集麥田土壤中揮發(fā)的氨，裝置購自中國科學院南京土壤研究所。麥季播種后，將1個連接2根乳膠管的圓柱形有機玻璃空氣交換室(內徑25 cm、高度15 cm)嵌入表層土壤5～7 cm，其中1根乳膠管用于進氣，連接1根高度為2.5 m的中空聚氯乙烯(PVC)管，另1根乳膠管用于收集揮發(fā)到空氣交換室中的氨氣，與裝有2%硼酸吸收液的玻璃燒瓶相連。空氣流量由真空泵、節(jié)流閥共同控制，確保交換室內1 min 換氣10～15次。抽氣時段為08：00-10：00、14：00-16：00，取樣完成后將樣品帶回實驗室，用稀硫酸滴定并計算麥田土壤中氨揮發(fā)的日通量。

1.3.2 籽粒產量及氮素含量的測定 小麥成熟后，各小區(qū)收獲1 m2籽粒，換算為含水量為13%的籽粒產量。在各小區(qū)選取一行連續(xù)取樣15株，于105 ℃殺青1 h后，于75 ℃烘干至恒質量。用凱氏定氮法測定全氮含量。

1.3.3 氨揮發(fā)和氮肥利用率的計算 氨揮發(fā)損失率、氨揮發(fā)排放系數(shù)、氨揮發(fā)排放強度、氮素收獲指數(shù)和氮肥利用率的計算公式如下：

氨揮發(fā)損失率=氨揮發(fā)排放總量/化學氮肥施用量×100%

(1)

氨揮發(fā)排放系數(shù)=(施氮區(qū)的氨揮發(fā)量-不施氮區(qū)的氨揮發(fā)量)/施氮量×100%

(2)

氨揮發(fā)排放強度(kg/t)=單位面積的氨總揮發(fā)量/單位面積小麥產量

(3)

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量×100%

(4)

氮肥利用率=(施氮區(qū)植株氮素累積量-不施氮區(qū)植株氮素累積量)/施氮量×100%

(5)

1.4 數(shù)據分析

用Excel 2016和SPSS 18.0進行數(shù)據處理、作圖及統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥減施與秸稈還田對麥田土壤中氨揮發(fā)的影響

2.1.1 麥田土壤中氨揮發(fā)的動態(tài)變化 由圖2可以看出，除不施氮肥的N0、SN0處理外，其他處理的麥田土壤中氨揮發(fā)日通量的變化在施用基肥后較為相似，呈先上升后降低的趨勢，日通量峰值均在施用基肥后的第2 d出現(xiàn)。在N100、N80、N60、SN100、SN80、SN60處理下，麥田土壤施用基肥后的氨揮發(fā)日通量峰值依次為2.24 kg/(hm2·d)、1.82 kg/(hm2·d)、1.25 kg/(hm2·d)、2.18 kg/(hm2·d)、1.72 kg/(hm2·d)、1.12 kg/(hm2·d)，SN100、N100處理間的氨揮發(fā)日通量無明顯差異，但均明顯高于其他處理，減少施氮量會明顯降低氨揮發(fā)日通量的峰值，秸稈還田處理對氨揮發(fā)日通量峰值的影響不大。麥田土壤中氨揮發(fā)的日通量在達到峰值后逐漸減少，施用基肥后，麥田土壤中的氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后2 周內。施用基肥后不同處理的麥田土壤中氨平均揮發(fā)日通量差異較大，整體表現(xiàn)為N100>SN100>N80>SN80>N60>SN60>N0>SN0。

N0：秸稈不還田不施氮肥；N60：秸稈不還田減氮40%；N80：秸稈不還田減氮20%；N100：秸稈不還田常規(guī)施氮；SN0：秸稈還田不施氮肥；SN60：秸稈還田減氮40%；SN80：秸稈還田減氮20%；SN100：秸稈還田常規(guī)施氮。圖2 施用基肥后麥田土壤中氨揮發(fā)日通量的變化Fig.2 Changes of daily flux of ammonia volatilization in wheat field under different treatments after application of base fertilizer

由圖3可知，施用拔節(jié)肥后土壤中氨揮發(fā)日通量的變化趨勢與施用基肥后的變化趨勢基本一致：在施肥當天較低，施肥后第1 d迅速上升，在施肥后第2 d就達到峰值。在相同秸稈還田方式、不同氮肥用量處理間，土壤中氨揮發(fā)日通量差異明顯；在同一氮肥用量、不同秸稈還田方式處理間，土壤中氨揮發(fā)日通量差異不顯著。在N100、N80、N60、SN100、SN80、SN60處理下，施用拔節(jié)肥后的麥田土壤中氨揮發(fā)日通量峰值依次為2.23 kg/(hm2·d)、1.68 kg/(hm2·d)、1.13 kg/(hm2·d)、2.12 kg/(hm2·d)、1.57 kg/(hm2·d)、1.07 kg/(hm2·d)。在氨揮發(fā)日通量峰值過后，各處理土壤中的氨揮發(fā)日通量逐漸下降，施用拔節(jié)肥13 d后各處理間基本無差異。

N0：秸稈不還田不施氮肥；N60：秸稈不還田減氮40%；N80：秸稈不還田減氮20%；N100：秸稈不還田常規(guī)施氮；SN0：秸稈還田不施氮肥；SN60：秸稈還田減氮40%；SN80：秸稈還田減氮20%；SN100：秸稈還田常規(guī)施氮。圖3 施用拔節(jié)肥后麥田土壤中氨揮發(fā)日通量的變化Fig.3 Changes of daily flux of ammonia volatilization in wheat field under different treatments after application of jointing fertilizer

2.1.2 麥田土壤中氨的揮發(fā)量 由表1可知，各處理在基肥施用后的麥田土壤中氨的揮發(fā)量為6.32～14.98 kg/hm2，拔節(jié)肥施用后的麥田土壤中氨的揮發(fā)量為4.45～14.81kg/hm2，氮肥減施均能減少每次施肥后的麥田土壤中氨的揮發(fā)量，除SN100處理的拔節(jié)肥施用后麥田土壤中氨的揮發(fā)量略高于基肥施用后外，拔節(jié)肥施用后其他處理的麥田土壤中氨的揮發(fā)量都低于基肥施用后。麥田土壤中氨的總揮發(fā)量從大到小排序為N100處理(29.79 kg/hm2)、SN100處理(28.49 kg/hm2)、N80處理(22.76 kg/hm2)、SN80處理(21.63 kg/hm2)、N60處理(16.91 kg/hm2)、SN60處理(15.81 kg/hm2)、N0處理(10.87 kg/hm2)和SN0處理(10.77 kg/hm2)，可以看出，隨著施氮量的減少，麥田土壤中氨的總揮發(fā)量顯著降低。由表2的方差分析結果看出，氮肥對麥田土壤中氨的總揮發(fā)量有極顯著影響，秸稈、秸稈與氮肥的交互效應對麥田土壤中氨的總揮發(fā)量的影響不顯著。與常規(guī)施氮處理(240 kg/hm2)相比，在秸稈不還田、還田2種條件下，氮肥減量20%分別使麥田土壤中氨的揮發(fā)量減少了23.60%、24.08%，氮肥減量40%分別使麥田土壤中氨的揮發(fā)量減少了43.24%、44.51%。由此可見，減少氮肥施用量可以降低麥田土壤中氨的總揮發(fā)量，而秸稈還田對麥田土壤中氨揮發(fā)的影響不大。

表1 氮肥減施與秸稈還田分別對施用基肥和拔節(jié)肥后麥田土壤中氨揮發(fā)量的影響

表2 氮肥減施與秸稈還田對麥田土壤中氨揮發(fā)、產量和氮素利用率影響的方差分析結果

2.1.3 氨揮發(fā)損失率、揮發(fā)排放系數(shù)及揮發(fā)排放強度 氮肥、秸稈對麥田土壤中氨揮發(fā)損失率、揮發(fā)排放系數(shù)及排放強度有顯著或極顯著影響，氮肥與秸稈交互效應對麥田土壤中氨揮發(fā)損失率、揮發(fā)排放系數(shù)及揮發(fā)排放強度的影響不顯著(表2)，氮肥減施、秸稈還田均可降低麥田土壤中氨揮發(fā)損失率、揮發(fā)排放系數(shù)及揮發(fā)排放強度(表3)。施氮處理的麥田土壤中氨揮發(fā)損失率為10.98%～12.41%，常規(guī)施氮處理(240 kg/hm2)與氮肥減量20%處理間的差異未達顯著水平，秸稈還田處理比秸稈不還田處理平均降低麥田土壤中氨揮發(fā)損失率達0.63個百分點。施氮處理的麥田土壤中氨揮發(fā)排放系數(shù)為3.51%～7.89%，隨著施氮量的減少，氨揮發(fā)排放系數(shù)顯著降低，與常規(guī)施氮處理(240 kg/hm2)相比，氮肥減量20%處理可使麥田土壤中氨揮發(fā)排放系數(shù)平均降低1.72個百分點，氮肥減量40%處理可使麥田土壤中氨揮發(fā)排放系數(shù)平均降低3.79個百分點；與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理可使麥田土壤中氨揮發(fā)排放系數(shù)平均降低0.57個百分點。施氮處理的麥田土壤中氨揮發(fā)排放強度為2.48～3.96 kg/t，并且隨著施氮量的減少，麥田土壤中氨揮發(fā)排放強度顯著降低，與常規(guī)施氮處理(240 kg/hm2)相比，氮肥減量20%處理使麥田土壤中氨揮發(fā)排放強度平均降低0.64 kg/t(平均降幅16.84%)，氮肥減量40%處理使麥田土壤中氨揮發(fā)排放強度平均降低1.14 kg/t(平均降幅30.24%)；與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理使麥田土壤中氨揮發(fā)排放強度平均降低0.33 kg/t(平均降幅9.94%)。

表3 氮肥減施與秸稈還田對麥季麥田土壤中氨揮發(fā)排放系數(shù)及排放強度的影響

2.2 氮肥減施與秸稈還田對小麥產量及氮肥利用率的影響

由表4可以看出，不同處理下成熟期的小麥產量為3.49～7.95 t/hm2。在秸稈還田條件下，小麥產量較不還田條件下平均增加了7.66%；在秸稈還田、不還田條件下，隨著施氮量的減少，小麥產量均呈顯著減少的趨勢，SN100處理的小麥產量(7.95 t/hm2)最高，顯著高于N100處理(7.52 t/hm2)，N100處理與SN80處理(7.25 t/hm2)間的差異不大。不同處理對小麥成熟期植株氮素累積量的影響大致與產量相同，總體上隨著施氮量的減少，植株氮素累積量呈減少趨勢。在相同施氮量條件下，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理均顯著提高了成熟期植株氮素累積量，秸稈還田處理的小麥氮素累積量平均提高20.85%。方差分析結果表明，氮肥、秸稈及其交互效應對小麥產量和成熟期植株氮素累積量均有顯著或極顯著影響(表2)。由此可見，花生秸稈還田可以提高成熟期小麥植株氮素累積量和產量，較高的施氮量是獲得小麥高產的關鍵，在氮肥減量20%處理(N80處理)下小麥顯著減產，氮肥減量20%配合秸稈還田能獲得較高的小麥產量。

氮肥與秸稈處理對氮素收獲指數(shù)和氮肥利用率均有顯著或極顯著影響(表2)。由表4可以看出，隨著施氮量的減少，氮素收獲指數(shù)有提高的趨勢，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理平均使氮素收獲指數(shù)提高4.3個百分點。在不同處理下，氮肥的利用率為29.07%～48.96%，隨著施氮量的減少，氮肥利用率呈下降趨勢，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理可使氮肥利用率提高6.23～10.61個百分點。由此可見，高的施氮量可以獲得較高的氮肥利用率，但是減少了氮素在籽粒中分配量，而花生秸稈還田處理在提高氮肥利用率的同時也促進了氮素在籽粒中積累。

表4 氮肥減施與秸稈還田對成熟期小麥產量和氮肥利用率的影響

3 討論

3.1 氮肥減施與秸稈還田對麥田土壤中氨揮發(fā)的影響

本研究結果顯示，麥季麥田土壤中氨的總揮發(fā)量為10.77～29.79 kg/hm2，高于劉紅梅等[14]在天津西青的監(jiān)測結果(5.35～8.92 kg/hm2)、山楠等[7]在北京房山的監(jiān)測結果(3.01～21.20 kg/hm2)、鄧美華等[15]在江蘇常熟的監(jiān)測結果(0.80～19.86 kg/hm2)以及王秀斌等[16]在河北衡水的監(jiān)測結果(8.01～24.92 kg/hm2)，明顯低于鄭鳳霞等[17]在山東泰安得到的最高52.84 kg/hm2的監(jiān)測結果。氨揮發(fā)量不同的原因可能是土壤類型、施氮水平及類型等不同，另外，試驗期間田間氣象條件也是重要的影響因素，如鄭鳳霞等[17]測得，同一處理在不同年份麥季氨揮發(fā)量最大相差19.69 kg/hm2。本研究結果顯示，與花生秸稈不還田處理相比，花生秸稈還田處理的氨總揮發(fā)量減少了0.10～1.30 kg/hm2，同一施氮條件下，與秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理的氨揮發(fā)減排量有增加趨勢，但差異未達顯著水平，說明秸稈還田不是影響氨揮發(fā)的主要因素，這與呂宏菲等[18]的研究結果一致。本研究結果再次證明，氮肥施用量是影響氨揮發(fā)的重要因素[4-5]。與常規(guī)施氮處理(240 kg/hm2)相比，減少20%氮肥用量可以降低6.86～7.03 kg/hm2氨總揮發(fā)量，減少40%氮肥用量可以降低12.68～12.88 kg/hm2氨總揮發(fā)量。降低施氮量可有效減少麥田土壤中的氨揮發(fā)量，相應的氨揮發(fā)損失率、氨揮發(fā)排放系數(shù)和氨揮發(fā)排放強度亦呈降低趨勢，這與前人的結論[8,14-17]基本一致。在本研究中，除SN100處理的拔節(jié)肥施用后氨揮發(fā)量略高于基肥施用后外，其他處理的拔節(jié)肥施用后氨揮發(fā)量都低于基肥施用后，可能與前期施氮量多及前茬收獲后殘留在土壤中的氮素有關。從整個麥季來看，施肥處理主要是在施肥后2 周內監(jiān)測到有明顯的氨揮發(fā)現(xiàn)象，并且每次均在施肥后第2 d 出現(xiàn)氨揮發(fā)日通量峰值，這可能與本研究所用土壤的性質及試驗期間的降雨有關。本研究中的土壤類型為沙壤土，黏粒含量較低，吸附土壤中銨根離子的能力較弱，另外，施肥前后均有明顯降雨過程，土壤含水量相對較高，有利于尿素類氮肥吸水后快速水解成銨態(tài)氮，這2個因素的疊加可能提升施肥后的氨揮發(fā)強度。由此可見，降低每次施肥后的氨揮發(fā)量，對于小麥全生育期氨的揮發(fā)減排具有重要意義，從已有的研究結果來看，氮肥深施和施用緩釋肥均能有效減少小麥不同生育時期的氨揮發(fā)量[19-20]。

3.2 氮肥減施與秸稈還田對小麥產量和氮肥利用率的影響

增施氮肥能促進作物生長發(fā)育并獲得高產，但過量施肥會影響作物的高產穩(wěn)產[21-26]，并對環(huán)境帶來一系列負面影響，因此，農田化肥減量化施用技術已經成為當前的研究熱點[2-3]。本研究中，隨著施氮量的減少，小麥產量顯著降低，說明當前小麥生產中較高的施氮量是獲得高產的關鍵，這和之前的研究結論[27]一致。本研究中氮肥減量20%并配合秸稈還田能獲得與常規(guī)施氮量秸稈不還田相當?shù)男←湲a量，說明將化學氮肥直接減量的單一措施會導致產量明顯下降，必須配合其他措施方可保證小麥產量的穩(wěn)定。秸稈還田可為農田土壤提供氮、磷、鉀等養(yǎng)分，為作物高產穩(wěn)產創(chuàng)造條件，因此在大多數(shù)長期試驗中秸稈還田均有良好的增產表現(xiàn)[28]，但是在短期試驗中秸稈還田對產量的影響不確定，這可能是由于新鮮秸稈具有較高的碳氮比，其在腐解過程中對土壤和肥料氮起到短期固定作用[29]，以及腐解釋放的植物毒素(如有機酸和還原物質)影響到作物前期的生長[30]。在本研究中，還田的花生秸稈碳氮比較低(C/N為26.97)，且還田量不大(3.0 t/hm2),可能對前期小麥生長的負面作用較小，花生秸稈還田最終使小麥產量平均增加7.66%，這與Zhang等[12]在華北平原對花生-冬小麥輪作系統(tǒng)的研究結果一致。本試驗中，在施氮量為144～240 kg/hm2的條件下，不同處理的氮肥利用率為29.07%～48.96%，隨著施氮量的減少，氮肥利用率呈下降趨勢。劉紅江等[27]、張銘等[31]分別對210～300 kg/hm2、135～405 kg/hm2施氮量下小麥氮肥利用率的研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量的增加，氮肥利用率呈先增后減的趨勢，說明適量增施氮肥有利于提高小麥氮肥利用率。本研究結果還顯示，花生秸稈還田處理平均比秸稈不還田處理使氮肥利用率提高6.23～10.61個百分點，可能是花生秸稈還田明顯提高了小麥氮素累積能力以及提高了氮素在籽粒中的分配比例，也可能是小麥植株吸收利用了花生秸稈腐解后的氮素，提高了成熟期植株氮素累積量，進而提高了氮肥利用率，其機制有待進一步研究。