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        水肥耦合對(duì)稻田氨揮發(fā)及水稻產(chǎn)量的影響

        2022-11-16 02:14:26盧昕宇陳丹艷寧運(yùn)旺汪吉東馮淵圓邵孝候張永春
        關(guān)鍵詞:水氮穗肥施氮

        盧昕宇, 陳丹艷, 寧運(yùn)旺, 張 輝, 汪吉東, 馮淵圓, 邵孝候, 張永春

        (1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京211100;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇南京210014;3.金陵科技學(xué)院園藝園林學(xué)院,江蘇南京210038)

        氨氣是大氣中大量存在的堿性氣體,其揮發(fā)會(huì)造成大氣環(huán)境污染,并且可能通過干濕沉降進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng),進(jìn)而引發(fā)土壤酸化,造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[1-2]。農(nóng)田是農(nóng)業(yè)源氨排放的重要場(chǎng)所。中國(guó)大部分農(nóng)田,尤其是小規(guī)模稻田,施肥方式以撒施為主。大量撒施的氮肥較易損失[3-5],作物的氮素利用率僅為30%~40%[4],其余大部分氮素以氨氣的形式直接揮發(fā)[6-7]。有研究結(jié)果表明,以氨氣形式揮發(fā)的氮素約占稻田總反應(yīng)性氮素?fù)p失的10%~50%[8-9],且多發(fā)生在施肥后7 d左右[10]。此外,撒施很容易引起氮肥施用過量,當(dāng)前氮肥過度施用量為10%~30%[11]。氨減排是當(dāng)前中國(guó)控制氮素污染的主要手段之一,通過進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)管理減少農(nóng)業(yè)源活性氮的排放已越來越迫切。

        水分、施肥管理是減少稻田氨揮發(fā)的重要農(nóng)業(yè)管理措施。早在2015年,《農(nóng)業(yè)部關(guān)于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見》中明確指出“一控兩減”——控制農(nóng)業(yè)用水量、減少化肥和農(nóng)藥的使用量,同時(shí)制定的“到2020年化肥‘零增長(zhǎng)’計(jì)劃”[12]等,均表明探究節(jié)水灌溉和減量施肥對(duì)稻田氨揮發(fā)以及水稻產(chǎn)量的影響具有實(shí)際意義。目前關(guān)于水分或施肥管理影響土壤氨揮發(fā)的研究較為廣泛。例如,部分學(xué)者認(rèn)為氨揮發(fā)對(duì)土壤水分的敏感性較高,增加土壤含水量可降低氨揮發(fā)[13]。同時(shí),也有研究結(jié)果表明水稻田面不積水可以有效減少氨揮發(fā)[14]。此外,已有研究通過模型證明,氨揮發(fā)主要受氮肥投入總量的控制[15]。通過改進(jìn)施肥方案,全球農(nóng)田氨氣排放量可減少將近3/4[16]。呂金嶺等[17]研究發(fā)現(xiàn),通過適度減少施氮量既可以減少土壤中的氮素殘留,又能有效降低由氨揮發(fā)造成的氣態(tài)損失。然而,目前與氨揮發(fā)相關(guān)的研究主要針對(duì)單一的水分因素或者單一的施肥因素,關(guān)于水肥耦合對(duì)稻田土壤氨揮發(fā)影響的研究較少,并且符合氨減排戰(zhàn)略需求的合理節(jié)水減氮肥模式還未有報(bào)道。因此,本研究擬將常規(guī)灌溉(干濕交替)、節(jié)水灌溉(全生育期無明水)的水分管理方式,分別與常規(guī)施氮肥、減施20%氮肥的施肥處理相結(jié)合,并進(jìn)行水稻全生育期的觀測(cè),探究不同水氮耦合對(duì)稻田氨揮發(fā)及水稻產(chǎn)量的影響,以期為穩(wěn)產(chǎn)條件下減少水稻栽培中的氮素?fù)p失提供合適的水氮耦合模式。

        1 材料與方法

        1.1 土柱試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        盆栽土柱試驗(yàn)于2020年7-11月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院本部溫室(118°52′E,32°2′N)進(jìn)行。試驗(yàn)盆體由PVC管制成,深度為0.5 m,直徑為0.3 m。每個(gè)土柱內(nèi)裝有35 kg經(jīng)過網(wǎng)篩篩選后的稻田土壤,其中20 kg土壤作為底土在土柱內(nèi)壓實(shí),另外15 kg土壤與相應(yīng)處理的肥料混勻填入土柱作為表土,之后灌水至試驗(yàn)設(shè)置的田間持水量。供試土壤取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院本部稻菜輪作田塊,取土前該田塊已空置兩年,取土深度0~60 cm(118°52′E,32°1′N)。土壤基本性質(zhì)如下:pH值為7.52(土∶水=1.0∶2.5,質(zhì)量比),全氮含量為0.96 mg/kg,有機(jī)質(zhì)含量為14.58 g/kg,速效鉀含量為92.00 mg/kg,有效磷含量為20.02 mg/kg,堿解氮含量為48.22 mg/kg。栽植的水稻品種為南粳46號(hào),水稻幼苗于2020年7月4日進(jìn)行移栽并于2020年11月21日收獲。

        1.2 試驗(yàn)處理

        試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理:(1)干濕交替灌溉+常規(guī)施氮(W1N1);(2)干濕交替灌溉+減施20%氮肥(W1N2);(3)全生育期濕潤(rùn)無明水灌溉+常規(guī)施氮(W2N1);(4)全生育期濕潤(rùn)無明水灌溉+減施20%氮肥(W2N2)。每個(gè)處理重復(fù)3次。具體的水肥管理措施見表1。

        表1 水肥管理策略

        干濕交替灌溉(W1)為移植到返青保持3.0~3.5 cm田面水,分蘗期保持2.0~3.0 cm田面水,當(dāng)分蘗數(shù)達(dá)到計(jì)劃分蘗數(shù)的80%時(shí)進(jìn)行曬田。穗肥施用后的7 d內(nèi)以及揚(yáng)花期,均保持3.0 cm田面水;揚(yáng)花后田面水自然落干至土壤表層濕潤(rùn)狀態(tài)且維持2~3 d后再進(jìn)行灌水,如此反復(fù)直至水稻黃熟期,收獲前10 d斷水。節(jié)水灌溉(W2)為全生育期稻田土壤表層保持濕潤(rùn)無明水狀態(tài),收獲前10 d斷水。水稻基肥、蘗肥和穗肥分別在2020年7月4日、2020年7月15日和2020年8月20日以4∶3∶3的比例進(jìn)行施用。氮肥處理分為2類,其中N1為常規(guī)施氮處理,即基肥施用239.920 0 kg/hm2(1盆1.695 0 g)中顆粒尿素(46%N)、173.040 0 kg/hm2(1盆1.222 5 g)磷酸氫二胺(18% N,46% P2O5)、132.700 0 kg/hm2(1盆0.937 5 g)氯化鉀(60% K2O),蘗肥和穗肥分別施用230.790 0 kg/hm2(1盆1.630 5 g)中顆粒尿素(46% N);N2處理為減施20%氮肥處理,基肥施用178.560 0 kg/hm2(1盆1.261 5 g)中顆粒尿素(46% N)、173.040 0 kg/hm2(1盆1.222 5 g)磷酸氫二胺(18% N,46% P2O5)和132.700 0 kg/hm2(1盆0.937 5 g)氯化鉀(60% K2O),蘗肥和穗肥則分別施用184.500 0 kg/hm2(1盆1.303 5 g)中顆粒尿素(46% N)。

        1.3 樣品采集與測(cè)定

        1.3.1 氨揮發(fā)量 采用密閉室間歇抽氣-硼酸吸收法測(cè)定氨揮發(fā)[18],密閉室為半徑5 cm的有機(jī)玻璃圓筒,頂部留有進(jìn)氣孔和采氣孔,進(jìn)氣孔與2 m通氣管連通,采氣孔與真空泵相連。每次施肥后7 d內(nèi)連續(xù)測(cè)定,采集時(shí)間為上午08∶00-10∶00、下午13∶00-15∶00。使用0.02 mol/L 1/2H2SO4對(duì)洗瓶?jī)?nèi)定量裝入的80 ml硼酸吸收液進(jìn)行滴定確定 NH3吸收量。NH3的累積揮發(fā)量為觀測(cè)期間日揮發(fā)量之和[19]。氨揮發(fā)通量計(jì)算公式為:

        式中:F為氨揮發(fā)通量[kg/(hm2·d)];V為滴定所用硫酸的體積(ml);10-3為體積轉(zhuǎn)換系數(shù);C為滴定用硫酸的標(biāo)定濃度(mol/L);0.014為氮原子的相對(duì)原子質(zhì)量(kg/mol);104為面積轉(zhuǎn)換系數(shù);r為氣室的半徑(m);6為24 h與日氨揮發(fā)收集時(shí)間4 h的比值。

        1.3.3 水稻產(chǎn)量 水稻成熟后,考察每個(gè)處理水稻總粒數(shù)、千粒質(zhì)量,計(jì)算水稻產(chǎn)量。

        其中,Y為單個(gè)處理水稻產(chǎn)量(t/hm2);TG為單個(gè)處理稻谷總粒數(shù)(粒);TSW為風(fēng)干稻谷千粒質(zhì)量(g);r為土柱半徑(m),統(tǒng)一規(guī)格0.15 m;667和15為面積轉(zhuǎn)換系數(shù),1 000為質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

        1.3.4 籽粒含氮量 籽粒含氮量采用H2SO4-H2O2消煮蒸餾法測(cè)定[20]。消煮所得液體定容后用凱氏定氮儀進(jìn)行蒸餾定氮,使用0.01 mol/L (1/2H2SO4)標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,計(jì)算含氮量。

        1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

        所有數(shù)據(jù)采用 Excel 2010整理,SPSS 20.0進(jìn)行Pearson分析和Duncan’s多重比較,并對(duì)水分、氮肥進(jìn)行單因素和雙因素方差分析,顯著性水平為P<0.05。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,同時(shí),使用Amos 24.0軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同水氮耦合處理對(duì)稻田氨揮發(fā)通量變化的影響

        圖1顯示,各處理不同時(shí)期施肥后首日的稻田氨揮發(fā)通量均為穗肥施用后最大,基肥施用后最小。在基肥施用后,W1N1處理的氨揮發(fā)通量在施肥后的第3 d達(dá)到峰值,為2.71 [kg/(hm2·d)],然后波動(dòng)變化,其余各處理均在施肥后的第2 d達(dá)到峰值。分蘗肥施用后W2N1、W2N2處理的氨揮發(fā)通量在施肥后第2~3 d達(dá)到峰值,此后逐漸下降。W1N1、W1N2處理的氨揮發(fā)通量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。穗肥施用后,4個(gè)處理的氨揮發(fā)通量在施肥后的第1 d為最高值,4個(gè)峰值的大小表現(xiàn)為W2N1[20.81 kg/(hm2·d)]>W1N2[10.97 kg/(hm2·d)]>W2N2[8.83 kg/(hm2·d)]>W1N1[4.55 kg/(hm2·d)],在穗肥施用后第2 d所有處理的氨揮發(fā)通量迅速下降,之后波動(dòng)變化。W1N1、W2N1、W2N2的氨揮發(fā)通量在穗肥施用后第7 d趨近于0。

        a:基肥;b:分蘗肥;c:穗肥。W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。

        2.2 不同水氮耦合處理對(duì)稻田氨揮發(fā)累積量的影響

        表2顯示,W1N1、W1N2處理下,均以施用分蘗肥后氨揮發(fā)累積量最大,W2N1、W2N2處理則以施用穗肥后氨揮發(fā)累積量最多,所有處理氨揮發(fā)累積量均在施用基肥后最少。在施用基肥后,W1N1處理氨揮發(fā)累積量最高,為8.60 kg/hm2,顯著高于其他處理(P<0.05),W2N2處理氨揮發(fā)累積量最少,僅為2.53 kg/hm2,但與W1N2、W2N1處理間差異不顯著(P>0.05)。在施用分蘗肥后,W1N1處理下氨揮發(fā)累積量仍最高(43.18 kg/hm2),顯著高于其他處理(P<0.05)。W2N1、W2N2處理在施用分蘗肥后氨揮發(fā)累積量分別為10.01 kg/hm2和12.56 kg/hm2,顯著低于其他處理(P<0.05)。在施用穗肥后則是W2N1處理氨揮發(fā)累積量最多,為30.12 kg/hm2,分別為W1N1、W1N2、W2N2處理的2.11倍、1.42倍和1.56倍。對(duì)于3次施肥后氨揮發(fā)總量來說,W1N1處理氨揮發(fā)總累積量最多,為66.07 kg/hm2。相比于W1N1處理,W1N2、W2N1、W2N2處理的氨揮發(fā)總累積量分別顯著降低27.80%、34.24%和47.90%(P<0.05)。

        表2 不同水氮耦合處理下氨揮發(fā)累積量(kg/hm2)

        此外,通過方差分析發(fā)現(xiàn),灌溉處理(W)對(duì)各次施肥后及總的氨揮發(fā)累積量影響極為顯著(P<0.01)。氮肥管理(N)顯著影響基肥施用后、分蘗肥施用后以及3次施肥后總氨揮發(fā)累積量(P<0.05)。水氮耦合處理(W×N)對(duì)各次施肥后氨揮發(fā)累積量及總氨揮發(fā)累積量呈現(xiàn)極顯著的交互影響(P<0.01)。

        2.3 不同水氮耦合處理對(duì)單位產(chǎn)量稻田氨揮發(fā)的影響

        圖2顯示,W1N1處理的單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量最高,為2.58 kg/t,W2N1處理次之,W1N2處理最低。同一灌溉處理下,N1處理的單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量均高于N2處理,其中W1N1處理顯著高于W1N2處理(P<0.05),W2N1處理與W2N2處理間則差異不顯著(P>0.05)。N1處理下,W2處理的單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量顯著低于W1處理(P<0.05);N2處理下,W2N2處理的單位產(chǎn)量氨揮發(fā)量高于W1N2處理,但差異不顯著(P>0.05)。

        W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

        2.4 不同水氮耦合處理下土壤銨態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

        W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

        2.5 不同水氮耦合處理對(duì)水稻產(chǎn)量和籽粒含氮量的影響

        結(jié)果(圖4)表明,各處理間的水稻產(chǎn)量大小關(guān)系為W1N1(25.56 t/hm2)>W1N2(25.47 t/hm2)>W2N1(20.25 t/hm2)>W2N2(18.35 t/hm2)。W1N1處理的籽粒含氮量最高,為7.98 g/kg,W1N2處理(7.50 g/kg)次之,均顯著高于W2N1處理(4.71 g/kg)和W2N2處理(4.31 g/kg)(P<0.05)。相同灌溉處理下,N1處理的水稻產(chǎn)量和籽粒含氮量均高于N2處理,但兩者間差異不顯著(P>0.05);相同施肥處理下,W1處理的水稻產(chǎn)量和籽粒含氮量則顯著高于W2處理(P<0.05)。

        W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

        2.6 不同水氮耦合處理對(duì)水稻生長(zhǎng)性狀的影響

        表3顯示,W1N1處理的水稻每盆總粒數(shù)最多,W2N2處理最少。相同水分處理下,N1處理水稻每盆總粒數(shù)均高于N2處理,但處理間差異不顯著(P>0.05);相同施氮處理下,W1處理水稻每盆總粒數(shù)均顯著高于W2處理(P<0.05)。各處理間的千粒質(zhì)量大小關(guān)系為W1N2(33.13 g)>W1N1(32.22 g)>W2N1(30.95 g)>W2N2(30.88 g),W1處理的千粒質(zhì)量顯著高于W2處理。W1N2處理的株高顯著高于W2N1處理和W2N2處理(P<0.05),與W1N1處理差異不顯著(P>0.05)。

        表3 不同水氮耦合處理下水稻生長(zhǎng)性狀

        2.7 施氮量、灌水量與稻田氨揮發(fā)及水稻產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)分析

        為了研究水氮耦合處理對(duì)稻田氨揮發(fā)和水稻產(chǎn)量的影響,采用結(jié)構(gòu)方程模型來分析灌水量以及施氮量與氨揮發(fā)量等多個(gè)響應(yīng)因子之間的因果關(guān)系。圖5顯示,結(jié)構(gòu)方程擬合效果良好[假設(shè)檢驗(yàn)p值大于0.05,擬合度指數(shù)(GFI)=1.00]。結(jié)果表明,灌水量與土壤銨態(tài)氮含量、氨揮發(fā)量、水稻產(chǎn)量均呈正相關(guān),但相關(guān)性并不顯著(P>0.05);施氮量與土壤銨態(tài)氮含量呈正相關(guān),與水稻產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān),與氨揮發(fā)量則呈極顯著正相關(guān)(r=0.46,P<0.001)。此外,土壤銨態(tài)氮含量與氨揮發(fā)量呈極顯著正相關(guān)(r=0.70,P<0.001),與水稻產(chǎn)量則呈正相關(guān)。氨揮發(fā)量與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)(r=0.84,P<0.05)。

        ***和*分別表示影響極顯著(P<0.001)、顯著(P<0.05)。

        3 討論

        3.1 水氮耦合對(duì)稻田氨揮發(fā)的影響

        3.2 水氮耦合對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

        水氮耦合對(duì)水稻生長(zhǎng)起到至關(guān)重要的作用,其中株高和分蘗是影響水稻株型和產(chǎn)量的核心要素。吳宗釗等[27]的研究結(jié)果表明,氮肥水平對(duì)水稻株高的影響較大,株高隨著施氮量的增大而增大。本研究結(jié)果表明,相同的干濕交替灌溉條件下,減施20%氮肥處理的株高更高,但兩者間差異不顯著。全生育期濕潤(rùn)無明水灌溉的2個(gè)處理中,則是常規(guī)施氮處理的株高高于減氮處理,兩者差異也不顯著。相同的施氮水平下,干濕交替灌溉處理的株高均高于全生育期無明水灌溉處理,其中常規(guī)施氮的2個(gè)處理間差異不顯著,而減氮的2個(gè)處理間差異顯著。朱文新等[28]認(rèn)為,隨著灌水量的減少,水稻株高會(huì)顯著降低,水分脅迫對(duì)水稻株高影響明顯,但是各氮素處理之間差異不顯著。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果不完全一致,且差別主要出現(xiàn)在處理間的差異是否顯著方面,其原因可能是水氮互作機(jī)制不完全相同。劉路廣等[29]的研究結(jié)果表明,不同水肥處理下分蘗數(shù)差異主要由灌水差異引起,節(jié)水灌溉會(huì)降低水稻分蘗,施氮量減少也會(huì)在一定程度上影響水稻分蘗。而本研究結(jié)果表明,單一的節(jié)水(W2N1)處理下水稻分蘗有所增加,有效穗數(shù)隨之升高,但是每穗粒數(shù)顯著降低,從而導(dǎo)致減產(chǎn)。節(jié)水減氮互作(W2N2)處理下水稻減產(chǎn)則是由于有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)同時(shí)減少導(dǎo)致的。說明水稻的分蘗數(shù)及有效穗數(shù)對(duì)不同水分處理的響應(yīng)比較明顯。楊丞等[30]發(fā)現(xiàn),在相同灌溉條件下,施氮量減少會(huì)致使水稻分蘗數(shù)降低,有效穗數(shù)隨之降低,進(jìn)而影響產(chǎn)量。本研究也得出與前人一致的結(jié)論。

        灌水量和施氮量是影響地上部干物質(zhì)積累以及有效穗數(shù)增加和結(jié)實(shí)期養(yǎng)分向籽粒轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因子[31-33]。徐一蘭等[34]研究發(fā)現(xiàn),干濕交替灌溉可以在一定程度改善稻田土壤生態(tài)環(huán)境并提高水稻產(chǎn)量。楊曉龍等[35]的研究結(jié)果表明,在水稻孕穗期若土壤缺水造成干旱脅迫,會(huì)抑制水稻穎花的發(fā)育、阻礙細(xì)胞的減數(shù)分裂,從而降低穗粒數(shù)和每穗實(shí)粒數(shù),使結(jié)實(shí)率降低從而造成水稻減產(chǎn)。本研究結(jié)果表明,節(jié)水灌溉處理水稻產(chǎn)量以及籽粒含氮量均顯著低于常規(guī)灌溉處理,說明在水稻孕穗過程中植株需水量大且氣溫高水分蒸發(fā)快,該種節(jié)水灌溉方式可能對(duì)水稻生長(zhǎng)造成了一定的干旱脅迫,從而引發(fā)水稻減產(chǎn)。施用穗肥后,節(jié)水灌溉處理下氮素一方面以氣態(tài)形式在施肥后第1 d大量損失,降低水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收。結(jié)合每次施肥后氨揮發(fā)通量以及土壤銨態(tài)氮含量變化規(guī)律可知,在本研究中氮素的氣態(tài)損失可能是造成節(jié)水灌溉處理下水稻產(chǎn)量及籽粒含氮量顯著降低的主要因素。此外,我們發(fā)現(xiàn)在本試驗(yàn)條件下減氮處理對(duì)于水稻產(chǎn)量無顯著影響,相較于N1處理,N2處理施氮量減少,但是水稻產(chǎn)量并無顯著下降,說明減氮與穩(wěn)產(chǎn)并不沖突,因此,水分管理可能是影響水稻產(chǎn)量和籽粒含氮量的主導(dǎo)因素。

        4 結(jié)論

        與干濕交替灌溉相比,全生育期無明水濕潤(rùn)灌溉在基肥施用后和分蘗肥施用后可分別降低8.00%~61.40%和47.03%~76.82%的稻田氨揮發(fā)累積量,且可降低27.84%~34.24%的總氨揮發(fā)累積量。在節(jié)水灌溉條件下,減氮處理相對(duì)于常規(guī)施氮處理減少了20.78%的總氨揮發(fā)累積量。與干濕交替灌溉+常規(guī)施氮處理相比,節(jié)水灌溉+常規(guī)施氮處理和節(jié)水灌溉+減施20%氮肥處理分別使水稻產(chǎn)量減少20.77%和28.21%,并且使籽粒含氮量降低40.98%和45.99%。

        從有效減少稻田氨揮發(fā)損失及保證水稻穩(wěn)產(chǎn)等方面綜合考慮,干濕交替耦合減氮處理(W1N2)是本研究中較為高效的一種稻田水肥管理方式,但是這一減排穩(wěn)產(chǎn)效果的持續(xù)性有待在未來的研究中進(jìn)一步探索。

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