优化施肥对不同轮作系统稻田氨挥发的影响

盛伟红，刘文波，赵晨光，郭俊杰，孙 博，陈 健，周 毅，郭世伟

(1 南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京 210095；2 如皋市农业科学研究所，江苏 南通 226575; 3安徽科技学院 资源与环境科学学院，安徽 凤阳233100)

据估计，目前我国农田的氮肥损失率为40%～50%[1]，而氮肥的不合理施用是造成氮肥损失率居高不下的主要原因之一，这既带来了经济损失，也会污染大气、水体等环境。因此，降低氮素损失，成为农田、区域和国家尺度控制氮肥用量、提高氮肥有效率和降低环境污染的关键[2]。

水旱轮作系统是我国典型的水稻种植制度，包括水稻-小麦、水稻-冬闲田、水稻-蔬菜等多种轮作方式，主要分布在长江和淮海流域10多个省(市)，种植面积约470万hm2[3]。研究表明，我国稻田氮肥损失率可高达50%以上[4],其中氨(NH3)挥发是肥料氮的主要损失途径之一[5-6]。已经证实，在长江中下游双季稻连作体系中，肥料氮的氨挥发损失可达30%以上[7]。国内外对单、双季稻作区和旱作作物氨挥发研究报道已有很多，然而在水旱轮作系统下，采用优化施氮的方式降低水田氨挥发的相关研究却鲜有报道。本研究通过定量监测3种水旱轮作系统下稻田NH3挥发的动态变化趋势，探究在不同轮作系统下，稻田NH3挥发的影响因素及其与水稻产量的关系，以期了解不同水旱轮作系统下稻田NH3挥发损失的规律，从而为通过养分资源管理途径，减少我国不同水旱轮作制度下稻田生态系统的NH3挥发，实现高产高效水稻生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验点位于江苏省如皋市农业科学研究所试验田(120°49′E，32°37′N)，供试土壤为江淮冲积物形成的薄层高砂土。土壤基本理化性质如下：土壤有机质含量21.30 g/kg，全氮含量 1.22 g/kg，有效磷含量27.9 mg/kg，速效钾含量78.33 mg/kg，pH 7.46。2015年旱作作物收获后土壤基本理化性质为：土壤有机质含量20.27 g/kg，全氮含量 1.17 g/kg，有效磷含量30.47 mg/kg，速效钾含量75.94 mg/kg，pH 7.49；2016年旱作作物收获后基本理化性质为：土壤有机质含量20.19 g/kg，全氮含量1.19 g/kg，有效磷含量30.18 mg/kg，速效钾含量74.17 mg/kg，pH 7.56。田间试验始于2015年6月，于2015年和2016年6月水稻移栽后开始进行NH3挥发的测定，测定期间气温与降雨量情况如图1所示。

供试水稻、小麦和蔬菜品种分别为镇稻11号、扬麦10号和上海青，系当地常规种植品种。

图1 2015─2016年水稻季NH3挥发测定时期气温与降雨量的动态变化Fig.1 Variations of temperature and rainfall during the rice season from 2015 to 2016

1.2 试验设计

采用完全随机区组试验设计。设置水稻-小麦轮作(RW)、水稻-蔬菜轮作(RV)与水稻-冬闲田轮作(RF)3种轮作系统，每种轮作系统下设2种施肥处理，即农民习惯施肥(FFP)和优化施肥(OPT)处理。同时设置不施肥处理(CK)以计算氮肥利用率，共计9个处理。每处理设置3个重复，各小区面积为40 cm2(5 m×8 m)。

2015年和2016年水稻的移栽时间分别为6月25日和6月24日。种植密度为30.77×104穴/hm2，每穴定植2株，株行距为25 cm×13 cm。不同轮作系统下肥料施用量见表1。其中，在农民习惯施肥处理中，氮肥(300 kg/hm2)作为基肥与分蘖肥按5∶5质量比施入，分蘖肥分别为水稻移栽后第8天(2015年)和第10天(2016年)施入；磷肥(120 kg/hm2)与钾肥(75 kg/hm2)均作为基肥，于水稻移栽前一次性施入。在优化施肥处理中，氮肥(180 kg/hm2)作为基肥、分蘖肥、穗肥(水稻移栽后41 d)按5∶3∶2质量比施入；磷肥(60 kg/hm2)全部基施；钾肥(75 kg/hm2)作为基肥、穗肥按6∶4质量比施入。试验所用氮肥、磷肥和钾肥分别为尿素(N,46%)、过磷酸钙(P2O5，14%)和氯化钾(K2O，64%)。其他田间管理措施同当地习惯。

表1 不同轮作系统下肥料的施用量 Table 1 Fertilizer application rates of different rotation systems kg/hm2

注：RW-FFP、RW-OPT、RV-FFP、RV-OPT、RF-FFP和RF-OPT 分别表示水稻-小麦轮作农民习惯施肥方式、水稻-小麦轮作优化施肥方式、水稻-蔬菜轮作农民习惯施肥方式、水稻-蔬菜轮作优化施肥方式、水稻-冬闲田轮作农民习惯施肥方式和水稻-冬闲田轮作优化施肥方式。下表同。

Note:RW-FFP,RW-OPT,RV-FFP,RV-OPT,RF-FFP and RF-OPT represent the rice-wheat rotation system (farmer’s fertilizer practices),the rice-wheat rotation system (optimal fertilization),the rice-vegetable rotation system (farmer’s fertilizer practices),the rice-vegetable rotation system (optimal fertilization),the rice-fallow rotation system (farmer’s fertilizer practices) and the rice-fallow rotation system (optimal fertilization).The same follow.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 NH3挥发通量 采用传统抽气密闭室法测定NH3挥发通量，田间装置图见文献[8]。其原理是利用抽气减压的方法将田间挥发的NH3吸入装有2%硼酸的固定装置中，再通过0.01 mol/L稀硫酸滴定吸收NH3的硼酸，以滴定消耗的体积来计算NH3挥发通量。在施肥后第1天开始测定，测定时待吸收装置中看不到明显变色时停止。固定于每天上午08：00─10:00开始测定，共测定3次，每次测试时间为55 min，间隔5 min再开始下一次。通常情况下NH3挥发通量在06:00─08:00水平较低，在14:00─16:00水平较高，因此以08：00─10:00测定的通量值作为NH3挥发通量，各处理间换气频率保持一致，为每分钟15～20次，NH3挥发通量计算公式如下[9]：

式中：F代表NH3挥发通量(kg/(hm2·d))，Cs为硫酸浓度(mol/L)，Vs为消耗硫酸溶液的体积(mL)，r为气室的半径(m)，t为NH3挥发收集的时间(h)。2015年由于水稻移栽后出现持续暴雨天气，无法测定水稻移栽后的NH3挥发通量，造成数据缺失。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和SAS 9.1对试验数据进行统计分析；采用SPSS 17.0对试验数据进行偏相关分析。

氮农学利用率(Nitrogen agronomic efficiency,AEN,kg/kg)=(施氮区产量-不施肥地区产量)/施氮量。

氮回收效率(Nitrogen recovery efficiency,REN)=(施氮区氮积累量-不施肥地区氮积累量)/施氮量×100%。

氮偏生产力(Nitrogen partial factor productivity,PFPN,kg/kg)=施氮区产量/施氮量。

增产率(Yield increase rate)=(施氮区产量-不施肥地区产量)/不施肥地区产量×100%。

2 结果与分析

2.1 不同轮作系统下施肥对稻田NH3挥发通量及积累量的影响

2.1.1 NH3挥发通量的动态变化 2015─2016年不同处理下水稻生长期间氨挥发通量的动态变化见图2。

RW-FFP、RW-OPT、RV-FFP、RV-OPT、RF-FFP和RF-OPT 分别表示水稻-小麦轮作农民习惯施肥方式、水稻-小麦轮作优化施肥方式、水稻-蔬菜轮作农民习惯施肥方式、水稻-蔬菜轮作优化施肥方式、水稻-冬闲田轮作农民习惯施肥方式和水稻-冬闲田轮作优化施肥方式。下图同

由图2可以看出，2016年稻田施入基肥后，各处理NH3挥发通量明显增加，并于施肥后第2天达到最大值，随后逐渐下降，至第10天趋近于零；各处理NH3挥发通量的变化规律相似；在3种轮作系统下，均表现出农民习惯施肥处理NH3的挥发通量峰值(13.3～13.8 kg/(hm2·d))明显高于优化施肥处理(8.3～9.1 kg/(hm2·d))。稻田施入分蘖肥后，两个年度NH3挥发通量的动态变化趋势与2016年施入基肥后的变化趋势基本一致。稻田施入穗肥后，由于施肥量较少且在此生育时期水稻对氮素吸收利用加快等原因，优化施肥处理没有按施肥量(相当于基肥的40%，分蘖肥的67%)等比例出现NH3挥发通量的峰值，且与农民习惯处理也无明显差异,而2015年NH3挥发通量出现了较低的峰值可能与当时的气温相对较高，促进了NH3挥发有关。

2.1.2 NH3挥发积累量 鉴于2015年施用基肥后缺失NH3挥发通量数据，故只对2016年NH3挥发积累量进行分析，结果见表2。表2显示，在3种水旱轮作方式下，优化施肥处理显著降低了NH3挥发积累量及其占氮肥施用量百分比，平均降幅分别为49.1%和4.0%。对2016年水稻NH3挥发积累量与其占氮肥施用量百分比的影响进行双因素方差分析，发现NH3挥发积累量与其占氮肥施用量百分比受施肥方式影响显著(P<0.05)，轮作制度(P=0.575，P=0.742)及其与施肥方式交互作用(P=0.430，P=0.542)的影响不显著。

表2 2016年不同处理下水稻生长期间NH3挥发积累量与百分比Table 2 Cumulative amounts and ratios of ammonia volatilization during the rice season under different treatments in 2016

注：同列数据后标不同小写字母表示同一制度不同处理间P<0.05水平差异显著。表4同。

Note:Different small letters in each period mean significant difference atP<0.05 level among different N treatments.The same in table 4.

2.2 NH3挥发环境影响因素及相关性分析

图3显示，在水稻生长季，田面水层pH为7.4～9.1，尿素的施入导致各处理pH值总体呈现出先升高后下降的现象。而施入分蘖肥后，水田pH值明显的升高则是由于当日喷施了碱性农药所致。

图3显示，在水稻生长期间，田间水层温度波动较大，整体趋势表现为水稻生长初期温度较高，但后期温度略有下降。在NH3挥发通量测定期间，水稻田间均处于淹水状态，且由于降雨等原因，水层深度变化无明显规律。

图3 不同处理下水稻生长期间影响NH3挥发环境条件的动态变化Fig.3 Influencing factors of ammonia volatilization during rice growing season under different treatments

轮作制度Rotation system施肥方式Fertilization method田面水NH+4-N质量浓度NH+4-N concentration in flood water20152016水层pHpH in flood water20152016水层温度Water temperature 20152016水层深度Water depth20152016RWFFP0.933***0.780***-0.1590.0110.1810.021-0.343-0.267 OPT0.785***0.829***0.1510.0660.1970.049-0.352*-0.238RFFFP0.934***0.776***0.2480.175-0.166-0.137-0.532*-0.474**OPT0.706***0.804***0.2450.0080.2790.201-0.379*-0.350*RVFFP0.933***0.837***0.1290.0460.0550.045-0.242-0.542***OPT0.704***0.850***0.1710.400**0.0010.011-0.186-0.204

注：2015年n1=24,n2=39;2016年n1=36,n2=48,其中n1为农民习惯施肥方式下采样频率，n2为优化施肥方式下采样频率。“*”、“**”和“***”分别表示在P<0.05，P<0.01和P<0.001水平显著相关。

Note：In 2015,n1=24 andn2=39 and in 2016,n1=36 andn2=48.n1represents sample number of FFP andn2represent sample number of OPT.“*”,“**” and “***” indicate significant correlation atP<0.05,P<0.01 andP<0.001,respectively.

2.3 水稻产量与氮肥利用率

表4表明，在不同轮作系统下，优化施肥处理与农民习惯施肥处理的水稻平均产量差异均不显著。与不施肥处理相比，3种轮作系统优化施肥处理的平均增产率为79.0%，较农民习惯施肥处理提高1.4%。同时，优化施肥处理的氮农学利用率、氮回收效率、氮偏生产力也均大于其同一轮作系统下的农民习惯施肥处理，分别较农民习惯施肥处理提高70.1%，59.7%和68.0%。这说明，优化施肥处理可显著提高稻田的氮肥利用率。在同一施肥处理条件下，水稻-蔬菜轮作制度下水稻平均产量(10.2 t/hm2)也显著高于水稻-小麦轮作(9.5 t/hm2)和水稻-冬闲田轮作(9.0 t/hm2)。因而将施肥处理与轮作方式对2015-2016年平均水稻产量做双因素分析，结果表明，轮作制度对水稻产量差异显著(P<0.05)，而施肥方式(P=0.495，P=0.496)及其与轮作制度交互作用(P=0.831，P=0.835)对水稻产量均无显著影响。

表4 2015-2016年不同处理下水稻平均产量及氮肥利用率Table 4 Grain yield and nitrogen use efficiency from 2015 to 2016 under different treatments

3 讨 论

3.1 不同水旱轮作系统下优化施肥对NH3挥发的影响

有研究表明，在轮作系统中，前茬作物收获后的残茬可通过增加土体有机质及改善土壤结构，影响NH3挥发总量[10]。但是在本试验中，当施肥量相同时，不同轮作系统下NH3挥发积累量差异不显著，这与前人的研究结果不一致。造成这种差异的主要原因可能是本研究的轮作年限较短，2015至2016年不同前茬作物收获后有机质含量分别为20.27和20.19 g/kg，前茬作物的种植并未对土壤有机质造成显著影响，因此没有影响下一季度水稻NH3挥发通量。在3种轮作方式下，农民习惯施肥处理与优化施肥处理平均NH3挥发积累量分别为80.3和40.9 kg/hm2，且均表现出农民习惯施肥处理的NH3挥发积累量显著高于优化施肥处理，增幅可达96.3%。同时，NH3挥发积累量所占施肥总量比例变化也呈现与NH3挥发积累量相同的趋势，这表明在短期轮作制度下，NH3挥发主要与氮肥用量及基肥、分蘖肥的分配比例等施肥制度密切相关，具体表现为基肥和分蘖肥的施肥量越大，NH3挥发通量与NH3积累量也越高，这也是导致氮肥损失量增加的主要原因。

本研究中，在农民习惯施肥处理中，由于作为基肥与分蘖肥的氮肥用量相同，这2次施肥后，稻田NH3挥发通量基本无差异；在优化施肥处理中，氮肥作为基肥施用后的NH3挥发通量明显高于其作为分蘖肥施用，这主要是由后者的氮肥施用量(54 kg/hm2)低于前者(90 kg/hm2)所致。氮肥作为穗肥施用(36 kg/hm2)后也并未出现按施肥量(相当于基肥的40%，分蘖肥的67%)等比例NH3挥发通量的峰值，这主要是由于，一方面施用穗肥时水稻已生长茂盛，对田面产生一定的覆盖，阻碍空气流通，不利于NH3挥发；另一方面相比生育前期而言，穗肥施用时期的水稻根系相对较发达，对氮素的吸收利用速度较快，从而降低了NH3挥发损失[11-12]。

3.2 影响稻田NH3挥发通量的环境因素

3.3 优化施肥对水稻产量及氮素利用率的影响

一般而言，随着施氮量的增加，作物产量与氮吸收量会增加，但是当施氮量达到一定阈值时，产量增加与氮素投入量不匹配，导致氮素利用率显著降低[21-22]。本研究结果表明，在相同轮作系统下，农民习惯施肥处理的产量均略低于优化施肥处理，降低幅度为1.4%，且优化施肥处理的氮素农学利用率、回收效率、偏生产力均分别较农民习惯施肥处理高9.3 kg/kg、21.6%和21.6 kg/kg，可知增加氮肥施用量并无相应增产效应，且还会导致氮素利用率下降。已有研究证实，水稻实地养分管理比农民习惯施肥方式增产5.0%左右[23]，这说明合理施用氮肥可在降低施用量的基础上保持产量稳定，甚至增产。

本研究中，在3种轮作系统中，水稻-蔬菜轮作体系下的水稻平均产量(10.2 t/hm2)依次高于水稻-小麦轮作系统(9.5 t/hm2)和水稻-冬闲田轮作系统(9.0 t/hm2)。由水稻平均产量与增产率的双因素(轮作制度、施肥制度)方差分析结果可知，这主要是受到不同轮作间的影响(P<0.05)。造成这种现象的原因可能是由于前茬种植作物施用氮肥量不同。有研究表明，施入土壤中的氮肥除了被作物吸收以及通过挥发等途径损失到环境中外，还有很大一部分会残留在土壤中[24]，作物收获后残留的肥料氮可占施氮量的15%～30%，最高可达48%[25]，这些残留肥料氮的有效性高于土壤固有的氮[26]，致使残留氮很容易被后茬作物吸收利用，从而增加作物产量。

4 结 论

不同施肥方式是影响NH3挥发通量的主要因素。综合生产效益和环境效益，在不同的水旱轮作系统中，通过推荐施用氮肥180 kg/hm2，并采用基肥、分蘖肥、穗肥质量比5∶3∶2进行氮肥运筹的优化施肥方式，可在减少氮肥施用的基础上既保证水稻获得高产，显著减少稻季施氮的NH3挥发损失，又能提高氮素利用率，降低了施肥对农田生态系统造成的环境风险，最终实现水旱轮作系统稻田作物的高产高效。