有机资源等氮替代化肥对免耕稻田N2O排放及水稻产量的影响*

2021-07-28魏宗辉胡钧铭刘顺翱李婷婷张俊辉俞月凤韦翔华

中国农业气象 2021年7期

魏宗辉，胡钧铭，刘顺翱，李婷婷，张俊辉，俞月凤，李诗，韦翔华

（1.广西大学农学院，南宁 530004；2.广西农业科学院农业资源与环境研究所，南宁 530007）

肥料作为“粮食的粮食”，在农业生产中具有不可替代的作用[1]。施用氮肥是作物获得较高目标产量的关键措施，为粮食安全作出了重要贡献[2-3]。中国氮肥消费量约占世界氮肥总量的1/3，但其利用率仅为30%～35%[4]。化学氮肥投入占比过高的集约化稻作生产是造成N2O温室气体排放的重要影响因素[5-6]。N2O增温潜势是CO2的265倍，其微小的变化就会造成温室效应极大的变化[7]。因此，在国家大力实施减肥减药背景下，开展有机氮替代化学氮，优化农业生产，保障粮食安全，减缓温室气体排放具有重要的科学意义和实践价值。

化学肥料的过量、长期单一投入严重威胁粮食安全，引发土壤环境退化[8-10]。施用有机肥是农业可持续发展的有效手段[11]。有机肥利于提供作物生长所需各种营养元素和微量元素[12-13]，施用秸秆[14]、鲜畜禽粪便[15-16]、厩肥[17]等有机肥是维持和提高农田土壤肥力的重要措施[18]。有机肥与化肥配施对改善稻田土壤环境具有重要的调节作用[19-20]。有研究显示有机肥硝化作用仅是等氮化肥的1/3[21]，因此，亟待利用区域优势农业有机资源，改变农田单一氮肥过高投入，发展减肥增效绿色稻作生产。

绿肥是传统农业精华，南方温热资源丰富，冬闲田多，利于发展绿肥生产，绿肥还田后不仅有利于提高土壤肥力[22]，而且利于改善土壤生态环境[23-25]。同时，广西桑蚕产业发达，蚕沙资源丰富，是一种优质有机物料，易被农作物吸收利用[26]。快腐蚕沙有助于水稻绿色安全生产，而绿肥还田对温室气体的调控有积极作用[6,26]。目前，有关绿肥、蚕沙有机无机配施对粉垄免耕稻田N2O排放及水稻产量的影响鲜有报道。本研究选用绿肥、蚕沙有机资源等氮替代化肥处理，研究有机氮替代化学氮对免耕保护性耕作稻田土壤N2O的定位累积效应及水稻产量影响，以期为集约化稻作化肥减量增效、温室气体排放及绿色可持续生产调控提供理论与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验在广西农业科学院农业资源与环境研究试验基地进行，该地区属亚热带季风气候，年平均气温21.5℃，年均降水量为1304.2mm，相对湿度为79%。在2019年全年早晚两季水稻生长季，设置有机资源等氮替代化肥处理，在保护性耕作条件下观测稻田N2O的气体排放及水稻产量。

供试土壤为黏性红壤水稻土，0-20cm耕层土壤基本理化性质（2018年）为，全氮1.80g·kg-1，全磷0.918g·kg-1，全钾7.43g·kg-1，有机质24.5g·kg-1，有效磷37.9mg·kg-1，速效钾97.8mg·kg-1，水解性氮131mg·kg-1，pH6.6。供试水稻品种为三系籼型超级稻特优582。供试压青绿肥为冬绿肥紫云英，干质量养分含量为N 2.7%，P2O50.65%，K2O 2.5%，化肥为复合肥（N:P2O5:K2O比例为15:15:15），其中氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O515 %），钾肥为氯化钾（K2O 62 %）

1.2 试验方法

研究基于课题组2017年粉垄耕作试验基础上进行，粉垄耕作为利用垂直螺旋型钻头刀片横向迅速切割土壤搅碎，一次性完成自然悬浮成垄，将土壤耕层加深至30cm，常规耕作采用拖拉机旋耕。2018-2019年田间试验设置2种免耕保护性耕作模式：上年常规耕作本季免耕（简称常规免耕）和上年粉垄耕作本季免耕（简称粉垄免耕）；每种耕作模式下设4种施肥方式，处理代码见表1。每处理3次重复，小区面积46m2。稻田插秧每穴两苗，株行距12cm×24cm。2019年早稻试验4月4日施入底肥，4月7日水稻移栽，4月15日施入返青肥，于7月17日收获；晚稻试验于8月2日施入底肥，8月5日水稻移栽，8月13日施入返青肥，于11月15日收获，各处理按照常规大田超级稻高产栽培措施管理。

表1 田间施肥不同处理代码Table 1 Code of different field fertilization treatment

各施肥处理中，养分需求按当地超级稻的投入标准：N 240kg·hm-2，P2O5120kg·hm-2，K2O 240kg·hm-2，除空白对照（F1和C1）外，其它各处理投入的总纯氮量相等，因此，也称等氮替代施肥处理。具体施肥量为：F1、C1处理不施肥，F2、C2施100%化肥（800kg·hm-2复合肥，261kg·hm-2尿素，191kg·hm-2氯化钾），F3、C3施绿肥+化肥（35586.56kg·hm-2紫云英，607.2kg·hm-2复合肥，62.65kg·hm-2尿素，59.00kg·hm-2氯化钾），F4、C4施蚕沙+化肥（6543.08kg·hm-2蚕沙有机肥，203.13kg·hm-2尿素，24.09kg·hm-2氯化钾）。C3、F3处理绿肥于水稻移栽前3d作为基肥一次性施入，其余处理底肥及返青肥各施50%。

1.3 测定项目

1.3.1 N2O的采集与测定

N2O的采集采用分离式静态箱-气象色谱法测定，采样箱（40cm×40cm×50cm）分为上罩箱（下口敞开）和下罩箱（上、下口均敞开），由0.7mm厚度不锈钢制成，外包铝箔用以隔热，降低外界温度对箱体内部N2O的影响。箱体侧面开有一直径4.2mm孔用于注射器抽气取样，水稻株高不超过50cm时单独使用上罩箱，超过50cm后使用上、下罩箱。配套底座设置于田中，在水稻移栽时装入，底座内含2穴×2穴水稻。取样时将箱体垂直放入底座5cm深凹槽，加水密封后，用外接三通阀的聚乙烯注射器采集样品。采样时间为早8：00-11：00，采样时记录箱体温度，于箱体放置密封后0、10、20和30min分别用60mL注射器进行抽气采样，各处理3次重复。早稻季共采集11次，分别于水稻移栽后5、8、11、15、20、30、40、50、60、70和80d取样；晚稻季共采集9次，分别于水稻移栽后6、10、15、20、30、40、50、60和70d取样。气体采集后48h内用气相色谱（Agilent7890AGC，ECD检测器）进行测定。

温室气体排放通量计算式为[27]

式中，F为N2O排放通量（μgN·m-2·h-1)；ρ为标准状况下N2O-N的密度（1.25g·L-1）；V为采气箱体积（0.08m3）；W为采样箱底座内土壤表面积表示单位时间内温室气体浓度的变化率；T为采样箱内温度（℃）。

1.3.2 水稻考种及测产

在早、晚稻季成熟期，各处理选取30穴水稻统计有效穗数，并选取10穴代表性植株，脱粒后测定结实率、穗粒数、千粒重及干物质量。水稻收获时从每小区选取3个1m2区域作为测产区，收割计产。晒干后测定稻谷质量和含水量，按标准含水量13.5%折算水稻产量。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理及制图。用SPSS 19.0软件进行方差分析和显著性比较，处理间的多重比较（统计显著水平为P＜0.05）采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 有机资源等氮替代化肥对免耕稻田N2O排放的影响

2.1.1 对N2O排放通量的影响

由图1可以看出，在常规免耕处理中，早稻与晚稻生长季N2O排放通量的变化趋势基本一致，均表现为早期较高后期相对较低。对比早/晚稻生长季不同处理的排放曲线可见，在早稻季，单施化肥处理N2O排放通量均较高，出现了两个峰值，分别在移栽的第8天（即4月18日）和第70天（即6月17日），分别达到了18.21μg·m-2·h-1和11.65μg·m-2·h-1。在晚稻季，单施化肥处理在移栽初期第15天（即8月19日）N2O排放通量最高，达到了19.75μg·m-2·h-1，随后与其它处理变化趋势一致，表现为逐渐减少，基本保持在-5～5μg·m-2·h-1范围。在早稻季，C3（绿肥+化肥）处理在移栽后第30天（即5月7日）N2O排放通量最高，达到4.12μg·m-2·h-1；晚稻季，C3（绿肥+化肥）处理在移栽后第50天（即9月23日）N2O排放通量最高，达到6.03μg·m-2·h-1，其余处理取样期间保持在-0.1～5.1μg·m-2·h-1。早稻季，C4（蚕沙+化肥）处理在移栽后第80天（即6月27日）N2O排放通量最高，达到3.51μg·m-2·h-1；晚稻季，C4（蚕沙+化肥）处理在移栽后第50天（即9月23日）N2O排放通量最高，达到4.77μg·m-2·h-1，其余处理取样期间保持在-1～4.7μg·m-2·h-1范围。早、晚稻季纯施化肥处理（C2、F2）N2O排放通量在施肥前期要明显高于有机肥+化肥处理（F3、F4、C3、C4），可见在常规免耕下有机肥+化肥配施处理能够减少N2O的排放。

由图2可以看出，粉垄免耕处理早稻和晚稻的N2O排放通量与常规免耕处理下的变化趋势基本一致。早稻季，单施化肥处理N2O排放通量均较高，在移栽后第8天（即4月18日）达到峰值，为8.62μg·m-2·h-1；晚稻季在水稻移栽后第15天（即8月19日）达到峰值，为7.69μg·m-2·h-1。

早稻季，F3（绿肥）处理的N2O排放通量在移栽后第20天（即4月27日）最高，达到8.04μg·m-2·h-1；晚稻季在移栽后第15天（即8月19日）最高，为7.81μg·m-2·h-1。早稻季，F4（蚕沙）处理的N2O排放通量在移栽后第70天（即6月1日）最高，达到3.15μg·m-2·h-1；晚稻季在移栽后第15天（即8月19日）最高，达到3.49μg·m-2·h-1。可见，两种免耕处理中，有机资源等氮替代化肥较单施化肥处理均能在水稻生长季中降低稻田N2O排放通量。

2.1.2 对N2O累计排放量的影响

由图3可见，在2019年早、晚稻生长季，C2（纯施化肥）处理中稻田N2O累计排放量均显著高于其它处理，分别达到90.95 g·hm-2和74.34 g·hm-2，两者合计达到165.29g·hm-2。早稻生长季，有机肥与化肥配施处理（F3、C3和F4、C4）中，稻田N2O累计排放量均比较低，尤其是常规免耕下C4（蚕沙+化肥）N2O累计排放量最低，仅为12.43g·hm-2，比C2（纯施化肥）处理降低了86.34%，比（C1）不施肥处理降低了33.72%。而粉垄免耕下F3（绿肥+化肥）和F4（蚕沙+化肥），N2O累计排放量分别比C2（纯施化肥）降低了79.36 %和78.88 %。晚稻生长季各处理N2O累计排放量与早稻生长季相近，常规免耕下C4（蚕沙+化肥）处理N2O累计排放量最低，分别为18.77g·hm-2和24.32g·hm-2；而粉垄免耕下F3（绿肥+化肥）和F4（蚕沙+化肥），N2O累计排放量分别比C2（纯施化肥）降低60.60 %和61.89 %。两季合计的N2O累计排放量中，F3（绿肥+化肥）处理最低，为48.06g·hm-2。常规免耕下，C1（不施肥）、C3（绿肥+化肥）、C4（蚕沙+化肥）相较于C2，两季合计N2O累计排放量分别减少50.7%、41.3%、77.7%；粉垄免耕下，F1（不施肥）、F2（纯施化肥）、F3（绿肥+化肥）、F4（蚕沙+化肥）各处理相较于C2，全年N2O累计排放量分别减少82.7%、33.3%、70.9%、69.04%。可见，在稻田免耕下，两种有机肥等氮替代替代化肥处理均能降低N2O的排放，常规免耕下C4（蚕沙+化肥）处理对N2O的减排更有效果，粉垄免耕下两种有机肥等氮替代化肥对降低N2O的效果相近。

2.2 有机资源等氮替代化肥对免耕稻田产量及其干物质量的影响

2.2.1 对植株干物质积累量的影响

从表2可以看出，早稻季成熟期各处理的植株地上、地下部分干物质量及总干物质累计量均以F3最高，分别为108.95g、7.60g和116.54g；晚稻季C2地上部与总干物质积累量最高，分别为76.98g和81.18g，地下部积累量以F3最高，为5.81g。早稻季植株根冠比表现为F1最优，C2最次，分别为9.13%和5.16%；晚稻季表现为F1最优C4最次，分别为7.74%和4.97%。空白对照(C1、F1）根冠比显著高于施肥处理，原因是施肥处理水稻生长发育受限，地上干物质量低；粉垄免耕下绿肥化肥配施处理（F3）的干物质累计量、地下干物质量和根冠比均高于常规施肥处理（F2），早、晚稻季干物质量分别提高22.63%、29.90%，地下干物质量分别提高28.37%、22.05%，根冠比分别增加了0.31个和0.89个百分点；两种保护性耕作模式下蚕沙化肥配施处理较常规施肥降低植株干物质累积量，地下干物质量、根冠比与常规施肥差异不明显；粉垄免耕下植株地下干物质量提高13.60%～57.68%，根冠比增加0.94～1.86个百分点。可见，保护性耕作下采用绿肥等氮替代化肥处理显著提高植株干物质积累量、根系干物质量，作物根系长势更好，有利于提高作物对养分的吸收。

表2 不同处理成熟期植株干物质量及根冠比的比较Table 2 Comparison of the different treatment on mature period plant dry matter accumulation and root/shoot ratio

2.2.2 对产量的影响

由表3可以看出，早稻季以C2处理的产量最高，为797.82kg·666.7m-2，F1处理的产量最低，为488.91kg·666.7m-2；晚稻季以F3产量最高，为843.80kg·666.7m-2，以F1处理产量最低，为512.98kg·666.7m-2。在水稻产量构成因子中，早稻季的成穗率以F3最高，为94.66%，晚稻季F2最高，为96.01%，早、晚稻季C1处理均最低，分别为86.33%和90.81%。有效穗数的表现为保护性耕作条件下施用有机肥的处理（C3、C4、F3、F4）相较于常规施肥（C2、F2）均有所增加，早、晚稻季均以F3处理最高，分别为271.80×104和301.80×104个·hm-2；水稻每穗总粒数早稻季以 F3最高，为210.44粒，晚稻季为C3最高，为219.82粒。水稻千粒重早稻季以C3处理最高，为26.50g，晚稻季以C4最高，为23.84g；绿肥化肥配施处理（C3、F3）相对常规施肥（C2、F2）结实率均呈增加趋势，早稻季C3最高，为84.41%，晚稻季F3最高，为85.33%。不施肥处理（F1、C1）由于水稻生长发育所需养分缺失导致产量相对较低；早稻季C3、F3处理相较于C2、F2在产量上差异并不大，晚稻季F3处理产量相较于C2、F2提高了0.77%和9.03%；而C4、F4双稻季产量相较于C2、F2产量均有所降低，晚稻季C4处理产量下降最高，下降幅度为11.43%。说明有机肥等氮替代化肥能够在一定程度上维持水稻产量，采用绿肥化肥配施对双稻季产量更有保障，早稻季较化肥产量最高下降1.1%，晚稻季最高提升10.0%。

表3 不同处理水稻产量构成的比较Table 3 Comparison of the different treatment on rice yield and yield formation

3 讨论与结论

3.1 讨论

（1）关于有机资源等氮替代化肥对稻田硝化作用的影响。

土壤硝化与反硝化是N2O产生的重要反应过程，本研究结果表明，在免耕稻田中以不同有机肥（绿肥、蚕沙）替代化学氮肥施入，可以显著降低稻田土壤N2O排放，与前人研究规律相符[16,20]。造成N2O排放降低的原因，一方面可能是因为水稻生长发育过程中长期处于淹水状态造成了厌氧环境，施用有机肥后稻田微生物的活动会消耗掉部分氧气，致使土壤氧化还原电位的降低，促进了反硝化速率，使得N2的排放量提升，从而降低了N2O的排放[28-29]；N2O的产生过程则受到反应底物C、N供应水平的影响[30]，不同有机肥的碳氮比存在差异，因此，N2O的减少与有机肥料的种类、施用方式有关，其会影响土壤微生物硝化与反硝化作用，同时有机肥肥力释放较为缓慢，导致稻田土壤中速效氮的总含量降低，硝化与反硝化作用的反应底物低于施用肥料的水平，从而降低了N2O的产生与排放[31]。土壤反硝化对N2O的贡献与土壤pH值呈负相关关系[32]，有机肥料常被用来提高土壤pH，改变土壤酸性环境[33]。

（2）有关有机资源等氮替代化肥对水稻根系土壤环境的影响。

水稻高产群体与水稻根系土壤环境密切相关，本研究发现免耕稻田下绿肥化肥配施显著提高水稻根系生物量。肥沃的土壤有机质含量高、土壤的通透性好而且是富氧状态，长期施用有机肥对土壤物理性状的改善有显著作用，有机肥能够提高土壤保水保肥能力[34]，增加土壤孔隙度，改善土壤团粒结构，提高土壤透气性和保水性，使作物呼吸顺畅[35]，有利于根系生长，提高作物对养分的吸收能力。施用有机肥能够显著提高土壤有机碳含量和质量，保证作物根系养分的充足供给[36]，有研究显示土壤免耕方式下作物的总干重及根重大于传统翻耕[37]。同时作物根系的良好长势有利于对有效氮的竞争利用[38-39]。此外，有机肥会影响土壤相关微生物环境与根系活力[40-41]，有研究显示添加有机物料会刺激土壤氨化过程的主要微生物AOB的生长[42]，且显著提高异氧微生物AOA的丰度[43]。

（3）关于有机资源等氮替代化肥对免耕水稻产量的影响。

本研究发现，与当地常规施肥相比，利用有机肥等氮替代化学氮肥能够提高水稻的穗粒数和有效穗，从而提高水稻产量。不施肥处理较单施化肥显著降低水稻产量、干物质积累量，最高降低达到36.4%和55.3%，是因为稻田土壤中缺少水稻生长发育所需的营养元素，造成水稻产量、生物量的降低。等氮替代条件下，与常规施肥相比，施用绿肥与蚕沙在N2O的减排上均有良好的效果，实现减排41.3%～79.9%，但施用蚕沙处理水稻产量降低1.6%～11.4%，而采用绿肥替代化肥处理表现更好，能够保证水稻产量不减少甚至增加，对比单施化肥处理产量增加-1.1%～10.0%。施用绿肥能提高作物产量，是因为水稻生长发育受到养分供给的限制，化学氮肥能在短时间能大量提供水稻生长发育所需的氮养分，而绿肥还田则能在水稻生长发育中后期持续供给养分，与常规施肥相比，利用有机肥替代化肥施用能够维持作物产量不减少或增加[44-45]。此外有机肥的过度投入可能会一定程度上减少水稻产量，适当比例的有机无机配施是稳定水稻高产的科学施肥方式[45-47]。