氮肥深施对太湖地区稻田氨挥发的影响*

王书伟, 林静慧, 吴正贵, 陈 吉, 潘云俊, 盛雪雯

(1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站/中国科学院南京土壤研究所南京 210008; 2.苏州市农业技术推广中心 苏州 215006; 3.苏州市耕地质量保护站 苏州 215011;4.常熟市耕地质量保护站 常熟 215500)

农业是NH3排放的主要来源(通过禽畜粪便和氮肥施用), 占总排放量的80%～90%[1], 其中因农业生产中使用化学氮肥产生的NH3排放量最大, 占农业源NH3排放总量的29.4%～47.4%[2]。在中国, 稻田占总耕地面积的33%, 为65%以上的中国人提供粮食[3],氨挥发是稻田氮肥损失的主要途径之一, 可占施氮量的10%～60%[4]。太湖地区是我国主要的稻米生产区域之一, 在水稻(Oryza sativa)生长季氮肥投入量高达300 kg(N)·hm−2, 大量氮肥的投入及不合理的农业生产措施, 致使该地区氮肥利用率小于30%[5-7], 有约23.4%肥料氮通过NH3挥发损失掉, 与反硝化共同成为该地区主要的氮素损失途径[5,8]。大量的NH3挥发通过干湿沉降回到陆地生态系统后可导致土壤酸化和地表水体富营养化等负面效应[9], 近些年研究认为NH3也是重要的大气污染源, 对PM2.5颗粒物形成起到重要的作用[10-12]。因此, 迫切需要采取措施,减少稻田NH3挥发。目前, 减少肥料用量、肥料深施、深水灌溉、施用缓释肥和脲酶抑制剂等为常用的稻田NH3减排措施[13-19]。根据已有的在太湖地区减少氮肥用量对NH3排放量影响研究, 减少氮肥10%或更高的施肥量, NH3排放量下降20%以上[8,15];与传统的肥料表施相比, 基肥深施被认为是一种更有效的提高肥料利用率和减少NH3挥发的措施, 已有研究报道基肥深施可降低15%～93%的NH3挥发量[13,15,18], 主要通过降低稻田田面水NH4+-N含量和pH来实现NH3减排[5,20-21]; 用缓释肥代替尿素和施用脲酶抑制剂也是稻田NH3减排的常用措施, 主要是通过减缓或抑制尿素水解过程来实现降低NH3排放[16-17]。当前已有的对稻田NH3减排措施的研究只局限于单一因子减排措施的应用研究, 缺乏对整个水稻季不同施肥期NH3综合减排措施的减排效果研究, 尤其是稻田肥料深施对NH3减排研究还处于小区或盆栽试验阶段, 是用人工来实现肥料的深施, 不仅费时费力且成本高昂, 不适合大田实际应用推广。本文针对当前稻田基肥深施、追肥期用缓释肥替代尿素或配施脲酶抑制剂等NH3减排措施, 借助机插秧-侧根深施一体化农机, 通过对整个水稻生长季不同施肥期采用不同的NH3减排组合措施进行研究,探索出适合稻田推广的NH3减排技术模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年在中国科学院常熟农业生态实验站高桥农场开展。试验地位于江苏省苏州常熟辛庄镇(31°32′N, 120°37′E), 此区域属于太湖河网平原区典型稻田耕作区, 主要实行冬小麦(Triticum aestivum)-水稻轮作方式。属于北亚热带季风气候区, 2020年6−10月水稻生长期间降雨总量为406.2 mm, 平均气温为24.87 ℃ (图1a), 水稻生长期间土壤体积含水量和温度如图1b所示。土壤为普通潜育水耕人为土(乌栅土), 0～20 cm土壤有机质含量 30.2 g∙kg−1,全氮1.57 g∙kg−1, C/N为11.25, pH 6.01, 土壤粒径百分含量为: 黏粒33.8%、粉粒39.7%、砂粒26.5%。

1.2 试验设计

为探讨太湖平原典型稻田基肥期尿素深施、追肥期缓释肥替代尿素和配施脲酶抑制剂对NH3减排效果, 本研究共设7个处理: 1)空白处理, 不施氮肥(CK); 2)当地常规氮肥表施处理, 施氮量(以纯氮计,下同)300 kg∙hm−2(SN300); 3)减氮10%, 氮肥表施, 施氮量为270 kg∙hm−2(SN270); 4)减氮10%+基肥氮深施+追肥表施尿素(DN270); 5)减氮10%+基肥氮深施+追肥表施尿素+脲酶抑制剂(DN270+UI); 6)减氮10%+基肥氮深施+追肥表施缓释肥(DN270+SR);7)减氮10%+基肥氮深施+追肥表施缓释肥+脲酶抑制剂(DN270+SR+UI)。除CK处理不施氮肥外, 其他处理按基肥∶分蘖肥∶穗肥=6∶2∶2进行施肥, 在水稻插秧前磷肥和钾肥作为基肥一次性施入所有处理, 施肥量分别为30 kg(P2O5)∙hm−2和60 kg(K2O)∙hm−2,基肥施用日期为2020年6月18日, 分蘖肥施用日期为2020年7月9日, 穗肥施用日期为2020年8月13日。脲酶抑制剂为n-丁基硫代磷酰三胺(NBPT),其中含氮量为25.1%, 按照与尿素质量比=1∶100均匀混合, 重新造粒制成含有NBPT脲酶抑制剂的尿素颗粒, 新尿素颗粒含氮量为46.6%, 缓释尿素用8层硫包衣包裹尿素制成, 含氮量保持46.6%不变。基肥表施和追肥表施采用人工撒施完成, 基肥深施采用机插秧-侧根施肥一体机完成, 深施深度为5 cm,水稻各物候期氮肥类型和施肥量如表1所示。

各试验小区处理随机自由排列, 每个处理小区为标准化农田设计, 面积为1000 m2, 各处理小区之间有常年耕作筑成的田埂, 宽度为50 cm, 高度为40 cm,能很好地起到分隔各处理小区的效果, 防止水肥串灌。把每个处理小区均分为3等份, 作为氨挥发监测的3个重复。机插秧株行距为20 cm×15 cm。在水稻生长季, 田面水分管理采用淹水-烤田-淹水-湿润模式, 即从每年的6月15日开始泡田灌水, 保持田面水在3～5 cm 至7月24日开始烤田, 每年的7月25日至8月4日为烤田期, 田面水自然落干, 8月5日重新灌水, 保持田面水3～5 cm至9月20日, 此后一直保持间歇灌溉, 保持田面湿润, 在收获前两个星期停止灌溉。

1.3 NH3挥发通量测定

NH3挥发量测定采用密闭室抽气法[22-23], 主要由真空泵、有机玻璃罩(内直径20 cm, 高15 cm)、管路和多孔洗瓶共同组成了氨挥发测量系统。当氨挥发测定时, 有机玻璃罩插入田面水下8～10 cm深, 罩子顶部开有两个孔, 其中一个是直径为25 mm进气孔, 与2.5 m高的进气管相连, 以减少田面交换空气对稻田 NH3挥发测定的影响; 另一个为采气孔, 与装有 60 mL、0.03 mol∙L−1稀硫酸的多孔洗瓶相连接, 吸收瓶再与真空泵管道相连, 调节真空泵抽气量, 使密闭室的换气频率控制在每分钟15～20次。每次施肥后, 氨挥发被连续监测4～5 d, 直至施氮处理与对照的氨挥发通量无差异时停止, 每天分别于上午7:00−9:00和下午15:00−17:00 进行4 h的连续抽气测定,其测定的氨挥发通量代表采样日期全天的氨挥发速率, 其计算公式如下:

式中:F为NH3排放通量, kg(N)∙hm−2∙d−1;C为吸收液中NH4+-N浓度, mg∙L−1;V为稀硫酸吸收液体积, L; 6为换算为一天的NH3排放量; 10−6为mg转换为kg;r为收集氨挥发的有机玻璃罩的半径, m; 10−4为m2转换为hm2。

1.4 NH3挥发累积排放量计算

NH3挥发(以N计, 下同)累积排放量计算公式如下:

式中:E为NH3挥发累积排放量, kg∙hm−2;Fi为第i天采样日NH3挥发排放通量, kg∙hm−2∙d−1;i表示第i次采样;ti+1−ti表示两次采样测定的时间间隔, d。

1.5 氮素利用率(NUE)、氨排放系数和单位水稻产量氨排放强度计算

在水稻收获期, 采集2.5 m×2.0 m样方内的水稻样品用于测定籽粒产量(Y, t∙hm–2), 每个处理采集3个样方, 籽粒产量为3个样方的均值。籽粒氮吸收量(U, kg∙hm–2)计算公式如下:

式中:GN为水稻籽粒全氮含量(g∙kg–1), 籽粒经烘干粉碎后, 用C/N元素分析仪(Vario Max CN, Elementar, Hanau, Germany)测定其全氮含量。

氮素利用率(nitrogen use efficiency, NUE, %)和氮素农学利用率(nitrogen agronomic use efficiency,NAUE, kg∙kg–1)计算公式如下:

式中:UN为施氮处理下的籽粒N吸收量(kg∙hm–2),U0为空白处理下籽粒N素吸收量,YN和Y0分别为施氮处理和空白处理下水稻籽粒产量(kg·hm–2), FN为N肥施用量(kg∙hm–2)。

氨排放系数(EFNH3)计算公式:

式中:ENH3-fertilizer为施氮处理下NH3累积排放量(kg∙hm−2),ENH3-control为空白处理下NH3累积排放量(kg∙hm−2),FN为施氮处理下N肥施用量(kg∙hm–2)。

单位水稻产量NH3排放强度[ENH3,yield-scale, yieldscale NH3emission, kg∙t–1(grain)]计算公式如下:

式中:ENH3为NH3挥发累积排放量(kg∙hm−2),Y代表每个处理下水稻籽粒产量(t·hm–2)。

1.6 其他环境因子测定

每天平均气温和降雨量来自常熟站自动气象站(Vaisala, Finland), 土壤表层(0～10 cm)含水量及表层田面水温来自常熟站土壤水分实时观测系统(Stevens Water Monitoring System, Campbell Scientific Inc.,USA)。田面水带回实验室过滤(0.45 μm), 用全自动化学分析仪分析(Smartchem140, AMS, Italy) NO3−-N和NH4+-N含量, 用TOC仪(Analytik Jena AG, Germany)分析水溶性有机碳(DOC)含量; 稀硫酸吸收液的NH4+-N浓度用全自动化学分析仪分析(Smartchem140, AMS, Italy)测定; 土壤pH(土∶水=1∶2.5)和田面水pH用便携式pH计测定; 土壤有机碳和全氮含量用C/N元素分析仪测定(Vario Max CN, Elementar, Hanau, Germany); 土壤粒径分析用激光粒度仪测定(LS13320, Beckman Coulter, Brea, CA, USA)。

1.7 统计分析

采用单因素方差分析结合最小显著差法(LSD)对不同处理下氨挥发通量及累积排放量、水稻收获期土壤性质、氨排放系数、氮肥利用率和单位水稻产量氨排放强度进行差异显著性分析。采用皮尔森相关分析方法(Pearson’s correlation analysis)分析氨挥发通量与田面水NO3−-N、 NH4+-N和DOC含量及pH的相关性, 所有显著性检验在P<0.05水平。

2 结果与分析

2.1 不同处理收获期土壤性质、作物产量和氮肥利用率

表2为水稻收获后表层(0～20 cm)土壤理化性质。与常规尿素表施处理(SN300)相比, 减氮10%(SN270)、基肥深施(DN270)、追肥期配施脲酶抑制剂(DN270+UI)、追肥期施用缓释肥(DN270+SR)及脲酶抑制剂和缓释肥组合措施(DN270+SR+UI)处理对收获期土壤pH、SOC、TN、C/N、NH4+-N和DOC含量影响不显著; 与SN300处理相比, DN270+SR和DN270+SR+UI处理在追肥施用缓释肥和脲酶抑制剂可显著降低收获期土壤NO3−-N含量(P<0.05)。

表2 不同施肥处理下水稻收获期表层土壤(0～20 cm)理化性质Table 2 Physical and chemical properties of the topsoil (0−20 cm) under different fertilization treatments at rice harvest in 2020

由表3可知, 不同处理水稻产量变化范围为8.1～10.7 t∙hm−2, 除不施氮肥CK处理外, 常规氮肥表施SN300处理与各氨减排处理措施间水稻产量没有显著性差异(P>0.05); 作物籽粒吸氮量变化范围在63.5～131.0 kg∙hm−2, 氮农学利用率变化范围为7.08～9.62 kg∙kg−1, 籽粒氮吸收利用率变化范围为11.0%～25.0%。与SN300处理相比, 各处理氮农学利用率没有显著性差异(P>0.05); 减氮10%基肥表施(SN270)处理和减氮10%基肥深施(DN270)处理的作物籽粒吸氮量、籽粒氮素农学利用率和氮吸收利用率差异不显著(P>0.05)。在追肥期施用脲酶抑制剂(DN270+UI)、用缓释肥替代尿素(DN270+SR)或缓释肥和脲酶抑制剂组合施用(DN270+SR+UI) 3个处理下的作物籽粒吸氮量和籽粒氮吸收利用率显著高于SN300处理(P<0.05), 氮素利用率提高72.1%、128.2%和84.8%, 其中以DN270+SR处理下的氮素利用率最大。

表3 不同施肥处理下水稻产量、氮肥利用率和NH3挥发通量Table 3 Grain yields, nitrogen use efficiency and NH3 volatilization fluxes of rice under different fertilization treatments

2.2 不同处理不同水稻生长季NH3挥发通量

图2是水稻生长季不同处理措施下氨挥发排放通量动态变化。在不施氮肥CK处理下, 氨挥发排放通量维持在0.014～0.228 kg∙hm−2∙d−1, 平均排放通量为0.066 kg∙hm−2∙d−1(表3)。氨挥发通量受氮肥施用影响明显, 每次氮肥施用后第1～3天氨挥发会出现一个排放峰, 随后排放通量迅速下降, 一般在施肥6 d后不同处理的氨挥发排放通量接近背景值(图2)。施氮处理下氨挥发排放通量变化范围在0.014～4.636 kg∙hm−2∙d−1, 以常规氮肥表施(SN300)处理下氨排放通量最大, 为0.780 kg∙hm−2∙d−1, 显著 高于 其他 处理(P<0.05, 表3), 采用减少氮肥用量、基肥深施, 追肥期用缓释肥替代尿素、配施脲酶抑制剂等氨减排措施都可降低氨挥发排放通量(表3)。如表3所示, 随着采取氨减排措施的增加, 氨排放通量呈下降趋势,与SN300处理相比, 只采取减氮10%的氨减排措施(SN270处理)可降低20.6%的氨排放量, 基肥采用深施氨减排措施(DN270处理)可降低38.5%氨排放通量, 在追肥期配施脲酶抑制剂(DN270+UI处理)可降低40.1%氨排放通量, 采用缓释肥替代尿素(DN270+SR处理)可降低44.3%氨排放通量, 采用缓释肥替代尿素加配施脲酶抑制剂(DN270+SR+UI处理)可降低50.9%氨排放通量, 以DN270+SR+UI处理的氨减排措施下减排效果最好, 氨排放通量显著小于SN270、DN270和DN270+UI 3个处理(P<0.05, 表3)。

图2 不同施肥处理下水稻生长季氨挥发通量Fig.2 Dynamics of NH3 volatilization fluxes during the rice growing seasons of 2020 under different fertilization treatments

2.3 不同处理不同施肥期氨累积排放量

表4为水稻生长季不同施肥期NH3累积排放量。水稻基肥期, 常规表施(SN300)处理下NH3累积排放量最大, 达23.82 kg∙hm−2, SN270处理下氨排放量为19.88 kg∙hm−2, 仅采用减氮10%可降低基肥期16.5%的氨排放量(表4)。采用基肥深施可以显著降低基肥期NH3累积排放量(P<0.05), 与SN300处理相比, 可降低78.2%～85.2%。水稻分蘖肥期和穗肥期主要采用表施缓释肥替代尿素, 同时配施脲酶抑制剂来进行控氨, 与SN300处理相比, 在分蘖肥期和穗肥期可分别降低30.4%～46.7%和25.3%～36.9%的氨累积排放量(表4)。从表4结果来看, 与DN270处理相比, DN270+UI处理追肥期配施脲酶抑制剂对尿素氨减排效果不一致, 分蘖肥期有利于氨减排, 穗肥期对氨减排效果不明显, 在整个水稻季这两个处理氨累积排放量差异不显著(P>0.05); 在追肥期只采取缓释肥替代尿素, 可实现氨排放量进一步降低(表4),与DN270处理相比, DN270+SR处理在分蘖肥期和穗肥期氨减排率分别提高8.1%和2.6%, 整个水稻生长季氨减排率提高5.8%, 其氨减排效果好于DN270+UI处理; 从表4可以得到, 脲酶抑制剂对表施缓释肥的控氨效果好于常规尿素, 与DN270+SR处理相比,DN270+SR+UI处理施用脲酶抑制剂后氨减排率在分蘖肥期和穗肥期分别提高10.3%和8.8%, 在整个水稻生长季以DN270+SR+UI处理下NH3减排量最大,与常规SN300处理相比, 降低了50.9%的NH3累积排放量。

表4 不同施肥处理下水稻不同施肥期NH3累积排放量及减排率Table 4 Cumulative NH3 emissions and reduction rates in different fertilizer application periods of rice under different fertilization treatments

2.4 氨排放系数和单位水稻产量氨排放强度

从图3A不同处理氨排放系数看, 常规施肥(SN300)处理下氨挥发系数为32.2%, 采用减少氮肥用量、基肥深施、追肥期用缓释肥替代尿素、配施脲酶抑制剂等氨减排措施都可显著降低氨排放系数(P<0.05), 其中DN270+SR+UI处理氨排放系数最小,与SN300处理相比氨排放系数降低50.6%。图3B为不同NH3减排处理下的单位粮食产量NH3排放强度, 与SN300处理相比, 各氨减排处理下的单位水稻产量氨排放强度呈显著下降趋势(P<0.05); 与DN270处理相比, 追肥期配施脲酶抑制剂或用缓释肥替代尿素单一调控因子对单位水稻产量氨排放强度影响不显著, 但用缓释肥替代尿素同时配施脲酶抑制剂可显著降低单位水稻产量氨排放强度23.1% (P<0.05)。

图3 不同施肥处理下水稻NH3排放系数(A)和单位水稻产量NH3排放强度(B)Fig.3 NH3 emission factors (A) and yield-scale NH3 emission intensities (B) of rice under different fertilization treatments

3 讨论

3.1 氮肥减施和基肥深施对NH3挥发的影响

在本研究中, 与常规氮肥用量(SN300)处理相比, 氮肥用量减少10%, 每个水稻生长季可减少21.63 kg(N)∙hm−2氨挥发氮素损失量, 可实现整个稻季NH3累积排放量降低20.6% (SN270处理, 表4), 与同区域研究结果一致, 减氮10%可减少氨挥发排放通量约17.7%～30.0%[8]。通常氮肥用量、田面水pH和NH4+-N浓度是影响稻田NH3挥发的主要因子[5,8,24-26],减少尿素的施入量, 可降低田面水中尿素水解产物NH4+-N浓度、田面水pH和DOC浓度(图4), 氨挥发速率与田面水NH4+-N、DOC浓度和pH呈显著正相关(P<0.01, 表5), 从而实现氮肥减施降低氨挥发氮素损失量(表4)。

已有研究结果证实, 采用基肥深施的方式可以显著降低稻田NH3累积排放量, 与常规肥料表施处理相比, NH3累积排放量可降低15%～45%[13]、30.1%～47.9%[18]和91%～93%[15]。在本研究中, 60%的尿素作为基肥进行深施, 在等氮条件下与基肥表施处理相比, 可降低基肥期73.8%～82.2%的NH3累积排放量。Liu等[13]研究发现, 基肥深施可以降低基肥期32.4%～96.1%的NH3累积排放量, 其中在基肥深施5 cm处理下, 基肥期NH3累积排放量降低32.4～48.4%。与之相比, 本研究结果高于其结论, 可能由于不同的气候条件、施肥措施、田面水分管理制度及土壤性质等因素造成[27]。Yao等[15]在同一区域开展基肥深施研究发现, 基肥深施可降低91%～93%的NH3累积排放量, 与之相比, 本研究结果略小, 可能因施肥量和施肥深度的差异等因素造成。基肥深施能显著降低稻田NH3挥发量主要是由于降低了田面水NH4+-N浓度[15,27-29], 基肥深施可使尿素氮与土壤接触更加充分, 尿素水解产生的NH4+-N可能会更多地被土壤固持, 同时深施也会减缓尿素水解和NH4+-N扩散速度, 降低田面水NH4+-N浓度和pH, 从而降低NH3排放量[13,15]。在本研究中, 田面水NH4+-N浓度动态变化受氮肥施用影响明显(图4), 每次施肥后田面水NH4+-N浓度会出现一个峰值随后下降, 其动态变化趋势与NH3挥发通量相似, 除CK外, 各处理NH3排放通量都与NH4+-N呈显著正相关(P<0.05,表5), 与S270处理相比, 基肥深施处理下NH4+-N降低37.4% (图4)。稻田田面水pH也是影响NH3排放通量重要因子之一, 可影响田面水NH4+-N向NH3转化及溶解在水里的NH3向大气扩散的速率[30], 两者呈显著正相关(P<0.05, 表5), 在本研究中, 基肥深施可显著降低基肥期田面水pH (图4), 与基肥表施SN300和SN270处理相比, 基肥期田面水pH分别降低2.1%和1.1%, 可能由于基肥深施降低了田面水无机氮等营养元素含量, 降低了田面水中藻类的生长和光合作用, 减缓了田面水中溶解的CO2消耗, 从而抑制了田面水pH的升高[29]。本研究也发现, 田面水DOC含量也显著影响氨挥发速率(P<0.01, 表5), 与基肥表施SN300和SN270处理相比, 基肥深施处理下基肥期田面水DOC分别降低53.9%和40.4%, 可能由于DOC含量降低, 减少了氧化过程的电子供体, 抑制了硝化细菌反硝化过程, 进而减缓了无机氮的生产。

图4 不同施肥处理下水稻生长期间田面水pH和NH4+-N、NO3--N、可溶性有机碳浓度动态变化Fig.4 Dynamics of pH and concentrations of NH4+-N, NO3−-N, and dissolved organic carbon (DOC) of surfact water of paddy field in different sampling days under different fertilization treatments

表5 不同施肥处理下水稻生长期间NH3排放通量与田面水NO3--N、NH4+-N、pH和可溶性有机碳(DOC)相关性分析Table 5 Correlations between NH3 flux from rice paddy fields and pH and concentraions of NO3−-N, NH4+-N, and dissolved organic carbon (DOC) of surface water in rice growing season under different fertilization treatments

3.2 缓释肥和脲酶抑制剂对NH3挥发的影响

缓释肥和脲酶抑制剂都是通过减缓尿素水解进而实现控氨[14]。本研究中水稻追肥期单独采用脲酶抑制剂或缓释肥替代尿素或脲酶抑制剂和缓释肥组合措施, 与常规追肥期氮施用处理相比, 都能实现很好的控氨效果, 氨排放量在分蘖肥期分别降低30.4%、36.4%和46.7%, 在穗肥期分别降低25.3%、28.1%和36.9% (表4), 本研究进一步证实在水稻追肥期用缓释肥替代尿素的控氨效果好于配施脲酶抑制剂控氨效果[31-32]。追肥期用缓释肥代替尿素和配施脲酶抑制剂的组合措施对稻季氨减排效果最好, 与追肥期采用单一的控氨措施相比, 分蘖肥期和穗肥期氨减排率分别降低10.3%～16.3%和8.8%～11.6%, 与已有研究结果一致[14,33]。缓释肥可使肥料缓慢释放, 延长对作物生长的肥料供给, 配施脲酶抑制剂可减缓缓释肥释放的尿素水解过程, 通过降低稻田田面水NH4+-N浓度和pH来实现控氨[14,17], 与单一追肥期氨减排措施相比, 组合措施可实现两种单一氨减排措施减排效应的累加, 因而可以实现氨减排率的提高(表4), 与已有研究一致, 主要原因是降低了田面水NH4+-N浓度和pH (图4)。

3.3 稻田氨减排模式

降低稻田氨排放量, 不仅有利于提高氮肥利用率、作物产量和减少稻田面源污染进而控制水体富营养化[34-35], 同时可以降低因氨排放加剧的大气雾霾PM2.5对人体产生的危害[36]。目前常用稻田氨减排措施有施用缓释肥、深施和脲酶抑制剂等[16,18,37]。本研究是基于大田原位试验, 以整个水稻生长季为研究周期, 对比各处理氨减排效果, 得到了具有可示范推广的大田氨减排模式。本研究表明, 以D270+SR+UI处理下单位水稻产量排放NH3最低, 即比常规氮肥用量减少10%、基肥深施、追肥采用缓释肥替代尿素和配施脲酶抑制剂, 不仅可以获得水稻微增产(表3), 还可以实现降低50.9%的氨排放量, 如仅考虑氨减排量, 此模式是一种最优的模式, 但同时在追肥期用缓释肥替代尿素和配施脲酶抑制剂, 会额外增加农业生产资料成本支出。在本研究中, 氨减排模式的重点是基肥深施, 其不仅可以显著降低基肥期NH3排放量, 还能减少分蘖肥期和穗肥期的NH3排放量, 与氮肥减施配合使用, 整个水稻生长季可降低38.5%的NH3排放量(表4), 且不会增加追肥期肥料成本。因此, 综合考虑成本因素和减排效果,采用基肥深施是南方稻田氨减排的首选模式。以往研究中, 水稻基肥深施只适用于盆栽或小块田间试验中, 采用人工进行不同深度肥料的深施, 费时费力不具有实际推广价值[13,15,18]。本研究中水稻基肥深施采用机插秧-侧根深施施肥一体化机(洋马,YR60DZF), 实现了水稻插秧和侧根肥料深施机械化进行, 解决了肥料深施带来的费时费力的实际问题,适合在农业集约化程度高的太湖地区进行推广。已有研究结果证实随着施肥深度的增加, 氨减排效果越明显[38], 综合考虑氨减排和水稻产量, 在南方稻田中, 基肥深施10 cm可以得到最佳效果[13,15,18], 由于机插秧-侧根施肥一体化机要兼顾插秧与施肥, 本研究中深施深度仅为5 cm, 因此需要进一步研发可调节深施深度的施肥机具。

4 结论

综合考虑氨减排效果和成本因素, 在南方典型稻田中采用基肥期尿素深施是一种可推广的氨减排模式, 可以降低基肥期78.2%～85.2%的NH3排放量,与氮肥减施配合使用, 整个水稻生长季可降低38.5%的NH3排放量, 主要通过降低田面水NH4+-N浓度、pH和DOC浓度等环境因子来实现NH3排放量的降低。与深施配套的机插秧-侧根深施一体化机具已经开始推广, 解决了肥料深施带来的费时费力和成本高昂的实际问题。稻田追肥期采用缓释肥替代尿素和配施脲酶抑制剂可降低36.9%～46.7%的NH3排放量, 整个水稻生长季可降低50.9%的NH3排放量。未来, 随着缓释肥和常规尿素价差的缩小, 在追肥期用缓释肥替代尿素、配施脲酶抑制剂可成为稻田追肥期实现进一步氨减排的模式。