水稻秸秆和脲酶抑制剂联合使用对油菜地氨挥发、产量和氮素利用的影响

2023-06-10林超文刘海涛罗付香章淑群

西南农业学报 2023年4期

王宏, 姚莉, 张奇, 林超文, 刘海涛,罗付香, 王谢, 杨璇, 章淑群

(1. 四川省农业科学院农业资源与环境研究所,成都 610066;2. 四川省耕地质量与肥料工作总站,成都 610045;3. 眉山市仁寿生态环境局,四川眉山 620500)

【研究意义】油菜籽是国产食用植物油的第一大来源,占国内油料作物产量的1/2以上。长江流域是我国最大的油菜产区,种植模式主要以水稻-油菜轮作为主,该轮作模式遍及长江流域各省(市),因此每年的水稻和油菜收获季,都会产生大量难以处置的秸秆,目前,通过秸秆还田是合理利用秸秆的方法之一[1]。作物秸秆除了含有碳、氮、磷、钾等植物必须的大量元素之外,也含有丰富的微量元素,还田之后可对土壤理化性质产生一定影响[2],如秸秆还田可以提高土壤有机质、提供养分和改善土壤通气性,同时作为良好的保水剂,能够实现秸秆综合利用,因此,明确秸秆还田用量对促进农田生态系统良性循环具有重要意义[1,4-5]。【前人研究进展】中国是秸秆生产大国,每年产生的各类作物秸秆大约有8.4×108t[3]。但是,水稻秸秆还田之后会对油菜地氨挥发转化造成一定影响。近年研究表明,在农田运用尿素辅以脲酶抑制剂可以降低农田氨挥发[8-10]。脲酶抑制剂能够通过抑制脲酶活性,从而减缓尿素反应水解氨挥发或者硝化转化生成硝酸盐的速度[11],降低由此引发的环境风险。N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)是目前商品化的土壤脲酶抑制剂之一,是一种较弱的植物或微生物脲酶抑制剂[12],NBPT在非酸性、通气性良好的农田中,对于延缓尿素水解,提高尿素氮肥的利用率十分有效[8]。Su等[6]研究发现在油菜基肥期进行水稻秸秆覆盖,可以降低土壤温度,从而降低油菜地氨挥发;而在薹肥期水稻秸秆覆盖会增加油菜地氨挥发。卢杨[7]研究表明,油菜全生育期,水稻秸秆覆盖还田加剧了油菜季氨挥发损失,增幅70.1%～87.6%,而使用脲酶抑制剂后,发现随着脲酶抑制剂浓度的增大,油菜的产量和肥料利用率也随之增加。张文学等[9]通过田间小区实验,研究了NBPT对我国双季稻田的无机氮含量、酶活性、微生物量碳、氮含量以及氮素回收率等的影响,结果表明NBPT能提高孕穗期土壤中的铵态氮含量,在尿素中添加1%的NBPT还可提高产量,减少25%的传统施氮肥量,是适于稻田应用的脲酶抑制剂。郝小雨[25]在硝化/脲酶抑制剂对玉米增产、增效及提质的效应研究进展中表明,硝化/脲酶抑制剂配合施用,能够延长氮素释放周期,促进玉米氮素吸收,从而提高玉米产量和氮肥利用率,改善玉米籽粒品质。【本研究切入点】为了降低水稻秸秆还田到油菜地导致的氨挥发增加,需进一步寻找合适的方法,采用合适的脲酶抑制剂,才能有效降低氨挥发。但是,截至目前,还缺乏脲酶抑制剂使用对川中丘陵区油菜地氨挥发的影响,尤其是水稻秸秆还田情况下,相关研究甚少。【拟解决的关键问题】本研究旨在进一步设置田间试验,探索脲酶抑制剂在水稻秸秆还田的情况之下,对油菜氨挥发、产量和氮素利用的影响,为提高油菜产量,降低农田氨挥发,促进农田生态系统良性循环提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于长江分支沱江流域上游,地理位置为104°35′19″ E,30°06′44″ N,海拔395 m,亚热带季风气候。年平均气温16.8 ℃,一年中平均最高温度在7月,为27.4 ℃,平均最低温度在1月,为7.4 ℃。年平均降水量966 mm,70%的降雨发生在7—9月。试验地土壤为紫色土。整个油菜季日平均气温和降雨量如图1所示。

图1 2018—2019年和2019—2020年油菜季温度和降雨情况Fig.1 Variations of temperature and precipitation during oilseed rape growth in 2018-2019 and 2019-2020

1.2 试验设计

试验分别在2018—2019年和2019—2020年连续进行,地点在资阳市雁江区响水沟村。试验共8个处理,分别为不施肥处理(CK)、常规施肥(UR)、常规施肥+2000 kg/hm2水稻秸秆(UR+2S)、常规施肥+5000 kg/hm2水稻秸秆(UR+5S)、常规施肥+8000 kg/hm2(UR+8S)、常规施肥+2000 kg/hm2水稻秸秆+1%NBPT(UR+2S+UI)、常规施肥+5000 kg/hm2水稻秸秆+1%NBPT(UR+5S+UI)、常规施肥+8000 kg/hm2水稻秸秆+1%NBPT(UR+8S+UI)。其中,常规处理氮肥用量180 kg/hm2,磷肥用量75 kg/hm2,钾肥用量105 kg/hm2,硼肥用量15 kg/hm2,磷肥、钾肥和硼肥全部作为基肥施用。试验所使用的油菜品种为宜油24,2018—2019年油菜在2018年10月31日移栽,在2019年5月14日收获并取籽粒样品,2019—2020年油菜在2019年11月2日移栽,在2020年5月13日收获并取籽粒样品。试验小区面积为30 m2(5 m×6 m),采用随机区组方式进行排列,每个处理重复3次。将水稻秸秆粉碎为5 cm长的小段,然后在油菜移栽前一周将粉碎的水稻秸秆翻耕到表层0～20 cm土壤中。此外,试验中尿素分2次进行施用,60%作为基肥,40%作为薹肥,NBPT添加量是尿素用量的1%,在基肥期和薹肥期施用尿素时都会添加1%NBPT。水稻秸秆有机碳、全氮、全磷、全钾含量分别为50.12%、0.71%、0.07%、2.72%。

1.3 氨挥发测定

采用通气法对氨气进行采集。通过真空泵减压利用空气将土壤中挥发的氨气随气流进入装有2%硼酸的吸收瓶,再用浓度为0.1 mol/L的标准盐酸滴定硼酸中吸收的氨气,装置如图2。具体方法为:在地里预埋内径50 cm、高30 cm的不透光有机玻璃微区桶,微区内有一株油菜,用一带盖有机玻璃罩(内径=50 cm,高=10 cm)扣在微区桶上,并用透明胶带密封连接部分(胶带宽度≥5 cm),通过橡皮管与高2.5 m的通气管连接(所有通气管口位于离试验地5 m之外2.5 m高的点,保证通入密室的气体一致且不被油菜地排放的NH3污染,其NH3浓度为大气中的NH3浓度)。施肥后第2天开始测定,油菜季每天固定在9:00—10:00,16:00—17:00进行连续测定(降雨停止测定),直至施氮处理与不施氮处理的氨挥发通量无差异时停止测定[13]。2018—2019年油菜在2018年10月31日移栽,在2018年11月8日施肥,从2018年11月9—21日测定基肥期氨挥发;2019年3月8日施肥,从2019年3月9—19日测定薹肥期氨挥发。2019—2020年油菜在2019年11月4日移栽,在2019年11月13日施肥,从2019年11月14—26日测定基肥期氨挥发;2020年3月6日施肥,从2020年3月7—19日测定薹肥期氨挥发。

图2 氨挥发测定的密闭室装置示意图Fig.2 Experimental set-up for ammonia volatilization

1.4 植株样品的采集与测定

2018—2019年油菜在2019年5月14日收获并取籽粒样品,2019—2020年油菜在2020年5月13日收获并取籽粒样品,于105 ℃杀青30 min,在75 ℃烘干至恒重,测定作物的含水率,从而换算得到每个小区作物的干产。各部位样品经过磨碎,过1.00 mm筛,称取0.10 g植株样品,经H2SO4-H2O2消煮,采用AA3连续流动分析仪测定各部位全氮的含量。

1.5 氨挥发通量计算

氨挥发通量的计算方程:

F=C×V/(S×t)×24×10 000/1000 000

(1)

式中,F为1 d中NH3挥发通量[kg/(d·hm2)],C为标准盐酸的浓度(mg/L),V为标准盐酸的滴定体积(L),S为密闭式内部面积(m-2),t为氨挥发测定时间(h)。

NH3挥发总量的计算方程为:

NA=∑(F×d)

(2)

式中,NA为NH3挥发总量(kg/hm2),d为时间(1 d)。

氨挥发累积损失率:P=CA/N

(3)

式中,P为氨挥发累积损失率,CA为积氨挥发总量,N为施氮量。

氨挥发因子:EF(%)=(Efertilizer-Econtrol)/Napplied

(4)

式中,EF为氨挥发因子,Efertilizer为施肥处理的累积氨挥发量,Econtrol为不施肥处理的累积氨挥发量,Napplied为各个处理氮肥用量。

1.6 数据处理

使用Microsoft Excel 2007软件对数据进行统计和制图,采用SPSS 19进行单因素分析,其显著水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 油菜地氨挥发速率

从图3可以看出,2018—2019年,基肥期施用尿素后,油菜地氨挥发速率逐渐增大,CK、UR、UR+2S、UR+5S、UR+2S+UI和UR+5S+UI在11月12日(施肥后第4天)出现最大值,而UR+8S和UR+8S+UI在11月15日(施肥后第7天)出现最大值;在薹肥期,CK、UR、UR+8S、UR+2S+UI、UR+5S+UI在3月11日(施肥后第3天)出现最大氨挥发速率,而UR+2S在3月10日(施肥后第2天)出现最大值,UR+5S在3月9日(施肥后第1天)出现最大值,UR+8S+UI在3月13日(施肥后第5天)和3月18日(施肥后第10天)都较高。在2019—2020年,基肥期尿素施用之后,除了处理UR+8S和UR+2S+UI在11月17日(施肥后第4天)出现最大氨挥发速率,其余处理都是在11月18日(施肥后第5天)出现最大值;在薹肥期,CK和UR+2S在3月10日(施肥后第4天)出现最大值,UR和UR+8S在3月9日(施肥后第3天)出现最大值,UR+5S在3月8日(施肥后第2天)出现最大值,UR+2S+UI、UR+5S+UI和UR+8S+UI分别在3月12日和3月13日(施肥后第6和7天)出现最大值。在2018—2019年,基肥期UR+8S的氨挥发速率最大,为0.67 kg/(hm2·d),而UR+2S+UI、UR+5S+UI和UR+8S+UI的氨挥发速率都较小;薹肥期UR+5S的氨挥发速率最大,为0.68 kg/(hm2·d),UR+5S+UI氨挥发速率最小,仅有0.17 kg/(hm2·d)。2019—2020年,基肥期UR+5S的氨挥发速率最大,为0.98 kg/(hm2·d),UR+2S+UI、UR+5S+UI和UR+8S+UI的氨挥发速率都比较小;薹肥期UR+8S的氨挥发速率最大,为0.52 kg/(hm2·d),UR+2S+UI、UR+5S+UI和UR+8S+UI氨挥发速率都较小。总之,对于油菜地氨挥发而言,水稻秸秆覆盖之后,会影响油菜地氨挥发速率,而且当秸秆用量较大时,会增大氨挥发速率。使用1%NBPT之后,能够降低氨挥发速率,且延迟最大氨挥发速率的出现时间。

图3 油菜地氨挥发速率Fig.3 The rate of NH3 volatilization of oilseed rape field

2.2 油菜地累积氨挥发量

从表1可以看出,2018—2019年和2019—2020年不管是基肥期还是薹肥期,施用尿素后,与不施肥空白对照相比较,氨挥发量显著增加。此外,油菜地不管是基肥期还是薹肥期,随着水稻秸秆还田数量的增加,累积氨挥发量也增加,特别是在2019—2020年,处理UR+8S全年累积氨挥发量达到9.40 kg/(hm2·d)。使用1%NBPT之后,油菜地累积氨挥发量急剧下降。其中,2018—2019年和2019—2020年处理UR+2S+UI累积氨挥发量比处理UR+2S分别降低47.50%和61.36%;2018—2019年和2019—2020年处理UR+5S+UI累积氨挥发量比处理UR+5S分别降低61.76%和65.62%;2018—2019年和2019—2020年处理UR+8S+UI累积氨挥发量比UR+8S分别降低55.73%和68.40%,而且两年平均累积氨挥发量UR+2S+UI比UR+2S降低55.00%,UR+5S+UI比UR+5S降低63.83%,UR+8S+UI比UR+8S降低62.74%。使用1%NBPT对降低油菜地累积氨挥发量的效果非常好。通过分析氨挥发因子可以发现,2018—2019年和2019—2020年,油菜地在薹肥期使用水稻秸秆还田联合1%NBPT之后,比基肥期对氨挥发降低效果差,可能是因为薹肥期气温高于基肥期(图4)。2018—2019年和2019—2020年处理UR+2S+UI、UR+5S+UI和UR+8S+UI基肥期两年平均氨挥发因子分别是0.26、0.27和0.24,而薹肥期氨挥发因子分别为0.80、1.11和1.59。可能是因为在薹肥期气温升高,降低了NBPT活性,从而导致油菜地氨挥发量增加。同时可以发现随着水稻秸秆还田量的增加,氨挥发因子呈增加趋势。

表1 2018—2019年和2019—2020年油菜地累积氨挥发量和氨挥发因子Table 1 Cumulative ammonia volatilization and ammonia volatilization factors in oilseed rape field in 2018-2019 and 2019-2020

图4 2018—2019年和2019—2020年油菜地氨挥发时的土温Fig.4 Soil temperature during ammonia volatilization in oilseed rape field in 2018-2019 and 2019-2020

2.3 油菜产量、吸氮量及氮肥利用率

从表2可以看出,2018—2019年油菜地使用水稻秸秆用量从2000 kg/hm2增加到5000 kg/hm2时,并没有显著增加油菜籽粒产量。直到水稻秸秆用量为8000 kg/hm2时,油菜产量才显著增加。而2019—2020年当水稻秸秆还田量为8000 kg/hm2时,虽然油菜产量增加,但并没有达到显著水平。当水稻秸秆还田联合1%NBPT同时使用时,比单纯施尿素增加产量更加显著。2018—2019年相比于处理UR,处理UR+5S+UI增加油菜籽粒产量6.00%,处理UR+8S+UI增加油菜籽粒产量11.93%;2019—2020年相比于处理UR,处理UR+2S+UI也显著增加油菜籽粒产量10.90%,处理UR+5S+UI增加油菜籽粒产量13.14%,处理UR+8S+UI增加油菜籽粒产量16.16%,说明连续使用秸秆还田联合1%NBPT可以提高油菜籽粒产量,而且秸秆还田量越高对籽粒产量增加效果越显著。2018—2019年,油菜籽粒吸氮量随秸秆还田量的增加而增加,特别是UR+5S+UI和UR+8S+UI两个处理,吸氮量增加非常显著;2019—2020年,随着水稻秸秆还田量的增加,籽粒吸氮量也增加。2018—2019年和2019—2020年,在使用1%脲酶抑制剂之后,随着秸秆量的增加油菜籽粒氮肥利用率也增加,最大氮肥利用率能够分别达到41.92%和40.91%,比单纯施用尿素提高9.17%和8.21%。此外,通过分析单位产量氨挥发量(图5)可以得知,水稻秸秆还田量为8000 kg/hm2联合添加1%NBPT,不仅能够降低氨挥发,而且对油菜籽粒产量的提高也非常有效。

表2 2018—2019年和2019—2020年油菜籽粒产量、吸氮量和氮肥利用率Table 2 Oil seed yield, nitrogen uptake and nitrogen use efficiency in 2018-2019 and 2019-2020

不同小写字母表示存在显著性差异,通过LSD<0.05检验。Different lowercase letters indicate significant differences according to least significance test, LSD<0.05.图5 油菜地单位产量氨挥发量Fig.5 Ammonia volatilization per unit yield of oilseed rape field

3 讨论

油菜是我国重要的油料作物,氮肥需求量较大,直接降低氮肥施用量不足以保证油菜各生育阶段的氮素需求,氮肥减量措施难以实施。水稻-油菜轮作是长江流域种植油菜的主要种植模式,水稻秸秆还田不仅能够促进秸秆废弃物循环利用,还对油菜作物生长、土壤改良培肥和水土流失治理等具有重要意义。本研究发现,与单纯施入尿素相比,水稻秸秆还田之后对油菜地最大氨挥发速率影响不同,与以往将秸秆覆盖还田延迟最大氨挥发速率存在差异[6,14]。只有UR+8S+UI处理最大氨挥发速率出现时间比较晚,直到施肥后第10天才出现。这可能是因为秸秆用量较大和联合使用1%NBPT,降低了脲酶对尿素的水解,从而延迟了最大氨挥发速率的出现[15]。此外,本研究还发现水稻秸秆还田之后会提高油菜地氨挥发速率,而且秸秆还田量越多油菜地氨挥发速率越大。这一研究结果与Su等[6]发现稻草覆盖还田会降低油菜地氨挥发的结果不一致。这可能是因为本研究水稻秸秆还田采用将稻草与0～20 cm土壤翻耕混匀后再移栽油菜,不同于其采用秸秆覆盖措施。Liu等[16]在冬小麦种植季使用水稻秸秆还田氨挥发速率能达到70.12%～85.23%,与本研究结果一致。使用1%NBPT后,油菜地氨挥发速率急剧下降,这一结果与很多研究结果相似[8-9, 17]。

油菜地施用尿素后,2018—2019年和2019—2020年基肥期平均累积氨挥发量为2.92 kg/hm2,薹肥期平均累积氨挥发量为1.76 kg/hm2,全年合计平均累积氨挥发损失氮为4.67 kg/hm2,占施肥量的1.62%。这一研究结果与在旱地关于小麦-玉米轮作得到的氨挥发损失率为1.3%～4.8%和冬小麦得到的氨挥发损失率为1.0%～6.7%的结果一致[18-21]。而当水稻秸秆还田量为8000 kg/hm2时,累积氨挥发损失占全年施氮量的3.74%。这一研究结果与Su等[6]研究得到油菜地累积氨挥发损失率为2.13%～5.78%一致。可能是由于水稻秸秆与0～20 cm表层土壤翻耕混匀后再撒施肥料,阻碍了尿素与土壤之间的接触,从而增加了尿素的氨挥发损失[22]。随着水稻秸秆还田量的增加,NBPT的抑制作用逐渐减小,而且在薹肥期NBPT的减弱作用更加明显。一方面可能是因为当水稻秸秆还田量增大会降低NBPT对土壤脲酶活性的抑制作用[10];另一方面,可能是因为薹肥期气温高于基肥期。温度对NBPT抑制脲酶的活性影响非常大,温度越高NBPT活性越低[12, 23]。

水稻秸秆还田量为2000～5000 kg/hm2时,并没有显著增加油菜籽粒产量,但是当秸秆还田量为8000 kg/hm2时,油菜籽粒产量显著增加8.23%。这与Su等[6]研究水稻秸秆还田有显著增加油菜产量一致。Li等[24]发现水稻秸秆还田量越多,油菜产量就越高。2018—2019年和2019—2020年油菜籽粒产量最高的是处理UR+8S+UI,分别为2.99和3.39 t/hm2,比常规施用尿素分别显著增长11.99%和16.10%。卢杨[7]发现脲酶抑制剂和硝化抑制剂都可以对油菜产量产生影响,与单纯施用尿素相比,能够增加油菜产量9.77%～30.33%。串丽敏[11]研究发现NBPT添加量为纯氮的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%时,可以显著提高油菜产量。本研究认为,对于川中丘陵区而言,NBPT为尿素施肥量的1%时,水稻秸秆还田量为8000 kg/hm2左右,依然可以达到最佳的经济和环境效益。