水土保持耕作对黑土玉米氮素利用与温室气体排放影响

齐智娟 李 骜 张忠学 余佩哲 尹致皓 宋 芳

(1.东北农业大学水利与土木工程学院,哈尔滨 150030;2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室,哈尔滨 150030)

0 引言

N2O是三大温室气体之一,其单位分子增温潜能是CO2的300倍,给全球气候和环境带来严重的威胁[1-5]。约75%的人为N2O排放源于农业土壤,其中旱地土壤是农业源N2O排放的主要来源之一[6]。当前,人类活动导致的全球N2O排放量的增长速度超过了最高预期排放情景,凸显了减少N2O排放的紧迫性,氮肥高效利用是最有潜力的减排措施[7]。

东北黑土区是我国最重要的商品粮基地,是中国粮食安全的可靠保证,对保障国家粮食安全和生态安全具有重要意义[8-9]。近年来,由于长期高强度开发利用、气候变化、耕作方式不合理(搅动土壤、植被破坏、秸秆根茬未还田)以及自然因素(地势波状起伏、水沟侵蚀)等原因,我国黑土地遭受的破坏日益严重,水土流失,地力下降,对粮食产量造成威胁[10]。因此,水土保持耕作显得尤为重要。与传统耕作方式相比,水土保持耕作处理可以减少土壤扰动,在优化土壤团聚结构、改善土壤蓄水保水能力、促进土壤有机质形成及其稳定化过程等方面具有积极的调控作用[11-14]。

现有的水土保持耕作技术主要有等高耕作、垄向区田以及深松耕作等。已有研究表明,实施水土保持耕作措施可以更好地调控土壤的养分供应状况,实现土壤氮素供应与作物需氮的时空吻合,有助于实现夏玉米高产高效生态安全生产[15]。而且不同水土保持措施均可在不同程度上降低坡耕地水土及氮磷养分的流失[16]。目前对于水土保持耕作条件下有关作物的研究主要集中在耕作方式对作物产量、生长发育、蓄水肥田以及土壤结构等方面的影响[17]。对于不同耕作方式对氮素吸收利用以及温室气体排放影响方面的研究并不深入。氮素作为影响作物产量的首要因子,在作物生长过程中起着至关重要的作用,要进一步研究施加同样数量氮肥条件下,可以为作物生长提供较好的生长环境,提高氮肥利用率,稳产或增产,并有效减少温室气体排放的黑土坡耕地水土保持耕作技术。

本文针对当前东北黑土区玉米田存在的土地退化、氮肥利用率低、温室气体排放增加等问题,以传统耕作方式为对照,研究不同耕作模式对玉米田温室气体排放与氮肥吸收利用的影响,为黑土坡耕地保护、肥料高效利用、农田氧化亚氮气体减排提供应用基础理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

依托中国科学院海伦水土保持监测研究站开展试验,试验站位于黑龙江省松嫩平原北部海伦市西南部的前进乡光荣村(47°37′N,126°84′E)。该试验区位于东北典型黑土区北部,为商品粮核心产区,漫川漫岗水土流失区,平均海拔210 m,坡度为0.5°～7°,坡长为200～1 000 m,土壤侵蚀模数大于1 000 t/(km2·a),沟壑密度2.27 km/km2,垦殖率80%,坡耕地占比90%以上,黑土层厚度约为30 cm。主要作物为大豆和玉米。试验区多年平均气温-4～5℃,无霜期135 d,年降水量400～650 mm,7—9月降雨量占年降水量的70%。土壤速效氮(N)质量比154.4 mg/kg,速效磷(P2O5)质量比40.1 mg/kg,速效钾(K2O)质量比376.8 mg/kg,pH值为7.27。

1.2 试验设计

在海伦光荣小流域开展小区试验和大田试验,为了解决黑土变薄变瘦的问题,试验基于等高耕作、深松耕、垄向区田以及其组合模式,开展不同水土保持耕作方式下的东北黑土坡耕地玉米农田耕作试验,选择等高耕作(TP)、垄向区田(RF)、深松耕(SF)、等高耕作+深松耕(TP-S)、垄向区田+深松耕(RF-S)和等高耕作+垄向区田(TP-R)6种模式,常规耕作(CK)为对照。试验处理设计如表1所示。

表1 田间小区试验处理设置

结合当地玉米种植经验,施肥水平、生产管理与当地保持一致,累积施用氮肥250 kg/hm2,分2次施入。采用全面试验设计方法,共计7个处理,每个处理3次重复,共计21个试验小区,随机排列,每个小区面积为100 m2(20 m×5 m)。供试玉米品种为“迪卡1563”,种植密度为56 700株/hm2,试验区无灌溉,玉米生育期内日气温与降雨量变化如图1所示。

图1 生育期内试验地日气温和降雨量

1.3 测定指标与方法

(1)地上部生物量

将植株沿地上部分取下,用农用压缩喷雾器将植株冲洗干净,并将植株按不同器官放入干燥箱中,105℃杀青30 min后,60℃干燥至干质量恒定。将干燥后的样品放置在干燥箱中冷却,称量干物质量。

(2)植株各器官氮素指标测定

将称量后的成熟期样品按不同器官用球磨机磨碎,过80目筛后混匀,采用H2SO4-H2O2消煮,取消煮后的清夜,采用德国SEALAnalytical公司生产的AutoAnalyzer-Ⅲ型流动分析仪,测定成熟期植株各器官氮质量分数。

(3)土壤有机质和氮素相关指标

(4)气体排放量

采用静态箱-气相色谱法采集各时期N2O与CO2气体。箱体由有机玻璃制成,四周采用透明隔热防晒漆进行隔热处理,箱内装有1个风扇以混匀气体,侧面中上部设置气密性气体取样孔,气样抽取后转入采气袋(50 mL)。气体测定后计算气体排放通量,计算式为[18]

式中F——N2O、CO2排放通量,单位分别为μg/(m2·h)、mg/(m2·h)

ρ——在标准状态条件下气体密度,g/cm3

P——气体采集时标准大气压,Pa

V——箱体体积,m3

A——箱体底面积,m2

ΔC/ΔT——箱体内气体浓度随时间变化的回归曲线斜率,μL/(m3·h)

T——采样时箱体内气体温度,℃

玉米全生育期内土壤N2O与CO2累积排放量计算公式为

式中M——土壤N2O、CO2排放总量,kg/hm2

fi——第i次采样时N2O、CO2排放量,mg/(m2·h)

fi+1——第i+1次采样时N2O、CO2排放量,mg/(m2·h)

ti——第i次采样时间,d

ti+1——第i+1次采样时间,d

试验期间使用3次气体监测结果的平均值作为期间未采样日的排放通量(线性内插法),将每日的排放量累加求得阶段性累积排放量。

(5)产量及其构成

在收获期取每小区中间2行进行测产,记录穗数,收获后随机选择20个果穗记录每穗的穗行数、穗粒数,风干玉米穗部至质量恒定,进行脱粒、称量,并折算成籽粒含水率为14%的玉米籽粒产量。

(6)相关指标计算公式

植株器官氮素累积量(Ni)为植株器官干物质量与植株含氮量乘积,营养器官氮素转运量(NTA)为抽雄期营养器官氮素积累量与成熟期营养器官氮素累积量差值,氮素转运效率(NTE)为营养器官氮素转运量占抽雄期营养器官氮素积累量百分比,氮素转运对籽粒贡献率(NTCP)为营养器官氮素转运量占成熟期籽粒氮素累积量百分比,氮肥生产效率(NPE)为单位面积玉米产量与施氮量比值,氮素吸收效率(NUE)为植株氮素累积量与施氮量比值,氮素收获指数(NHI)为籽粒氮素累积量与施氮量比值[19-23]。

1.4 数据分析

试验数据使用Microsoft Excel(2016)进行整理,采用SPSS 22.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,美国)进行统计分析,运用最小显著差异法(LSD)对各处理数据进行多重比较(P<0.05)。使用Microsoft Excel(2016)和Origin Pro 9.1作图。

2 结果与分析

2.1 不同水土保持耕作技术对N2O与CO2排放的影响

玉米生育期农田N2O排放通量如图2a所示,各处理均表现为正值,表明旱地土壤是N2O的排放源。在玉米整个生育期内,N2O排放通量在不同处理间的趋势基本一致,呈“山”字型,有明显的季节变化规律。生长初期和末期的排放通量较低,中期排放通量高,且在6月出现最高峰,之后逐渐保持平稳。从整个生育期来看,TP处理的N2O排放通量显著低于其他处理,SF处理的N2O排放通量最高,CK处理位于中间值。各处理N2O排放通量由小到大依次为SF处理、RF处理、RF-S处理、CK处理、TP-S处理、TP-R处理、TP处理。CO2排放通量如图2c所示,从图中可以看出在玉米生育期内土壤CO2的排放规律与N2O有着明显的不同,CO2的排放峰值有2个,分别集中在7月初的拔节期与8月初的抽雄期,其他时期则较为平缓。从图2c可以看出,SF处理的CO2排放通量最高,TP处理的排放通量最低。以最高峰来看,SF处理比CK处理CO2排放高36.42%,TP处理则显著降低,较CK处理减少128.63%。不同水土保持耕作技术下,土壤的N2O与CO2的累积排放量都在生育期内逐渐增高。苗期各处理土壤 CO2累积排放量增加比较缓慢,拔节期至抽雄期增速加快,抽雄期至灌浆期累积排放量逐渐减缓,灌浆期至成熟期最低。

图2 生育期内不同水土保持耕作技术下的土壤温室气体排放通量与累积排放量

2.2 不同水土保持耕作技术对土壤中氮的影响

2.2.1土壤全氮

图3为不同水土保持耕作模式下玉米土壤的全氮(TN)含量(质量比)。在玉米的不同生长阶段,同一生育期内表层土壤的全氮含量在不同处理之间存在差异。从图3中可以看出,苗期的土壤全氮含量较高,在之后的生育过程中,由于玉米植株生长,吸收养分而导致土壤的全氮含量逐渐减少。从整个生育期来看,各处理土壤的全氮含量均比常规耕作高,并且随着玉米的发育生长,土壤的全氮含量均呈下降趋势。在玉米成熟期时,CK处理相比较TP-S、TP-R、TP、RF-S、RF和SF处理土壤全氮含量分别低18.03%、13.17%、8.31%、8.59%、3.38%和5.56%。

图3 生育期内不同水土保持耕作技术下的土壤全氮含量

2.2.2土壤硝态氮与铵态氮

从图4a可以看出,土壤硝态氮含量在苗期至拔节期以及抽雄期至灌浆期呈降低趋势,在拔节期至抽雄期以及灌浆期至成熟期有所增加,但变化幅度各不相同。整体来看,实施了水土保持耕作技术的地块,土壤硝态氮含量均比CK处理高。苗期时,水土保持耕作处理较常规处理土壤硝态氮含量高18.48%～52.08%;拔节期高0.12%～26.32%;抽雄期高21.12%～54.29%;灌浆期高40.72%～86.57%;成熟期高37.82%～140.06%。

图4 生育期内不同水土保持耕作技术下的土壤硝态氮、铵态氮含量

土壤铵态氮含量的变化趋势与硝态氮含量相似,但同一个处理在相同时期土壤铵态氮含量明显低于硝态氮含量。从图4b可以看出,整个生育期内,实施水土保持耕作处理的土壤铵态氮含量明显高于常规处理。在玉米成熟期时,各水土保持耕作处理较常规耕作处理高47.13%～118.33%。

2.3 不同水土保持耕作技术对植株氮素的影响

2.3.1植株氮素累积

成熟期单植株氮素累积量如图5(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05))所示,从图中可以看出,各处理植株器官氮素分配由大到小依次为籽粒、叶、茎、苞叶、穗轴,这表明玉米吸收的大部分氮被输送到籽粒中。各水土保持耕作处理的植株总氮积累量均高于常规处理,其中含量最高的为TP-S处理,相比较其他处理高16.24%～77.06%。各处理籽粒和穗轴的氮积累量差异显著,最高的处理为TP-S,分别较CK处理显著提高98.75%和120.22%;TP-S处理、TP-R处理和TP处理茎的氮积累量没有显著差异,但相比较其他处理差异显著;叶的氮累积量TP-S处理最高,比TP-R、TP、RF-S、RF、SF、CK处理分别高5.96%、9.84%、5.96%、1.05%、6.43%、46.79%。

图5 成熟期不同水土保持耕作技术下单植株器官氮素累积量

2.3.2植株氮素转运及效率

氮素转运率可以反映植株各营养器官的转运能力,从表2可以看出,耕作方式的不同,对NTE以及NTCP的影响较为显著。其中总的氮素转运效率为30.4%～54.8%,最高处理为TP-S,最低处理为CK;氮素转运对籽粒贡献率为17.6%～38.7%,最高处理为TP-R,最低处理为CK。TP-S、TP-R、TP、RF-S、RF、SF处理的氮素转运对籽粒贡献率分别比CK处理高97.73%、119.89%、64.20%、99.43%、75.00%、97.73%;总的氮素转运效率分别比CK处理高80.26%、50.33%、44.08%、74.67%、50.00%、69.74%。

表2 不同水土保持耕作技术下玉米氮素转运效率及氮素转运对籽粒贡献率

2.4 产量及其构成

不同水土保持耕作技术下玉米产量及其构成如表3所示。从表3可以看出,RF处理的穗行数和穗粒数均最小,分别较其他处理降低3.89%～15.00%与3.25%～13.42%。穗粒数由小到大依次为RF处理、TP-R处理、SF处理、TP处理、CK处理、TP-S处理、RF-S处理。不同处理的玉米产量由小到大依次为CK处理、SF处理、RF处理、RF-S处理、TP处理、TP-R处理、TP-S处理,CK处理较其他水土保持耕作处理产量分别降低3.39%、10.75%、16.54%、21.16%、24%和26.43%。不同处理间收获指数差异显著,其中TP-S处理收获指数最大,较其他处理提高2.18%～13.41%。

表3 不同水土保持耕作技术下玉米产量构成及收获指数

2.5 氮素利用效率

氮肥生产效率、氮素吸收效率和氮素收获指数均是反映氮素利用的重要指标,不同的水土保持耕作措施对玉米的氮素利用效率产生了显著的影响,从表4可以看出,TP-S处理氮肥生产效率最高,各水土保持耕作处理较常规处理氮肥生产效率显著提高3%～26%。对于氮素吸收效率,各水土保持耕作处理均优于常规处理,TP-S、TP-R、TP、RF-S、RF、SF处理较CK处理分别提高76.98%、52.30%、47.33%、39.04%、25.23%、28.55%。对于氮素收获指数,从高到低依次为TP-S处理、TP-R处理、TP处理、RF-S处理、RF处理、SF处理、CK处理,TP-S处理分别比其他处理提高22.90%、27.46%、32.37%、55.78%、66.75%、99.13%,提升效果显著。

表4 不同水土保持耕作技术下玉米氮素利用效率

3 讨论

在我国,坡耕地是人类从事农业生产的主要场所之一,水土流失严重会导致耕作层土壤养分流失,降低土地生产力和土壤潜在肥力,从而影响作物对于养分的吸收利用,对作物产量以及农业生产和经济发展极为不利[24]。水土保持耕作技术可以提升土壤抗侵蚀能力,并使土壤保留更多的养分,在对水土侵蚀予以有效控制的同时,使土壤的肥力得到显著增强[25]。已有研究表明干旱地区耕作方式的转变也会对土壤养分的流失及作物对养分的吸收利用产生较大影响[26-28]。因此探明水土保持耕作技术对东北黑土坡耕地氮素利用以及产量的影响显得尤为重要。

本研究中,玉米成熟期时,实施水土保持耕作处理的植株产量较CK处理增加3.39%～26.43%,与CK处理相比,TP处理、TP-R处理以及TP-S处理由于是沿着等高线起垄,能有效拦截雨水,减少地面径流,增加水分的入渗,从而使玉米根系可以吸收更多的水分进而为玉米各器官输送。TP-S处理在等高耕作的基础上由于加上了深松,进一步打破犁底层,改变了土壤的结构,RF处理由于筑挡的存在,可以减少土壤的流失,均为作物根系提供了一个良好的生长环境,所以玉米产量明显提高。玉米产量取决于籽粒的干物质量,有研究表明,干物质积累量取决于其积累速率和积累持续期[29-30]。本试验中,RF与SF处理的玉米产量较其他水土保持耕作处理有所减少,说明其籽粒干物质量相对于其他水土保持耕作处理有所减少,这可能是由于RF、SF处理的干物质积累持续期不长的原因。

氮是作物产量形成的重要限制因子,无论是土壤中的氮含量还是植株对氮素的利用情况,均是衡量这个处理优劣的重要因素。在本试验中,各处理所施的肥量保持一致,但土壤的全氮含量有所差别,常规处理较水土保持耕作处理土壤全氮含量明显降低[31]。其中土壤全氮含量最高的处理为TP-S,与CK处理相比,TP-S处理由于土壤流失的减少从而减轻了土壤的扰动,导致全氮的矿化量减少,最终使得土壤的全氮含量增加,这也与郭亚飞等[32]的研究结果类似。国际上农田水平的氮肥利用率(NUE)是指单位施氮量所增加的籽粒产量[33]。我国氮效率包含两方面含义,一是指植物在同等的供氮水平下吸氮量大,二是指对已吸收的氮素利用效率高[34]。在本研究中,水土保持耕作处理可以显著提高氮转运效率,其中RF-S处理的器官氮素转运效率以及氮素转运对籽粒贡献率都处于较高水平。这可能是由于在抽雄期,RF-S处理积累了大部分氮素,进而可以在灌浆成熟期时向籽粒输送,从而提高器官氮素转运效率与籽粒贡献率。也有研究表明,根质量、根长、根表面积、根密度是造成产量、氮素营养效率差异的主要原因之一,RF-S处理由于进行了深松,耕层土壤更为松散,所以根系可以更好地生长,从而提高了氮素转运效率[35]。对于氮肥利用率,TP-S处理由于改变了垄向,增加了田埂深度,使根系纵向伸长,从而使总根长、平均根长增加。由于根长的增加,植株除了可以吸收表层的肥料养分,也可以吸收溶解到深层的肥料养分,所以提高植株对肥料的利用率,这与王艳[36]的研究结果相似。

翟胜等[37]研究发现土壤中碳氮基质、温度、湿度、pH值等因素均影响N2O排放。耕作方式的改变会影响土壤温度、水分等理化性质和微生物的活性,进而影响N2O排放[38]。耕作措施对N2O排放的影响研究结果之间存在较大差异,尚无统一的结论[39]。在本试验中,SF处理下的N2O排放通量最高,TP处理最低。与常规耕作相比,SF处理N2O排放高的原因可能是由于其土壤容重增加,使土壤非常容易形成厌氧环境或者是微域厌氧环境,使土壤反硝化作用能力提高,所以产生更多的N2O。TP处理比常规耕作氧化亚氮排放低的原因可能是由于TP处理土壤贯穿阻力增强、气体扩散速率降低,进而使得硝化、反硝化过程产生的N2O在扩散逸出土面之前,就被进一步还原为N2从而降低了N2O排放,还有可能是因为TP处理充气孔隙度与总孔隙度比值较小,致使土壤的通气性差,进而限制土壤N2O向大气排放,所以TP处理土壤的N2O排放量较低。

4 结束语

以东北地区黑土坡耕地为研究对象,从降低农业温室气体排放、提高氮素利用效率的角度出发,开展了为期一年的不同水土保持耕作方式下的东北黑土坡耕地玉米农田耕作试验,揭示了不同水土保持耕作方式下土壤温室气体排放通量与变化特征以及对于氮素的利用效率。结果表明,水土保持耕作措施可以显著提高玉米对于氮素的利用效率,提升产量,部分水土保持耕作措施可以明显降低N2O与CO2的排放通量。在玉米整个生育期内,进行水土保持耕作处理的玉米产量、土壤氮素含量、氮素转运效率以及对氮肥的利用效率均明显优于常规耕作。对于CO2排放,除SF处理外,其余水土保持耕作处理较常规耕作均有降低。对于N2O排放,TP处理、TP-S处理和TP-R处理较常规耕作减少显著,但SF处理、RF-S处理以及RF处理较常规耕作增加明显,对此有待进一步研究。6种水土保持耕作方式中以等高耕作+深松耕的方式在改善玉米关键期土壤氮素含量、促进玉米生殖生长、提高玉米氮素利用效率以及减少温室气体排放方面效果最为显著,本试验可为东北黑土坡耕地玉米种植过程中水土保持耕作方式的选取提供参考。