呂宏菲, 馬星霞, 楊改河, 馮永忠, 任廣鑫, 李 娜, 謝呈輝, 許宏偉

秸稈還田對關(guān)中地區(qū)麥玉復(fù)種體系土壤氨排放的影響*

呂宏菲, 馬星霞, 楊改河**, 馮永忠, 任廣鑫, 李 娜, 謝呈輝, 許宏偉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心 楊凌 712100)

農(nóng)業(yè)氨減排是霧霾治理最經(jīng)濟有效的方法, 而農(nóng)田肥料施用造成的氨排放是農(nóng)業(yè)氨排放的重要部分。本研究旨在探討冬小麥-夏玉米復(fù)種體系下土壤氨排放對秸稈還田的響應(yīng), 為減少農(nóng)業(yè)氨排放和控制霧霾提供理論依據(jù)。本試驗于2018年6月—2019年6月在陜西關(guān)中楊凌地區(qū), 對土壤氨排放、0~40 cm土壤無機氮以及產(chǎn)量進行了測定分析。試驗采用雙因素裂區(qū)設(shè)計, 主區(qū)為秸稈還田方式, 設(shè)不還田(S0)、半量還田(S0.5)和全量還田(S1)3個水平; 副區(qū)為施肥, 設(shè)不施肥(F0)、減量施肥(F0.8)、常規(guī)施肥(F1)3個水平。結(jié)果表明: 秸稈還田與施肥及兩者互作對夏玉米季土壤氨累積排放量()有顯著影響。秸稈還田對冬小麥季土壤氨累積排放量無顯著影響。整個麥玉復(fù)種體系的氨累積排放量為1.31~19.26 kg·hm-2, 占施肥量的2.17%~4.69%, 各處理之間表現(xiàn)為: S0F1>S0.5F1>S1F1>S0F0.8>S0.5F0.8>S1F0.8>S1F0>S0.5F0>S0F0。在不施肥情況下, 秸稈還田能增加土壤氨累積排放量, 但秸稈還田配施氮肥較不還田處理顯著減少土壤氨累積排放量和氨損失率, 秸稈全量還田和半量還田之間的氨排放無明顯差異。其中S1F0.8和S0.5F0.8處理在整個復(fù)種體系中減排效果最為顯著, 分別較S0F0.8處理(11.62 kg·hm-2)減排38.64%和37.35%。相比于只施氮肥, 秸稈還田配施氮肥能顯著減少土壤中無機氮, 顯著提高夏玉米產(chǎn)量6.23%~20.20%, 冬小麥產(chǎn)量16.60%~28.17%。通過PCA分析發(fā)現(xiàn), S1F0.8和S0.5F0.8處理是減排增產(chǎn)的最優(yōu)組合。綜合考慮土壤氨排放和作物產(chǎn)量, 長期秸稈還田配減量施肥處理, 能在保證作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)上減少土壤氨排放, 可在關(guān)中地區(qū)實施。

麥玉復(fù)種; 氨排放; 產(chǎn)量; 減量施氮; 秸稈還田

氨揮發(fā)是氮肥氣態(tài)損失的重要途徑, 也是導(dǎo)致氮肥利用率低的主要原因之一[1]。大量科學(xué)證據(jù)表明, 堿性污染物氨(NH3)與酸性污染物二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NO)在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 生成硫酸銨和硝酸銨, 形成PM2.5凝結(jié)核, 吸水并結(jié)合其他污染物而形成霧霾[2], 霧霾帶來的生態(tài)環(huán)境問題嚴重影響到人們生活。研究發(fā)現(xiàn)通過加強NH3控制措施干預(yù)硫酸鹽形成過程, 可有效緩解霧霾[3]。人為NH3排放主要來自于農(nóng)業(yè), 而農(nóng)業(yè)NH3排放的重要來源是種植業(yè)肥料的使用, 國外學(xué)者對減氨和控霾的相關(guān)研究表明, 農(nóng)業(yè)NH3減排是霧霾治理最經(jīng)濟有效的方法[4-7]。

農(nóng)作物秸稈是當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源[8]。據(jù)統(tǒng)計, 我國2016年秸稈總產(chǎn)量已突破8×108t[9]。將秸稈施用于農(nóng)田里能夠調(diào)控土壤水溫環(huán)境, 改善土壤結(jié)構(gòu)和作物生長環(huán)境。高效持續(xù)利用作物秸稈在化肥減施、作物增產(chǎn)和改善大氣環(huán)境等方面具有重要作用。通常情況下, 土壤pH是影響土壤氨揮發(fā)的主要因素[10], 其他影響氨揮發(fā)的土壤因素還包括還田秸稈種類[11]和土壤陽離子交換量[12]、質(zhì)地[13-14]、銨態(tài)氮含量[15]、溫度[4-5]、含水量[13,16-18]和脲酶活性[19-20]等。近年來通過秸稈還田調(diào)控土壤氨排放的研究也屢見不鮮。李宗新等[21]研究發(fā)現(xiàn), 隨施肥量增加氨排放明顯增加, 與單施化肥相比, 秸稈還田配施化肥可顯著減少夏玉米()土壤氨揮發(fā)損失4.06~8.25 kg?hm-2; 董文旭等[11]、胡春勝等[22]研究也發(fā)現(xiàn)在冬小麥()-夏玉米一年兩熟制(麥玉復(fù)種體系)下, 小麥或玉米秸稈混合施肥可顯著減少氨揮發(fā)損失, 且小麥秸稈抑制氨揮發(fā)效果優(yōu)于玉米秸稈, 但在相同的秸稈還田下, 施氮100 kg?hm-2的氨揮發(fā)量卻遠遠小于施氮70 kg?hm-2; 徐聰[23]在連續(xù)兩年的研究中指出秸稈還田配施氮肥對麥玉復(fù)種體系總的氨排放量并無明顯影響規(guī)律。以上研究之所以呈現(xiàn)不同結(jié)果, 主要由于秸稈還田方式、肥料配施量等不同。然而, 在陜西關(guān)中地區(qū)傳統(tǒng)麥玉復(fù)種體系下, 秸稈還田配施氮肥對土壤氨排放的影響如何尚少見報道。因此, 本研究基于合理的秸稈還田配施氮肥能夠?qū)r(nóng)田起到良好的增產(chǎn)減氨效果的假設(shè)之上, 在陜西關(guān)中地區(qū)以麥玉復(fù)種體系為研究對象, 開展了不同秸稈還田量配施不同施肥量下, 土壤氨排放規(guī)律及作物產(chǎn)量的研究, 旨在探索一個既能保證產(chǎn)量, 又能盡量減少土壤氨排放的田間管理模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究設(shè)于陜西省關(guān)中地區(qū)楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)(34°17′N, 108°07′E), 該區(qū)域為大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū), 年平均氣溫13.7 ℃, 最熱月月均溫為26.6 ℃, 最冷月月均溫為1.1 ℃, 全年降水量約為550 mm。作物常為一年兩熟制。本試驗為長期定位試驗, 試驗開始于2011年10月, 土壤為塿土, 2011年測定0~20 cm土壤有機質(zhì)含量為13.4 g?kg-1, 堿解氮含量32.7 mg?kg-1, 速效磷含量12.08 mg?kg-1, 速效鉀含量145.65 mg?kg-1。氨排放的測定周期為2018年6月至2019年6月, 2018年6月夏玉米種植之前0~20 cm土壤基礎(chǔ)指標如表1所示。期間試驗地氣溫與降雨量變化情況如圖1所示。

表1 2018年6月夏玉米種植之前0~20 cm土壤基礎(chǔ)指標

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments (< 0.05). S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization.

圖1 試驗區(qū)試驗期間氣溫與降雨量變化

1.2 試驗設(shè)計

試驗對象是2018—2019年麥玉復(fù)種體系, 夏玉米品種為‘漯單9號’, 播種采用免耕機械條播, 播量為42 kg?hm-2, 播幅3行, 行距50 cm, 2018年6月15日種植, 9月28日收獲, 其中大喇叭口期追肥, 施肥方式條施覆土, 追肥時大水灌溉1次, 灌溉量約120 mm。冬小麥品種為‘西農(nóng)889’, 機械翻耕后播種, 行距20 cm, 株距5 cm, 2018年10月11日種植, 2019年6月4日收獲, 其中肥料做基肥處理, 施肥方式是均勻撒施。

試驗采用雙因素裂區(qū)設(shè)計。其中主區(qū)為秸稈還田水平, 設(shè)置秸稈不還田(S0)、秸稈半量還田(S0.5)和秸稈全量還田(S1)3個梯度; 副區(qū)為施肥水平, 設(shè)不施肥(F0)、減量施肥(F0.8, 為常規(guī)施肥的80%)、常規(guī)施肥(F1)3個梯度。詳見表2。試驗共計9個組合, 分別表示為S0F0、S0F0.8、S0F1、S0.5F0、S0.5F0.8、S0.5F1、S1F0、S1F0.8、S1F1, 重復(fù)3次。所有試驗小區(qū)面積為68.8 m2(8.6 m′8 m), 小區(qū)之間間隔0.5 m。夏玉米季采用秸稈覆蓋還田方式, 所用秸稈為前茬作物冬小麥秸稈。冬小麥季采用秸稈翻耕入土還田方式。在作物收獲后, 人工移除S0處理小區(qū)內(nèi)所有秸稈, 隔行移除S0.5處理小區(qū)內(nèi)秸稈, 保留S1處理小區(qū)所有秸稈, 用打草機將小區(qū)內(nèi)秸稈粉碎成3~5 cm碎屑。

1.3 測定項目

1.3.1 土壤氨排放及環(huán)境因子測定

表2 試驗期間冬小麥和夏玉米的具體施肥情況

尿素氮含量為≥46%, 磷酸二銨氮含量為≥17.4%。Total nitrogen contents of urea and diammonium phosphate are ≥46% and ≥17.4%, respectively.

在夏玉米5個生育時期(小喇叭口期、大喇叭口期、開花期、灌漿期、成熟期), 冬小麥的8個主要生育時期(播種期、苗期、抽穗期、分蘗期、拔節(jié)期、開花期、灌漿期、成熟期), 分別用土鉆鉆取根層0~40 cm土壤, 每10 cm一層, 采用連續(xù)流動分析儀(德國SEAL Auto Analyzer 3)檢測每層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量, 土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量相加為無機氮含量。

1.3.2 土壤氨排放通量及累積排放量

田間氨排放通量()的計算公式為:

(kg·hm-2·d-1)=×10-2/(×) (1)

式中:為通氣法單個裝置平均每次測得的氨量(mg),為捕獲裝置的橫截面積(m2),表示每次連續(xù)捕獲的時間(d)。

氨累積排放量()的計算公式為:

(kg·hm-2)=∑(氨排放通量×每次連續(xù)收集的時間) (2)

1.3.3 作物產(chǎn)量測定

作物收獲時, 不同處理重復(fù)選樣3次, 樣方面積1 m2, 將樣方內(nèi)所有作物風(fēng)干、脫粒, 統(tǒng)計實際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法及軟件

采用Microsoft Excel 2010進行試驗數(shù)據(jù)整理和計算, SPSS 17.0進行方差分析及相關(guān)性分析, 使用Origin 2016、Canoco 5進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田與施肥對氨排放通量的影響

夏玉米監(jiān)測期, 不同秸稈還田量配施不同尿素的氨排放變化規(guī)律整體呈現(xiàn)先增加后降低趨勢, 氨排放主要發(fā)生在施肥后的13 d內(nèi), 且在施肥后的第3 d出現(xiàn)排放通量的最大值0.06~3.13 kg·hm-2·d-1; 不同處理的最大排放通量表現(xiàn)為S0F1>S0F0.8>S0.5F1>S1F1> S1F0.8>S0.5F0.8>S1F0>S0.5F0>S0F0(圖2a)。3種還田水平下, 隨著施肥量的增加, 平均氨排放通量均明顯增加。但3種施氮條件下, 秸稈還田的平均氨排放量有所不同, 其中F0處理下秸稈還田會增加平均氨排放通量, 但差異不顯著; F0.8和F1處理下, 秸稈還田能夠明顯降低平均氨排放通量, 但兩種秸稈還田量之間差異不顯著。

冬小麥監(jiān)測期, 氨排放通量呈“降低—升高—降低—再升高—再降低”趨勢, 施肥后第2 d降低是由于降雨, 增加了土壤含水量, 并且引起氣溫驟降4 ℃, 從而減少了土壤氨排放通量, 第15 d升高, 是因為在施肥后14~15 d內(nèi)較之前氣溫升高5~7 ℃, 有利于土壤氨排放(圖2b)。氨排放主要發(fā)生在施肥后15 d內(nèi), 施肥后4~5 d出現(xiàn)氨排放通量的峰值0.06~0.81 kg·hm-2·d-1,表現(xiàn)為S1F1>S0.5F1>S0F1>S0.5F0.8>S1F0.8>S0F0.8> S1F0=S0.5F0>S0F0。通過對整個監(jiān)測期平均氨排放通量分析可得: 相同秸稈還田量下, 隨施肥量增加, 平均氨排放通量也增加; 相同施肥水平下, 秸稈還田能增加土壤平均氨排放通量。只有在施肥后第1 d差異顯著, 其他監(jiān)測時期差異不顯著。

綜上可知, 施肥量和秸稈還田能顯著影響土壤氨排放通量。隨著施肥量的增加土壤氨排放通量不斷增加; 秸稈還田能顯著減少夏玉米季土壤氨排放通量, 增加冬小麥季土壤氨排放通量。

2.2 秸稈還田與施肥對氨累積排放量的影響

如表3所示, 夏玉米監(jiān)測期的氨累積排放量顯著受秸稈還田和施肥量影響。相同秸稈還田量下, 隨施肥量增加, 氨累積排放量顯著增加, 氨損失率也增加; 相同施肥量下, 秸稈還田能顯著減少土壤氨累積排放量和氨損失率, 但半量還田和全量還田間差異不顯著。秸稈還田和施肥及兩者互作對夏玉米季氨累積排放量有極顯著或顯著影響。

圖2 不同秸稈還田和施肥處理下夏玉米(a)和冬小麥(b)土壤氨排放通量變化

S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization.

表3 不同秸稈還田和施肥處理下夏玉米和冬小麥生長季氨累積排放量和氨損失率

S: 秸稈還田; F: 施肥; S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。**和*分別表示<0.01水平和<0.05水平影響顯著; ns表示影響不顯著。S: straw returning; F: fertilization; S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization. Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments at< 0.05 level. ** and * mean significant effects at< 0.01 and< 0.05, respectively. “ns” means no significant effect.

冬小麥監(jiān)測期, 相同還田量下, 常規(guī)施肥顯著增加了土壤氨累積排放量, 使氨損失率有所升高; 相同施肥量下, 秸稈還田增加土壤氨累積排放量和氨損失率, 但與秸稈不還田處理間差異不顯著。施肥對冬小麥季氨累積排放量有極顯著影響, 但秸稈還田和兩者互作影響不顯著。

整個麥-玉復(fù)種的氨累積排放量依次為S0F1> S0.5F1>S1F1>S0F0.8>S0.5F0.8>S1F0.8>S1F0>S0.5F0>S0F0, 最大為19.26 kg?hm-2, 最小為1.31 kg?hm-2。不施肥處理下, 秸稈半量還田和全量還田較不還田土壤氨累積排放量分別增加0.41 kg?hm–2和0.44 kg?hm–2。與只施肥相比, 秸稈還田配施氮肥減少氨累積排放量4.34~6.38 kg?hm–2、降低氨損失率1.21%~1.55%。其中S1F0.8和S0.5F0.8處理在整個復(fù)種體系中減排效果最為顯著, 減排幅度分別38.64%和37.35%。

2.3 秸稈還田與施肥對土壤無機氮的影響

各處理夏玉米季土壤耕層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的影響如圖3A、3B所示。0~30 cm土層內(nèi), 隨土壤深度增加, 各處理的硝態(tài)氮含量均---呈逐漸減少趨勢; 30~ 40 cm土層除S0F1和S0.5F1處理較20~30 cm土層顯著升高外其余均無明顯差異。各處理的銨態(tài)氮含量在0~30 cm土層逐漸減少, 30~40 cm土層除S0F0.8、S0F1處理明顯增加外, 其他處理均沒有顯著變化(圖3B)。

冬小麥季硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量變化如圖3C、3D所示。各處理的變化一致, 均為隨著土層深度增加呈減少趨勢。施肥量增加能顯著增加土壤0~40 cm土層硝態(tài)氮含量, 除S1F1處理比S0F1處理顯著高2.94 mg?kg–1外, 其他秸稈還田配施氮肥處理比只施肥處理顯著減少9.32~23.04 mg?kg–1。分析圖3D發(fā)現(xiàn): S0.5F0處理比S0F0處理銨態(tài)氮含量顯著高0.44 mg?kg–1; 除S1F0.8處理比S0F0.8處理顯著低4.02 mg?kg–1外, 其他秸稈還田配施氮肥處理比只施肥處理顯著增加2.06~3.40 mg?kg–1。

分析整個麥玉復(fù)種體系土壤無機氮含量(表4)發(fā)現(xiàn), 施肥對0~40 cm土壤無機氮含量影響顯著, 表現(xiàn)出隨施肥量增加而顯著增加趨勢。秸稈還田對土壤無機氮含量影響與施肥條件有關(guān)。在F0下, 秸稈還田能增加無機氮含量, 增幅為15.04%~55.10%, 半量還田與全量還田之間無顯著差異。在F0和F1處理下, 除S1F1處理0~20 cm土層有所增加外, 秸稈還田與只施肥相比, 顯著減少無機氮含量5.56%~ 31.36%(<0.05)。值得注意的是在0~20 cm土層, F0.8處理下, 隨秸稈還田量增加, 無機氮含量顯著減少, 在其他土層兩種秸稈還田量之間無顯著差異。

圖3 不同秸稈還田和施肥處理下夏玉米(A、B)、冬小麥(C、D)土壤0~40 cm硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量

表4 麥玉復(fù)種體系中不同秸稈還田和施肥處理下不同深度耕層土壤無機氮平均含量

S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization. Different lowercase letters in the same column mean significant differences among different treatments at< 0.05 level.

2.4 秸稈還田與施肥對夏玉米產(chǎn)量的影響

由圖4可以看出, 秸稈還田和施肥對夏玉米產(chǎn)量和冬小麥產(chǎn)量的影響效果相似。不施肥情況下, 夏玉米產(chǎn)量S1、S0.5處理分別比S0處理高464.44 kg×hm-2、662.36 kg×hm-2, 冬小麥產(chǎn)量分別高978.33 kg×hm-2、288.33 kg×hm-2, 但增加效果不顯著。在相同施肥情況下, 秸稈還田能顯著提高夏玉米、冬小麥產(chǎn)量, 夏玉米產(chǎn)量增幅為18.84%~20.21%(F0.8)和6.23%~ 11.01%(F1), 冬小麥產(chǎn)量增幅為28.17%~27.88(F0.8)和27.36%~ 16.60%(F1), 但全量還田和半量還田處理間差異不顯著, 減量施肥和常規(guī)施肥處理間差異也不顯著。

2.5 秸稈還田與施肥對各指標的PCA分析

不同處理影響土壤氨排放通量()、每生產(chǎn)1 t糧食所產(chǎn)生的氨累積排放量(/)、0~40 cm各層無機氮含量、0~40 cm銨態(tài)氮含量和作物產(chǎn)量()變換的PCA分析如圖5所示(W代表冬小麥, M代表夏玉米)。9個處理被劃分為3個組別, 第1組別內(nèi)有S0F1、S0.5F1、S1F1、S0F0.8處理, 第2組別包含S0.5F0.8、S1F0.8處理, 第3組別包含S0F0、S0.5F0和S1F0處理。變異累計貢獻率為97.94%(其中PC1能夠解釋92.27%的差異; PC2能夠解釋5.67%的差異)。通過PCA分析可以看出, 在整個麥玉復(fù)種體系中S0.5F0.8、S1F0.8處理下的夏玉米和冬小麥產(chǎn)量為較高水平, 同時每生產(chǎn)1 t糧食所產(chǎn)生的氨累積排放量處于較低水平, 綜合對比發(fā)現(xiàn), 秸稈還田配合減量施肥的田間管理模式既能減少田間氨排放量, 又能保證高產(chǎn), 建議在關(guān)中地區(qū)推廣使用。

圖4 不同秸稈還田和施肥處理下冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量

S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization. Different lowercase letters mean significant differences among different treatments at 0.05 level.

圖5 秸稈還田和施肥處理與各指標之間的主成分分析

: 氨排放通量;/: 每生產(chǎn)1 t糧食所產(chǎn)生的氨累積排放量;: 產(chǎn)量; W: 冬小麥; M: 夏玉米; 0-10: 0~10 cm土壤無機氮含量; 10-20: 10~20 cm土壤無機氮含量; 20-30: 20~30 cm土壤無機氮含量; 30-40: 30~40 cm土壤無機氮含量; S0: 無秸稈還田; S0.5: 半量秸稈還田; S1: 全量秸稈還田; F0: 不施肥; F0.8: 減量施肥; F1: 常規(guī)施肥。: ammonia emission flux;/: accumulated ammonia emissions per ton grain production;: yield; W: winter wheat; M: summer maize; 0-10: inorganic nitrogen content of 0-10 cm soil layer; 10-20: inorganic nitrogen content of 10-20 cm soil layer; 20-30: inorganic nitrogen content of 20-30 cm soil layer; 30-40: inorganic nitrogen content of 30-40 cm soil layer; S0: no straw returning; S0.5: half straws returning; S1: all straws returning; F0: no fertilization; F0.8: fertilizer reduction; F1: conventional fertilization..

3 討論

土壤無機氮含量與氨排放密切相關(guān), 土壤銨態(tài)氮含量與土壤氨排放呈顯著正相關(guān)[20,24]。本研究發(fā)現(xiàn), 隨施肥量增加, 提供給土壤微生物和土壤酶更多可轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮的底物, 土壤中銨態(tài)氮總量和轉(zhuǎn)化的速度增大, 土壤的氨排放速率和氨累積排放量也隨之增加, 這與前人[25-27]得出的氨排放結(jié)果規(guī)律一致。但氨累積量低于前人研究結(jié)果, 氨排放的測量方法、施肥方式和灌水條件可能是引起差異的主要原因[16,28-29]。Ruijter等[30]將作物秸稈和有機物殘體與土壤混合處理, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)作物秸稈及有機殘體能夠有效增加氨揮發(fā), 原因是秸稈還田后微生物增殖, 種群建立, 釋放出自身生長不需要的銨態(tài)氮, 在土壤表面很容易以NH3的形式釋放出來, 這與本研究得出的在不施肥條件下, 秸稈還田能顯著增加土壤氨排放的結(jié)論一致。長期秸稈配施氮肥能夠有效補充土壤中碳源和氮源[31], 增加土壤有機酸含量, 使土壤pH降低[32], 從而抑制土壤中銨態(tài)氮向NH3轉(zhuǎn)化[33]; 同時土壤微生物活性增加, 加速土壤無機氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等)固定轉(zhuǎn)化為有機氮, 減少土壤中氨排放底物, 進而減少氨排放量[34-35]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn): 相對于只施肥處理, 秸稈還田能顯著降低麥玉復(fù)種系統(tǒng)土壤的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量, 進而降低土壤氨排放, 這與Gill等[36]和楊弘[24]的研究結(jié)果相似, 其中S0.5F0.8和S1F0.8處理減排效果最佳。但對于冬小麥季秸稈還田能增加土壤銨態(tài)氮含量和氨排放, 徐聰[23]的研究也得到了相似結(jié)果, 可能由于西北干旱地區(qū)冬季低溫干燥, 有機物質(zhì)阻礙了銨態(tài)氮進入黏土礦物固定位置, 減少了銨的晶穴固定, 從而增加了土壤銨態(tài)氮含量, 進而促進氨的轉(zhuǎn)化[37]。綜合分析可以得出, 長期秸稈還田配施氮肥有助于土壤氮素積累, 減少氮素損失。

秸稈還田能夠優(yōu)化農(nóng)田土壤理化性狀和土壤結(jié)構(gòu), 維持和增加土壤微生物活性和數(shù)量[38-39], 補充土壤有機質(zhì)含量[40], 從而為作物籽粒發(fā)育提供充足的碳源[41], 達到增產(chǎn)目的。施氮對作物增產(chǎn)有顯著效果, 但過量施氮不僅不會使作物產(chǎn)量增加, 反而會帶來減產(chǎn)及土壤氮素殘留過高等風(fēng)險[42], 因此, 秸稈還田與氮肥合理配施是實現(xiàn)作物高產(chǎn)的有效途徑。楊憲龍等[43]在關(guān)中地區(qū)連續(xù)4年的定位試驗中發(fā)現(xiàn), 小麥施氮150~191 kg(N)?hm-2、玉米施氮180 kg(N)?hm-2作物即可獲得高產(chǎn), 施氮過高或過低都有減產(chǎn)的風(fēng)險。相對于只施肥處理, 秸稈還田配施氮肥使小麥季平均產(chǎn)量增幅達到25.43%, 玉米平均產(chǎn)量增幅達4.4%, 且增產(chǎn)效果隨種植年限的推移而加強。本研究得出S0.5F0.8和S1F0.8處理增產(chǎn)效果最佳, 但增幅高于以往研究[44-45], 作物品種、秸稈還田方式、種植年限和耕作措施等不同可能是造成差異的重要原因。綜合分析可知, 秸稈還田配施合理氮肥能有效增加作物產(chǎn)量, 減少資源浪費。

4 結(jié)論

麥玉復(fù)種體系中, 不施肥情況下, 秸稈還田能增加土壤無機氮含量和氨排放; 隨著施肥量增加, 土壤耕層無機氮和氨排放顯著增加; 與只施肥相比, 秸稈還田配施氮肥顯著減少麥玉復(fù)種體系土壤無機氮含量、氨排放和氨損失率。秸稈還田配施氮肥顯著提高作物產(chǎn)量, 但半量還田和全量還田之間、減量施氮和常規(guī)施氮之間均無顯著性差異。在本試驗中, 麥玉復(fù)種系統(tǒng)半量或全量秸稈還田配合減量施肥是減排增產(chǎn)的最優(yōu)組合, 建議在陜西關(guān)中地區(qū)推廣使用。

References

[1] HARRISON R, WEBB J. A review of the effect of N fertilizer type on gaseous emissions[J]. Advances in Agronomy, 2001, 73: 65–108

[2] GU B J, SUTTON M A, CHANG S X, et al. Agricultural ammonia emissions contribute to China’s urban air pollution[J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2014, 12(5): 265–266

[3] WANG G, ZHANG R, GOMEZ M E, et al. Persistent sulfate formation from London Fog to Chinese haze[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(48): 13630–13635

[4] 鄧明君, 羅文兵. 中國農(nóng)業(yè)氨排放的時空演變趨勢與減排潛力分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(9): 1257-1268 DENG M J, LUO W B. Space-time evolution of China’s agricultural ammonia emission and emission reduction potential[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1257-1268

[5] PINDER R W, ADAMS P J, PANDIS S N. Ammonia emission controls as a cost-effective strategy for reducing atmospheric particulate matter in the Eastern United States[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(2): 380–386

[6] DERWENT R, WITHAM C, REDINGTON A, et al. Particulate matter at a rural location in southern England during 2006: Model sensitivities to precursor emissions[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43(3): 689–696

[7] BESSAGNET B, BEAUCHAMP M, GUERREIRO C, et al. Can further mitigation of ammonia emissions reduce exceedances of particulate matter air quality standards?[J]. Environmental Science & Policy, 2014, 44: 149–163

[8] 董宇, 馬晶, 張濤, 等. 秸稈利用途徑的分析比較[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2010, 26(19): 327–332 DONG Y, MA J, ZHANG T, et al. Analysis and comparison of straw utilization[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(19): 327–332

[9] 馬驍軒, 蔡紅珍, 付鵬, 等. 中國農(nóng)業(yè)固體廢棄物秸稈的資源化處置途徑分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2016, 25(1): 168–174 MA X X, CAI H Z, FU P, et al. Analysis of the reutilization methods for agricultural waste of straw in China[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2016, 25(1): 168–174

[10] PETERSEN V, MARKFOGED R, HAFNER S, et al. A new slurry pH model accounting for effects of ammonia and carbon dioxide volatilization on solution speciation[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2014, 100(2): 189–204

[11] 董文旭, 吳電明, 胡春勝, 等. 華北山前平原農(nóng)田氨揮發(fā)速率與調(diào)控研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011, 19(5): 1115–1121 DONG W X, WU D M, HU C S, et al. Ammonia volatilization and control mechanisms in the piedmont of North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(5): 1115–1121

[12] 汪軍, 王德建, 張剛, 等. 麥秸全量還田下太湖地區(qū)兩種典型水稻土稻季氨揮發(fā)特性比較[J]. 環(huán)境科學(xué), 2013, 34(1): 27–33 WANG J, WANG D J, ZHANG G, et al. Comparing the ammonia volatilization characteristic of two typical paddy soil with total wheat straw returning in Taihu Lake region[J]. Environmental Science, 2013, 34(1): 27–33

[13] PELSTER D E, WATT D, STRACHAN I B, et al. Effects of initial soil moisture, clod size, and clay content on ammonia volatilization after subsurface band application of urea[J]. Journal of Environmental Quality, 2019, 48(3): 549–558

[14] FAN X H, LI Y C, ALVA A K. Effects of temperature and soil type on ammonia volatilization from slow-release nitrogen fertilizers[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2011, 42(10): 1111–1122

[15] 上官宇先, 師日鵬, 李娜, 等. 壟作覆膜條件下田間氨揮發(fā)及影響因素[J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(6): 1987–1993 SHANGGUAN Y X, SHI R P, LI N, et al. Factors influencing ammonia volatilization in a winter wheat field with plastic film mulched ridges and unmulched furrows[J]. Environmental Science, 2012, 33(6): 1987–1993

[16] 李禎, 史海濱, 李仙岳, 等. 不同水氮運籌模式對田間土壤氨揮發(fā)及春玉米籽粒產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2017, 36(4): 799–807 LI Z, SHI H B, LI X Y, et al. Ammonia volatilization in soil and grain yield of the spring maize under different water-nitrogen management regimes[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(4): 799–807

[17] 雷楊莉, 王林權(quán), 薛亮, 等. 交替灌溉施肥對夏玉米土壤氨揮發(fā)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2009, 25(4): 41–46 LEI Y L, WANG L Q, XUE L, et al. Effect of alternative irrigation and fertilization on soil ammonia volatilization of summer maize[J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25(4): 41–46

[18] ZHANG Y Y, LIU J F, MU Y J, et al. Emissions of nitrous oxide, nitrogen oxides and ammonia from a maize field in the North China Plain[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45(17): 2956–2961

[19] 王歡, 鄭西來, 辛佳. 土壤氨揮發(fā)的影響因素及其與脲酶活性的關(guān)系研究[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報, 2016, 22(9): 74–79 WANG H, ZHENG X L, XIN J. Influencing factors on ammonia volatilization and its relations with urease activity[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2016, 22(9): 74–79

[20] 董文旭, 胡春勝, 陳素英, 等. 保護性耕作對冬小麥-夏玉米農(nóng)田氮肥氨揮發(fā)損失的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(11): 2278–2284 DONG W X, HU C S, CHEN S Y, et al. Effect of conservation tillage on ammonia volatilization from nitrogen fertilizer in Winter Wheat-Summer Maize Cropping System[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(11): 2278–2284

[21] 李宗新, 王慶成, 劉開昌, 等. 不同施肥模式下夏玉米田間土壤氨揮發(fā)規(guī)律[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2009, 29(1): 307–314 LI Z X, WANG Q C, LIU K C, et al. Law of field soil ammonia volatilization in summer maize under different fertilizer patterns[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(1): 307–314

[22] 胡春勝, 董文旭, 張玉銘, 等. 華北山前平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮通量與調(diào)控[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011, 19(5): 997–1003 HU C S, DONG W X, ZHANG Y M, et al. Nitrogen flux and its manipulation in the cropland ecosystem of the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(5): 997–1003

[23] 徐聰. 華北平原長期氮肥施用和秸稈還田下溫室氣體排放及氮素損失特征[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2018: 64–66 XU C. Characteristics of greenhouse gas emissions and nitrogen losses under long-term nitrogen fertilization and straw incorporation in the North China Plain[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018: 64–66

[24] 楊弘. 秸稈還田對農(nóng)田棕壤氨揮發(fā)和氧化亞氮排放的影響[D].沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 2016: 23–24 YANG H. Effect of maize stalk retention on nitrous oxide emission and ammonia volatilization in arable brown soil[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2016: 23–24

[25] 巨曉棠, 劉學(xué)軍, 鄒國元, 等. 冬小麥/夏玉米輪作體系中氮素的損失途徑分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2002, 35(12): 1493–1499 JU X T, LIU X J, ZOU G Y, et al. Evaluation of nitrogen loss way in winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(12): 1493–1499

[26] 山楠. 京郊小麥-玉米輪作體系氮素利用與損失研究[D]. 保定: 河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014: 22–23 SHAN N. Nitrogen utilization and loss in winter wheat-summer maize rotation system of Beijing suburb[D]. Baoding: Agricultural University of Hebei, 2014: 22–23

[27] 曹歡歡. 旱地夏玉米—冬小麥輪作體系尿素氨揮發(fā)研究[D]. 咸陽: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2018: 28–29 CAO H H. Ammonia volatilization of urea from summer maize-winter wheat rotation system in dryland[D]. Xianyang: Northwest A&F University, 2018: 28–29

[28] 王朝輝, 劉學(xué)軍, 巨曉棠, 等. 田間土壤氨揮發(fā)的原位測定——通氣法[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2002, 8(2): 205–209 WANG C H, LIU X J, JU X T, et al. Fielddetermination of ammonia volatilization from soil: Venting method[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2002, 8(2): 205–209

[29] 楊淑莉, 朱安寧, 張佳寶, 等. 不同施氮量和施氮方式下田間氨揮發(fā)損失及其影響因素[J]. 干旱區(qū)研究, 2010, 27(3): 415–421 YANG S L, ZHU A N, ZHANG J B, et al. Ammonia volatilization loss and its affecting factors under different amounts and ways of N application in field[J]. Arid Zone Research, 2010, 27(3): 415–421

[30] DE RUIJTER F J, HUIJSMANS J F M, RUTGERS B. Ammonia volatilization from crop residues and frozen green manure crops[J]. Atmospheric Environment, 2010, 44(28): 3362–3368

[31] 張亞麗, 張娟, 沈其榮, 等. 秸稈生物有機肥的施用對土壤供氮能力的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2002, 13(12): 1575–1578 ZHANG Y L, ZHANG J, SHEN Q R, et al. Effect of combined application of bioorganic manure and inorganic nitrogen fertilizer on soil nitrogen supplying characteristics[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13(12): 1575–1578

[32] 劉蘭清. 秸稈還田和氮肥對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響研究[D]. 咸陽: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2018: 26–27 LIU L Q. A study of effects of straw mulching and nitrogen fertilizer on soil physicochemical properties and crop yield[D]. Xianyang: Northwest A&F University, 2018: 26–27

[33] 朱兆良. 中國土壤氮素研究[J]. 土壤學(xué)報, 2008, 45(5): 778–783 ZHU Z L. Study on soil nitrogen in China[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(5): 778–783

[34] Muhammad W, Vaughan S M, Dalal R C, et al. Crop residues and fertilizer nitrogen influence residue decomposition and nitrous oxide emission from a Vertisol[J]. Biology and Fertility of Soils, 2011, 47(1): 15–23

[35] QIU S J, JU X T, LI L, et al. Nitrate transformation and N2O emission in a typical intensively managed calcareous fluvaquent soil: A 15-nitrogen tracer incubation study[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2015, 46(14): 1763–1777

[36] GILL J S, BIJAY-SINGH, KHIND C S, et al. Efficiency of N-(n-butyl) thiophosphoric triamide in retarding hydrolysis of urea and ammonia volatilization losses in a flooded sandy loam soil amended with organic materials[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 1999, 53(3): 203–207

[37] 張四海, 曹志平, 胡嬋娟. 添加秸稈碳源對土壤微生物生物量和原生動物豐富度的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011, 19(6): 1283–1288 ZHANG S H, CAO Z P, HU C J. Effect of added straw carbon on soil microbe and protozoa abundance[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(6): 1283–1288

[38] HENRIKSEN T M, BRELAND T A. Carbon mineralization, fungal and bacterial growth, and enzyme activities as affected by contact between crop residues and soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(1): 41–48

[39] 戴志剛, 魯劍巍, 李小坤, 等. 不同作物還田秸稈的養(yǎng)分釋放特征試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010, 26(6): 272–276 DAI Z G, LU J W, LI X K, et al. Nutrient release characteristic of different crop straws manure[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(6): 272–276

[40] 申麗霞, 王璞, 蘭林旺, 等. 施氮對夏玉米碳氮代謝及穗粒形成的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2007, 13(6): 1074–1079 SHEN L X, WANG P, LAN L W, et al. Effect of nitrogen supply on carbon-nitrogen metabolism and kernel set in summer maize[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007, 13(6): 1074–1079

[41] 林治安, 趙秉強, 袁亮, 等. 長期定位施肥對土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(8): 2809–2819 LIN Z A, ZHAO B Q, YUAN L, et al. Effects of organic manure and fertilizers long-term located application on soil fertility and crop yield[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(8): 2809–2819

[42] 程曼, 解文艷, 楊振興, 等. 黃土旱塬長期秸稈還田對土壤養(yǎng)分、酶活性及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(10): 1528-1536 CHENG M, XIE W Y, YANG Z X, et al. Effects of long-term straw return on corn yield, soil nutrient contents and enzyme activities in dryland of the Loess Plateau, China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(10): 1528-1536

[43] 楊憲龍, 路永莉, 同延安, 等. 長期施氮和秸稈還田對小麥-玉米輪作體系土壤氮素平衡的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013, 19(1): 65–73 YANG X L, LU Y L, TONG Y A, et al. Effects of long-term N application and straw returning on N budget under wheat-maize rotation system[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(1): 65–73

[44] 于舜章, 陳雨海, 周勛波, 等. 冬小麥期覆蓋秸稈對夏玉米土壤水分動態(tài)變化及產(chǎn)量的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2004, 18(6): 175–178 YU S Z, CHEN Y H, ZHOU X B, et al. Effect of straw-mulch during wheat stage on soil water dynamic changes and yield of summer maize[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2004, 18(6): 175–178

[45] 楊晨璐, 劉蘭清, 王維鈺, 等. 麥玉復(fù)種體系下秸稈還田與施氮對作物水氮利用及產(chǎn)量的效應(yīng)研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51(9): 1664–1680 YANG C L, LIU L Q, WANG W Y, et al. Effects of the application of straw returning and nitrogen fertilizer on crop yields, water and nitrogen utilization under wheat-maize multiple cropping system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(9): 1664–1680

Effect of straw returning on ammonia emissions from soil in a wheat-maize multiple cropping system in the Guanzhong region, China*

LYU Hongfei, MA Xingxia, YANG Gaihe**, FENG Yongzhong, REN Guangxin, LI Na, XIE Chenghui, XU Hongwei

(College of Agronomy, Northwest A & F University / the Research Center of Recycle Agricultural Engineering and Technology of Shaanxi Province, Yangling 712100, China)

Wheat-maize multiple cropping system; Ammonia emission; Yield; Nitrogen fertilizer reduction; Straw returning

S318

10.13930/j.cnki.cjea.190627

呂宏菲, 馬星霞, 楊改河, 馮永忠, 任廣鑫, 李娜, 謝呈輝, 許宏偉. 秸稈還田對關(guān)中地區(qū)麥玉復(fù)種體系土壤氨排放的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(4):513-522

LYU H F, MA X X, YANG G H, FENG Y Z, REN G X, LI N, XIE C H, XU H W. Effect of straw returning on ammonia emissions from soil in a wheat-maize multiple cropping system in the Guanzhong region, China[J]. Chinese Journal of Eco- Agriculture, 2020, 28(4): 513-522

* 國家自然科學(xué)基金面上項目(31971859)和陜西省科技統(tǒng)籌計劃項目(2016KTCL02-11)資助

楊改河, 從事資源生態(tài)、循環(huán)農(nóng)業(yè)與區(qū)域發(fā)展方面的研究。E-mail: ygh@nwsuaf.edu.cn

呂宏菲, 從事農(nóng)田生態(tài)與高效耕作栽培制度方面的研究。E-mail: kanalhf2019@163.com

2019-08-25

2019-12-19

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31971859) and the Overall Science and Technology Program of Shaanxi Province, China (2016KTCL02-11).

, E-mail: ygh@nwsuaf.edu.cn

Dec. 19, 2019

Aug. 25, 2019;