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    农业论文

    清液肥对滴灌棉田NH3挥发和N2O排放的影响

    时间:2020年04月06日 所属分类:农业论文 点击次数:

    摘要:氮肥减施作为降低农业生产中NH3挥发损失和N2O排放的主要措施,但局限于常规化肥肥效低、损失率高,效果并不明显。新型肥料的出现,为保持作物高产高效、兼顾环境效益提供了新思路。研究清液肥对滴灌棉田氮素气态损失的影响,对于农业绿色生产具有重要

      摘要:氮肥减施作为降低农业生产中NH3挥发损失和N2O排放的主要措施,但局限于常规化肥肥效低、损失率高,效果并不明显。新型肥料的出现,为保持作物高产高效、兼顾环境效益提供了新思路。研究清液肥对滴灌棉田氮素气态损失的影响,对于农业绿色生产具有重要意义。试验共设5个处理:不施氮肥(N0)、常规化肥施氮300(TN300)和240kg·hm-2(TN240)、清液肥施氮300(LN300)和240kg·hm-2(LN240)。结果表明:施用氮肥会显著增加滴灌棉田土壤NH3挥发和N2O排放,各施氮处理NH3挥发总损失量较N0处理增加1.7~3.8倍,N2O累积排放量较N0处理增加1.8~2.7倍。

      常规施氮水平下,LN300处理较TN300处理NH3挥发损失降低42.4%,N2O排放减少14.1%;同一减氮水平下,LN240处理NH3挥发损失和N2O排放分别减少29.5%和18.9%。等量氮肥投入下,施用清液肥可显著降低土壤NO3--N和NH4+-N含量,土壤脲酶活性和反硝化酶活性也显著降低。相关性分析表明土壤NH3挥发总量和N2O累积排放量与0~20cm土壤NH4+-N含量、NO3--N含量、土壤脲酶活性和硝酸还原酶呈显著正相关,与土壤亚硝酸还原酶和羟胺还原酶无显著性关系。与常规化肥施氮相比,TN240、LN300和LN240处理棉花籽棉产量较TN300处理分别增加12.6%、9.1%和24.5%,LN240处理棉花籽棉产量较TN240处理提高10.6%。综上,清液肥施氮240kg·hm-2可显著减少滴灌棉田氮素气态损失,提高棉花产量,是一种值得推荐的施肥措施。

      关键词:清液肥;滴灌棉田;NH3挥发;N2O排放;酶活性;产量

    棉花科学

      农艺师评职论文投稿刊物:《棉花科学》是全国公开发行的棉花专业刊物,为中国学术期刊(光盘版)、CNKI系列数据库、中国核心期刊(遴选)数据库、中文科技期刊数据库等全文收录期刊。中国农业网和中国兴农网团的媒体合作期刊,是国家职称评定认定学术期刊。

      氮肥投入在农业生产中起着重要的作用。随着人口的增加,我国每年的氮素投入随之增加。目前我国年氮肥消耗量为3.1亿吨,占全球的31.7%,而氮肥利用率普遍为30%~40%[1]。随着氮肥零增长的提出,国家开始注重减氮增效的研究,但不合理的施氮现象仍相当普遍[2]。众所周知,过量施氮并不会提高作物单产,同时会降低作物氮肥利用率,易引发一系列环境问题。NH3挥发和N2O排放是农业生产中氮肥气态损失的主要途径[3],有研究表明氨气是雾霾形成的前体,形成机制为NH3结合二氧化硫和氮氧化物发生反应,形成的PM2.5结合其他污染物进而形成雾霾[4-6]。N2O作为温室气体的一种,其温室效应是CO2的265倍,对全球气候变化的影响突出[7]。据统计,每年NH3挥发损失占氮肥总投入量的1%~47%;因氮肥施用造成土壤排放的N2O占土壤N2O总排放量的25%~82%[8-9]。因而既能提高作物单产,同时又可降低环境污染成为了未来农业的发展趋势。

      滴灌作为高效的节水灌溉技术,相较于传统的非滴灌模式下,能更好的抑制土壤氮素转化,有效减少NH3挥发损失及N2O排放[10]。但也有研究表明滴灌模式下,土壤干湿交替频繁,为土壤硝化反硝化等氮素转化提供适宜的环境,引发显著的氮肥气态损失[11]。国内外学者针对滴灌条件下温室气体减排大多针对于氮肥用量的研究上研究,关于不同氮肥类型下的氮肥气态损失的研究较少。对滴灌马铃薯地的研究表明,减量施氮加脲酶抑制剂可在保证产量的同时降低NH3和N2O排放[12];设施菜地的研究表明,滴灌条件较常规施氮量适量减氮可在稳产保质的前提下降低N2O排放[13]。

      而在非滴灌条件下的不同氮肥类型研究表明,与常规化肥施用相比,控释肥配施无机肥能够降低NH3挥发损失和N2O排放,提高N素吸收利用率和水稻产量[14];有机肥与化肥配施下可保证产量同时减少玉米地氮素气态损失[15];液体肥减氮15%可在不减产的前提下,有效降低的土壤NH3挥发和N2O排放[16];ABR绿色液体肥部分替代化肥可有效提高蔬菜质量和产量,同时具备较低的N2O排放通量[17]。由此可知,合理选用氮肥可以在增加或保证作物产量的同时,降低环境污染风险。新疆是我国主要棉产区,棉花生产对于推动国民经济的发展起着重要作用。而目前滴灌棉田氮肥施用不合理现象普遍存在,致使产量降低,氮素损失严重[18];同时农田体系常用的氮肥产品多为酰胺态氮肥(尿素)[19],存在较大的NO3-淋洗、NH3挥发损失风险,加重了环境负担。

      因此,本试验通过探讨一种新型络合物清液肥对新疆滴灌棉田氮素气态损失和棉花产量的影响,为进一步减少NH3挥发和N2O排放,实现氮肥绿色增产增效提供理论依据。

      1.1试验材料

      试验在新疆石河子市天业生态园进行,土壤类型为灌耕灰漠土,质地为壤土。该地区年平均降水量为210mm,年平均蒸发量1600mm,不同土层0~20cm土壤基本理化性质如下:pH为8.55,容重1.31g·cm-3,全氮1.03g·kg-1,速效磷28.74mg·kg-1,速效钾421.20mg·kg-1,有机质18.95g·kg-1。供试常规化肥使用尿素(含N46.4%)、磷酸一铵(含N11%,含P2O561%)、氯化钾(含K2O57%)、磷酸二氢钾(含P2O552%,含K2O34%);清液肥购买自新疆福来克斯农业有限公司,不同配方N-P2O5-K2O养分百分含量分别为20-12-0、19-9-2和19-5-5。供试作物为棉花(新陆早45)。

      1.2试验设计

      试验设5个处理,分别为:(1)不施氮肥(N0);(2)常规化肥(TN300,农民习惯施肥,施N300kg·hm-2);(3)常规优化(TN240,减氮20%,施N240kg·hm-2);(4)清液肥(LN300,施N300kg·hm-2);(5)清液肥优化(LN240,施N240kg·hm-2)。每个处理重复3次,共15个试验小区,小区面积70m2。

      棉花采用膜下滴灌,一膜三管六行,行距配置为66+10cm,株距为10cm,毛管间距为76cm。棉花于2019年4月20日播种,采用“干播湿出”的方式,播种后滴40mm出苗水。棉花生长期间共灌水9次,总灌水量450mm。灌水周期为7~10d,从开花前开始至吐絮前结束。试验中,氮、磷、钾肥全部作追肥,在棉花生长期间分6次随水滴施。各处理磷、钾肥施用量相同,均为P2O5105kg·hm-2、K2O75kg·hm-2;因清液肥为固定养分配比,无法保证每次施肥与常规化肥磷钾用量一致,磷钾不足用KCl和KH2PO4补齐,不同时期比例分配见表1。其他管理措施与当地大田生产保持一致。

      1.3测试指标及方法

      土壤NH3挥发:采用密闭室法[20],以0.01molH2SO4作吸收液收集。在棉花追肥期间(6月20日—8月16日)进行土壤NH3挥发的全程监测。每个试验小区布置2个NH3挥发监测装置,分别在棉花宽行(66cm)和窄行(10cm)内各安装1个。在每次灌水施肥前1d放入装置,并于下一次灌水施肥前1d取回装置,监测周期为7~10d。追肥期间,共取样6次。采用靛酚蓝比色法测定吸收液,计算NH3挥发损失量。土壤N2O排放:采用静态箱-气相色谱法[21],于棉花追肥期间进行N2O排放的监测。采样箱由底座(长×宽为60cm×60cm)和顶箱(高90cm)组成,每个小区放置2个采样箱(膜间和膜内各1个)。

      底座于第一次施肥前放入,并长期固定于大田中。每次采样前往底座中注水,将顶箱扣至底座上,以防底座与顶箱结合处漏气。箱体由不锈钢钢架构成,由硬质塑料膜密封,外层包裹薄海绵和锡纸用于防止温度变化幅度过大影响气体测定结果。箱体内置小风扇和温度计,用于混匀箱体气体和观测箱内温度变化。箱体中部安置抽气孔,采样时按照0、10、20、30min时间间隔进行气体收集,收集完毕后直接用7890A型气相色谱仪(GC)进行测定。每次N2O气体采集在灌水施肥后的第3d进行,整个追肥期间共取样6次,取样时间为早上8:00—12:00。

      1.4数据处理与分析

      数据计算和绘图使用MicrosoftExcel2003软件进行。方差分析和数据变异用SPSS21.0统计分析软件进行。

      2结果分析

      2.1土壤无机态氮变化

      棉花不同追肥期内0~20cm土壤NH4+-N含量。整体上不同处理土壤NH4+-N含量变化在1.4~6.8mg·kg-1范围内。各个施肥周期内,土壤NH4+-N含量始终以TN300处理最高,较TN240处理增加12.3%~75.5%。同一施氮水平下,清液肥处理土壤NH4+-N含量均低于常规化肥处理,较常规化肥降低4.5%~32.9%各处理中棉花追肥期间土壤NO3--N含量始终以N0处理最低,为4.1~9.4mg·kg-1。各施氮处理土壤NO3--N含量表现为在TN300>LN300,TN240>LN240。常规施氮水平下,LN300处理土壤NO3--N含量较TN300处理降低9.4%~49.0%;减氮20%水平下,LN240处理土壤NO3--N含量较TN240处理降低12.8%~37.8%。

      2.2土壤NH3挥发

      2.2.1土壤NH3挥发动态

      整个追肥期间内,N0处理土壤NH3挥发量变化波动不大,整体在0.1~0.3kg·hm-2内。不同处理土壤NH3挥发量表现为:TN300>LN300>TN240>LN240>N0。与常规化肥相比,不同追肥时期LN300处理土壤NH3挥发量较TN300处理量降低14.3%~27.5%;LN240处理土壤NH3挥发量较TN240处理量降低15.2%~46.5%。

      2.2.2土壤NH3挥发积累量

      不同处理对滴灌棉田追肥期间土壤NH3挥发积累量影响显著。各施氮处理NH3挥发总累积量为1.3~5.0kg·hm-2,较N0处理增加165.0%~382.9%。施用清液肥可显著降低土壤NH3挥发损失,与常规施氮相比,LN300处理土壤NH3挥发总积累量较TN300处理降低25.9%,LN240处理土壤NH3挥发损失量较TN240处理降低了27.6%。

      2.3土壤N2O排放

      2.3.1N2O排放通量

      棉花不同追肥期内,土壤N2O排放通量整体在2.9~29.8μgN·m-2·h-1。前3次追肥不同处理土壤N2O排放通量较后3次追肥具有更高的土壤N2O排放通量水平。各处理N2O排放通量表现为:TN300>LN300;TN240>LN240。同施氮量下,清液肥处理N2O排放通量较常规化肥处理降低了3.5%~56.0%。

      2.3.2N2O累积排放量

      增施氮肥会显著增加土壤N2O排放。与不施氮肥相比,各施氮处理土壤N2O累积排放量较N0处理增加78.5%~174.7%。与农民习惯施肥相比,TN240、LN300和LN240处理N2O累积排放量较TN300处理分别降低19.9%、14.1%和35.0%。LN240处理N2O累积排放量较TN240处理降低18.9%。

      2.4土壤酶活性

      施氮量显著影响土壤酶活性。常规施氮水平处理较减氮处理硝酸还原酶活性增加1.7%~2.2%;亚硝酸还原酶活性增加1.6%~11.9%;羟胺还原酶活性增加4.8%~5.1%;脲酶活性增加6.1%~9.2%。与常规化肥处理相比,同施氮量下施用清液肥可显著降低土壤硝酸还原酶、土壤亚硝酸还原酶、土壤羟胺还原酶和脲酶活性。LN240处理土壤脲酶活性较TN240处理降低4.2%;硝酸还原酶活性较TN240处理降低5.5%;土壤亚硝酸还原酶活性较TN240处理降低26.6%;土壤羟胺还原酶活性较TN240处理降低6.0%;2.5相关性分析追肥期间土壤气态氮损失量与土壤无机态氮和酶活性的相关性分析如下。土壤NH3挥发总量、N2O累积排放量NO3--N含量、NH4+-N含量、脲酶活性以及硝酸还原酶两两之间呈极显著正相关关系,与亚硝酸还原酶活性和羟胺还原酶无显著性相关。土壤亚硝酸还原酶与羟胺还原酶活性呈极显著正相关。

      3讨论

      农田NH3挥发受农田灌溉方式、施氮水平和氮肥类型等多种因素影响。不同研究表明滴灌施肥较常规漫灌施肥可显著降低土壤NH3发损失[25-26]。氮肥减量施用也可以显著降低NH3挥发[27-28],这与本研究常规施氮水平处理(TN300和TN300)的NH3挥发量均高于减氮处理(TN240和LN240)的结果相符合。本研究发现,与常规化肥处理相比,同等施氮量下清液肥处理可显著降低NH3挥发损失,产生这种现象的原因是清液肥降低了土壤NH4+-N含量和脲酶活性,进而减少了NH3挥发损失。

      一般认为NH3挥发是氮肥在脲酶作用下水解的产物,因此脲酶活性越高,土壤保持的NH4+-N含量越高,NH3挥发的可能性越大[29]。同时有研究表明常规氮肥溶解过程中,会加快土壤胶体吸附的NH4+离子向土壤溶液中的游离态转化,促进NH3挥发过程[30]。络合物对于养分释放和供肥强度具有一定的调控作用,研究表明施用络合物肥料可显著抑制土壤脲酶的活性,使得氮素分解为氨速率大大降低[31]。本试验中清液肥中也含有络合物,对减少氨挥发也会产生作用。合理的农田管理措施对于降低环境污染至关重要。研究表明与非滴灌施肥相比,滴灌施肥技术可有效减少温室气体N2O排放[13];但随施氮量的增加,N2O的累积排放量也随之增大[32]。

      本研究中采用滴灌施肥减氮20%的处理较常规施氮处理降低了19.9%~24.4%的N2O排放,与前人研究结果一致。此外本研究发现等量氮肥投入下,施用清液肥处理较常规化肥处理可降低14.1%~18.9%的N2O排放,说明清液肥具有更好的N2O减排效果。众所周知,土壤氮素转化均是在土壤氮素转化相关微生物与酶的驱动下完成的,通过对氮素转化的关键酶活性的大小分析可以间接反映土壤中氮素的转化强度[33]。土壤硝化反硝化是农田N2O产生的主要途径,其中硝化-反硝化酶活性的大小对N2O排放的影响显著[34]。不同研究表明,土壤硝化反硝化酶活性越高,产生的N2O排放越多[35-37]。

      本研究中同施氮量下清液肥处理较常规化肥处理均显著降低了土壤硝酸还原酶活性,亚硝酸还原酶活性以及羟胺还原酶活性。此外,肥料特性也是影响N2O排放的重要因素,研究表明络合物肥料有助于合能促进作物对氮素的吸收,从而避免交换性铵和硝态氮在土壤中的过量累积[38],进而有效降低了底物NO3--N含量,减少了N2O排放。在一定的范围内,作物的产量随着氮肥用量的增加而增加,当到达一定施氮量时,不仅氮素资源损失加重,还会导致作物减产。

      本研究中发现施氮240kg·hm-2处理棉花产量显著高于施氮300kg·hm-2处理,说明较当地常规施氮量减氮20%可显著提高棉花产量。也有研究表明当滴灌棉田的施氮量为225~300kg·hm-2时,棉花具有较高的结铃密度和产量[39],这种差异产生的主要原因是因为不同地区土壤状况,施氮方式有所不同。减氮增产在玉米的优化施氮研究中,当氮肥用量为传统高产的1/3时,产量提高了1倍[40],说明适宜的施氮量是获得较高产量的基础。与此同时,滴灌施肥精准的养分供应,更有利于促进作物根系的吸收。

      研究表明少量多次的施肥方式可显著促进棉花氮素吸收,提高棉花产量;同时根据棉花不同时期需肥特性进行合理调控,可促进棉花增产[41-42]。此外,本研究还发现清液肥可显著提高棉花产量,同等施氮水平下较传统化肥提高了9.1%~10.6%,对农业生产来说具有重要意义。不同研究表明施用液体肥可更好的促进棉花养分吸收,利于棉花铃的形成[43-44],这可能是清液肥产量提高的原因。

      4结论

      同一施氮水平下,施用清液肥较常规化肥可显著降低0~20cm土壤无机态氮含量、脲酶活性、硝酸还原酶活性、亚硝酸还原酶活性和羟胺还原酶活性,有效减少滴灌棉田NH3损失和N2O排放。与常规施氮水平相比,减氮20%均可显著提高棉花产量,其中施用清液肥棉花增产效果更优。

      参考文献:

      [1]易博.稻田土壤厌氧氨氧化协同铁还原为途径的气态氮素损失过程及其机理的研究[D].浙江大学,2019.YiBo.NitrogenLossesthroughironreductioncoupledwithanaerobicammoniaoxidationfrompaddySoil[D].ZhejiangUniversity,2019.

      [2]金书秦,张惠,付饶,等.化肥零增长行动实施状况中期评估[J].环境保护,2019,47(2):39-43.JinShu-qin,ZhangHui,FuRao,etal.Mid-termevaluationontheimplementationofzerogrowthactionofchemicalfertilizers[J].EnvironmentalProtection,2019,47(2):39-43.

      [3]朱兆良,金继运.保障我国粮食安全的肥料问题[J].植物营养与肥料学报,2013,19(2):259-273.ZhuZhao-liang,JinJi-yun.FertilizeruseandfoodsecurityinChina[J].JournalofPlantNutritionandFertilizers,2013,19(2):259-273.

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