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控释尿素减少双季稻田氨挥发的主要机理和适宜用量

黄思怡 田昌 谢桂先 欧震 刘强 彭建伟

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控释尿素减少双季稻田氨挥发的主要机理和适宜用量

    作者简介: 黄思怡 E-mail:920942452@qq.com;
    通讯作者: 田昌, E-mail:chtian12@126.com
  • 基金项目: 十三五重点研发计划课题(2017YFD0200703);湖南省自然科学基金项目(2019JJ50233);湖南农业大学“双一流”建设项目(SYL201802004)。

Mechanism and suitable application dosage of controlled-release urea effectively reducing ammonia volatilization in double-cropping paddy fields

    Corresponding author: TIAN Chang, E-mail:chtian12@126.com ;
  • 摘要: 【目的】研究施用控释尿素减少稻田氨挥发的主要机理,及有效减少氨挥发的施用量,为充分发挥控释尿素的环保效应提供参考。【方法】盆栽试验于2017年在湖南农业大学试验基地大棚内进行,供试土壤为潮砂泥田水稻土,供试早稻、晚稻品种为中早39和泰优390,供试控释氮肥为树脂包膜控释尿素。设置不施氮肥 (CK)、普通尿素 (U) 以及控释尿素等氮量 (CRU1)、减氮10%(CRU2)、减氮20%(CRU3) 和减氮 30% (CRU4) 6个处理。采用密闭室间歇通气法监测双季稻田氨挥发特征,监测同期田面水铵态氮 (NH4+-N) 和硝态氮 (NO3-N) 浓度、pH值及土壤温度动态变化。【结果】施用控释尿素 (CRU) 显著降低了稻田氨挥发损失,各施氮处理稻季氨挥发累积损失量表现为U > CRU1 > CRU2 > CRU4≈CRU3。与U处理相比,CRU处理明显降低了氨挥发速率峰值,且不同程度减少了稻田氨挥发累积损失量,减排程度可达50.3%~70.1%。CRU处理氨挥发损失率为5.6%~8.13%,且早、晚稻均以CRU3和CRU4处理较低。与U处理相比,早、晚稻CRU处理施基肥后田面水中的铵态氮浓度峰值分别降低74.5%~80.4%、53.4%~76.0%,施分蘖肥后分别降低69.5%~89.1%、67.3%~80.3%。U、CRU1、CRU2、CRU3和 CRU4 处理早稻田面水平均 pH 值分别为7.26、7.22、7.25、7.32和7.14,各处理差异不显著;晚稻田面水平均pH值分别为7.85、7.71、7.72、7.72和7.66,CRU处理均显著低于U处理。U处理氨挥发速率和田面水铵态氮浓度呈极显著正相关 (r = 0.8813),与硝态氮浓度呈显著负相关 (r = –0.5319);CRU处理与U处理变化规律类似,CRU3和CRU4处理氨挥发速率与田面水铵态氮浓度达到显著正相关 (r = 0.5388和0.4245),各处理氨挥发速率与田面水pH值和10 cm土层温度相关不明显。【结论】施用控释尿素可显著降低稻田水面中的铵态氮含量,减少由于施肥导致的pH值增加,因而显著降低了稻田的氨挥发损失量,减少了氨挥发损失率。早稻和晚稻均以控释尿素施用量减少20%~30%的氨挥发减排效果最为明显。
  • 图 1  不同处理下早、晚稻生长季氨挥发速率

    Figure 1.  Ammonia volatilization rate during early and late rice seasons under different treatments

    图 2  不同处理早、晚稻田面水中铵态氮浓度变化

    Figure 2.  Dynamic change of ammonium nitrogen concentration in surface water of early and late rices under different treatments

    图 3  不同处理早、晚稻田面水硝态氮浓度变化

    Figure 3.  Dynamic change of nitrate nitrogen concentration in surface water of early and late rices under different treatments

    图 4  不同处理早、晚稻田面水pH值变化

    Figure 4.  Dynamic change of pH in surface water of early and late rices under different treatments

    图 5  早、晚稻氨挥发期间的气温

    Figure 5.  Air temperature during monitoring stage in early and late rice seasons

    图 6  早、晚稻氨挥发期间10 cm土层温度

    Figure 6.  Temperature at 10 cm soil layer during monitoring stage in early and late rice seasons

    表 1  早、晚稻施肥后氨挥发累积损失量和损失率

    Table 1.  Cumulative ammonia volatilization loss and loss rate after fertilization in early and late rice seasons

    稻季
    Season
    处理
    Treatment
    基肥Basal fertilizer分蘖肥Topdressing总计Total
    (kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)
    早稻 Early riceCK8.13 ± 0.41c9.17 ± 0.32c17.3 ± 0.67d
    U30.3 ± 1.73 a24.6325.11 ± 0.91 a26.5755.42 ± 0.88 a25.41
    CRU112.01 ± 0.63 b4.3115.52 ± 0.91 b10.5827.53 ± 1.06 b6.82
    CRU210.46 ± 0.33 bc2.8815.15 ± 0.92 b11.0725.61 ± 1.23 bc6.16
    CRU310.07 ± 0.42 bc2.6913.95 ± 0.94 b9.9624.02 ± 0.80 c5.60
    CRU410.46 ± 0.55 bc3.7013.31 ± 0.09 b9.8623.77 ± 0.50 c6.16
    晚稻 Late riceCK6.53 ± 1.74 c9.79 ± 0.11 d16.32 ± 0.64 c
    U33.06 ± 1.22 a24.5652.69 ± 0.53 a59.5885.75 ± 2.36 a38.57
    CRU112.86 ± 2.58 b5.8617.53 ± 0.32 b10.7530.39 ± 1.94 b7.82
    CRU212.31 ± 0.83 b5.9517.18 ± 0.73 b11.4029.49 ± 1.35 b8.13
    CRU310.27 ± 1.33 bc4.3315.36 ± 1.09 c9.6725.63 ± 0.98 b6.47
    CRU411.23 ± 2.57 bc6.2214.92 ± 0.81 c10.1826.15 ± 2.02 b7.80
    注(Note):同列数值后不同字母表示同一稻季不同处理间在 5% 水平上差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments in the same rice season at the 5% level.
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    表 2  不同处理氨挥发速率与田面水中氮含量、pH值及10 cm土层温度的相关性

    Table 2.  Correlation of ammonia volatilization rate with the nitrogen content and pH in surface water and temperature at 10 cm soil layer

    处理 Treatment变量 Variable相关方程 Correlation equationr
    USW-NH4+y = 0.4663x + 1.18130.8813***
    SW-NO3y = –0.7609x + 5.7017–0.5319**
    STy = 0.0836x + 1.92100.1516
    SW-pHy = 0.6593x – 0.83530.1091
    CRU1SW-NH4+y = 0.1360x + 1.29870.3966
    SW-NO3y = –0.1411x + 1.7471–0.1393
    STy = 0.0273x + 0.85460.2014
    SW-pHy = 0.2020x + 0.08180.1696
    CRU2SW-NH4+y = 0.0932x + 1.30790.2553
    SW-NO3y = 0.0482x + 1.45710.0453
    STy = 0.0243x + 0.83460.1779
    SW-pHy = 0.2068x – 0.06920.2656
    CRU3SW-NH4+y = 0.3601x + 0.93690.5388**
    SW-NO3y = –0.0364x + 1.3932–0.0492
    STy = 0.0152x + 0.94170.1296
    SW-pHy = 0.0327x + 1.11260.0291
    CRU4SW-NH4+y = 0.1822x + 1.11920.4245*
    SW-NO3y = –0.2833x + 1.4454–0.1836
    STy = 0.0174x + 0.86930.1745
    SW-pHy = 0.2039x – 0.18350.0214
    注(Note):SW-NH4+—田面水铵态氮浓度 NH4+-N concentration in surface water; SW-NO3—田面水硝态氮浓度 NO3-N concentration in surface water; ST—土壤温度 Soil temperature; *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-26
  • 网络出版日期:  2019-12-20
  • 刊出日期:  2019-12-01

控释尿素减少双季稻田氨挥发的主要机理和适宜用量

    作者简介:黄思怡 E-mail:920942452@qq.com
    通讯作者: 田昌, chtian12@126.com
  • 湖南农业大学资源与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室,湖南长沙 410128
  • 基金项目: 十三五重点研发计划课题(2017YFD0200703);湖南省自然科学基金项目(2019JJ50233);湖南农业大学“双一流”建设项目(SYL201802004)。
  • 摘要: 【目的】研究施用控释尿素减少稻田氨挥发的主要机理,及有效减少氨挥发的施用量,为充分发挥控释尿素的环保效应提供参考。【方法】盆栽试验于2017年在湖南农业大学试验基地大棚内进行,供试土壤为潮砂泥田水稻土,供试早稻、晚稻品种为中早39和泰优390,供试控释氮肥为树脂包膜控释尿素。设置不施氮肥 (CK)、普通尿素 (U) 以及控释尿素等氮量 (CRU1)、减氮10%(CRU2)、减氮20%(CRU3) 和减氮 30% (CRU4) 6个处理。采用密闭室间歇通气法监测双季稻田氨挥发特征,监测同期田面水铵态氮 (NH4+-N) 和硝态氮 (NO3-N) 浓度、pH值及土壤温度动态变化。【结果】施用控释尿素 (CRU) 显著降低了稻田氨挥发损失,各施氮处理稻季氨挥发累积损失量表现为U > CRU1 > CRU2 > CRU4≈CRU3。与U处理相比,CRU处理明显降低了氨挥发速率峰值,且不同程度减少了稻田氨挥发累积损失量,减排程度可达50.3%~70.1%。CRU处理氨挥发损失率为5.6%~8.13%,且早、晚稻均以CRU3和CRU4处理较低。与U处理相比,早、晚稻CRU处理施基肥后田面水中的铵态氮浓度峰值分别降低74.5%~80.4%、53.4%~76.0%,施分蘖肥后分别降低69.5%~89.1%、67.3%~80.3%。U、CRU1、CRU2、CRU3和 CRU4 处理早稻田面水平均 pH 值分别为7.26、7.22、7.25、7.32和7.14,各处理差异不显著;晚稻田面水平均pH值分别为7.85、7.71、7.72、7.72和7.66,CRU处理均显著低于U处理。U处理氨挥发速率和田面水铵态氮浓度呈极显著正相关 (r = 0.8813),与硝态氮浓度呈显著负相关 (r = –0.5319);CRU处理与U处理变化规律类似,CRU3和CRU4处理氨挥发速率与田面水铵态氮浓度达到显著正相关 (r = 0.5388和0.4245),各处理氨挥发速率与田面水pH值和10 cm土层温度相关不明显。【结论】施用控释尿素可显著降低稻田水面中的铵态氮含量,减少由于施肥导致的pH值增加,因而显著降低了稻田的氨挥发损失量,减少了氨挥发损失率。早稻和晚稻均以控释尿素施用量减少20%~30%的氨挥发减排效果最为明显。

    English Abstract

    • 氮是实现水稻高产稳产的重要元素,对水稻产量形成、品质改善等有举足轻重的作用[1]。人口大国和粮食消费大国使得农民通过大量施用氮肥来获得较高的水稻产量,但会导致氮肥利用率低、氮素损失量大等问题。施入土壤中的氮素除被作物吸收外,其余部分会通过径流、淋溶、氨挥发、硝化–反硝化等途径损失,造成大气和水体污染[2]。稻田氨挥发是农田土壤氮素损失的主要途径之一,我国南方稻田施用化学氮肥,其氨挥发损失的氮量可占施氮量9%~40%[3-5]。农田排放的氨易通过沉积转回陆地和地表水,导致土壤酸化、水体富营养化、生物多样性丧失等,危害水土环境[6-7]。因此,有效控制稻田氨挥发排放具有重要意义。

      选择合适的肥料种类是减少稻田氨挥发的关键措施之一。树脂包膜尿素是一种控释肥料,养分释放速度可与作物需肥规律基本同步[8],能显著增加水稻产量和氮肥利用率[9-10],还能显著降低水稻生长前期氮素径流[11-12]、渗漏[13]损失,明显减少氨挥发和反硝化损失[14-15]。目前,多数研究集中于树脂包膜尿素的减排增效及减少环境污染等方面,但较少研究控释尿素施用下双季稻田氨挥发损失的影响因素,因此有待进一步研究。

      稻田氨挥发损失因试验条件不同而结果迥异,前人研究认为,施肥、土壤特性[16]和田面水pH值、铵态氮浓度[5,17-18]是影响稻田氨挥发的重要因素;同时,降雨也对氨挥发有重要影响,降雨时间和降雨量往往通过改变田面水铵态氮浓度、pH值等增加测定误差,影响稻田氨挥发损失量[19-20]。但在无降雨影响的条件下稻田氨挥发的关键影响因素是什么?目前很少有人研究。为此,本试验采取大棚盆栽试验,研究无降雨条件下施用控释尿素对稻田氨挥发动态的影响及其关键影响因素,以期揭示在湖南双季稻生产上施用控释尿素对氨挥发损失的关键影响因素及作用原理,为制定南方双季稻田氨挥发减排的合理施肥技术提供理论依据。

      • 大棚盆栽试验于2017年在湖南省长沙市湖南农业大学土壤肥料资源高效利用国家工程实验室校内基地进行,供试土壤采自湖南省长沙市浏阳市永和镇 (28°11′0.72″ N,113°06′23.79″ E) 试验基地内保护行的耕作层土壤 (0—20 cm)。土样采集后风干,挑去肉眼可以看见的细根、石块后过1 cm筛保存备用。

      • 供试早稻、晚稻品种为中早39和泰优390。供试氮肥为普通尿素 (含N 46%) 和控释尿素 (山东金正大生态工程股份有限公司生产,树脂包膜,含N 42%);磷肥为过磷酸钙 (含P2O5 12%);钾肥为氯化钾 (含K2O 60%)。供试土壤为河流冲积物发育的潮沙泥,土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为16.62、1.21、0.54、11.51 g/kg,碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为48.9、21.2、156 mg/kg,pH值为5.61。

      • 试验设不施氮肥 (CK)、普通尿素 (U) 及控释尿素等氮量 (CRU1)、减氮10%(CRU2)、减氮 20% (CRU3) 和减氮 30% (CRU4) 共6个处理。盆栽容器为长40 cm、宽30 cm、高25 cm的矩形塑料盆,每盆栽种稻秧4蔸,每蔸2株秧苗。CK、U、CRU1、CRU2、CRU3、CRU4处理的早稻氮用量分别为N 0、150、150、135、120、105 kg/hm2,P2O5、K2O用量均为72 kg/hm2、90 kg/hm2;晚稻氮用量分别为N 0、180、180、162、144、126 kg/hm2,P2O5、K2O用量均为60 kg/hm2、105 kg/hm2。将60%氮肥、100%磷肥和60%钾肥与土混匀后装入盆内作基肥,10天后将剩余的40%氮肥和钾肥撒施于土壤表层作追肥。基肥和移栽、追肥、收获的时间早稻分别为2017年4月23日、5月3日、7月17日,晚稻分别为2017年7月22日、8月1日和11月1日。插秧后用自来水灌溉,前期定期浇水并保持3~5 cm水层,分蘖盛期晒田,后期干湿交替。整个生育期按常规大田管理。

      • 挥发的氨气采用密闭室间歇式通气法收集。密闭室长25 cm、宽15 cm、高9 cm,采用透明有机玻璃制作。挥发氨吸收液为20 g/L硼酸,每次抽气结束后,用标准稀硫酸 (H2SO4 5 mmol/L) 滴定,计算土壤中氨挥发量。抽气时,气室内换气速率控制在15~20 次/min。施肥后每天上午9:00—11:00和下午15:00—17:00进行抽气,作为当天氨挥发的平均通量计算全天氨挥发量,持续测定直至施氮处理与未施氮处理的氨挥发通量无显著差异为止。

        田间土壤氨挥发损失的计算公式如下:

        F = (c × V × 14 × 10–2/S) × (24/t)

        式中,F为氨挥发通量[以NH3-N计,kg/(hm2·d)];c为标准稀硫酸的滴定浓度 (mol/L);V为滴定消耗稀硫酸的体积 (mL);14为每摩尔NH3中N的质量数 (g/mol);S为捕获装置的截面积 (m2);t为氨挥发收集时间 (h)。

        累积氨挥发量是各测定时期的氨挥发通量之和;氨挥发损失率是施氮处理与未施氮处理的累积氨挥发量差值占该施氮处理施氮量的百分比。

        于施肥后的第1、2、3、5、7、9天采集田面水样品测定pH值和NH4+-N、NO3-N含量,24 h内测定完毕,未能当天完成测定的水样保存在4℃冰箱中,于次日分析。水样pH值用pH计测定,铵态氮和硝态氮含量用SmartChem200测定。

      • 采用Microsoft Excel 2016和SPSS 17.0软件进行数据处理和分析,处理间差异显著性分析采用最小显著差异法 (LSD)。

      • 图1可知,施肥后早、晚稻氨挥发速率均表现出一致的规律。施基肥后,所有处理氨挥发速率均于第1天出现峰值;施分蘖肥后,U和CRU处理氨挥发速率峰值分别于第2天和第3天出现,U处理氨挥发峰值最高,CRU处理氨挥发峰值随施氮量增加而升高,峰值后逐渐下降。施基肥后,U处理早、晚稻氨挥发峰值分别为5.51 kg/(hm2·d) 和10.63 kg/(hm2·d);CRU处理分别为1.55~2.09 kg/(hm2·d) 和2.54~3.37 kg/(hm2·d),较U处理分别降低62.1%~71.9%和68.3%~76.1%。施分蘖肥后,U处理早、晚稻氨挥发峰值分别为5.45 kg/(hm2·d) 和11.83 kg/(hm2·d);CRU处理分别为1.87~2.46 kg/(hm2·d) 和2.36~3.06 kg/(hm2·d),较U处理分别降低54.9%~65.7%和74.1%~80.1%,第9天降至与CK处理无明显差异。监测期内,CRU处理氨挥发峰值较低,显著低于U处理。

        图  1  不同处理下早、晚稻生长季氨挥发速率

        Figure 1.  Ammonia volatilization rate during early and late rice seasons under different treatments

      • 表1显示,各施肥处理在基肥、分蘖肥施用后和水稻生长季氨挥发累积损失量均高于CK处理。早、晚稻基肥期,U处理氨挥发累积损失量 (率) 分别为30.3 kg/hm2 (24.63%) 和33.06 kg/hm2(24.56%),CRU处理分别为10.07~12.01 kg/hm2(2.69%~4.31%) 和10.27~12.86 kg/hm2 (4.33%~6.22%),4个CRU处理间差异不显著,但CRU处理均显著低于U处理。分蘖肥期,早、晚稻U处理氨挥发累积损失量 (率) 分别为25.11 kg/hm2(26.57%) 和52.69 kg/hm2(59.58%),CRU处理分别为13.31~15.52 kg/hm2(9.86%~11.07%) 和14.92~17.53 kg/hm2 (9.67%~11.40%),CRU处理均显著低于U处理,其中晚稻CRU3和CRU4处理显著低于CRU1和CRU2处理。早、晚稻分蘖肥期氨挥发累积损失量及损失率均高于基肥期,这与施肥方式有关,施用分蘖肥 (表层撒施) 较基肥 (土层混施) 可提高田面水铵态氮浓度,增大氨挥发损失[21]

        表 1  早、晚稻施肥后氨挥发累积损失量和损失率

        Table 1.  Cumulative ammonia volatilization loss and loss rate after fertilization in early and late rice seasons

        稻季
        Season
        处理
        Treatment
        基肥Basal fertilizer分蘖肥Topdressing总计Total
        (kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)
        早稻 Early riceCK8.13 ± 0.41c9.17 ± 0.32c17.3 ± 0.67d
        U30.3 ± 1.73 a24.6325.11 ± 0.91 a26.5755.42 ± 0.88 a25.41
        CRU112.01 ± 0.63 b4.3115.52 ± 0.91 b10.5827.53 ± 1.06 b6.82
        CRU210.46 ± 0.33 bc2.8815.15 ± 0.92 b11.0725.61 ± 1.23 bc6.16
        CRU310.07 ± 0.42 bc2.6913.95 ± 0.94 b9.9624.02 ± 0.80 c5.60
        CRU410.46 ± 0.55 bc3.7013.31 ± 0.09 b9.8623.77 ± 0.50 c6.16
        晚稻 Late riceCK6.53 ± 1.74 c9.79 ± 0.11 d16.32 ± 0.64 c
        U33.06 ± 1.22 a24.5652.69 ± 0.53 a59.5885.75 ± 2.36 a38.57
        CRU112.86 ± 2.58 b5.8617.53 ± 0.32 b10.7530.39 ± 1.94 b7.82
        CRU212.31 ± 0.83 b5.9517.18 ± 0.73 b11.4029.49 ± 1.35 b8.13
        CRU310.27 ± 1.33 bc4.3315.36 ± 1.09 c9.6725.63 ± 0.98 b6.47
        CRU411.23 ± 2.57 bc6.2214.92 ± 0.81 c10.1826.15 ± 2.02 b7.80
        注(Note):同列数值后不同字母表示同一稻季不同处理间在 5% 水平上差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significantly different among treatments in the same rice season at the 5% level.

        早、晚稻生长季U处理累积氨挥发损失量 (率) 最高,分别为55.42 kg/hm2 (25.41%) 和85.75 kg/hm2 (38.57%),显著高于其他处理;CRU处理累积氨挥发损失量 (率) 分别为23.77~27.53 kg/hm2 (5.6%~6.82%) 和25.63~30.39 kg/hm2 (6.47%~8.13%),其中早稻CRU3和CRU4处理显著低于CRU1处理。与U处理相比,CRU1、CRU2、CRU3和CRU4处理早稻生长季累积氨挥发损失量分别降低50.3%、53.8%、56.7%和57.1%,晚稻分别降低64.6%、65.6%、70.1%和69.5%。晚稻各处理氨挥发损失量及损失率均较早稻高,可能与早稻生长季温度和施肥量较低有关。

      • 通过监测田面水氮素浓度变化,发现早、晚稻施肥后各处理田面水铵态氮浓度动态特征与稻田氨挥发变化规律相似 (图1图2)。图2所示,早稻基肥后第2天,各处理田面水铵态氮浓度达峰值,之后迅速下降,7天后为峰值的9.9%~14.8%。分蘖肥后,田面水铵态氮浓度变化规律与基肥期基本一致。U处理铵态氮浓度峰值最高,施基肥和追肥后峰值分别达10.14 mg/L、8.37 mg/L;CRU处理次之,为1.99~2.59 mg/L、0.91~2.55 mg/L。较U处理,CRU1、CRU2、CRU3和CRU4处理基肥后铵态氮浓度峰值分别降低74.5%、78.2%、80.4%和80.3%,施分蘖肥后分别降低69.5%、79.1%、71.6%和89.1%。

        图  2  不同处理早、晚稻田面水中铵态氮浓度变化

        Figure 2.  Dynamic change of ammonium nitrogen concentration in surface water of early and late rices under different treatments

        晚稻施肥后田面水铵态氮浓度迅速升高,当天达到峰值,之后迅速下降。施分蘖肥后,U处理在第3天达到峰值,CRU处理在当天达到峰值。施肥后U处理铵态氮浓度峰值最高,基肥和追肥期峰值分别达18.93、17.75 mg/L,CRU处理铵态氮浓度峰值分别为4.54~8.83、3.49~5.80 mg/L;与U处理相比,CRU1、CRU2、CRU3和CRU4处理施基肥后铵态氮浓度峰值分别降低53.4%、65.7%、75.3%和76.0%,施分蘖肥后分别降低 69.5%、67.3%、80.3%和78.2%。U处理田面水铵态氮浓度在监测期内均最高,说明速效氮肥能显著增加田面水铵态氮浓度,而控释氮肥可明显降低田面水铵态氮浓度峰值。

      • 图3可知,淹水、厌氧环境使监测期内稻田田面水硝态氮浓度一直处于较低水平。后期田面水层逐渐变浅,厌氧条件被破坏,硝态氮浓度开始上升,硝态氮浓度出现波动性变化。施基肥后第3天,U处理硝态氮浓度开始升高,到第9天达到峰值,之后迅速下降;追肥后第3天硝态氮浓度又开始上升,第7天达到峰值。CRU1处理基肥后第5天硝态氮浓度开始缓慢上升,CRU2和CRU3处理追肥后第2天开始上升,CRU4和CK处理硝态氮浓度一直较低。

        图  3  不同处理早、晚稻田面水硝态氮浓度变化

        Figure 3.  Dynamic change of nitrate nitrogen concentration in surface water of early and late rices under different treatments

        晚稻各处理田面水硝态氮浓度在前期均保持较低水平,后期呈上升趋势。基肥后第5天,各处理硝态氮浓度开始升高,第7天均达到峰值,后迅速下降。追肥后第5天各处理硝态氮浓度又开始上升,直到第13天开始下降。追肥后第11天U处理达到峰值 (3.48 mg/L),CRU1和CRU2处理追肥后第11天达到峰值,分别为3.06 mg/L和2.78 mg/L,CRU3和CRU4处理追肥后第9天达到峰值,分别为2.25 mg/L和1.74 mg/L,CK处理硝态氮浓度一直较低。较U处理,施用CRU能明显降低田面水硝态氮浓度。

      • 图4可以看出,早晚稻田面水pH值均呈现先升高后降低再升高再降低的趋势。因为尿素水解成铵态氮会导致pH值升高,当氨挥发损失后,pH值开始下降;另外,硝化作用是一个酸化过程,可使田面水pH值先升高后降低。施肥后田面水 pH值随着水稻生长出现波动,但总体处于中性偏弱碱性。

        图  4  不同处理早、晚稻田面水pH值变化

        Figure 4.  Dynamic change of pH in surface water of early and late rices under different treatments

        早、晚稻施基肥后,各处理田面水 pH 值逐渐升高,施肥后第7天出现峰值,之后逐渐下降。施追肥后pH值又开始升高,第9天达最高值,随后逐渐下降。早稻各处理田面水pH值在6.30~8.26间波动。U、CRU1、CRU2、CRU3和 CRU4 处理早稻田面水平均pH值分别为7.26、7.22、7.25、7.32和7.14。晚稻各处理田面水pH值在6.83~8.47间波动。U、CRU1、CRU2、CRU3和CRU4处理水稻生长季田面水平均pH值分别为7.85、7.71、7.72、7.72和7.66,CRU处理均显著低于U处理,其中CRU2、CRU3处理与CRU4处理差异显著。早晚稻CK处理平均pH分别为7.03、7.58,各处理平均pH较CK处理分别有不同程度的提高,表明施用氮肥提高了田面水pH值。在早晚稻基肥期,U处理田面水pH值均高于CRU处理期,因为控释尿素缓慢释放的氮素降低了田面水pH值。

      • 在氨挥发监测期内记录气温和10 cm土层温度。由图5图6可知,土壤温度受气温影响显著,两者有很高的相似性。CK、U、CRU1、CRU2、CRU3和CRU4处理早稻平均土温分别为23.0℃、23.3℃、23.3℃、23.2℃、23.4℃和23.1℃,晚稻平均土温分别为31.9℃、31.9℃、31.7℃、31.5℃、31.7℃和31.5℃,各处理间土壤温度差异不显著,施肥对稻田土壤温度的影响不显著。

        图  5  早、晚稻氨挥发期间的气温

        Figure 5.  Air temperature during monitoring stage in early and late rice seasons

        图  6  早、晚稻氨挥发期间10 cm土层温度

        Figure 6.  Temperature at 10 cm soil layer during monitoring stage in early and late rice seasons

      • 将田面水铵态氮浓度、硝态氮浓度、pH值和土温与氨挥发速率进行相关性分析 (表2),得出各处理氨挥发速率与田面水铵态氮浓度均呈正相关关系,其中,U、CRU3处理氨挥发速率与田面水铵态氮浓度均呈极显著正相关,CRU4处理氨挥发速率与田面水铵态氮浓度呈显著正相关关系;各处理氨挥发速率与田面水pH值、土壤温度相关不明显;与田面水硝态氮浓度呈负相关。施肥后,田面水铵态氮浓度迅速增加,稻田氨挥发速率随之剧增,田面水pH值、土温趋势与氨挥发速率并未表现出一致规律,而田面水硝态氮浓度与之相反。因此,推断出在上述四种影响因素中田面水铵态氮浓度是影响稻田土壤氨挥发的最重要因素。

        表 2  不同处理氨挥发速率与田面水中氮含量、pH值及10 cm土层温度的相关性

        Table 2.  Correlation of ammonia volatilization rate with the nitrogen content and pH in surface water and temperature at 10 cm soil layer

        处理 Treatment变量 Variable相关方程 Correlation equationr
        USW-NH4+y = 0.4663x + 1.18130.8813***
        SW-NO3y = –0.7609x + 5.7017–0.5319**
        STy = 0.0836x + 1.92100.1516
        SW-pHy = 0.6593x – 0.83530.1091
        CRU1SW-NH4+y = 0.1360x + 1.29870.3966
        SW-NO3y = –0.1411x + 1.7471–0.1393
        STy = 0.0273x + 0.85460.2014
        SW-pHy = 0.2020x + 0.08180.1696
        CRU2SW-NH4+y = 0.0932x + 1.30790.2553
        SW-NO3y = 0.0482x + 1.45710.0453
        STy = 0.0243x + 0.83460.1779
        SW-pHy = 0.2068x – 0.06920.2656
        CRU3SW-NH4+y = 0.3601x + 0.93690.5388**
        SW-NO3y = –0.0364x + 1.3932–0.0492
        STy = 0.0152x + 0.94170.1296
        SW-pHy = 0.0327x + 1.11260.0291
        CRU4SW-NH4+y = 0.1822x + 1.11920.4245*
        SW-NO3y = –0.2833x + 1.4454–0.1836
        STy = 0.0174x + 0.86930.1745
        SW-pHy = 0.2039x – 0.18350.0214
        注(Note):SW-NH4+—田面水铵态氮浓度 NH4+-N concentration in surface water; SW-NO3—田面水硝态氮浓度 NO3-N concentration in surface water; ST—土壤温度 Soil temperature; *—P < 0.05; **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
      • 本研究早、晚稻U处理氨挥发速率峰值均出现在施肥后1~2天,CRU处理氨挥发速率峰值在第1天和第3天,较U处理有不同程度降低,因为尿素施入土壤后迅速水解,导致初期有大量氨挥发,而树脂包膜材料具有疏水性,可以控制膜内尿素缓慢持续释放[22],因此施用控释尿素能明显降低氨挥发峰值,与前人[14,23]研究结果一致。本试验CRU处理氨挥发速率在监测期内一直维持在较低水平,与李诗豪等[24]研究结果一致。本试验早、晚稻均以U处理累积氨挥发损失量最高,早稻为55.42 kg/hm2,晚稻为85.75 kg/hm2,明显高于田昌等[25]的研究结果 (U处理早、晚稻氨挥发损失量分别为47.2 kg/hm2、61.9 kg/hm2),因为本研究为无降雨的盆栽试验,无降雨等条件减少了氮素径流和渗漏损失,间接增加氨挥发损失。CRU处理早稻生长季氨挥发累积损失量为23.77~27.53 kg/hm2,晚稻为25.63~30.39 kg/hm2,较U处理降低50.3%~57.1%和64.6%~70.1%;薛欣欣等[26]在海南研究控释尿素分次施用的氨挥发损失量为24.7 kg/hm2,较普通尿素分次施用减少15.4%,与本试验相比,累积损失量相差不大但减排效果更低,可能是因为海南降雨量大,减少了氨挥发损失,进一步证明降雨可能是尿素处理氨挥发损失的重要影响因素,但还需进一步验证。孙祥鑫等[14]研究发现,施用树脂包膜尿素处理的氨挥发累积排放量较尿素处理减少了73.4%,减排效果与本研究基本一致。从本研究结果还可看出,早晚稻稻田氨挥发损失率都以尿素处理最高,分别为25.41%(早稻)、38.57%(晚稻),CRU处理为5.6%~6.82%(早稻)、6.47%~8.13%(晚稻)。侯朋福等[27]研究表明,树脂包膜尿素一次施肥处理和树脂尿素一基一穗施肥处理氨挥发损失氮量占施氮量的3.84%和9.52%,与本试验结果相差不大。Xu等[28]研究表明,中国南方双季稻田尿素和包膜尿素处理氨挥发损失占总施氮量的比例分别为16%~30%和4%~8%,包膜尿素能显著降低氨挥发损失率,与本试验结果一致。其中,本试验早晚稻均以控释尿素减氮20%~30%处理氨挥发损失率较低。以上结果可以说明,与单施尿素相比,控释尿素处理具有降低氨挥发损失的作用,且减量施用效果更好。

      • 稻田氨挥发受多种因素综合影响[29],而田面水铵态氮浓度是最关键的因素[30-33]。田面水氮含量受氮肥类型和氮肥用量等影响,本研究证实控释尿素能显著降低田面水铵态氮浓度。尿素施入稻田后,在脲酶作用下快速水解为NH4+,使田面水铵态氮浓度迅速升高,包膜尿素的包膜材料阻隔膜内尿素与土壤脲酶直接接触,使CRU处理田面水铵态氮浓度较低。本试验中氨挥发速率与田面水铵态氮浓度呈正相关关系,其中U、CRU3处理达极显著水平。黄晶晶等[34]发现不同尿素施用量的田面水铵态氮浓度与氨挥发的相关系数均达到极显著水平;朱坚等[5]研究也表明尿素和碳酸氢铵基施后氨挥发速率与田面水铵态氮浓度呈极显著正相关,与本试验尿素处理结果一致。赵蒙等[35]研究认为,田面水铵态氮浓度和氨挥发日通量间存在正相关关系,聚脲甲醛缓释肥 (MU) 处理田面水铵态氮浓度较低,施用聚脲甲醛缓释肥能够显著减少稻田氨挥发损失,与本试验控释尿素处理结果一致。图1图2对比发现,各处理氨挥发速率峰值与田面水铵态氮浓度峰值并不完全对应,俞映倞等[36]研究指出,施肥后稻田氨挥发量主要受田面水中铵态氮平均含量影响,但每日氨挥发通量还受其他因素影响。吴萍萍等[18]研究也表明,田面水铵态氮浓度与氨挥发速率并不完全同步,说明稻田氨挥发速率受多种因素综合影响。本研究中,田面水硝态氮浓度动态变化与氨挥发速率及田面水铵态氮的动态变化趋势相反。CRU处理较U处理田面水硝态氮浓度峰值低,说明CRU处理能有效降低田面水硝态氮浓度峰值。施肥后田面水硝态氮与氨挥发速率的相关分析表明,氨挥发速率与田面水硝态氮呈负相关关系,其中U处理呈极显著负相关关系。控释尿素通过缓慢释放氮素来降低施肥后田面水中氮含量,尤其是铵态氮浓度,田面水中铵态氮浓度降低减少了氨挥发的底物,减少了NH3进入大气层。因此,田面水铵态氮浓度是影响控释尿素处理氨挥发的主要因素,而田面水硝态氮是铵态氮转化后的主要产物[22]

        田面水pH值是影响稻田氨挥发速率的另一个重要因素,田面水pH值受多种因素影响,如,高施氮量、高温、强光照及藻类生长等都会提高pH值[18]。各施氮处理田面水平均pH值均高于不施氮处理,说明施氮能引起田面水pH值升高,与叶玉适等[37]研究结果一致。氨挥发监测期间,施氮处理田面水pH值变化趋势与氨挥发变化不一致且变化复杂,U处理田面水pH值在前期高于CRU处理,因为尿素施入土壤后立即水解,产生碳铵导致pH值升高,而控释尿素延迟氮素释放,降低了前期田面水pH值。晚稻U处理平均pH高于CRU处理,说明施用控释尿素较普通尿素能有效降低田面水pH值。Xu等[28]发现控释肥能降低田面水铵态氮浓度和pH值,与本试验结果一致。对施肥后田面水pH值动态与氨挥发速率进行相关分析,结果表明,各处理氨挥发速率与田面水pH值呈正相关。有研究结果表明,稻田氨挥发速率与田面水pH值存在正相关关系[38],与本试验结果一致。吴凡等[33]研究显示,田面水pH值的变化对稻田氨挥发产生一定影响,但并不显著,因为田面水pH值变化范围较小,对氨挥发影响不显著。

        氨挥发同时受各种环境因素影响,田间降雨、温度、光照和风速都会影响土壤氨挥发。在湖南双季稻地区 (早稻梅雨时节、晚稻高温少雨),早稻氨挥发受降雨的影响较大[5];而在大棚盆栽试验条件下,早、晚稻无降雨的差异。所以从气候条件来看,若有差异,则主要为温度差异。氨挥发速率与10 cm土层温度的相关分析结果表明,氨挥发速率与土温呈正相关但不显著,说明土壤温度对氨挥发速率有影响,但非主导因子。温度对CRU处理的氨挥发产生影响是因为温度可控制包膜尿素养分释放。Grant等[39]研究表明控释肥的有效性受所在地区环境条件影响,树脂包膜为热塑性包膜,能通过水分作用,使肥料释放到土壤中,因此受温度和水分影响较大[40]。但由于淹水稻田水分充足,故决定其养分释放的主要因素是温度[41]。杨锌等[42]研究认为,在土壤相对含水率较高情况下,温度是树脂包膜尿素释放的决定性因素。其中,尿素处理氨挥发速率与土温相关性较CRU1、CRU2、CRU4处理低,可能是因为高温多发生在氨挥发后期,此时U处理的尿素已经基本分解,受温度影响不明显。

      • 与普通尿素相比,控释尿素可显著降低氨挥发损失。控释尿素处理氨挥发速率峰值较尿素处理降低了54.9%~80.1%;控释尿素处理氨挥发损失率为5.6%~8.13%,早、晚稻均以减氮20%~30%处理较低;早、晚稻生长季各处理氨挥发累积损失量分别为23.77~55.42 kg/hm2、25.63~85.75 kg/hm2,控释尿素早晚稻氨挥发累积损失量均低于普通尿素,且减少50.3%~70.1%的稻田氨挥发损失,以控释尿素减氮20%~30%的效果最为明显。

        普通尿素与控释尿素的氨挥发速率和田面水铵态氮浓度均呈正相关,其中控释尿素减氮20%~30%条件下相关性达到显著性或极显著水平,与田面水硝态氮浓度呈负相关关系,与田面水pH值、土温间相关不明显。控释尿素能显著降低田面水中铵态氮浓度,降低田面水中硝态氮浓度峰值,有效降低施肥导致的田面水pH值增加,进而有效减少氨挥发损失。

    参考文献 (42)

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