秸稈粉碎帶膜還田對玉米氮肥追施過程土壤氨揮發的影響初探

2021-12-08 07:45:56盧秉林車宗賢張久東包興國吳科生

干旱地區農業研究 2021年6期

王璽，盧秉林，車宗賢，張久東，包興國，吳科生，崔恒

(1.甘肅農業大學資源環境學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅蘭州 730070)

氮肥的大量施用有力地保障了糧食生產，但是近年來，氮肥施用量的逐年增加和施用方法的不合理造成的環境和生態問題已經影響到了農業可持續發展，其中，氨揮發是氮肥氣態損失的重要途徑之一，而且是當前農田管理過程中不可避免的現象[1-5]。因此，加快探索農田氨揮發的抑制方法和途徑，是減少氮素損失、提高氮肥利用率的重要途徑。

秸稈還田作為一種經濟有效的秸稈利用方式，在作物增產、減施化肥等方面有重要作用，而且在一定程度上減少了因秸稈焚燒帶來的環境污染問題[6-8]。近年來，國內外學者通過秸稈還田調控土壤氨排放的研究報道屢見不鮮，有研究表明，秸稈還田可以促進土壤中的無機氮轉變成有機氮，進而減少氨揮發損失[9]。也有研究表明，秸稈還田會促進氮肥氨揮發，其中與氮肥配施較單施氮肥處理的氨揮發量提高了20%左右[10]。還有研究指出，秸稈還田配施氮肥對農田氨排放量無明顯影響[11]。上述研究結果的不同，主要是因為還田秸稈種類、土壤類型、施肥方式等有所差異所致，所以針對特定區域內的秸稈還田方式開展還田秸稈對氮肥氨揮發的影響，對提高當地氮肥利用率、減少氮肥用量意義重大。

秸稈粉碎帶膜還田是本研究團隊針對西北旱區氣候干燥、還田秸稈不易腐解而研發的一種將秸稈還田帶和種植帶有效分離的新型還田方式，有望解決西北旱區秸稈還田難的問題[12]。但是該還田方式對氮肥氨揮發有何影響還不夠明確，同時在河西綠洲灌區，大水漫灌是其主要灌溉方式，而灌前肥料表施是其主要追肥形式，為此，通過研究河西綠洲灌區秸稈粉碎帶膜還田對玉米氮肥追施過程中氨揮發的影響，探索一種適合當地減少氮肥氨揮發的秸稈還田模式，并為其推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗于2020年在甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所武威綠洲農業試驗站(38°37′N，102°40′E)進行，海拔1 504 m，無霜期150 d左右，年降水量150 mm，年蒸發量2 021 mm，年平均氣溫7.7℃，日照時數3 023 h，≥10℃有效積溫為3 016℃，年太陽輻射總量140～158 kJ·cm-2，屬于典型兩季不足、一季有余的，溫帶大陸性干旱氣候。土壤類型為石灰性灌漠土。

1.2 試驗設計

供試品種為‘吉祥1號’，玉米平作，采用寬窄行種植，玉米帶行距為40 cm，帶間距為80 cm，2020年4月10日播種，播種量為75 000株·hm-2。試驗共設4個處理：不還田(CK)、傳統粉碎全地翻壓覆膜還田(CM)、全量粉碎帶狀翻壓覆膜還田(CB)、全量整株帶狀覆蓋覆膜還田(WM)，3次重復，隨機區組排列，共計12個小區，小區面積為22.08 m2(4.8 m×4.6 m)。傳統粉碎全地翻壓覆膜還田處理是將切割為10 cm左右的玉米秸稈均勻施于地表，然后全量翻壓到10 cm土層以下；粉碎帶狀翻壓覆膜還田只在玉米帶之間翻壓切割成10 cm左右的玉米秸稈進行全量翻壓，深度為10 cm以下，然后上面覆地膜；整株帶狀覆蓋覆膜還田是將秸稈整株鋪設于玉米帶之間，直接在上面覆地膜后進行全量翻壓。施肥量為純氮375 kg·hm-2，其中30%做基肥，拔節期追施30%，大喇叭口期追施40%，隨水追氮，玉米追肥時按種植帶稱取肥料，均勻撒于種植行間，以保證施肥的均勻性。P2O5150 kg·hm-2全部基施，試驗土壤富鉀(鉀含量85.22 mg·kg-1)，因此本試驗未施鉀肥。灌溉方式采用大水漫灌，玉米全生育期共灌溉5次，分別于6月10日、6月30日、7月20日、8月9日、8月29日進行灌溉，每次灌水量約為70 m3。

1.3 測定指標與計算方法

玉米拔節和大喇叭口期的灌水前，在各小區玉米種植行安裝3套氨揮發捕獲裝置(圖1)，采用密閉法測定田間土壤的氨揮發，測定過程直至捕獲不到氨揮發為止。

氨揮發量(以N計)：

A=V×c×14.0×10-3×10000×π-1×0.1-2

式中,A為氨揮發量(g·hm-2)；V為滴定所用標準溶液的體積(ml);c為標準溶液濃度(mol·L-1);14.0為氮原子的摩爾質量(g·mol-1);10-3為將ml轉換成L的轉換系數;10000為每公頃土地的面積(m2);0.1為氨揮發面積的半徑(m)。

氨揮發累積量計算公式：

氨揮發累積量(g·hm-2)=測定時期內每日氨揮發量之和氨揮發肥料損失率計算公式：

氨揮發肥料損失率(%)=(施肥處理氨揮發累積量-對照不施肥處理氨揮發累積量)(g·hm-2)/施肥量(g·hm-2)×100%

土壤質量含水量計算公式：

土壤質量含水量(%)=(烘干前鋁盒及土樣質量-烘干后鋁盒及土樣質量)(g)/(烘干后鋁盒及土樣質量-烘干空鋁盒質量)(g)×100%

1.4 氨捕獲裝置

氨捕獲裝置由PVC硬質塑料管制成上下方敞開的圓柱體捕獲裝置(圖1)，規格為20 cm×10 cm。測定時將PVC管扣在地面，里面放置1個裝有20 ml 2%硼酸指示劑的塑料瓶，規格為5.5 cm×6.5 cm，然后用玻璃將PVC管蓋住，并用凡士林密封，以后每天早上8點用新的硼酸溶液塑料瓶置換出裝置內前一天放置的硼酸溶液塑料瓶，并帶回室內用0.01 mol·L-1HCL標準溶液進行滴定。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件和SigmaPlot軟件進行數據整理與作圖，用SPSS 19.0對數據進行方差分析和最小顯著性檢驗(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 玉米拔節期追肥后土壤氨揮發速率

由圖2可知，拔節期追肥后，氨揮發速率迅速升高，1～4 d內達到峰值，隨后略有回升，最后逐漸降低至起始水平，整體上氨揮發排放主要集中在氮肥追施后的一周。各處理間的氨揮發速率呈先增長后降低的趨勢，CK處理的氨揮發速率在施肥后第3天達到峰值，峰值為46.82 g·hm-2·d-1，CM和CB處理較其他處理差異顯著，均在施肥后第1天達到最高，峰值分別為12.63、11.89 g·hm-2·d-1。WM處理的氨揮發速率在施肥后第4天達到最大，峰值為42.35 g·hm-2·d-1，略低于CK處理。粉碎帶膜還田處理的氨揮發速率均明顯低于不還田處理。后期各處理之間的氨揮發速率差異逐漸變小，隨著時間的推進逐漸降低至對照水平。

2.2 玉米大喇叭口期追肥后土壤氨揮發速率

大喇叭口期追肥后，各處理間的氨揮發速率下降明顯，但整體趨勢與拔節期一致(圖3)。WM處理氨揮發速率在施肥后第1天達到最高，峰值為8.92 g·hm-2·d-1，之后隨著時間的推進，氨揮發速率迅速降低，隨后略有回升。CB處理在施肥后第4天達到峰值，為8.92 g·hm-2·d-1；CK處理氨揮發速率在施肥后第1天達到最高，為6.69 g·hm-2·d-1。CM處理氨揮發速率在施肥后呈上升趨勢，在第4天達到最高，峰值為7.43 g·hm-2·d-1，之后隨著時間的推進逐漸降低。

2.3 玉米拔節期追肥后土壤氨揮發累積量

玉米拔節期各處理氨揮發累積量與氨揮發速率的變化趨勢一致(圖4)，各處理的氨揮發主要集中在氮肥追施后的一周內，CK、WM、CM、CB處理氨揮發累積量分別占本生育期氨揮發總量的71.25%、70.80%、70.54%和64.35%。在監測結束時，CM和CB處理的氨揮發肥料損失累積量分別為76.94 g·hm-2和85.49 g·hm-2，占追肥量的0.06%和0.07%。與CK處理相比，CM和CB處理的氨揮發肥料損失累積量顯著減少，減少幅度分別達到了71.24%和68.04%；WM處理減少幅度只有5.24%，差異不顯著，說明WM處理在玉米拔節期的腐解速率相對緩慢。

2.4 玉米大喇叭口期追肥后土壤氨揮發累積量

玉米大喇叭口期各處理氨揮發累積量的變化趨勢與拔節期一致(圖5)。CM和CB處理在追肥后的氨揮發肥料損失累積量分別為37.92 g·hm-2和33.45 g·hm-2，占追肥量的0.02%和0.02%，相比CK處理的差異不顯著，降幅只有3.76%和15.09%。與拔節期相比，CM、WM、CB、CK處理的氨揮發累積量分別減少了50.71%、83.87%、60.83%、85.27%，這是因為相比拔節期，玉米大喇叭口期生長旺盛，對氮素的需求增加所致。

2.5 玉米氨揮發損失累積量及氨揮發損失率

在整個追肥過程中(表1)，CM和CB處理的氨揮發肥料損失累積量分別為114.86 g·hm-2和118.94 g·hm-2，占總追肥量的0.08%和0.10%，與CK處理相比差異顯著，降幅達到61.58%和61.25%。WM處理與CK處理相比差異不顯著。可見，采用秸稈粉碎帶膜還田來減少玉米生育期化學氮肥追施后的氮損失效果明顯。

表1 玉米氨揮發損失累積量及氨揮發損失率

2.6 0～10 cm土層土壤質量含水量和溫度

拔節期和大喇叭口期0～10 cm土層土壤質量含水量隨著時間的推進均呈降低趨勢(圖6、7)，拔節期0～10 cm土層土壤質量含水量表現為CB>CM>WM>CK(圖6)，CM和CB處理較對照處理分別提高了9.89%、8.79%。大喇叭口期0～10 cm土層土壤質量含水量表現為CM>CB>CK>WM(圖7)，CM和CB處理較對照處理均提高了4.78%。拔節期，0～10 cm土層土壤溫度隨著時間的推進，都表現為逐漸降低，后期略有回升，隨后再降低的趨勢，不同處理間無顯著差異(圖8)；大喇叭口期，0～10 cm土層土壤溫度隨著時間的推進呈現鋸齒狀波動(圖9)。拔節期0～10 cm土層土壤平均溫度表現為CB>CK>WM>CM(圖8)；大喇叭口期0～10 cm土層土壤平均溫度表現為CM>WM>CB>CK(圖9)。

3 討論

秸稈還田作為一種合理利用生物質資源和促進農業可持續發展的有效方式，對緩解我國土壤氮磷鉀比例失調的矛盾、減少化肥使用量、提高土壤有機質含量等方面意義重大[13]。但是相關報道中關于秸稈在還田過程中對氮肥氨揮發的影響結果卻不盡相同。本研究結果表明，秸稈還田能夠顯著減少追肥過程中的氨揮發損失，這與呂宏菲[6]和李宗新[9]等人的研究結果相似。主要是因為氮肥追施為還田秸稈提供了氮源，促進土壤微生物活動，而微生物在分解有機質的過程中將無機氮轉變為有機氮，減少了氨揮發的底物，進而減少了氨排放量[14]。另外，秸稈還田處理相比非還田處理提高了田間土壤水分含量,導致液相中氨碳氮濃度降低，從而降低了氨分壓和氨揮發速率[15]。而汪軍等[10]的研究表明，秸稈還田處理增加了田面水中銨態氮的濃度，從而提高了氨揮發速率[10]，這是因為在有機物質阻礙了銨態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氮含量，進而促進氨的轉化，同時作物秸稈能夠促進尿素水解，從而提高施肥初期田面水銨態氮濃度和氨揮發速率[16-17]。這也進一步說明，針對特定區域探索抑制農田氨揮發的方法和途徑，意義重大。