2016, Vol. 35文章信息
- 吴得峰, 姜继韶, 孙棋棋, 王蕊, 李如剑, 王志齐, 刘洪星, 崔全红, 郭胜利, 党廷辉, 巨晓棠
- WU De-feng, JIANG Ji-shao, SUN Qi-qi, WANG Rui, LI Ru-jian, WANG Zhi-qi, LIU Hong-xing, CUI Quan-hong, GUO Sheng-li, DANG Ting-hui, JU Xiao-tang
- 减量施氮对雨养区春玉米产量和环境效应的影响
- Effect of reduced nitrogen fertilization on spring maize production and environmental impacts in rain-fed areas
- 农业环境科学学报, 2016, 35(6): 1202-1209
- Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(6): 1202-1209
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016.06.025
文章历史
- 收稿日期: 2015-11-19
2. 中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100 ;
3. 西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; ;
4. 中国农业大学资源与环境学院, 北京 100193
2. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling 712100, China ;
3. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China ;
4. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China
施用N肥是当代粮食生产发展的需要，也是作物生产中获得高产的重要措施[1]。中国耕地面积只占世界耕地总面积的7%左右，但是N肥施用量却超过了世界N肥施用总量的25%，且仍在继续增加[2]。据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，2002年中国的N肥施用量已居世界首位，占全球N肥总施用量的30%[3]。近10年间，我国粮食产量增加了27%，单产增加了31.7%，而同期N肥用量却增加了93.6%[4]。N肥的当季利用率较低，全国平均仅为30%~41%[5]，因此长期过量施用N肥会引起面源污染等问题。例如，小麦连作农田每年单施N肥（120 kg·hm-2）条件下，土壤0~200 cm土层NO3--N累积量达到施N总量的55%以上[6]。高肥力土壤上，0 ~100 cm的土壤残留率为20.9%~ 45.3%，损失率为10.3%~55.2%[7]。另外，N肥的大量施用还会增加农业源温室气体（N2O、CH4、CO2）的排放，进而加剧“温室效应”[8]。
减量施N、提质增效成为我国农业粮食生产持续发展的重要途径。中国地形复杂，肥力不均，作物种类多样，不同的作物对肥料的需求量亦有差别[9]。如何因地制宜提出减量施N技术以促进持续发展十分关键。刘宇等[10]在华南地区研究发现，与甘蔗常规施N（525 kg·hm-2）相比，减量施N（减量75%）显著降低了N素盈余量（降幅为53%），从而降低了N素污染农田环境的风险。朱晓霞等[11]在鲁西南地区研究发现，减量施N（减量30%）在保证小麦稳产的同时，极大降低NO3--N向土壤深层淋溶的风险。易琼等[12]在华南稻区研究显示，与常规处理（150 kg·hm-2）相比，减量施N（减量35%）能明显降低CH4和N2O的季节性排放量。尽管近年来已开展大量有关减量施N的研究，但主要集中在华中、华南地区，北方地区的研究也局限于减量施氮对作物产量和土壤养分含量的影响，鲜有同时研究减量施氮对作物产量和生长季温室气体累积排放量以及土壤养分影响的报道[13]。
黄土高原农田面积14.6万km2，其中70%属于雨养农业区，土壤N素含量仅为0.042%~0.077%，N肥投入是保证粮食生产的重要措施[14]。该区玉米播种面积190万hm2，占粮食作物面积的17.9%，总产91.4亿kg，占粮食总产的30.8%左右，是黄土高原主要的粮食作物之一[15]。玉米实际单位面积产量4812 kg·hm-2，居于黄土高原地区禾谷类作物单产之首[15]。但该区农田土壤长期处于过量施N（200~300 kg·hm-2）条件，使得土壤剖面（0~300 cm）中NO3--N残留量已达900 kg·hm-2以上，占化肥投入总量的12%~50%[16]。过量施N不仅造成作物品质下降、资源浪费，还会引起环境问题进而制约农业的高效和可持续发展[17]。本研究探讨减量施N对黄土区春玉米产量、N2O年累积排放量和土壤剖面NO3--N残留量的影响，将为该地区制定减量施N的技术提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于陕西省长武县的中国科学院长武黄土高原农业生态试验站（107°40′E，35°12′N，海拔1220 m），属典型的雨养农业区。当地为半干旱湿润性季风气候，年平均气温9.2 ℃，大于10 ℃积温为3029 ℃，1985—2013年均降水量为560 mm，其中最高年份为954 mm，最低年份为296 mm，7—9月的降水量占年总量的57%。土壤为粘壤质黑垆土，0~20 cm土层SOC（土壤有机碳）含量6.5 g·kg-1，全N含量0.8 g·kg-1，速效P含量5 mg·kg-1，CaCO3含量10.5%，pH8.4，粘粒含量（<0.002 mm）24%。
1.2 试验设计与管理试验于2013年4月至2015年9月进行，供试作物为春玉米，品种为先玉335，一年一季。采用半覆膜种植方式，供试地膜为0.008 mm×750 mm微地膜，株行距30 cm×60 cm，密度57 000株·hm-2。本研究设2个处理：①常规施氮（N200），施N量200 kg N·hm-2，据当地农业推广部门的调查，春玉米氮肥施用量一般在200~300 kg N·hm-2；②减量施氮（N150），施N量150 kg N·hm-2，在常规施N基础上减量25%。每个处理重复3次，随机区组排列。小区长17.5 m，宽5.5 m，小区间距0.5 m，区组距1 m，四周保护行宽1 m。供试肥料为尿素（N 46%）和过磷酸钙（P2O5 12%）。各处理施磷肥26 kg P·hm-2。所有肥料在播种前一次性作为基肥均匀撒施，然后翻入0~20 cm土壤。春玉米在2013年4月24日播种，当年9月9日收获；2014年4月30日播种，当年9月15日收获；2015年4月29日播种，当年9月26日收获。生长期间人工及时去除杂草，玉米收获后土壤休闲。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 土壤矿质N含量及水分测定每个小区用直径3 cm的土钻分别在膜上和膜间采集0~20 cm土壤样品各3个，充分混匀后作为该区土壤样品，施肥后2、4、6、8 d采集，之后每隔10 d采集一次，较大降雨（>40 mm）后的第1、3 d取土，之后每隔10 d采集一次。在玉米种植前和收获后按20 cm一层取0~2 m土样。土样过3 mm筛后称取5.0 g，用50 mL KCl（1 mol·L-1）溶液浸提，振荡1 h后过滤，用连续流动分析仪测定NO3--N含量，同时采用烘干称重法测定土壤含水量[18]。
1.3.2 产量测定玉米收获期，每个小区选取4×4=16 m2（约90株玉米），把玉米穗棒全部取下称重，然后从中选取能代表该小区的15株，称重，带回风干后脱粒称重，计算产量（风干籽粒含水量约为13%）。
1.3.3 N2O采集与测定N2O采用GC-静态箱法测定。采样箱体由不锈钢材料制成，箱外层加泡沫以隔热，在顶箱内部的两个对角安装两个风扇，用来混匀箱内的气体。采气时顶箱和底座之间采用密封条密封，用两个铁夹将箱子与底座夹在一起，防止漏气。箱子上安装1 m长的平衡管，平衡箱内外气压。在作物生长期，每4 d采气1次，休闲季每周1次（冬季11、12月和转年1、2、3月根据天气情况和排放量每10~20 d采集1次，4月播种前每周1次），施肥后每天1次，连续监测7~10 d；大雨（>20 mm）后，第1、3、5 d采气。采样时间一般为上午8：00—12：00。气体采集时将采样箱盖40 min，在关箱后的第0、10、20、30、40 min分别用50 mL注射器抽取箱内气体，带回室内用气相色谱（Agilent GC6820）测定N2O。
1.4 计算方法与数据分析玉米产量（t·hm-2）=15株玉米风干重（kg）×57 000（株·hm-2）/（15×1000）[14]
土壤NO3--N残留量（kg·hm-2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤NO3--N含量（mg·kg-1）/10[19]
N2O排放量（μg N2O-N·m-2·h-1））=273×M×60/10×H×[22.4×（273+T）]-1×dc/dt
式中：22.4为温度为273K时的N2O摩尔体积，L·mol-1；T为盖箱时间内平均大气温度，℃；M为每摩尔N2O中N2的分子量，为28；H为采样箱高度，cm；c为N2O气体浓度，μL·L-1；t为关箱时间，min；dc/dt为采样箱内N2O气体浓度的变化率，μL·L-1·min-1，t=0时dc/dt为曲线在0时刻的初始斜率[20]。
春玉米生育期耗水量（mm）=播种前土壤剖面的储水量（mm）-收获后土壤剖面储水量（mm）+生育期降雨量（mm）[6]
土壤每层储水量的计算公式：
式中：Wi为每层土壤储水量，mm；W为土壤总储水量，mm；ω为每层土壤质量含水量，%；β为每层土壤干容重，g·cm-3；h为土层厚度，取值为20 cm[21]。
试验数据用Microsoft Excel 2013和 SAS 9.1软件进行统计，利用SAS软件包中的PROC GLM程序进行产量、0~200 cm剖面NO3--N残留量和N2O排放量的方差分析。用SigmaPlot 10.0绘制作物生育期耗水量图。
2 结果与分析 2.1 减量施N对春玉米产量的影响由表1可见，在为期3年的试验期间，N200、N150的产量分别为10.3~17.7、10.5~17.7 t·hm-2，平均值分别为13.4、13.3 t·hm-2。与N200相比，尽管N150降低了N肥施用量的25%，但产量并没有降低。
如表2所示，3年试验期间，N200、N150生长季的N2O累积排放量分别为1.4、1.3、0.8 kg N2O·hm-2和1.0、0.9、0.7 kg N2O·hm-2，平均值分别为1.2、0.9 kg N2O·hm-2。与N200相比，N150处理显著降低了生长季N2O的累积排放量（P<0.05），降幅分别为28.8%（2013年）、29.7%（2014年）、14.5%（2015年），平均减少量为0.3 kg N2O·hm-2。
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玉米生长季N2O的累积排放量对全年累积排放的贡献大于休闲季。生长季N2O的累积排放量介于0.7~1.4 kg N2O·hm-2之间，平均值为1.0 kg N2O·hm-2，占全年总累积排放量的62.3%~72.6%。休闲季N2O的累积排放量介于0.4~0.6 kg N2O·hm-2之间，平均值为0.5 kg N2O·hm-2，占全年总累积排放量的27.9%~37.1%。
施N处理显著影响全球增温潜势（GWP，kg CO2-eq·hm-2）和温室气体排放强度（GHGI，kg CO2-eq·t-1籽粒）。由表3可知，3年试验期间，N200、N150的GHGI变化范围分别介于52~78、44~53 kg CO2-eq·t-1籽粒之间，平均值分别为64、48 kg CO2-eq·t-1籽粒。与N200相比，N150显著降低了GHGI ，降幅分别为32.1%（2013年）、25.4%（2014年）和15.4%（2015年），平均减少量为16 kg CO2-eq·t-1籽粒。
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如表4所示，3年试验期间，0~100 cm和100~200 cm土层的NO3--N残留量分别为63.8~148.9、34.7~92.8 kg·hm-2，平均值分别为101.7、60.9 kg·hm-2。0~100 cm NO3--N的残留量占0~200 cm剖面NO3--N总残留量的62.6%。可以看出，0~100 cm的作物根系活动范围内有较高的残留。
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N200 0~200 cm土壤剖面NO3--N残留量介于172.6 ~241.7 kg·hm-2之间，均值为210.2 kg·hm-2；N150 0~200 cm土壤剖面NO3--N残留量介于100.3~143.0 kg·hm-2之间，均值为115.1 kg·hm-2。与N200相比，N150显著降低了土壤剖面NO3--N的残留量（P<0.05），降幅为40.8%~53.6%，平均降低95.0 kg·hm-2。
2.4 减量施N对作物耗水量的影响如图1所示，N150和N200耗水量没有显著差异（P>0.05）。3年试验期间，N200处理的耗水量介于347.4~487.6 mm之间，均值为430.3 mm；N150处理的耗水量介于330.0~470.2 mm之间，均值为405.3 mm。
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| 图 1 不同施N处理作物耗水量 Figure 1 Crop water consumption in different N treatments 同年不同字母表示处理间差异达5%显著水平 |
与N200相比，N150处理施N量在减少25%的基础上，仍使春玉米产量稳定在10.3~17.7 t·hm-2之间，平均值为13.3 t·hm-2。李欠欠等[22]结合西北地区陕西省长武县和东北地区吉林省梨树县对春玉米的研究结果认为，在常规施N（长武点N 250 kg·hm-2，梨树点N300 kg·hm-2）的基础上减量20%~33%对作物产量没有显著的影响，与Ju等[23]、Liu等[24]在华北地区夏玉米的研究中得出的结论相似。但是这些试验大多是在农户高本底N的土壤上取得的，短期内可以利用这些土壤高量累积N来降低N肥的施用量，当这些高累积N被消耗掉后，该施N量是否能够实现长期持续稳定的高产，也是一个值得研究的科学问题[25]。
N肥运筹是影响土壤N2O排放的重要因素[26]。N肥的施用量与N2O的生长季累积排放量正相关[27]。本研究显示，与N200相比，N150在施氮量减少25%的基础上能显著降低生长季N2O的累积排放量，3年降幅分别为28.8%（2013年）、29.7%（2014年）和14.5%（2015年），平均减少量为0.3 kg N2O·hm-2。减量施N在满足作物营养需求的前提下能够有效减少土壤发生硝化作用和反硝化作用的底物，进而降低N2O的排放[28]。刘慧颖等[29]在东北地区通过3年定位试验发现减量施N对N2O年累积量的降低幅度为10%；杨黎等[30]在东北地区关于春玉米的研究发现，与常规施N（265 kg·hm-2）相比，减量施氮（减20%）能够降低N2O年累积排放量，降幅为9%。上述试验结果均小于本试验降低幅度（24.4%）。但是，马银丽等[31]在华北地区研究发现，氮肥减量33%可显著降低N2O的累积排放量，降幅为44%。这可能是因为东北土壤属于壤土，保水保肥性较好，施氮量减少25%，并不能显著降低土壤N2O年累积排放量；而华北地区土壤类型属于褐土，且当地作物在生长期间实施灌溉，促进了农田土壤N2O的释放，而且该区较大降雨事件也是N2O排放的主要驱动因素。较大降雨后，由于大量雨水排出了土壤中的空气，容易形成厌氧环境，加速反硝化的速率，从而增加了N2O的排放[32]。此外，土壤干湿交替的过程中，其本身碳氮的矿化速率将增加[33, 34, 35]，而且细胞容易发生裂解作用[36, 37]，使得土壤矿质N增加，为N2O的产生提供了足够的基质。3年试验期间，2013年降雨事件引起的N2O的累积排放量约占全年的6.4%，2014年为12.5%，2015年为4.8%。
本研究结果表明，0~100 cm NO3--N的残留量占0~200 cm剖面NO3--N总残留量的62.6%，可以看出作物收获以后，绝大多数NO3--N残留在土壤浅层[38]。但是黄土高原雨养区由于降雨量较小，土壤表层残留的NO3--N并不构成诸如多雨区或者灌溉区那样严重的环境问题，而是在土壤剖面深度介于100~200 cm范围内累积起来，遇到较大降雨后才会随着雨水下移，进而对环境污染造成潜在威胁[39]。王宜伦等[40]在华北地区关于超高产夏玉米的研究表明，施N量为300 kg·hm-2时，可以基本维持土壤NO3--N的平衡，但施N量为450 kg·hm-2时，土壤NO3--N的残留量显著增加（增幅为24%）。王激清等[41]在华北地关于施N量对春玉米NO3--N累积的研究中发现，与常规施N（300 kg·hm-2）相比，优化施N（减量25%）处理显著降低了土壤剖面的NO3--N残留量（降幅为22%）。本研究中，与N200（土壤剖面NO3--N残留量平均值为210.2 kg·hm-2）相比，N150显著降低了土壤剖面NO3--N的残留量（P<0.05）。
3年试验结果表明，N200的耗水量（平均值为430.3 mm）与N150（平均值为405.3 mm）相比没有显著差异。过量施N会使土壤及植物体当中N素含量充分，营养生长旺盛，叶面积较大，加速植物蒸腾作用的发生，进而增加耗水量，降低水分利用率[42]。减量施N能够降低作物对土壤水分的消耗[43]，对缓解地下水位下降以及土壤干燥化具有重要的意义[44]。
4 结论3年试验期间，与N200相比，N150在施N量减少25%的情况下，可在保证产量基本不变的同时显著降低N2O年累积排放量和土壤剖面NO3--N的累积量。N200、N150的生育期耗水量没有显著差异。因此，在黄土高原雨养区，春玉米在常规施肥（200 kg N·hm-2）基础上减量25%是一项可行的保产增效田间技术。
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