氮肥减施对节水灌溉稻田NH3与N2O排放及氮肥利用的影响.pdf
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1、2023年1 0 月第54卷第1 0 期农报业学机械doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.10.034氮肥减施对节水灌溉稻田NH,与N,O排放及氮肥利用的影响李铁成2张忠学1.2张作合3杜思澄1.2韩羽1.2薛里1.2(1.东北农业大学水利与土木工程学院,哈尔滨1 50 0 30;2.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室,哈尔滨1 50 0 30;3.绥化学院农业与水利工程学院,绥化1 52 0 6 1)摘要:为探究节水灌溉模式下黑土稻田NH,、N,O 排放及氮肥吸收利用对减施氮肥的响应规律,以黑龙江省黑土稻田为研究对象,于2 0 2 1 年进行了大
2、田试验,试验设置常规淹灌(F)和控制灌溉(C)2 种灌溉模式,全生育期施氮量设置常规施氮水平(N,110kg/hm)、减氮1 0%(N1,99kg/hm)和减氮2 0%(N2,88kg/hm)3个水平,并在F和C灌溉模式下分别设置不施氮肥处理(CK1和CK2)作为对照组,共8 个处理。分析了不同灌溉模式下减施氮肥对水稻全生育期NH,挥发速率和N,O排放的影响,计算了氮肥气态损失量和损失率,并基于同位素示踪技术进一步估算了水稻对氮肥的吸收利用量及水稻收获后土壤中的氮肥残留量。结果表明:2 种灌溉模式下的氮肥气态损失量及损失率均随着施氮量的减少而降低。控制灌溉模式的应用增加了黑土稻田氮肥气态损失,
3、其各处理的氮肥气态损失量及损失率均高于常规淹灌模式下相同施氮量处理。然而同位素示踪结果表明,采用控制灌溉模式能够增强水稻对氮肥的吸收,同时能够有效降低氮肥损失。控制灌溉模式下各处理水稻对氮肥的吸收利用量和利用率均显著高于常规淹灌模式下相同施氮量处理,且当施氮量相同时,控制灌溉模式下各处理的氮肥损失量和总损失率均显著低于常规淹灌模式(P0.05)。综上所述,控制灌溉模式下减施氮肥提高了氮肥吸收利用率,同时降低了氮肥损失,并可稳产甚至能够在一定程度上增加水稻产量。研究结果可为东北地区稻田制定节肥、增效、减排兼容的水肥资源管理策略提供科学依据,对保障东北地区农业可持续发展具有重要意义。关键词:稻田;
4、节水灌溉;减施氮肥;气态损失;吸收利用;同位素示踪技术中图分类号:S274;S 1 43.1文献标识码:A文章编号:1 0 0 0-1 2 9 8(2 0 2 3)1 0-0 348-0 8OSID:Effects of Nitrogen Fertilizer Reduction under Water-saving Irrigation on NH,N,O Emissions and Absorption of Nitrogen Fertilizer in Black Soil Paddy FieldsLI TiechengZHANG Zhongxue1,21,2DU Sicheng1,2Z
5、HANG Zuohe3HAN Yul.2XUE Lil.2(1.School of Water Conservancy and Civil Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China2.Key Laboratory of Effective Utilization of Agricultural Water Resources,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,C
6、hina3.College of Agriculture and Hydraulic Engineering,Suihua University,Suihua 152061,China)Abstract:Field experiment was conducted in black soil paddy fields in Heilongjiang Province to explorethe response regularity between NH,N,O emissions and absorption of nitrogen fertilizer under water-saving
7、 irrigation and nitrogen fertilizer reduction in 2021.Two irrigation modes were set up:conventionalflooding irrigation(F)and controlled irrigation(C).The nitrogen application rate throughout the entiregrowth period was set at three levels:conventional nitrogen application level(N,110 kg/hm),nitrogen
8、reduction 10%(N1,9 9 k g/h m),and nitrogen reduction 20%(N2,8 8 k g/h m).Under F and Cirrigation modes,no nitrogen fertilizer treatment(CK1 and CK2)were set as the control,with a total ofeight treatments.The effects of nitrogen fertilizer reduction on NH,volatilization rate and N,O emissionsfluxes d
9、uring the entire growth period of rice under different irrigation modes were analyzed,the gaseousloss amount and gaseous loss rate of nitrogen fertilizer were calculated,and the absorption of nitrogen收稿日期:2 0 2 3-0 7-2 4修回日期:2 0 2 3-0 8-2 2基金项目:国家自然科学基金面上项目(52 0 7 9 0 2 8)作者简介:李铁成(1 9 9 4一),男,博士生,主要
10、从事节水理论与技术研究,E-mail:t i e c h e n g 7 9 8 1 6 3.c o m通信作者:张忠学(1 9 6 7 一),男,教授,博士生导师,主要从事节水灌溉理论与技术研究,E-mail:z h a n g z h o n g x u e 1 6 3.c o m349李铁成等:氮肥减施对节水灌溉稻田NH,与N,O排放及氮肥利用的影响第1 0 期fertilizer by rice and the residual nitrogen fertilizer in the soil after rice harvest were further estimatedbased
11、on isotope tracing technology.The results showed that the gaseous loss amount and gaseous lossrate of nitrogen fertilizer under both irrigation modes were decreased with the decrease of nitrogenapplication rate.The application of controlled irrigation mode increased the gaseous loss of nitrogenferti
12、lizer in black soil paddy fields,and the gaseous loss amount and gaseous loss rate of each treatmentwere higher than those under conventional flooding irrigation mode with the same nitrogen applicationrate.However,isotope tracing results indicated that controlled irrigation mode can enhance absorpti
13、on ofnitrogen fertilizer by rice and effectively reduce nitrogen fertilizer loss.The absorption and recovery rate ofnitrogen fertilizer by rice under controlled irrigation mode were significantly higher than those underconventional flooding mode with the same nitrogen application rate.Moreover,when
14、the nitrogenapplication rate were the same,the loss amount and total loss rate of nitrogen fertilizer under controlledirrigation mode were significantly lower than those under conventional flooding mode(P 0.05).Intotal,nitrogen fertilizer reduction under controlled irrigation mode improved recovery
15、rate of nitrogenfertilizer,reduced nitrogen fertilizer loss,and can stabilize or even increase rice yield to a certain extent.The research results can provide scientific basis for formulating water and fertilizer resource managementstrategies that were compatible with fertilizer conservation,efficie
16、ncy enhancement,and emissionreduction of paddy fields in Northeast China,which were of great significance for ensuring the sustainabledevelopment of agriculture in Northeast China.Key words:paddy field;water-saving irrigation;nitrogen fertilizer reduction;gaseous loss;absorptionand utilization;isoto
17、pe tracing technology0引言在过去的50 年,氮肥作为农业生产活性氮的主要来源,其被广泛应用于农业生产,以应对人口不断增长带来的粮食需求。尿素由于增产效果明显且容易获取而成为应用最广泛的一种无机氮肥。然而,过量施用尿素不能显著提高作物产量甚至会导致减产,而且盈余的氮素会以气态形式排放到大气中,对环境造成严重污染。N,O排放和NH,挥发是尿素气态损失的两种重要途径2 。N,0作为三大温室气体之一,其年增温潜势是CO,的2 9 8 倍,不仅会加剧全球气候变暖,而且会消耗平流层臭氧,导致臭氧层被破坏。NH,是大气中最丰富的碱性气体,一是能与SO,和NO反应生成PM2.5,再结合其
18、他污染物最终形成雾霾,二是会通过大气沉降的方式再次进人陆地生态系统,会增加农田生态系统N,0,导致水生生态系统酸化和富营养化3-4。我国作为一个农业生产大国,稻田气态氮损失(N,0排放和NH,挥发)已成为不可忽视的环境问题,其所造成的氮素损失也导致氮肥利用率降低。因此,呕需通过调整农田管理措施来提高氮肥利用率并减少环境污染,这是我国农业高质量发展的现实要求。近年来,为了缓解农业水资源供需矛盾,节水灌溉已大规模推广应用。之前大量研究证实节水灌溉能够满足水稻基本需水要求,并且能够促进水稻根系生长,在减少灌溉量的同时提高了氮肥吸收利用率5。但节水灌溉对气态氮排放的促进或抑制作用仍不明确。节水灌溉主要
19、通过改变土壤含水率条件,从而对气态氮排放产生影响。INUBUSHI等6 研究表明,高土壤含水率限制了氧气在土壤中的扩散,反硝化速率增强促进N,O排放,即增加了气态氮排放。BHAGAT等7 研究却认为,高土壤含水率能够抑制土壤氨挥发,从而减少气态氮排放。XU等8 研究也表明,控制灌溉虽然增加了N,O排放,却能有效减少土壤氨挥发,故减少了气体氮排放。与此同时,不合理且过量的氮肥施用是致使气态氮损失增加的另一主要因素。KIM等9 研究发现,当氮肥用量低于作物对氮肥需求量时,N,O排放由于缺少底物,故排放通量较低且处于稳定状态;然而,当施氮用量远高于作物需求量时,过量的氮素为土壤微生物提供了充足的底物
20、,致使N,O排放通量快速增加。同时,SMITH等1 0 研究表明,土壤NH,挥发损失速率和损失量随着氮肥施用量的增加而增大。因此,探究节水灌溉模式下减施氮肥能否有效减少稻田气态氮损失,对于环境保护具有重要意义。因此,本文通过一年的大田试验,测定整个水稻生长季的N,O排放通量和NH,挥发速率,计算氮肥气态损失量和损失率,并基于I5N示踪技术估算水稻对氮肥的吸收利用量及水稻收获后氮肥在土壤中的残留量,为实现黑土稻田水肥资源高效利用及增产减排提供数据支撑和理论参考。1材料与方法1.1试验区概况试验于2 0 2 1 年在黑龙江省水稻灌溉试验站进行,该站(46 57 2 8 N,1 2 7 40 45
21、E)位于庆安县和底座上移走在采样杆村程外子风扇,采样过置在不锈钢底座气温度计和电璃板制成,每个静态箱都安装每个小区埋深为3 0 cm。静态箱由透明有机玻不锈钢底座组成。在移栽前将不锈钢底座布置在量时间固定在0 9:0 011:00。静态室由静态箱和定,测量频率为7 d次,遇强降雨则推迟测量,测N,O 排放通量使用静态室相色谱法进行测农2023年350机报学业械平镇,是典型的寒地黑土分布区。该地多年平均水面蒸发量为7 50 mm,作物水热生长期为1 56 1 7 1 d,全年无霜期1 2 8 d。气候特征属寒温带大陆性季风气候。供试土壤为黑土型水稻土,种植水稻2 0 a以上,土壤耕层厚度1 1.
22、3cm,犁底层厚度1 0.5cm,土壤容重1.1 0 g/cm,孔隙度6 1.8%。移栽与施肥前土壤基本理化性质为:pH值6.40,耕层土壤(0 20cm)基础肥力为:有机质质量比41.4g/kg、全氮质量比1 7.1 6 g/kg、全磷质量比1 5.2 5g/kg、全钾质量比2 0.2 2 g/kg、碱解氮质量比1 54.36 g/kg、有效磷质量比2 5.33g/kg和速效钾质量比1 57.2 5g/kg。1.2试验设计1.2.1小区试验采用灌溉模式和施氮量两因素全面试验。灌溉模式设置两种,分别为常规淹灌(F)和控制灌溉(C)。不同灌溉模式的水分管理标准如表1 所示。施氮量设置3个水平,分
23、别为N(1 1 0 k g/h m,常规施氮水平)、N1(9 9 k g/h m,减氮1 0%)、N2(8 8 k g/h m,减氮2 0%)。并在两种灌溉模式下分别设置不施氮肥处理(CK1和CK2)作为对照组,共8 个处理,每个处理3次重复,共计2 4个小区。小区采用随机区组布置,每个小区面积为1 0 0 m(1 0 m1 0 m)。为防止各小区之间的水肥交换,四周设置水泥作为隔断,埋深至地表以下40 cm。供试水稻品种为当地推广种植品种“龙庆稻8”,种植株距为1 6.6 7 cm,行距为2 5cm,种植密度约为2 4穴/m,每穴种植3株。供试的化肥分别为尿素(N含量为46.4%)、过磷酸钙
24、(P,0,含量为1 2%)、硫酸钾(K0含量为50%)。各处理磷肥和钾肥的用量一致,分别为P,045kg/hm和K,080kg/hm,氮肥按照基肥、肥、穗肥比例为4.5:2:3.5分施,磷肥作为基肥一次性施人,钾肥在基肥与水稻8.5叶龄分两次施用,施用比例为1:1。其他田间管理措施与当地高产田保持一致。表1 大不同灌溉模式的水分管理标准Tab.1Water management standards for different irrigation modes灌溉模式土壤含水率返青期分前期分中期分末期拔节孕穗期抽穗开花期乳熟期黄熟期上限30 mm50 mm50 mm50 mm50 mm50 mm
25、常规淹灌晒田自然落干下限0 mm10 mm10 mm10 mm10 mm10 mm上限30mm30 mm30mm30mm30mm0mm控制灌溉晒田自然落干下限0 mm0.70,0.70,0.80,0.80,0.70,注:0,表示根层土壤饱和含水率。1.2.2微区试验为明确水稻对基肥、肥和穗肥3期肥料的吸收利用及残留情况,在每个小区内设置1 个微区,即每个处理下设置3个分处理,分处理1(M1)为仅基肥施用1 N-尿素,肥和穗肥施用未标记的普通尿素;分处理2(M2)为仅肥施用 5N-尿素,基肥和穗肥施用未标记的普通尿素;分处理3(M3)为仅穗肥施用 N-尿素,基肥和肥施用未标记的普通尿素。微区为1
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