环境科学  2019, Vol. 40 Issue (8): 3746-3752   PDF    
引用本文
周玉玲, 侯朋福, 李刚华, 王绍华, 杨林章, 薛利红, 丁艳锋. 两种土壤增效剂对稻田氨挥发排放的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(8): 3746-3752.
ZHOU Yu-ling, HOU Peng-fu, LI Gang-hua, WANG Shao-hua, YANG Lin-zhang, XUE Li-hong, DING Yan-feng. Effect of Two Soil Synergists on Ammonia Volatilization in Paddy Fields[J]. Environmental Science, 2019, 40(8): 3746-3752.
两种土壤增效剂对稻田氨挥发排放的影响
周玉玲1,2, 侯朋福2, 李刚华1, 王绍华1, 杨林章2, 薛利红2, 丁艳锋1     
1. 南京农业大学农业部南方作物生理生态重点开放实验室, 南京 210095;
2. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所, 农业部长江下游平原农业环境重点实验室, 南京 210014
收稿日期: 2019-01-23; 修订日期: 2019-03-11
基金项目: 国家重点研发计划项目（2017YFD0300104，2016YFD0801101）；国家自然科学基金青年科学基金项目（41601319）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07202004-003）
作者简介: 周玉玲(1992~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为作物生理生态, E-mail:2197455762@qq.com
通信作者: 薛利红, E-mail:njxuelihong@gmail.com
摘要: 硝化抑制剂和生物炭是农田土壤管理常用的土壤增效剂.其中，硝化抑制剂可以增加作物产量提高氮素利用率，而生物炭是生物质资源利用的一种新方式，且具有一定的吸附特性.以减少稻田氨挥发带来的氮素损失及环境污染问题为目的，在原状土柱模拟试验条件下，以单施化肥处理（CN）为对照，研究了生物炭（B）添加、硝化抑制剂（CP）添加及复合添加处理（BCP）对田面水pH、田面水铵态氮浓度、水稻产量及氨挥发损失的影响.结果表明，两种增效剂施用对水稻产量无显著影响，硝化抑制剂添加有增加水稻产量的趋势.两种土壤增效剂添加均显著增加了稻田氨挥发损失，损失量占施氮量的25%~35%.其中，肥期（施肥后7 d内）氨挥发损失占总损失的86%~91%，是氨挥发损失的主要时期.与CN处理相比，CP处理明显提高了田面水NH4+-N浓度和氨挥发损失，基肥期、穗肥期和非肥期增加效应明显，氨挥发增幅分别为138%、48%和78%，全生育期氨挥发总损失量增加59%.生物炭添加对稻田氨挥发损失也有明显的促进效应，且具有阶段性特征，前期（基肥期和蘖肥期）的增加效应高于后期（穗肥期和穗肥后），田面水NH4+-N浓度和pH也表现出相同的趋势.两者配施添加处理显现出了正交互作用，氨挥发损失量大于单施处理，与化肥处理差异显著.结果说明，生物炭添加不能解决硝化抑制剂添加引起的铵态氮浓度升高和氨挥发损失增加的问题，对于硝化抑制剂添加引起的氨挥发损失增加的问题需要继续研究.
关键词: 水稻      生物炭      硝化抑制剂      氨挥发      产量     
Effect of Two Soil Synergists on Ammonia Volatilization in Paddy Fields
ZHOU Yu-ling1,2 , HOU Peng-fu2 , LI Gang-hua1 , WANG Shao-hua1 , YANG Lin-zhang2 , XUE Li-hong2 , DING Yan-feng1     
1. Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology in Southern China, Ministry of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. Key Laboratory of Agro-Environment in Downstream of Yangtze Plain, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China
Abstract: Nitrification inhibitor and biochar are commonly used as soil synergists. Among them, nitrification inhibitor can increase crop yields and N use efficiency, while biochar is a relatively new way of using biomass resources and has certain adsorption characteristics. In order to reduce nitrogen loss and environmental pollution caused by ammonia volatilization in paddy fields, a pot experiment with chemical fertilizer application (CN) as a control was conducted to study the effects of biochar (B), nitrapyrin (CP), and compound application (BCP) on pH, NH4+-N concentration dynamics in the flood water, rice yields, and ammonia volatilization from paddy fields. The results showed that the application of these two synergists had no significant effect on rice yields, and the nitrification inhibitors had a tendency to increase rice yields. The two synergists significantly increased ammonia volatilization from paddy fields, accounting for 25%-35% of the total N rate. Ammonia volatilization during periods of fertilizer application accounted for 86%-91% of the total loss, representing the main period of ammonia volatilization. Compared with the CN treatment, the CP treatment increased NH4+-N concentrations in flood water and the loss of ammonia via volatilization, which was increased by 59.18% and mainly occurred during a week after the basal fertilization(138%) and spike fertilization (48%), and non-fertilization stage (78%). Biochar had a promoting effect on ammonia volatilization with typically phased characteristics. The initial increasing effect of biochar on ammonia volatilization was higher than during the later stages, when NH4+-N concentrations and the pH of flood water showed the same trend. In addition, the coupling of nitrification inhibitor and biochar significantly increased the total loss of ammonia via volatilization loss due to the promotion effect of CP and B. The problem of increased ammonia volatilization loss caused by the application of nitrification inhibitors requires further research.
Key words: rice      biochar      nitrapyrin      ammonia volatilization      yield     

氮素是作物生长必需的营养元素, 也是农业生产可持续发展的根本要素.我国水稻种植面积约占谷物面积的1/3, 产量约占总产的37%, 居世界第一位, 水稻生产在我国粮食生产中占有十分重要的地位.提高水稻综合生产能力, 是保障我国粮食安全的长期战略目标.水稻是太湖流域主要种植作物, 为追求高产, 农民往往施入大量化肥, 但过量氮肥的施入, 不仅降低氮肥利用率更容易引起农田氮素损失和一系列环境问题[1, 2].因此, 提高氮肥利用率、减少稻田氮素损失成为水稻高效绿色生产亟需解决的问题[3].

水稻是一种喜铵作物, 有学者指出添加硝化抑制剂可以阻断铵态氮向硝态氮的转化, 使施入土壤氮较长时间内以NH4+-N形态存在, 从而提高水稻氮素利用率、增加产量[4].但是, 硝化抑制剂的添加可能也会因为稻田铵氮浓度增加而造成氨挥发损失增加.孙海军等[5]的研究表明, 施用硝化抑制剂会增加55%~110%的氨挥发排放.而氨挥发损失是稻田氮素损失的主要途径, 约占施氮量的9%~40%[6~8].因此亟需解决硝化抑制剂施用后稻田土壤铵氮浓度升高引起的氨挥发排放增加的问题.生物炭是一种在无氧或缺氧环境下将生物质高温裂解形成的含碳物质, 理化性质稳定, 具有较大的比表面积和较强的吸附能力, 对氮化合物有较好的吸附效果[9, 10].生物炭的这一特征为阻断土壤冗余氮素的迁移提供了可能.有研究表明, 由于生物炭具有较大的比表面积及表面附着的含氧官能基团, 对铵和氨具有较强的吸附作用, 可以降低春播黄瓜土壤氨挥发损失[11~14].董玉兵等[15]的研究发现老化生物炭能显著减少稻麦轮作体系中麦季土壤氨挥发损失.这说明, 生物炭对旱地土壤氮素有较好的吸附效应, 能够降低农田氨挥发损失.而稻田生物炭添加对氨挥发损失影响的研究结果不尽相同.有研究表明添加生物炭可通过影响微生物活动降低氨挥发损失, 但也有研究认为生物炭可能会通过影响pH和硝化作用增加氨挥发损失[16~18].

稻麦轮作农田是一种特殊的水旱轮作系统.添加生物炭能否缓解硝化抑制剂带来的氨挥发损失风险增加, 还有待于进一步研究验证.因此, 本研究选择生物炭和硝化抑制剂两种添加剂, 分析了生物炭与硝化抑制剂添加及配施对稻田田面水氮素动态及氨挥发损失的影响, 以期为水稻高效绿色生产提供技术支持.

1 材料与方法 1.1 试验概况

本试验于2017年在江苏省农业科学院内试验基地进行, 供试水稻品种为武运粳23号, 供试土壤为江苏黄泥土.供试生物炭由小麦秸秆在450℃厌氧煅烧而成.生物炭理化属性：总碳503.10 mg·g-1、总氮12.52 mg·g-1、铵态氮1.82 mg·kg-1、硝态氮3 mg·kg-1、pH 8.9、比表面积(BET) 7.37 m2·g-1.硝化抑制剂为2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(nitrapyrin, CP).

1.2 试验设计

本试验采用原状模拟土柱, 土柱高度为50 cm, 直径为30 cm.试验设置5个处理：添加硝化抑制剂CP处理(CP)、1.5%生物炭添加处理(B)、1.5%生物炭和硝化抑制剂CP耦合处理(BCP)、N肥对照处理(CN)和不施N对照处理(N0).每个处理3次重复.除N0处理不施氮肥外, 所有处理的化肥氮磷钾投入和水分管理均保持一致, 其中氮肥采用尿素, 施肥量采用当地常规用量, N用量为270 kg·hm-2.分3次施用, 基肥:分蘖肥:穗肥分配比例为4:2:4;磷肥采用过磷酸钙, 用量为96 kg·hm-2(纯P2O5), 一次性基施; 钾肥采用氯化钾, 用量192 kg·hm-2(K2O), 分两次使用, 基施50%、穗肥施用50%.本试验用硝化抑制剂其有效成分为2-氯-6-(三氯甲基)吡啶, 含量为24%, 按照有效成分为尿素质量的0.25%于3个肥期与尿素同时添加.基肥、蘖肥和穗肥分别于7月3日、7月17日和8月24日施入, 水稻于7月4日移栽, 11月6日收获.水分管理采用前期淹水-中期干湿交替-后期淹水的方式.其中, 移栽后10 d内、施肥后7 d内、孕穗期和灌浆期保持2~5 cm水层, 中期(分蘖期至孕穗前)采用干湿交替灌溉方式, 此外有效分蘖临界叶龄期排水晒田和收获前期稻田自然落干.

1.3 样品的采集与测定 1.3.1 氨挥发测定

采用密闭室间歇通气法测定氨挥发损失量, 分别于每天上午05:00~07:00和下午13:00~15:00进行连续2 h的抽气测定, 测定到施肥处理与不施肥处理氨挥发通量无差别为止, 并计算氨挥发损失通量及总损失量[19].由于无机化肥具有集中释放的特点, 于3次施肥后7 d内(肥期)连续每天滴定, 其余时间(非肥期)每隔3~5 d滴定一次并折算区间损失通量.田间采气装置的密闭室是一有机玻璃罩子, 放入水田中即成为一密闭的气室.罩子顶部开有一个进气孔和一个采气孔, 进气孔连接进气管口到2.5 m高处, 以减少田面交换空气对稻田氨挥发测定的影响; 采气孔与盛有2%硼酸的吸收瓶相连, 吸收瓶再与真空泵相连调节真空泵抽气量, 使密闭室的换气频率控制在每分钟15~20次[20].需要说明的是, 由于盆栽内径较小(30 cm), 每盆栽插3穴, 为防止氨挥发采气罩置于土壤中对水稻根系生长的影响, 采气罩置于较浅土层, 主要利用田面水层实现采气系统的密封, 因此在干湿交替期未对氨挥发排放通量进行监测.

1.3.2 水样采集及测定

于3次施肥后, 7 d内每天采集1次田面水, 采集的水样带回实验室过滤后, 用pH仪(PHS-3C)测定田面水pH, 并用流动分析仪(荷兰SKALAR SAN++ SYSTEM)测定铵态氮(NH4+ -N)浓度.

1.3.3 产量

水稻成熟后, 将籽粒收获脱粒, 烘干称重后折算水稻籽粒产量(含水量13.5%).

1.4 数据处理

数据计算和分析采用Microsoft Excel 2010和SPSS19.0统计软件进行方差分析; 绘图采用Microsoft Excel 2010软件.采用Duncan法进行差异显著性分析( P＜0. 05).

2 结果与分析 2.1 田面水NH4+-N浓度动态变化

田面水铵态氮浓度动态变化结果表明, 基肥期和蘖肥期的田面水NH4+ -N浓度在施肥后第1 d即达到峰值, 穗肥期则在第3 d达到峰值(表 1).基肥期峰值浓度最高, 其次是蘖肥期, 穗肥期最低.处理间比较来看, 添加土壤增效剂处理(CP、B和BCP)的田面水NH4+-N浓度均高于单施化肥处理CN(表 2).生物炭处理(B)的峰值浓度和均值浓度均最高, 在基肥期和蘖肥期显著高于其他处理, 尤其是基肥期, 浓度高达105.20 mg·L-1; 不施氮肥处理的最低.与单一添加相比, 生物炭与硝化抑制剂耦合添加处理BCP的峰值浓度在不同肥期表现不一致, 基肥期和糵肥期高于CP处理但低于B处理, 穗肥期低于B和CP处理.

表 1 不同处理的田面水NH4+-N浓度动态变化1)/mg·L-1 Table 1 Dynamics of NH4+-N concentrations in surface waters under different treatments/mg·L-1

表 2 不同肥期NH4+-N平均浓度比较/mg·L-1 Table 2 Comparison of the average mass concentrations of NH4+ -N in different fertilizer periods/mg·L-1

2.2 田面水pH动态

田面水pH在基肥期的差异高于蘖肥和穗肥期, 基肥期的田面水pH均值显著高于蘖肥期和穗肥期(图 1).不同处理间比较来看, 土壤增效剂添加处理(B、CP和BCP)有增加基肥期和蘖肥期田面水pH的趋势, 穗肥期不同处理的田面水pH相当.生物炭添加处理B的基肥期和蘖肥期田面水pH明显高于其它处理, 且与CN处理差异在基肥期达到显著水平.生物炭与硝化抑制剂耦合添加处理BCP的田面水pH在基肥期和蘖肥期均低于B处理但高于CP处理, 在穗肥期则低于B处理和CP处理.

柱形图上方每个肥期不同小写字母表示这一肥期不同处理之间差异显著, P < 0.05 图 1 各处理不同肥期田面水pH变化 Fig. 1 Dynamics of surface water pH under different treatments

2.3 稻季氨挥发排放通量

图 2结果表明, 不同处理氨挥发排放通量变化趋势基本一致, 肥期(施肥7 d内)的氨挥发排放通量明显高于非肥期(施肥7 d以后).氮肥添加明显增加了肥期的氨挥发损失通量.此外, 不同处理均在3次施肥后的1~3 d达到排放通量峰值, 此后逐渐下降.基肥期和蘖肥期的排放通量峰值明显高于穗肥期.除BCP处理在穗肥施用后第8 d和9 d(移栽后59~60 d)的氨挥发排放通量较高, 不同处理非肥期的氨挥发排放通量均较低.与CN处理相比, 添加土壤增效剂处理(CP、B和BCP)不同程度增加了氨挥发通量.其中, 与CN处理相比, B处理在基肥1 d与其差异显著、CP处理在基肥5 d与其差异显著、BCP处理在基肥3 d和5 d达到显著水平.此外, 耦合添加处理BCP显著提高了穗肥期氨挥发排放通量.不同处理的排放通量均值在不同阶段分别表现为：CP、BCP、B>CN>N0(基肥期), B、BCP>CP、CN>N0(蘖肥期), BCP>B、CP、CN>N0(穗肥期), CP>B>BCP、CN>N0(基肥-蘖肥), BCP>B>CP、CN>N0(穗肥后).

图 2 不同处理氨挥发通量变化 Fig. 2 Dynamics of ammonia volatilization flux under different treatments

2.4 累积氨挥发损失量

表 3结果表明, 氮肥和添加剂施用显著增加了氨挥发损失, 损失量为55.83~115.42 kg·hm-2, 占施氮量的13%~35%.肥期的氨挥发损失量显著高于非肥期, 占全生育期氨挥发损失量的86%~91%, 是氨挥发损失的主要时期.处理间比较来看, 与CN处理相比, 硝化抑制剂和生物炭单一添加(CP和B)与耦合添加处理(BCP)均不同程度增加了稻田氨挥发阶段损失量和总损失量, 其中, BCP处理达到显著水平.此外, 不同增效剂处理对氨挥发损失的影响在不同阶段表现不尽一致, 基肥期氨挥发损失量CP处理最高, 蘖肥期B处理最高, 穗肥期BCP处理最高.与CN处理相比, CP处理主要增加了基肥期、穗肥期和非肥期的氨挥发, 增加比例分别为138%、48%和78%, 氨挥发总量增加了59%; B处理则促进了所有肥期和非肥期的氨挥发, 其中基肥期和蘖肥期增加比例高于穗肥期和穗肥后阶段, 氨挥发总量增加了69%; BCP处理对氨挥发的促进作用更加明显, 尤其是穗肥期和穗肥后, 氨挥发增加了1.72倍和3.94倍, 氨挥发总量增加了1.07倍.不同处理在基肥期、蘖肥期、穗肥期和非肥期氨挥发损失量及全生育期氨挥发总损失量分别表现为：CP>BCP、B、CN>N0(基肥期), B、BCP>CP、CN>N0(蘖肥期), BCP>B、CP>CN>N0(穗肥期), CP>B、BCP、CN>N0(基肥-蘖肥), BCP>B>CP、CN>N0(穗肥后), BCP>B、CP>CN>N0(全生育期).

表 3 稻季阶段氨挥发损失量与比例1) Table 3 Volumes and ratios of cumulative ammonia emissions in different periods of the paddy season

2.5 不同配施处理对水稻产量的影响

不同处理下水稻产量结果表明(图 3), 不同处理间水稻产量无显著差异, 且均明显高于不施氮肥N0处理.与CN处理相比, 硝化抑制剂添加处理CP的产量增加了12%, 而添加生物炭处理(B和BCP)产量则有所下降, 但差异不显著.生物炭与硝化抑制剂配施处理BCP的产量略高于单一添加生物炭处理.表明硝化抑制剂添加中和了生物炭添加对产量带来的不利影响.

图 3 不同处理对水稻产量的影响 Fig. 3 Rice yield relative to the different treatments

3 讨论

我国的人口和现实国情要求必须以保证作物产量为前提进行稻田面源污染减排技术的研发.本研究表明, 硝化抑制剂和生物炭添加对水稻产量无显著影响, 但硝化抑制剂添加处理(CP)表现出一定的增产优势(图 3), 这可能与水稻倾向于吸收NH4+-N, 而硝化抑制剂与氮肥配合施用后使施入土壤中的氮较长时间内以NH4+-N形态存在, 供水稻吸收利用有关[5].稻田氨挥发是稻田田面水中游离的NH4+转换为气态NH3后经水面挥发到空气中的过程, 与施氮量、田面水NH4+-N浓度、田面水pH等密切相关[21, 22], 是稻田氮素损失的最主要途径之一.本研究结果表明, 氮肥施用明显增加稻田氨挥发损失通量和损失量, 这与前人研究结果一致[21, 23, 24].氮肥施用主要通过影响田面水NH4+-N浓度对氨挥发产生影响[24].本研究结果表明, 施氮后田面水NH4+-N浓度迅速增加, 明显高于不施肥处理(表 1), 这可能与尿素的速效水解特性有关[25].徐珊珊等[21]的研究认为化肥施用后显著增加了肥期的氨挥发损失.本研究也发现, 等氮量下, 单施化肥和复合添加土壤增效剂下各处理肥期(施肥后7 d内)的氨挥发损失显著高于非肥期(表 3), 是氨挥发损失的主要时期.

有研究表明, 硝化抑制剂施用可以阻断铵态氮向硝态氮的转化, 使稻田土壤和田面水中的NH4+-N含量升高且较长时间维持在较高水平, 增加氨挥发损失[5].本研究也发现, 添加硝化抑制剂CP明显增加了3次施肥后田面水铵态氮浓度和氨挥发损失通量.与单施化肥处理相比, CP处理的氨挥发损失量增加了59%, 且CP施用主要导致基肥、穗肥和非肥期氨挥发损失明显增加, 而对蘖肥期无明显影响(表 3).因此, 亟需解决硝化抑制剂施用后稻田土壤铵态氮浓度升高引起的氨挥发排放增加的问题.前人研究发现, 生物炭具有较大的比表面积及表面附着的含氧官能基团, 对旱地土壤氮素有较好的吸附效应, 能够降低旱地农田氨挥发损失[11~15].而稻田生物炭添加对氨挥发损失影响的研究结果不尽相同[16~18].本研究表明, 生物炭添加处理B未表现出对铵态氮的吸附效应, 田面水铵态氮浓度在基肥期和蘖肥期相比化肥处理还显著增加(表 1), 这可能是因为生物炭自身带入的碳(503.10 mg·g-1)和氮素(12.52 mg·g-1), 增加了土壤养分; 此外生物炭的高C/N可能对土壤原有有机质起到了激发效应, 促进土壤有机氮的周转矿化, 从而使铵态氮浓度增加[26, 27].加上生物炭本身是一种碱性物质(pH 8.9), 其添加后明显提高了田面水的pH(图 1), 因此对稻田氨挥发排放起到了促进作用.生物炭添加处理下稻田氨挥发损失具有明显的阶段性特征, 基肥期和蘖肥期的增加效应高于穗肥期和穗肥后(表 3).这可能与生物炭的老化有关, 老化后的生物炭自身特性改变, 从而降低氨挥发排放[15, 28].

由于生物炭和硝化抑制剂添加对氨挥发损失均有促进作用, 两者配施表现出了正交互作用, BCP处理的氨挥发损失总量高于单施生物炭和硝化抑制剂处理.值得注意的是, BCP处理的穗肥期田面水铵态氮浓度和pH均低于单施生物炭和硝化抑制剂处理, 但其穗肥期氨挥发损失却明显高于单施生物炭和硝化抑制剂处理, 说明耦合添加的氨挥发损失与田面水氮浓度无明显相关关系, 这与侯朋福等[26]的研究结果相同.这可能与复合添加对稻田土壤微生物群落结构的影响有关, 需要进一步研究[27, 29, 30].本研究结果说明, 生物炭添加不能解决硝化抑制剂添加引起的铵态氮浓度升高和稻田氨挥发损失增加的问题, 对于硝化抑制剂添加引起的氨挥发损失增加的问题需要另行研究.

杨士红等[31]的研究表明, 控制灌溉水稻氨挥发损失量普遍较低.此外, 本试验是在盆栽条件下进行, 由于盆栽内径较小(30 cm), 每盆栽插3穴, 为防止氨挥发采气罩置于土壤中对水稻根系生长的影响, 采气罩置于较浅土层, 主要利用田面水层实现采气系统的密封, 因此在干湿交替的中期未对氨挥发排放通量进行监测.而土壤氮素转化是一个复杂的过程, 除水分因素外, 还与土壤pH、有机碳和C/N等因素密切相关[32].稻田排水晒田期土壤增效剂的添加, 尤其是生物炭添加可能会引起土壤理化性质、C/N比、微生物活动、有机质分解及矿化速度发生改变[30], 对氨挥发的影响仍需在大田条件下进一步研究验证.

4 结论

(1) 硝化抑制剂和生物炭添加对水稻产量无显著影响, 但硝化抑制剂添加表现出一定的增产效应.

(2) 硝化抑制剂和生物炭添加均明显提高了田面水铵态氮浓度, 促进了氨挥发损失量, 增幅分别为59%和68%.生物炭添加对稻田氨挥发的促进作用在基肥期和蘖肥期明显高于施穗肥以后.

(3) 生物炭和硝化抑制剂耦合添加表现出正交互作用, 氨挥发损失量高于单一添加硝化抑制剂或生物炭处理.

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