氨(NH₃)是一种可以参与氮循环过程的活性氮, 是大气中最重要的反应性污染物, 对生态系统、气候和人类健康均会产生不利影响^[1~3].它对降水和大气颗粒物的总酸度方面起着重要作用^[4], 在对流层中和硫酸、硝酸形成二次无机气溶胶的主要成分硫酸铵和硝酸铵^[5]是造成雾、霾的元凶^[6], 同时氨也是NO和N₂O的第二来源.在农业生产中, 土壤氨挥发是氮肥流失的主要途径之一.据估计, 全球范围内, 平均有18%的氮肥因氨挥发而损失^[7].因此, 探究农田土壤氨挥发减排策略对提高氮肥利用率、减少环境污染具有重要意义.

秸秆还田作为保护性农业的核心措施之一, 不仅能够提高土壤肥力^[8], 还会影响土壤的碳氮循环, 对土壤氨挥发产生影响.目前有关学者针对秸秆还田对土壤氨挥发的影响开展了大量的试验, 但由于不同气候条件、土壤性质和秸秆性质等因素的差异导致土壤氨挥发对秸秆还田的响应并不一致.秸秆还田配施氮肥可以促进土壤中的无机氮转变成有机氮, 土壤有机质的分解会生成酸性物质, 从而降低了土壤pH值, 同时形成大量腐殖质, 增强土壤颗粒对NH₄⁺的吸附作用进而抑制了土壤氨挥发^[9].相反, 有研究认为秸秆还田后, 有机物质阻碍了NH₄⁺-N进入土壤矿物固定位置, 减少了铵的晶穴固定, 并且在水田中秸秆降解过程中产生的有机基团中和了水面部分酸根离子, 提高了田面水的pH, 从而促进了氨挥发^{[10, 11]}.汪军等^[10]的研究表明, 小麦秸秆还田配施氮肥的土壤氨挥发较常规施氮处理增加了20%; 徐聪^[12]对麦玉轮作体系研究表明, 秸秆还田配施氮肥的土壤氨挥发量要高于单施氮肥处理.因此, 为了明确土壤氨挥发对秸秆还田的响应规律, 需要综合分析前人试验结果, 寻找影响土壤氨挥发的主要驱动因子.

Meta分析是一种对同类研究结果进行统计分析的方法^[13].在农业生产上, 前人借助Meta分析方法, 以秸秆还田效应为研究对象, 集中综合分析了秸秆还田对作物产量及农田温室气体排放的影响^[14], 而较少涉及到秸秆还田对土壤氨挥发的影响.同时, 因不同的气候条件(例如降水和气温)对土壤氨挥发的影响不同, 为了明确单因素气象因素对土壤氨挥发的影响, 前人对不同的气候条件分类汇总, 往往以年尺度(例如年降水量及年均温)作为影响氨排放的因子^{[14, 15]}, 而与作物实际生育期内的气象数据(降水和气温)并不匹配, 这极大地影响了研究结果的可靠性.基于此, 本文运用Meta分析方法以无秸秆还田作为对照, 定量总结了在作物生育期内不同自然因素和农田管理措施条件下, 秸秆还田对土壤氨挥发的减排效果.

本文基于2021年6月前中国农田秸秆还田的研究数据, 以秸秆还田对氨挥发的影响进行了综合Meta分析, 进一步解释了不同自然条件及农田管理措施下, 秸秆还田对农田土壤氨挥发的影响, 其目的是提高对农业系统中秸秆的了解以改善生产和尽量减少对环境的影响.

采用Meta分析方法研究秸秆还田对土壤氨挥发的影响.以“秸秆还田”、“麦秆还田”、“氨挥发”、“NH₃ emission”、“Straw”、“ammonia”、“ammonia volatilization”和“China”等关键词从中国知网、Google Scholar、Web of Science和Science of Direct等中英文数据库检索2021年6月前发表的有关秸秆还田对中国农田土壤氨挥发影响的文献, 并进行筛选.筛选标准为: ①研究地区为中国(台湾省资料暂缺)且试验细节清楚, 如时间、地点、管理措施等; ②试验处理至少包括1组秸秆还田和不还田的处理, 且其他田间试验条件一致; ③文中提供了土壤氨挥发量或NH₃-N等数据且样本大小及标准偏差可获得.基于以上筛选标准, 获得47篇有效文献, 采集了124组数据.

Meta分析是用统计学方法对多个研究进行分析概括, 以提供量化的平均效果来解决所研究问题.将所选数据处理组与对照组一一对应, 利用固定效应模型或随机效应模型计算二者关系的效应量.固定效应模型是假设各研究来自同一总体样本, 差异只是由抽样误差引起的, 各研究之间的变异性很小; 随机效应模型指各研究来自不同的总体, 各研究的变异性很大, 即包括各研究的内部变异, 每个研究都有相应的总体效应, 合并效应量是多个不同总体参数的加权平均.利用异质性检验反映所选数据效应量的变异程度, 并根据异质性检验结果选用固定或随机效应模型; 利用偏倚性检验反映所选数据是否具有统计学意义.

对于每对试验结果计算相应比, 即处理值与控制值的比值, 并利用其自然对数变换形式来表示效应值大小^[15]:

(1)

式中, R为响应比, 是秸秆还田条件下土壤氨挥发量(X_e)与不还田土壤氨挥发量(X_c)的比值.

为直观地表达秸秆还田对土壤氨挥发的促进或减弱, 利用式(2)将效应值转化为百分比的形式, I值大于0则表示秸秆还田对氨挥发具有促进作用, I值小于0则表示秸秆还田对氨挥发具有抑制作用.

(2)

本研究利用MetaWin 2.1软件计算效应值大小和95%置信区间(CI)^[16], 需输入数据包括秸秆覆盖和不覆盖土壤氨挥发的均值、对应的标准差及样本数.若95%置信区间包含0, 表示秸秆还田对土壤氨挥发无显著影响(P > 0.05); 若95%置信区间都大于0, 表示秸秆还田对土壤氨挥发具有显著的促进作用(P < 0.05), 若95%置信区间都小于0, 表示秸秆还田对土壤氨挥发具有显著的抑制作用(P < 0.05)^{[17, 18]}.

本研究采用I²统计量检验方法对数据进行异质性检验, 计算公式为:

(3)

(4)

式中, w_i为第i组数据权重; n为效应量个数; E_si为第i个研究的效应量; E_s为所有研究效应量的均值.若I²≤50%时说明数据不存在异质性, 采用固定效应模型, 反之则选用随机效应模型进行分析.

为检验所收集文章的发表偏倚性, 本研究采用漏斗图与Egger's法对偏倚性进行量化^[19], 若偏倚性检验值P_B > 0.05则表示漏斗图对称性良好, 所收集数据不存在发表偏倚性.

将采集的数据进行统计及分类, 分析的因素包括: 自然因素(气象条件、土壤性质)和农田管理措施(施氮量、秸秆还田量、秸秆性质、还田方式、耕地类型).在气象条件中, 前人一般选取年尺度例如年降水量和年均温作为分析因素, 但这与当季作物实际生育期内的气象数据并不相符.因此, 本文选取作物生育期累积降水量和生育期均温作为影响土壤氨挥发的气象驱动因子.若文献中没有提供作物生育期累积降水量和均温, 则通过中国气象数据网(http://data.cma.cn)下载作物生长季日尺度的降水和温度数据, 并计算获得作物生育期累积降水量和均温数据, 如试验站点气象数据缺失用地理位置接近、地形地貌相似和年平均降雨量及温度接近的附近站点气象数据替代.依据文献[20], 具体各数据分类情况如表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 数据分类 Table 1 Data classification 自然因素 农田管理措施 气象条件 土壤性质 施氮量/kg·hm-2 秸秆还田方式 秸秆还田量/kg·hm-2 秸秆C/N 耕地类型 生育期累积降水量/mm 生育期均温/℃ pH 性质 土壤全氮质量分数/% < 400 ≤10 < 6 砂土 < 0.1 60~120 覆盖还田 0~3 000 ≤45 水田 400~600 10~15 6~8 壤土 0.1~0.15 120~180 旋耕还田 3 000~6 000 45~60 600~800 > 15 > 8 黏土 0.15~0.2 180~240 翻耕还田 > 6 000 > 45 非水田 ≥800 > 0.2 240~300

表 1 数据分类 Table 1 Data classification

偏相关分析也称净相关分析, 它在控制其他变量影响的条件下分析两变量的相关性, 体现两变量相关性大小的指标为偏相关系数.本研究采用偏相关分析分别得到秸秆还田条件下水田和非水田中土壤氨挥发量的主要影响因素, 并将秸秆还田条件下的土壤氨挥发量作为因变量, 主要影响因素为自变量进行多元非线性拟合, 分别得到水田和非水田中秸秆还田条件下土壤氨挥发量的拟合方程.

采用R4.1.0软件进行数据异质性和偏倚性检验; 使用Metawin 2.1软件进行Meta分析, 使用Origin8.0软件绘图; 使用SPSS 22.0进行偏相关分析与多元非线性拟合.

对所选数据分别计算综合效应量及异质性、偏倚性分析(如表 2).结果表明, I²=0.96, 异质性检验达到显著水平, 因此采用随机效应模型进行Meta分析.与秸秆不还田相比, 秸秆还田对土壤氨挥发的提高率为4.71%(CI为2.00%~7.41%).如图 1所示, 各数据点基本关于漏斗轴线对称, 且P_B > 0.05, 说明结论可靠, 不存在发表偏倚.

表 2 (Table 2)

表 2 秸秆还田对土壤氨挥发的综合效应量和异质性、偏倚性检验 Table 2 Comprehensive effect size, heterogeneity, and bias of straw returning on ammonia volatilization in soil 模型 提高率/% 置信区间/% Q I2 n PB 下限 上限 随机效应模型 4.71 2.00 7.41 3 310.38 0.96 124 0.64

表 2 秸秆还田对土壤氨挥发的综合效应量和异质性、偏倚性检验 Table 2 Comprehensive effect size, heterogeneity, and bias of straw returning on ammonia volatilization in soil

图 1

Fig. 1

图 1 偏倚性检验漏斗图 Fig. 1 Funnel plot by publication bias test

通过分析收集的47篇文献数据, 本研究发现秸秆还田对土壤氨挥发的影响与试验区的气候条件密切相关.秸秆还田通过影响土壤理化性质来影响氨挥发过程, 而气候因子(例如生育期累积降水量和生育期均温)是秸秆分解的主要驱动力, 因此气候因子会间接地影响土壤氨排放.

随生育期累积降水量的增加, 秸秆还田对土壤氨挥发的抑制作用减弱[图 2(a)]. 当生育期累积降水量＜400 mm时, 秸秆还田显著降低土壤氨挥发(P＜0.05), 降低率为10.32%(CI为-14.58%~-6.05%); 当累积降水量在400~600 mm和600~800 mm时, 秸秆还田提高土壤氨挥发但不显著, 当累积降水量≥800 mm时, 秸秆还田显著提高土壤氨挥发, 提高率为29.45%(CI为19.68%~39.22%).秸秆还田对土壤氨挥发的减排作用随生育期均温的增高而增强.当生育期均温≤10℃时, 秸秆还田会显著促进土壤氨挥发, 提高率为14.98%; 生育期均温在10~15℃时, 秸秆还田会提高土壤氨挥发但效果不显著; 当生育期均温＞15℃时, 秸秆还田会显著抑制土壤氨挥发, 降低率为5.46%(95%置信区间为-8.54%~-2.37%).

图 2

Fig. 2

各散点的误差线表示95%置信区间, X轴线表示Y=0, 若误差线与X轴相交, 表示处理和对照之间差异不显著(P＞0.05); 误差线上的数字代表样本数, 下同 图 2 秸秆还田在不同气候条件下对土壤氨挥发的影响 Fig. 2 Change rates of soil NH3 emission caused by straw under different climate conditions

降水影响土壤水分, 充足的土壤含水量刺激了土壤中细菌、真菌和动物等分解者群落的活动, 增强了微生物代谢活动中的酶活性, 加速了秸秆的分解.此外, 前人研究表明, 土壤中硝酸盐异化还原成铵作用(dissimilatory nitrate reduction to ammonium, DNRA)是土壤产生氨的关键步骤, 且DNRA细菌多为兼性厌氧菌及专性厌氧菌.当土壤孔隙充满较多水时氧气含量降低, 对比无秸秆还田情况, 秸秆分解会使土壤缺氧情况加剧, NO₃^-会异化还原产生更多的NH₄^+[21].因此, 当累积降水量 > 800 mm时, 对比无秸秆对照, 秸秆还田使土壤NH₄⁺浓度增大, 促进土壤氨挥发.

随着作物生育期均温的增加, 与无秸秆还田相比, 秸秆还田降低土壤氨挥发的作用增强[图 2(b)].土壤温度深受大气温度的影响, 而秸秆还田对土壤温度有调节作用, 主要表现为提升低温、降低高温.前人研究秸秆管理措施对土壤温度的影响时发现: 在冬小麦的播种-越冬期, 秸秆旋耕还田的土壤温度显著高于无秸秆还田处理, 而在拔节期-成熟期, 秸秆还田处理的土壤温度低于无秸秆还田处理; 在大气温度较高的夏大豆生育期, 秸秆覆盖处理的土壤温度低于无秸秆还田处理^[22].这说明, 与无秸秆还田相比, 秸秆还田导致的土壤温度的不同可能是土壤氨挥发排放产生差异的原因.

秸秆在调节土壤氨挥发过程中会起到综合效益, 不仅可以通过秸秆分解增加NH₄⁺底物浓度促进氨挥发, 也会产生抑制氨挥发的负效应.例如, 采用秸秆覆盖会减少土壤与大气接触面积, 降低地表风速, 进而抑制土壤氨挥发, 同时, 秸秆翻埋还田会增加土壤孔隙度, 减少土壤中的厌氧微区, 抑制土壤中DNRA过程, 但会增加氨排放通路.对比无秸秆对照, 这种综合作用可能会导致秸秆还田抑制土壤氨排放现象的出现, 而在本研究中, 当生育期累积降水量 < 400 mm时和生育期均温＞15℃时, 土壤氨排放均表现为秸秆还田显著小于无秸秆还田.

在本研究中, 当pH＜6时, 秸秆还田显著提高土壤氨挥发量, 提高率为16.64%(P＜0.05), pH处于6~8和pH＞8时, 秸秆还田均会显著降低土壤氨挥发量, 降低率分别为14.16%和7.64%[图 3(a)].

图 3

Fig. 3

图 3 秸秆还田在不同土壤性质条件下对土壤氨挥发的影响 Fig. 3 Change rates of soil NH3 emission caused by straw under different soil properties

前人针对秸秆还田后土壤pH变化的结论并不一致, 有研究指出, 秸秆还田对土壤pH的调节作用主要受秸秆中有机阴离子、氮含量和土壤初始pH值的影响^[23].其中, 土壤初始pH值可能极大地影响秸秆分解释放的有机化合物的缔合/解离^[24], 从而较为显著地影响土壤pH值的变化, 该研究还表明, 土壤pH升高与土壤初始pH呈负相关, 即秸秆会使土壤pH值由偏酸性或偏碱性向中性转化.而一般来说, 土壤酸碱度升高会促进农田土壤氨排放^[25].因此, 这可能解释了对比无秸秆还田, 在酸性土壤中添加秸秆会增加氨排放, 而在中性和碱性土壤中, 秸秆抑制土壤氨挥发.

土壤黏粒含量通过影响土壤的透气性和对阳离子的吸附性来影响土壤氨排放.在土壤质地为砂土和壤土时, 秸秆还田下的土壤氨挥发比无秸秆还田时分别提高和降低了9.73%和0.24%, 但效果不显著, 而在黏土中, 秸秆还田显著抑制了土壤氨挥发, 降低率为19.17%[图 3(b)].黏土具有较好的吸附性且通透性较弱^[26], 这导致其对NH₄⁺具有较强的吸附作用, 可以有效降低土壤液相中的NH₄⁺浓度, 同时不利于生成的NH₃由土壤向空气中扩散.另外由于黏土含氧量较低, 不利于秸秆分解, 因此秸秆还田对质地黏重的土壤氨挥发减排效果好于质地粗松的土壤, 这一结论在前人研究中也得到证实^[27].

当土壤全氮 < 0.1%时, 秸秆还田会显著抑制土壤氨挥发, 抑制率为6.78%; 当土壤全氮为0.1%~0.2%时, 秸秆还田对土壤氨挥发有显著促进作用[图 3(c)], 当土壤全氮 > 0.2%时, 秸秆还田会显著抑制土壤氨挥发, 抑制率为26.83%.土壤全氮对秸秆还田条件下土壤氨挥发的减排效果呈现先减弱后增强的趋势.这可能是由于秸秆分解需消耗土壤中的氮素, 当氮素较低时, 秸秆分解与作物争夺氮素, 土壤中无机氮的固定减少, 使得土壤氨挥发底物减少, 故秸秆还田会抑制氨挥发; 土壤中全氮质量分数较大时会促进秸秆分解, 提高土壤pH值, 促进土壤氨挥发^[28]; 当土壤全氮质量分数过高时会降低微生物和酶活性, 影响秸秆分解和肥料水解, 因此表现出秸秆还田抑制土壤氨挥发.

如图 4所示, 当施氮量在60~120 kg·hm^-2和120~180 kg·hm^-2时, 秸秆还田会显著降低土壤氨挥发量(P＜0.05), 降低率为38%和8.24%.当施肥量在180~240 kg·hm^-2时, 秸秆还田显著提高了土壤氨挥发(P＜0.05), 提高率为17.14%.当施氮量＞240 kg·hm^-2时, 秸秆还田显著降低了土壤氨挥发, 降低率为10.11%(P＜0.05).随着施氮量的增加, 秸秆还田对氨挥发的减排效果逐渐减弱.这是因为施肥量会影响秸秆分解速率, 秸秆通常含有较高的C/N比, 需要从外界施入一定量的活性无机氮弥补分解过程中土壤活性态氮素的供应不足, 充足的无机氮才使得降解秸秆的微生物对氮素的吸收, 进而维持较高的微生物活性和数量, 促进秸秆的分解矿化速率^[29].施肥量较小时, 秸秆分解与作物争夺土壤氮素, 微生物对无机氮的净固定导致土壤NH₄⁺浓度降低, 使得氨挥发潜力降低, 故秸秆会抑制NH₃挥发; 施肥量充足时, 秸秆会充分分解, 使土壤pH升高, 利于土壤中NH₄⁺向NH₃的转化, 促进NH₃挥发.但是当施氮量过高时反而会影响微生物自身繁殖和秸秆分解速率^[30], 因此施氮量大于240 kg·hm^-2时表现出秸秆还田对氨挥发促进作用减弱.

图 4

Fig. 4

图 4 秸秆还田在不同施氮量下对土壤氨挥发的影响 Fig. 4 Change rates of soil NH3 emission caused by straw under different N fertilizer input

秸秆还田方式包括秸秆覆盖还田、秸秆旋耕还田和秸秆翻耕还田.秸秆以覆盖的方式还田会促进土壤氨挥发但效果不显著, 以旋耕和翻耕的方式还田会显著抑制土壤氨挥发(图 5), 抑制率分别为7.1%(CI为-12.92%~-1.28%)和10.45%(CI为-17.26%~-3.64%).

图 5

Fig. 5

图 5 秸秆还田在不同还田方式下对土壤氨挥发的影响 Fig. 5 Change rates of soil NH3 emission caused by straw under different straw-returning methods

土壤耕作条件能够决定秸秆还田的深度, 影响秸秆腐解率以及秸秆养分的释放^{[31, 32]}, 继而影响土壤NH₃产生和排放过程.在旋耕还田系统中, 秸秆与5~10 cm土壤混合; 在翻耕秸秆还田时, 秸秆被翻埋在20~30 cm土层.秸秆的腐解主要靠土壤中的微生物作用, 而土壤微生物主要集中在0~10 cm的土层中^[33], 则秸秆腐解率通常表现为旋耕秸秆还田 > 翻耕秸秆还田 > 秸秆覆盖还田.

在旋耕和翻耕条件下, 对比于无秸秆还田, 一方面, 秸秆粉碎后, 比表面积更大, 进入土壤后可以吸收更多的土壤氮溶液^[34].当秸秆分解后, 土壤有机质增加, 土壤有机质又会吸附大量的NH₄⁺, 可以在一定程度上减少土壤液相中的NH₄⁺含量, 从而减弱了土壤氨挥发^[35]; 另一方面, 秸秆掺入土壤后, 会降低土壤容重, 土壤孔隙度增加, 土壤通透性增强, 即使秸秆腐解产生氮素增加, 因此时土壤通气性较好, 有利于氮的硝化, 氮素会更多地以NO₃^-形式存在, 降低了NH₃的排放.

本研究表明, 当秸秆C/N≤45, 秸秆还田显著促进土壤氨挥发, 提高率分别为15.52%, 当C/N处于45~60和C/N＞60时, 秸秆还田会显著抑制土壤氨挥发, 抑制率分别为9.21%(P＜0.05)和3.42%(P＜0.05).

秸秆还田会显著影响土壤无机氮含量, 继而影响土壤氨挥发.一般情况下, 当秸秆C/N≤45时, 秸秆可以提供足够的N来满足土壤微生物的生长和增殖, 从而导致净N矿化^[36], 这种额外的氮供应可能会刺激氨产生过程, 导致与未进行秸秆还田的相比, 提高土壤氨挥发.反之, 当作物残茬C/N > 45时, 作物残茬中的N不能满足因秸秆提供充足碳源而诱导微生物生长所需的氮.因此, 微生物将从土壤中吸收无机氮, 造成净氮固定^{[37, 38]}, 氨产生底物减少, 因此NH₃排放减少.然而, 添加C/N > 60的作物残留物后, 对土壤NH₃排放的抑制作用减弱[图 6(a)].这表明, 除土壤无机氮外, 添加作物残渣可能会影响非生物因素.添加作物残渣后, 微生物的生长可能消耗土壤孔隙中相当大的氧气, 导致土壤通气转向厌氧条件, 造成硝酸盐异化还原为铵作用加强, 增大了NH₃排放潜力.这可能是本研究中当C/N＞60时相比于C/N为45~60, 秸秆还田对土壤氨排放的减排效果减弱的原因.

图 6

Fig. 6

图 6 秸秆性质和施加量对土壤氨挥发的影响 Fig. 6 Change rates of soil NH3 emission by straw application under different straw properties and quantities

由图 6(b)可知, 当秸秆还田量在0~3 000 kg·hm^-2和3 000~6 000 kg·hm^-2时, 秸秆还田会促进土壤氨挥发, 提高率为3.79%和3.46%但效果不显著; 当还田量＞6 000 kg·hm^-2时, 秸秆还田显著抑制土壤氨挥发, 降低率为10.90%(CI为-15.40%~-6.40%).秸秆还田量对土壤氨挥发的抑制作用随着还田量的增大而增强.当秸秆还田量较小时, 秸秆较易分解, 提高土壤中NH₄⁺浓度, 进而对土壤氨挥发显示出促进作用^{[39, 40]}; 秸秆还田量较高时易发生分解秸秆的微生物与作物争夺土壤矿质氮的现象, 使氨挥发底物减少.同时, 随着秸秆还田量的增加, 土壤有机质的含量增加, 有机质对NH₄⁺吸附能力较强, 降低NH₄⁺浓度, 从而减少NH₃挥发.另一方面, 秸秆还田量较大会减少肥料与大气接触面积, 降低地表风速, 进而秸秆还田对土壤氨挥发产生抑制作用.所以, 在本研究中与无秸秆还田相比, 当秸秆还田量 > 6 000 kg·hm^-2时, 秸秆还田对土壤氨挥发呈现出抑制作用.

秸秆还田对不同耕地类型农田土壤氨挥发的影响程度不同(图 7).对于非水田, 秸秆还田会显著抑制农田土壤氨挥发, 抑制率为12.49%(CI为-16.45%~-8.54%).而在水田中, 秸秆还田能显著促进农田土壤氨挥发, 提高率为13.35%(CI为8.43%~18.27%).综上可知, 秸秆还田对非水田的土壤氨挥发减排效果最好, 对水田土壤氨挥发有促进作用.秸秆还水田后, 秸秆和作物阻碍了肥料下渗, 导致氨挥发增加^[41], 汪军等^[10]的研究也表明, 在秸秆淹水还田初期, 土壤氧化还原电位急剧下降, pH急剧上升, 进而促进了土壤氨挥发.在旱田中, 一方面秸秆配施化肥提高了尿素水解速率, 缩短了土壤氨挥发时间, 导致氨挥发减少, 另一方面, 秸秆减少了肥料与大气的接触面积, 降低地表风速, 从而抑制氨挥发^[42].

图 7

Fig. 7

图 7 不同耕地类型秸秆还田对土壤氨挥发的影响 Fig. 7 Change rates of soil NH3 emission caused by straw in different regions of China

秸秆还田对土壤氨挥发的影响受气象因素、土壤性质、田间管理措施和秸秆性质与施加量的影响.为分析秸秆还田对土壤氨挥发影响的原因, 采用偏相关分析找出主要影响因素.由于秸秆还田对土壤氨挥发的影响在水田和非水田中存在显著性差异, 所以分别在水田和非水田条件下选取生育期累积雨量(X₁)、生育期均温(X₂)、土壤pH值(X₃)、土壤性质(X₄)、土壤全氮质量分数(X₅)、施氮量(X₆)、秸秆C/N(X₇)和秸秆还田量(X₈)作为自变量, 秸秆还田条件下的土壤氨挥发量(Y)作为因变量进行偏相关分析, 由于秸秆还田方式无法具体量化, 故在分析中暂不考虑该影响因素, 结果见表 3.

表 3 (Table 3)

表 3 秸秆还田的土壤氨挥发量影响因子偏相关分析结果1) Table 3 Partial correlation analysis results of influencing factors of soil ammonia volatilization by straw returning 项目 样本量 X1→Y X2→Y X3→Y X4→Y X5→Y X6→Y X7→Y X8→Y 水田 45 0.258 -0.357* 0.295* -0.037 0.016 0.128 0.084 0.059 非水田 79 -0.061 -0.102 -0.006 0.199 -0.147 0.312** 0.389** 0.054 1)*表示通过0.05显著性检验; **表示通过0.01显著性检验

表 3 秸秆还田的土壤氨挥发量影响因子偏相关分析结果1) Table 3 Partial correlation analysis results of influencing factors of soil ammonia volatilization by straw returning

在水田中, 偏相关系数的绝对值大小排序为: X₂＞X₃＞X₁＞X₆＞X₇＞X₈＞X₄＞X₅, 所以X₂(生育期均温)和X₃(土壤pH值)为影响秸秆还田条件下土壤氨挥发的主要因素; 在非水田中, 偏相关系数绝对值大小排序为X₇＞X₆＞X₄＞X₅＞X₂＞X₁＞X₈＞X₃, 所以X₆(施氮量)和X₇(秸秆C/N)为影响秸秆还田条件下土壤氨挥发的主要因素.以秸秆还田条件下的土壤氨挥发量(Y)作为因变量, 偏相关分析得到的主要影响因素为自变量, 通过多元非线性拟合得到水田和非水田中秸秆还田条件下土壤氨挥发量的表达式如图 8所示.结果表明: 在非水田中, 秸秆还田条件下的土壤氨挥发量(Y)与X₆(施氮量)和X₇(秸秆C/N)均成正相关关系; 在水田中, 秸秆还田条件下的土壤氨挥发量(Y)与X₂(生育期均温)成负相关关系, 与X₃(土壤pH值)成正相关关系, 这与偏相关分析所得结果一致, 与前人研究的结果基本一致^{[43, 44]}.在水田中土壤氨挥发量(Y)与X₂(生育期均温)呈现负相关关系的原因可能是由于所搜集水田作物种类单一, 生育期均温变动幅度较小, 另外秸秆还田条件下土壤氨挥发量的产生是一个复杂的过程, 具体如何将其更准确量化有待进一步研究.

图 8

Fig. 8

图 8 秸秆还田条件下的土壤氨挥发量(Y)与主要影响因素多元非线性拟合结果 Fig. 8 Multivariate nonlinear fitting results of soil ammonia volatilization (Y) and main influencing factors under the straw-returning condition

(1) 秸秆还田对土壤氨挥发的减排作用随生育期均温、土壤黏粒含量和秸秆还田量的增大而增强, 随生育期累积降水量的增大而减弱; 在酸性土壤中秸秆还田显著促进土壤氨挥发, 在中性或碱性土壤中, 秸秆还田会显著抑制土壤氨挥发; 秸秆还田对土壤氨挥发的促进作用随土壤全氮含量和施氮量的增加呈现先增强后减弱的趋势, 在土壤全氮为0.15%~2%和施氮量为180~240 kg·hm^-2时促进作用最强; 以翻耕或旋耕方式进行秸秆还田会显著抑制土壤氨挥发; 利用较高C/N的秸秆还田对土壤氨挥发的减排效果较好; 在非水田中秸秆还田对土壤氨挥发有显著抑制作用, 在水田中秸秆还田对土壤氨挥发具有显著促进作用.

(2) 在水田中, 生育期均温和土壤pH值是影响秸秆还田条件下土壤氨挥发的主要因素; 在非水田中, 施氮量和秸秆C/N是影响秸秆还田条件下土壤氨挥发的主要因素, 同时利用多元非线性回归得到秸秆还田条件下土壤氨挥发量与主要影响因素的拟合方程, 为量化秸秆还田条件下土壤氨挥发量提供理论依据.