川中丘陵区紫色土冬小麦/夏玉米轮作氨挥发研究

大气中过量的氨会造成诸多环境问题并危害人类健康。我国农田氮肥施用后的氨挥发是一个重要的氨排放源。紫色土的土壤性质以及该区的气候条件导致其氨挥发潜力较大。与其他集约化农作区相比,该区农田氨挥发研究相对较少。本文探讨了川中丘陵区紫色土冬小麦/夏玉米轮作体系氨挥发情况,为开展陆地生态系统大气碳氮气体交换研究提供基础数据,同时也为氨排放清单的编制及农田氨减排措施研究提供依据。选取川中紫色土丘陵区典型的坡耕地作为研究对象,采用风洞法研究了紫色土冬小麦/夏玉米轮作体系的氨挥发动态过程。每次试验设置1个施肥处理,3次重复。风速、风向、大气温湿度、土壤温湿度等气象数据由试验田微型气象站获取。每隔2~3 d采集土壤样品用以测定土壤NH4+-N含量。两年的田间试验结果表明,受氮肥深施及低温的影响,冬小麦季氨挥发损失率明显低于夏玉米季;2013年和2014年冬小麦季氨挥发损失率分别为7.4%和8.8%;2013年夏玉米季三叶期氮肥撒施的氨挥发速率为34.1%;2014年夏玉米季三叶期氮肥条施覆土降低了氨挥发损失,损失率为21.4%;2014年夏玉米季十叶期出现极端干旱的气候条件,撒施氮肥后立即灌水使氨挥发损失率高达46.6%,这是由于干旱条件下施肥灌水提供了利于氨挥发的土壤水分条件。因此在极端干旱的气候条件下,应避免采用此施肥方式。综合分析两年的数据可得:紫色土冬小麦季氨挥发损失占施氮量的(8.1±1.0)%,夏玉米氨挥发损失占施氮量的(32.8±1.8)%。     

不同施肥方式下砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发特征及排放系数

土壤类型对于农田氨挥发影响较大,而关于砂姜黑土农田氨挥发特征及排放系数研究相对较少,不利于区域性农田土壤氨排放清单的准确评估。基于此,选取豫南典型砂姜黑土为研究对象,设置不施肥（CK）、传统施肥（TR）、优化施肥（OPT）、再优化施肥（ZOPT）和缓控肥（HK）5种施肥处理,利用密闭海绵法,探究砂姜黑土农田不同施肥方式下冬小麦-夏玉米轮作土壤氨挥发特征,并尝试确定氨排放系数。结果表明：砂姜黑土传统施肥条件下冬小麦季土壤氨挥发量为11.1 kg·hm^-2,夏玉米季氨挥发量为13.4 kg·hm^-2,说明夏玉米季是砂姜黑土冬小麦-夏玉米轮作农田氨的高排放时期。对比不同处理的氨挥发量,发现ZOPT和HK处理冬小麦季和夏玉米季的氨挥发量显著低于其他处理（P<0.05）,其次为OPT处理,TR处理的氨挥发量最高。HK处理的氨排放系数最低,其中冬小麦季和夏玉米季分别为1.7%和1.5%,显著低于其他处理（P<0.05）;其次为ZOPT和OPT处理,其氨排放系数冬小麦季分别为2.1%和2.6%,夏玉米季分别为2.6%和3.6%;TR处理的氨排放系数最高,冬小麦季和夏玉米季分别为3.6%和4.7%。不同施肥处理氨挥发量与施肥量的拟合结果表明,随施肥量增加,冬小麦-夏玉米轮作农田氨挥发显示出较强的线性增长趋势,其中夏玉米季和冬小麦季的R²分别为0.934和0.931,说明该区域砂姜黑土传统施肥量的氨挥发未出现明显的激发性增长现象。本研究结果可为砂姜黑土区冬小麦-夏玉米轮作农田氮肥利用率的提高和氮排放清单的估算提供依据。     

华北平原氮肥周年深施对冬小麦-夏玉米轮作体系土壤氨挥发的影响

氮肥深施能有效减少土壤氨挥发,然而目前国内外关于小麦-玉米轮作体系氮肥深施缺乏周年系统性研究。本试验于2018年10月—2019年10月在中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦-玉米轮作农田进行,利用动态箱法研究不同深施模式氨挥发损失率、氨挥发特征,旨在探讨冬小麦-夏玉米轮作体系下土壤氨排放对氮肥深施的响应,为减少农业源氨排放和优化农田施肥提供理论依据。试验设置5个处理：不施肥（CK）、常规肥料表施（T₁）、缓释肥表施（T₂）、缓释肥基追肥分层深施（T₃）、缓释肥一次性分层深施（T₄）。结果表明：氨挥发主要发生在玉米追肥季,占全年氨挥发量的84.84%;T₁、T₂、T₃和T₄处理的周年氨挥发累积量分别为22.75 kg·hm^-2、6.17 kg·hm^-2、2.25 kg·hm^-2和0.55 kg·hm^-2,分别占总施肥量的4.86%、1.32%、0.48%和0.13%。与常规肥料表施（T₁）相比,缓释肥处理（T₂、T₃和T₄）分别降低72.88%、90.11%和97.32%的氨挥发损失;一次性深施处理（T₄）能避开土壤氨高挥发期,周年氨挥发累积量与不施肥处理（0.43 kg·hm^-2）没有显著差异,且显著低于表施处理。CK、T₁、T₂、T₃和T₄全年产量分别为8.31 t·hm^-2、13.20 t·hm^-2、12.66 t·hm^-2、14.42 t·hm^-2和14.22 t·hm^-2;与常规肥料表施（T₁）相比,缓释肥深施（T₃和T₄）均可提高作物产量,分别增产9.25%和7.75%。而缓释肥表施（T₂）产量略有降低。综合考虑土壤氨排放和作物产量,缓释肥表施（T₂）可以显著降低土壤氨挥发,但是作物产量不稳定;而氮肥深施（T₃、T₄）能在保证作物高产的基础上显著降低土壤氨排放,是一种高效、简便、环境友好的施肥方式。     

交替灌溉施肥对夏玉米土壤氨挥发的影响

为了解交替灌溉施肥条件下土壤氮素平衡过程,提高氮肥利用率,采用密闭法研究了夏玉米农田土壤氨挥发速率和挥发量。结果表明：夏玉米拔节期追肥灌水后,不同处理的氨挥发速率峰值（1.68～3.97 kg/hm2×d）出现在第2天,而后迅速下降并进入低挥发阶段;抽雄期追肥灌水后,水肥异区交替灌溉施肥处理的氨挥发速率呈现上下波动变化;玉米拔节期追肥灌水的氨挥发量和损失率远远小于抽雄期。在灌水量350 m3/hm2、施肥量256.08 kg/hm2时的氨挥发量最低。与常规灌水施肥处理相比,水肥异区交替灌溉施肥处理可明显减少氨挥发损失。     

优化施肥下华北冬小麦/夏玉米轮作体系农田反硝化损失与N2O排放特征

在田间条件下,应用乙炔抑制-原状土柱培养法测定优化施肥下华北冬小麦/夏玉米轮作体系土壤反硝化和N2O的排放特征。研究表明:冬小麦和夏玉米整个生育期反硝化速率和N2O排放通量均表现出明显的季节性变化,且均与土壤水分和无机氮浓度呈显著正相关。小麦季和玉米季的反硝化损失量及N2O排放量均表现出随施肥量的降低而降低,夏玉米季的反硝化损失量和N2O排放量均高于小麦季。小麦季的反硝化损失量和N2O排放量习惯施肥处理是氮肥减量后移处理的1.62和1.67倍,玉米季分别为2.01和2.00倍。氮肥减量后移可能是通过改变土壤无机氮浓度而降低反硝化损失量和N2O排放量。     

黄土高原旱地冬小麦/夏玉米轮作体系土壤的氮素平衡

在黄土高原南部旱地,通过田间小区试验研究了传统施肥方式下冬小麦/夏玉米轮作体系中土壤的氮素平衡。结果表明:土壤残留矿质态氮(Nmin)对作物产量和施用氮肥效果有重要影响,前季作物残留土壤Nmin可以促进后季作物生长,使氮肥增产效应不明显;冬小麦生长季节施氮240.kg/hm2可以增加产量和作物吸氮量,但其氮肥利用率只有39.7%,大部分以Nmin残留于0200cm土壤中或以其他途径损失;由于冬小麦季节残留肥料氮的后效,使夏玉米生长季节的氮肥利用率很低,施氮120和240.kg/hm2的氮肥利用率分别只有22.4%和3.9%,而在0200cm土层残留率则达到51.1%和87.2%;经过冬小麦、夏玉米一个轮作周期后,施氮量为240、360和480.kg/hm2时作物的氮肥利用率平均为52.2%4、2.2%和28.0%,而相应的土壤残留率平均为12.4%、25.3%和49.8%,表观损失率平均为35.4%、32.5%和22.2%。表明在土壤残留Nmin较高的条件下,夏玉米生长季节施氮量较低时盈余氮素以表观损失为主,施氮量高时大部分氮素残留于土壤剖面。     

冬小麦/夏玉米轮作中高肥力土壤的持续供氮能力

通过连续3年的冬小麦.夏玉米轮作试验研究高肥力土壤的供氮能力。结果表明,在本试验的高肥力土壤上,存在土壤供氮能力随时间延长而下降的趋势。但在连续3年3个轮作周期6季作物生长过程中,土壤都保持了较高的供氮能力,其中夏玉米季高于冬小麦季,不施氮处理在冬小麦季的相对产量保持在46%～76%,夏玉米季为69%～81%,轮作周期中土壤氮素的表观矿化量为125～184kg.hm2,而供氮能力为123～190kg.hm2。在考虑土壤供氮能力的基础上,基于土壤植株测试的氮肥优化管理,在连续6季作物中较大幅度地降低了氮肥用量,但却获得了同传统施氮处理一致的产量,保持了较低的土壤无机氮残留量,避免了过量施氮对环境的不良影响。     

冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。     

水氮优化条件下在华北平原冬小麦/夏玉米轮作中的化肥氮去向

针对华北平原冬小麦/夏玉米轮作区水肥高投入的特点,引入以土壤Nmin（NO₃- -N+NH₄+ -N）为基础的优化施氮技术和以土壤水分含量为基础的优化灌溉技术对施氮量和灌溉进行优化,大幅度降低了氮肥用量和灌溉量,且生物产量和籽粒产量均未发现显著降低。微区结果表明,传统灌溉方式下,传统施氮处理的化肥氮利用率很低,冬小麦当季为22.7%, 夏玉米当季25.7%,整个轮作周期为28.44 %; 氮损失率较高,冬小麦当季为52.9%, 夏玉米当季35.7%,整个轮作周期为47.0%; 而优化施氮可大幅度提高化肥氮利用率,降低损失,冬小麦当季、夏玉米当季和整个轮作周期的化肥氮利用率分别达到45.1%, 42.9%和46.1%, 损失率分别为33.3%, 7.1%和34.5%。优化灌溉下的优化施氮与传统灌溉的优化施氮相比,虽然化肥氮利用率未有显著差异, 但是却显著降低了损失,显著增加了化肥氮的土壤残留。同时对土壤氮素矿化的影响也显著不同,建议在化肥氮优化中应考虑水分管理。研究还表明, 在华北平原冬小麦/夏玉米轮作区,反硝化损失可能是化肥氮损失的主要途径。     

优化施氮下稻-麦轮作体系氮肥氨挥发损失研究

采用密闭室连续通气法研究了优化施氮下湖北稻-麦轮作体系农田氨挥发损失。结果表明,肥料氮素氨挥发损失量随施肥量增加而增加。施肥处理小麦季氨挥发损失量为N 11.37~17.05 kg/hm2,肥料氮氨挥发损失率为4.75%5~.43%,氨挥发峰值大约发生在施肥后的第35~d,肥料氨挥发过程持续71~0 d;水稻季氨挥发损失量为N32.506~2.82 kg/hm2,肥料氮氨挥发损失率为8.24%1~9.38%,氨挥发峰值大约发生在施肥后的第23~d,氨挥发过程持续57~d。水稻季和小麦季氨挥发之间差异显著,整个稻-麦轮作体系氨挥发主要发生在水稻季,约占整个轮作体系的74.08%7~8.65%。同习惯施氮相比,基于作物阶段氮素吸收增加追肥比例和施肥次数的优化施氮能有效减少肥料氮的氨挥发损失。     

基于文献分析的北方冬麦田氨挥发特性

中国北方地区是冬小麦-夏玉米种植体系的主要集约化农业区,过去30多年间化学氮肥投入量大和肥料利用率低的现象较为普遍,氨挥发等农业面源污染严重,需要对冬小麦生长过程中的氨挥发规律及测定方法等进行系统研究。该研究对1980年至2018年的华北平原冬小麦氨挥发文献进行研究总结,采用回归方程和T检验等统计学方法分析了不同施氮水平、施肥时期和测定方法对冬小麦氨挥发的影响。研究发现,随着化肥施氮量的增加,冬小麦氨挥发累积量呈现指数函数增加趋势(y=2.64e0.006 6x),净氨挥发量呈现幂函数增加特征(y=0.004 8x1.358 9)。不考虑激发效应的净氨挥发量比考虑激发效应的高估约21.8%。冬小麦生产中,基追比为1∶1的情况下,基肥期氨挥发量显著高于追肥期氨挥发量(P<0.05),占整个生育期氨挥发量分别为58.7%和41.3%。在180 kg/hm2氮肥水平时,海绵吸收法与真空抽气法测定的氨挥发数量无显著性差异。冬小麦季的氨挥发控制,应该重点通过优化氮肥施用数量,主要在基肥期进行控制。田间生产中,采用海绵吸收法和真空抽气法监测氨挥发应考虑不同施肥水平下的高估。     

东北黑土玉米单作体系氨挥发特征研究

采用通气法测定了东北黑土玉米单作体系田间土壤的原位氨挥发。试验设5个氮肥用量处理,即:施氮量（N）分别为0、150、225和300 kg/hm2（用N0、N1、N2 和N3表示）,基施氮肥和拔节期追肥各1/2,其中N3为习惯施肥;同时设置优化施肥处理N4,用量为N 225 kg/hm2,基施氮肥、拔节期和孕穗期追肥各1/3。结果表明,来自肥料的氨挥发持续时间较短,一般发生在施肥后的7 d内。由于追肥期高温低湿,追肥期氨挥发量显著高于基施氮肥。随施氮量增加,氨挥发损失增加;优化施肥（N4）的氨挥发损失量明显低于习惯施肥,N1、N2、N3和N4处理来自氮肥的氨挥发依次为N 5.09、9.18、13.47和7.14 kg/hm2,相当于施氮量的3.39%、4.08%、4.49%和3.17%。可见,优化施肥对于我国东北集约化农区节省氮肥和提高氮肥利用率有重要意义。     

施氮方式及测定方法对紫色土夏玉米氨挥发的影响

以川中丘陵区紫色土为对象,研究了撒施尿素添加脲酶抑制剂及尿素深施对夏玉米季氨挥发的减排效果,为合理施肥和减少农田氨排放提供依据;同时,对比风洞法和密闭室连续抽气法测定氨挥发的结果,为准确定量农田氨挥发提供方法依据。设置5个施氮方式处理,分别为：不施氮（CK）;农民传统施氮———雨后撒施尿素（BC）;撒施添加有Limus（德国BASF公司新开发的脲酶抑制剂）的尿素（BC+Limus）;尿素一次性条施（Band1）;尿素分两次条施（Band2）。除不施氮处理外,其他处理施氮量均为150 kg·hm-2,各处理采用密闭室连续抽气法测定氨挥发。另外,选取农民传统施氮处理用风洞法测定氨挥发,以研究不同测定方法对氨挥发损失量的影响。结果表明：紫色土夏玉米季农民传统的施氮方式氨挥发损失率可高于40%,而处理BC+Limus、Band1、Band2的氨挥发损失率分别为4.8%、3.8%、1.3%,分别比处理BC减少了90%、92%和97%的氨挥发损失,均具有很好的减排效果。密闭室连续抽气法测定氨挥发量稍高于风洞法,氨挥发损失率分别为48.4%和41.9%,但差异不显著。     

施肥培肥措施对春玉米农田土壤氨挥发的影响

采用通气法进行不同秸秆还田方式、施肥时期和方法对春玉米农田土壤氨挥发影响的研究。结果表明,秸秆还田同秋季耕翻深施肥结合,可以大幅度减少春玉米农田土壤氨挥发损失。试验测定期间,春施肥各处理的田间土壤氨挥发总量较大且处理间有明显差异,特别是秸秆直接还田春施肥处理(S3)氨挥发量最高,达30.36kg/hm2,较不施肥处理多挥发26.91kg/hm2,田间氨挥发损失占到施N肥总量的17.94%;秋施肥各处理的田间土壤氨挥发总量介于5.57~6.92kg/hm2间,田间氨挥发损失仅占施N肥总量的0.28%~1.18%,各处理间差异甚微,氨挥发损失总量极低。春施肥同秋施肥处理间比较,田间土壤氨挥发总量也存在明显差异,以秸秆覆盖间(S2、A2)差异最小,为2.65kg/hm2,以秸秆直接还田间(S3、A3)差异最大,为25.58kg/hm2,氨挥发损失增加了1.77%~17.06%。     

不同施氮量下双季稻连作体系土壤氨挥发损失研究

采用密闭室间歇通气法研究双季稻连作体系不同施氮量下土壤氨挥发损失。结果表明,早稻氨挥发损失主要发生在施肥后的15d内,第3～5d出现峰值,损失总量为N 22.60～162.0 kg /hm2,损失率为 29.29%～52.32%;晚稻氨挥发主要发生在施肥后的11d内,第3 d出现峰值,损失总量为N 22.35～141.4 kg /hm2,损失率为35.75%～46.82%。早、晚稻各生育期连作周期的氨挥发量均与施氮量呈显著线性关系。     

常规灌溉条件下施氮对温室土壤氨挥发的影响

为明确温室土壤的氨挥发特征,探讨适宜的减量施氮措施对氨挥发损失量及黄瓜产量的影响,在常规灌溉条件下设置了3个施氮（尿素）处理,采用通气法测定了冬春季黄瓜地中的氨挥发速率。结果表明：温室土壤在氮肥基施后7 d出现氨挥发速率峰值,但在氮肥追施后,施肥带与非施肥带的氨挥发速率峰值分别在第1 d与第5 d出现,氨挥发速率的峰值比氮肥基施时下降了8.6%～46.3%,施肥带的累积氨挥发量是非施肥带的0.91～1.54倍。冬春季黄瓜地的氨挥发损失量为16.7～26.6 kg/hm2,其中减施氮25%处理N900（900 kg/hm2）与减施氮50%处理N600（600 kg/hm2）与习惯施氮处理N1200（1 200 kg/hm2）相比,氨挥发损失量分别降低了22.1%和37.2%。而2 a黄瓜产量的平均值以处理N600（600 kg/hm2）最高,比处理N1200（1 200 kg/hm2）增加了6.52%。综合考虑氨挥发损失量、黄瓜产量及施氮量,在河北省的温室冬春季黄瓜生产中,比农民习惯氮用量（1 200 kg/hm2）减少25%～50%的措施是可行的。