水土保持耕作對黑土玉米氮素利用與溫室氣體排放影響

齊智娟 李 驁 張忠學 余佩哲 尹致皓 宋 芳

(1.東北農業大學水利與土木工程學院,哈爾濱 150030;2.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室,哈爾濱 150030)

0 引言

N2O是三大溫室氣體之一,其單位分子增溫潛能是CO2的300倍,給全球氣候和環境帶來嚴重的威脅[1-5]。約75%的人為N2O排放源于農業土壤,其中旱地土壤是農業源N2O排放的主要來源之一[6]。當前,人類活動導致的全球N2O排放量的增長速度超過了最高預期排放情景,凸顯了減少N2O排放的緊迫性,氮肥高效利用是最有潛力的減排措施[7]。

東北黑土區是我國最重要的商品糧基地,是中國糧食安全的可靠保證,對保障國家糧食安全和生態安全具有重要意義[8-9]。近年來,由于長期高強度開發利用、氣候變化、耕作方式不合理(攪動土壤、植被破壞、秸稈根茬未還田)以及自然因素(地勢波狀起伏、水溝侵蝕)等原因,我國黑土地遭受的破壞日益嚴重,水土流失,地力下降,對糧食產量造成威脅[10]。因此,水土保持耕作顯得尤為重要。與傳統耕作方式相比,水土保持耕作處理可以減少土壤擾動,在優化土壤團聚結構、改善土壤蓄水保水能力、促進土壤有機質形成及其穩定化過程等方面具有積極的調控作用[11-14]。

現有的水土保持耕作技術主要有等高耕作、壟向區田以及深松耕作等。已有研究表明,實施水土保持耕作措施可以更好地調控土壤的養分供應狀況,實現土壤氮素供應與作物需氮的時空吻合,有助于實現夏玉米高產高效生態安全生產[15]。而且不同水土保持措施均可在不同程度上降低坡耕地水土及氮磷養分的流失[16]。目前對于水土保持耕作條件下有關作物的研究主要集中在耕作方式對作物產量、生長發育、蓄水肥田以及土壤結構等方面的影響[17]。對于不同耕作方式對氮素吸收利用以及溫室氣體排放影響方面的研究并不深入。氮素作為影響作物產量的首要因子,在作物生長過程中起著至關重要的作用,要進一步研究施加同樣數量氮肥條件下,可以為作物生長提供較好的生長環境,提高氮肥利用率,穩產或增產,并有效減少溫室氣體排放的黑土坡耕地水土保持耕作技術。

本文針對當前東北黑土區玉米田存在的土地退化、氮肥利用率低、溫室氣體排放增加等問題,以傳統耕作方式為對照,研究不同耕作模式對玉米田溫室氣體排放與氮肥吸收利用的影響,為黑土坡耕地保護、肥料高效利用、農田氧化亞氮氣體減排提供應用基礎理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

依托中國科學院海倫水土保持監測研究站開展試驗,試驗站位于黑龍江省松嫩平原北部海倫市西南部的前進鄉光榮村(47°37′N,126°84′E)。該試驗區位于東北典型黑土區北部,為商品糧核心產區,漫川漫崗水土流失區,平均海拔210 m,坡度為0.5°～7°,坡長為200～1 000 m,土壤侵蝕模數大于1 000 t/(km2·a),溝壑密度2.27 km/km2,墾殖率80%,坡耕地占比90%以上,黑土層厚度約為30 cm。主要作物為大豆和玉米。試驗區多年平均氣溫-4～5℃,無霜期135 d,年降水量400～650 mm,7—9月降雨量占年降水量的70%。土壤速效氮(N)質量比154.4 mg/kg,速效磷(P2O5)質量比40.1 mg/kg,速效鉀(K2O)質量比376.8 mg/kg,pH值為7.27。

1.2 試驗設計

在海倫光榮小流域開展小區試驗和大田試驗,為了解決黑土變薄變瘦的問題,試驗基于等高耕作、深松耕、壟向區田以及其組合模式,開展不同水土保持耕作方式下的東北黑土坡耕地玉米農田耕作試驗,選擇等高耕作(TP)、壟向區田(RF)、深松耕(SF)、等高耕作+深松耕(TP-S)、壟向區田+深松耕(RF-S)和等高耕作+壟向區田(TP-R)6種模式,常規耕作(CK)為對照。試驗處理設計如表1所示。

表1 田間小區試驗處理設置

結合當地玉米種植經驗,施肥水平、生產管理與當地保持一致,累積施用氮肥250 kg/hm2,分2次施入。采用全面試驗設計方法,共計7個處理,每個處理3次重復,共計21個試驗小區,隨機排列,每個小區面積為100 m2(20 m×5 m)。供試玉米品種為“迪卡1563”,種植密度為56 700株/hm2,試驗區無灌溉,玉米生育期內日氣溫與降雨量變化如圖1所示。

圖1 生育期內試驗地日氣溫和降雨量

1.3 測定指標與方法

(1)地上部生物量

將植株沿地上部分取下,用農用壓縮噴霧器將植株沖洗干凈,并將植株按不同器官放入干燥箱中,105℃殺青30 min后,60℃干燥至干質量恒定。將干燥后的樣品放置在干燥箱中冷卻,稱量干物質量。

(2)植株各器官氮素指標測定

將稱量后的成熟期樣品按不同器官用球磨機磨碎,過80目篩后混勻,采用H2SO4-H2O2消煮,取消煮后的清夜,采用德國SEALAnalytical公司生產的AutoAnalyzer-Ⅲ型流動分析儀,測定成熟期植株各器官氮質量分數。

(3)土壤有機質和氮素相關指標

(4)氣體排放量

采用靜態箱-氣相色譜法采集各時期N2O與CO2氣體。箱體由有機玻璃制成,四周采用透明隔熱防曬漆進行隔熱處理,箱內裝有1個風扇以混勻氣體,側面中上部設置氣密性氣體取樣孔,氣樣抽取后轉入采氣袋(50 mL)。氣體測定后計算氣體排放通量,計算式為[18]

式中F——N2O、CO2排放通量,單位分別為μg/(m2·h)、mg/(m2·h)

ρ——在標準狀態條件下氣體密度,g/cm3

P——氣體采集時標準大氣壓,Pa

V——箱體體積,m3

A——箱體底面積,m2

ΔC/ΔT——箱體內氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率,μL/(m3·h)

T——采樣時箱體內氣體溫度,℃

玉米全生育期內土壤N2O與CO2累積排放量計算公式為

式中M——土壤N2O、CO2排放總量,kg/hm2

fi——第i次采樣時N2O、CO2排放量,mg/(m2·h)

fi+1——第i+1次采樣時N2O、CO2排放量,mg/(m2·h)

ti——第i次采樣時間,d

ti+1——第i+1次采樣時間,d

試驗期間使用3次氣體監測結果的平均值作為期間未采樣日的排放通量(線性內插法),將每日的排放量累加求得階段性累積排放量。

(5)產量及其構成

在收獲期取每小區中間2行進行測產,記錄穗數,收獲后隨機選擇20個果穗記錄每穗的穗行數、穗粒數,風干玉米穗部至質量恒定,進行脫粒、稱量,并折算成籽粒含水率為14%的玉米籽粒產量。

(6)相關指標計算公式

植株器官氮素累積量(Ni)為植株器官干物質量與植株含氮量乘積,營養器官氮素轉運量(NTA)為抽雄期營養器官氮素積累量與成熟期營養器官氮素累積量差值,氮素轉運效率(NTE)為營養器官氮素轉運量占抽雄期營養器官氮素積累量百分比,氮素轉運對籽粒貢獻率(NTCP)為營養器官氮素轉運量占成熟期籽粒氮素累積量百分比,氮肥生產效率(NPE)為單位面積玉米產量與施氮量比值,氮素吸收效率(NUE)為植株氮素累積量與施氮量比值,氮素收獲指數(NHI)為籽粒氮素累積量與施氮量比值[19-23]。

1.4 數據分析

試驗數據使用Microsoft Excel(2016)進行整理,采用SPSS 22.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,美國)進行統計分析,運用最小顯著差異法(LSD)對各處理數據進行多重比較(P<0.05)。使用Microsoft Excel(2016)和Origin Pro 9.1作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水土保持耕作技術對N2O與CO2排放的影響

玉米生育期農田N2O排放通量如圖2a所示,各處理均表現為正值,表明旱地土壤是N2O的排放源。在玉米整個生育期內,N2O排放通量在不同處理間的趨勢基本一致,呈“山”字型,有明顯的季節變化規律。生長初期和末期的排放通量較低,中期排放通量高,且在6月出現最高峰,之后逐漸保持平穩。從整個生育期來看,TP處理的N2O排放通量顯著低于其他處理,SF處理的N2O排放通量最高,CK處理位于中間值。各處理N2O排放通量由小到大依次為SF處理、RF處理、RF-S處理、CK處理、TP-S處理、TP-R處理、TP處理。CO2排放通量如圖2c所示,從圖中可以看出在玉米生育期內土壤CO2的排放規律與N2O有著明顯的不同,CO2的排放峰值有2個,分別集中在7月初的拔節期與8月初的抽雄期,其他時期則較為平緩。從圖2c可以看出,SF處理的CO2排放通量最高,TP處理的排放通量最低。以最高峰來看,SF處理比CK處理CO2排放高36.42%,TP處理則顯著降低,較CK處理減少128.63%。不同水土保持耕作技術下,土壤的N2O與CO2的累積排放量都在生育期內逐漸增高。苗期各處理土壤 CO2累積排放量增加比較緩慢,拔節期至抽雄期增速加快,抽雄期至灌漿期累積排放量逐漸減緩,灌漿期至成熟期最低。

圖2 生育期內不同水土保持耕作技術下的土壤溫室氣體排放通量與累積排放量

2.2 不同水土保持耕作技術對土壤中氮的影響

2.2.1土壤全氮

圖3為不同水土保持耕作模式下玉米土壤的全氮(TN)含量(質量比)。在玉米的不同生長階段,同一生育期內表層土壤的全氮含量在不同處理之間存在差異。從圖3中可以看出,苗期的土壤全氮含量較高,在之后的生育過程中,由于玉米植株生長,吸收養分而導致土壤的全氮含量逐漸減少。從整個生育期來看,各處理土壤的全氮含量均比常規耕作高,并且隨著玉米的發育生長,土壤的全氮含量均呈下降趨勢。在玉米成熟期時,CK處理相比較TP-S、TP-R、TP、RF-S、RF和SF處理土壤全氮含量分別低18.03%、13.17%、8.31%、8.59%、3.38%和5.56%。

圖3 生育期內不同水土保持耕作技術下的土壤全氮含量

2.2.2土壤硝態氮與銨態氮

從圖4a可以看出,土壤硝態氮含量在苗期至拔節期以及抽雄期至灌漿期呈降低趨勢,在拔節期至抽雄期以及灌漿期至成熟期有所增加,但變化幅度各不相同。整體來看,實施了水土保持耕作技術的地塊,土壤硝態氮含量均比CK處理高。苗期時,水土保持耕作處理較常規處理土壤硝態氮含量高18.48%～52.08%;拔節期高0.12%～26.32%;抽雄期高21.12%～54.29%;灌漿期高40.72%～86.57%;成熟期高37.82%～140.06%。

圖4 生育期內不同水土保持耕作技術下的土壤硝態氮、銨態氮含量

土壤銨態氮含量的變化趨勢與硝態氮含量相似,但同一個處理在相同時期土壤銨態氮含量明顯低于硝態氮含量。從圖4b可以看出,整個生育期內,實施水土保持耕作處理的土壤銨態氮含量明顯高于常規處理。在玉米成熟期時,各水土保持耕作處理較常規耕作處理高47.13%～118.33%。

2.3 不同水土保持耕作技術對植株氮素的影響

2.3.1植株氮素累積

成熟期單植株氮素累積量如圖5(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))所示,從圖中可以看出,各處理植株器官氮素分配由大到小依次為籽粒、葉、莖、苞葉、穗軸,這表明玉米吸收的大部分氮被輸送到籽粒中。各水土保持耕作處理的植株總氮積累量均高于常規處理,其中含量最高的為TP-S處理,相比較其他處理高16.24%～77.06%。各處理籽粒和穗軸的氮積累量差異顯著,最高的處理為TP-S,分別較CK處理顯著提高98.75%和120.22%;TP-S處理、TP-R處理和TP處理莖的氮積累量沒有顯著差異,但相比較其他處理差異顯著;葉的氮累積量TP-S處理最高,比TP-R、TP、RF-S、RF、SF、CK處理分別高5.96%、9.84%、5.96%、1.05%、6.43%、46.79%。

圖5 成熟期不同水土保持耕作技術下單植株器官氮素累積量

2.3.2植株氮素轉運及效率

氮素轉運率可以反映植株各營養器官的轉運能力,從表2可以看出,耕作方式的不同,對NTE以及NTCP的影響較為顯著。其中總的氮素轉運效率為30.4%～54.8%,最高處理為TP-S,最低處理為CK;氮素轉運對籽粒貢獻率為17.6%～38.7%,最高處理為TP-R,最低處理為CK。TP-S、TP-R、TP、RF-S、RF、SF處理的氮素轉運對籽粒貢獻率分別比CK處理高97.73%、119.89%、64.20%、99.43%、75.00%、97.73%;總的氮素轉運效率分別比CK處理高80.26%、50.33%、44.08%、74.67%、50.00%、69.74%。

表2 不同水土保持耕作技術下玉米氮素轉運效率及氮素轉運對籽粒貢獻率

2.4 產量及其構成

不同水土保持耕作技術下玉米產量及其構成如表3所示。從表3可以看出,RF處理的穗行數和穗粒數均最小,分別較其他處理降低3.89%～15.00%與3.25%～13.42%。穗粒數由小到大依次為RF處理、TP-R處理、SF處理、TP處理、CK處理、TP-S處理、RF-S處理。不同處理的玉米產量由小到大依次為CK處理、SF處理、RF處理、RF-S處理、TP處理、TP-R處理、TP-S處理,CK處理較其他水土保持耕作處理產量分別降低3.39%、10.75%、16.54%、21.16%、24%和26.43%。不同處理間收獲指數差異顯著,其中TP-S處理收獲指數最大,較其他處理提高2.18%～13.41%。

表3 不同水土保持耕作技術下玉米產量構成及收獲指數

2.5 氮素利用效率

氮肥生產效率、氮素吸收效率和氮素收獲指數均是反映氮素利用的重要指標,不同的水土保持耕作措施對玉米的氮素利用效率產生了顯著的影響,從表4可以看出,TP-S處理氮肥生產效率最高,各水土保持耕作處理較常規處理氮肥生產效率顯著提高3%～26%。對于氮素吸收效率,各水土保持耕作處理均優于常規處理,TP-S、TP-R、TP、RF-S、RF、SF處理較CK處理分別提高76.98%、52.30%、47.33%、39.04%、25.23%、28.55%。對于氮素收獲指數,從高到低依次為TP-S處理、TP-R處理、TP處理、RF-S處理、RF處理、SF處理、CK處理,TP-S處理分別比其他處理提高22.90%、27.46%、32.37%、55.78%、66.75%、99.13%,提升效果顯著。

表4 不同水土保持耕作技術下玉米氮素利用效率

3 討論

在我國,坡耕地是人類從事農業生產的主要場所之一,水土流失嚴重會導致耕作層土壤養分流失,降低土地生產力和土壤潛在肥力,從而影響作物對于養分的吸收利用,對作物產量以及農業生產和經濟發展極為不利[24]。水土保持耕作技術可以提升土壤抗侵蝕能力,并使土壤保留更多的養分,在對水土侵蝕予以有效控制的同時,使土壤的肥力得到顯著增強[25]。已有研究表明干旱地區耕作方式的轉變也會對土壤養分的流失及作物對養分的吸收利用產生較大影響[26-28]。因此探明水土保持耕作技術對東北黑土坡耕地氮素利用以及產量的影響顯得尤為重要。

本研究中,玉米成熟期時,實施水土保持耕作處理的植株產量較CK處理增加3.39%～26.43%,與CK處理相比,TP處理、TP-R處理以及TP-S處理由于是沿著等高線起壟,能有效攔截雨水,減少地面徑流,增加水分的入滲,從而使玉米根系可以吸收更多的水分進而為玉米各器官輸送。TP-S處理在等高耕作的基礎上由于加上了深松,進一步打破犁底層,改變了土壤的結構,RF處理由于筑擋的存在,可以減少土壤的流失,均為作物根系提供了一個良好的生長環境,所以玉米產量明顯提高。玉米產量取決于籽粒的干物質量,有研究表明,干物質積累量取決于其積累速率和積累持續期[29-30]。本試驗中,RF與SF處理的玉米產量較其他水土保持耕作處理有所減少,說明其籽粒干物質量相對于其他水土保持耕作處理有所減少,這可能是由于RF、SF處理的干物質積累持續期不長的原因。

氮是作物產量形成的重要限制因子,無論是土壤中的氮含量還是植株對氮素的利用情況,均是衡量這個處理優劣的重要因素。在本試驗中,各處理所施的肥量保持一致,但土壤的全氮含量有所差別,常規處理較水土保持耕作處理土壤全氮含量明顯降低[31]。其中土壤全氮含量最高的處理為TP-S,與CK處理相比,TP-S處理由于土壤流失的減少從而減輕了土壤的擾動,導致全氮的礦化量減少,最終使得土壤的全氮含量增加,這也與郭亞飛等[32]的研究結果類似。國際上農田水平的氮肥利用率(NUE)是指單位施氮量所增加的籽粒產量[33]。我國氮效率包含兩方面含義,一是指植物在同等的供氮水平下吸氮量大,二是指對已吸收的氮素利用效率高[34]。在本研究中,水土保持耕作處理可以顯著提高氮轉運效率,其中RF-S處理的器官氮素轉運效率以及氮素轉運對籽粒貢獻率都處于較高水平。這可能是由于在抽雄期,RF-S處理積累了大部分氮素,進而可以在灌漿成熟期時向籽粒輸送,從而提高器官氮素轉運效率與籽粒貢獻率。也有研究表明,根質量、根長、根表面積、根密度是造成產量、氮素營養效率差異的主要原因之一,RF-S處理由于進行了深松,耕層土壤更為松散,所以根系可以更好地生長,從而提高了氮素轉運效率[35]。對于氮肥利用率,TP-S處理由于改變了壟向,增加了田埂深度,使根系縱向伸長,從而使總根長、平均根長增加。由于根長的增加,植株除了可以吸收表層的肥料養分,也可以吸收溶解到深層的肥料養分,所以提高植株對肥料的利用率,這與王艷[36]的研究結果相似。

翟勝等[37]研究發現土壤中碳氮基質、溫度、濕度、pH值等因素均影響N2O排放。耕作方式的改變會影響土壤溫度、水分等理化性質和微生物的活性,進而影響N2O排放[38]。耕作措施對N2O排放的影響研究結果之間存在較大差異,尚無統一的結論[39]。在本試驗中,SF處理下的N2O排放通量最高,TP處理最低。與常規耕作相比,SF處理N2O排放高的原因可能是由于其土壤容重增加,使土壤非常容易形成厭氧環境或者是微域厭氧環境,使土壤反硝化作用能力提高,所以產生更多的N2O。TP處理比常規耕作氧化亞氮排放低的原因可能是由于TP處理土壤貫穿阻力增強、氣體擴散速率降低,進而使得硝化、反硝化過程產生的N2O在擴散逸出土面之前,就被進一步還原為N2從而降低了N2O排放,還有可能是因為TP處理充氣孔隙度與總孔隙度比值較小,致使土壤的通氣性差,進而限制土壤N2O向大氣排放,所以TP處理土壤的N2O排放量較低。

4 結束語

以東北地區黑土坡耕地為研究對象,從降低農業溫室氣體排放、提高氮素利用效率的角度出發,開展了為期一年的不同水土保持耕作方式下的東北黑土坡耕地玉米農田耕作試驗,揭示了不同水土保持耕作方式下土壤溫室氣體排放通量與變化特征以及對于氮素的利用效率。結果表明,水土保持耕作措施可以顯著提高玉米對于氮素的利用效率,提升產量,部分水土保持耕作措施可以明顯降低N2O與CO2的排放通量。在玉米整個生育期內,進行水土保持耕作處理的玉米產量、土壤氮素含量、氮素轉運效率以及對氮肥的利用效率均明顯優于常規耕作。對于CO2排放,除SF處理外,其余水土保持耕作處理較常規耕作均有降低。對于N2O排放,TP處理、TP-S處理和TP-R處理較常規耕作減少顯著,但SF處理、RF-S處理以及RF處理較常規耕作增加明顯,對此有待進一步研究。6種水土保持耕作方式中以等高耕作+深松耕的方式在改善玉米關鍵期土壤氮素含量、促進玉米生殖生長、提高玉米氮素利用效率以及減少溫室氣體排放方面效果最為顯著,本試驗可為東北黑土坡耕地玉米種植過程中水土保持耕作方式的選取提供參考。