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黄河上游灌区稻田系统氮素气态损失及平衡研究

张惠

  黄河上游灌区水稻中高产区过量施肥现象十分突出,氮肥过量引起土壤氮素盈余,对区域生态环境构成直接或潜在威胁。稻田氮素气态损失是灌区农田氮素流失的主要途径之一,氮肥过量施用加剧了氮素的气态损失,由氮素气态损失引起的大气氮沉降成为灌区地表水氮污染的重要来源,氮素气体排放引起的增温潜势不容忽视。为了实现灌区粮食增产和环境友好的双赢目标,迫切需要探明灌区稻田氮素的气态损失特征及减少氮素气态损失的有效途径。 本研究选择黄河上游灌区具有代表性的宁夏引黄灌区灵武试验区,于2009-2010年开展大田小区试验和(15)~N微区示踪试验,通过大田原位监测,揭示了不同氮肥运筹下稻田氨挥发和N_2O排放的动态分布特征,估算了氮素气态损失量,评价了稻田氮素损失对环境的污染及大气增温效应;利用(15)~N示踪法及农田系统氮素质量平衡法,研究了稻田氮肥去向和稻田系统氮素平衡及损失风险。本研究田间小区试验设置了5个处理,分别为常规氮肥300 kg/hm2水平下的单施尿素(N300)和有机肥(猪粪)与尿素氮肥配合施用(N300-OM)的2个处理、优化氮肥240 kg/hm2水平下的单施尿素(N240)和有机肥(猪粪)与尿素氮肥配合施用(N240-1/2OM)的2个处理和不施氮肥(CK)处理。微区(15)~N示踪试验选择其中单施尿素的N300、N240和N0(CK)共3个处理。氨气的捕获采用密闭间歇式抽气,硼酸吸收,标准酸滴定法;N_2O气体采用密闭静态暗箱法采集、气相色谱法检测;同时在作物生长季监测雨水和灌溉水带入稻田的无机氮素。基于监测和测定值计算灌区稻田生长季氨挥发损失累积量和N_2O排放累积量,分析计算稻田氮素分布特征及氮素利用和损失。研究获得以下主要结论: 1.黄河上游灌区稻田氮素氨挥发损失是氮素损失的主要途径之一。高氮肥施用会显著增加稻田氮素氨挥发损失量,有机肥配施及氮肥优化减量可显著降低稻田氨挥发损失量及肥料氮氨挥发损失百分率。在习惯灌水和习惯高氮肥300kgN/hm2水平下,稻田氨挥发损失氮素高达94.1 kgN/hm2,较其它处理差异显著(p < 0.05);与N300处理比较,N300-OM处理的累积氨挥发损失量减少了17.4 kgN/hm2;优化施氮240kgN/hm2水平下,N240-1/2OM和N240处理的累积氨挥发损失量分别降低了22.7 kgN/hm2和26.5 kgN/hm2,方差分析差异显著(p < 0.05)。在黄河上游灌区习惯肥水管理水平下,投入稻田的肥料氮通过氨挥发损失量达66.5 kgN/hm2,通过氨挥发损失的肥料氮占施氮量的22.2%,灌区稻田每年通过氨挥发损失的氮素量高达1693.8×104 kg N/a,每年由稻田氨挥发损失形成的大气干湿沉降氮达1242.5×104~1524.4×104 kg N/a,稻田生长季每年由于氨挥发损失引起的大气干湿沉降氮,对灌区地表和水体的氮污染产生极大威胁。 2.黄河上游灌区水稻生长季N_2O排放不是稻田氮素损失的主要途径,但其增温潜势不容忽视。灌区稻田不同施氮水平下,水稻整个生长季土壤N_2O排放总量为2.64~3.87kg/hm2,肥料氮通过N_2O排放损失的百分率仅为0.43%~0.64%。氮肥过量施用会显著增加N_2O排放量;在相同氮素水平下,有机肥配施会显著增加稻田N_2O的排放量;优化施氮能有效减少N_2O排放量(P<0.01)。在灌区习惯灌水和高氮肥300kg/hm2时,N300-OM处理的稻田N_2O排放量达3.87kg/hm2,在100a时间尺度上的全球增温潜势(GWPs)为20.76×107 kg CO_2/hm2;优化施氮240kg/hm2水平下,N240和N240-1/2OM处理的N_2O累计排放量与N300-OM处理比较,分别降低1.18kg/hm2和0.57kg/hm2,在100a尺度上每年由稻田N_2O排放引起的GWPs分别降低了3.30×107 kg CO_2/hm2和3.06×107 kg CO_2/hm2。 3.水稻生长季氨挥发主要发生在分蘖肥和拔节肥后的2~5d,稻田不同时期施肥灌水后第2~3d氨挥发速率达最大值,不同处理的氨挥发速率最大值为5.80~9.14 kg N/ (hm2·d),在每次施肥后氨挥发持续时间为10d左右;N_2O排放主要发生在水稻插秧前及水稻生长的中后期,同时在稻田灌水泡田后及水稻生育中期土壤水分干湿交替时也有较大的排放量。高氮肥施用会显著增大氨挥发速率和N_2O排放通量,有机肥的配合施用会显著增加稻田N_2O累积排放量,但会适当降低稻田氨挥发损失量;土壤pH值对灌区稻田氨挥发影响较大,土壤pH值偏高导致稻田氨挥发损失氮量较其它地区严重,但pH值变化对N_2O排放通量影响不明显;此外温度、日照、降雨等因素变化对稻田氮素气态损失和排放也影响较大;稻田日氨挥发通量与稻田田面水NH4+-N浓度变化呈显著正相关,土壤N_2O排放通量与田面水NO3--N含量显著相关。 4.灌区稻田高氮肥施用显著增加了土壤肥料氮残留量,导致土壤氮素大量盈余;优化施氮可显著提高植株对土壤氮的吸收量和氮肥农学利用率,有效减少肥料氮素土壤残留量,降低稻田土壤氮素盈余量。微区(15)~N同位素示踪试验结果表明,在灌区习惯灌水和习惯高氮肥300kgN/hm2水平下,水稻植株摄取肥料(15)~N的百分率为40%~42%,水稻植株对肥料(15)~N当季回收率(ηpf)为26.05%~30.43%,稻田土壤剖面0-90cm土体中氮肥残留率为17.9%~23.31%,肥料氮通过气态损失百分率达22.6%,灌区稻田氮肥表观损失率达47%~52%,由此得出,灌区稻田50%以上的氮肥离开农田系统,通过气态损失和灌溉淋溶损失,对大气、水体等造成直接污染。与习惯高氮肥处理相比,优化氮肥处理的水稻植株吸收的土壤氮量增加了12~35 kg/hm2,稻田土壤剖面0-90cm土体中标记肥料(15)~N残留量(Nsf)减少了32.83~26.74 kg/hm2,土壤氮素盈余量减少了22~31 kg/hm2。 5.土壤剖面中(15)~N丰度变异特征分析表明,灌区稻田土壤氮素随灌溉水向土壤深层发生了淋溶迁移,水稻连作导致土壤氮素在60-90cm深度富集;灌区稻田高氮肥施用显著增加了土壤耕层0-30cm土层中肥料氮残留量,同时稻田连作导致土壤30cm以下肥料氮残留量显著增加。水稻生长季土壤剖面不同深度无机氮分布特征分析表明,氮肥施用对土壤剖面0-100cm无机氮累积量影响较大,高氮肥施用显著增加了稻田连作第二年插秧前土壤剖面硝态氮积累量,稻田基肥施用对0-40cm土体NH4+-N积累量影响最大。土壤表层铵氮积累量的增加,增大了氮素氨挥发损失的风险;土壤硝氮积累量的增加,导致稻田N_2O排放通量增加,同时也增大了稻田氮素淋溶损失的风险;优化施氮可有效降低土壤剖面无机氮的累积量,相应会减少稻田氨挥发损失和N_2O排放量,同时也会相应地降低土壤氮素深层淋溶损失的风险。稻田有机肥的施用可显著提高土壤无机氮的积累量,在满足水稻植株生长对氮素大量持续需求的同时,降低了氮素损失的风险。以上研究结果表明,在黄河上游灌区通过氮肥减量及有机肥配合施用等优化施氮措施可有效减少稻田氮素氨挥发损失,降低N_2O排放量,同时可显著提高稻田氮肥回收利用率,有效降低稻田土壤剖面硝态氮的深层积累和淋溶损失,保障黄河上游灌区大气、水体等生态环境安全。……   
[关键词]:黄河上游灌区;稻田;氨挥发;N_2O排放;肥料氮去向;氮素平衡
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国农业科学院2011年