黃河上游灌區(qū)稻田系統(tǒng)氮素氣態(tài)損失及平衡研究.pdf

1、黃河上游灌區(qū)水稻中高產(chǎn)區(qū)過量施肥現(xiàn)象十分突出，氮肥過量引起土壤氮素盈余，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境構成直接或潛在威脅。稻田氮素氣態(tài)損失是灌區(qū)農田氮素流失的主要途徑之一，氮肥過量施用加劇了氮素的氣態(tài)損失，由氮素氣態(tài)損失引起的大氣氮沉降成為灌區(qū)地表水氮污染的重要來源，氮素氣體排放引起的增溫潛勢不容忽視。為了實現(xiàn)灌區(qū)糧食增產(chǎn)和環(huán)境友好的雙贏目標，迫切需要探明灌區(qū)稻田氮素的氣態(tài)損失特征及減少氮素氣態(tài)損失的有效途徑。
　　 本研究選擇黃河上游灌區(qū)具有

2、代表性的寧夏引黃灌區(qū)靈武試驗區(qū)，于2009-2010年開展大田小區(qū)試驗和15N微區(qū)示蹤試驗，通過大田原位監(jiān)測，揭示了不同氮肥運籌下稻田氨揮發(fā)和N2O排放的動態(tài)分布特征，估算了氮素氣態(tài)損失量，評價了稻田氮素損失對環(huán)境的污染及大氣增溫效應；利用15N示蹤法及農田系統(tǒng)氮素質量平衡法，研究了稻田氮肥去向和稻田系統(tǒng)氮素平衡及損失風險。本研究田間小區(qū)試驗設置了5個處理，分別為常規(guī)氮肥300 kg/hm2水平下的單施尿素(N300)和有機肥(豬糞)與

3、尿素氮肥配合施用(N300-OM)的2個處理、優(yōu)化氮肥240 kg/hm2水平下的單施尿素(N240)和有機肥(豬糞)與尿素氮肥配合施用(N240-1/2OM)的2個處理和不施氮肥(CK)處理。微區(qū)15N示蹤試驗選擇其中單施尿素的N300、N240和N0(CK)共3個處理。氨氣的捕獲采用密閉間歇式抽氣，硼酸吸收，標準酸滴定法；N2O氣體采用密閉靜態(tài)暗箱法采集、氣相色譜法檢測；同時在作物生長季監(jiān)測雨水和灌溉水帶入稻田的無機氮素?；诒O(jiān)測和

4、測定值計算灌區(qū)稻田生長季氨揮發(fā)損失累積量和N2O排放累積量，分析計算稻田氮素分布特征及氮素利用和損失。研究獲得以下主要結論：
　　 1.黃河上游灌區(qū)稻田氮素氨揮發(fā)損失是氮素損失的主要途徑之一。高氮肥施用會顯著增加稻田氮素氨揮發(fā)損失量，有機肥配施及氮肥優(yōu)化減量可顯著降低稻田氨揮發(fā)損失量及肥料氮氨揮發(fā)損失百分率。在習慣灌水和習慣高氮肥300kgN/hm2水平下，稻田氨揮發(fā)損失氮素高達94.1kgN/hm2，較其它處理差異顯著(p<0

5、.05)；與N300處理比較，N300-OM處理的累積氨揮發(fā)損失量減少了17.4 kgN/hm2；優(yōu)化施氮240kgN/hm2水平下，N240-1/2OM和N240處理的累積氨揮發(fā)損失量分別降低了22.7 kgN/hm2和26.5 kgN/hm2，方差分析差異顯著(p<0.05)。在黃河上游灌區(qū)習慣肥水管理水平下，投入稻田的肥料氮通過氨揮發(fā)損失量達66.5 kgN/hm2，通過氨揮發(fā)損失的肥料氮占施氮量的22.2％，灌區(qū)稻田每年通過氨揮

6、發(fā)損失的氮素量高達1693.8×104kgN/a，每年由稻田氨揮發(fā)損失形成的大氣干濕沉降氮達1242.5×104～1524.4×104kg N/a，稻田生長季每年由于氨揮發(fā)損失引起的大氣干濕沉降氮，對灌區(qū)地表和水體的氮污染產(chǎn)生極大威脅。
　　 2.黃河上游灌區(qū)水稻生長季N2O排放不是稻田氮素損失的主要途徑，但其增溫潛勢不容忽視。灌區(qū)稻田不同施氮水平下，水稻整個生長季土壤N2O排放總量為2.64～3.87kg/hm2，肥料氮通過N

7、2O排放損失的百分率僅為0.43％～0.64％。氮肥過量施用會顯著增加N2O排放量；在相同氮素水平下，有機肥配施會顯著增加稻田N2O的排放量；優(yōu)化施氮能有效減少N2O排放量(P<0.01)。在灌區(qū)習慣灌水和高氮肥300kg/hm2時，N300-OM處理的稻田N2O排放量達3.87kg/hm2，在100a時間尺度上的全球增溫潛勢(GWPs)為20.76×107kg CO2/hm2；優(yōu)化施氮240kg/hm2水平下，N240和N240-1/

8、2OM處理的N2O累計排放量與N300-OM處理比較，分別降低1.18kg/hm2和0.57kg/hm2，在100a尺度上每年由稻田N2O排放引起的GWPs分別降低了3.30×107kg CO2/hm2和3.06×107kgCO2/hm2。
　　 3.水稻生長季氨揮發(fā)主要發(fā)生在分蘗肥和拔節(jié)肥后的2～5d，稻田不同時期施肥灌水后第2～3d氨揮發(fā)速率達最大值，不同處理的氨揮發(fā)速率最大值為5.80～9.14 kg N/(hm2·d)，

9、在每次施肥后氨揮發(fā)持續(xù)時間為10d左右；N2O排放主要發(fā)生在水稻插秧前及水稻生長的中后期，同時在稻田灌水泡田后及水稻生育中期土壤水分干濕交替時也有較大的排放量。高氮肥施用會顯著增大氨揮發(fā)速率和N2O排放通量，有機肥的配合施用會顯著增加稻田N2O累積排放量，但會適當降低稻田氨揮發(fā)損失量；土壤pH值對灌區(qū)稻田氨揮發(fā)影響較大，土壤pH值偏高導致稻田氨揮發(fā)損失氮量較其它地區(qū)嚴重，但pH值變化對N2O排放通量影響不明顯；此外溫度、日照、降雨等因素

10、變化對稻田氮素氣態(tài)損失和排放也影響較大；稻田日氨揮發(fā)通量與稻田田面水NH4+-N濃度變化呈顯著正相關，土壤N2O排放通量與田面水NO3--N含量顯著相關。
　　 4.灌區(qū)稻田高氮肥施用顯著增加了土壤肥料氮殘留量，導致土壤氮素大量盈余；優(yōu)化施氮可顯著提高植株對土壤氮的吸收量和氮肥農學利用率，有效減少肥料氮素土壤殘留量，降低稻田土壤氮素盈余量。微區(qū)15N同位素示蹤試驗結果表明，在灌區(qū)習慣灌水和習慣高氮肥300kgN/hm2水平下，水

11、稻植株攝取肥料15N的百分率為40％～42％，水稻植株對肥料15N當季回收率(ηpf)為26.05％～30.43％，稻田土壤剖面0-90cm土體中氮肥殘留率為17.9％～23.31％，肥料氮通過氣態(tài)損失百分率達22.6％，灌區(qū)稻田氮肥表觀損失率達47％～52％，由此得出，灌區(qū)稻田50％以上的氮肥離開農田系統(tǒng)，通過氣態(tài)損失和灌溉淋溶損失，對大氣、水體等造成直接污染。與習慣高氮肥處理相比，優(yōu)化氮肥處理的水稻植株吸收的土壤氮量增加了12-35

12、 kg/hm2，稻田土壤剖面0-90cm土體中標記肥料15N殘留量(Nsf)減少了32.83～26.74 kg/hm2，土壤氮素盈余量減少了22～31kg/hm2。
　　 5.土壤剖面中15N豐度變異特征分析表明，灌區(qū)稻田土壤氮素隨灌溉水向土壤深層發(fā)生了淋溶遷移，水稻連作導致土壤氮素在60-90cm深度富集；灌區(qū)稻田高氮肥施用顯著增加了土壤耕層0-30cm土層中肥料氮殘留量，同時稻田連作導致土壤30cm以下肥料氮殘留量顯著增加。

13、水稻生長季土壤剖面不同深度無機氮分布特征分析表明，氮肥施用對土壤剖面0-100cm無機氮累積量影響較大，高氮肥施用顯著增加了稻田連作第二年插秧前土壤剖面硝態(tài)氮積累量，稻田基肥施用對0-40cm土體NH4+-N積累量影響最大。土壤表層銨氮積累量的增加，增大了氮素氨揮發(fā)損失的風險；土壤硝氮積累量的增加，導致稻田N2O排放通量增加，同時也增大了稻田氮素淋溶損失的風險；優(yōu)化施氮可有效降低土壤剖面無機氮的累積量，相應會減少稻田氨揮發(fā)損失和N2O排