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洱海流域有机肥全量替代化肥满足水稻氮素营养洱海流域有机肥全量替代化肥满足水稻氮素营养并减少土壤气态活性氮排放并减少土壤气态活性氮排放吴茜虞1,2，雷宝坤2，徐卓颖1，续勇波3*，李孙宁1（1云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201；2云南省农业科学院环境资源研究所，云南昆明650200；3云南农业大学烟草学院，云南昆明650201）摘要:【目的目的】洱海流域是云南重要的水资源和生态屏障，为治理和防止水体富营养化，近年来推广了全面禁用化肥、推广有机肥的措施。研究该流域代表性有机肥资源(绿肥、牛粪、猪粪和鸡粪)全量替代化肥对水稻氮素利用及稻田气态活性氮排放的影响，从减排增效角度探讨粪肥、绿肥全量替代化肥的环境可行性。【方法方法】于 20212022 年在云南省大理市开展了两年两季水稻田间试验。共设置 6 个处理：不施肥对照(CK)，绿肥(GM)、牛粪(CD)、猪粪(PM)、鸡粪(CM)全量替代化肥和单施等氮量化肥(CF)处理。从施肥后第 1 天起，按照检测方法要求的频率，采用田间原位密闭室间歇抽气酸碱滴定法监测稻田氨挥发，同时测定田面水中全氮和可溶性有机氮含量。每次施肥后采用田间原位静态暗箱气象色谱法监测稻田 N2O 排放。水稻收获后测产，并分析水稻植株和籽粒氮素吸收量。【结果结果】综合两年数据来看，CM、GM 和 PM 处理水稻产量、地上部氮素累积量和氮肥回收利用率与 CF 处理无显著差异，说明绿肥、猪粪和鸡粪全量替代化肥均能保障水稻产量、地上部氮素累积量和氮肥回收利用率。与 CF 相比，2021 和 2022 年 3 个有机肥全量替代化肥处理分别降低稻田 NH3挥发速率 65.15%85.61%和 91.51%96.25%，减少稻田 NH3累积挥发量89.81%96.04%和 97.19%98.72%，降低 NH3挥发损失率 89.81%96.04%和 97.15%98.79%。有机肥全量替代化肥处理稻田 N2O 累积排放量较 CF 处理减少了 56.21%72.39%(P化肥(CF)猪粪(PM)绿肥(GM)牛粪(CD)不施肥(CK)。CM、GM 和 PM 处理水稻产量较 CF 处理差异均不显著(P0.05)，说明了绿肥、猪粪和鸡粪全量替代化肥均能保障水稻产量。2021 和 2022 年 CD 处理较 CF处理水稻产量分别显著降低 15%、22%(P0.05)，2022 年 PM 和 CM 水稻千粒重、结实率、穗长和株高较 CF 处理差异不显著(P0.05)。2022 年 GM 处理千粒重较 CF 处理显著降低 7.3%，CD 处理株高较CF 处理显著降低 16%(PPMGMCD(图 1)。GM、PM、CM 处理较 CF 处理差异不显著(P0.05)，均显著高于 CK 处理(P0.05)。2021 和 2022 年 CD处理较 CF 处理地上部氮素积累量分别显著降低了20%和 31%(PCFPMGMCD(表 3)，与 CF 处理相比，CD 处理氮肥回收利用率显著降低 65%(2021 年)和 66%(2022 年)表 2 各处理水稻产量及其构成因素Table 2 Rice yield and its components of each treatment年份Year处理Treatment产量(kg/hm2)Yield千粒重(g)1000-grainweight结实率(%)Seedsettingrate穗长(cm)Paniclelength株高(cm)Plantheight2021CK7985.96187.43d23.861.54b85.333.06b17.871.12a89.578.63bGM8894.22770.17bcd25.031.41ab95.331.53a19.330.41a97.236.16abCD8241.5562.25cd26.170.18a97.671.26a18.570.56a89.584.15bPM9512.39730.66abc25.860.80ab88.003.61b18.611.38a90.094.93bCM10399.92902.68a26.170.66a96.671.53a19.760.49a102.021.38aCF9690.851108.35ab26.761.42a92.007.00ab19.290.09a93.566.52ab2022CK7168.0962.13c24.051.11b96.502.18a17.200.69d76.906.89cGM8995.45922.33abc25.321.10b96.331.53a17.840.55cd95.836.29abCD7558.70161.39bc27.750.55a96.172.02a18.140.84bcd85.832.75bcPM9265.73722.84ab28.030.87a97.670.58a19.030.16ab91.575.03abCM10040.731157.61a27.510.38a98.170.76a19.430.09a98.504.84aCF9673.311857.10a27.030.78a97.671.26a18.620.44abc102.577.95a注：CK代表不施肥处理，GM、CD、PM、CM分别代表施用绿肥、牛粪、猪粪、鸡粪全量替代化肥处理，CF代表单施化肥处理。同列数据后不同小写字母表示同一年度不同处理间差异显著(P0.05)。Note:CKrepresentsnofertilizercontrol,GM,CD,PM,andCMrepresentcompletemereapplicationofgreenmanure,cowdung,pigmanure,andchickenmanure,CFrepresentschemicalfertilizertreatment.Differentsmalllettersafterdatainacolumnindicatesignificantdifferencesamongtreatmentsinthesameyear(P0.05).256植物营养与肥料学报30卷(P0.05)。所有有机肥替代化肥处理氮肥农学利用率、生理利用率和偏生产力较CF 处理均无显著差异(P0.05)。2.2 不同施肥处理稻田 NH3挥发特征及影响因素2.2.1各处理稻田 NH3挥发速率在两个生长季，稻田 NH3挥发速率变化规律大致相同(图 2)，主要在施肥后两周内，均呈现先上升后下降的规律。有机肥全量替代化肥处理均在移栽前一次性施肥，后续不做追肥，稻田 NH3挥发均只出现一次高峰，且均在监测期一周内下降至本底挥发水平。2021 年各处理 NH3挥发高峰在施肥后 13 天，挥发速率峰值范围为 0.927.21kg/(hm2d)，达到峰值后逐渐降低至本底挥发水平。CF 处理氮肥按照 341.51.5 的比例分次施用，基肥期挥发速率分蘖肥期挥发速率，施肥量越大 NH3挥发速率越大。但孕穗肥期挥发速率明显高于粒肥期和前两次施肥期，这可能是因为追施孕穗肥阶段温度高于前两次施肥期，促进了 NH3挥发，追施粒肥后第 1 天有降雨，仅在追肥后第 2、3 天无雨，第 4 天开始有强降雨，抑制了 NH3挥发。2022 年有机肥全量替代化肥处理 NH3挥发高峰在移栽后 12 天，CF 处理挥发高峰在施肥后 23 天，各处理挥发速率峰值范围为 0.073.68kg/(hm2d)。CF 处理氮肥按照 2.54.53.0 的比例分次施用，分蘖肥期 NH3挥发持续了近两周，可能是因为追肥后一周内陆续有降雨，温度降低导致；追施分蘖肥后NH3挥发监测期内总降雨量为 30.0mm，而追施粒肥后 NH3挥发监测期内总降雨量为 8.4mm，粒肥期NH3挥发速率明显高于分蘖肥期，可能是粒肥期降雨量远小于分蘖肥期所致。2021 年 CF 处理 NH3挥发平均速率为 0.987kg/(hm2d)，GM、CD、PM 和 CM处理 NH3挥发平均速率为 0.1420.344kg/(hm2d)，比 CF 小 65.15%85.61%。2022 年 CF 处理 NH3挥发平均速率为 0.907kg/(hm2d)，GM、CD、PM 和 CM处理 NH3挥发平均速率为 0.0340.077kg/(hm2d)，比 CF 小 91.51%96.25%。因此综合两年 NH3挥发速率来看，与单施化肥相比，有机肥全量替代化肥能降低 NH3挥发速率。2.2.2各处理稻田 NH3累积挥发量CF 处理 NH3累积挥发量最高(图 3)，2021 年 GM、CD、PM、CM 处理 NH3累积挥发量较 CF 处理分别显著降低96.04%、95.98%、89.81%、89.95%(P0.05)；2022 年GM、CD、PM、CM 处理 NH3累积挥发量较 CF 处理分别显著降低 97.80%、98.72%、98.41%、97.19%(P0.05)。有机肥全量替代化肥各处理显著降低了稻田 NH3累积挥发量，且有机肥替代化肥各babaaacabbcabaCKGMCDPMCMCFCKGMCDPMCMCF05010015020025053%c66%ab70%a62%abc64%abc53%bc47%a34%bc30%c38%abc36%abc47%ab71%abc66%c72%ab70%bc68%bc76%a29%abc34%a28%bc30%ab32%ab24%c20222021地上部氮素积累量 Aboveground nitrogen accumulation(kg/hm2)处理 Treatment秸秆 Straw籽粒 Graina图 1 各处理水稻地上部氮素积累量Fig.1 Aboveground nitrogen accumulation in each treatment注：CK 代表不施肥对照，GM、CD、PM、CM 代表只施用绿肥、牛粪、猪粪、鸡粪处理，CF 代表单施化肥处理。柱内数据后和柱旁不同小写字母表示同一年度不同处理间差异显著(P0.05)。图中百分比代表籽粒、秸秆氮素积累量在地上部氮素积累量中的占比。Note:CKrepresentsnofertilizercontrol,GM,CD,PM,andCMrepresentonlyapplyinggreenmanure,cowdung,pigmanure,andchickenmanuretreatments,CFrepresentsthesingleapplicationofchemicalfertilizers.Thepercentagesinthefigurerepresenttheproportionofnitrogenaccumulationbygrainsandstrawsinthetotal.Differentlowercaselettersafterdatainorbesidethebarsindicatesignificantdifferencesamongtreatmentsinthesameyear(P0.05).2期吴茜虞，等：洱海流域有机肥全量替代化肥满足水稻氮素营养并减少土壤气态活性氮排放257处理间差异不显著。对比两季数据发现，2022 年各处理 NH3挥发累积量较 2021 年均呈现降低趋势，且 2022 年除 CF 处理外的其他处理 NH3累积挥发量几乎趋近于零。CF 处理 NH3挥发损失率两年分别为 17.67%(2021 年)和 9.11%(2022 年)。2022 年单施化肥处理较 2021 年减少了一次追肥，NH3累积挥发量和挥发损失率分别减少 48.48%、48.44%，减少施肥次数能减少稻田 NH3累积挥发量和挥发损失率。GM、CD、PM 和 CM 处理 2021 年NH3挥发损失率分别为 0.70%、0.71%、1.80%、1.79%，2022 年NH3挥发损失率分别为 0.20%、0.11%、0.14%、0.26%。与单施化肥相比，有机肥全量替代化肥各处理降低 NH3挥发损失率 89.81%96.04%(2021 年)和 97.15%98.79%(2022 年)。2.2.3稻田 NH3挥发速率主控因子田面水的采集与稻田 NH3挥发同步，测定 pH、NH4+-N、NO3-N、可溶性有机氮、全氮浓度。如图 4 所示，2021 年田面水各指标波动范围：pH6.948.43、NH4+-N 浓度0.0147.83mg/L、NO3-N 浓度 0.042.32mg/L、可溶性有机氮浓度 0.3837.50mg/L、全氮浓度 1.1867.62mg/L；2022 年田面水各指标波动范围：pH7.198.69、NH4+-N 浓度 0.0828.73mg/L、NO3-N 浓度 0.033.58mg/L、可溶性有机氮浓度 0.2464.74mg/L、全氮浓度 2.0996.60mg/L。两年间稻田田面水各指标动态变化趋势大致相同，田面水 pH整体呈下降趋势。有机肥全量替代化肥处理田面水氮素指标变化呈现一致趋势，施肥后一周内浓度达峰，而后下降至相对较低浓度，期间受环境影响有小幅度波动，但均低于第一次峰值。CF 处理氮素指标浓度均在施肥后 3 天内达峰值，之后逐渐降低，氮肥水解对田面水氮素浓度有显著影响。对 NH3挥发速率和各环境因子进行相关性分析(图 5)。结果表明，稻田 NH3挥发速率与稻田田面水pH、NH4+-N、可溶性有机氮、全氮浓度呈极显著正相关，同时还与气温呈极显著正相关(P0.01)；田面水 pH 与 NH4+-N、可溶性有机氮、全氮浓度和气温呈极显著正相关(P0.01)，与 NO3-N 浓度呈正相关(P0.05)，与降雨呈极显著负相关(P0.01)；田面水NH4+-N 与 NO3-N、可溶性有机氮、全氮浓度和气温呈极显著正相关(P0.01)；田面水 NO3-N 和可溶性有机氮与全氮浓度和气温均呈极显著正相关(P0.01)；气温与降雨呈极显著负相关(P0.01)。结果表明稻田 NH3挥发速率受田面水 pH、氮素浓度和气象因素影响。以田面水 pH、NH4+-N、NO3-N、可溶性有机氮、全氮浓度和每日平均气温及降雨量为自变量，表 3 各施肥处理氮素利用率Table 3 Nitrogen use efficiency of each fertilization treatment年份Year处理Treatment氮肥农学利用率AEN(kg/kg)氮肥生理利用率PEN(kg/kg)氮肥偏生产力PFPN(kg/kg)氮肥回收利用率REN(%)2021GM4.363.7ab19.3814.74b42.743.7ab19%7%abCD1.230.3b15.53.62b39.610.3b8%1%bPM7.343.51ab34.248.47ab45.713.51ab20%5%abCM11.64.34a39.5311.77a49.984.34a29%7%aCF8.195.33ab33.288.75ab46.575.33ab23%9%a2022GM8.784.43ab34.488.16ab43.234.43ab24%8%abCD1.880.78b14.040.74b36.320.78b13%6%bPM10.083.47ab32.884.34ab44.533.47ab31%11%abCM13.85.56a37.4521.34a48.255.56a42%14%aCF12.048.92ab29.4910.85ab46.498.92ab38%15%a注：CK代表不施肥对照，GM、CD、PM、CM分别代表只施绿肥、牛粪、猪粪、鸡粪处理，CF代表单施化肥处理。同列数据后不同小写字母表示同一年度不同处理间差异显著(P0.05)。Note:CKrepresentsnofertilizercontrol,GM,CD,PM,andCMrepresentmerelyapplyinggreenmanure,cowdung,pigmanure,andchickenmanuretreatments,CFrepresentsthesingleapplicationofchemicalfertilizers.AENAgronomicefficiencyofN;PENPhysiologicalefficiencyofN;PFPNPartialfertilizerproductivityofN;RENRecoveryefficiencyofN.Differentlowercaselettersafterdatainthesamecolumnindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentsinthesameyear(P0.05).258植物营养与肥料学报30卷NH3挥发速率为因变量进行多元线性逐步回归分析。结果表明，田面水 NH4+-N、NO3-N、全氮浓度和气温可以共同解释稻田 NH3挥发速率变化的34.4%(n=297)。模型通过 F 检验(F=38.239，P0.05)，说明模型有效。回归公式为：NH3挥发速率=1.167+0.035NH4+-N0.665NO3-N+0.022TN+0.069气温(式中 TN 为全氮含量)。总结分析可知田面水 NH4+-N 和全氮浓度及气温对 NH3挥发产生显著正向影响，田面水 NO3-N 浓度对 NH3挥发产生显著负向影响。2.3 不同施肥处理稻田 N2O 排放特征及影响因素2.3.1各处理稻田 N2O 排放通量不同施肥处理稻田 N2O 排放通量(图 2)介于14.19256.14g/(m2h)(2021 年)、12.1971.44g/(m2h)(2022 年)。2021年移栽后 8 天内，各处理均出现两次明显排放峰。第一次排放峰出现在 6 月 8 日(施基肥后第 3 天)，受 6 月 11 日强降雨降温影响，排放通量下降。6 月13 日放晴升温，全量替代处理在 6 月 13 日出现第二次排放峰。CF 处理在 6 月 13 日下午追肥，第二天排放达峰后迅速下降，后期追肥后也都出现排放峰。第二、三次追肥量相同，但排放峰值相差较大，这可能与施粒肥后降雨有关。2022 年水稻移栽后 13 天内，有机肥全量替代化肥处理出现排放峰，整个生育期内 CF 处理出现 3 次排放峰，均在基肥和追肥后 57 天出现。2.3.2各处理稻田 N2O 累计排放量2021 年各处理间 N2O 总排放量差异显著，与 CF 相比较，GM、CD、PM、CM 处理 N2O 累积排放量分别显著减少了 29.62%、44.78%、55.65%和 45.64%(P0.05)，CD、GM 和 PM 处理间差异显著(P0.05)。2022 年 GM、CD、PM、CM 处理较 CF 处理分别显著减少了70.57%、87.30%、70.61%和 71.97%的 N2O 累计排放量(P0.05)，且除 CD 处理，其余处理较 CK 处理均显著增加了 N2O 累计排放量。CF 处理 2022 年较2021 年减少了一次追肥，但 N2O 累积排放量较2021 年增加了 85.16%。综合两年试验结果来看，与6/66/86/106/12024686/146/166/186/206/226/246/267/117/137/157/177/198/118/138/158/176/16/36/56/70123457/17/37/57/77/97/117/138/198/218/238/258/278/292021氨挥发速率 kg/(hm2d)NH3 volatilization rate孕穗肥(7/10)Earingfertilizer粒肥(8/10)Granulatefertilizer 2022分蘖肥(6/30)Tilleringfertilizer粒肥(8/18)Granulatefertilizer CKGMCDPMCMCF分蘖肥(6/13)Tilleringfertilizer6/67/68/59/410/401002003004005006/17/17/318/309/290100200300400500氧化亚氮排放通量 g/(m2h)N2O emissions2021分蘖肥(6/13)Tilleringfertilizer孕穗肥(7/10)Earingfertilizer粒肥(8/10)Granulatefertilizer 2022分蘖肥(6/30)Tillering fertilizer粒肥(8/18)Granulatefertilizer 日期(月/日)Date(month/day)图 2 各处理稻田 NH3挥发速率和 NO2排放通量的动态变化Fig.2 The dynamic changes of ammonia volatilization rate and N2O emission of each treatment注：CK 代表不施肥对照，GM、CD、PM、CM 分别代表单施绿肥、牛粪、猪粪、鸡粪、处理，CF 代表单施化肥处理。Note:CKrepresentsnofertilizercontrol,GM,CD,PM,andCMrepresentmerelyapplyinggreenmanure,cowdung,pigmanure,andchickenmanuretreatments,CFrepresentsthesingleapplicationofchemicalfertilizers.2期吴茜虞，等：洱海流域有机肥全量替代化肥满足水稻氮素营养并减少土壤气态活性氮排放259单施化肥相比，有机肥全量替代化肥处理均能显著减少稻田 N2O 的累计排放量，减少幅度为 56.21%72.39%，单施化肥处理减少追肥次数不能减少 N2O的累计排放量。2.3.3环境因子对稻田 N2O 排放通量的影响对稻田 N2O 排放通量与降雨、气温、05cm 土壤温度、土壤含水量(SWC)和土壤无机氮含量之间的相关性进行分析(图 5B)，N2O 排放通量与 NO3-N、SWC 呈极显著负相关(P0.05)。NO3-N 与 SWC 呈极显著正相关关系(P0.01)，与降雨呈显著正相关关系(P0.05)。SWC 与气温呈极显著负相关关系(P0.01)，与降雨呈极显著正相关关系(P0.01)。3 讨论3.1 水稻氮素吸收利用率和产量有机肥输入的氮素和有机碳可以调控土壤 C/N，影响作物养分转化和吸收，进而影响作物产量36。土壤 pH 影响着土壤酶活性，Liu 等3637研究表明，长期单施化肥土壤 pH 会显著下降造成土壤酸化，施用有机肥可以缓解土壤酸化，且土壤 pH 随有机肥替代化肥比例提高而提高。有机肥能提高土壤脲酶活性，提高有机氮的有效性进而提高了土壤供氮能力36。在水稻生育前期，植株较小，庞大的根系尚未形成，对氮素的需求相对不大16。随着植株的生长发育对氮素需求逐渐增大，有机肥养分释放缓慢的特性可能也较为契合水稻生长需肥特性。因此，有机肥能够提升产量。不同于化肥，有机肥养分释放是一个缓慢过程，有研究表明，当仅施用有机肥且供试土壤养分含量不足时，有机肥中的养分释放速率较慢，供应不及时不能满足产量对养分的需求，导致有机肥处理水稻减产38。但长期施用有机肥能够改善土壤理化、生物性质，促进根系生长，进而影响作物养分吸收和生物量积累，有机肥处理水稻产量就会升高甚至超过单施化肥处理3943。本研究中，综合两年试验结果，不同于绿肥、猪粪和鸡粪全量替代处理，牛粪全量替代较单施化肥处理显著降低了植株氮素累积量、水稻产量及氮肥回收利用率，可能是牛粪 C/N(26)较高的原因，过高的 C/N 限制了土壤微生物的分解作用，还可能与植株争夺养分，影响植株对养分的吸收利用进而影响作物生长11,15。也可能因为牛粪中的氮、磷、钾等养分的比例与水稻的需求不完全匹配，牛粪中钾含量低，等量氮投入下与化肥处理相比钾含量减少 67.84%，导致养分不平衡，影响作物的生长和产量。除绿肥全量替代化肥处理外，其余处理第二年水稻产量较第一年均略微减产，这可能与第二年种植密度调整降低有关。降低了种植密度但是并未大幅度减产，说明合适的种植密度才能为作物提供更好的生长环境，保障作物产量的前提下减少投入成本。豆科绿肥在翻压还田后一个月内处于快速腐解期，能释放出多糖、氨基酸、有机酸等大量有机物，为土壤微生物提供大量的碳源和养分，进一步加速绿肥腐解，这202120222021202220212022202120222021202220212022CKGMCDPMCM处理 TreatmentCF0102030406050NH3 累积挥发量(kg/hm2)Cumulative NH3 volatilization2021202220212022aabbbbbbbbbb202120222021202220212022202120222021202220212022CKGMCDPMCMCF0300600900120015001800N2O 累积排放量(kg/hm2)Cumulative emissions of N2Oaabcbdcbcbbce图 3 各处理的稻田 NH3和 N2O 累计挥发量Fig.3 Cumulative volatilization of NH3 and N2O in paddy fields of each treatment注：CK 代表不施肥对照，GM、CD、PM、CM 代表只施绿肥、牛粪、猪粪、鸡粪处理，CF 代表单施化肥处理。柱上不同小写字母表示同一年度不同处理间差异显著(P0.05)。Note:CKrepresentsnofertilizercontrol,GM,CD,PM,andCMrepresentmerelyapplyinggreenmanure,cowdung,pigmanure,chickenmanuretreatments,CFrepresentsthesingleapplicationofchemicalfertilizers.Differentlowercaselettersabovethebarsindicatesignificantdifferencesamongtreatmentsinthesameyear(P0.05).260植物营养与肥料学报30卷个过程会释放出大量养分44。研究表明绿肥翻压后1015 天，全氮养分释放速率达到最高45。在本试验中虽未测定相关指标，但可以从植株生长情况佐证。在两季水稻试验中，绿肥全量替代化肥处理水稻生长均出现贪青晚熟的情况，生育期相较其他施肥处理延迟 715 天左右，水稻产量相较猪粪和鸡粪全量替代化肥处理略低，但较单施化肥差异均不显著，这可能是因为绿肥前期的快速腐解，及时供应了水稻生长养分需求46。本研究中，与单施化肥相比，绿肥、猪粪和鸡粪全量替代化肥均实现了水稻稳产，其原因为有机肥磷钾含量满足水稻生长需求，有助于植株的正常生长和发育。高碳氮比的有机肥料，微生物可能无法获得足够的氮源来进行有效分解，从而导致养分的释放速度减慢15。绿肥、猪粪和鸡粪与牛粪相比碳氮比较低，氮的释放速度较快，更适合水稻的需求。作物氮素吸收利用率取决于土壤和肥料的氮素供应，植株氮素积累影响作物产量进而影响氮素吸收利用率11,15。本试验中各有机肥全量替代化肥处理水稻氮肥农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力较单施化肥处理均无显著差异，绿肥、猪粪和鸡粪全量替代氮肥回收利用率较单施化肥也无明显差异。已有研究发现，有机肥部分替代化肥提高了水稻氮素回收利用率，过高的替代比例可能会降低植株吸氮量，进而降低水稻产量14,4648，但也有研究表明高比例替代对氮素吸收利用率并无明显影响49。这可能与有机肥种类、有机肥施用年限不同有关。3.2 稻田 NH3挥发本试验中，稻田 NH3挥发主要集中在施肥后两周内，与前人5052研究结果一致。单施化肥处理7.07.68.28.80204060012302040602021/6/12021/7/12021/8/12021/8/3103060902022/6/12022/7/12022/8/12022/8/31pH分蘖肥(6/13)Tillering fertilizer孕穗肥(7/10)Earing fertilizer分蘖肥(6/30)Tillering fertilizer粒肥(8/18)Granulate fertilizer粒肥(8/10)Granulate fertilizerNH4+-N(mg/L)NO3-N(mg/L)DON(mg/L)TN(mg/L)日期(年/月/日)Date(year/month/day)CKGMCDPMCMCF图 4 田面水 pH、NH4+-N、NO3-N、可溶性有机氮(DON)和全氮(TN)浓度的动态变化Fig.4 Dynamic variation of pH,NH4+-N,NO3-N,dissolved organic nitrogen(DON)and total N(TN)concentrationin surface water2期吴茜虞，等：洱海流域有机肥全量替代化肥满足水稻氮素营养并减少土壤气态活性氮排放261NH3挥发速率在施肥后 14 天达到高峰，每次施肥后都会出现挥发高峰，并且施肥后 NH3挥发持续时间 14 天左右，之后降低至本底挥发水平。不同于单施化肥处理，有机肥全量替代化肥处理生育期内仅有一次 NH3挥发速率峰，发生在监测期开始的13 天内，达峰后逐渐降低至本底挥发水平。稻田淹水时，稻田 NH3挥发过程主要发生在地表水与大气的界面处53。通常肥料的种类、田面水 pH、NH4+-N 浓度和气候条件被认为是稻田 NH3挥发排放的影响因子7,54。本试验中，有机肥全量替代化肥处理相较单施化肥处理显著降低了田面水 NH4+-N 浓度。通过多元逐步线性回归分析可知，田面水 NH4+-N、全氮浓度对稻田 NH3挥发有极显著正向影响，与前人5557研究一致。尿素施用后，在土壤脲酶的作用下迅速水解转化为 NH4+-N，促进 NH3挥发。之后由于土壤吸附和水稻吸收的原因，NH4+-N 浓度逐渐降低，NH3挥发也随之减弱。粪肥和绿肥在矿化分解的过程中形成腐殖质增加了土壤吸附能力，有机氮*0.240.500.320.00380.140.370.450.350.510.0740.540.420.810.230.890.190.200.220.230.160.190.100.310.100.0870.00770.0410.441.00.80.60.40.200.20.40.60.81.0NH3NH3pHpHNH4+-NDONTN气温Air temperature降雨RainfallNH4+-NNO3-NNO3-NDONTN气温Airtemperature降雨Rainfall*0.00810.100.210.210.390.260.210.0800.310.260.130.320.0880.0890.200.0790.170.290.140.560.491.00.80.60.40.200.20.40.60.81.0NH4+-NNO3-N土温Soil temperature土壤含水量Soil water content气温Air temperature降雨RainfallN2ON2O土温SoiltemperatureNH4+-NNO3-N土壤含水量Soil watercontent气温Airtemperature降雨Rainfall(A)(B)图 5 稻田 NH3挥发速率(A)、N2O 排放通量(B)与环境因子的相关性分析Fig.5 Correlation analysis of NH3 volatilization rate(A),N2O emission(B)and environmental factors in rice fieldNote:*P0.05;*P0.01.262植物营养与肥料学报30卷矿化分解的 NH4+-N 向田面水气界面的扩散速率被减缓，致使有机替代处理田面水 NH4+-N 浓度降低，抑制了 NH3挥发。有机肥全量替代化肥较单施化肥处理显著降低了田面水全氮浓度，有效降低氮素流失风险，叶鑫等55和李喜喜等57发现相同规律。本试验中气温对稻田 NH3挥发也有极显著正向影响，温度升高会加快水稻土水界面中 NH3分子运动，增大NH3扩散速率进而增加稻田 NH3挥发9。粪肥和绿肥的施入会活化土壤微生物，微生物会在 C 源和N 源充足的条件下吸收利用 NH4+，最终降低 NH3挥发累积量51。2022 年单施化肥处理较 2021 年减少了一次追肥，NH3累积挥发量和挥发损失率分别减少48.48%、48.44%。分析原因可能为减少施肥次数可以降低尿素的暴露时间，从而降低尿素水解产生的NH4+，减少 NH4+向 NH3转化。较长的施肥间隔可以使土壤和植株有更多的时间进行氮素的转化和吸收，从而减少 NH3的损失。也可能与监测期间气温有关，2021 年 NH3挥发监测期间平均气温为21.53，最高气温为 24.21，2022 年 NH3挥发监测期间平均气温为 20.68，最高气温为 23.1。研究表明，单施化肥处理在相同施肥量下减少施肥次数可以减少稻田 NH3挥发58。根据水稻需肥特性适当减少氮基肥用量，适当的氮肥后移能减少稻田氨的累积挥发量16,18。有机肥全量替代化肥处理氨累积挥发量仅为0.213.24g/hm2，挥发损失率范围在 0.11%1.79%，较单施化肥处理显著减少 90%以上。绿肥、猪粪和鸡粪全量替代处理两年两季水稻产量均值分别为8944.84、9389.06 和 10220.32kg/hm2，且较单施化肥处理无显著差异，从减少稻田氨挥发损失和保障水稻产量的角度看，绿肥、猪粪和鸡粪全量替代处理具有较好的生产和氨挥发减排效益。本试验中不同有机肥对氨挥发的影响无显著差异，因此，有机肥影响氨挥发的因素还需要进一步深入研究，应该结合有机肥特性、施肥方式和种植作物品种等多方面因素考虑。3.3 稻田 N2O 排放N2O 是土壤硝化和反硝化作用的中间产物59，主要受施肥、土壤环境和气象等环境因子影响。本试验中，N2O 的第一个排放峰出现在水稻移栽初期，可能与施肥有关。尿素施用后，在土壤脲酶的作用下迅速水解转化为 NH4+-N，为土壤硝化和反硝化作用提供反应底物，促进稻田 N2O 排放60；有机肥全量替代化肥处理中粪肥的施入也为土壤硝化和反硝化反应提供了底物，并且移栽初期旱田向水田的转化，土壤水分的增加也促进了硝化反硝化的进行；而绿肥全量替代处理则是因为豆科绿肥在施入土壤后会快速腐解，释放养分为硝化反硝化作用提供底物61，所以在移栽后短期内会出现排放峰，与前人62研究一致。单施化肥处理在每次追肥后均会出现排放速率增加，这与尿素快速水解转化有直接关系。土壤含水率和土壤温度是通过影响土壤硝化反硝化作用来影响 N2O 的产生与排放。有研究发现当土壤含水率在 75%86%时，土壤 N2O 排放主要来源于反硝化作用63。本试验中土壤含水率均值为 85.37%(2021 年)和 77.75%(2022 年)，本试验稻田 N2O 排放可能主要来源于土壤反硝化作用。一般认为降雨和气温直接影响土壤温度，进而间接影响 N2O 排放64。不施肥处理的 N2O 排放主要在基肥期和分蘖肥期，随后均表现为 N2O 的负排放。这可能是因为土壤处于持续淹水厌氧还原状态下，土壤以反硝化作用为主65，水稻氮素需求量较大，但外源氮不能满足植株对氮素的需求时，土壤中就没有多余的氮素为土壤硝化反硝化提供底物，从而产生负排放66。与单施化肥处理相比，有机肥全量替代化肥均显著减少了稻田 N2O 的排放，这可能与有机替代处理肥料均一次性施入有关。有机肥通过调节土壤 C/N 影响土壤微生物活性，直接或间接影响 N2O 排放。有研究发现，在水稻土壤中，与单施化肥相比，粪肥施用或粪肥化肥配施可分别降低水稻土 24%和 7%的N2O排放量，粪肥全替代处理可降低 N2O 排