冬小麦/夏玉米轮作系统不同氮肥管理方式的生物效应及N2O排放特征研究

在我国华北地区,冬小麦/夏玉米轮作是作物的主要种植方式,目前在农业生产活动过程中由于追求高产和高利润,施用氮肥存在很大盲目性和随机性,氮肥施用过量不仅造成作物减产,肥料浪费,还会使土壤、水体和大气等受到严重污染。为了寻求既能够保证作物产量、提高氮素吸收利用又能有效减排N2O的氮肥管理方式,本文以冬小麦/夏玉米轮作体系为研究对象,并结合田间试验与室内分析方法,设置不施氮肥(CK)、农民习惯施氮肥(AN)、优化施氮肥(ON)、优化施氮肥减氮20%+双氰胺(ON80%+DCD)、缓释肥(ON-SR)、缓释肥减氮20%(ON80%-SR)、优化施氮肥减氮20%+纳米碳(ON80%+NC)7个处理,对冬小麦/夏玉米2个轮作系统中的4茬作物生长期间采用静态箱法收集气体,并研究N2O排放通量的季节变化规律;同时,研究轮作体系中不同氮肥管理方式下的作物生物学性状、产量、氮素吸收利用,土壤氮素时空动态变化规律及其氮素平衡等。最后,综合分析作物产量、经济效益、减排N2O效果和土壤氮素表观损失,确定最佳经济效益且减少环境污染的氮肥管理方式。得到的主要结论如下:1.不同氮肥管理方式下的N2O排放具有明显的季节排放特征,各处理N2O的排放主要集中在小麦生长的播种-返青期和玉米生长的播种-拔节期,占两种作物各自全生育期总排放量的54.59%-68.15%和55.45%-76.85%。来自小麦季的N2O排放量占冬小麦/夏玉米两个轮作过程中的N2O总排放量的23.81%-39.69%,玉米季占60.31%-76.19%,说明N2O排放主要集中在玉米季。综合两个轮作体系,与AN比,ON、ON80%+DCD、ON-SR、ON80%-SR和ON80%+NC处理减排率分别为25.70%、53.35%、20.10%、40.61%、39.92%,排放系数降低0.02-0.23个百分点。ON80%+DCD处理减排效果较好,ON80%-SR和ON80%+NC处理次之。因此,可以推荐调整氮肥基追比例,或者根据作物的不同生育阶段的氮素吸收特性,合理分批施氮肥,前氮后移。2.合理施用氮肥有助于提高作物产量及其构成因素。与AN比,ON、ON80%+DCD、ON-SR、ON80%-SR和ON80%+NC处理在小麦季和玉米季氮肥生产效率分别提高20.15%-79.53%和28.68%-74.74%,氮肥农学效率分别提高38.28%-108.18%和14.82%-143.03%,氮素收获指数分别增加1.91-12.78和2.21-6.35个百分点。与AN比,ON、ON80%+DCD、ON-SR、ON80%-SR和ON80%+NC处理第一、二轮作体系的籽粒产量分别提高2.74%-13.50%和0.31%-9.88%,减施氮肥保证作物产量不降低,特别是ON80%+DCD处理增幅最大,分别为13.50%和9.88%,纯收益分别提高32.15%和22.99%,是获得最佳经济效益的优化氮肥管理方式。3.揭示了冬小麦/夏玉米两个轮作体系中土壤硝态氮的时间和空间动态变化规律,不同氮肥管理方式下土壤硝态氮含量随着小麦或玉米生育期的延长和土壤深度的加深均呈现降低趋势。除CK处理外,小麦季和玉米季的氮素表观损失均随着施氮量的减少而降低,因此要科学合理控制氮肥用量,减少氮素向地下水淋失、大气挥发的损失。综合分析表明ON80%+DCD处理的作物产量、经济效益较好,排放N2O量最少,土壤氮素表观损失少,该氮肥管理方式在保证作物稳定高产的同时,有效降低环境污染的风险,可作为推荐农民使用的一种施肥方式。