一次性施肥稻田田面水氮素變化特征和流失風(fēng)險(xiǎn)評估

王 強(qiáng)，姜麗娜*，潘建清，馬軍偉，葉 靜，鄒 平

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021；2.浙江省長興縣農(nóng)業(yè)局，浙江 長興 313100）

水稻生產(chǎn)中合理的氮肥運(yùn)籌方式應(yīng)綜合考慮土壤基礎(chǔ)地力、水稻品種養(yǎng)分吸收特性和施用方式等因素[1-2]。雖然分次施肥、氮肥后移等施肥措施能有效提高氮肥利用率[3-5]，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然受到很大的限制。分次施肥中追肥通常撒施于土壤表層，易造成養(yǎng)分徑流、淋溶和揮發(fā)損失。另一方面，由于水稻種植業(yè)的集約化發(fā)展趨勢和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口的減少，水稻種植大戶普遍面臨著用工難、用工成本增加等困難。水稻輕簡化施肥技術(shù)的研究與推廣對于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低施肥成本具有重要的意義。

緩釋氮肥具有養(yǎng)分釋放與作物養(yǎng)分吸收同步率高、肥效長等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低稻田土壤氨揮發(fā)損失和氮素徑流損失，減輕農(nóng)業(yè)面源污染[6-8]。我國在緩釋氮肥品種篩選、緩釋氮肥合理施用技術(shù)等方面開展了廣泛的研究[9-11]，表明在適宜的緩釋氮肥支撐下，水稻一次性施肥能促進(jìn)水稻根系發(fā)育，增強(qiáng)水稻生長后期凈光合速率[12-13]。陳建生等[14]的研究表明，在氮肥和磷肥分別減施22.1%和21.9%的基礎(chǔ)上，水稻一次性施肥比分次施肥平均增產(chǎn)8.22%。但已有研究主要集中在一次性施肥技術(shù)的穩(wěn)產(chǎn)機(jī)制以及穩(wěn)產(chǎn)效果等方面，對于一次性施肥技術(shù)環(huán)境效應(yīng)的研究偏少。稻田徑流損失是水稻生產(chǎn)中重要的氮素?fù)p失途徑，一次性施肥模式中基肥的用量明顯高于分次施肥，是否增加田面水氮含量和徑流損失風(fēng)險(xiǎn)，是評估一次性施肥技術(shù)環(huán)境效應(yīng)的重要指標(biāo)。本文通過田間試驗(yàn)研究了一次性施肥稻田田面水氮含量動(dòng)態(tài)變化特征，并結(jié)合區(qū)域降雨特征提出了降低稻田氮素流失風(fēng)險(xiǎn)的避雨施肥策略，以期為水稻一次性施肥技術(shù)的推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2015年分別在浙江省金華市蔣堂鎮(zhèn)和浙江省長興縣太湖新城進(jìn)行一次性施肥田間小區(qū)試驗(yàn)。蔣堂試驗(yàn)點(diǎn)屬金衢盆地丘陵區(qū)域，供試土壤為紅壤，質(zhì)地為黏壤土，主要是水稻-油菜（綠肥）輪作。太湖新城試驗(yàn)點(diǎn)為水網(wǎng)平原區(qū)，離太湖直線距離約1000 m，主要是水稻-小麥輪作，供試土壤為湖松田，質(zhì)地為黏壤土。試驗(yàn)前采集耕層土壤測定基本理化性狀。采集樣品時(shí)將直徑5 cm土鉆插到犁底層為止，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)耕作層厚度都是大約20 cm。試驗(yàn)點(diǎn)土壤基本理化性狀見表1。

1.2 供試肥料品種

供試緩釋氮肥品種包括含硝化抑制劑的穩(wěn)定性肥料（NIU），由廣州新農(nóng)科肥業(yè)科技有限公司提供，N、P2O5、K2O含量分別為23%、7%、20%，肥料中所有氮肥均添加了硝化抑制劑；樹脂包膜尿素（RCU），由金正大公司提供，為商品復(fù)合肥，N、P2O5、K2O含量分別為22%、8%、12%；聚胺脂包膜尿素（PCU），其中PCU1由美國加陽公司提供包膜尿素母粒，商品名益多寶，氮含量44.1%，試驗(yàn)中根據(jù)各處理緩釋氮肥的占比與普通尿素混合，PCU2由中國農(nóng)科院提供包膜尿素母粒，氮含量42%，試驗(yàn)中包膜尿素母粒占總施氮量的40%。試驗(yàn)中使用的普通尿素、過磷酸鈣和氯化鉀都采用市售產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)9個(gè)處理：（1）N0（不施氮肥，只施磷、鉀肥）。（2）Urea，農(nóng)民常規(guī)施肥（N 225 kg·hm-2），施肥量和氮肥運(yùn)籌根據(jù)長興和金華農(nóng)民習(xí)慣施肥調(diào)查結(jié)果確定，按50%基肥、30%分蘗肥、20%孕穗肥分次施用，供試氮肥為尿素。（3）NIU，穩(wěn)定性肥料一次基施（N 180 kg·hm-2）。（4）RCU，樹脂包膜緩釋肥一次性施用（N 180 kg·hm-2）。（5）PCU1（40%PCU1，N 180 kg·hm-2），40%聚氨酯包膜尿素（益多寶）+60%普通尿素一次性施用。（6）PCU2（N 180 kg·hm-2），40%聚氨酯包膜尿素（中國農(nóng)科院提供）+60%普通尿素一次性施用。（7）PCU1r（N 144 kg·hm-2），40%聚氨酯包膜尿素（益多寶）+60%普通尿素一次性施用。（8）20%PCU1（N 180 kg·hm-2），20%聚氨酯包膜尿素（益多寶）+80%普通尿素一次性施用。（9）60%PCU1（N 180 kg·hm-2），60%聚氨酯包膜尿素（益多寶）+40%普通尿素一次性施用。各處理磷肥和鉀肥用量根據(jù)農(nóng)民習(xí)慣施肥情況，分別是60 kg·hm-2和90 kg·hm-2，都作為基肥施用。N0和Urea處理磷肥和鉀肥分別用過磷酸鈣和氯化鉀，其他一次性施肥處理磷肥和鉀肥不足部分也分別用過磷酸鈣和氯化鉀補(bǔ)足。

表1 供試土壤的基本理化性狀Table 1 Basic soil properties of field experiment

試驗(yàn)重復(fù)3次，田間按隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積30 m2。金華試驗(yàn)點(diǎn)供試水稻品種為甬優(yōu)538，2015年6月21日耙田后施基肥，Urea處理在6月30日施分蘗肥。長興試驗(yàn)點(diǎn)供試水稻品種為嘉33，2015年7月11日耙田后施基肥，Urea處理在7月17日施分蘗肥。

1.4 樣品采集與分析

金華試驗(yàn)點(diǎn)在施基肥后2、6、9、11、16、23、25 d和27 d取田面水樣，長興試驗(yàn)點(diǎn)在施基肥后2、3、4、5 d取田面水樣。用100 mL醫(yī)用注射器，取樣時(shí)不擾動(dòng)土層，小心抽取5處田面水混合成一個(gè)水樣，注入聚乙烯塑料瓶中。水樣帶回實(shí)驗(yàn)室后在24 h內(nèi)進(jìn)行測定。銨態(tài)氮（NH+4-N）用靛酚藍(lán)比色法測定，硝態(tài)氮（NO-3-N）用紫外分光光度法測定。

1.5 區(qū)域降雨概率計(jì)算

從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)《中國地面累年值月值數(shù)據(jù)集（1981—2010年）》《中國地面累年值日值數(shù)據(jù)集（1981—2010年）》選擇金華和長興站點(diǎn)等試驗(yàn)區(qū)域下載累年月雨量及累年日雨量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)單季稻施肥期間月降雨量和日降雨量特征。從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3）》下載金華站點(diǎn)1995至2015年6月—7月每日20點(diǎn)至次日20點(diǎn)的降雨量數(shù)據(jù)，計(jì)算施肥5 d內(nèi)產(chǎn)生30 mm降雨量的天數(shù)占總天數(shù)的概率。

1.6 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析方法

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用LSD法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩釋氮肥類型對田面水氮含量的影響

緩釋氮肥類型對田面水銨態(tài)氮含量的影響見圖1。金華試驗(yàn)點(diǎn)N0處理整個(gè)監(jiān)測期間田面水銨態(tài)氮濃度為0.33～5.3 mg·L-1，都處于較低水平。其他處理田面水銨態(tài)氮含量都在施基肥后2 d最高，施肥后2～16 d內(nèi)田面水銨態(tài)氮含量逐漸降低。Urea處理在基肥后23 d由于追施分蘗肥的影響，田面水銨態(tài)氮濃度升高到21.71 mg·L-1，然后隨著監(jiān)測時(shí)間延長逐漸下降，緩釋肥一次性施肥各處理在施基肥23 d后取樣時(shí)銨態(tài)氮含量略有升高，但總體銨態(tài)氮濃度都低于10 mg·L-1。長興試驗(yàn)點(diǎn)施基肥后田面水銨態(tài)氮的變化趨勢和金華試驗(yàn)點(diǎn)基本相似，施基肥后2 d田面水銨態(tài)氮含量與金華試驗(yàn)點(diǎn)基本接近，但下降速度明顯高于金華試驗(yàn)點(diǎn)，在施肥后第4 d就降到了20 mg·L-1，可能與長興試驗(yàn)點(diǎn)施肥后2 d產(chǎn)生了大暴雨有關(guān)。

不同緩釋氮肥處理之間田面水銨態(tài)氮含量也有一定的差異。NIU處理在金華和長興試驗(yàn)點(diǎn)中施基肥后2 d田面水銨態(tài)氮濃度分別為71.6 mg·L-1和99.9 mg·L-1，都明顯高于Urea處理。NIU處理使用的氮肥是添加硝化抑制劑的穩(wěn)定性肥料，由于硝化抑制劑的存在，減緩了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，所以導(dǎo)致前期銨態(tài)氮含量迅速升高，而且持續(xù)時(shí)間延長。金華試驗(yàn)點(diǎn)中NIU處理田面水銨態(tài)氮含量在施基肥9 d內(nèi)下降幅度低于其他處理，長興試驗(yàn)點(diǎn)在施基肥后5 d內(nèi)也保持了較高的銨態(tài)氮濃度。RCU處理緩釋氮肥品種是樹脂包膜尿素，供試市售成品肥料以速效氮肥和樹脂包膜尿素按一定比例配合，該處理只在施肥2 d后測定中田面水銨態(tài)氮濃度最高，在以后多次測定中則沒有明顯增加，表明該肥料的速效肥料比例較高，在施肥后2 d大量釋放，之后由于樹脂包膜的作用，氮素釋放速率減慢。PCU1和PCU2處理都是聚胺脂包膜尿素，在各次測定中銨態(tài)氮濃度都比較低，表明這兩種氮肥的緩釋性好于RCU和NIU處理。

不同監(jiān)測時(shí)期田面水硝態(tài)氮的含量明顯低于銨態(tài)氮（圖2），但硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)變化趨勢與銨態(tài)氮略有不同。NIU處理雖然由于硝化抑制劑減緩了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，但速效氮肥的施用量高于其他處理，因此田面水硝態(tài)氮含量仍然較高。金華試驗(yàn)點(diǎn)施肥2 d后NIU處理硝態(tài)氮濃度最高達(dá)到4.94 mg·L-1，高出其他處理1倍以上，施肥后6～11 d硝態(tài)氮含量逐漸下降，至施肥后16 d硝態(tài)氮至最低，之后又略有增加，常規(guī)施肥處理施追肥后田面水硝態(tài)氮含量變?yōu)樽罡?。長興試驗(yàn)點(diǎn)不同一次性施肥處理對田面水硝態(tài)氮含量的影響除RCU處理外與金華結(jié)果基本一致，NIU處理明顯高于常規(guī)分次施肥處理，PCU處理基本與常規(guī)分次施肥相同，但在長興點(diǎn)RCU處理與金華點(diǎn)結(jié)果明顯不同，并沒有表現(xiàn)出明顯高于常規(guī)施肥處理，基本和常規(guī)施肥處理相近。

2.2 氮肥減施對田面水氮含量的影響

圖1 緩釋氮肥類型對田面水銨態(tài)氮含量的影響Figure 1 Effects of SRNs type on ammonium concentration of surface water

圖2 緩釋氮肥類型對田面水硝態(tài)氮含量的影響Figure 2 Effects of SRNs type on nitrate concentration of surface water

圖3 氮肥減施對田面水銨態(tài)氮含量的影響Figure 3 Effects of N reduction on the ammonium concentration of surface water

氮肥減量對田面水銨態(tài)氮含量的影響見圖3。金華試驗(yàn)點(diǎn)PCU1和PCU1r處理田面水銨態(tài)氮含量隨時(shí)間變化都是在9 d以內(nèi)較高，11 d以后趨于平緩。PCU1r處理在各取樣時(shí)間田面水銨態(tài)氮含量與PCU1處理間沒有明顯差異。長興試驗(yàn)點(diǎn)測定結(jié)果與金華試驗(yàn)點(diǎn)相似，PCU1和PCU1r在施基肥后5 d內(nèi)田面水銨態(tài)氮含量間沒有明顯差異。氮肥用量對田面水硝態(tài)氮含量的影響見圖4。金華試驗(yàn)點(diǎn)監(jiān)測期間田面水硝態(tài)氮濃度為0.64～1.68 mg·L-1，PCU1和PCU1r處理都在基肥后9 d和25 d出現(xiàn)高峰，但2個(gè)處理硝態(tài)氮含量在同一取樣時(shí)間時(shí)沒有明顯差異。長興試驗(yàn)點(diǎn)基肥后2～5 d田面水硝態(tài)氮濃度為1.77～3.56 mg·L-1，2個(gè)處理硝態(tài)氮含量在同一取樣時(shí)間也沒有明顯差異。監(jiān)測結(jié)果表明在PCU1 180 kg·hm-2的施用基礎(chǔ)上，減少20%氮肥用量對田面水氮含量沒有產(chǎn)生明顯的影響。

2.3 緩釋氮肥施用比例對田面水氮含量的影響

緩釋氮肥施用比例明顯影響田面水銨態(tài)氮含量（圖5）。金華試驗(yàn)點(diǎn)施基肥后2 d和6 d田面水銨態(tài)氮含量隨著緩釋氮肥施用比例的增加明顯下降，其中40%PCU1和60%PCU1處理在施基肥后2 d田面水銨態(tài)氮含量分別比20%PCU1降低了21.1%和27.0%。施基肥11 d以后40%PCU1和60%PCU1處理銨態(tài)氮含量高于20%PCU1處理，可能是受緩釋氮肥中氮素釋放的影響。長興試驗(yàn)點(diǎn)田面水銨態(tài)氮含量變化趨勢與金華相似，施基肥2 d后40%PCU1和60%PCU1處理田面水銨態(tài)氮含量分別比20%PCU1處理降低了40.4%和54.3%，施基肥5 d后，不同處理銨態(tài)氮含量差異逐漸減小。金華試驗(yàn)點(diǎn)20%PCU1處理在施肥后2 d和6 d田面水硝態(tài)氮濃度明顯高于其他處理（圖6），9 d以后各處理間硝態(tài)氮含量差異減小，到施肥后27 d時(shí)，60%PCU1處理硝態(tài)氮含量明顯增加，可能受包膜氮肥養(yǎng)分釋放的影響。長興試驗(yàn)點(diǎn)中施肥后2～5 d各處理硝態(tài)氮含量則沒有明顯差異。

圖4 氮肥減施對田面水硝態(tài)氮含量的影響Figure 4 Effects of N reduction on the nitrate concentration of surface water

3 討論

3.1 一次性施肥氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)的評估

水稻穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)是推廣一次性施肥技術(shù)的前提條件。本研究中緩釋氮肥一次性施肥各處理氮肥施用量比常規(guī)分次施肥處理減少了20%，但不同處理間水稻產(chǎn)量沒有顯著差異（另文發(fā)表）[15]，主要是因?yàn)橥寥谰哂辛己玫幕A(chǔ)地力，而且緩釋肥的施用保證了水稻生長后期養(yǎng)分的供應(yīng)。一次性施肥模式的養(yǎng)分損失風(fēng)險(xiǎn)也是影響技術(shù)推廣的重要因素。由于田面水中氮含量與稻田氨揮發(fā)、徑流損失都直接相關(guān)，研究一次性施肥稻田田面水氮含量變化特征對于評估該項(xiàng)技術(shù)的養(yǎng)分損失風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

圖5 緩釋氮肥施用比例對田面水銨態(tài)氮含量的影響Figure 5 Effects of SRNs application ratio on the ammonium concentration of surface water

稻田田面水氮含量受到氮肥類型和施用量等因素的影響。本研究中樹脂包膜尿素、聚氨酯包膜尿素等緩釋氮肥處理降低了田面水銨態(tài)氮含量，與以往的研究結(jié)果相似[16]。含硝化抑制劑的穩(wěn)定性肥料處理則增加了稻田田面水銨態(tài)氮含量，與俞巧鋼等[17]的研究結(jié)果一致。李旭等[18]的研究表明，施氮量是影響稻田銨態(tài)氮含量和氮素徑流損失的重要因素。本研究中一次性施肥處理的氮肥投入量為180 kg N·hm-2，比尿素分次施肥處理減少了20%，加上緩釋氮肥的應(yīng)用，使一次性施肥模式基肥中速效氮肥施用量低于尿素分次施肥處理。但一次性施肥模式中氮肥施用量180 kg N·hm-2和144 kg N·hm-2的處理間田面水銨態(tài)氮含量沒有明顯的差異，可能是由于氮肥施用量較低，而且受到土壤吸附等因素的影響。本試驗(yàn)結(jié)果表明一次性施肥模式通過緩釋氮肥應(yīng)用和氮肥減量等措施減少了速效氮肥的投入量，雖然基肥中氮肥總投入量高于常規(guī)分次施肥處理，但沒有明顯增加田面水氮含量。穩(wěn)定性肥料處理由于硝化抑制劑減緩了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致田面水銨態(tài)氮含量高于尿素分次施肥處理，是否增加了稻田氨揮發(fā)損失，還需要進(jìn)一步研究。

徑流損失是稻田重要的氮素?fù)p失形態(tài)，研究表明杭嘉湖地區(qū)淹水稻田氮素徑流流失約占當(dāng)季水稻氮素施用量的12.69%[19]。從金華和長興試驗(yàn)點(diǎn)看NIU處理田面水氮含量都高于Urea處理，金華試驗(yàn)點(diǎn)RCU處理銨態(tài)氮也高于常規(guī)施肥處理，說明穩(wěn)定性肥料和樹脂包膜肥料支撐的一次性施肥氮流失的風(fēng)險(xiǎn)要大于常規(guī)分次施肥處理。而PCU1和PCU2等聚胺脂包膜尿素支撐的一次性施肥處理由于氮肥緩釋性能較好，施肥后5 d內(nèi)田面水銨態(tài)氮含量低于常規(guī)施肥，可降低氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。稻田氮素流失風(fēng)險(xiǎn)還與施肥后可能產(chǎn)生徑流的暴雨有關(guān)。長江下游單季稻種植季在6月至7月上旬期間，從金華、長興兩地的累年月平均降雨量看（圖7），6月是全年雨量最大的一個(gè)月，長興地區(qū)7月的雨量也較大，表明在現(xiàn)行的單季稻種植模式下，尿素分次施肥和一次性施肥模式都存在一定的氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 一次性施肥減少氮素流失的避雨策略

圖6 緩釋肥施用比例對田面水硝態(tài)氮含量的影響Figure 6 Effects of SRNs application ratio on the nitrate concentration of surface water

圖7 累年月平均降雨量（1981—2010年）Figure 7 The long-term（1981—2010）average monthly rainfall

本研究表明田面水銨態(tài)氮含量在施肥后第2 d達(dá)到峰值，到施肥后第5 d銨態(tài)氮濃度降到20 mg·L-1左右，研究結(jié)果與張麗娟等[20]的一致。李娟等[21]的研究也表明稻田田面水銨態(tài)氮含量在施肥后第2 d達(dá)到峰值，之后迅速下降，第7 d后降至峰值的15%以下并趨于穩(wěn)定，因此施肥后5 d內(nèi)是氮素徑流損失的關(guān)鍵時(shí)期。農(nóng)戶常規(guī)種植中一般根據(jù)秧齡和氣溫確定水稻種植時(shí)間，對于施肥后是否會因?yàn)榻涤戤a(chǎn)生氮素徑流損失考慮較少。根據(jù)區(qū)域降雨概率，合理安排基肥時(shí)間，避開施肥后5 d內(nèi)降雨概率較大的時(shí)間段，是降低氮素徑流損失的有效策略。從浙江金華和長興累年（1981—2010年）平均日降雨量看（圖8），6月中旬到7月上旬日降雨量較大。統(tǒng)計(jì)1995—2015年金華6—7月5 d內(nèi)出現(xiàn)30 mm降雨概率表明（圖9），6月16—26日是5 d內(nèi)出現(xiàn)30 mm降雨概率最大時(shí)段。為降低流失風(fēng)險(xiǎn)，金華地區(qū)單季稻種植中應(yīng)避開6月16日到6月26日降大雨概率大的時(shí)段施肥。本研究結(jié)論與侯朋福等[22]的研究結(jié)果類似。

4 結(jié)論

（1）一次性施肥模式中聚氨酯包膜尿素能有效降低田面水銨態(tài)氮含量，樹脂包膜尿素在2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)間表現(xiàn)不一致，添加硝化抑制劑的穩(wěn)定性肥料處理增加了田面水銨態(tài)氮含量和持續(xù)時(shí)間。

圖8 累年6—7月日平均降雨量（1981—2010年）Figure 8 The long-term（1981—2010）average daily rainfall from June to July

圖9 金華5 d內(nèi)產(chǎn)生30 mm降雨概率（1995—2015年）Figure 9 The probability of rainfall≥30 mm within 5 days（1995—2015）

（2）氮肥類型和施用量直接影響稻田田面水銨態(tài)氮濃度，一次性施肥模式通過緩釋氮肥的應(yīng)用和氮肥減量等措施減少了基肥中速效氮肥的施用量，沒有增加稻田氮素徑流損失風(fēng)險(xiǎn)。

（3）施肥后5 d內(nèi)是稻田徑流流失高風(fēng)險(xiǎn)期，基肥施用應(yīng)綜合考慮區(qū)域累年雨量和強(qiáng)降雨概率，避開區(qū)域降雨大概率時(shí)期。