稻田氨揮發(fā)損失和水稻產(chǎn)量對不同水氮處理的響應(yīng)

李 然，蔡威威，艾天成，申華平，武紅亮，王 斌，李如楠

（1.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

氮是水稻生長的三大必需元素之一，在水稻產(chǎn)量形成和品質(zhì)方面起著至關(guān)重要的作用［1］。氮肥的施用提高了水稻生產(chǎn)力，但隨用量增加和施用方法不當(dāng)，不僅造成了肥料的大量浪費(fèi)，還帶來了許多環(huán)境和生態(tài)問題［2］。施入土壤的氮肥，當(dāng)季能被作物吸收利用的只有30%～60%，其余的隨降水和灌溉水淋入土壤深層或淋溶、地表徑流損失，或經(jīng)氨揮發(fā)、反硝化作用損失［3］。其中氨揮發(fā)是氮肥氣態(tài)損失的重要途徑，其損失量因測量方法與土地利用方式的不同有較大差異，占施氮量9%～40%［4］。

基于當(dāng)前氮肥施用不合理造成的氮肥利用率低以及一系列環(huán)境問題，通過對肥料性質(zhì)的改良，控制氮素?fù)p失，提高氮素在土壤中的吸附和固定能力，可以達(dá)到提高肥料利用率、減少養(yǎng)分損失、提高水稻產(chǎn)量等效果，緩釋尿素就是其中的代表［5-6］。已有研究表明，等施氮量下，與常規(guī)化肥分次施用相比，3種新型緩控釋肥料均能夠不同程度減少稻田的氨揮發(fā)排放，減排程度可達(dá)13.80%～86.36%，施用樹脂尿素和摻混控釋肥的減排效果優(yōu)于硫包衣尿素［7-9］。但也有研究表明，控釋尿素分次施用的氨揮發(fā)氮損失率最低，其次為普通尿素分次施用，而控釋尿素一次施用的損失率卻最高［10］。施肥量是影響氨揮發(fā)和作物產(chǎn)量的重要因素，有研究表明，氨揮發(fā)速率并沒有隨施氮量的增加持續(xù)增加［11］；但也有研究表明，減氮及優(yōu)化施肥能減少土壤氨揮發(fā)損失，并能增產(chǎn)［12-13］。水分也是影響作物生長和氨揮發(fā)的重要因素，前人研究發(fā)現(xiàn)稻田田面不積水能夠有效減少氨揮發(fā)，進(jìn)而降低氮損失［14］。水分和氮肥的互作效應(yīng)也是至關(guān)重要的，大量研究表明，控制灌溉能使水稻增產(chǎn)，控制灌溉和實(shí)地氮肥管理可降低稻田氨揮發(fā)速率峰值和施肥后期的氨揮發(fā)量，同時能節(jié)約灌溉水和提高灌水利用效率［15-19］。綜上所述，尿素經(jīng)過改性后的控釋化肥對作物具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，可以達(dá)到減排增效、減少環(huán)境污染的效果；節(jié)水灌溉下施肥能夠提高水的利用率和氮肥利用率，但是氮肥的影響高于水分模式的管理［20］。目前，節(jié)水灌溉和減量施氮的組合技術(shù)對稻田氨揮發(fā)和水稻產(chǎn)量影響的綜合效應(yīng)少有研究，而且控釋肥能否有效減少氨揮發(fā)損失更有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究基于大田試驗(yàn)，研究樹脂包膜控釋尿素、薄淺濕曬節(jié)水灌溉和減氮20%搭配的不同水氮組合對晚稻種植氨揮發(fā)損失和產(chǎn)量的效應(yīng)，旨在探討長江中下游平原有效減少稻田氮素?fù)p失的水肥高效利用模式，為農(nóng)田“節(jié)水減排高產(chǎn)”提供試驗(yàn)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在湖北省荊州市荊州區(qū)農(nóng)業(yè)氣象站試驗(yàn)地進(jìn)行（30°21′N，112°09′E），土壤類型為內(nèi)陸河湖交替沉積形成的水稻土，質(zhì)地為粉質(zhì)中壤土，試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)：土壤pH值7.7、有機(jī)質(zhì) 11.14 g·kg-1，全氮 1.37 g·kg-1，有效磷15.38 mg·kg-1，速效鉀 62.51 mg·kg-1，容重 1.44 g·cm-3。試驗(yàn)地位于漢江平原腹地，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，雨熱同季。水稻種植期間（2017年7月24日～10月26日）平均氣溫23.7℃，降水量439.7 mm，日照時數(shù)438.8 h。2017年晚稻季降水及溫度情況如圖1所示。

圖1 2017年晚稻季日平均氣溫和降水情況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用4種氮肥管理模式，分別為（1）普通尿素（N≥46%）（U）；（2）樹脂包膜控釋尿素（N≥42%）（CRU）：樹脂包膜控釋尿素養(yǎng)分釋放周期為90 d；（3）普通尿素減氮20%（US）；（4）樹脂包膜控釋尿素減氮20%（CRUS）。采用2種水分管理方式，分別為（1）常規(guī)灌溉（CI）：常規(guī)灌溉為間歇性灌溉模式；（2）薄淺濕曬節(jié)水灌溉（SWD）：薄淺濕曬節(jié)水灌溉是在常規(guī)灌溉的基礎(chǔ)上，根據(jù)水稻不同生長階段實(shí)際需水量的差異進(jìn)行水分管理，技術(shù)特點(diǎn)為：（a）淺水返青：插秧后田間水層保持淺水層；（b）分蘗前期干濕交替：每3～5 d灌一次10 mm水層；（c）中期曬田；（d）孕穗期和抽穗開花期保持淺水層；（e）乳熟期干濕交替：每3～5 d灌一次10 mm水層；（f）黃熟期水分自然落干。各小區(qū)安裝土壤濕度探頭監(jiān)測15～20 cm 深土壤體積含水量。2種水分管理方式在各生育期的灌溉標(biāo)準(zhǔn)詳見表 1［21］。

表1 兩種灌溉方式在水稻不同生育期田間水分管理標(biāo)準(zhǔn) （mm）

試驗(yàn)設(shè)置4個不同處理組合：（1）U+CI，作為對照（CK）；（2）US+SWD；（3）CRU+CI；（4）CRUS+SWD，各處理3次重復(fù)，共12小區(qū)，采用單因素隨機(jī)區(qū)組排列。氮肥分3次施用，水稻移栽前施基肥，分蘗期和抽穗期各追肥一次，比例為2∶1∶1；樹脂包膜控釋尿素由于養(yǎng)分釋放具有長效性，因此只施基肥和分蘗肥。常量氮肥處理（U+CI，CRU+CI）總施氮量為N 180 kg·hm-2，減氮20%處理（US+SWD，CRUS+SWD）總施氮量為N 144 kg·hm-2，具體施氮量和施氮時間見表2。磷肥用量均為P2O560 kg·hm-2，作為基肥全部施入。鉀肥用量均為K2O 90 kg·hm-2，基肥、分蘗肥和穗肥按比例2∶1∶3施入。

表2 晚稻施氮方案 （N kg·hm-2）

試驗(yàn)用晚稻品種為T優(yōu)118，為當(dāng)?shù)刂魍破贩N，移栽密度為21萬穴·hm-2，每穴2～3株。晚稻于7月24日移栽，10月26日收割。各個小區(qū)長6 m，寬4.5 m，小區(qū)間以寬30 cm，高20 cm的田埂分隔，并覆蓋尼龍膜，保證水肥互不干擾。每個小區(qū)皆可單獨(dú)灌溉和排水，進(jìn)水管處安裝數(shù)字電控水表，記錄每次灌溉水量（m3）。常規(guī)灌溉（CI）管理模式下，整個生育期總灌水量為5 889 m3·hm-2；薄淺濕曬節(jié)水灌溉（SWD）管理模式下，整個生育期總灌水量為3 852 m3·hm-2。各個小區(qū)除水肥管理外，其余田間管理全部依照當(dāng)?shù)氐母髁?xí)慣進(jìn)行。

1.3 樣品的采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集與測定

在水稻的返青期、分蘗期、孕穗期、抽穗期、成熟期也按照“S”型采樣法于試驗(yàn)地的每個小區(qū)采集0～20 cm耕層混合土樣（施肥前后3 d不采集）。土樣中NH4+-N濃度測定采用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法。

1.3.2 氨揮發(fā)的收集與通量估算

采用通氣法測定稻田氨揮發(fā)［22］。試驗(yàn)中將通氣法的氨揮發(fā)收集管（PVC材質(zhì)）高度改為30 cm，以適用于水田。兩塊厚度為2.5 cm，直徑為16 cm的海綿均勻浸以磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL），并放置在收集管中。上層海綿距頂部2 cm，用于防止空氣中氨氣及灰塵進(jìn)入，下層海綿距稻田水面或土壤10 cm，用于捕獲氨揮發(fā)。每個小區(qū)隨機(jī)放置3個氨揮發(fā)收集管，取樣時間為：施肥（基肥、分蘗肥、穗肥）后第1周，每天取樣1次；第23周，視測到的揮發(fā)數(shù)量多少，每1～3 d取樣1次，以后取樣間隔可延長到1～2周，直到水稻收獲。把取下的海綿帶回實(shí)驗(yàn)室后，分別裝入500 mL塑料瓶中，加入300 mL 1 mol·L-1的KCl溶液，震蕩1 h后取浸提液用靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮濃度。

氨揮發(fā)通量（kg·hm-2·d-1）＝M×A-1×D-1×10-2，M＝c×v×M0（式中：M為通氣法單個裝置平均每次測得的氨量（NH4+-N），g；A為捕獲裝置的橫截面積，m2；D為每次連續(xù)捕獲的天數(shù)，d；c為KCl浸取液中-N含量，mol·L-1；v為KCl浸取液的體積，本研究取0.3 L，M0為NH3的摩爾質(zhì)量，取17 g·mol-1）。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2007 軟件計(jì)算數(shù)據(jù)，Sigmaplot 12.5軟件繪圖，SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法檢驗(yàn)差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮管理土壤-N濃度

圖2 不同水氮管理模式對-N濃度的影響

2.2 不同水氮管理稻田氨揮發(fā)速率

不同水氮管理模式下，稻田氨揮發(fā)速率存在較為一致的趨勢，隨著移栽天數(shù)整體呈先增加后降低的趨勢（圖3），分別在基肥、分蘗肥和穗肥施用后的1～3 d出現(xiàn)峰值，而第一次施肥后的氨揮發(fā)速率顯著高于后兩次施肥。各處理氨揮發(fā)速率在基肥施用后變化最大，為N 0.19～1.46 kg·hm-2·d-1，其峰值表現(xiàn)為：U+CI＞CRUS+SWD＞CRU+CI＞US+SWD，U+CI（CK）峰值比 CRUS+SWD高5.5%，但差異不顯著，比CRU+CI和US+SWD分別高24.7%、41.8%，且存在顯著差異。各水氮處理在分蘗期氨揮發(fā)速率為N 0.048～0.70 kg·hm-2·d-1， 峰 值 表 現(xiàn) 為：CRU+CI＞US+SWD＞CRUS+SWD＞U+CI，CRU+CI峰 值 相 比US+SWD、CRUS+SWD及U+CI，分別增加4.3%、11.4%、28.6%，但差異不顯著。穗肥施用后氨揮發(fā)速率為N 0.010～0.54 kg·hm-2·d-1，峰值表現(xiàn)為：U+CI＞US+SWD＞CRUS+SWD＞CRU+CI。U+CI（CK） 比US+SWD高7.4%，差異不顯著，比CRUS+SWD和CRU+CI分別高70.1%和70.1%，差異顯著。

圖3 不同水氮管理模式下稻田表面氨揮發(fā)速率

稻田氨揮發(fā)速率與土壤NH4+-N濃度呈極顯著線性正相關(guān)（圖4），決定系數(shù)為0.652 5。土壤銨態(tài)氮濃度每增加10 mg·kg-1，其氨揮發(fā)速率增加N 0.30 kg·hm-2·d-1。

圖4 氨揮發(fā)速率與土壤NH4+-N濃度的關(guān)系

2.3 不同水氮管理稻田氨揮發(fā)損失量

不同移栽天數(shù)均以CRU+CI的氨揮發(fā)累積量最高，US+SWD最低，大小順序?yàn)镃RU+CI＞CRUS+SWD＞U+CI＞US+SWD（圖5）。CRU+CI處理在基肥施用第34 d之后基本達(dá)到穩(wěn)定水平，U+CI（CK）和CRUS+SWD處理均在基肥施用第28 d之后基本達(dá)到穩(wěn)定水平，其較CRU+CI處理提前6 d。

相同灌溉條件下，樹脂包膜控釋尿素處理的氨揮發(fā)損失量均顯著高于普通尿素處理（表3）?；适┯煤螅cU+CI（CK）相比，US+SWD的氨揮發(fā)量無顯著差異，CRU+CI和CRUS+SWD的氨揮發(fā)量顯著增加。在分蘗肥期，所有灌溉施肥處理的氨揮發(fā)量大幅度降低，U+CI（CK）的氨揮發(fā)量最低。穗肥期，所有施肥灌溉處理氨的揮發(fā)量達(dá)到較低水平。從整個生育期氨揮發(fā)總量和損失率來看，表現(xiàn)為CRU+CI、CRUS+SWD、U+CI＞US+SWD。 其 中US+SWD分別比CRU+CI 和 CRUS+SWD氨揮發(fā)總量降低了21.3%和15.3%，損失率分別降低了0.9%和14.8%；其中U+CI的氨揮發(fā)總量分別比CRU+CI和 CRUS+SWD降低了15.7%和9.4%，損失率分別降低了15.5%和27.3%。

圖5 不同水氮管理模式下稻田氨揮發(fā)累積量動態(tài)變化

表3 不同施肥時期的氨揮發(fā)累積量和水稻產(chǎn)量

2.4 不同水氮管理的水稻產(chǎn)量

表3表明，與U+CI（CK）相比，US+SWD的水稻產(chǎn)量降低了2.8%，但差異不顯著；而CRU+CI和CRUS+SWD都顯著增加了水稻產(chǎn)量，其中CRU+CI增加了17.4%，CRUS+SWD增加了11.0%。與US+SWD相比，CRUS+SWD的水稻產(chǎn)量顯著增加了14.1%。與CRU+CI相比，CRUS+SWD的水稻產(chǎn)量降低了5.5%，但差異不顯著。各水氮處理間單位產(chǎn)量氨揮發(fā)損失量差異不顯著。

3 討論

3.1 不同水氮管理對稻田氨揮發(fā)損失的影響

氮肥的過量施用不僅導(dǎo)致了肥料利用率的下降，而且對環(huán)境產(chǎn)生了潛在的影響［3］。氨揮發(fā)是氮肥施入稻田后導(dǎo)致氮素氣態(tài)損失的重要途徑，其主要受土壤條件、氣候因子、田面水的NH4+-N濃度和施肥狀況等因素的影響［4］。目前，氮肥控釋化是一種提高氮肥利用率的有效措施［23］，但是控釋肥能否有效減少NH3的排放存在爭議。秦道珠等［8］研究表明，施用控釋尿素，可大幅度降低水田氨揮發(fā)損失。而侯朋福等［7］研究表明，控釋尿素一次施入稻田土壤氨揮發(fā)損失量較普通尿素高。但在本研究中，與U+CI（CK）相比，CRU+CI的氨揮發(fā)損失增加18.8%；與US+SWD相比，CRUS+SWD顯著增加了氨揮發(fā)。這主要與試驗(yàn)地點(diǎn)背景氣溫有較大關(guān)系。氨揮發(fā)與稻田水溫存在較好的正相關(guān)關(guān)系［24］。雖然控釋尿素養(yǎng)分釋放慢，但是由于控釋肥分基肥、分蘗肥兩次投入及此時期稻田有較高的水層，肥料顆粒密度小，大量浮在水層上面，加上施肥期間背景氣溫高，使得田間水面和土壤中銨態(tài)氮濃度迅速增加，從而增加了氨揮發(fā)［25-27］，這與朱小紅等［13］對巢湖流域晚稻氨揮發(fā)研究的發(fā)現(xiàn)一致。本試驗(yàn)觀測到基肥施用后返青期CRU+CI的土壤銨態(tài)氮顯著高于U+CI對照處理，從而導(dǎo)致更高的氨揮發(fā)，進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)。本研究中，控釋尿素若分3次施用，既可以減少前兩個時期氨的揮發(fā)，又可以進(jìn)一步補(bǔ)充后期稻田氮素供應(yīng)。薛欣欣等［10］研究表明，控釋尿素分次施用具有降低氨揮發(fā)損失的作用，此結(jié)論與控釋尿素分3次施用結(jié)果一致。因此，控釋尿素采用分次施用的方式是該區(qū)域目前稻田相對較好的施肥措施。

土壤水分對氨揮發(fā)的影響報道并不一致，而且缺乏與減氮相互結(jié)合的研究。不同灌溉方式下，稻田土壤的理化性質(zhì)以及氮素的積累、運(yùn)轉(zhuǎn)和分配各有差異，導(dǎo)致氮肥減量施用下氨揮發(fā)損失的方面存在諸多不確定性。崔遠(yuǎn)來等［17］研究表明，節(jié)水灌溉的氨揮發(fā)量高于普通灌溉的氨揮發(fā)量。彭世彰等［28］在晚稻研究中表明，與淹水灌溉相比，控制灌溉減少了稻田氨揮發(fā)損失。本研究中，與U+CI（CK）相比，US+SWD減少了氨揮發(fā)損失；與CRU+CI相比，CRUS+SWD使氨揮發(fā)降低。常規(guī)灌溉條件下，氨揮發(fā)發(fā)生在水層與大氣的界面處，田表水中銨態(tài)氮濃度是普通灌溉稻田氨揮發(fā)速率的主要影響因素；節(jié)水灌溉條件下，大部分氨揮發(fā)發(fā)生在土壤表面，表層土壤水中銨態(tài)氮濃度與稻田氨揮發(fā)速率有很好的線性關(guān)系，節(jié)水灌溉提高水-土界面的空氣交換，土壤中的硝化作用得以增強(qiáng)，部分NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-，降低了氨的揮發(fā)。肥料氮素氨揮發(fā)損失量隨施肥量增加而增加［29-30］，氮肥施用是氨揮發(fā)通量增加的主導(dǎo)因素，減少氮肥施用可顯著降低氨揮發(fā)損失量［25］。因此，節(jié)水灌溉技術(shù)和減氮結(jié)合，能更有效地減少氨的揮發(fā)損失。

控釋尿素、減氮、節(jié)水灌溉技術(shù)相結(jié)合的綜合效應(yīng)少有報道。前人研究表明，控釋肥和控制灌溉模式相結(jié)合的水肥聯(lián)合利用模式在節(jié)水的同時，大幅度減小了稻田的氨揮發(fā)損失，提高了稻田氮利用率，減少了對環(huán)境的污染［28］。在本試驗(yàn)中，與U+CI（CK）相比，CRUS+SWD的氨揮發(fā)量增加，但差異不顯著。減氮和節(jié)水搭配的減排作用抵消了單次控釋尿素的氨揮發(fā)氮損失，故普通灌溉條件下控釋肥、減氮和節(jié)水組合對氨的揮發(fā)無顯著作用，只有通過改變尿素的性質(zhì)和減少投入量，才能減少氨的揮發(fā)；節(jié)水灌溉條件下，干濕交替、中期曬田和淺水灌溉均能改善土壤的通氣狀況，減少氨的揮發(fā)。綜上所述，樹脂包膜控釋尿素采用減氮分次施用是長江中下游平原晚稻相對較好的施肥措施，但需合理安排施肥次數(shù)［31］。因此，根據(jù)本研究結(jié)果和荊州市的自然條件因素，建議采用基肥期減少氮肥用量，氮肥深施和合理分次施用緩釋肥料等管理措施，這樣才能達(dá)到“減排”的效果。本研究說明了控釋尿素、減氮、節(jié)水灌溉技術(shù)相結(jié)合的綜合效應(yīng)對氨排放的影響，但是研究三者的單獨(dú)及交互作用有待提高和改進(jìn)。因此，如何區(qū)分水和肥效的單獨(dú)及交互效應(yīng)是今后研究的重要方向。

3.2 不同水氮管理對水稻產(chǎn)量的影響

水分和氮肥在水稻產(chǎn)量形成中起著重要的作用。研究表明作物產(chǎn)量與施肥量成正相關(guān)關(guān)系［32］。在本研究中，相比U+CI（CK），US+SWD的水稻產(chǎn)量無顯著差異，CRU+CI的水稻產(chǎn)量和CRUS+SWD的水稻產(chǎn)量顯著增加。本研究是晚稻季開展的試驗(yàn)，由于前期溫度較高和降雨較多，氮素?fù)p失較多，可能會造成減產(chǎn)。已有研究表明，作物生長期氮素供應(yīng)不足可造成干物質(zhì)產(chǎn)量降低［33］。單次施用大量的樹脂包膜控釋尿素，雖然前期增加了氨的揮發(fā)損失，但養(yǎng)分釋放周期長，后期能滿足作物對養(yǎng)分的需求，有助于產(chǎn)量增長。而且節(jié)水灌溉下良好的土壤通氣環(huán)境，有利于氮的轉(zhuǎn)化吸收，同時根系生長旺盛，白根多且分布深，使其吸肥力高于普通灌溉，從而導(dǎo)致水稻增產(chǎn)。本試驗(yàn)中，控釋尿素處理間的產(chǎn)量無顯著差異。這些結(jié)果說明控釋尿素對水稻增產(chǎn)有顯著效果，節(jié)水灌溉有增產(chǎn)效果。因此，在薄淺濕曬節(jié)水灌溉搭配控釋尿素減氮20%的條件下，既能節(jié)約水和氮肥，又能增產(chǎn)。

4 結(jié)論

相比常規(guī)灌溉普通尿素U+CI（CK），常規(guī)灌溉控釋尿素處理（CRU+CI）和節(jié)水灌溉樹脂包膜控釋尿素減氮20%處理（CRUS+SWD）均未對氨揮發(fā)損失產(chǎn)生顯著影響，但均顯著增加了水稻產(chǎn)量，其中CRU+CI增加了17.4%，CRUS+SWD增加了11.0%，而兩個處理之間沒有顯著差異。綜合考慮，樹脂包膜控釋尿素在節(jié)水灌溉減氮20%的情況下，仍顯著提高了水稻產(chǎn)量，也并未顯著增加氨的排放。因此，CRUS+SWD既可增加作物的經(jīng)濟(jì)效益，又可節(jié)約水分和肥料，對減緩水稻生產(chǎn)導(dǎo)致的環(huán)境負(fù)效應(yīng)及增加產(chǎn)量具有一定的指導(dǎo)意義。