聚天門冬氨酸尿素對水稻產(chǎn)量及田面水氮素變化的綜合影響

王娜，徐嘉翼，張鑫，隋世江，葉鑫，牛世偉

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，沈陽 110161）

水稻是我國重要的糧食作物，總產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的40%，其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)對于保障國家糧食安全具有重要意義[1-2]。大量施用氮肥是獲得水稻高產(chǎn)的重要措施之一，然而我國水稻氮肥當(dāng)季利用率僅為20%～35%，低于世界平均水平[3-6]。氮肥除少部分被水稻吸收外，大部分通過氨揮發(fā)、淋溶或徑流等方式流失到環(huán)境中，對大氣和水體環(huán)境造成污染[7-10]，特別是在施肥初期或者雨季，氮肥流失量更大[11]。因此，農(nóng)田氮肥高投入、低利用率的傳統(tǒng)型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式造成的資源浪費及其引起的農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注[12]。

尿素具有成本低、養(yǎng)分供應(yīng)快等特點，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在水稻生產(chǎn)中，尿素是最主要的氮素來源，尿素的轉(zhuǎn)化直接關(guān)系到氮素的利用和損失[13]，因此研發(fā)緩釋型尿素對于控制氮肥流失十分重要。聚天門冬氨酸/鹽（PASP）是一種環(huán)境友好型綠色聚合物，由天門冬氨酸單體的羧基和氨基進(jìn)行分子間脫水縮合而成，除具有緩慢釋放養(yǎng)分的優(yōu)點外，還具有良好的螯合、解離和吸蓄等性能，能夠螯合游離的陰離子和陽離子，解離土壤固定的養(yǎng)分，并吸蓄養(yǎng)分，形成利于作物吸收的形態(tài)，提高肥料利用率，減少養(yǎng)分流失，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常被用作肥料增效劑和緩釋劑[14-15]。PASP 與尿素復(fù)配，其包裹在尿素表面，通過自身緩慢降解逐漸釋放尿素，同時PASP 還可吸附、螯合水和土壤中的養(yǎng)分，并富集到作物根系周圍，有利于作物養(yǎng)分吸收，減少氮素流失，提高作物產(chǎn)量與肥料利用率[16-17]。苗方[18]研究發(fā)現(xiàn)PASP 與尿素復(fù)配能提高玉米、棉花等多種作物產(chǎn)量，推薦添加量為0.01%～1.5%。孫克剛等[19]研究不同添加量PASP 與尿素復(fù)配和減量施氮對小麥產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)添加0.3%PASP結(jié)合20%減量施氮可使冬小麥增產(chǎn)1.3%，說明尿素中添加PASP 可以減少氮肥使用量，且作物不減產(chǎn)。陳秉翼[20]研究了PASP 尿素對農(nóng)作物的增效機制，表明PASP促進(jìn)了作物養(yǎng)分吸收，改善了作物養(yǎng)分平衡，提高了肥料利用率，對于產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善具有明顯效果。

目前關(guān)于PASP尿素的研究主要集中在對旱作區(qū)作物增產(chǎn)效果和增產(chǎn)機制等方面，而關(guān)于PASP 尿素對水稻產(chǎn)量和田面水氮素變化等方面的作用效果尚不清楚，尤其關(guān)于控污效果綜合評價未見報道。為此，本研究選用0.3%聚天門冬氨酸鈣鹽（PASP-Ca）與尿素復(fù)配，通過水稻大田試驗研究基于減量施氮下PASP-Ca尿素對水稻生長、氮吸收利用及田面水氮素濃度變化的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)度法評價PASP-Ca尿素的控污效果，旨在獲得PASP-Ca尿素的最佳施肥模式，為水稻合理施肥、控制面源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于遼寧省盤錦市盤山縣壩墻子鎮(zhèn)煙李村。地處遼河三角洲中心地帶，位于遼河、大遼河入?？诮粎R處，是濱海鹽土和鹽漬化土壤分布區(qū)。屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度8.4 ℃，無霜期174 d，年均降水量612 mm。供試土壤為水稻土，中等肥力。0～20 cm 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為全氮1.58 g·kg-1、全磷17.7 g·kg-1、全鉀28.7 g·kg-1、水解氮71 mg·kg-1、有效磷18.96 mg·kg-1、速效鉀154 mg·kg-1、有機質(zhì)17.7 g·kg-1、全鹽量1.17 g·kg-1、pH 7.8。

1.2 試驗材料

供試氮肥為大顆粒尿素（N 46%）和聚天門冬氨酸尿素（PASP-Ca 與尿素復(fù)配，添加量為尿素施用量的0.3%。），磷肥為磷酸二銨（P2O546%、N 18%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%）。供試水稻品種為鹽豐47 號。2018年5月15日施基肥旋耕，5月20日泡田，5月22日插秧，插秧密度為30 cm×16.5 cm，9月30日收獲水稻。

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置6個處理：CK0為不施肥空白處理；CK1為常規(guī)尿素+常規(guī)施氮量；T1為常規(guī)尿素+減量施氮；T2～T4 為聚天門冬氨酸尿素+減量施氮（各時期施氮比例見表1）。常規(guī)施氮量為270 kg·hm-2，減量施氮量為210 kg·hm-2。磷肥和鉀肥用量分別為P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，磷鉀肥全部基施。大區(qū)試驗面積為400 m2，每個處理3次重復(fù)，共18個小區(qū)，小區(qū)間田埂用薄膜覆蓋，防止串灌串排。田間管理與當(dāng)?shù)叵嗤?/p>

表1 試驗處理設(shè)置Table 1 Experiment treatments

1.4 樣品采集與測定

施肥后第1、3、5、7、10、15 d每日上午10：00采集田面水，水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后采用AA3流動分析儀（Bran Luebbe，德國）測定總氮（TN）、硝態(tài)氮（）、銨態(tài)氮（）濃度。水稻成熟后，每個小區(qū)采用3點取樣法沿土表收割水稻地上部分，每點收割1 m2樣方，測籽粒和秸稈生物量，并從中隨機選取10 穴測定水稻株高、有效分蘗數(shù)，并烘干粉碎籽粒和秸稈樣品，采用凱氏定氮法測定全氮含量，計算水稻的氮素累積吸收量、氮肥表觀利用率。

氮素累積吸收量（kg·hm-2）=籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）×氮素含量（%）+秸稈產(chǎn)量（kg·hm-2）×氮素含量（%）

圖1 施肥后田面水TN濃度變化Figure 1 TN concentrations in the ponding water after fertilization

氮肥表觀利用率=（施氮處理氮吸收量-不施氮處理氮吸收量）/施氮量×100%[21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1 數(shù)據(jù)處理與作圖

采用Microsoft Excel 2013 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗。

1.5.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法[22]對不同施肥處理的控污效果進(jìn)行綜合評價。正向指標(biāo)籽粒和秸稈產(chǎn)量、氮吸收量及氮肥表觀利用率值越高越好，逆向指標(biāo)基肥期TN、濃度峰值越低越好。因此選擇這些指標(biāo)中的最優(yōu)值構(gòu)建一個相對理想的“參考處理”，以“參考處理”各項指標(biāo)值所構(gòu)成的數(shù)列作為參考數(shù)列。以本研究中不同施肥處理下水稻產(chǎn)量、田面水氮素等各單項指標(biāo)所構(gòu)成的數(shù)列作為比較數(shù)列，計算關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度值越高，與理想“參考處理”關(guān)聯(lián)越密切，關(guān)聯(lián)度值越低，與理想“參考處理”關(guān)聯(lián)越遠(yuǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻田面水總氮動態(tài)變化

從圖1 可以看出，不施肥CK0 處理田面水TN 濃度一直處于較低水平，且相對穩(wěn)定。施入基、蘗肥后，常規(guī)尿素的各施肥處理田面水TN濃度均高于CK0處理，且在第1 d 即達(dá)到峰值，之后迅速下降，于第10 d降至峰值的11.82%～16.01%、17.86%～22.69%后趨于穩(wěn)定。在各施肥期1～7 d，基肥期的田面水TN 濃度高于蘗肥期，尤其在施肥后第1 d，基肥期的CK1處理田面水TN 濃度最高為45.07 mg·L-1，蘗肥期TN 濃度顯著低于基肥期68.35%，這說明基肥期氮素流失風(fēng)險高于蘗肥期。同時在峰值期，各施肥期T1 處理田面水TN 濃度分別低于CK1 處理12.70%、17.23%，差異不顯著，這說明減量施肥能夠降低田面水TN濃度。

施基肥1～7 d 內(nèi)，添加PASP-Ca 的T2、T3 和T4 處理田面水TN 濃度均低于T1 處理，其中T3 處理TN 濃度降低了5.60%～34.17%，差異不顯著。施蘗肥1～7 d內(nèi)，在等施氮量情況下，T3 處理田面水TN 濃度最高，高出T1處理9.79%～30.25%，而T2處理TN 濃度最低，低于T1 處理1.60%～18.74%，差異不顯著，這表明添加PASP-Ca 能夠降低田面水TN 濃度，且隨著施氮比例增大，田面水TN濃度呈增加趨勢。

2.2 水稻田面水銨態(tài)氮動態(tài)變化

圖2 施肥后田面水-N濃度變化Figure 2 -N concentrations in the ponding water after fertilization

圖3 施肥后田面水-N濃度變化Figure 3 -N concentrations in the ponding water after fertilization

2.3 水稻田面水硝態(tài)氮動態(tài)變化

2.4 不同處理對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

如表2 所示，所有施肥處理水稻株高、有效分蘗數(shù)、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量均顯著高于CK0 處理，這說明施用氮肥是水稻增產(chǎn)的關(guān)鍵因素，且施氮量、肥料種類、施肥方式均影響增產(chǎn)效果。

T1 處理水稻株高、有效分蘗數(shù)、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量與CK1處理無顯著差異，說明減量施肥能夠滿足水稻生長養(yǎng)分需求。與T1 處理相比，T2、T3 處理增加了水稻有效分蘗數(shù)、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量，差異不顯著，這說明添加PASP可有效促進(jìn)水稻生長和分蘗，使水稻增產(chǎn)0.87%～7.27%，且施肥時期和比例對水稻生長及產(chǎn)量有一定影響。

2.5 不同處理對水稻氮素吸收量和氮肥利用率的影響

如圖4 和圖5 所示，所有施肥處理水稻籽粒和秸稈氮吸收量均顯著高于不施肥CK0 處理。與常規(guī)施肥CK1 相比，減量施氮T1 處理的水稻氮累積吸收量增加了0.39%，氮肥表觀利用率提高了9.35 個百分點，但差異不顯著，這說明減量施肥可促進(jìn)養(yǎng)分吸收，提高氮肥利用率，節(jié)約了肥料，降低了因過量施肥而引起的氮素流失風(fēng)險。

與T1 處理相比，所有PASP-Ca 處理均增加了水稻籽粒和秸稈氮吸收量，氮累積吸收量增加了7.05%～35.20%，尤其T2處理籽粒、秸稈氮吸收量顯著增加了30.08%和46.27%，表明添加PASP-Ca 能夠增加水稻氮含量。所有PASP-Ca 處理均提高了氮肥表觀利用率，氮肥表觀利用率提高了6.11～30.26 個百分點，尤其T2、T3 處理利用率為71.98%、55.63%，較T1處理分別顯著提高了30.26、14.63 個百分點，這表明添加PASP-Ca 能夠提高氮肥表觀利用率，且施氮比例影響氮素吸收利用。

2.6 不同施肥處理控污效果綜合評價

利用灰色關(guān)聯(lián)度法分析不同施肥處理對田面水氮素和水稻產(chǎn)量、氮素吸收量以及肥料利用率等指標(biāo)的綜合影響并篩選出最佳的施肥模式。如表3 所示，在各單一指標(biāo)關(guān)聯(lián)度中，籽粒產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最大為0.855 4，其次基肥期田面水TN 濃度峰值關(guān)聯(lián)度為0.851 6，表明不同施肥處理對水稻產(chǎn)量和田面水TN濃度的影響較大。通過比較各單一指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)T2 處理對水稻的籽粒、秸稈產(chǎn)量和氮吸收量及氮肥利用率影響最大，T3處理對基肥期田面水的TN、濃度峰值影響最大。從綜合評價結(jié)果與排序來看，所有PASP-Ca尿素處理關(guān)聯(lián)度均高于T1處理，其中T2 處理關(guān)聯(lián)度較高，其次是T3 處理，常規(guī)施肥CK1處理關(guān)聯(lián)度最低。

表2 不同處理水稻株高、有效分蘗數(shù)及產(chǎn)量Table 2 Plant height，effective tiller number，and rice yield under the different treatments

圖4 不同處理水稻氮吸收量Figure 4 N uptake by rice under the different treatments

圖5 不同處理水稻氮肥表觀利用率Figure 5 Fertilizer N use efficiency under the different treatments

表3 關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度及綜合評價排序Table 3 The correlation coefficients，correlation degree，and comprensive evaluation sorting

3 討論

3.1 不同處理對田面水氮素動態(tài)的影響

了解田面水中不同形態(tài)氮素動態(tài)變化，有助于準(zhǔn)確評價氮素流失風(fēng)險及控污效果。本試驗中，各施氮肥處理田面水TN 濃度均高于不施肥CK0 處理，這說明氮肥是田面水氮素濃度增加的主要來源。施肥后田面水TN 濃度在第1 d 即達(dá)到峰值，隨后迅速下降，至第10 d后趨于穩(wěn)定，可見施肥10 d內(nèi)是控制氮素流失的關(guān)鍵時期，這與楊坤宇等[23]、唐敏等[24]研究結(jié)果一致。各施肥期T1 處理田面水TN 濃度均低于CK1處理，其峰值期分別低于CK1 處理12.70%、20.82%，這說明減量施肥能夠降低田面水TN 濃度，進(jìn)而降低施肥對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成的環(huán)境風(fēng)險。在減量施氮情況下，添加PASP-Ca的T2處理田面水TN濃度低于T1 處理，這可能是由于PASP-Ca 延緩尿素水解及向田面水釋放養(yǎng)分，從而降低了田面水TN 濃度。T3 處理基肥期田面水TN 濃度低于T2 處理，而蘗肥期高于T2 處理，這說明施肥比例對田面水TN 濃度有影響，隨著施氮比例的增大而增加，因此要合理施肥以滿足不同時期水稻生長養(yǎng)分需求，減少稻田養(yǎng)分流失?；势诘奶锩嫠甌N 濃度高于蘗肥期，尤其是施入基肥后第1 d，這表明泡田期是稻田氮素流失的主要風(fēng)險期，因此要合理灌溉，嚴(yán)禁排泡田水。

3.2 不同處理對水稻產(chǎn)量、氮素吸收量及氮肥利用率的影響

本試驗中，所有施肥處理的水稻產(chǎn)量均高于不施肥處理，這說明稻田自然環(huán)境中氮供給不足，因此水稻生產(chǎn)中人為補充氮肥是必要的。氮肥使用量由270 kg·hm-2減至210 kg·hm-2，可促進(jìn)水稻增產(chǎn)0.78%，增加水稻養(yǎng)分吸收量0.39%，提高氮肥表觀利用率9.35 個百分點，這說明在保證水稻穩(wěn)產(chǎn)情況下，適量減少施肥量，實施源頭控制，可以降低氮肥流失風(fēng)險。

減量施肥增產(chǎn)效果不顯著，因此在減量施肥基礎(chǔ)上添加了PASP-Ca。與常規(guī)尿素相比，所有PASP-Ca尿素處理使水稻增產(chǎn)0.87%～7.27%，氮累積吸收量增加了7.05%～35.20%，氮肥表觀利用率提高了6.11～30.26個百分點，可見添加PASP-Ca實現(xiàn)了氮肥減施、水稻增產(chǎn)和肥料高效利用等綜合效果。這一方面是由于添加PASP-Ca 抑制了氮素過快釋放，延長了尿素肥效，實現(xiàn)了養(yǎng)分釋放與水稻生長需肥規(guī)律協(xié)調(diào)一致，提高了肥料利用率。另一方面，PASP-Ca 能夠吸附、螯合田面水和土壤中的養(yǎng)分，形成可利用形態(tài)氮，富集到水稻根系附近，有利于水稻養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)積累，促進(jìn)水稻增產(chǎn)。

3.3 不同施肥處理控污效果的綜合評價

利用灰色關(guān)聯(lián)度法對上述與稻田控污相關(guān)的主要指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，篩選出控污效果最佳的施肥模式，克服了利用單一指標(biāo)評價控污效果的弊端，能真實地反映不同施肥處理的實際控污效果。選擇田面水氮素濃度、水稻產(chǎn)量和氮素吸收量以及肥料利用率等為主要比較指標(biāo)，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法對不同施肥處理的控污效果進(jìn)行綜合評價是可行的。本試驗中，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法對各單一指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)籽粒產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最大，其次是基肥期田面水TN濃度，因此推薦水稻籽粒產(chǎn)量和田面水TN濃度作為不同施肥處理控污效果的主要評價指標(biāo)。通過比較各單一指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，T2 處理對籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和氮吸收量及氮肥利用率影響最大，T3處理對基肥期田面水TN、NH+4-N 濃度峰值影響最大，這表明T2 處理施氮比例和時期所供給養(yǎng)分與水稻需肥規(guī)律一致，有利于水稻養(yǎng)分吸收和干物種積累，促進(jìn)水稻增產(chǎn)，提高氮肥利用率，而T3 處理施氮比例和時期有利于降低田面水不同形態(tài)氮濃度。從綜合評價結(jié)果與排序來看，所有PASP-Ca 尿素處理關(guān)聯(lián)度均高于T1 處理，其中T2 處理關(guān)聯(lián)度最高，其次是T3處理，常規(guī)施肥CK1處理關(guān)聯(lián)度最低，這表明添加PASP-Ca 和減量施氮對于稻田氮素流失具有較好的防控作用，其中PASP-Ca 是影響水稻控污效果的主要因素，減量施肥是次要因素，施肥比例是一般因素。綜上所述，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法對不同施肥處理的控污效果進(jìn)行綜合評價，篩選出T2 處理為最佳的施肥模式，兼顧水稻增產(chǎn)和肥料減施，對于保護糧食安全和環(huán)境安全具有雙重意義。本研究僅是一年大田試驗結(jié)果，有待于進(jìn)一步開展多年田間熟化驗證，以保證該技術(shù)模式的推廣應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

（1）減量施氮處理降低了田面水氮素濃度，尤其在施肥后第1 d，田面水TN 濃度顯著降低，節(jié)約了肥料，保證了水稻穩(wěn)產(chǎn)。

（2）減量施用PASP-Ca 尿素，基、蘗肥施氮比例為80%、20%，能夠有效降低田面水氮素濃度，尤其顯著降低田面水濃度，是值得推薦的一種控污施肥模式。

（3）減量施用PASP-Ca 尿素能夠有效增加水稻籽粒、秸稈產(chǎn)量和氮素吸收量，促進(jìn)水稻增產(chǎn)，提高氮肥利用率。

（4）PASP-Ca尿素能夠在一定程度上保障水稻產(chǎn)量，降低田面水氮素濃度，是遼寧省稻區(qū)面源污染防控中值得推廣的一種技術(shù)模式。