生化抑制劑組合與施肥模式對黃泥田稻季氨揮發的影響

周 旋 ，吳良歡 ，戴 鋒 ，董春華

（1.教育部環境修復與生態健康重點實驗室/浙江大學環境與資源學院，杭州 310058；2.浙江省農業資源與環境重點實驗室/浙江大學環境與資源學院，杭州 310058；3.湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125；4.浙江奧復托化工有限公司，浙江 上虞 312300）

氨（NH3）揮發是稻田氮（N）肥損失的主要途徑之一，占施N量的10%～60%[1－2]。根據土壤和氣候因素的不同，尿素施入稻田后2～10 d內完全水解[3]，釋放大量的銨態氮（），導致田面水pH值迅速上升，造成嚴重的NH3揮發損失；而NH3通過大氣干濕沉降進入地表水體，加劇水體富營養化[4－5]。因此，如何有效減少稻田N素損失、提高N肥利用率對經濟及生態效益意義重大[6－7]。

硝化抑制劑應用于稻田與N肥配施，可以有效減少稻田氧化亞氮排放[11]，降低N素徑流與淋溶損失量[12]，從而提高N素利用率，增加水稻產量。與旱地土壤不同，水稻土表層多處于淹水狀態，施入N肥轉化為保留在田面水中，添加硝化抑制劑會增加田面水濃度，導致更多（約 20%）NH3揮發損失[13]。Sun等[14]通過田間微區15N標記試驗發現，不同施N水平下施用硝化抑制劑2－氯－6－（三氯甲基）吡啶（CP）會增加54.7%～110.6%NH3揮發排放。張文學等[15]研究發現，硝化抑制劑3，4－二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）前期對NH3揮發有一定促進作用，而添加采用脲酶抑制劑是一項有效降低稻田NH3揮發損失的技術措施。N－丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前商品化的土壤脲酶抑制劑之一[3]，其減緩尿素水解的作用明顯，可以延長施肥點尿素的擴散，降低土壤溶液中NH+濃度，抑制NH3揮發損失，從而使養分盡快被作物吸收[8]。彭玉凈等[9]研究發現，施用NBPT的稻田NH3揮發損失（率）從73.3 kg·hm－2（24.4%）下降至34.5 kg·hm－2（11.5%），降幅53%。此外，脲酶抑制劑的效用受到土壤類型、pH和水分狀況等土壤理化性質、有機物質及尿素濃度等因素的影響[10]。NBPT可降低累積NH3揮發損失量21.7%，NBPT+DMPP配施則可使其降低13.6%。

黃泥田是廣泛分布于南方省份的一種典型滲育型水稻土[16]，通常水分供應不足，磷（P）、鉀（K）養分缺乏，屬于中低產水稻田[17]。前期研究發現，尿素添加CP施用能促進早、晚稻生長，增產增收，提高N肥利用率，且早稻增產效果較晚稻好[18]，推測與晚稻生育期間的NH3揮發損失較高有關。目前，在黃泥田地區關于生化抑制劑組合配施的應用較少[10]，而結合施肥模式的NH3揮發排放研究更是鮮有報道。浙江奧復托化工公司經多次篩選發現一款有良好應用前景的脲酶抑制劑——N－丙基硫代磷酰三胺（NPPT），具有一定的抑制作用[19]。此外，影響NH3揮發損失的因素主要有氣候條件（溫度、濕度、光照及風速等）、土壤性質、化肥品種和施用方式以及種植制度等[20]。因此，開展脲酶抑制劑（NBPT/NPPT）和硝化抑制劑（CP）配施結合不同施肥模式，對黃泥田稻季NH3揮發速率和損失累積量影響及NH3揮發相關影響因素的研究，為減少農業生產中N素損失、提高N肥利用率及稻田緩釋N肥的研制提供理論依據和技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年5—10月在浙江省金華市婺城區瑯琊鎮金朱村（29°01′19″N，119°27′96″E）進行。該區地處金衢盆地東緣，屬于中亞熱帶季風氣候，海拔86 m，年均降雨量1424 mm，年均氣溫17.5℃。供試土壤為黃泥田水稻土，前茬為冬閑田。耕層土壤基本理化性狀：pH（H2O）5.31（土∶水=1∶1），有機質25.60 g·kg－1，全 N 1.87 g·kg-1，堿解 N 118.40 mg·kg-1，有效磷 7.21 mg·kg-1，速效鉀 93.00 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試水稻品種為雜交秈稻“兩優培九”。供試肥料品種N肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。脲酶抑制劑NBPT、NPPT和硝化抑制劑CP（24%乳油劑型）為分析純，由浙江奧復托化工有限公司生產。

1.3 試驗設計

試驗采用生化抑制劑組合×施N模式兩因素隨機區組設計，設置2種施N模式（一次性和分次施肥）和6種生化抑制劑組合及不施N處理（CK），共13個處理。N肥施用模式如表1所示，與抑制劑配施前將二者混合均勻。磷（P2O5）、鉀（K2O）用量分別為90 kg·hm-2和 120 kg·hm-2。磷肥和鉀肥全部用作基肥于移栽前一次性施入。栽插密度為19.8 cm×19.8 cm，25萬穴·hm-2，每穴2苗。單季稻于2015年5月28日播種，6月21日移栽，10月14日收獲。小區面積30 m2（5 m×6 m），重復3次。每小區之間筑埂并用塑料薄膜包裹，區組間設排灌溝，單灌單排。田間其他管理按常規進行。

1.4 采樣與測定方法

NH3揮發測定采用密閉室通氣法[20-21]，密閉室為透明的有機玻璃制作（直徑20 cm、高15 cm），揮發NH3吸收液采用 0.01 mol·L-1稀硫酸，于施肥后 1、3、6、9、12 d抽氣結束后將吸收液帶回實驗室，采用靛酚藍比色法測定揮發量。每日8：00—10：00和15：00—17：00分別進行抽氣，以這段時間的通量值作為每日NH3揮發平均通量計算全日的NH3揮發量。施肥后定期測定田面水pH，用注射器選5點混合采集田面水樣品，帶回實驗室后過濾，采用靛酚藍比色法測定NH+4-N濃度。

土壤溫度與相對含水率采用土壤溫濕度速測儀（YE48YM-19，北京中西遠大科技有限公司）進行監測，設置記錄間隔為2 h，埋深為15 cm，其中土壤相對含水率是指土壤含水量占田間持水量的比例（%）。氣溫數據由浙江省金華市氣象局婺城區監測點提供。

1.5 數據處理

采用Excel 2003和SPSS 17.0數據分析軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 稻田氣溫、土溫和土壤相對濕度

由圖1A和圖1B可知，單季稻生長期氣溫和土溫總體呈下降趨勢，氣溫前期波動較大，土溫變化幅度較小；整個生育期平均氣溫和土溫分別為26.2℃和25.6℃，變化幅度分別為15.0℃和13.0℃。水稻生長前期水層較厚，中間曬田，后期落干，干濕交替較為頻繁（圖1B）。

表1 氮肥施用方式Table1 N application methods

2.2 NH3揮發動態變化

2.2.1 NH3揮發速率

圖1 稻季生育期氣溫、土溫和土壤相對濕度的動態變化Figure1 Dynamics of air temperature，soil temperature and soil relative moisture during the experimental period of rice season

圖2 不同處理下黃泥田稻季NH3揮發速率的動態變化Figure2 Dynamics of NH3volatilization rate during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

由圖2可知，施肥后2周內NH3揮發速率于第3 d達到峰值后逐漸下降，之后各處理NH3揮發速率差異不大。基肥施用后第3 d峰值大小表現為U+CP＞U+NPPT+CP＞U＞U+NBPT+CP＞U+NBPT＞U+NPPT＞CK（一次性施肥）；U3＞U3+CP＞U3+NPPT+CP＞U3+NBPT+CP＞U3+NBPT＞U3+NPPT＞CK（分次施肥），說明添加 CP會提高稻田NH3揮發速率峰值，而NBPT/NPPT或配施CP明顯延緩尿素水解，降低NH3揮發速率峰值。分次施肥中，基肥施用后NH3揮發峰值明顯較一次性施肥低；分蘗肥和穗肥施用后NH3揮發迅速達到峰值，之后逐漸降低并趨于穩定。

2.2.2 NH3揮發總量

由表2可知，整個水稻生育期一次性施肥的NH3揮發凈損失量為 18.3～55.7 kg N·hm－2，占 N 肥施用量的 10.2%～31.0%；分次施肥為 15.6～41.2 kg N·hm－2，占N肥施用量的8.7%～22.9%。基肥期是NH3揮發損失的主要時期，占總揮發量的68.8%～86.9%（一次性施肥）和51.7%～61.8%（分次施肥）；穗肥期NH3揮發損失量最小。

不同施肥模式下，施N處理稻田NH3總揮發損失量均顯著高于CK處理。生化抑制劑組合和施肥模式分別對NH3總揮發損失量效應極顯著（P＜0.001），兩者交互效應不顯著（P＞0.05）（表 2）。U3處理 NH3總揮發損失量和凈損失率較U處理降低11.5 kg N·hm－2和24.6%。一次性施用中，各施N處理較CK處理NH3總揮發損失量增加 18.3～55.7 kg N·hm－2。與 U處理相比，U+NBPT、U+NPPT、U+NBPT+CP 和 U+NPPT+CP處理NH3揮發凈損失率分別降低46.9%、60.9%、20.2%和35.0%，而U+CP處理增加18.9%。分次施用中，各施N處理較CK處理NH3總揮發損失量增加 15.6～41.2 kg N·hm－2。與 U3處理相比，U3+NBPT、U3+NPPT、U3+NBPT+CP 和 U3+NPPT+CP 處理NH3揮發凈損失率分別降低55.9%、53.0%、19.1%和32.5%，而U3+CP處理增加16.6%。說明尿素配施NBPT/NPPT能有效延緩尿素水解，降低NH3揮發損失，而單獨添加CP抑制硝化作用，會增加NH3揮發損失，加劇N素流失風險。

表2 不同處理下黃泥田稻季各施肥期NH3揮發損失量與凈損失率Table2 NH3volatilization loss and net loss ratio at various fertilization stages during rice growing season from yellow clayey paddy field under different treatments

2.3 田面水濃度動態變化

表3 NH3揮發速率與其影響因子的相關系數Table3 Correlation coefficients between NH3volatilization rate and influencing factors

2.4 田面水pH動態變化

由圖4可知，施N處理田面水pH值整體呈先升后降的趨勢，在1～3 d內迅速達到峰值，且pH值均大于7；pH值變幅分別為6.5～8.3（一次性施肥）和5.6～8.1（分次施肥）。基肥施用后pH值第3 d的大小順序表現為 U＞U+CP＞U+NPPT＞U+NBPT＞U+NBPT+CP＞U+NPPT+CP（一次性施肥）；U3+CP＞U3+NBPT+CP＞U3＞U3+NPPT＞U3+NBPT＞U3+NPPT+CP（分次施肥）。說明稻田尿素水解過程使pH值增加，添加NBPT/NPPT可以通過抑制尿素水解來減弱pH的升高，有利于降低NH3揮發損失。

2.5 NH3揮發速率與其影響因子的相關性分析

由表3可知，各施肥處理NH3揮發速率與同期田面水 pH 值（r一次性=0.529～0.687*；r分次=0.413～0.646*）及濃度（r一次性=0.599*～0.908**；r分次=0.613*～0.823**）均呈顯著正相關，而與氣溫（r一次性=－0.034～0.168；r分次=－0.243～0.060）、土溫（r一次性=0.302～0.458；r分次=－0.107～0.080）及土壤相對濕度（r一次性=0.073～0.257；r分次=0.209～0.428）的相關性不顯著。施肥后 3 d內，田面水pH值及濃度迅速增加，稻田NH3揮發速率隨之劇增，而氣溫、土溫趨勢與NH3揮發速率并未表現出一致性。在稻田施入尿素2周內，田面水pH值隨著含量下降而降低。說明田面水N濃度和pH值是影響稻田NH3揮發損失的主要因素。

3 討論

3.1 施肥模式對稻田NH3揮發的影響

圖3 不同處理下黃泥田稻季田面水濃度的動態變化Figure3 Dynamics of concentration in surface water during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

圖4 不同處理下黃泥田稻季田面水pH的動態變化Figure4 Dynamics of pH in surface water during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

關于稻田NH3揮發主要時期的報道結論不一。鄧美華等[22]研究發現，稻田施肥后NH3揮發持續時間短，主要發生在施肥后1周以內；基肥階段是NH3揮發的主要時期，約占揮發損失N的50%。而曹金留等[23]研究發現，稻田基肥期N素損失比例最小，分蘗肥期比例最大。葉世超等[24]研究發現，NH3揮發損失量為分蘗肥期＞倒4葉穗肥期＞基肥期＞倒2葉穗肥期。本研究中，一次性施肥稻田NH3揮發主要發生在基肥期；分次施肥主要發生在基肥期和分蘗肥期，穗肥期最低。其原因可能是基蘗肥施N量大，水稻秧苗較小、需N量少、吸N能力弱；而穗肥施用時，植株生長旺盛，養分需求量大，田間郁閉度較高，冠層覆蓋對藻類光合作用引起pH上升有抑制作用，導致穗肥期NH3損失遠低于基蘗肥期[23，25]。

夏文建等[26]研究發現，稻季NH3揮發損失量（率）為32.5～62.8 kg N·hm－2（8.2%～19.4%），NH3揮發峰值發生在施肥后2～3 d，持續5～7 d。張惠等[27]研究發現，稻田NH3揮發量（率）為27.6～94.1 kg N·hm－2（16.4%～22.2%）；不同施肥階段NH3揮發持續時間為10 d左右，最大峰值均在施肥后2～3 d，分蘗肥期損失量（率）最大（27.1%～37.0%）。Sun等[14]研究發現，不同處理15N 標記尿素 NH3揮發累積量為15.1～56.8 kg N·hm－2，占當季投入量8.4%～23.7%。本研究結果表明，黃泥田稻季NH3揮發損失主要集中于施肥后1周，峰值發生在施肥后第1～3 d。U3處理NH3總揮發損失量和凈損失率較U處理降低11.5 kg N·hm－2和24.6%，可能與基肥期N肥施用量有關。不同施肥時期NH3揮發損失量大小表現為基肥期＞分蘗肥期＞穗肥期。其中，基肥期NH3揮發損失量占整個水稻生育期的68.4%～86.9%（一次性施肥） 和 51.7%～61.8%（分次施肥），可能是由于施肥初期溫度迅速升高達30℃，加劇基肥期NH3的揮發，隨后溫度突然下降又上升，影響分蘗肥期的排放。

3.2 抑制劑組合對稻田NH3揮發的影響

相關研究表明，脲酶抑制劑在淹水稻田施用后，可以有效降低NH3揮發速率、減少累積NH3揮發損失量[29－30]。Phongpan 等[31]研究發現，NBPT 在堿性土壤、通氣性較好的條件下對NH3損失抑制較好。彭玉凈等[9]研究發現，小麥秸稈還田中添加NBPT可以延緩尿素水解，顯著降低NH3損失。本研究中，NBPT在偏酸性的黃泥田土壤中施用效果與以上研究結果一致，可以有效減少N素揮發損失。陳利軍等[32]研究發現，氫醌（HQ）和雙氰胺（DCD）配合使用不僅延緩土壤中尿素水解，而且使其水解后釋放出的在土壤中更多和更長時間的保持。孫祥鑫等[33]研究發現，1%DMPP處理NH3揮發顯著增加25.8%，而0.5%NBPT+1%DMPP和0.5%NBPT處理分別減排NH371.9%和43.2%。本研究中，添加NBPT/NPPT或配施CP可以明顯延緩尿素水解，推遲田面水峰值出現的時間，并減小峰值，降低田面水NH3揮發速率和損失量，減少NH3揮發損失，與以上研究結果一致。因此，兩者配合施用在黃泥田中對NH3揮發具有協同抑制效果，有利于緩解單獨添加CP造成的損失。

3.3 環境因子對稻田NH3揮發的影響

尿素施入土壤后，水解產物碳銨導致土壤pH升高，在遇到風速較大、土壤濕潤、作物覆蓋率較低、溫度較高等條件時易引起NH3揮發損失[29]。相關研究表明，稻田NH3揮發量與田面水中濃度呈正相關[27，34－36]。張惠等[27]研究表明，溫度、光照、pH 值是黃河上游灌區NH3揮發的主要影響因素。葉世超等[24]研究發現，施N后NH3揮發峰值和田面水峰值同步出現，且分蘗肥期最大。張文學等[15]研究表明，地表水中濃度和pH值與NH3揮發速率均達極顯著正相關，而氣溫、地溫和水溫與NH3揮發速率相關性不顯著。本研究結果表明，在影響NH3揮發速率的環境因子中，田面水pH值和濃度與NH3揮發速率呈顯著正相關，與李菊梅等[37]、張文學等[15]研究結果一致。因此，降低田面水濃度與pH值是減少黃泥田稻季NH3揮發的重要措施，而添加脲酶抑制劑NBPT/NPPT是緩解尿素類肥料N素損失的重要解決途徑。

4 結論

NBPT是減少稻季NH3揮發損失、促進黃泥田保N的一項有效措施。新型脲酶抑制劑NPPT單獨施用及與CP配施的稻田NH3揮發動態變化與NBPT相似。單獨添加硝化抑制劑CP有加劇黃泥田稻季N肥NH3揮發損失的風險，而CP配施NBPT/NPPT可以有效降低稻田NH3揮發損失，利于作物吸收。基于作物N素吸收階段，增加追肥比例和施肥次數的優化施N，可以有效減少肥料N的NH3揮發損失。然而選擇何種方式減少NH3揮發損失，還要綜合考慮機械化水平、勞動力、N肥市場及價格等因素。

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