控釋氮肥和氮磷減量對水稻產量及田面水氮磷流失的影響

石敦杰， 楊 蘭，2， 榮湘民，2， 謝 勇， 唐 麗， 田 昌，2， 謝桂先，2， 宋海星，2， 張玉平，2

(1.湖南農業大學資源環境學院，湖南長沙 410128； 2.土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室/農田污染控制與農業資源利用湖南省重點實驗室/植物營養湖南省普通高等學校重點實驗室，湖南長沙 410128)

水稻是我國重要的糧食作物，總產量約占全國糧食總產量的40%[1-2]。大量施用氮磷肥是獲得水稻高產的重要措施之一[3-4]。我國耕地面積只有世界耕地總面積的7%左右，但化肥施用量卻超過了世界化肥施用總量的25%[5-6]。近些年來，我國氮磷肥施用量還在持續增加，但肥料的增產效應卻呈遞減趨勢[7]。增產效應遞減，作物相對吸收的比例更少，會有更多的養分通過徑流、滲漏等方式損失至江河湖泊，引起水體富營養化。農田氮磷徑流損失是造成流域水體氮、磷富營養化的主要原因之一，農業高投入、低利用率的傳統型農業生產模式造成的資源浪費及其引起的農業面源污染已經得到了人們的廣泛關注。農田提高水稻產量及減少水污染的研究主要集中在肥料用量、施用方法、施用時間和灌溉管理等方面[8]。由于普通氮肥的速溶性和降雨的不可控制性，控制肥料的徑流和淋溶仍然很困難。控釋氮肥與普通氮肥相比，它可以通過控制氮素釋放來協調作物養分的供給，既減少氮素損失，又可提高氮肥利用率[9]。磷是水體產生富營養化的限制因素，如果磷素未達到一定含量，僅有氮、碳等元素不會引起水體富營養化[10]。毛里湖是湖南省內僅次于洞庭湖的第二大淡水湖，農村面源污染是影響其水質污染的主要原因之一。近年來，關于控釋氮肥及磷肥減量施用對雙季稻產量和氮磷利用率的研究較多，大多集中在對水稻或土壤污染的研究上，但針對毛里湖地區中稻的田面水污染研究較少。

本研究設置控釋氮肥和氮磷減量處理，探討其對中稻產量及田面水氮磷流失風險的影響，為毛里湖中稻合理施肥、控制面源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為河潮土發育的河潮泥，該土壤8項基本指標如下：有機質含量為26.87 g/kg，總氮含量為1.78 g/kg，全磷含量為0.60 g/kg，全鉀含量為26.74 g/kg，堿解氮含量為 84.08 mg/kg，有效磷含量為12.74 mg/kg，速效鉀含量為217.72 mg/kg，pH值為6.74。

供試中稻品種為c兩優198。供試氮肥為普通尿素(含氮46%)、控釋氮肥(含氮 42%)、樹脂包膜尿素，其中控釋氮肥由金正大生態股份有限公司生產；磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)；鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。

1.2 試驗設計

試驗于2016年5—9月在湖南省常德市津市市毛里湖地區進行。試驗設置3個處理，分別為常規施肥處理(T1處理，N、P2O5、K2O施用量分別為180、40、120 kg/hm2)、控釋氮肥減氮20%處理(T2處理，N、P2O5、K2O施用量分別為144、40、120 kg/hm2)、控釋氮肥和過磷酸鈣各減量20%處理(T3處理，N、P2O5、K2O施用量分別為144、32、120 kg/hm2)，3次重復，隨機區組排列。試驗共9個小區，小區面積30 m2(4.0 m×7.5 m)，小區用田埂隔開，田埂用塑料薄膜包覆，防止水、肥互滲。所有處理氮、鉀肥60%作基肥(土層混施)，40%作分蘗肥(表層撒施)；磷肥作基肥(土層混施)一次性施用，水稻于5月31日施基肥并移栽，6月10日施追肥，9月20日收割。大田管理方式同當地農戶常規管理。

1.3 樣品采集和分析

施基肥后1、2、3、5、7、9 d和追肥后1、2、3、5、7、9、11、13、15、17 d取田面水，采樣均在08：00—10：00進行。采樣時用100 mL醫用注射器，不擾動水層，按照對角線取樣法，每小區取5個點田面水混合樣300 mL；水稻收割前每小區取5蔸有代表性植株進行考種；每小區單打單曬，分別統計稻谷和秸稈產量，并取樣測定稻谷和秸稈氮磷含量。

肥料偏生產力=作物產量/施肥量；

收獲指數=籽粒產量/地上部生物量。

1.4 數據計算及分析

用DPS和Excel 2003軟件分析處理數據，采用LSD檢驗法進行顯著性分析，用Graphpad Prism 5.0作圖。

2 結果與分析

2.1 控釋氮肥與氮磷減量對水稻產量和氮磷吸收的影響

2.1.1 對水稻產量及其構成因素的影響 由表1可以看出，產量及其構成因素在3個處理間均無顯著差異，相比于常規施肥T1處理，T2和T3處理收獲期水稻籽粒產量不僅沒有因為減少肥料用量而降低，反而有所上升，增產率分別為 8.29%和5.03%，T3相比于T2產量降低3.01%。T2處理的株高、穗長最高，T1處理次之，T3處理最低；T2和T3處理每兜有效穗數和結實率均高于T1處理；T1處理的毎穗實粒數和千粒質量高于T2和T3處理。

表1 不同施肥處理對中稻產量及構成因素的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下表同。

2.1.2 對中稻氮磷養分吸收及利用的影響 從表2可以看出，T2和T3處理的地上部氮素累積量均顯著高于T1處理，其中T2、T3處理的氮素累積量分別較T1處理提高了30.74%、18.99%；T3處理的地上部磷素累積量相對于T1、T2處理較低，但差異不顯著；與T1處理相比，T2和T3處理顯著提高了氮肥和磷肥的偏生產力，其中，氮肥偏生產力(NPFP)分別提高了35.37%和 31.31%，磷肥偏生產力(PPFP)分別提高了8.29%和31.30%，說明T2與T3處理配合土壤基礎養分水平的綜合效應比T1處理要好[11]；T1、T2與T3處理收獲指數無明顯差異。

表2 不同施肥處理對中稻氮磷養分吸收及利用率的影響

2.2 控釋氮肥與氮磷減量對施肥后稻田田面水氮磷含量的影響

2.2.1 對田面水總氮含量的影響 從圖1可以看出，采用T1處理施肥后，普通尿素迅速溶解，使田面水中總氮含量快速提高，于基肥后1 d達到峰值(70.34 mg/L)，然后隨著時間的推移而下降。總氮含量在追肥后的1 d達到第2個峰值，含量為62.14 mg/L，之后變化規律與施用基肥后的變化規律一致，總氮含量未到達穩定狀態并在取樣的最后1 d降到最低值(15.20 mg/L)。基肥施后9 d內和追肥后17 d內總氮平均含量分別為51.95、37.05 mg/L。控釋氮肥減氮處理T2和T3施基肥后，田面水中總氮含量逐漸升高；追肥后，總氮含量躍升隨后緩慢上升，T2、T3處理的總氮含量分別在追肥后9、7 d達到峰值，隨后下降。T2、T3處理的總氮峰值含量分別6.29、6.11 mg/L。監測期內，T2處理總氮含量為 2.54～6.29 mg/L，基肥施后9 d內和追肥后17 d內總氮平均含量分別為3.28、5.89 mg/L，基肥施后9 d內和追肥后17 d內總氮含量較T1處理分別降低了93.69%、84.09%；T3處理的總氮含量為2.43～6.11 mg/L，基肥施后9 d內和追肥后17 d內總氮平均含量分別為3.20、5.75 mg/L，基肥施后9 d內和追肥后17 d內總氮含量較T1處理分別降低了93.83%、84.49%，因此施用控釋氮肥減氮20%能明顯降低田面水總氮含量，降低氮素徑流流失風險。T2與T3處理之間，差異很小，說明磷肥減量施用，對田面水總氮含量影響較小。由于T3與T2處理施用相同量控釋氮肥所以T3與T2處理的田面水的總氮含量相近，變化規律基本一致。施用普通尿素的T1處理的田面水總氮含量遠高于施用控釋氮肥的T2、T3處理，而且T1處理的田面水總氮變化規律不同于T2、T3處理的田面水總氮變化規律，這與3個處理的肥料特性有關。T1處理施用的普通尿素在施入水田之后馬上就開始大量分解，T2與T3處理使用的控釋氮肥在施入水田之后開始緩慢釋放尿素。施肥后27 d，T2、T3處理的田面水總氮含量分別比T1處理下降89.11%、89.42%。

2.2.2 對田面水銨態氮含量的影響 施肥后田面水銨態氮含量變化如圖2所示。由于尿素施入稻田之后迅速分解為銨態氮，導致基肥和追肥施用后田面水中銨態氮的動態變化與總氮的變化規律類似，T1處理施肥后，隨著時間的延長田面水銨態氮含量逐漸降低，于基肥施后1 d達到峰值，為 57.52 mg/L，追肥后銨態氮含量迅速上升，1 d后到達峰值，含量為53.04 mg/L，銨態氮含量達峰值之后開始下降，在取樣的最后1 d降到最低值(12.00 mg/L)。基肥施后9 d內和追肥后17 d內銨態氮平均含量分別為43.35、30.91 mg/L。控釋氮肥減氮處理T2和T3施基肥后，田面水中銨態氮含量逐漸升高；追肥后，銨態氮含量先躍升隨后緩慢上升，T2、T3處理的銨態氮含量均在追肥后9 d達到峰值，隨后下降。T2、T3處理的銨態氮峰值含量分別為4.98、5.08 mg/L。監測期內，T2處理銨態氮含量為2.17～4.98 mg/L，基肥施后9 d內和追肥后 17 d 內銨態氮平均含量分別為2.57、4.22 mg/L，基肥施后 9 d 內和追肥后17 d內銨態氮含量較T1處理分別降低了 94.08%、86.36%；T3處理的銨態氮含量為1.98～5.08 mg/L，基肥施后9 d內和追肥后17 d內銨態氮平均含量分別為2.57、4.36 mg/L，基肥施后9 d內和追肥后17 d內銨態氮含量較T1處理分別降低了94.08%、85.91%，T2和T3處理施用控釋氮肥減氮20%，均明顯降低田面水銨態氮含量。施肥后27 d，T2、T3處理的田面水銨態氮含量分別比T1處理下降89.89%、89.64%。

2.2.3 對田面水硝態氮含量的影響 由圖3可以看出，T1處理硝態氮含量在基肥施后1 d最低，為1.21 mg/L，在追肥后9 d含量最高，為1.92 mg/L。硝態氮含量在追肥7 d后穩定在1.84～1.92 mg/L。基肥施后9 d內和追肥后17 d內硝態氮平均含量分別為1.35、1.79 mg/L；T2硝態氮含量在基肥施后緩慢上升，1 d后含量最低，為 0.30 mg/L。T2處理硝態氮含量在追肥后躍升，之后基本穩定在0.70～0.81 mg/L。基肥施后9 d內和追肥后17 d內硝態氮平均含量分別為0.40、0.75 mg/L，較T1處理分別降低了 70.07%、57.91%；T3與T2處理硝態氮含量相近，變化趨勢相似。在基肥施后1 d最低，為0.32 mg/L，硝態氮含量在追肥后躍升，之后基本穩定在0.71～0.90 mg/L。基肥施后9 d內和追肥后17 d內硝態氮平均含量分別為0.42、0.82 mg/L，較T1處理分別降低了68.67%、54.52%。T1處理的硝態氮含量明顯高于T2和T3處理。其原因可能是，普通尿素與控釋氮肥施入水田中都是先經過脲酶水解為銨態氮，而硝態氮主要來源于銨態氮的硝化作用[12]，其中T1處理的硝態氮的含量明顯高于T2和T3處理的硝態氮的含量。由于在淹水條件下的硝化作用較弱[13]，導致田面水中的硝態氮含量顯著低于銨態氮含量。施肥后27 d，T2、T3處理的田面水總氮含量分別比T1處理下降61.69%、58.93%。

2.2.4 對田面水磷含量的影響 從圖4可以看出，3個處理的稻田田面水的總磷含量變化趨勢一致，施用基肥后1 d，3個處理田面水中全磷含量出現1個峰值，由于土壤對磷素的吸附固定作用和水稻對磷素的吸收，所以隨著時間的推移田面水的含量逐漸下降，在施用基肥后9 d達到穩定的狀態。T1處理的總磷含量由1 d后的0.16 mg/L下降到最后1 d的0.05 mg/L，T2處理的總磷含量由1 d后的0.16 mg/L下降到最后1 d的0.06 mg/L，T3的總磷含量由1 d后的 0.12 mg/L 下降到最后1 d的0.04 mg/L。在施用追肥后1 d，田面水磷含量有所升高。這是由于施肥過程擾動了表面土，因此盡管追肥未施磷肥田層，使得部分磷素脫離了土壤的吸附而進入田面水中，田面水的磷含量依舊升高[14]。監測期內，T1、T2、T3處理平均磷含量分別為0.09、0.09、0.07 mg/L。T3處理相比T1、T2處理全磷平均含量分別降低了 23.91%、28.72%。不同施磷量條件下，田面水的磷含量也有所不同，施磷量高的處理的田面水磷含量高于施磷量較低的處理。

3 結論與討論

水稻各個時期的正常生長發育是水稻高產的基礎，而水稻營養生長時期的干物質積累直接影響后期產量的形成，在此時期提供充足的氮素養分對水稻獲得高產非常關鍵[15-17]。控釋氮肥相比于普通尿素具有肥效長的優勢[18]，彌補了普通尿素后期肥效差的弊端。本研究表明，施用控釋氮肥處理相較于常規施肥對水稻有增產作用，而增產主要因為發揮了控釋氮肥肥效長的優勢，提高了水稻每蔸有效穗數以及結實率。T2、T3處理相比于T1處理分別增產8.29%、5.03%。

磷是細胞質和細胞核的重要成分之一，直接參與糖、蛋白質和脂肪的代謝，一些高能磷酸又是能量儲存的主要物質。適量磷素可促進水稻根系生長，具有增加分蘗，增強抗逆性，提高產量的作用[19]，但過量施用磷肥不僅會導致水稻減產還會污染環境[20]。本研究表明，T3處理相比于T1處理增產5.35%，但T3處理相比于T2處理減產3.01%。說明對于產量而言，常規施磷量并未過量，減磷20%會導致減產，但減磷20%配合控釋氮肥減量20%相比常規施肥會增產，間接印證了控釋氮肥的增產效應。

農田養分流失是引發農業面源污染的重要原因，農田養分流失的主要原因就是地表徑流。地表徑流養分流失量由徑流量和田面水養分含量決定[21]。施肥是增加田面水養分含量的主要途徑，本研究結果表明，施用普通尿素會迅速提高田面水氮含量，在施肥后1 d達到最高含量(70.34 mg/L)，然后隨著時間的推移而持續降低，未達到穩定含量。這與宮亮等研究在第7天達到穩定狀態的結果[22]有所不同[22]。其原因可能由于土壤類型、降雨、氣溫等條件的綜合影響所導致[23-24]。由此可以得出，施用普通尿素后的短期內氮徑流損失的風險很高，此時應加強田間管理，做好對降雨的預測從而選擇最優的灌溉方式，減少氮素的徑流損失。

不同種類氮肥對田面水總氮含量影響不同，本試驗監測期內，與普通尿素相比，控釋氮肥(T2和T3)處理在基肥施后9 d內和追肥后17 d內總氮濃度平均降低了93.7%和 84.3%。同時，田面水中銨態氮的含量也與總氮類似。這說明，在這種自然降雨加灌溉的條件下，施用控釋氮肥導致的氮素徑流損失會明顯低于施用普通尿素的情況，因此更有利于降低農田氮流失風險[25]。

磷肥用量對田面水全磷含量有較為明顯的影響，T3處理相比T1、T2處理全磷平均含量分別降低了23.91%、28.72%，說明適當降低磷肥用量可以降低田面水磷素含量從而降低磷素的流失風險[26]。田面水全磷含量在施用基肥后9 d達到穩定的狀態。由于磷肥是作基肥一次性施用，所以相對田面水總氮含量，田面水全磷含量更早地達到穩定。因此田間管理措施可按照防止氮素流失的方式進行。

綜上所述，在毛里湖中稻區，控釋氮肥減氮20%和控釋氮肥減氮減磷各20%施用既可以保證高產穩產，又可以有效降低稻田氮素徑流損失風險，可以在實際生產中應用推廣。

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