聚天門冬氨酸/鹽對水稻田面水氮素變化及養(yǎng)分利用的影響

徐嘉翼，牛世偉，隋世江，張 鑫，葉 鑫，蔡廣興，王 娜

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

我國是世界第一大氮肥消費國，也是全球水稻生產大國。我國水稻生產中氮肥消耗量約占世界氮肥消耗總量的7%[1]，遠超其他國家稻田施肥水平，然而我國水稻氮肥當季利用率僅為30%左右，低于世界平均水平[2]。研究表明，稻田施氮后，短期內氮素很難被水稻秧苗充分吸收，田面水氮素濃度迅速上升[3-4]，加大氨揮發(fā)流失風險，若遭遇連續(xù)強降水或過量灌溉，極易引發(fā)水稻田面水氮素流失，這不僅造成氮肥經濟損失，而且影響水稻生長及產量，還會導致溫室氣體排放、農田面源污染等一系列環(huán)境問題[5-6]。面對我國耕地不斷減少而糧食需求量卻不斷增加的嚴峻形勢，研究如何提高氮肥的增產效果及作物利用率、減少氮肥向環(huán)境流失，對實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義。

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行分子間脫水縮合而成，具有良好的螯合、分散和吸附等性能，在農業(yè)生產中常被用作肥料增效劑和緩釋劑[7-8]。普通PASP性能有限，通過化學改性將PASP分子鏈上引入官能團，使原來主鏈上無活性基團的聚合物功能化，或者改變PASP分子鏈的空間分布，延長分子鏈或形成三維網狀結構[9-11]，合成后的改性PASP效能顯著增強。作為肥料增效劑，PASP可富集土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分供給植物，有利于作物養(yǎng)分吸收，促進作物生長，提高產量與肥料利用率[8]。研究發(fā)現，與普通尿素相比，等量的PASP螯合尿素可使玉米盆栽生物產量增加13.4%[12]，且PASP螯合尿素減量30%條件下，玉米產量不減反而略有增加，增產0.9%～3%[13]。在小麥、生菜和黃瓜等多種作物上的應用也表明[14-16]，PASP促進了作物養(yǎng)分吸收，改善了作物養(yǎng)分平衡，提高了肥料利用率，對于產量提高和品質改善具有明顯效果。目前，關于PASP對農作物的產量效應及養(yǎng)分增效機制已有較多研究，但是針對PASP應用于農田面源污染的研究較少。董世杰等[17]研究了不同濃度水平的聚天門冬氨酸鈣鹽對田面水氮素濃度變化的影響，發(fā)現0.3%濃度水平的聚天門冬氨酸鈣鹽對田面水氮素濃度的控制效果較好。陳秉翼[14]通過室內土柱淋溶模擬的方法研究了PASP對氮淋溶的影響，研究發(fā)現PASP處理有效降低了土壤銨態(tài)氮的淋溶濃度及流失量，同時抑制了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉化，延緩了硝態(tài)氮的淋溶發(fā)生。然而，PASP在主要糧食作物水稻種植上，尤其是經過化學改性合成的高性能PASP，能否起到增產減排的作用效果尚未清楚。為此，本研究選用0.3%普通聚天門冬氨酸鈣/鋅鹽和0.3%改性聚天門冬氨酸鈣/鋅鹽，在干旱棚條件下通過桶栽水稻試驗研究PASP對水稻生長、養(yǎng)分吸收利用及田面水氮素動態(tài)變化和土壤肥力的影響，旨在為肥料增效劑PASP應用于水稻生產及氮素面源污染防控上提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為水稻土，取自盤錦市盤山縣壩墻子鎮(zhèn)水稻田，耕層（0～20 cm）土壤理化性質為總氮1.58 g·kg-1，總磷 1.17 g·kg-1，總鉀 28.7 g·kg-1，堿解氮 71.0 mg·kg-1，有效磷 18.9 mg·kg-1，速效鉀154 mg·kg-1，有機質17.7 g·kg-1，pH 7.8。供試氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。選用德賽化工有限公司生產的PASP-Ca和PASP-Zn作為普通PASP材料，并在此基礎上由實驗室合成改性PASP-Ca和改性PASP-Zn。栽種水稻品種為鹽豐47號。塑料桶規(guī)格為直徑30 cm、高40 cm，底部密封。

1.2 試驗設計

本試驗采用桶栽水稻的方式，于2018年5月至10月在遼寧省農業(yè)科學院室外盆栽場干旱棚中進行，降雨時期干旱棚起到防雨遮蔽作用，避免了降雨對田面水水深及氮濃度的影響，而在非降雨時期，所有處理均處于自然光照與氣溫條件下。試驗所在地區(qū)位于遼河平原中部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫8.2℃，年均降雨量706 mm，年平均日照時數2482 h。試驗設置6個處理（表1），T1為無氮空白處理，T2為常規(guī)尿素處理，T3為常規(guī)尿素+普通聚天門冬氨酸鈣鹽，T4為常規(guī)尿素+普通聚天門冬氨酸鋅鹽，T5為常規(guī)尿素+改性聚天門冬氨酸鈣鹽，T6為常規(guī)尿素+改性聚天門冬氨酸鋅鹽，每個處理4次重復，共24桶，隨機排列。氮、磷、鉀肥均按照田間施肥量（N 270 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2）的2.5倍一次性基施，每桶化肥用量為N 4.5 g，P2O51.5 g，K2O 1.5 g，其中T1處理僅施磷、鉀肥。所有PASP鹽添加量均按尿素施用量的0.3%計算。

將化肥與15.0 kg風干水稻土混勻后裝入桶中，立即灌水浸泡，然后加入PASP鹽溶液并均勻攪拌表層水土（0～5 cm）。靜置1 d后，選擇長勢良好且一致的秧苗進行插秧，每盆3穴，呈三角形分布，苗間距15 cm。采用常規(guī)水分管理，即5月9日至6月25日保持3 cm水層，6月25日至7月10日采用干濕交替方式，7月10日至9月20日保持淺水層（2～3 cm），9月20日之后自然落干，且各處理田面水高度須保持一致。

表1 試驗處理Table 1 Experiment treatments

1.3 樣品采集與測定

施肥后第1、2、3、5、7、9、12、15 d每日上午10：00使用注射器對田面水進行取樣（25 mL），水樣經0.45 μm濾膜過濾后采用AA3流動分析儀（Bran Luebbe，德國）測定總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度。水稻成熟后，沿土表收割地上部分，測量每桶水稻株高、有效穗數、秸稈生物量和籽粒生物量，并烘干粉碎秸稈和籽粒樣品，采用凱氏定氮法測定全氮、鉬銻抗比色法測定全磷、火焰光度法測定全鉀含量。水稻收獲后，采用3點混合法采集0～15 cm土層土樣，土壤鮮樣采用紫外分光光度計法測定硝態(tài)氮，靛酚藍比色法測定銨態(tài)氮，風干土壤樣品通過凱氏定氮法測定全氮，NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷，NH4OAC浸提-火焰光度計法測定速效鉀[18]。每桶水稻的氮肥表觀利用率依據下式計算[19]：

氮肥表觀利用率=（施氮處理水稻氮吸收量-不施氮處理水稻氮吸收量）/施氮量×100%

1.4 數據處理與分析

采用SigmaPlot 13.0軟件進行數據處理與作圖，并采用SAS軟件對不同處理組之間的數據進行差異顯著性分析，即采用方差分析法（ANOVA）處理數據并通過Tukey test檢驗數據的顯著性差異（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 PASP對水稻田面水氮素濃度的影響

2.1.1 PASP對水稻田面水NH+4-N濃度的影響

各施氮處理田面水NH+4-N濃度均在施肥后第3 d達到峰值，而后迅速下降，于第9 d降至峰值的15.1%～24.1%后趨于穩(wěn)定（圖1）。施肥后一周內，添加PASP處理（T3～T6）田面水NH+4-N濃度比常規(guī)尿素處理（T2）降低5.82%～55.3%；尤其在NH+4-N峰值期，T3、T4、T5和T6處理NH+4-N濃度比T2處理顯著減少了16.8%、21.8%、44.7%和39.9%，說明添加PASP有效降低了田面水NH+4-N濃度，這可能是因為PASP分子中的羧基基團可與NH+4發(fā)生螯合，延緩了施肥后田面水NH+4-N濃度過快升高。

不同PASP處理之間，改性PASP處理田面水NH+4-N濃度低于普通PASP處理。施肥后一周內，T5處理田面水NH+4-N濃度比T3處理減少了4.92%～45.9%，T6處理田面水NH+4-N濃度比T4處理減少了18.5%～42.2%，說明改性PASP處理比普通PASP處理更有利于降低田面水NH+4-N濃度，這可能是因為改性PASP分子結構更復雜，螯合性能更強。

圖1 施肥后田面水NH+4-N濃度變化Figure 1 NH+4-N concentrations in the surface water after fertilization

2.1.2 PASP對水稻田面水NO-3-N濃度的影響

與田面水NH+4-N濃度變化趨勢不同，各施氮處理田面水NO-3-N濃度峰值出現時間相對滯后，于施肥后第5 d達到峰值，這與PASP抑制硝化作用有關，而后逐漸下降趨于平穩(wěn)（圖2）。施肥后第3 d，常規(guī)尿素處理（T2）田面水NO-3-N濃度高達峰值的94.5%，而添加PASP處理（T3～T6）田面水NO-3-N濃度為峰值的66.1%～76.8%，說明PASP抑制了田面水NO-3-N濃度過快升高。

圖2 施肥后田面水NO-3-N濃度變化Figure 2 NO-3-N concentrations in the surface water after fertilization

施肥后一周內，T3、T4、T5、T6處理田面水NO-3-N濃度比T2處理降低了20.4%～57.2%；尤其在NO-3-N峰值期，T3、T4、T5和T6處理比T2處理顯著減少了22.4%、20.4%、42.8%和39.1%，說明添加PASP有效降低了田面水NO-3-N濃度。不同PASP處理之間，改性PASP處理田面水NO-3-N濃度低于普通PASP處理。施肥后一周內，T5處理田面水NO-3-N濃度比T3處理減少了3.00%～26.4%，T6處理田面水NO-3-N濃度比T4處理減少了10.9%～32.7%，說明改性PASP處理比普通PASP處理更有利于降低田面水NO-3-N濃度。

2.1.3 PASP對水稻田面水TN濃度的影響

各施氮處理TN濃度在施肥后第1 d迅速升至峰值的75.4%～84.2%，并在第3 d達到峰值，而后迅速下降，至第9 d后趨于穩(wěn)定（圖3）。施肥后一周內，T3、T4、T5和T6處理田面水TN濃度比T2處理降低了9.50%～25.8%、5.42%～22.7%、8.36%～38.4%和2.96%～30.6%。改性PASP處理田面水TN濃度低于普通PASP處理，施肥后5 d內，T5處理田面水TN濃度比T3處理減少了16.5%～24.8%，T6處理田面水TN濃度比T4處理減少了6.51%～16.2%。試驗表明，添加PASP能夠降低田面水TN濃度，且改性PASP處理效果更好。

圖3 施肥后田面水TN濃度變化Figure 3 TN concentrations in the surface water after fertilization

2.2 PASP對水稻生長及產量的影響

施肥處理（T2、T3、T4、T5、T6）水稻株高、有效分蘗數、秸稈產量和籽粒產量均顯著高于無氮空白組（T1）（表2），說明施用氮肥是水稻增產的關鍵因素。聚天門冬氨酸/鹽處理（T3、T4、T5、T6）水稻株高、有效分蘗數、秸稈產量和籽粒產量均高于常規(guī)尿素處理（T2），說明聚天門冬氨酸/鹽促進了水稻生長及產量提高。

表2 不同處理水稻株高、有效分蘗數及產量Table 2 Rice height,effective tiller number,and yield among the different treatments

與T2相比，T3處理顯著增加了水稻株高（8.26%）和有效分蘗數（12.0%），秸稈和籽粒產量也有所提高（無顯著差異）；T5處理不僅顯著增加了水稻株高（12.0%）和有效分蘗數（13.8%），而且秸稈產量也顯著提高了9.26%。這表明，不論添加普通還是改性的聚天門冬氨酸鈣鹽均顯著提高了水稻株高和有效分蘗數，雖未實現籽粒顯著增產，但仍有助于水稻地上部生物量增加。T4和T6處理水稻生長及產量指標均高于T2，其中T6處理秸稈產量最高，這可能因為本試驗水稻土有效鋅含量（0.88 mg·kg-1）較低，施用聚天門冬氨酸鋅鹽能夠補充土壤Zn2+養(yǎng)分供給不足，為水稻生長提供所需營養(yǎng)。

改性PASP處理（T5、T6）水稻生長及產量指標優(yōu)于普通PASP處理（T3、T4），其中T5處理水稻秸稈和籽粒產量比T3增加了5.36%和5.56%，T6處理水稻秸稈和籽粒產量比T4增加了5.26%和4.09%，且T5處理水稻生長指標總體表現最好，說明改性聚天門冬氨酸/鹽更有利于促進水稻生長及產量提高，尤其是改性聚天門冬氨酸鈣鹽的效果最好。

2.3 PASP對水稻養(yǎng)分吸收及氮肥利用率的影響

聚天門冬氨酸/鹽處理水稻籽粒和秸稈氮含量比常規(guī)尿素處理有所增加，尤其是T5處理籽粒氮含量顯著增加了8.32%（表3）；T3、T4、T5處理水稻籽粒和秸稈磷含量也有所增加，這表明在聚天門冬氨酸/鹽的施用下，水稻氮、磷含量呈現出增加趨勢，尤其改性聚天門冬氨酸鈣鹽顯著增加了籽粒氮含量，而水稻鉀含量受影響不大。水稻氮、磷、鉀吸收量也呈現出相似趨勢，T3、T4、T5、T6處理籽粒氮、磷、鉀吸收量比T2增加了 7.18%～18.9%、3.75%～17.3%、1.34%～5.38%，秸稈氮、磷、鉀吸收量也有所增加（圖4），說明聚天門冬氨酸/鹽有利于水稻養(yǎng)分吸收利用。聚天門冬氨酸/鹽的施用提高了水稻氮吸收量，氮肥表觀利用率相應地有所提高，T3、T4、T5、T6處理氮肥表觀利用率比T2提高了2.5%～8.4%，但未達到顯著水平（圖5）。T5處理水稻氮、磷、鉀吸收量最高，且氮肥表觀利用率最高（41.7%）。這表明聚天門冬氨酸/鹽具有提高氮肥表觀利用率的潛力，且改性聚天門冬氨酸鈣鹽在促進水稻營養(yǎng)吸收和改善氮肥利用率方面潛力最大。

表3 不同處理水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分含量（g·kg-1）Table 3 Nitrogen（N）,phosphorus（P）,and potassium（K）concentrations in rice（g·kg-1）

2.4 PASP對水稻土壤養(yǎng)分含量的影響

施肥處理（T2、T3、T4、T5、T6）土壤 TN、NH+4-N和NO-3-N含量均高于無氮空白組（T1），見表4。與常規(guī)尿素（T2）相比，PASP處理（T3、T4、T5、T6）土壤NH+4-N含量顯著增加了28.4%～62.2%，這可能與PASP對土壤養(yǎng)分離子吸附密切相關。土壤NH+4-N含量增加為水稻提供了更多養(yǎng)分，正如2.2和2.3結果顯示PASP處理水稻產量及養(yǎng)分吸收量均呈現增加趨勢；土壤TN、NO-3-N含量增加了0.69%～9.72%和5.81%～12.1%，但未達到顯著水平。

表4 不同處理水稻土壤養(yǎng)分含量Table 4 Soil nutrients concentrations among the different treatments

與土壤氮素養(yǎng)分變化不同，各處理間土壤有效磷和速效鉀養(yǎng)分含量無顯著差異，且與T1、T2處理相比，PASP處理（T3、T4、T5、T6）土壤有效磷和速效鉀養(yǎng)分含量有所降低，這可能是因為添加PSAP促進了水稻生長及磷鉀養(yǎng)分吸收，加快了水稻對土壤有效磷、速效鉀養(yǎng)分的消耗利用，但總體上添加PASP處理對土壤有效磷和速效鉀養(yǎng)分含量無顯著影響。

3 討論

施氮處理田面水氮素濃度（NH+4-N、NO-3-N和TN）顯著高于無氮空白處理，說明氮肥投入是水稻田面水氮素增加的直接原因[20-21]。水稻施肥后，田面水TN、NH+4-N和NO-3-N濃度分別在第3 d和5 d達到峰值，而后下降至第9 d趨于穩(wěn)定，可將施肥后9 d內設為控制水稻田面水氮素流失的關鍵時期，這與前人[17，22]研究結果一致。

圖4 不同處理水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量Figure 4 N,P,and K uptake by rice among the different treatments

施肥后兩周內，PASP處理田面水氮素濃度總體低于常規(guī)尿素處理，這可能是因為PASP分子中含有大量的氨基和羧基基團，對陰陽離子具有較強的結合作用，可與NO-3和NH+4發(fā)生螯合，減緩田面水氮素濃度過快升高[17]。PASP處理田面水NO-3-N平均濃度比NH+4-N低26.7%，且峰值出現時間相對滯后，這可能與PASP對硝化作用產生抑制有關[14]。尿素施入土壤中首先水解成NH+4，隨后在硝化作用下轉化成NO-3，一方面PASP分子中的羧基與NH+4發(fā)生螯合作用，使硝化反應中NH+4底物濃度降低，減少NH+4轉化成NO-3；另一方面，PASP分子中的羧基可與硝化反應過程中所必需的胺氧化酶活性位點上的銅離子相結合[23]，致使酶活性受到抑制，延緩硝化反應，起到緩釋作用。

與田面水氮素所受影響不同，PASP處理土壤氮素含量有所增加，尤其是土壤NH+4-N含量比常規(guī)尿素處理顯著提高了28.4%～62.2%，這可能與PASP極強的吸附能力密切相關[24]。PASP對養(yǎng)分離子的交換吸附力約為土壤膠體的100倍[8]，它能夠將固定在土壤中的NH+4吸附解離，使土壤NH+4-N含量增加。這為作物生長提供了更多養(yǎng)分，且PASP與尿素水解的NH+4及土壤解離的NH+4進行螯合，可形成植物易吸收利用形態(tài)[25]，有利于水稻養(yǎng)分吸收，PASP的環(huán)狀多孔結構還能夠富集更多養(yǎng)分供植物利用[8，26-28]，促進水稻生長，正如本試驗結果顯示，PASP處理水稻株高、有效穗數、秸稈產量、籽粒產量及水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量比常規(guī)尿素處理均有所增加。水稻產量及養(yǎng)分吸收量的增加還與PASP-Ca/Zn攜帶中微量營養(yǎng)元素有關。

改性PASP是在普通PASP分子鏈上引入官能團，使原來主鏈上無活性基團的聚合物功能化，或者改變普通PASP分子鏈的空間分布，延長分子鏈或形成三維網狀結構，使其特性增強[9-11]。在本試驗中，與普通PASP處理相比，改性PASP處理田面水氮素濃度下降，土壤氮素養(yǎng)分含量增加，水稻生長指標、養(yǎng)分吸收量、產量及氮肥利用率也得到了提升，這是因為改性PASP具有更復雜的分子結構，其分子量增大、分子鏈延長，羧基含量相應增加，螯合、吸附等特性進一步加強，使其螯合更多NO-3和NH+4，抑制氮素過快釋放，降低田面水氮素流失風險，同時還能吸附富集更多的土壤養(yǎng)分，利于水稻營養(yǎng)吸收，促進水稻生長及產量提高。在本試驗中，無論在控制田面水氮素濃度，還是促進水稻生長方面，改性PASP-Ca處理均呈現出最佳效果，這一方面與改性PASP特性功能增強有關，另一方面Ca是植物必需的礦質營養(yǎng)元素之一，其需求量僅次于氮、磷、鉀，是植物代謝和發(fā)育的主要調控者[29]，對促進水稻生長發(fā)育、增強抗逆性、提高產量和品質等具有重要作用[29-30]。陳秉翼[14]在玉米和生菜的盆栽試驗中也發(fā)現了PASP-Ca的增產效果更顯著。就本研究而言，可認為改性PASP-Ca應用在水稻中能夠實現氮素流失風險降低及氮肥利用率提高的雙重效益，同時兼具經濟效益。以盤錦地區(qū)為例，稻田常規(guī)施氮量為270 kg·hm-2，按照普通尿素（N 46%）與聚天門冬氨酸尿素（N 46%，PASP 0.3%）的市場價格計算，施用聚天門冬氨酸尿素每公頃稻田投入成本增加47元；根據本試驗研究結果（改性PASP-Ca處理水稻增產8.32%），以該地區(qū)水稻平均產量12 000 kg·hm-2和每公斤1.6元市場單價計算，每公頃稻田水稻收益增加1597元。據估算，施用聚天門冬氨酸尿素可增加凈收益1550元·hm-2，在農業(yè)生產實際中具有經濟可行性。但由于本研究采用的是桶栽試驗，相關結論在推廣應用前還有待進一步在田間驗證。

4 結論

（1）施肥兩周內，聚天門冬氨酸/鹽處理水稻田面水氮素濃度總體低于常規(guī)尿素處理，尤其在施肥后第3 d和5 d，田面水NH+4-N和NO-3-N濃度顯著降低，且改性聚天門冬氨酸/鹽處理更有利于田面水氮素濃度降低。

（2）聚天門冬氨酸/鹽處理提高了水稻土壤氮素含量，尤其是NH+4-N含量顯著增加，但對土壤有效磷和速效鉀含量影響不大。

（3）聚天門冬氨酸/鹽的施用促進了水稻生長和養(yǎng)分吸收，有利于提高水稻產量及氮肥利用率，且改性聚天門冬氨酸/鹽處理效果更加突出。

（4）綜合來看，改性聚天門冬氨酸鈣鹽處理促進了水稻生長，有效降低了水稻施肥后田面水氮素濃度，并能提升土壤肥力，在所有處理中表現最佳，對于稻田氮素面源污染控制具有應用潛力。