不同施氮量及施氮方式對水稻田氨揮發及氮肥利用率的影響

王家寶，鄔 剛，袁嫚嫚，井玉丹，王文軍，張祥明，孫義祥

（安徽省農業科學院土壤肥料研究所，養分循環與資源環境安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

我國有超過60%以上的人口以稻米為主食[1］，水稻生產能力的提升對保障國家糧食安全至關重要。施用氮肥是提高水稻產量最有效的途徑之一，但近年來隨著氮肥施用量的不斷增加，隨之而來的環境污染、資源浪費等問題也日益凸顯[2］。因此，在保證產量的同時，如何減少稻田氮素損失以提高氮肥利用效率成為水稻綠色生產工作中的主要 任務。

氨揮發是稻田氮素損失的主要途徑[3］。據相關報道，在全球農作物種植體系中，通過氨揮發損失的氮素占總施氮量的平均比例為18%，最高可達64%[4］。改變氮肥種類和優化施肥方式，已被證實是減少稻田氨揮發損失的有效措施[5］。緩控釋肥料因其具有養分釋放期長、符合水稻對養分的需求規律、氮素利用效率高以及對環境污染小等優點，近年來被廣泛應用[6-8］。因其包膜材料具有疏水特性，可以有效減緩膜內尿素的釋放速率，從而減少氨揮發損失[9］。緩控釋肥與速效肥配施一次性施肥可以在減少施肥次數的同時，很好地匹配作物對養分的吸收和養分供應之間的關系，已有研究表明，將緩控釋氮肥與普通氮肥配施一次性施入，可以有效降低玉米田氨揮發損失，降幅達80%[10］；徐麗萍等[11］將緩控釋氮肥與速效氮肥按7∶3混勻一次性施用后，在花椰菜和番茄產量分別增加3.7%和21.4%的同時，氨揮發損失量分別降低64.0%和46.9%；在安徽省江淮丘陵區將緩釋尿素與普通尿素混合一次性施用后，稻季氨揮發損失總量和損失率相較于單施普通尿素分別降低了26.23%和4.52%，同時氮肥利用率提升了6.07%[12］。但也有研究表明，單施緩控釋肥會造成小麥-玉米輪作體系中作物周年產量的下降[13］；Yang等[14］也發現，將緩控釋氮肥與速效氮肥配施后，在降低土壤氨揮發的同時，水稻產量和氮肥利用率也出現了下降的情況。因此，不同氮肥配施對稻田土壤氨揮發以及氮肥利用率的影響有待進一步探討。

本研究通過田間試驗，探討了氮肥不同用量（60、120、180、240 kg·hm-2）和不同施用方式（不施氮、單施速效氮肥一基二追、速效氮肥與緩控釋肥配施一次性施用）對稻田土壤氨揮發和水稻產量及氮肥利用效率的影響，以期為降低稻田氮素損失和指導合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

本試驗于2019年6～11月在安徽省合肥市巢湖中垾鎮建華村進行。試驗點位于117°46′34″ E、31°39′14″ N，屬北亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫16.1℃，年均日照時數2035～2270 h，年降水量1158 mm。試驗點種植模式為稻-麥輪作，一年兩熟制，土壤類型為潛育型水稻土。小麥收獲后，耕作層（0～20 cm）土壤的基本理化性質：pH 6.6，全氮1.23 g·kg-1，有效磷21.42 mg·kg-1，速效鉀125.6 mg·kg-1，有機質22.18 g·kg-1。

1.2 試驗材料

試驗所用普通尿素（N 46%）、普通過磷酸鈣（P2O512%）、KCl（K2O 60%）均為市場購買所得；所用緩控釋氮肥為聚氨酯包膜尿素（N 44%），釋放期40、90 d，由茂施肥料公司生產。

水稻品種為湘兩優900，水稻3葉期移栽，基本苗22.5萬穴·hm-2，行距33.3 cm，株距13.3 cm。

1.3 試驗設計

本研究為大田試驗，采用裂區設計：主區為施氮量，分別為60、120、180、240 kg·hm-2（簡稱N60、N120、N180、N240）；副區為施肥方式，分別設置一次性施肥（SF）和一基二追（TF），同時設置不施氮對照（CK），共9個處理。其中，采用一次性施肥的處理氮肥運籌模式為釋放期40 d包膜尿素∶釋放期90 d包膜尿素∶普通尿 素=3∶3∶4，將不同類型氮肥按上述比例混勻后，在水稻移栽前做基肥一次性施入，后期不再追肥；采用一基二追施肥處理氮肥運籌模式為基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2，所用氮肥類型為普通大顆粒尿素。各處理施磷肥（P2O5）75 kg·hm-2，鉀肥（K2O）90 kg·hm-2，磷鉀肥全部作為基肥施入。小區面積30 m2（5 m×6 m），3次重復，小區間田埂覆膜隔離防滲，單排單灌。

水分管理方式為生育前期灌水—中期干濕交替—后期淹水—收獲期自然落干。具體為移栽后兩周內、施肥后一周內、孕穗期和灌漿期保持水層（3～5 cm），中期（分蘗期至孕穗前）采用干濕交替灌溉方式，有效分蘗臨界葉齡期排水曬田，收獲前自然落干。病蟲草害等的防治同當地農戶習 慣。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤氨揮發的測定

氨揮發采用密閉室監測法測定[12］。密閉室為頂部帶有通氣孔的直徑為20 cm、高為15 cm的有機玻璃罩。用20 g·L-1硼酸溶液吸收揮發的氨氣，每次收集結束后，用標準酸（C1/2H2SO4=0.020678 mol·L-1）滴定，計算氨揮發量。施肥后每天 9：00～11：00進行抽氣，并以此為平均值計算全天的氨揮發量[15］。施肥后連續測定，直到各處理間無顯著差異為止。

1.4.2 水樣采集及測定

水樣采集與氨揮發的測定同步，每次采樣后，樣品置于4℃冰箱中保存，銨態氮濃度采用靛酚藍比色法測定。

1.4.3 植株樣品采集及分析方法

收獲期每小區分別采集籽粒、秸稈樣品，測定樣品氮含量，實驗室常規考種。水稻用小型收割機全部實收，單獨計產。植物樣品采用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法測定待測液中的氮。

1.5 數據處理與分析

土壤氨揮發計算公式為（以N計）：F=V× 10-3×C×0.014×（104/πr2）×12

式中：F為土壤氨揮發日損失量，kg·hm-2·d-1；V為滴定用標準酸的體積，mL；10-3為體積轉換系數；C為滴定用標準酸的標定濃度，mol·L-1；0.014為氮原子的相對原子質量，kg·mol-1；104為面積轉換系數；r為有機玻璃氣室的半徑，m；12為24 h與日氨揮發收集時間2 h的比值。

肥料利用率按照以下公式計算：

吸氮量（kg·hm-2）=（植株秸稈干物重×秸稈含氮量）+（籽粒干物重×籽粒含氮量）

氮肥表觀利用率（REN，%）=（施氮區作物吸氮總量-無氮區作物吸氮總量）/氮肥投入 量×100

氮肥農學利用率（AEN，kg·kg-1）=（施氮區作物產量-無氮區作物產量）/氮肥投入量

氮肥偏生產力（PFPN，kg·kg-1）=施氮區作物產量/施氮量

試驗數據用Excel 2010進行整理及繪圖；采用SPSS 22.0的廣義線性模型（General Linear Models）進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 氨揮發通量

施肥方式對水稻田土壤氨揮發通量影響十分明顯（圖1）。由圖1可知，采用一基二追施氮方式，在每次施肥后1～2 d氨揮發通量即出現波峰，隨后快速下降（圖1a），施肥后一周左右，各處理間則無明顯差別。基肥施用后的峰值最高，蘗肥與穗肥施用后氨揮發通量的峰值相當，各處理氨揮發通量均隨著施氮量的增加而增加。

采用一次性施肥的方式后第2 d即出現氨揮發高峰，隨后逐漸降低。整個水稻生育期，一次性施肥的各處理均只有1個氨揮發排放高峰 （圖1b）。

圖1 不同施氮方式與施氮量對稻田氨揮發通量的影響

2.2 氨揮發損失量

不同氮肥施用方式及施氮量在水稻各生育階段的氨揮發損失量見表1。由表1可知，不同施氮方式和施氮量下稻田土壤氨揮發損失量差異較大，氨揮發損失總量占施氮量的13.19%～38.83%。氮肥施用方式和施氮量對水稻整個生育期氨揮發的影響均達到極顯著差異，而兩者交互作用對水稻田土壤氨揮發損失總量的影響差異不顯著。

表1 不同施氮方式和氮肥施用量稻季階段氨揮發損失量

在施氮量相同的情況下，采用一次性施肥的處理氨揮發損失量均顯著低于一基二追施肥處理。SF不同施氮量處理氨揮發損失比例大小為 SFN60＞SFN120＞SFN240＞SFN180，且 主 要 集 中 在前期，后期氨揮發損失量很小。而TF中各處理的氨揮發損失比例大小為TFN60＞TFN120＞TFN180＞ TFN240，基肥-蘗肥階段氨揮發損失量在9.89～ 14.31 kg·hm-2之間，蘗肥-穗肥階段氨揮發損失量在7.76～21.69 kg·hm-2之間，穗肥以后氨揮發損失量在5.65～11.85 kg·hm-2之間。相同施氮量條件下，SF比TF氨揮發損失總量降低了37.9%～50.3%。

2.3 田面水銨態氮濃度

不同施肥處理的水稻田面水銨態氮濃度變化趨勢與氨揮發變化趨勢相似（圖2），在相同施氮量的情況下，基肥期SF各處理田面水銨態氮濃度峰值均高于TF，這主要是因為一次性施肥的處理前期速效氮肥施用量較大。采用一基二追的施肥處理，基肥施用后的第2 d即達到峰值，且隨著施氮量的增加而增加，TF N240最高，達到63.41 mol·L-1，施肥后一周左右各處理間無明顯差距。各施肥時期的田面水濃度峰值依次為基肥＞蘗肥＞穗肥（圖2a）。采用一次性施肥的各處理水稻田面水銨態氮濃度也在施肥后第2 d達到峰值，之后逐漸降低，SF N240峰值最高，為85.04 mol·L-1（圖2b）。

圖2 不同施氮方式與施氮量對水稻田面水銨態氮濃度的影響

2.4 氮肥利用率

氮肥施用方式對水稻氮素吸收量影響不顯著，但對氮肥表觀利用率以及氮肥偏生產力影響顯著。而施氮量可顯著影響氮素吸收、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力，對氮肥表觀利用率影響不顯著。相同施氮量情況下，SF的水稻吸氮量以及氮肥表觀利用率較TF均有增加趨勢（表2）。采用一基二追的施肥方式，水稻單位面積吸氮量隨著施氮量的增加而增加，而采用一次性施肥的各處理中，水稻吸氮量則隨著施氮量的增加呈現先增加后減少的 趨勢。

表2 不同施氮方式與施氮量對水稻氮肥利用效率的影響

2.5 水稻產量

不同施氮方式與施氮量對水稻產量的影響如圖3所示。由圖3可知，施氮量為120 kg·hm-2時，采用一次性施肥的處理水稻產量高于采用一基二追的處理，且差異顯著。其余施氮量情況下，不同施氮方式對水稻產量的影響差異不顯著。但采用一次性施肥方式的處理，水稻產量隨著施氮量的增加呈現出先上升后下降的趨勢，且在施氮量為180 kg·hm-2時，產量達到最高，為11581.80 kg·hm-2， 而采用一基二追施肥的處理，水稻達到最高產量的施氮量為240 kg·hm-2，為11116.51 kg·hm-2。

圖3 不同施氮方式與施氮量對水稻產量的影響

3 討論

3.1 不同氮肥施用量對水稻田氨揮發損失特征的影響

氮肥的施用是稻田氨揮發損失的主要來源[16］，且同一種施氮方式下氨揮發損失量隨著施氮量的增加而增加（圖1）。但在本研究設置的施氮量梯度下，氨揮發損失比例隨著施氮量的增加呈現降低的趨勢。這可能是因為隨著施氮量的增加，水稻對氮素的吸收量也在增加，同時除氨揮發損失以外的氮素損失量也會隨之增加（例如通過徑流等途徑），加之土壤氮素殘留量的積累，就導致通過氨揮發損失的氮素占整個施氮量的比例降低。但也有研究表 明[17］，氨揮發損失比例與施氮量沒有顯著的相關性，這可能與不同氣候、土壤性質和水分管理等有關。田面水銨態氮濃度也是影響氨揮發的最主要因素之一，降低田面水銨態氮濃度是減少氨揮發損失的關鍵[18］。本研究中，施肥后1～2 d，水稻田面水的銨態氮濃度達到最高，且與氨揮發損失通量的變化規律一致（圖2），這與前人的研究結果一致[19-22］。N240處理的田面水銨態氮濃度在各自施肥方式中的峰值均為最高，說明水稻田面水銨態氮濃度會隨著施氮量的增加而增加。但俞映倞 等[23］的研究則表明，由于受其他環境等因素的影響，田面水銨態氮濃度與氨揮發損失之間的相關性并不顯著。這可能主要與不同區域的降雨和溫度的差異有關。因此，以田面水銨態氮濃度作為評價稻田氨揮發損失風險的指標，還需要進一步修正。

3.2 不同氮肥施用方式對水稻田氨揮發損失量以及水稻產量的影響

不同施肥方式對氨揮發損失也有一定影響。本研究中，SF各處理的氨揮發損失量在14.46～ 23.74 kg·hm-2之間，TF各處理的氨揮發損失量則為23.3～47.74 kg·hm-2（表1），各處理水稻田氨揮發損失比例為13.19%～38.4%，SF的氨揮發損失量較TF的降幅在37.9%～50.3%之間，這一結果低于楊鋅等[24］的緩控釋氮肥可以減少氨排放量70%以上的研究結論，這主要是因為本研究所設置的施肥方式為速效氮肥與緩控釋氮肥配施，而速效氮肥氨揮發損失量較高造成的。采用速效氮肥與緩控釋氮肥配施一次性施肥可以有效降低稻田氨揮發損失量的原因可能是緩控釋氮肥的包膜材料可以阻隔膜內肥料與土壤接觸的幾率，從而減少了參與氨揮發的底物氮，降低土壤氨揮發損失[25］。不同施肥方式和氮肥種類還可顯著影響水稻產量[26］，陳賢友等[27］的報道指出，緩控釋氮肥與普通氮肥按一定比例配施后，較單施普通尿素多次施肥處理，可以顯著提高水稻產量；Yang等[14］則報道了長期定位試驗的研究結果為不同類型氮肥配施，作物產量會有下降的趨勢。不同研究結果的差異可能與土壤類型、作物品種、種植習慣等因素有關。本研究表明，施氮量為120 kg·hm-2時，SF處理水稻產量顯著高于TF，且SF處理水稻最高產量對應的施氮量低于TF（圖3）。以上說明，采用緩控釋氮肥與速效氮肥配施一次性施肥方式后，在保證水稻產量的前提下，有更大的減肥潛力。

對于緩控釋氮肥施入土壤后，除了研究氮素損失對環境的影響外，包膜材料可能帶來的環境風險也應充分考慮[28］。包膜材料的選用近年來也呈現出十分多樣的選擇，但是包膜材料施入土壤后，其殘留對土壤生態系統和地下水的影響以及材料降解機理的研究還要持續關注。改進施肥方式、肥料種類和優化施氮量已成為當前學者對減少稻田氨揮發損失研究的主要方向，但兼顧環境和經濟效益的科學化氮肥管理模式，還應進一步探討。

4 結論

緩控釋氮肥與速效氮肥配施一次性施肥方式可減少稻田氨揮發損失量，減排幅度為37.9%～50.3%。

施氮方式可以顯著影響水稻氮肥表觀利用率和氮肥偏生產力，而對吸氮量以及氮肥農學利用率影響不顯著；施氮量則對水稻氮素吸收量、氮肥農學利用率以及氮肥偏生產力均達到顯著影響，但兩者交互作用對上述因素均無顯著影響。

采用緩控釋氮肥與速效氮肥配施一次性施肥方式，可以在施氮量較低的情況下水稻產量達到最高，具有減肥的潛力。