樹脂包膜尿素配施普通尿素對直播稻田氨揮發、氮素徑流和滲漏損失及產量的影響

周乾順，朱建強，鄒宇傲，楊澤宇，何明佳，吳啟俠

（長江大學農學院/濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025）

水稻是世界一半以上人口的主食和營養來源[1]，移栽稻是我國當前的主要種植方式[2]，但這種方式需要較多的勞動力用于育秧和移栽。隨著我國城市化進程的加快，農村勞動力減弱，勞動力成本不斷升高[3]，促使我國水稻種植方式逐漸從移栽轉變為直播[4-5]，同時田間雜草管理技術的改進也促進了直播稻面積的擴大[6-7]，據統計湖北省在2008—2015 年間直播稻種植面積總體增長10.58%。

氮肥是水稻產量的保障，我國在水稻生產中投入的氮肥占全球水稻氮肥消耗量的37%[8-9]，但我國氮肥利用率僅為30%～35%[10-11]，同時由于不合理的施肥方式和施肥量導致了一系列的農田面源污染問題。作物未吸收的氮素通過氨揮發[12]、徑流[13]、滲漏[14]等途徑進入環境中，從而造成耕地退化、農產品品質下降、湖泊水域富營養化、酸雨等環境問題。如何提高氮肥利用率和降低氮素損失帶來的環境危害是保證農業可持續發展的關鍵[15]。前人研究發現，樹脂包膜尿素與普通尿素相比能有效降低氨揮發[16]，同時樹脂包膜尿素表面具有一層聚合物，其可使氮素的釋放得到控制[17]，降低稻田氮素徑流和滲漏損失[18]，而普通尿素進入稻田土壤環境中后，迅速溶解于土壤水體中，使水體中銨態氮濃度增高，從而增加了氮素流失的風險。直播稻在播種后需要及時排水以防止種子腐爛不發芽，同時直播稻前期生長緩慢，對氮素要求不高，中后期對氮素需求量較大[19]，因此樹脂薄膜尿素與普通尿素配合施用可能更適合直播稻對氮素的需求，且有助于減少氮素流失的風險，降低農田面源污染。為探究緩釋氮肥與速效氮肥在直播稻生產上配合施用對氮素流失的影響，本試驗采用“深兩優332”為供試材料，設置8個施肥處理研究樹脂包膜尿素配施普通尿素對直播稻田氨揮發、氮素徑流和滲漏損失及水稻產量的影響，以期為江漢平原直播稻種植提供理論施肥依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2021 年在湖北省荊州市長江大學農學院試驗基地（30°21'N，112°09'E）標準小區內進行。選用“深兩優332”為試驗水稻材料。試驗基地地處江漢平原，土壤為典型潛育型水稻土。土壤（0～20 cm）基本性質：pH 為7.19、有機質為29.25 g·kg-1、全氮為2.53 g·kg-1、堿解氮為116.05 mg·kg-1、速效磷為15.89 mg·kg-1、速效鉀為223.55 mg·kg-1。樹脂包膜尿素由北京市緩控釋肥料工程技術研究中心研制（氮素含量43%，包膜率2.69%，靜水釋放期3～4個月），普通尿素有效養分為46%，磷肥和鉀肥分別為過磷酸鈣和氯化鉀，有效養分為12%和60%。

1.2 試驗設計

試驗地耕作模式為輪作模式，上茬作物為小麥。試驗采用單因素試驗設計，設有8種氮肥管理方式，施肥基追比例參考張祖建等[20]和柯健等[21]的基追配比并優化而來，分別為CRFU 系列：樹脂包膜尿素（基肥）∶普通氮肥（分蘗肥）=4∶6（CRF4U6）、6∶4（CRF6U4）、8∶2（CRF8U2），一次性基施樹脂包膜尿素（CRF10U0）；U系列：普通尿素（基肥）∶普通尿素（分蘗肥）=4∶6（C4U6）、6∶4（C6U4）、8∶2（C8U2）；以不施氮處理為對照（CK）。各處理施氮量均為180 kg·hm-2，磷肥75 kg·hm-2，鉀肥105 kg·hm-2，磷鉀肥均作基肥一次施入。每個處理3 次重復，共計24 個小區，小區面積均為15 m×3 m=45 m2，小區之間用高0.15 m 的土埂隔開，土埂上覆薄膜，薄膜插入土壤20 cm 深處，防止小區之間竄水竄肥，每小區均有獨立的灌溉系統和徑流池，徑流池用于收集每次徑流的產流水樣。

田塊旋耕后構建小區，將肥料撒施于表層，在小區中間開溝用于灌排水，溝寬0.2 m、深0.1～0.2 m。播種前排水，保證小區廂面濕潤無水層。于5月22日撒施基肥并人工撒播，播種量折合干種22.5 kg·hm-2。播種后3 d 內化學除草，播種后至三葉一心期保持田間濕潤無水層，如遇強降水則需進行排水，在試驗期間共排水3次（5月22日、5月26日、7月14日）。2021年6 月8 日復水，保持田間2～3 cm 淺水層，之后維持淺水層管理，6 月16 日撒施分蘗肥，10 月7 日收獲。及時防控病蟲草害，避免產量損失。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水樣采集及測定

降雨過后，按照水稻不同生育期的水管理方法進行排水，在每次降雨產流后統計徑流水體積，并取100 mL 水樣冷凍保存，用于檢測分析。及時清空剩余的徑流水，避免干擾下一次采樣。

參照葉玉適等[22]的方法，在各小區埋置直徑2 cm、長90 cm 的PVC 管，且在距離底部25 cm 處每隔1 cm 均勻鉆直徑5 mm 的滲水孔，底部封閉，滲水部分用紗布包裹，以防泥沙進入，PVC 管埋深60 cm，滲水孔距離表層25～30 cm，收集的滲漏水視為30 cm[22]處的混合水樣。管口高出地表30 cm，上部加蓋以防雨水進入。在施肥后每隔2 d 取一次樣，連續2 周，隨后每隔7 d 取一次樣。參照晏軍等[23]的測定方法，每日對田間滲漏量進行監測。

徑流水、滲漏水水樣中總氮（TN）濃度采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法測定，氨態氮（NH+4-N）和硝態氮（NO-3-N）濃度使用Alliance-Futura Ⅱ連續流動分析儀測定。

氮素徑流流失量=徑流水氮素濃度×徑流量/小區面積

氮素流失率=（施肥處理氮素流失量-不施肥處理氮素流失量）/施氮量×100%

氮滲漏流失量=小區滲漏水氮濃度×流失體積/小區面積

1.3.2 氨揮發采集及測定

采用通氣法[24]采集揮發的氨，具體采集方法參照喬月等[25]的方法。在每次施肥后第1 周每日取樣一次，第2～3 周每2～3 d 取樣一次，之后取樣間隔時間可延長至7～14 d，直至水稻收獲為止。將收集的下層海綿浸泡在200 mL 1 mol·L-1KCl 溶液中，振蕩1 h，用靛酚藍比色法[26]測定浸提液中的NH+4-N，計算氨揮發通量。

氨揮發通量計算公式：

式中：F為氨揮發通量，kg·hm-2·d-1；m為通氣法單個裝置平均每次測得的氨含量，g；A為捕獲裝置的橫切面積，m2；tD為每次連續捕獲的時間，d。

氨揮發累積損失量計算公式：

式中：A為氨揮發累積損失量，kg·hm-2；i表示第i次氨揮發采樣；Ti+1-Ti表示兩個相鄰測定日期的間隔，d；n為累積排放量觀測時間內總的測定次數。

氨揮發損失率（L）計算公式：

式中：L為氨揮發損失率，%；180 為施用純氮量，kg·hm-2。

1.3.3 產量及產量構成因素測定

成熟期每小區取1 m2水稻收獲，重復3 次，脫粒曬干風選之后測定實粒質量，隨后換算產量。于成熟期調查大田有效穗數，每小區調查5 株具有代表性的植株有效穗，并根據有效穗進行取樣。選取取回的樣品5 穗進行脫粒，隨后用水選法將癟粒和實粒進行分離，烘干后測定結實率、每穗粒數和千粒質量。

1.4 數據計算與統計分析

采用Excel 365和SPSS 25.0軟件進行數據統計分析，處理間差異顯著性分析采用最小顯著差異法（LSD）。

2 結果與分析

2.1 不同處理下直播稻田氨揮發動態變化

氨揮發是稻田氮素損失的主要途徑之一，從圖1可以看出，施用基肥后氨揮發通量呈現逐漸增加的趨勢，CRFU 系列與U 系列在施基肥后第4天出現峰值，峰值介于0.25～1.98 kg·hm-2·d-1之間，CRFU 系列峰值顯著低于U系列（表1，P＜0.05），且CRFU系列中各處理間無顯著差異，U系列中各處理間差異顯著（P＜0.05）。施用追肥后，CRFU 系列在追施尿素后第1 天出現峰值，U 系列在追施尿素后第2 天出現峰值，CRFU 系列峰值介于1.31～2.85 kg·hm-2·d-1之間，U 系列介于1.71～2.72 kg·hm-2·d-1之間，各處理中以CRF10U0最低，RF8U2 次之，且CRF8U2 顯著低于C8U2（表1，P＜0.05）。

表1 不同氮肥管理方式下直播稻田氨揮發通量峰值（kg·hm-2·d-1）Table 1 Peak ammonia volatile flux in paddy fields under different nitrogen fertilizer management（kg·hm-2·d-1）

圖1 不同氮肥管理方式下直播稻田氨揮發通量動態Figure 1 Dynamics of ammonia volatile flux in paddy fields under different nitrogen fertilizer management

2.2 不同處理對直播稻田氨揮發損失量和損失率的影響

不同氮肥管理方式下直播稻田氨揮發損失量與損失率如表2所示。CRFU 系列基肥期氨揮發損失量顯著低于U 系列（P＜0.05），且CRFU 系列中CRBF6U4、CRBF8U2、CRBF10U0 間無顯著差異，但均高于CRBF4U6，且CRBF10U0 顯著高于CRBF4U6（P＜0.05），U 系列中各處理間氨揮發損失量差異顯著（P＜0.05）；追肥期CRFU 系列中的CRF4U6、CRF6U4 顯著高于U 系列，但追肥期氨揮發損失量以CRF10U0 最低，與U系列平均水平相比樹脂包膜尿素基肥一次性施用（CRF10U0）可降低追肥期4.12%～17.17%的氨揮發損失量；CRFU 系列在直播稻整個稻季的氨揮發損失量顯著低于U 系列，以CRF10U0 最低，CRF8U2 次之，與U 系列相比降低了24.57%～32.89%、13.29%～22.86%的氨揮發損失量。且CRF8U2 與CRF10U0 的損失率僅為8.92%、7.35%。

表2 不同氮肥管理方式下氨揮發損失量和損失率Table 2 Ammonia volatilization loss volume and loss rate under different nitrogen fertilizer managements

2.3 不同處理對直播稻田氮素徑流損失的影響

整個稻季期間共產生3 次徑流，分別發生在施用基肥后第1 天和第4 天（5 月22 日、5 月26 日），施用追肥后第28 天（7 月14 日）。CRFU 系列在施用基肥后徑流TN 流失量顯著低于U 系列（表3，P＜0.05），其中以CRF10U0 處理最低，與C4U6 相比顯著低65.47%，主要原因是在施用基肥后徑流水中的TN濃度顯著低于U系列（表4，P＜0.05）。

表3 不同氮肥管理方式下直播稻田徑流水TN流失量Table 3 TN loss of runoff water in paddy field under different nitrogen fertilizer managements

表4 不同氮肥管理方式下徑流水中TN濃度（mg·L-1）Table 4 TN concentration in runoff water under different nitrogen fertilizer managements（mg·L-1）

2.4 不同處理下直播稻田滲漏水氮素濃度動態變化

不同氮肥管理方式下直播稻田30 cm滲漏水氮素動態變化如圖2所示。施基肥后第5天，各施氮處理下TN 濃度達到峰值（圖2A），峰值介于3.53～14.62 mg·L-1，CRFU 系列峰值顯著低于U 系列（P＜0.05），以CRF4U6 相對較低，U 系列中各處理間差異顯著（P＜0.05）。施追肥后第3 天各處理TN 濃度達到峰值，峰值介于3.94～13.78 mg·L-1，其中CRF6U4、CRF8U2、CRF10U0 均顯著低于U 系列。NH+4-N 濃度變化趨勢與TN 濃度變化趨勢大致相同（圖2B），施基肥后CRFU 系列峰值顯著低于U 系列（P＜0.05），施用追肥后，相同基追比處理間無顯著差異，各處理中以CRF10U0 最低，CRF8U2 次之。NO-3-N 濃度變化趨勢與TN 濃度不同，各施肥處理在施用基肥后2 周出現峰值，峰值介于1.19～2.08 mg·L-1，CRFU 系列均顯著低于U 系列（P＜0.05），追施尿素后1 周內出現峰值，峰值介于0.94～1.62 mg·L-1。根據上述分析可以看出，CRF10U0和CRF8U2的施肥模式有利于降低直播稻滲漏水中的氮素濃度。

圖2 不同氮肥管理方式下直播稻田30 cm滲漏水氮素濃度Figure 2 Leakage nitrogen concentration at 30 cm in direct paddy field under different nitrogen fertilizer managements

2.5 不同處理對直播稻田氮素滲漏損失量的影響

圖3 為不同氮肥管理方式下直播稻田TN 滲漏損失量，從圖中可以看出，CRFU 系列在基肥期TN 滲漏損失量顯著低于U 系列，且U 系列各處理間的TN 流失量差異顯著（P＜0.05）。追肥期，兩個系列中不同基追處理之間差異顯著（P＜0.05），且CRF10U0、CRF6U4、CRF8U2 顯著低于U 系列處理。水稻整個生育期的TN 滲漏損失量CRFU 系列顯著低于U 系列，以CRF10U0 最低，CRF8U2 次之，與U 系列相比分別顯著降低34.86%～45.62%和30.70%～42.15%。

圖3 不同氮肥管理方式下直播稻田30 cm滲漏水TN淋失量Figure 3 TN loss of 30 cm seepage water leakage in paddy field under different nitrogen fertilizer managements

2.6 不同處理對直播稻產量的影響

施肥顯著增加了直播稻的產量（表5），所有施肥處理中以C4U6 最高，較CRF4U6 相比顯著高出18.54%，而與CRF8U2、CRF10U0 之間無顯著差異，僅高出0.01%、1.93%；CRF6U4、CRF8U2、CRF10U0 的產量均高于C6U4、C8U2，并與C8U2 之間達到顯著差異水平（P＜0.05）。施肥同時增加了各處理的有效穗數、每穗粒數、結實率和千粒質量，其中CRF8U2、C4U6的有效穗數、每穗粒數和結實率最高，顯著高于CRF10U0、CRF4U6、CRF6U4、C6U4、C8U2（P＜0.05）。

表5 不同氮肥管理方式下直播稻產量及產量構成因素Table 5 Yield and yield components of direct seeding rice under different nitrogen fertilizer managements

2.7 不同處理對直播稻經濟效益的影響

施用氮肥增加了直播稻的產量，從而使產投比得到提升（表6），在CRFU 系列中，CRF8U2 的產投比最高，CRF10U0 次之，同時CRF8U2 與CRF10U0 相比產量高出1.83%，產投比高出0.99%。U 系列中以C4U6產投比最高，C6U4次之，同時C4U6與C6U4相比產量高出4.47%，產投比高出4.39%。兩系列之間以C4U6產投比最佳，但僅比CRF8U2 高4.90%，由此可見，CRFU 系列中的CRF8U2 和U 系列中的C4U6 施肥模式能有效增加直播稻產量，同時提升直播稻田經濟效益。

表6 不同氮肥管理方式下直播稻經濟效益Table 6 Economic benefits of direct seeding rice under different nitrogen fertilizer managements

3 討論

3.1 樹脂包膜尿素配施普通尿素對氨揮發的影響

樹脂包膜尿素被報道在水稻生產中能有效降低稻田氨的產生和排放，其中樹脂包膜尿素的減排效率最高（56.20%）[27]。Guo 等[28]的研究表明，樹脂包膜尿素與普通尿素相比可使稻田年氨揮發損失量降低64.80%。樹脂包膜尿素能有效降低稻田氨的排放[29]。在本研究中，CRF10U0處理的氨揮發損失量較C4U6、C6U4、C8U2處理顯著減少了32.57%～49.02%，這是由于樹脂包膜尿素具有一層樹脂包裹，肥效釋放緩慢，從而使氨揮發通量得到了控制[30]。另外，本研究還得出，CRFU 系列中，氨揮發損失量隨樹脂包膜尿素基肥施用比例的增加而減少，CRF8U2和CRF10U0在整個稻季的氨揮發損失量顯著低于CRF4U6、CRF6U4，主要原因可能是減少了追肥次數和降低了追肥量[31]。

氮肥基追比例也是造成稻田氨揮發的因子之一，夏文建等[32]指出，速效氮肥一次性基肥施用是不合理的，不能滿足作物全生育期的養分需求，且加劇了氮素損失。直播稻前期生長緩慢對養分需求量較小，應減少基肥期氮肥用量，將氮肥適量后移。本研究結果表明，在U系列中C4U6的氨揮發損失量最少，顯著低于C8U2。Li 等[33]指出，增加樹脂包膜尿素基肥占比，能有效降低稻田氨氣的產生和排放。本研究同樣證實，CRF10U0、CRF8U2 在整個稻季的氨揮發損失量顯著低于CRF4U6、CRF6U4 和U 系列。本研究還發現，CRF4U6、CRF6U4 在追肥期的氨揮發損失量顯著高于CRF10U0、CRF8U2 和U 系列，這主要是因為樹脂包膜尿素釋放緩慢，推遲了峰值的出現，使基肥期應當出現的峰值與追肥期疊加[34]。

3.2 樹脂包膜尿素配施普通尿素對直播稻田氮素徑流損失的影響

施肥初期徑流水中的氮素濃度水平較高，該時期是防止氮素流失的關鍵時期[35]，肥料種類也是防止氮素徑流損失的重要因素，樹脂包膜尿素具有一層脂溶性聚合物包裹，能有效控制氮素的釋放[36]，降低直播稻前期稻田水中的氮素濃度[34]，相較于普通尿素可使氮素流失降低24.5%[37]。王小治等[38]在其研究中指出，樹脂包膜尿素作為基肥施用處理的徑流水中TN濃度始終接近對照水平，而普通尿素作基肥施用在施肥后2 d內徑流水中TN濃度達到峰值隨后逐漸降低。本研究結果顯示，CRFU 系列徑流TN 流失量顯著低于U 系列，同時不同基追處理之間的TN 徑流流失差異較大，CRFU 系列中基肥施用量越高，TN 流失量越低，U 系列則相反，其主要原因可能是稻田氮素流失要發生在施肥后1 周內[39]，而普通尿素在進入土壤中后1 周內是釋放高峰期[40]，樹脂包膜尿素的脂溶性聚合物包裹層降低了尿素直接與水直接接觸的可能性[41]，降低了稻田水中的氮素濃度，從而降低了氮素徑流損失。

3.3 樹脂包膜尿素配施普通尿素對直播稻田滲漏水氮素濃度和形態以及滲漏損失的影響

稻田滲漏水30 cm 處的NH+4-N 濃度與TN 濃度趨勢基本一致，施肥后10 d 內滲漏水氮素濃度達到峰值[42]，本研究結果與其一致。本試驗還發現，CRFU系列基肥期氮素峰值濃度顯著低于U系列，初步分析可能是因為樹脂包膜尿素具有釋放緩慢的特性，其剛進入土壤環境中時，氮素并未析出從而降低了氮素下滲的風險[43-44]，普通尿素進入土壤后迅速溶解于土壤水環境中，增加了土壤水體的氮素濃度從而增加了氮素下滲的風險。本試驗還發現下滲的氮素形態以NH+4-N為主，這與葉玉適等[42]的研究結果一致，其原因可能是直播稻前期生長不完全，根系未發育完整使其對NH+4-N 吸收量較小[45]，導致NH+4-N 下滲，同時在施用追肥后滲漏水中氮素濃度出現峰值，且峰值隨追肥量的增加而增加，其主要原因是直播稻前期保持田面濕潤[46]，導致土壤孔隙中水分含量減少，復水之后導致水體下滲，而追肥時間與復水之間相近導致田面水體中氮素下滲從而出現一定峰值。同時本研究還發現，30 cm 滲漏水中的NO-3-N 濃度維持在較高水平，其主要原因可能為播種前期排水和分蘗期曬田增加了土壤中的氧化還原反應，從而增加了土壤水體中的NO-3-N濃度[42]。

本研究中TN 滲漏損失率為2.90%～6.47%，在李娟等[47]報道的稻季滲漏淋失率范圍之內。葉玉適等[42]指出，樹脂包膜尿素能降低稻田氮素滲漏損失。本試驗結果顯示CRFU 系列TN、NO+4-N、NO-3-N 損失量均顯著低于U 系列，其中以CRF8U2、CRF10U0 處理最為明顯，且CRFU 系列氮素淋失主要發生在追肥期，追施尿素比例越高的處理（CRF4U6）氮素淋失量越高，而U 系列中（C8U2）基肥施用氮素過多是造成氮素淋失的主要原因。

3.4 樹脂包膜尿素配施普通尿素對直播稻產量的影響

氮肥是決定水稻產量高低的關鍵性因素，是水稻產量的保障。樹脂包膜尿素與普通氮肥混合施用能有效改善水稻產量構成，有利于形成有效穗，擴充籽粒庫等作用，且樹脂包膜尿素在降低農業面源污染等方面作用明顯[27-28，37，48]。本試驗結果表明CRFU 系列下的CRF10U0、CRF6U4、CRF8U2 的產量與C6U4、C8U2相比均有所增加，CRF8U2的產量更是顯著高于C6U4、C8U2，且CRF10U0、CRF6U4 的產量都顯著高于C8U2。也有研究表明，樹脂包膜尿素施用是否增產取決于水稻品種類型、土壤類型、地力水平[49]，本試驗中CRF8U2 處理的產量雖然較CRF10U0、CRF4U6、CRF6U4、C6U4、C8U2 有顯著增加，但與C4U6 之間沒有顯著差異。

4 結論

樹脂包膜尿素配施普通尿素能降低直播稻田氮素徑流流失量、30 cm處滲漏損失量和氨揮發損失量，且以基肥一次性施用樹脂包膜尿素（CRF10U0）和樹脂包膜尿素（基肥）∶普通尿素（分蘗肥）=8∶2（CRF8U2）兩個處理的效果俱佳。同時，CRF8U2 處理的產量與最高產量處理C4U6 相當，而CRF8U2 的產投比僅比C4U6 低4.90%。綜合考慮氮素損失、產量和產投比等多方面因素，CRF8U2 施肥模式更加貼合直播稻實際生產。