水基包衣控释掺混肥料一次性施用对单季稻氮素利用的影响

辛志远，王昌全*，申亚珍，马　菲，周健民，杜昌文*

（1.四川农业大学资源学院，成都611130；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京210008）



水基包衣控释掺混肥料一次性施用对单季稻氮素利用的影响

辛志远1，王昌全1*，申亚珍2，马菲2，周健民2，杜昌文2*

（1.四川农业大学资源学院，成都611130；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，中国科学院南京土壤研究所，南京210008）

摘要：通过田间小区试验研究一次性简化施肥对水稻产量和氮素吸收利用的影响，为水稻简化高效施肥提供技术支撑。以水稻品种南粳46为试验材料，设置常规分次施肥处理和水基包衣控释掺混肥料（控释氮占30％）一次性简化施用处理，在施肥后利用红外光声光谱法监测农田顶空NH3和N2O浓度，并测定植株各部位氮素积累量和不同生育期土壤铵态氮与硝态氮含量。结果表明，与常规分次施肥相比，一次简化施肥处理将产量从6 201.9 kg.hm-2提高到6 506.9 kg.hm-2，在观测期内常规分次施肥处理的土壤顶空NH3和N2O平均浓度为19.14、8.40 μmo1.mo1-1，而一次简化施肥处理则分别为18.63、7.74 μmo1.mo1-1，氮肥气态损失相对减少，同时土壤中残留的硝态氮与铵态氮有增加的趋势。因此，常规分次施肥的农学利用率为7.81 kg籽粒.kg-1氮，而一次简化施肥处理农学利用率为9.09 kg籽粒.kg-1氮。综上，水基包衣控释掺混肥料可以实现水稻一次性施肥，在保证产量的基础上实现氮素利用率的提升，为水稻简化高效施肥提供了技术支撑。

关键词：水基包衣控释肥料；一次简化施肥；氮素利用；土壤顶空；氨挥发；氧化亚氮排放

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水稻是我国的主要粮食作物之一，种植面积约占总耕地面积的25％[1]。氮肥对水稻的高产起着重要的支撑作用[2]，然而氮肥的不合理施用导致作物利用率较低，目前我国当季氮肥利用率为35％～50％[3]，大部分氮素损失到环境中，导致温室气体排放增加以及水体富营养化加剧。因此，提高氮素利用率成为农业生产中最为关注的问题之一[4-5]。

在水稻生产中，含氮气体排放（如NH3和N2O）是氮肥损失主要途径之一，因而受到广泛关注[6-7]。NH3挥发是尿素施入农田后的主要损失途径[8-9]，其损失量高达施氮量的40％～50％[10-11]；N2O排放在氮素损失中也占到较大比例，同时对大气温室效应也具有较大贡献，仅次于CH4和CO2[12]。要提高氮素利用率，关键是让氮肥供应与作物需求相匹配，以增加吸收利用，进而减小排放损失。缓控释肥料为有效提高氮素利用提供了可能途径[13-15]，通常认为缓控释肥施用后，肥料养分的供应与植物需求基本一致，可防š土壤中有效氮过量的现象，明显减少施用过程中肥料氮素的损失量[16]。

水基聚合物包衣控释肥料是近几年来商品化的控释肥料品种之一，和国内外主流聚合物包膜控释肥料相比，具有控释更灵活、环境更友好和生产成本较低的优势[17-19]。但是，由于水基聚合物包衣控释肥需”包衣再加工，其价格还是显著高于常规速效氮肥，在实际大田生产应用中受到限制。通过掺混一定比例的控释氮肥，一次性简化施用，速效氮部分保证前期氮的供应，而控释氮部分保证中后期供应，不但能与作物需氮相匹配，保证作物产量，同时也能显著降低肥料成本和施肥成本，具有较明显的应用潜力。

本研究以水基聚合物包衣控释肥料为原料，通过控释掺混的方式一次性简化施用，与常规分次施用相比较，综合分析氮素吸收利用、土壤氮素残留以及含氮气体排放，研究其对水稻产量及氮素利用的影响，为简化高效施肥提供技术支撑。

1　材料与方法

1.1供试材料

试验在中国科学院南京土壤研究所汤泉试验基地进行。供试水稻土pH6.00，有机质为22.26 g.kg-1，全氮1.31 g.kg-1，有效磷15.41 mg.kg-1，速效钾146.4 mg.kg-1。水稻品种为南粳46。供试常规肥料为绿聚能复合肥，N、P、K比例为16∶8∶18，江苏中东集团公司生产提供）；艾萨斯水基聚合物包衣控释尿素含氮41.8％，控释期为三个月，静水25℃溶出，江苏艾萨斯新型肥料工程技术有限公司生产提供，水基包膜材料环境友好，其养分释放曲线呈“S”型，养分释放主要受温度和水分影响，大颗粒尿素含氮46.4％，鲁西化工集团公司生产提供。

1.2试验设计

试验设三个处理：不施肥对照（T1）、当地习惯分次施肥处理（T2）和水基聚合物控释掺混肥处理（T3）。T2处理N、P、K肥的施用量为N 240 kg.hm-2，P2O560 kg.hm-2，K2O 135 kg.hm-2，以尿素、磷二铵和硫酸钾形式一次性基施，氮肥分为基肥、分蘖肥、穗肥（比例为5∶2∶3）三次施用；T3处理中N、P、K肥的施用量与T2处理保持一致，但所施氮肥中30％的氮由水基聚合包衣控释尿素替代，N、P、K一次性基施。每个处理四次重复，每个试验小区面积为40 m2（4 m×10 m），种植密度为20 cm×15 cm。各处理的灌溉、施药等田间管理措施完全一致。水稻于2014年6月19日插秧，11 月18日收获。

1.3测定指标及方法

1.3.1植株含氮量

植株样与土壤样均在每个生育期的后期•集，以避免刚施肥或追肥不久就•样，不能准确反映肥效。分别在分蘖期（2014年7月10日）、拔节期（8月1日）、齐穗期（9月25日）和成熟期（11月15日）随机选择每个小区的三穴水稻，分为茎、叶、穗和根放入•样袋，在烘箱105℃杀青、70℃烘干至恒重后称量，并用H2SO4-H2O2联合消煮，凯氏定氮法测定植株全氮。

1.3.2土壤铵态氮与硝态氮浓度

分别在分蘖期、拔节期、齐穗期和成熟期在每个小区土壤表层（0～15 cm）取土，用2 mo1.L-1的氯化钾浸提、然后振荡1 h并过滤，再用间断式化学分析仪（SmartChem 200，A11jace，France）测定土壤铵态氮与硝态氮含量。

1.3.3土壤温度测量

将水银温度计插入稻田土壤5 cm深处，每天14∶00读数并记录。

1.3.4土壤顶空NH3和N2O浓度

测定方法是基于红外光声效应的土壤顶空NH3和N2O浓度原位检测。在施肥后（2014年6月18日到7月30日）不下雨的情况下，于每天气温最高的14∶00（有利于气体挥发）在每个小区随机选取4个位点，用注射器抽取水面上空1 cm左右高度处空气，注入干燥真空的200 mL特氟龙气体•样袋密封待测。使用傅里叶变换红外光谱仪（Njco1et 6700，Thermo Fjsher，USA）和气体光声检测附件（PA101，Gasera，Fjn1and）对气体扫描，并在中红外波段进行光谱•集。扫描速率为32次、分辨率为4 cm-1、动镜速率为0.16 cm.s-1，•用小波变换对气体原始光谱进行平滑处理，利用标准浓度的气体与峰高建立模型。NH3定量分析的吸收峰位于920～990 cm-1，N2O定量分析的吸收峰位于1220～1340cm-1[20]；NH3测定的检测限为0.1 mg.L-1，N2O的检测限为0.02 mg.L-1。

1.3.5氮肥利用率计算

氮肥农学利用率=（施氮处理籽粒产量-空白处理籽粒产量）/施氮量

氮肥当季利用率=（施氮处理植株吸氮量-空白处理植株吸氮量）/施氮量×100％[21]

1.4数据分析

光谱数据使用Mat1ab处理，其他数据均使用Exce1 2007计算，使用IBMSPSSstatjstjcs20进行样本数据的差异显著性统计分析，利用Exce12007作图。

2　结果与讨论

2.1植株氮素含量

如表1所示，所有处理的植株总氮量在各个时期持续增加，其中T2与T3处理的各部位氮素累积量在各时期均没有显著差异，但不同生育阶段氮素累积量高低变化不同。

表1　不同施肥Œ理下水稻各生育阶段氮素累积量（kg.hm-2）Tab1e 1 Njtrogen accumu1atjon jn rjce p1ant at djfferent growth stages（kg.hm-2）

在分蘖期与拔节期，T3处理叶与茎中氮素累积量均高于T2处理；在齐穗期，由于之前追施穗肥，T2处理茎、叶及穗中氮素累积量高于T3处理；到了成熟期，T2处理叶与茎中氮素累积量高于T3处理，但穗中氮素累积量却低于T3处理，虽然T2和T3之间没有显著差异，但后期T3处理氮素具有更容易转到穗部的趋势。与T1处理相比，T3处理叶中氮素累积量在分蘖期、拔节期、齐穗期和成熟期分别增加了246％、156％、102％和152％；茎中氮素累积量分别增加了168％、147％、72％和188％；穗中氮素累积量增加了65％和80％（齐穗期与成熟期）；植株总氮素累积量分别增加了219％、153％、90％和112％。与T2处理相比，T3处理叶中氮素累积量在分蘖期和拔节期分别增加了7.1％和4.9％，但在齐穗期与成熟期分别减少了7.1％和8.9％；茎的氮素累积量在分蘖期和拔节期分别增加了10.7％、12.8％，但在齐穗期与成熟期分别减少3.2％和7.4％；穗的氮素累积量在齐穗期减少了7.3％，但在成熟期增加了7.8％；植株总氮素累积量与T2处理没有明显差别。

2.2水稻氮素农学利用率和当季利用率

从表2可以看出，与不施肥处理（T1）相比，T2与T3处理都增加了水稻籽粒的产量。T2处理的茎与叶氮含量高于T3处理，但穗氮含量较低，T2与T3处理的氮肥当季利用率没有显著差别，但T3处理的氮肥农学利用率明显高于T2处理。与T1处理相比，T3处理籽粒产量增加了50.4％；与T2处理相比，T3处理籽粒产量增加了4.9％，氮肥当季利用率增加了0.53％，氮肥农学利用率增加了16.4％。以上结果表明，T3处理能保证水稻产量和氮肥利用率稳定且有增加趋势。

表2　不同施肥Œ理对水稻氮素利用率的影响Tab1e 2 Njtrogen use effjcjencjes jn rjce under djfferent fertj1jzatjon treatments

2.3水稻土壤表层铵态氮与硝态氮含量

由于水稻土壤长期处于淹水状态，硝化作用被强烈抑制，水稻田氮素形态以铵态氮为主[22]。由图1可以看出，T1处理土壤铵态氮一直处于较低水平。T2处理在拔节期处于很低状态，齐穗期有一些上升，成熟期又迅速下降。T3处理处于持续降低状态，在齐穗期时降至最低。在分蘖期，水稻对土壤氮素需求量大，T3处理与T2处理均供给了充足的铵态氮，分别为60.2、45.3 mg.kg-1，促进了水稻的分蘖；在拔节期，T3处理土壤铵态氮含量降至22.2 mg.kg-1，而T2处理已”降至12.2 mg.kg-1，接近T1处理；在齐穗期，由于T3处理是一次性施肥，且有70％是速效氮，土壤铵态氮已”接近T1处理，而T2处理由于穗肥施用，铵态氮含量有小幅度上升，达到21.6 mg.kg-1；到了成熟期，T2处理的土壤铵态氮含量也与T1基本一致。

图1　不同生育时期土壤铵态氮含量Fjgure 1 Soj1 ammonjum njtrogen content at djfferent growth stage

由图2可以看出，T1、T2与T3处理在各生育期的土壤硝态氮含量基本一致。在分蘖期与拔节期，由于水稻田淹水，硝化作用被强烈抑制，各处理的土壤硝态氮含量均十分低。到了齐穗期与成熟期，稻田排水，土壤通气，硝化细菌活跃，土壤硝态氮含量有所上升，但其总量明显低于铵态氮。

水稻土壤供给的氮以铵态氮为主，T3处理在分蘖期与拔节期供氮量高于T2处理，但到齐穗期时，氮素释放很少，低于追施穗肥的T2处理。因为在前期T3处理已”积累了足够的氮素，所以在成熟期T3处理的氮素积累不低于T2处理，甚至籽粒含氮量高于T2处理。

图2　不同生育时期土壤硝态氮含量Fjgure 2 Soj1 njtrate njtrogen content at djfferent growth stage

2.4土壤顶空NH3浓度

土壤顶空NH3浓度与NH3挥发密切相关。从图3可以看出，T2与T3处理均在施肥后第2 d出现NH3挥发峰值，分别为53.7、66.7 μmo1.mo1-1。第二次出现NH3挥发峰是在施肥后第14 d（T2处理追肥后的第2 d），T2处理出现36.78 μmo1.mo1-1的峰值。两次NH3挥发峰均出现在施肥后的第2 d，并在6 d内逐渐降低，趋于平稳。从图3可以看出土壤温度变化与T1的NH3挥发浓度变化趋势是一致的，但对施肥处理影响不明显。

T3处理是一次性施肥，且控释氮肥只占30％，因此第一次NH3挥发峰值高于T2处理。T2处理追肥后，出现明显NH3挥发峰，但是同时段内的T3处理顶空NH3浓度明显降低，即追肥增加了NH3排放。在历时42 d的监测期内，T2处理NH3挥发平均浓度为19.14 μmo1.mo1-1，T3处理NH3挥发平均浓度为18.63 μmo1.mo1-1，总体上T3处理的NH3挥发损失小于T2处理。

2.5土壤顶空N2O浓度

土壤顶空N2O浓度也与N2O排放密切相关。从图4可以看出，N2O动态与NH3明显不同，N2O峰明显滞后，且T2分别在施肥后的第5、15 d（T2处理追肥后的第3 d）和第30 d出现三个峰值，前两个峰较小，第三个峰值较大，其浓度分别为29.01、25.09、63.56 μmo1.mo1-1。T3处理在第5 d和第30 d分别出现一个小峰值和一个大峰值，浓度分别为24.10、69.58 μmo1.mo1-1。两个处理的N2O小排放峰与施肥有关，而在第30 d之所以出现较大排放峰，是因为施肥后第29～31 d进行了排水晒田。在监测期内，T2处理N2O挥发平均浓度为8.40 μmo1.mo1-1，T3处理N2O挥发平均浓度为7.74 μmo1.mo1-1。由此可以看出，N2O排放除了与施肥有关外，还与干湿交替有关，且在排水晒田期出现峰值，而在淹水件下N2O排放较少。

图3　不同施肥的Œ理对土壤顶空NH3浓度的影响Fjgure 3 Effects of djfferent fertj1jzatjon on NH3concentratjons jn soj1 headspace

图4　不同施肥Œ理对土壤顶空N2O浓度的影响Fjgure 4 Effects of djfferent fertj1jzatjon on N2O concentratjons jn soj1 headspace

土壤中N2O的产生主要源于土壤中微生物参与的硝化和反硝化反应，而硝化及反硝化细菌的活性受制于水、气、热等件。土壤含水量很低或长期持续淹水都不利于硝化及反硝化细菌的生长，对稻田土壤来说，土壤水分含量始终处于很高的状态，这时土壤通气性就有可能成为微生物活性最重要的制约因素。土壤由于持续淹水而处于缺氧和强还原状态，N2O的产生以反硝化作用为主，但这时反硝化作用产生的N2O可以被N2O还原酶还原为N2，而且加上水层对N2O向大气扩散过程的阻隔及对N2O的少量溶解，导致淹水期间稻田向大气排放的N2O量很少[23]。排水晒田期间，土壤的干湿交替使硝化作用和反硝化作用交替成为N2O的主要产生来源，同时，土壤的干湿交替还能抑制反硝化过程中的深度还原，使N2O的产生量增加[24-25]。

与传统常用的罩式检测方法相比[20]，土壤顶空的监测方法具有明显的优点：首›，从田间收集的气体不需要添加”何化学试剂，可直接进行光谱扫描，减少了化学实验带来的误差；其次，实验过程简便，直接进行光谱扫描，不需要繁琐的化学实验；其三，罩式方法Ÿ变了罩内的温度、湿度及空气流动等，所得结果可能不同程度地偏离实际情况，而土壤顶空监测方法是原位分析方法，能更好地反映真实情况。本次气体监测试验在每天14∶00进行，浓度的测定虽然能在一定程度上反映土壤中相关气体的排放状况，但无法准确反映不同气体的排放速率，故在进一步的试验中应当增加每天气体浓度的观测次数和观测位置，并考虑环境因子，进行排放模型构建，以计算不同气体的排放通量。

3　结论

（1）分次施肥处理的氮素当季利用率与一次简化施肥处理没有显著差异，但简化施肥处理的氮素农学利用率较高，其氮肥效率优于分次施肥处理。

（2）在观测期内T2处理的土壤顶空NH3和N2O平均浓度分别为19.14、8.40 μmo1.mo1-1，而T3处理的土壤顶空NH3和N2O平均浓度分别为18.63、7.74 μmo1.mo1-1。水稻田顶空NH3浓度平衡值约为15 μmo1.mo1-1，施氮肥会导致其排放量迅速增加；而水稻田顶空N2O浓度平衡值约为3 μmo1.mo1-1，干湿交替可导致其排放量迅速增加。

（3）常规肥料掺混水基包衣控释肥料一次性施用，既减少了施肥成本，保证或提高了水稻产量，同时能一定程度上提高水稻氮素利用率，故在简化高效施肥中具有较强的应用潜力。

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Effect of single application of water-borne polymer coated controlled-release blend fertilizer on nitrogen utilization in rice

XIN Zhj-yuan1，WANG Chang-quan1*，SHEN Ya-zhen2，MA Fej2，ZHOU Jjan-mjn2，DU Chang-wen2*
（1.Co11ege of Resource and Envjronment，Sjchuan Agrjcu1tura1 Unjversjty，Chengdu 611130，Chjna；2.The State Key Laboratory of Soj1 and Sustajnab1e Agrjcu1ture，Instjtute of Soj1 Scjence，Chjnese Academy of Scjences，Nanjjng 210008，Chjna）

Abstract：A fje1d experjment was conducted to study the effects of one-tjme fertj1jzatjon of water-borne po1ymer coated contro11ed re1ease b1end fertj1jzer on rjce growth，rjce yje1d，p1ant njtrogen absorptjon，soj1 njtrogen dynamjcs and njtrogen-contajnjng gas emjssjons（NH3and N2O）. Rjce cu1tjvar used was Nanjjng 46. Three treatments were no fertj1jzatjon，conventjona1 fertj1jzatjon，and one-tjme fertj1jzatjon of water-borne po1ymer coated contro11ed re1ease b1end fertj1jzer（contro11ed re1ease njtrogen accounted for 30％）. One-tjme fertj1jzatjon treatment jncreased rjce yje1d to 6 506.9 kg.hm-2from 6 201.9 kg.hm-2jn the conventjona1 fertj1jzatjon，but s1jght1y reduced NH3and N2O average concentratjons jn soj1 headspace to 18.63 μmo1.mo1-1and 7.74 μmo1.mo1-1from 19.14 μmo1.mo1-1and 8.40 μmo1.mo1-1jn the conventjona1 fertj1jzatjon，respectjve1y. The resjdua1 njtrate njtrogen and ammonjum njtrogen jn soj1 showed an jncrease tendency jn the one-tjme fertj1jzatjon. The agronomjc effjcjency of njtrogen was 7.81 kg grajn.kg-1N for the conventjona1 fertj1jzatjon，whj1e jt was 9.09 kg grajn. kg-1N for the one-tjme fertj1jzatjon. Therefore，the one-tjme fertj1jzatjon showed more stab1e njtrogen supp1y，and a1so jmproved njtrogen utj1jzatjon effjcjency.

Keywords：water-borne po1ymer coated contro11ed re1ease b1end fertj1jzer；one-tjme fertj1jzatjon；njtrogen utj1jzatjon；soj1 headspace；ammonja vo1atj1jzatjon；njtrous oxjde emjssjon

*通信作者：王昌全E-maj1：w.changquan@163.com；杜昌文E-maj1：chwdu@jssas.ac.cn

作者简介：辛志远（1992—），男，四川人，硕士研究生，主要从事控释肥料应用与示范研究。E-maj1：295046116@qq.com

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201303103）；国家“973”项目（2015CB150403）；四川省科技支撑计划（2012JZ0003）

收稿日期：2015-07-22

中图分类号：S158.2

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）01-0109-06doj：10.11654/jaes.2016.01.015