生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田稻季氨挥发的影响

周 旋 ，吴良欢 ，戴 锋 ，董春华

（1.教育部环境修复与生态健康重点实验室/浙江大学环境与资源学院，杭州 310058；2.浙江省农业资源与环境重点实验室/浙江大学环境与资源学院，杭州 310058；3.湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；4.浙江奥复托化工有限公司，浙江 上虞 312300）

氨（NH3）挥发是稻田氮（N）肥损失的主要途径之一，占施N量的10%～60%[1－2]。根据土壤和气候因素的不同，尿素施入稻田后2～10 d内完全水解[3]，释放大量的铵态氮（），导致田面水pH值迅速上升，造成严重的NH3挥发损失；而NH3通过大气干湿沉降进入地表水体，加剧水体富营养化[4－5]。因此，如何有效减少稻田N素损失、提高N肥利用率对经济及生态效益意义重大[6－7]。

硝化抑制剂应用于稻田与N肥配施，可以有效减少稻田氧化亚氮排放[11]，降低N素径流与淋溶损失量[12]，从而提高N素利用率，增加水稻产量。与旱地土壤不同，水稻土表层多处于淹水状态，施入N肥转化为保留在田面水中，添加硝化抑制剂会增加田面水浓度，导致更多（约 20%）NH3挥发损失[13]。Sun等[14]通过田间微区15N标记试验发现，不同施N水平下施用硝化抑制剂2－氯－6－（三氯甲基）吡啶（CP）会增加54.7%～110.6%NH3挥发排放。张文学等[15]研究发现，硝化抑制剂3，4－二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）前期对NH3挥发有一定促进作用，而添加采用脲酶抑制剂是一项有效降低稻田NH3挥发损失的技术措施。N－丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前商品化的土壤脲酶抑制剂之一[3]，其减缓尿素水解的作用明显，可以延长施肥点尿素的扩散，降低土壤溶液中NH+浓度，抑制NH3挥发损失，从而使养分尽快被作物吸收[8]。彭玉净等[9]研究发现，施用NBPT的稻田NH3挥发损失（率）从73.3 kg·hm－2（24.4%）下降至34.5 kg·hm－2（11.5%），降幅53%。此外，脲酶抑制剂的效用受到土壤类型、pH和水分状况等土壤理化性质、有机物质及尿素浓度等因素的影响[10]。NBPT可降低累积NH3挥发损失量21.7%，NBPT+DMPP配施则可使其降低13.6%。

黄泥田是广泛分布于南方省份的一种典型渗育型水稻土[16]，通常水分供应不足，磷（P）、钾（K）养分缺乏，属于中低产水稻田[17]。前期研究发现，尿素添加CP施用能促进早、晚稻生长，增产增收，提高N肥利用率，且早稻增产效果较晚稻好[18]，推测与晚稻生育期间的NH3挥发损失较高有关。目前，在黄泥田地区关于生化抑制剂组合配施的应用较少[10]，而结合施肥模式的NH3挥发排放研究更是鲜有报道。浙江奥复托化工公司经多次筛选发现一款有良好应用前景的脲酶抑制剂——N－丙基硫代磷酰三胺（NPPT），具有一定的抑制作用[19]。此外，影响NH3挥发损失的因素主要有气候条件（温度、湿度、光照及风速等）、土壤性质、化肥品种和施用方式以及种植制度等[20]。因此，开展脲酶抑制剂（NBPT/NPPT）和硝化抑制剂（CP）配施结合不同施肥模式，对黄泥田稻季NH3挥发速率和损失累积量影响及NH3挥发相关影响因素的研究，为减少农业生产中N素损失、提高N肥利用率及稻田缓释N肥的研制提供理论依据和技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年5—10月在浙江省金华市婺城区琅琊镇金朱村（29°01′19″N，119°27′96″E）进行。该区地处金衢盆地东缘，属于中亚热带季风气候，海拔86 m，年均降雨量1424 mm，年均气温17.5℃。供试土壤为黄泥田水稻土，前茬为冬闲田。耕层土壤基本理化性状：pH（H2O）5.31（土∶水=1∶1），有机质25.60 g·kg－1，全 N 1.87 g·kg-1，碱解 N 118.40 mg·kg-1，有效磷 7.21 mg·kg-1，速效钾 93.00 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试水稻品种为杂交籼稻“两优培九”。供试肥料品种N肥为尿素（含N 46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。脲酶抑制剂NBPT、NPPT和硝化抑制剂CP（24%乳油剂型）为分析纯，由浙江奥复托化工有限公司生产。

1.3 试验设计

试验采用生化抑制剂组合×施N模式两因素随机区组设计，设置2种施N模式（一次性和分次施肥）和6种生化抑制剂组合及不施N处理（CK），共13个处理。N肥施用模式如表1所示，与抑制剂配施前将二者混合均匀。磷（P2O5）、钾（K2O）用量分别为90 kg·hm-2和 120 kg·hm-2。磷肥和钾肥全部用作基肥于移栽前一次性施入。栽插密度为19.8 cm×19.8 cm，25万穴·hm-2，每穴2苗。单季稻于2015年5月28日播种，6月21日移栽，10月14日收获。小区面积30 m2（5 m×6 m），重复3次。每小区之间筑埂并用塑料薄膜包裹，区组间设排灌沟，单灌单排。田间其他管理按常规进行。

1.4 采样与测定方法

NH3挥发测定采用密闭室通气法[20-21]，密闭室为透明的有机玻璃制作（直径20 cm、高15 cm），挥发NH3吸收液采用 0.01 mol·L-1稀硫酸，于施肥后 1、3、6、9、12 d抽气结束后将吸收液带回实验室，采用靛酚蓝比色法测定挥发量。每日8：00—10：00和15：00—17：00分别进行抽气，以这段时间的通量值作为每日NH3挥发平均通量计算全日的NH3挥发量。施肥后定期测定田面水pH，用注射器选5点混合采集田面水样品，带回实验室后过滤，采用靛酚蓝比色法测定NH+4-N浓度。

土壤温度与相对含水率采用土壤温湿度速测仪（YE48YM-19，北京中西远大科技有限公司）进行监测，设置记录间隔为2 h，埋深为15 cm，其中土壤相对含水率是指土壤含水量占田间持水量的比例（%）。气温数据由浙江省金华市气象局婺城区监测点提供。

1.5 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 17.0数据分析软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 稻田气温、土温和土壤相对湿度

由图1A和图1B可知，单季稻生长期气温和土温总体呈下降趋势，气温前期波动较大，土温变化幅度较小；整个生育期平均气温和土温分别为26.2℃和25.6℃，变化幅度分别为15.0℃和13.0℃。水稻生长前期水层较厚，中间晒田，后期落干，干湿交替较为频繁（图1B）。

表1 氮肥施用方式Table1 N application methods

2.2 NH3挥发动态变化

2.2.1 NH3挥发速率

图1 稻季生育期气温、土温和土壤相对湿度的动态变化Figure1 Dynamics of air temperature，soil temperature and soil relative moisture during the experimental period of rice season

图2 不同处理下黄泥田稻季NH3挥发速率的动态变化Figure2 Dynamics of NH3volatilization rate during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

由图2可知，施肥后2周内NH3挥发速率于第3 d达到峰值后逐渐下降，之后各处理NH3挥发速率差异不大。基肥施用后第3 d峰值大小表现为U+CP＞U+NPPT+CP＞U＞U+NBPT+CP＞U+NBPT＞U+NPPT＞CK（一次性施肥）；U3＞U3+CP＞U3+NPPT+CP＞U3+NBPT+CP＞U3+NBPT＞U3+NPPT＞CK（分次施肥），说明添加 CP会提高稻田NH3挥发速率峰值，而NBPT/NPPT或配施CP明显延缓尿素水解，降低NH3挥发速率峰值。分次施肥中，基肥施用后NH3挥发峰值明显较一次性施肥低；分蘖肥和穗肥施用后NH3挥发迅速达到峰值，之后逐渐降低并趋于稳定。

2.2.2 NH3挥发总量

由表2可知，整个水稻生育期一次性施肥的NH3挥发净损失量为 18.3～55.7 kg N·hm－2，占 N 肥施用量的 10.2%～31.0%；分次施肥为 15.6～41.2 kg N·hm－2，占N肥施用量的8.7%～22.9%。基肥期是NH3挥发损失的主要时期，占总挥发量的68.8%～86.9%（一次性施肥）和51.7%～61.8%（分次施肥）；穗肥期NH3挥发损失量最小。

不同施肥模式下，施N处理稻田NH3总挥发损失量均显著高于CK处理。生化抑制剂组合和施肥模式分别对NH3总挥发损失量效应极显著（P＜0.001），两者交互效应不显著（P＞0.05）（表 2）。U3处理 NH3总挥发损失量和净损失率较U处理降低11.5 kg N·hm－2和24.6%。一次性施用中，各施N处理较CK处理NH3总挥发损失量增加 18.3～55.7 kg N·hm－2。与 U处理相比，U+NBPT、U+NPPT、U+NBPT+CP 和 U+NPPT+CP处理NH3挥发净损失率分别降低46.9%、60.9%、20.2%和35.0%，而U+CP处理增加18.9%。分次施用中，各施N处理较CK处理NH3总挥发损失量增加 15.6～41.2 kg N·hm－2。与 U3处理相比，U3+NBPT、U3+NPPT、U3+NBPT+CP 和 U3+NPPT+CP 处理NH3挥发净损失率分别降低55.9%、53.0%、19.1%和32.5%，而U3+CP处理增加16.6%。说明尿素配施NBPT/NPPT能有效延缓尿素水解，降低NH3挥发损失，而单独添加CP抑制硝化作用，会增加NH3挥发损失，加剧N素流失风险。

表2 不同处理下黄泥田稻季各施肥期NH3挥发损失量与净损失率Table2 NH3volatilization loss and net loss ratio at various fertilization stages during rice growing season from yellow clayey paddy field under different treatments

2.3 田面水浓度动态变化

表3 NH3挥发速率与其影响因子的相关系数Table3 Correlation coefficients between NH3volatilization rate and influencing factors

2.4 田面水pH动态变化

由图4可知，施N处理田面水pH值整体呈先升后降的趋势，在1～3 d内迅速达到峰值，且pH值均大于7；pH值变幅分别为6.5～8.3（一次性施肥）和5.6～8.1（分次施肥）。基肥施用后pH值第3 d的大小顺序表现为 U＞U+CP＞U+NPPT＞U+NBPT＞U+NBPT+CP＞U+NPPT+CP（一次性施肥）；U3+CP＞U3+NBPT+CP＞U3＞U3+NPPT＞U3+NBPT＞U3+NPPT+CP（分次施肥）。说明稻田尿素水解过程使pH值增加，添加NBPT/NPPT可以通过抑制尿素水解来减弱pH的升高，有利于降低NH3挥发损失。

2.5 NH3挥发速率与其影响因子的相关性分析

由表3可知，各施肥处理NH3挥发速率与同期田面水 pH 值（r一次性=0.529～0.687*；r分次=0.413～0.646*）及浓度（r一次性=0.599*～0.908**；r分次=0.613*～0.823**）均呈显著正相关，而与气温（r一次性=－0.034～0.168；r分次=－0.243～0.060）、土温（r一次性=0.302～0.458；r分次=－0.107～0.080）及土壤相对湿度（r一次性=0.073～0.257；r分次=0.209～0.428）的相关性不显著。施肥后 3 d内，田面水pH值及浓度迅速增加，稻田NH3挥发速率随之剧增，而气温、土温趋势与NH3挥发速率并未表现出一致性。在稻田施入尿素2周内，田面水pH值随着含量下降而降低。说明田面水N浓度和pH值是影响稻田NH3挥发损失的主要因素。

3 讨论

3.1 施肥模式对稻田NH3挥发的影响

图3 不同处理下黄泥田稻季田面水浓度的动态变化Figure3 Dynamics of concentration in surface water during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

图4 不同处理下黄泥田稻季田面水pH的动态变化Figure4 Dynamics of pH in surface water during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

关于稻田NH3挥发主要时期的报道结论不一。邓美华等[22]研究发现，稻田施肥后NH3挥发持续时间短，主要发生在施肥后1周以内；基肥阶段是NH3挥发的主要时期，约占挥发损失N的50%。而曹金留等[23]研究发现，稻田基肥期N素损失比例最小，分蘖肥期比例最大。叶世超等[24]研究发现，NH3挥发损失量为分蘖肥期＞倒4叶穗肥期＞基肥期＞倒2叶穗肥期。本研究中，一次性施肥稻田NH3挥发主要发生在基肥期；分次施肥主要发生在基肥期和分蘖肥期，穗肥期最低。其原因可能是基蘖肥施N量大，水稻秧苗较小、需N量少、吸N能力弱；而穗肥施用时，植株生长旺盛，养分需求量大，田间郁闭度较高，冠层覆盖对藻类光合作用引起pH上升有抑制作用，导致穗肥期NH3损失远低于基蘖肥期[23，25]。

夏文建等[26]研究发现，稻季NH3挥发损失量（率）为32.5～62.8 kg N·hm－2（8.2%～19.4%），NH3挥发峰值发生在施肥后2～3 d，持续5～7 d。张惠等[27]研究发现，稻田NH3挥发量（率）为27.6～94.1 kg N·hm－2（16.4%～22.2%）；不同施肥阶段NH3挥发持续时间为10 d左右，最大峰值均在施肥后2～3 d，分蘖肥期损失量（率）最大（27.1%～37.0%）。Sun等[14]研究发现，不同处理15N 标记尿素 NH3挥发累积量为15.1～56.8 kg N·hm－2，占当季投入量8.4%～23.7%。本研究结果表明，黄泥田稻季NH3挥发损失主要集中于施肥后1周，峰值发生在施肥后第1～3 d。U3处理NH3总挥发损失量和净损失率较U处理降低11.5 kg N·hm－2和24.6%，可能与基肥期N肥施用量有关。不同施肥时期NH3挥发损失量大小表现为基肥期＞分蘖肥期＞穗肥期。其中，基肥期NH3挥发损失量占整个水稻生育期的68.4%～86.9%（一次性施肥） 和 51.7%～61.8%（分次施肥），可能是由于施肥初期温度迅速升高达30℃，加剧基肥期NH3的挥发，随后温度突然下降又上升，影响分蘖肥期的排放。

3.2 抑制剂组合对稻田NH3挥发的影响

相关研究表明，脲酶抑制剂在淹水稻田施用后，可以有效降低NH3挥发速率、减少累积NH3挥发损失量[29－30]。Phongpan 等[31]研究发现，NBPT 在碱性土壤、通气性较好的条件下对NH3损失抑制较好。彭玉净等[9]研究发现，小麦秸秆还田中添加NBPT可以延缓尿素水解，显著降低NH3损失。本研究中，NBPT在偏酸性的黄泥田土壤中施用效果与以上研究结果一致，可以有效减少N素挥发损失。陈利军等[32]研究发现，氢醌（HQ）和双氰胺（DCD）配合使用不仅延缓土壤中尿素水解，而且使其水解后释放出的在土壤中更多和更长时间的保持。孙祥鑫等[33]研究发现，1%DMPP处理NH3挥发显著增加25.8%，而0.5%NBPT+1%DMPP和0.5%NBPT处理分别减排NH371.9%和43.2%。本研究中，添加NBPT/NPPT或配施CP可以明显延缓尿素水解，推迟田面水峰值出现的时间，并减小峰值，降低田面水NH3挥发速率和损失量，减少NH3挥发损失，与以上研究结果一致。因此，两者配合施用在黄泥田中对NH3挥发具有协同抑制效果，有利于缓解单独添加CP造成的损失。

3.3 环境因子对稻田NH3挥发的影响

尿素施入土壤后，水解产物碳铵导致土壤pH升高，在遇到风速较大、土壤湿润、作物覆盖率较低、温度较高等条件时易引起NH3挥发损失[29]。相关研究表明，稻田NH3挥发量与田面水中浓度呈正相关[27，34－36]。张惠等[27]研究表明，温度、光照、pH 值是黄河上游灌区NH3挥发的主要影响因素。叶世超等[24]研究发现，施N后NH3挥发峰值和田面水峰值同步出现，且分蘖肥期最大。张文学等[15]研究表明，地表水中浓度和pH值与NH3挥发速率均达极显著正相关，而气温、地温和水温与NH3挥发速率相关性不显著。本研究结果表明，在影响NH3挥发速率的环境因子中，田面水pH值和浓度与NH3挥发速率呈显著正相关，与李菊梅等[37]、张文学等[15]研究结果一致。因此，降低田面水浓度与pH值是减少黄泥田稻季NH3挥发的重要措施，而添加脲酶抑制剂NBPT/NPPT是缓解尿素类肥料N素损失的重要解决途径。

4 结论

NBPT是减少稻季NH3挥发损失、促进黄泥田保N的一项有效措施。新型脲酶抑制剂NPPT单独施用及与CP配施的稻田NH3挥发动态变化与NBPT相似。单独添加硝化抑制剂CP有加剧黄泥田稻季N肥NH3挥发损失的风险，而CP配施NBPT/NPPT可以有效降低稻田NH3挥发损失，利于作物吸收。基于作物N素吸收阶段，增加追肥比例和施肥次数的优化施N，可以有效减少肥料N的NH3挥发损失。然而选择何种方式减少NH3挥发损失，还要综合考虑机械化水平、劳动力、N肥市场及价格等因素。

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