施用控释氮肥对早稻田面水氮素动态变化和水稻产量的影响

2019-01-09肖雪玉朱文博杨丹闫颖何娜刘鸣达谢桂先

生态环境学报 2018年12期

肖雪玉，朱文博，杨丹，闫颖，何娜，刘鸣达*，谢桂先

1. 沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳 110866；2. 湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128

随着作物生产中化肥农药用量的急剧增加，农业面源污染已经成为引起水质恶化的主要原因之一。氮素的流失成为水体富营养化的主要来源，引起了人们高度的关注（侯朋福等，2017；柳云龙等，2017）。湖南水稻（Oryza sativa L.）生产中采用过量施用氮肥以获得高产已是普遍现象。不可否认，施用氮肥增加了水稻产量，但是过量施肥容易造成氮素流失，存在着极大的水环境污染风险（孙爱华等，2015）。前人的研究更多地关注氮肥的施用量、施肥方式、施肥时期等，忽视了过度施氮通过稻田泡田弃水以及径流所产生的面源污染风险研究（宫亮等，2014）。因此，开展稻季田面水氮素动态特征影响研究十分有必要。

田面水中氮素的来源主要是氮肥。最常用的氮肥是尿素，尿素释放氮的速度快，田面水中氮素增长过快，流失的机率较大。赵冬等（2011）研究了不同施氮量对田面水不同形态氮素变化的影响，结果表明，施用尿素使稻田田面水的各形态氮素在施肥后第1天达到最大值，施氮量决定了田面水中各形态氮素的浓度。前人的研究更多集中于化肥减量对田面水中氮素的影响，而对新型肥料对稻田田面水氮素的影响研究较少。控制氮素释放，适应作物生长需求，从而提高氮肥利用率，降低田面水中氮素流失机率的肥料是控制农业面源污染的另一种途径。控释氮肥（Controlled Release Nitrogen Fertilizer）是一种能够控制和调节营养物质释放的肥料（吕东波等，2015；程金秋等，2017）。控释氮肥不仅能降低劳动力成本，而且能减少氨挥发反应以及反硝化反应，提高氮肥利用率以促进水稻增产（李旭等，2015；傅丽青等，2017）。吴俊等（2012）研究了不同肥料和不同施肥管理方式等8种处理对稻田田面水氮素动态变化及径流损失的影响，结果表明，减量化施用不同种类氮肥能够降低氮素流失风险，其中缓控释肥的效果较为明显。然而，前人对于水稻全生育期内，施用不同减量控释氮肥对稻田田面水氮素形态及动态变化的影响研究尚鲜有详细报道。

本研究通过在湖南省浏阳市沿溪镇进行长期田间定位试验，研究不同减量替代控释氮肥处理对稻田田面水各形态氮素动态变化特征以及水稻产量的影响，以期为降低农田氮肥使用量，减少氮素流失量，减轻农业面源污染风险提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

小区试验设置于湖南农业大学浏阳教学科研综合基地。位于湖南省浏阳市沿溪镇（28°19′N，113°49′E），属亚热带气候，湿热多雨，夏热冬寒。多年平均降水量为1647.6 mm，多年平均蒸发量为799 mm。多年平均气温为17.5 ℃，多年平均相对湿度为82%，多年平均日照时数为1675 h，多年平均无霜期为281 d。

1.2 试验设计

供试土壤为潮沙泥，其0~20 cm耕作层基本理化性状如下，pH 5.61；有机质16.62 g·kg-1；全氮1.21 g·kg-1；全磷 0.54 g·kg-1；全钾 11.51 g·kg-1；碱解氮 48.93 g·kg-1；速效磷 21.25 g·kg-1；速效钾155.68 g·kg-1。供试肥料分别为尿素（含N 46%）、控释氮肥（为山东金正大生态工程集团股份有限公司生产的树脂包膜尿素，含N 43%，控释期3个月）、过磷酸钙（含P2O512%）、氯化钾（含K2O 60%）。供试作物为水稻（Oryza sativa L.），品种为中早36。本试验的设置基准为当地常规生产施氮量，共设有6 个处理：（1）不施氮肥（WN：no nitrogen fertilizer）；（2）常规施用尿素（CF：routine use of urea）；（3）控释氮肥：控释氮肥氮含量与常规施肥氮含量相同（N100：100%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（4）90%氮量控释氮肥：控释氮肥氮含量为常规施肥氮含量的90%（N90：90%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（5）80%氮量控释氮肥：控释氮肥氮含量为常规施肥氮含量的80%（N80：80%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（6）70%氮量控释氮肥：控释氮肥氮含量为常规施肥氮含量的70%（N70：70%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）。各处理均设3次重复，共18小区，每个小区面积为20 m2（4 m×5 m），随机区组排列，各处理间用水泥田埂隔开。水稻种植株行距为 16.7 cm×20.0 cm，每个小区种植1150株。具体施肥方案见表1。

种植水稻前，各小区翻压等量的紫云英。2017年4月28日施基肥后插秧，5月8日施用追肥，7月19日收获；水稻返青时间为插秧后3~4 d，之后开始初步分蘖，10 d后逐渐进入分蘖旺盛期，25~30 d后停止分蘖，30~35 d后开始抽穗。各小区单灌单排，统一管理，单打单收，其他管理同当地常规生产。

表1 试验施肥方案Table 1 Nitrogen scheme in trial field

1.3 样品采集

1.3.1 水样采集

湖南浏阳的雨季出现在5月下旬，为避免降雨高峰时段出现在施肥后前期，故水样的采集时间为施基肥后的第1、2、3、5、7 天，追肥后的第1、2、3、5天的8:30—9:30，以50 mL医用注射器采集田面水（李瀚等，2015），在不扰动土层的前提下，按S型5点取样，混合后注入250 mL集水瓶，每个处理分取3份，将其pH调为1~2后于-20 ℃冷冻保存，待测（HJ 636—2012）。

1.3.2 测定方法

水样总氮（TN）采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定；无机氮（DMN）采用AA3自动分析仪测定，由于稻田田面水中无机氮的主要形式是硝态氮和铵态氮，同时亚硝态氮质量浓度过小，可忽略不计（闫凤超等，2017），因此本文无机氮为硝态氮和铵态氮之和；有机氮为可溶性氮与无机氮之差，可溶性氮先过0.45 μm滤膜后（李瀚等，2015），再采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定。

1.4 数据处理

运用SPSS Statistics 19.0软件进行显著性差异分析，Microsoft Excel 2007进行数据处理并绘图。

2 结果与讨论

2.1 早稻田面水不同氮素形态动态变化

2.1.1 早稻田面水无机氮动态变化

田面水无机氮的动态变化如图1所示。水稻生育期田面水无机氮平均浓度表现为 N100>CF>N90>N80>N70>WN，施用基肥后控释氮肥各处理无机氮浓度动态又表现为3种情况，N100、N90与N80无机氮浓度小幅下降后又上升而后再逐渐下降，N70与WN无机氮浓度略有上升；CF处理无机氮浓度则逐渐降低。追肥后，除WN外，其余处理无机氮浓度都在第2天达到最高随后降低。

图1 不同处理田面水DMN浓度动态变化Fig. 1 Dynamic of DMN concentration in the surface water of different treatments

不施氮肥处理与施肥处理的无机氮浓度相比，不施氮肥处理变化平稳，这是由于施肥提高了不同时期无机氮浓度，进而改变了其变化趋势。而施肥处理之间浓度差异则是由肥料剂型和用量不同所致。由于施用基肥时温度较低，控释氮肥处理的氮素释放缓慢，故N100与N90处理无机氮浓度小幅下降后再上升；N80与N70因施氮量减少而无机氮累积较少；尿素溶解后转化成无机氮直接溶于田面水，所以初期浓度较高，但可能以氨挥发等形式损失，故其含量先出现下降趋势，而后相对稳定；N100处理与CF处理施氮量相同，由于控释氮肥的控释效果，使得无机氮素损失较少，故N100处理无机氮含量总平均值略高于CF处理，差异不显著。施用追肥时温度升高，控释氮肥释放氮素的速率增加，与尿素有相似变化趋势，说明控释氮肥不会改变其无机氮释放总体变化趋势。

2.1.2 早稻田面水有机氮动态变化

图2 不同处理田面水DON浓度动态变化Fig. 2 Dynamic of DON concentration in the surface water of different treatments

田面水有机氮的动态变化如图2所示。在水稻生育期，田面水有机氮浓度表现为 CF>N100>N90>N80>N70>WN；除CF处理在施用基肥后有机氮先下降后上升趋于平稳外，整个稻季中，各处理有机氮都表现为施用基肥后先增加后降低，追肥后先增加再降低的趋势；水稻生育初期各控释氮肥处理的有机氮浓度峰值出现时间晚于CF处理，而各施肥处理追肥后的高峰早于WN处理。本试验中，早稻田面水中有机氮含量高于无机氮，这是由于基肥施用前期，所有处理都翻压紫云英的缘故（万水霞等，2015；喻足衡，2012）。

施肥不能改变田面水有机氮的动态变化规律，但在不同时期，施肥处理有机氮浓度均高于WN处理，这可能是施入的无机氮满足了微生物在分解前期翻压的紫云英过程中对氮素的需要，显著地促进了紫云英的腐解，释放出一些包括氨基酸在内的小分子有机物，使得施肥处理有机氮高于不施肥处理。水稻生育前期，水稻吸收利用氮的能力较差，加之温度较低，土壤有机质矿化出的有机氮转化成无机氮的速度较慢，田面水中有机氮总体上以积累为主；而进入分蘖期后，温度升高，有机氮转化成无机氮速度变快，水稻吸收养分数量增加，所以田面水中有机氮浓度开始降低（李增强等，2017）。控释氮肥处理有机氮浓度低于施用尿素处理，这显然与控释条件下氮素释放缓慢且无机氮浓度低，导致微生物分解紫云英的速度与数量变慢变少有关。

2.1.3 早稻田面水总氮动态变化

田面水总氮的动态变化如图 3所示。总体来看，施用基肥后各处理总氮动态有3种表现，CF、N100处理呈现先降低再小幅上升最后逐渐降低的趋势，WN、N90、N80处理表现为先增加后降低，N70处理则基本未变，但各个处理总氮素波动较小；而追肥后除 WN外，各施肥处理总氮变化趋势相似，均表现为先增加后降低，升降幅度较大。水稻生育期田面水总氮平均浓度表现为 CF>N100>N90>N80>N70>WN。

图3 不同处理田面水TN浓度动态变化Fig. 3 Dynamic of TN concentration in the surface water of different treatments

田面水总氮含量与施氮量、肥料形态以及水稻吸收氮素量有关，就控释氮肥而言，其养分释放还与膜内外浓度差、水蒸气压以及温度等因素有关（郑圣先等，2002a；郑圣先等，2002b；Sharon et al.，1990；Malka et al.，1990）。不同时期尤其是追肥以后，各施肥处理总氮含量均高于WN处理，显然与施氮有关。基肥施用后CF处理尿素中无机氮容易溶出、N100相对施氮量较大，无机氮浓度较高，使得田面水中总氮浓度出现开始时浓度较高随后降低的现象，后因总氮中有机氮浓度的延后增加使得氮素浓度有小幅上升趋势，最后因水稻吸收养分，总氮浓度又逐渐降低；其余施用控释氮肥处理，因含氮量低加之膜的控释作用，使氮素释放缓慢，从而出现田面水总氮先增后降，最后除N70保持平缓其余处理略有增加的特点。施用基肥之后各处理田面水氮素降低，这可能与水稻缓苗后生长加速，对氮的吸收量逐渐增多有关。追肥之后，田面水总氮升高是由于此时土温升高，控释肥料氮素释放速度加快，田面水中积累了较多氮素所致；而大约 3 d后达到高峰随即又下降则是因为水稻生长进入分蘖期吸氮量增加的缘故。

相同施氮量条件下，控释氮肥处理总氮浓度低于施用尿素处理，说明施用控释氮肥有利于降低氮素随田面水流失的风险。

总之，田面水中各形态氮浓度在施肥后 1~4 d达到峰值，在施肥后10 d内浓度较高，若在此期间遇到强降雨，稻田氮素的流失量会随着施氮量的增加而增加，故施氮初期是管理氮素流失的关键时期。施用控释氮肥处理田面水各形态氮浓度比施用尿素处理有所降低，一定程度上减少了氮素流失的风险。

2.2 不同处理水稻产量和控释氮肥替代减量的环境效应

2.2.1 不同处理水稻产量

不同处理水稻产量如图4所示，其稻谷产量表现为N90>N70>N80>N100>CF>WN，不同处理秸秆产量表现为N70>N90>N80>N100>CF>WN，不同处理间差异未达到统计学上的显著水平。同时控释氮肥各处理产量略高于CF处理，但差异不显著，说明通过施用控释氮肥降低氮投入水平不会造成产量的降低；控释氮肥能够控制氮素的释放速度，从而适应水稻需氮规律；而单施尿素造成水稻生长前期氮素供应过多，后期匮乏，使得氮肥利用率降低。这与侯红乾等（2016）的研究结果是一致的。各控释氮肥处理稻谷产量差异不显著，说明施用控释肥既可减氮又能稳产；但过施控释氮肥会导致水稻贪青晚熟，故N100处理的稻谷产量稍低于其他控释氮肥处理。

图4 不同施肥处理对水稻产量的影响Fig. 4 Effects of different nitrogen fertilizer on rice yield

2.2.2 控释氮肥替代减量的环境效应

图5 不同施氮量下田面水TN浓度与水稻产量的变化Fig. 5 Changes of rice yield different in nitrogen application and TN of the surface water

将水稻产量（y1）、不同控释氮肥施氮量（y2）以及田面水TN浓度均值（x）进行拟合，其对应函数关系如图5所示。总体来看，随着田面水TN浓度的增加，水稻产量呈现先增加后减少的趋势；田面水TN浓度与施氮量则呈线性正相关关系；进一步求得田面水总氮浓度达到53.79 mg·L-1时，理论最高产量为 6098.88 kg·hm-2，而此时施氮量应为101.46 kg·hm-2，即为兼顾经济效益与环境效益的施肥用量。这一结果尚需通过以后的长期试验进一步验证。