稻田氨挥发损失和水稻产量对不同水氮处理的响应

李 然，蔡威威，艾天成，申华平，武红亮，王 斌，李如楠

（1.长江大学农学院，湖北 荆州 434025；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

氮是水稻生长的三大必需元素之一，在水稻产量形成和品质方面起着至关重要的作用［1］。氮肥的施用提高了水稻生产力，但随用量增加和施用方法不当，不仅造成了肥料的大量浪费，还带来了许多环境和生态问题［2］。施入土壤的氮肥，当季能被作物吸收利用的只有30%～60%，其余的随降水和灌溉水淋入土壤深层或淋溶、地表径流损失，或经氨挥发、反硝化作用损失［3］。其中氨挥发是氮肥气态损失的重要途径，其损失量因测量方法与土地利用方式的不同有较大差异，占施氮量9%～40%［4］。

基于当前氮肥施用不合理造成的氮肥利用率低以及一系列环境问题，通过对肥料性质的改良，控制氮素损失，提高氮素在土壤中的吸附和固定能力，可以达到提高肥料利用率、减少养分损失、提高水稻产量等效果，缓释尿素就是其中的代表［5-6］。已有研究表明，等施氮量下，与常规化肥分次施用相比，3种新型缓控释肥料均能够不同程度减少稻田的氨挥发排放，减排程度可达13.80%～86.36%，施用树脂尿素和掺混控释肥的减排效果优于硫包衣尿素［7-9］。但也有研究表明，控释尿素分次施用的氨挥发氮损失率最低，其次为普通尿素分次施用，而控释尿素一次施用的损失率却最高［10］。施肥量是影响氨挥发和作物产量的重要因素，有研究表明，氨挥发速率并没有随施氮量的增加持续增加［11］；但也有研究表明，减氮及优化施肥能减少土壤氨挥发损失，并能增产［12-13］。水分也是影响作物生长和氨挥发的重要因素，前人研究发现稻田田面不积水能够有效减少氨挥发，进而降低氮损失［14］。水分和氮肥的互作效应也是至关重要的，大量研究表明，控制灌溉能使水稻增产，控制灌溉和实地氮肥管理可降低稻田氨挥发速率峰值和施肥后期的氨挥发量，同时能节约灌溉水和提高灌水利用效率［15-19］。综上所述，尿素经过改性后的控释化肥对作物具有明显的增产效应，可以达到减排增效、减少环境污染的效果；节水灌溉下施肥能够提高水的利用率和氮肥利用率，但是氮肥的影响高于水分模式的管理［20］。目前，节水灌溉和减量施氮的组合技术对稻田氨挥发和水稻产量影响的综合效应少有研究，而且控释肥能否有效减少氨挥发损失更有待进一步验证。本研究基于大田试验，研究树脂包膜控释尿素、薄浅湿晒节水灌溉和减氮20%搭配的不同水氮组合对晚稻种植氨挥发损失和产量的效应，旨在探讨长江中下游平原有效减少稻田氮素损失的水肥高效利用模式，为农田“节水减排高产”提供试验支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究在湖北省荆州市荆州区农业气象站试验地进行（30°21′N，112°09′E），土壤类型为内陆河湖交替沉积形成的水稻土，质地为粉质中壤土，试验田土壤基本理化性质：土壤pH值7.7、有机质 11.14 g·kg-1，全氮 1.37 g·kg-1，有效磷15.38 mg·kg-1，速效钾 62.51 mg·kg-1，容重 1.44 g·cm-3。试验地位于汉江平原腹地，属亚热带季风性气候，雨热同季。水稻种植期间（2017年7月24日～10月26日）平均气温23.7℃，降水量439.7 mm，日照时数438.8 h。2017年晚稻季降水及温度情况如图1所示。

图1 2017年晚稻季日平均气温和降水情况

1.2 试验设计

试验采用4种氮肥管理模式，分别为（1）普通尿素（N≥46%）（U）；（2）树脂包膜控释尿素（N≥42%）（CRU）：树脂包膜控释尿素养分释放周期为90 d；（3）普通尿素减氮20%（US）；（4）树脂包膜控释尿素减氮20%（CRUS）。采用2种水分管理方式，分别为（1）常规灌溉（CI）：常规灌溉为间歇性灌溉模式；（2）薄浅湿晒节水灌溉（SWD）：薄浅湿晒节水灌溉是在常规灌溉的基础上，根据水稻不同生长阶段实际需水量的差异进行水分管理，技术特点为：（a）浅水返青：插秧后田间水层保持浅水层；（b）分蘖前期干湿交替：每3～5 d灌一次10 mm水层；（c）中期晒田；（d）孕穗期和抽穗开花期保持浅水层；（e）乳熟期干湿交替：每3～5 d灌一次10 mm水层；（f）黄熟期水分自然落干。各小区安装土壤湿度探头监测15～20 cm 深土壤体积含水量。2种水分管理方式在各生育期的灌溉标准详见表 1［21］。

表1 两种灌溉方式在水稻不同生育期田间水分管理标准 （mm）

试验设置4个不同处理组合：（1）U+CI，作为对照（CK）；（2）US+SWD；（3）CRU+CI；（4）CRUS+SWD，各处理3次重复，共12小区，采用单因素随机区组排列。氮肥分3次施用，水稻移栽前施基肥，分蘖期和抽穗期各追肥一次，比例为2∶1∶1；树脂包膜控释尿素由于养分释放具有长效性，因此只施基肥和分蘖肥。常量氮肥处理（U+CI，CRU+CI）总施氮量为N 180 kg·hm-2，减氮20%处理（US+SWD，CRUS+SWD）总施氮量为N 144 kg·hm-2，具体施氮量和施氮时间见表2。磷肥用量均为P2O560 kg·hm-2，作为基肥全部施入。钾肥用量均为K2O 90 kg·hm-2，基肥、分蘖肥和穗肥按比例2∶1∶3施入。

表2 晚稻施氮方案 （N kg·hm-2）

试验用晚稻品种为T优118，为当地主推品种，移栽密度为21万穴·hm-2，每穴2～3株。晚稻于7月24日移栽，10月26日收割。各个小区长6 m，宽4.5 m，小区间以宽30 cm，高20 cm的田埂分隔，并覆盖尼龙膜，保证水肥互不干扰。每个小区皆可单独灌溉和排水，进水管处安装数字电控水表，记录每次灌溉水量（m3）。常规灌溉（CI）管理模式下，整个生育期总灌水量为5 889 m3·hm-2；薄浅湿晒节水灌溉（SWD）管理模式下，整个生育期总灌水量为3 852 m3·hm-2。各个小区除水肥管理外，其余田间管理全部依照当地的耕作习惯进行。

1.3 样品的采集与分析

1.3.1 土壤样品采集与测定

在水稻的返青期、分蘖期、孕穗期、抽穗期、成熟期也按照“S”型采样法于试验地的每个小区采集0～20 cm耕层混合土样（施肥前后3 d不采集）。土样中NH4+-N浓度测定采用KCl浸提-靛酚蓝比色法。

1.3.2 氨挥发的收集与通量估算

采用通气法测定稻田氨挥发［22］。试验中将通气法的氨挥发收集管（PVC材质）高度改为30 cm，以适用于水田。两块厚度为2.5 cm，直径为16 cm的海绵均匀浸以磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL），并放置在收集管中。上层海绵距顶部2 cm，用于防止空气中氨气及灰尘进入，下层海绵距稻田水面或土壤10 cm，用于捕获氨挥发。每个小区随机放置3个氨挥发收集管，取样时间为：施肥（基肥、分蘖肥、穗肥）后第1周，每天取样1次；第23周，视测到的挥发数量多少，每1～3 d取样1次，以后取样间隔可延长到1～2周，直到水稻收获。把取下的海绵带回实验室后，分别装入500 mL塑料瓶中，加入300 mL 1 mol·L-1的KCl溶液，震荡1 h后取浸提液用靛酚蓝比色法测定铵态氮浓度。

氨挥发通量（kg·hm-2·d-1）＝M×A-1×D-1×10-2，M＝c×v×M0（式中：M为通气法单个装置平均每次测得的氨量（NH4+-N），g；A为捕获装置的横截面积，m2；D为每次连续捕获的天数，d；c为KCl浸取液中-N含量，mol·L-1；v为KCl浸取液的体积，本研究取0.3 L，M0为NH3的摩尔质量，取17 g·mol-1）。

1.3.3 数据处理

采用 Excel 2007 软件计算数据，Sigmaplot 12.5软件绘图，SPSS 20.0软件进行统计分析，LSD法检验差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同水氮管理土壤-N浓度

图2 不同水氮管理模式对-N浓度的影响

2.2 不同水氮管理稻田氨挥发速率

不同水氮管理模式下，稻田氨挥发速率存在较为一致的趋势，随着移栽天数整体呈先增加后降低的趋势（图3），分别在基肥、分蘖肥和穗肥施用后的1～3 d出现峰值，而第一次施肥后的氨挥发速率显著高于后两次施肥。各处理氨挥发速率在基肥施用后变化最大，为N 0.19～1.46 kg·hm-2·d-1，其峰值表现为：U+CI＞CRUS+SWD＞CRU+CI＞US+SWD，U+CI（CK）峰值比 CRUS+SWD高5.5%，但差异不显著，比CRU+CI和US+SWD分别高24.7%、41.8%，且存在显著差异。各水氮处理在分蘖期氨挥发速率为N 0.048～0.70 kg·hm-2·d-1， 峰 值 表 现 为：CRU+CI＞US+SWD＞CRUS+SWD＞U+CI，CRU+CI峰 值 相 比US+SWD、CRUS+SWD及U+CI，分别增加4.3%、11.4%、28.6%，但差异不显著。穗肥施用后氨挥发速率为N 0.010～0.54 kg·hm-2·d-1，峰值表现为：U+CI＞US+SWD＞CRUS+SWD＞CRU+CI。U+CI（CK） 比US+SWD高7.4%，差异不显著，比CRUS+SWD和CRU+CI分别高70.1%和70.1%，差异显著。

图3 不同水氮管理模式下稻田表面氨挥发速率

稻田氨挥发速率与土壤NH4+-N浓度呈极显著线性正相关（图4），决定系数为0.652 5。土壤铵态氮浓度每增加10 mg·kg-1，其氨挥发速率增加N 0.30 kg·hm-2·d-1。

图4 氨挥发速率与土壤NH4+-N浓度的关系

2.3 不同水氮管理稻田氨挥发损失量

不同移栽天数均以CRU+CI的氨挥发累积量最高，US+SWD最低，大小顺序为CRU+CI＞CRUS+SWD＞U+CI＞US+SWD（图5）。CRU+CI处理在基肥施用第34 d之后基本达到稳定水平，U+CI（CK）和CRUS+SWD处理均在基肥施用第28 d之后基本达到稳定水平，其较CRU+CI处理提前6 d。

相同灌溉条件下，树脂包膜控释尿素处理的氨挥发损失量均显著高于普通尿素处理（表3）。基肥施用后，与U+CI（CK）相比，US+SWD的氨挥发量无显著差异，CRU+CI和CRUS+SWD的氨挥发量显著增加。在分蘖肥期，所有灌溉施肥处理的氨挥发量大幅度降低，U+CI（CK）的氨挥发量最低。穗肥期，所有施肥灌溉处理氨的挥发量达到较低水平。从整个生育期氨挥发总量和损失率来看，表现为CRU+CI、CRUS+SWD、U+CI＞US+SWD。 其 中US+SWD分别比CRU+CI 和 CRUS+SWD氨挥发总量降低了21.3%和15.3%，损失率分别降低了0.9%和14.8%；其中U+CI的氨挥发总量分别比CRU+CI和 CRUS+SWD降低了15.7%和9.4%，损失率分别降低了15.5%和27.3%。

图5 不同水氮管理模式下稻田氨挥发累积量动态变化

表3 不同施肥时期的氨挥发累积量和水稻产量

2.4 不同水氮管理的水稻产量

表3表明，与U+CI（CK）相比，US+SWD的水稻产量降低了2.8%，但差异不显著；而CRU+CI和CRUS+SWD都显著增加了水稻产量，其中CRU+CI增加了17.4%，CRUS+SWD增加了11.0%。与US+SWD相比，CRUS+SWD的水稻产量显著增加了14.1%。与CRU+CI相比，CRUS+SWD的水稻产量降低了5.5%，但差异不显著。各水氮处理间单位产量氨挥发损失量差异不显著。

3 讨论

3.1 不同水氮管理对稻田氨挥发损失的影响

氮肥的过量施用不仅导致了肥料利用率的下降，而且对环境产生了潜在的影响［3］。氨挥发是氮肥施入稻田后导致氮素气态损失的重要途径，其主要受土壤条件、气候因子、田面水的NH4+-N浓度和施肥状况等因素的影响［4］。目前，氮肥控释化是一种提高氮肥利用率的有效措施［23］，但是控释肥能否有效减少NH3的排放存在争议。秦道珠等［8］研究表明，施用控释尿素，可大幅度降低水田氨挥发损失。而侯朋福等［7］研究表明，控释尿素一次施入稻田土壤氨挥发损失量较普通尿素高。但在本研究中，与U+CI（CK）相比，CRU+CI的氨挥发损失增加18.8%；与US+SWD相比，CRUS+SWD显著增加了氨挥发。这主要与试验地点背景气温有较大关系。氨挥发与稻田水温存在较好的正相关关系［24］。虽然控释尿素养分释放慢，但是由于控释肥分基肥、分蘖肥两次投入及此时期稻田有较高的水层，肥料颗粒密度小，大量浮在水层上面，加上施肥期间背景气温高，使得田间水面和土壤中铵态氮浓度迅速增加，从而增加了氨挥发［25-27］，这与朱小红等［13］对巢湖流域晚稻氨挥发研究的发现一致。本试验观测到基肥施用后返青期CRU+CI的土壤铵态氮显著高于U+CI对照处理，从而导致更高的氨挥发，进一步证实了这一观点。本研究中，控释尿素若分3次施用，既可以减少前两个时期氨的挥发，又可以进一步补充后期稻田氮素供应。薛欣欣等［10］研究表明，控释尿素分次施用具有降低氨挥发损失的作用，此结论与控释尿素分3次施用结果一致。因此，控释尿素采用分次施用的方式是该区域目前稻田相对较好的施肥措施。

土壤水分对氨挥发的影响报道并不一致，而且缺乏与减氮相互结合的研究。不同灌溉方式下，稻田土壤的理化性质以及氮素的积累、运转和分配各有差异，导致氮肥减量施用下氨挥发损失的方面存在诸多不确定性。崔远来等［17］研究表明，节水灌溉的氨挥发量高于普通灌溉的氨挥发量。彭世彰等［28］在晚稻研究中表明，与淹水灌溉相比，控制灌溉减少了稻田氨挥发损失。本研究中，与U+CI（CK）相比，US+SWD减少了氨挥发损失；与CRU+CI相比，CRUS+SWD使氨挥发降低。常规灌溉条件下，氨挥发发生在水层与大气的界面处，田表水中铵态氮浓度是普通灌溉稻田氨挥发速率的主要影响因素；节水灌溉条件下，大部分氨挥发发生在土壤表面，表层土壤水中铵态氮浓度与稻田氨挥发速率有很好的线性关系，节水灌溉提高水-土界面的空气交换，土壤中的硝化作用得以增强，部分NH4+转化为NO3-，降低了氨的挥发。肥料氮素氨挥发损失量随施肥量增加而增加［29-30］，氮肥施用是氨挥发通量增加的主导因素，减少氮肥施用可显著降低氨挥发损失量［25］。因此，节水灌溉技术和减氮结合，能更有效地减少氨的挥发损失。

控释尿素、减氮、节水灌溉技术相结合的综合效应少有报道。前人研究表明，控释肥和控制灌溉模式相结合的水肥联合利用模式在节水的同时，大幅度减小了稻田的氨挥发损失，提高了稻田氮利用率，减少了对环境的污染［28］。在本试验中，与U+CI（CK）相比，CRUS+SWD的氨挥发量增加，但差异不显著。减氮和节水搭配的减排作用抵消了单次控释尿素的氨挥发氮损失，故普通灌溉条件下控释肥、减氮和节水组合对氨的挥发无显著作用，只有通过改变尿素的性质和减少投入量，才能减少氨的挥发；节水灌溉条件下，干湿交替、中期晒田和浅水灌溉均能改善土壤的通气状况，减少氨的挥发。综上所述，树脂包膜控释尿素采用减氮分次施用是长江中下游平原晚稻相对较好的施肥措施，但需合理安排施肥次数［31］。因此，根据本研究结果和荆州市的自然条件因素，建议采用基肥期减少氮肥用量，氮肥深施和合理分次施用缓释肥料等管理措施，这样才能达到“减排”的效果。本研究说明了控释尿素、减氮、节水灌溉技术相结合的综合效应对氨排放的影响，但是研究三者的单独及交互作用有待提高和改进。因此，如何区分水和肥效的单独及交互效应是今后研究的重要方向。

3.2 不同水氮管理对水稻产量的影响

水分和氮肥在水稻产量形成中起着重要的作用。研究表明作物产量与施肥量成正相关关系［32］。在本研究中，相比U+CI（CK），US+SWD的水稻产量无显著差异，CRU+CI的水稻产量和CRUS+SWD的水稻产量显著增加。本研究是晚稻季开展的试验，由于前期温度较高和降雨较多，氮素损失较多，可能会造成减产。已有研究表明，作物生长期氮素供应不足可造成干物质产量降低［33］。单次施用大量的树脂包膜控释尿素，虽然前期增加了氨的挥发损失，但养分释放周期长，后期能满足作物对养分的需求，有助于产量增长。而且节水灌溉下良好的土壤通气环境，有利于氮的转化吸收，同时根系生长旺盛，白根多且分布深，使其吸肥力高于普通灌溉，从而导致水稻增产。本试验中，控释尿素处理间的产量无显著差异。这些结果说明控释尿素对水稻增产有显著效果，节水灌溉有增产效果。因此，在薄浅湿晒节水灌溉搭配控释尿素减氮20%的条件下，既能节约水和氮肥，又能增产。

4 结论

相比常规灌溉普通尿素U+CI（CK），常规灌溉控释尿素处理（CRU+CI）和节水灌溉树脂包膜控释尿素减氮20%处理（CRUS+SWD）均未对氨挥发损失产生显著影响，但均显著增加了水稻产量，其中CRU+CI增加了17.4%，CRUS+SWD增加了11.0%，而两个处理之间没有显著差异。综合考虑，树脂包膜控释尿素在节水灌溉减氮20%的情况下，仍显著提高了水稻产量，也并未显著增加氨的排放。因此，CRUS+SWD既可增加作物的经济效益，又可节约水分和肥料，对减缓水稻生产导致的环境负效应及增加产量具有一定的指导意义。