聚天门冬氨酸尿素对稻田田面水氮素浓度及产量的影响

倪承凡，张富林*，吴茂前，夏 颖，张志毅，刘冬碧， 范先鹏，熊桂云，马 路，高 立

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所，国家农业环境潜江观测实验站，湖北省农业面源 污染防治工程技术研究中心，农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站， 农业环境治理湖北省工程研究中心，湖北 武汉 430064；2.鄂州市土壤肥料工作站， 湖北 鄂州 436000；3.浠水县农业环境保护站，湖北 浠水 438200）

水稻是我国第一大粮食作物，播种面积约0.3亿hm2，产量约占粮食总产量的40%。水稻氮肥用量约占世界氮肥消耗总量的7%［1］，但其氮肥当季利用率低于世界平均水平，仅为30%左右［2］。水稻氮肥利用率较低，不仅会造成氮肥的浪费，同时也会导致严重的面源污染问题。要防控水稻氮素面源污染，途径之一是降低田面水中氮素浓度，因为田面水中氮素是水稻氮素损失的直接来源［3］。因此，研究能降低水稻田面水中氮素浓度的新材料或者新型肥料，对防控稻田氮素面源污染具有重要意义。

聚天冬氨酸是一类可完全生物降解的绿色聚合物［4-6］，具有良好的螯合、吸附等性能，常被用作肥料增效剂和缓释剂［7-8］。较多的研究表明，聚天冬氨酸对玉米、小麦等旱地作物有增产，促进养分吸收的作用［9-11］。但是，对聚天门冬氨酸在水稻上的施用效果，特别是对稻田田面水中氮素浓度影响的研究较少。

由于单独施用或者在施用尿素时人工添加聚天门冬氨酸，不仅费时费力，也不利于其作用的发挥。普通聚天门冬氨酸性能有限，因此通过改性能来提升其对氮素等养分的吸附能力。聚天门冬氨酸尿素是国家重点研发计划项目“水稻主产区氮磷流失综合防控技术与产品研发”支持下研发的由改性聚天门冬氨酸和尿素制成的新型肥料。本研究通过大田试验，研究聚天门冬氨酸尿素对水稻田面水中氮素形态及浓度、产量及养分吸收的影响，以期揭示聚天门冬氨酸尿素在水稻上的增产减排效果，进而为提高我国水稻氮肥利用率，防控氮素面源污染提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本试验于2019年6月至9月在湖北省安陆市洑水镇车站村进行。试验点所在区域属亚热带季风气候区，年均降水量1 084.4 mm，年均气温16.2 ℃，全年无霜期约246 d。土壤为黄棕壤发育的水稻土。试验初期耕层土壤基本理化性质：pH 6.12，有机质11.35 g·kg-1，全氮1.43 g·kg-1，全磷0.37 g·kg-1，全钾13.22 g·kg-1，碱解氮88.62 mg·kg-1，有效磷7.67 mg·kg-1，速效钾74.40 mg·kg-1，硝态氮14.14 mg·kg-1，铵态氮4.59 mg·kg-1。

1.2 试验设计

大田试验，设不施肥（NF）、普通尿素（CU）、聚天门冬氨酸尿素（PU）3个处理，每个处理3次重复，共9个小区，每个处理小区面积为20 m2，随机区组排列。不施肥处理不施用任何肥料，普通尿素和聚天门冬氨酸尿素处理的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥的施用量相同，分别为N165、P2O590、K2O 120 kg·hm-2。聚天门冬氨酸尿素是由改性聚天门冬氨酸和尿素制成，其中改性聚天门冬氨酸的含量为0.3%，氮含量为46.1%。改性聚天门冬氨酸是由马来酸酐和氨水为原料，采用侧链改性的方法制备。磷肥和钾肥均为普钙和氯 化钾。

氮肥分基肥（40%）、分蘖肥（30%）和穗肥（30%）施用；磷肥全部作为基肥施用；钾肥分基肥（50%）和穗肥（50%）施用。基肥全小区撒施，施后再耖田一次；分蘖肥和穗肥全小区撒施。基肥、分蘖肥和穗肥的施用时间分别为6月6日、 6月14日、7月21日。水稻品种为晶两优黄莉占，按16.7 cm × 26.7 cm的密度人工栽秧，每蔸2株。试验于6月6日移栽，9月23日收获。试验过程中水分管理按当地习惯进行，群体80%够苗后自然断水晒田，收获前一周自然断水。

1.3 样品采集与测试

田面水氮素浓度：每次施肥后动态采集田面水水样，施肥后10 d内每2 d取一次，而后每5 d取一次样，每天10：00取样，每个小区采集5个样点，混合后测定总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）。TN采用碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法测定，NO3--N采用紫外分光光度法测定，NH4+-N采用靛酚蓝比色法测定。水稻产量：田间小区实打实收。

产量构成因子：在收获前，每个小区田间选30株水稻调查有效穗数，每小区按其平均有效穗数采集考种样，测定单穗实粒数和千粒重。

植株全氮含量：采用凯氏定氮法测定。

1.4 数据处理

数据分析和绘图采用Excel 2019、SPSS 11.5进行，差异显著分析用最小显著差异法（LSD）进行。

2 结果与分析

2.1 聚天门冬氨酸尿素对水稻产量及产量构成因子的影响

从产量结果可知（表1），不施肥处理水稻籽粒产量为7 295.7 kg·hm-2，施肥后产量明显增加，而且聚天门冬氨酸尿素处理的产量比普通尿素处理略高，增产2.9%，但二者之间差异不显著（P＞0.05）。进一步对产量构成因子分析，发现与普通尿素处理相比，聚天门冬氨酸尿素对水稻单株有效穗数没有明显影响，但对单穗实粒数和千粒重有增加的作用，但增加作用不显著。

表1 不同处理水稻籽粒产量及产量构成因子

2.2 聚天门冬氨酸尿素对水稻氮吸收的影响

对水稻吸氮量分析可知，NF处理水稻籽粒和秸秆吸氮量分别为59.4和25.4 kg·hm-2，总吸氮量为84.8 kg·hm-2。施肥后水稻各部分的吸氮量均明显增加，而且与CU处理相比，PU处理各部分吸氮量均有增加的趋势，籽粒、秸秆及总吸氮量分别增加8.7%、15.9%和10.5%，但二者之间差异不显著（图1）。

图1 不同处理水稻籽粒和秸秆吸氮量

2.3 聚天门冬氨酸尿素对田面水中氮素的影响

2.3.1 聚天门冬氨酸尿素对田面水中氮素浓度的影响

从图2可以看出，PU和CU处理氮素浓度的变化规律一致。田面水中TN浓度均在每次施肥后1 d达到峰值，而后逐渐降低。NH4+-N浓度在施基肥和分蘖肥后均先增加而后逐渐降低，施穗肥后立即达到峰值而后逐渐降低，直至与不施肥基本接近。NO3--N的浓度在施基肥后逐渐上升，施分蘖肥后5 d达到峰值而后迅速降低至与不施肥基本相同，施穗肥后浓度基本稳定在1 mg·L-1左右，并与不施肥处理基本相同。施基肥和分蘖肥后TN、NH4+-N、NO3--N浓度明显高于施穗肥后的浓度。

但与普通尿素相比，聚天门冬氨酸尿素能降低施肥后初期（施基肥后1～7 d，分蘖肥后1～5 d，穗肥后1～3 d）田面水中氮素浓度。3次施肥后初 期，聚天门冬氨酸尿素处理的TN、NH4+-N、NO3--N平均浓度分别为34.2、12.0、4.5 mg·L-1，分别比CU处理低10.6%、11.1%、5.4%（图2）。

图2 不同处理田面水中氮素浓度的动态变化

2.3.2 聚天门冬氨酸尿素对田面水中氮素形态构成的影响

对氮素形态构成分析可知（表2），在不施氮肥条件下，稻田田面水中氮素以NO3--N为主，占TN的比例高达63.6%，而NH4+-N仅为16.1%；但在施氮条件下，均是NH4+-N占比要高于NO3--N，而且不论是NO3--N还是NH4+-N，PU处理的占比均与CU基本相同，二者NO3--N占TN的比重分别为15.0%和14.3%，NH4+-N占比分别为36.3%和35.4%。

表2 不同处理田面水中氮素形态构成 （%）

3 讨论

3.1 水稻产量及氮素吸收

聚天门冬氨酸是由天门冬氨酸单体的羧基和氨基进行分子间脱水缩合而成，是一种环境友好、可完全生物降解的氨基酸类聚合物。聚天门冬氨酸具有良好的螯合、吸附等性能，可吸附氮素等养分元素供给植物，有助于植物对肥料养分的吸收，促进农作物生长，因而在农业生产中常被用作肥料增效剂和缓释剂［7-8］。但普通聚天门冬氨酸性能有限，通过改性将聚天门冬氨酸分子链上引入官能团，使原来主链上无活性基团的聚合物功能化，或者改变聚天门冬氨酸分子链的空间分布，延长分子链或形成三维网状结构［12-14］，改性后的聚天门冬氨酸效能显著增强。本研究中的聚天门冬氨酸尿素是由改性聚天门冬氨酸和尿素制成的新型肥料，本改性聚天门冬氨酸具有分子量大、侧链长、螯合基团较多、降解时间长等特性，对氮素等养分的吸附能力更为突出。

已有关于聚天门冬氨酸对作物生长发育及养分吸收的研究表明，聚天门冬氨酸有促进玉米［9-10］、小麦［11］等作物养分吸收、增加产量的作用。但聚天门冬氨酸对水稻生长影响的研究较少。在对东北单季稻上的研究表明，聚天门冬氨酸/盐的施用有利于水稻生长及产量提高，水稻株高、有效穗数、秸秆产量和籽粒产量以及氮、磷、钾养分吸收量均表现出增加趋势，其中改性聚天门冬氨酸钙盐能使水稻株高、有效穗数、秸秆产量及籽粒氮含量分别增加12.0%、13.8%、9.3%、8.3%，氮肥表观利用率提高了8.4%［15］。在江苏南通的研究表明，聚天门冬氨酸能增加单穗实粒数和千粒重，能使水稻增产5.1%～6.3%［16］。本研究中，聚天门冬氨酸尿素处理的产量比普通尿素处理的高2.9%，并有一定的增加水稻单穗实粒数和千粒重的作用，但对水稻有效穗数没有明显影响（表1），聚天门冬氨酸尿素处理水稻吸氮量增加10.5%（图1）。这表明，聚天门冬氨酸尿素有一定的增加水稻单穗实粒数和千粒重，进而增产的作用，也有一定的促进水稻氮素吸收的作用。

3.2 田面水中氮素形态及动态变化

有研究表明，在不施氮条件下，田面水中氮素以NO3--N为主，占TN的比例高达35.4%［17］，但在施氮条件下，NH4+-N是主要存在形态［17-19］，占TN的比例在44.7%以上，本研究也表明，NH4+-N是稻田的主要存在形态，占TN的比重高达35%以上，而且PU与CU处理之间没有明显差别（表2）。这表明，施用聚天门冬氨酸尿素不会对田面水中氮素形态构成产生影响。

以往研究表明，施用尿素后，稻田田面水中TN浓度立即达到峰值，而后逐渐降低［3，19-22］，而且施穗肥TN浓度降低速度更快，其浓度也显著低于施基肥和分蘖肥［17］。本研究中PU处理和CU处理施肥后田面水中TN的变化规律均与以往研究结果类似（图2）。因氨挥发是稻田氮素的重要损失途径［23-27］，且与田面水中NH4+-N浓度关系密切，因而有大量关于施尿素后田面水中NH4+-N浓度变化规律的研究。有研究表明，田面水中NH4+-N浓度是先升高而后迅速降低［3，21-22］，但也有研究表明，NH4+-N浓度在施肥后就立即达到峰值［18-19］，也有研究表明，田面水中NH4+-N在施基肥和分蘖肥是先升高后降低，但施穗肥后立即达到峰值而后迅速降低，而且施穗肥后NH4+-N浓度显著低于施基肥和分蘖肥的浓度［17］。不同研究中，稻田田面水中NH4+-N浓度动态变化规律的差异，可能主要与气温有关。如果施肥时，气温低，脲酶活性就低，尿素水解慢，田面水中NH4+-N浓度会呈现先增加后降低的特点。如果气温较高，尿素水解快，则会呈现立即达到峰值而后降低的特点。施穗肥后NH4+-N浓度显著低于施基肥和分蘖肥后的浓度，则与施肥时土壤水分含量差异有关。穗肥是在水稻晒田结束后施用，施穗肥时的土壤水分含量远低于施基肥和孽肥，穗肥中的很多氮素会随水进入土壤中，因而施穗肥后田面水中NH4+-N浓度就明显较低。本研究中，不论是PU处理还是CU处理，NH4+-N浓度在施基肥和分蘖肥后都是先增加后降低，但施穗肥后立即达到最大，而后迅速降低，且施穗肥后的浓度明显低于施基肥和分蘖肥（图2）。此外，本研究中PU处理和CU处理的NO3--N浓度动态变化规律也相同（图2）。由此可见，施用聚天门冬氨酸尿素并不会对田面水中不同形态氮素的动态变化规律产生影响。

徐嘉翼等［15］在辽宁水稻上的研究表明，添加聚天门冬氨酸/盐可以降低施尿素后初期田面水中TN、NH4+-N、NO3--N浓度。本研究也表明，聚天门冬氨酸尿素处理3次施肥后初期（施基肥后1～7 d，分蘖肥后1～5 d，穗肥后1～3 d）田面水中TN、NH4+-N、NO3--N平均浓度分别比普通尿素处理低10.6%、11.1%、5.4%（图2）。这表明，与普通尿素相比，聚天门冬氨酸尿素可以降低田面水氮素浓度。聚天门冬氨酸尿素之所以能降低田面水中氮素浓度，与聚天门冬氨酸有较强的络合、吸附能力有关，聚天门冬氨酸/盐对养分离子的交换吸附力约为土壤胶体的100倍［8］。

综上可知，聚天门冬氨酸尿素会降低田面水中氮素的浓度，但不会对田面水中氮素的形态构成和动态规律产生影响。又因田面水中氮素是稻田氮素损失的直接来源［8］，因此，施用聚天门冬氨酸尿素可以对防控稻田氮素流失有一定的作用。

4 结论

聚天门冬氨酸尿素会降低施肥后初期田面水中TN、NH4+-N、NO3－-N的浓度，但不会对田面水中氮素的形态构成和动态规律产生影响。

聚天门冬氨酸尿素有一定的促进水稻氮素吸收的作用，能使水稻吸氮量较普通尿素增加 10.5%。

聚天门冬氨酸尿素有一定的增产作用，能使水稻籽粒产量比普通尿素增加2.9%，且主要通过增加单穗实粒数和千粒重实现。

聚天门冬氨酸尿素是一种可以用于防控稻田氮素流失，并能保障水稻产量的新型肥料。