不同氮肥对不同种植方式稻田径流氮流失与氨挥发的影响

2021-03-17乔月朱建强吴启侠谢春娇李明辉黄思情

灌溉排水学报 2021年2期

关键词：施氮通量径流

乔月，朱建强，吴启侠，谢春娇，李明辉，黄思情

（湖北省涝渍灾害与湿地农业重点实验室，湖北荆州434025）

0 引言

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在长江大学农学院基地标准径流小区进行，2019年水稻生育期（5月29日—9月24日）平均气温27.5 ℃，降水量为333.5 mm（图1），日照时间719.8 h。耕作层（0～20 cm）土壤基本性状为：pH值7.15、有机质量28.25 g/kg、全氮量2.13 g/kg、全磷量1.15 g/kg、全钾量15.41 g/kg、碱解氮量113.05 mg/kg、速效磷量12.89 mg/kg 和速效钾量219.65 mg/kg。供试品种为深两优332，属杂交稻，在湖北省作一季中稻栽培，全生育期114 d 左右，株高126 cm 左右，5月30日播种，8月下旬孕穗，9月中下旬成熟。

图1 水稻生育期主要气象要素Fig.1 Main meteorological elements in rice growth period

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为不同种植方式水稻（直播稻、机插稻），副区为4 种氮肥管理：不施氮肥的空白对照（CK）、当地常规施肥（FFP）、缓控肥与尿素配施（CRF）和海藻多糖氮肥替代（HTN），具体施肥方案如表1。试验共计8 个处理，每处理3个重复，共24 个试验小区。小区面积均为50 m2，小区之间用薄膜和土埂隔开，防止小区之间窜水窜肥，每小区均有独立的灌溉系统和径流池。按照当地稻田耕作习惯，冬前进行翻耕，在水稻栽种前进行旋耕、泡田。机插稻于5月29日撒施基肥，施基肥后人工耙平，将工厂化育秧秧苗（秧龄20 d）人工移栽到试验小区，种植密度为25 cm×25 cm，每穴3 苗，撒肥-耙平-移栽-施分蘖肥前保持田间2～3 cm 浅水层，6月9日撒施分蘖肥，施肥后正常水位管理。直播稻于5月30日浅水层撒施基肥，施基肥后人工耙平，并将小区整成沟厢模式（小区中间开沟），厢宽1.5 m，沟宽0.3 m，沟深0.1～0.2 m。播种前进行田间排水，保证田间湿润无水层，播种时进行人工划行均匀播种，播种量折干种为22.5 kg/hm2，播种前需对种子进行浸泡和催芽，在芽长为3 mm 左右时，适当摊开晾干。播种后3 d 内进行化学除草，播种-三叶一心期采用厢面无水厢沟有水的水分管理模式，如遇强降水田面积水就要及时排水，6月11日复水至田面2～3 cm 浅水层，6月13日撒施分蘖肥，之后水分管理与机插稻一致。

表1 施肥方案

1.3 样品采集与测定

氨挥发采集与测定：氨挥发通量采用通气法测定[12]。通气法装置由无底PVC 管制成，外径20 cm，内径19 cm，高50 cm，上部接1 个弯头，防止雨水对氨挥发气体收集的影响。测定过程中分别将2 块厚度均为2 cm、直径为20 cm 的海绵均匀浸以15 mL的磷酸甘油溶液后，将2 层海绵置于PVC 管中，下层的海绵距地面15 cm，上层的海绵与管顶部相平。下层海绵用于吸收土壤挥发出的氨气，上层海绵用于防止空气中的氨气和灰尘等进入。土壤氨挥发的捕获于施肥后当天开始，在各小区的不同位置，分别放置2 个捕获装置，次日10:00 取样。取样时，将通气装置下层的海绵取出，迅速装入密封袋中保存；同时换上另一块刚浸过磷酸甘油的海绵。上层的海绵视干湿情况3～7 d 更换1 次。变动摆放位置后，将装置重新放好，开始下1 次田间吸收。施肥后1 周，每天取样1 次；第2 周，每隔3 d 取样1 次；第3 周，视测到的氨挥发数量多少，每隔3～5 d 取样1 次，以后取样间隔可延长到7～10 d，直至监测不到氨挥发时为止。把取下的海绵带回试验室，分别放入500 mL 塑料瓶中，加1 mol/L 氯化钾溶液200 mL，将海绵完全浸于其中，振荡1 h，用Alliance-Futura II 连续流动分析仪测定浸提液的铵态氮量。

田面水采集与测定：水稻田面水采集与氨挥发采集时间一致，多点取得田面水样品进行混合装入聚乙烯塑料瓶中，带回实验室经真空泵抽滤后分析测定铵态氮。

径流水采集与测定：根据直播稻的特点，播种后应保持田间湿润无水层，其余时间机插稻和直播稻在降雨过后，按照水稻不同生育期的水管理方法进行排水，各小区径流量通过带盖溢流桶收集，量取径流量，将径流水搅拌均匀后取混合样装入聚乙烯塑料瓶中带回实验室。直播稻分别于5月30日和6月6日产生径流，机插稻全生育期无径流。采用Alliance-Futura II连续流动分析仪测定总氮、氨态氮和硝态氮量。

产量及产量构成因素测定：于成熟期每小区选定约3 m2收获，记录实际测产面积。脱粒并晒干，风选清除杂质和瘪粒，称量风干实粒总质量。在成熟期调查大田有效穗数求出每小区平均有效穗数，并根据平均有效穗数进行取样，在每个小区取样5 蔸。记录每蔸有效穗数和茎蘖数。籽粒脱粒后采用水选法将实粒和瘪粒分开，分开的样品用烘箱烘干（无须完全脱水），然后置于空气中放置至吸湿平衡（相当于室内陈干样品的含水率）。称量实粒、瘪粒的风干总质量，并从实粒中取3 份30.0 g 小样，瘪粒中取3 份2.0 g小样，记录每份小样的粒数。所有小样置于烘箱中80 ℃烘干至恒质量后称其干质量。完成产量构成因素（每株穗数、穗长、结实率、千粒质量、生物量和收获指数）的计算。

1.4 数据分析

应用DPS 进行方差分析，LSD 法进行处理间多重比较，利用Excel 作图。

采用以下公式分别计算氮素径流流失量（P，kg/hm2）、氮素流失率（Y，%）、氨挥发通量（X，kg/（hm2∙d））、氨挥发损失率（R，%）和氨挥发排放强度（Q，kg/t）。

生物体犹如一架精密的仪器，每个生化反应都要经历严谨而复杂的调控过程。在生物进化的历程中，细胞基因组中大约有98%的“垃圾序列”会被“束之高阁”吗？答案显然是否定的，而物尽其用应是其更合理的解释。例如，当下受到研究者广泛关注的长链非编码RNA(long non-coding RNA， lncRNA)就是所谓的“垃圾序列”的一部分，原先被认为是转录过程中产生的“噪音”，现在被证明在生物体中发挥着重要的生物学功能。假基因也不例外，相信在不久的将来，随着分子生物学技术的发展，科研人员必定对假基因有一个全面正确的认识，还假基因本来之真面目。

式中：A为小区径流水氮素质量浓度（mg/L）；H为流失体积（m3）；S为小区面积（m2）；PN为施氮区氮素流失量（kg/hm2）；P0为不施氮区氮素流失量（kg/hm2）；N为施氮量（kg/hm2）；B为通气法单个装置每次测得的铵态氮量（mg）；J为捕获装置的横截面积（m2）；D为每次连续捕获的时间（d）；XN为施氮区累积氨挥发量（累积氨挥发量是各测定时期的氨挥发通量之和[13]）（kg/（hm2∙d））；X0为不施氮区氨累积挥发量（kg/（hm2∙d））；C为水稻产量（t/hm2）。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理下田间氮素径流流失特征

直播稻全生育期共产生2 次径流，分别是5月30日排水播种，6月6日降水后（降水量为32.3 mm）利于发芽而排水，平均排水量分别为655、211 m3/hm2，机插稻全生育期无径流产生。不同施氮处理下直播稻田氮素径流流失质量浓度及流失量见表2，由表2 可以看出，5月30日、6月6日不同施肥处理下总氮流失量分别为7.76～25.55、0.15～0.32 kg/hm2，5月30日氮素径流量占绝大部分，主要是由于直播稻在5月29日刚施入基肥，而6月5日为施肥1 周后遇大雨排水。对江汉平原而言，在基肥施入后1 周遭遇强降水，往往会造成稻田氮素随径流严重损失，且直播稻田氮素径流流失量大于机插稻田。在整个生育期中，不施肥的总氮流失量较低，各施肥处理的径流总氮流失量呈现FFP 处理＞HTN 处理＞CRF 处理，CRF 和HTN 处理的氮素流失率分别比FFP 处理降低了3.0%和1.8%，主要原因是FFP 处理径流中总氮质量浓度显著高于其他2 个施肥处理。CK、FFP、CRF、HTN处理的NH4+-N、NO3--N 和Org-N 分别占总氮流失量的比例不同，CK 为78.9%、1.9%和19.1%，FFP 处理为52.7%、1.5%和45.7%，CRF 处理为52.1%、1.4%，HTN 处理46.4%，52.8%、1.4%和45.8%。可见，水稻在整个生育期内径流水氮素形态以铵态氮为主，无机态氮中，NH4+-N 径流损失量远大于NO3--N，是由于尿素施入水田后在脲酶的作用下施入水田的尿素水解为NH4+-N，从而使径流水的NH4+-N 质量浓度增大，从而导致流失量也增大。

表2 不同施氮处理下直播稻田氮素径流流失量Table 2 Nitrogen loss from surface runoff in the paddy fields for direct seeding rice under different nitrogen application

图2 不同施氮处理下稻田的氨挥发通量动态过程Fig.2 Dynamic process of ammonia volatilization flux in paddy fields under different treatments of nitrogen application

2.2 不同施氮处理下稻田的氨挥发通量

图2 给出了不同施氮处理下稻田氨挥发通量，从图2 可以看出，机插稻、直播稻施入基肥后稻田氨挥发迅速升高，在基肥施入后3 d 达到峰值，峰值分别为1.18～5.34 kg/(hm2∙d)（机插稻）、1.10～8.27 kg/(hm2∙d)（直播稻），氨挥发通量达到峰值后迅速降低，各处理氨挥发通量在基肥施入后第10 天已降至无明显差异，0.26～0.53 kg/(hm2∙d)（机插稻），0.2～0.51 kg/(hm2∙d)（直播稻）。施入基肥后2 d，氨挥发通量峰值机插稻为FFP 处理＞HTN 处理＞CRF 处理，而直播稻为FFP处理＞CRF 处理＞HTN 处理，这是由于直播稻CRF处理基肥施氮量大于HTN 处理，说明降低氮肥基施比例有助于降低稻田氨挥发。施入分蘖肥后，机插稻、直播稻氨挥发通量均在追肥后2 d 达到峰值，峰值分别为1.51～11.25 kg/(hm2∙d)（机插稻）、0.69～15.18 kg/(hm2∙d)（直播稻），随后逐渐降低趋于平缓，各处理氨挥发通量降至分蘖肥施入后第10 天已至无明显差异。田间观察表明，氨挥发通量主要集中在施肥后1 周，不施肥的氨挥发通量都处于较低水平状态，施肥处理的氨挥发通量表现为FFP 处理＞HTN 处理＞CRF 处理。即相比普通施氮FFP 处理，CRF 处理和HTN 处理均可降低氨挥发通量。

2.3 不同施氮处理下稻田的氨挥发损失量及损失率

表3 为不同施氮处理下不同时段稻田的氨挥发损失量及损失率。由表3 可知，氮肥种类及施用量直接影响氨挥发损失。基肥施入后至分蘖肥施入前、分蘖肥施入后以及水稻全生育期，各处理的氨挥发损失量和损失率均为FFP 处理＞HTN 处理＞CRF 处理。与FFP 处理相比，在基肥施入后至分蘖肥施入前、分蘖肥施入后以及水稻全生育期，机插稻CRF 处理的氨挥发损失率分别降低10.1%、18.3%和12.5%，机插稻HTN 处理的氨挥发损失率分别降低3.4%、6.7%和4.3%，直播稻CRF 处理的氨挥发损失率分别降低25.5%、14.7%和23.2%，直播稻HTN 处理的氨挥发损失率分别降低16.2%、3.4%和12.2%。即施用缓控释肥和海藻多糖尿素能显著降低稻田氨挥发损失量。3 种施氮处理直播稻氨挥发损失率均大于机插稻，主要原因是基肥施入后分蘖肥施入前直播稻氨挥发损失率大于机插稻，FFP、CRF、HTN 处理基肥-分蘖肥期直播稻氨挥发损失率分别比机插稻高19.5%、4.1%、6.7%（表3）。直播稻FFP、HTN 处理的氮肥基施量只有机插稻的57.14%，而氨挥发损失量与机插稻相当；在相同的CRF 处理下，基肥施入后至分蘖肥施入前直播稻的氨挥发损失量是机插稻的1.37 倍，原因可能有3 点：一是直播稻从施基肥到施分蘖肥的时间跨度要比机插稻长，机插稻为12 d，直播稻为15 d；二是直播稻施基肥后氨挥发通量峰值比机插稻高，直播稻施肥后3 d 出现的氨挥发通量峰值是机插稻的1.15～2.13 倍（图2）；三是直播稻此时间段氮素利用率低，基肥施入后至分蘖肥施入前这段时间是直播稻从种子萌发至三叶一心的生育期，对氮素的需求量相对比较小，氮素利用率低于机插稻。

分析得出，将直播稻氮肥基施比例降到40%，仍然有较高的氨挥发损失。所以，从降低氨挥发考虑，宜将直播稻氮肥基施比例降到40%以下。

表3 不同施氮处理下不同时段稻田的氨挥发损失量及损失率Table 3 Ammonia volatilization and loss rate in rice field indifferent fertilization periods under different nitrogen treatments

2.4 氨挥发通量与田面水铵态氮浓度相关性分析

不同施氮处理下田面水NH4+-N 质量浓度如图3。首先从铵态氮质量浓度总体的变化趋势看，机插稻整个生长期CK 田面水铵态氮一直处于较低的水平，其他施肥处理在施用基肥后，铵态氮量均在施肥后第2天达到最大值，不同施肥处理的铵态氮质量浓度为1.77～23.13 mg/L，第3 天田面水铵态氮量迅速下降，分蘖肥各处理田面水铵态氮的变化与基肥相似，第2天田面水铵态氮量达到峰值，FFP、CRF 处理和HTN处理质量浓度大小分别为30.45、25.28 和25.02 mg/L，到了第10 天逐渐趋近于CK。直播稻在5月29日施入基肥，由于直播稻在三叶一心期前应保持田间湿润无水层状态，前面未能监测到田面水铵态氮量的变化。6月13日施入分蘖肥（施肥前田面水铵态氮量已与对CK 相近），田面水NH4+-N 质量浓度在施入分蘖肥后第2 天达到峰值，FFP、CRF 处理和HTN 处理质量浓度大小分别为57.08、34.04 和68.01 mg/L。由此可以得出，直播稻的田面水NH4+-N 质量浓度高于机插稻。

机插稻氨挥发通量与田面水NH4+-N 质量浓度呈线性正相关，直播稻氨挥发通量与田面水NH4+-N 质量浓度呈二次曲线正相关（图4，X、Y分别表示田面水NH4+-N 质量浓度、氨挥发通量；**表示1%水平显著。）。机插稻决定系数（R2）由大到小依次为CRF处理＞HTN 处理＞FFP 处理；直播稻的决定系数大小分别为CRF 处理＞FFP 处理＞HTN 处理。由此可以得出CRF处理的田面水NH4+-N 质量浓度与氨挥发通量相关性最高，表明在CRF 处理条件下，氨挥发通量受田面水NH4+-N 质量浓度的影响最大。

图3 分蘖肥后稻田田面水NH4+-N 质量浓度动态变化Fig.3 Dynamic changes of NH4+-N concentration in surface water after tillerin

2.5 不同施氮处理下水稻的产量性状

不同施氮处理下2 种种植方式水稻产量及其构成因素影响见表4。比较CK、CRF 处理下机插稻与直播稻的产量，可以看出在氮种类及其基施、追施完全相同的情况下，机插稻的产量高于直播稻，其主要原因是机插稻的结实率大于直播稻。从不同施肥处理下水稻产量看，无论直播稻还是机插稻，均为CRF处理＞HTN 处理＞FFP 处理。与FFP 处理相比，机插稻在CRF、HTN 处理下分别增产9.31%和4.70%，直播稻分别增产9.25%和4.91%。从产量构成因素看，与FFP 处理相比，CRF、HTN 处理增产的原因是这2 种施氮处理能够增加每穗粒数和结实率。

表4 不同施氮处理下水稻的产量性状Table 4 Yield components under different nitrogen application

2.6 不同施氮处理下稻田的氨挥发排放强度

氨挥发排放强度是单位籽粒产量的氨挥发量，可以作为环境效应的判定指标，机插稻、直播稻的氨挥发强度见表5。机插稻、直播稻氨挥发强度大小均为FFP 处理＞HTN 处理＞CRF 处理，同时直播稻的氨挥发排放强度较高于机插稻。与FFP 处理相比，机插稻CRF 和HTN 处理的氨挥发强度分别降低43.1%和17.8%，直播稻分别降低了53.3%和26.8%。总结得出，机插稻的籽粒产量高于直播稻，机插稻的氨挥发排放强度较低于直播稻，机插稻的氨挥发损失低于直播稻。在机插稻和直播稻中均以CRF 处理的氨挥发排放强度最低。由此可见，通过缓释尿素与普通尿素配施可降低稻田氨挥发排放强度，从而减少氨挥发带来的环境污染，进而增加水稻产量。

表5 不同施氮处理下稻田的氨挥发排放强度Table 5 Ammonia volatilization emission intensity in paddy fields under different nitrogen application

3 讨论

3.1 施氮对径流水氮素浓度及流失量的影响

本研究表明，不施肥处理的氮素质量浓度较低，施肥处理的氮素质量浓度明显升高，TN 径流损失量较大，直播稻5月29日施入基肥，5月30日播种前排水，TN 的径流损失量较大，FFP、CRF 处理和HTN处理分别为25.55、20.39 kg/hm2和22.46 kg/hm2，6月6日遇降雨排水，TN 的径流损失量较低，FFP、CRF 处理和HTN处理分别为0.32、0.15 kg/hm2和0.27 kg/hm2，说明施肥和降雨时间间隔是影响稻田养分径流流失的主要因素之一[13]。关于缓控释氮肥对稻田氮素流失的影响，纪雄辉等[14]研究表明，控释氮肥能够显著降低施肥后15 d 内稻田田面水和径流的氮质量浓度，显著减轻水稻生育前期的总氮径流损失。研究表明，FFP 处理径流总氮流失量平均为25.87 kg/hm2，通过缓控释肥的使用均能够降低稻田径流总氮质量浓度和总氮流失量。这主要是因为与普通复合肥比较，缓控释肥通过包膜以及抑制剂的使用，减缓了尿素的水解速度，控制了水稻生育前期的土壤氮素养分释放速率，减少硝化反硝化作用引起氮素损失的同时，减轻了水稻生育前期田间氮素径流流失风险[15]。无机氮是稻田氮素的主要形态[16]，且铵态氮是径流水氮素损失主要形态，本研究结果与前人研究的结果一致[16]。与不施肥处理相比，施肥处理的铵态氮损失量明显增加，且FFP 处理＞CRF 处理＞HTN 处理，说明铵态氮又与氮肥类型有关。因此，本研究不同类型缓控释肥料均能有效减少稻田氮素径流损失。

3.2 施氮对稻田氨挥发的影响

本试验表明，直播稻和机插稻的氨挥发第3 天达到峰值，施分蘖肥后第2 天出现峰值，施肥后氨挥发的持续时间10 d 左右；相关研究报道，普通尿素在土壤脲酶的作用下迅速水解，造成田面水NH4+-N 质量浓度急剧升高，易在短时间（1～2 d）内产生氨挥发；控释尿素延缓尿素的溶解和释放，故在前几天氨挥发通量相对较小[15,17-18]，本研究表明，在基肥和分蘖肥后，直播稻和机插稻氨挥发通量的峰值均为FFP处理＞HTN 处理＞CRF 处理。目前，控释尿素是一种降低氨挥发损失、提高氮肥利用率的有效措施[19]。本研究表明，机插稻中不同施氮处理的稻田氨挥发损失量占总施氮量的比例为15.5%～28.0%，直播稻中不同施氮处理的稻田氨挥发损失量占总施氮量的比例为17.0%～40.2%，直播稻的氨挥发损失量均大于机插稻，主要是因为直播稻前期的水管理不同，根据本研究结果结合直播稻的水管理特征，建议基肥期适当减少氮肥施用量，适当的氮肥后移能够减少氨挥发的损失量。本研究结果与前人研究的结果一致[19]。播稻和机插稻均在施肥1～3 d 达到峰值，随后逐渐下降。与施常规氮肥尿素相比，缓控释氮肥能够降低氨挥发损失量。

3.3 施氮对水稻产量的影响

本研究结果表明，与施常规普通尿素相比较，在施氮总量相同、磷钾肥完全相同的条件下，通过基施适量控释尿素和普通尿素、分蘖肥追施普通尿素（即CRF 处理）能够保证水稻产量，在每穗粒数、结实率和产量上都比FFP处理高，对于直播稻分别增加4.8%、8.0%和9.3%，对于机插稻分别增加4.2%、4.9%和9.3%，这与一些研究得出的施用缓控释肥能提高水稻产量的结论基本一致[20-24]。