不同施氮量及施氮方式对水稻田氨挥发及氮肥利用率的影响

王家宝，邬 刚，袁嫚嫚，井玉丹，王文军，张祥明，孙义祥

（安徽省农业科学院土壤肥料研究所，养分循环与资源环境安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031）

我国有超过60%以上的人口以稻米为主食[1］，水稻生产能力的提升对保障国家粮食安全至关重要。施用氮肥是提高水稻产量最有效的途径之一，但近年来随着氮肥施用量的不断增加，随之而来的环境污染、资源浪费等问题也日益凸显[2］。因此，在保证产量的同时，如何减少稻田氮素损失以提高氮肥利用效率成为水稻绿色生产工作中的主要 任务。

氨挥发是稻田氮素损失的主要途径[3］。据相关报道，在全球农作物种植体系中，通过氨挥发损失的氮素占总施氮量的平均比例为18%，最高可达64%[4］。改变氮肥种类和优化施肥方式，已被证实是减少稻田氨挥发损失的有效措施[5］。缓控释肥料因其具有养分释放期长、符合水稻对养分的需求规律、氮素利用效率高以及对环境污染小等优点，近年来被广泛应用[6-8］。因其包膜材料具有疏水特性，可以有效减缓膜内尿素的释放速率，从而减少氨挥发损失[9］。缓控释肥与速效肥配施一次性施肥可以在减少施肥次数的同时，很好地匹配作物对养分的吸收和养分供应之间的关系，已有研究表明，将缓控释氮肥与普通氮肥配施一次性施入，可以有效降低玉米田氨挥发损失，降幅达80%[10］；徐丽萍等[11］将缓控释氮肥与速效氮肥按7∶3混匀一次性施用后，在花椰菜和番茄产量分别增加3.7%和21.4%的同时，氨挥发损失量分别降低64.0%和46.9%；在安徽省江淮丘陵区将缓释尿素与普通尿素混合一次性施用后，稻季氨挥发损失总量和损失率相较于单施普通尿素分别降低了26.23%和4.52%，同时氮肥利用率提升了6.07%[12］。但也有研究表明，单施缓控释肥会造成小麦-玉米轮作体系中作物周年产量的下降[13］；Yang等[14］也发现，将缓控释氮肥与速效氮肥配施后，在降低土壤氨挥发的同时，水稻产量和氮肥利用率也出现了下降的情况。因此，不同氮肥配施对稻田土壤氨挥发以及氮肥利用率的影响有待进一步探讨。

本研究通过田间试验，探讨了氮肥不同用量（60、120、180、240 kg·hm-2）和不同施用方式（不施氮、单施速效氮肥一基二追、速效氮肥与缓控释肥配施一次性施用）对稻田土壤氨挥发和水稻产量及氮肥利用效率的影响，以期为降低稻田氮素损失和指导合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本试验于2019年6～11月在安徽省合肥市巢湖中垾镇建华村进行。试验点位于117°46′34″ E、31°39′14″ N，属北亚热带季风气候区，年平均气温16.1℃，年均日照时数2035～2270 h，年降水量1158 mm。试验点种植模式为稻-麦轮作，一年两熟制，土壤类型为潜育型水稻土。小麦收获后，耕作层（0～20 cm）土壤的基本理化性质：pH 6.6，全氮1.23 g·kg-1，有效磷21.42 mg·kg-1，速效钾125.6 mg·kg-1，有机质22.18 g·kg-1。

1.2 试验材料

试验所用普通尿素（N 46%）、普通过磷酸钙（P2O512%）、KCl（K2O 60%）均为市场购买所得；所用缓控释氮肥为聚氨酯包膜尿素（N 44%），释放期40、90 d，由茂施肥料公司生产。

水稻品种为湘两优900，水稻3叶期移栽，基本苗22.5万穴·hm-2，行距33.3 cm，株距13.3 cm。

1.3 试验设计

本研究为大田试验，采用裂区设计：主区为施氮量，分别为60、120、180、240 kg·hm-2（简称N60、N120、N180、N240）；副区为施肥方式，分别设置一次性施肥（SF）和一基二追（TF），同时设置不施氮对照（CK），共9个处理。其中，采用一次性施肥的处理氮肥运筹模式为释放期40 d包膜尿素∶释放期90 d包膜尿素∶普通尿 素=3∶3∶4，将不同类型氮肥按上述比例混匀后，在水稻移栽前做基肥一次性施入，后期不再追肥；采用一基二追施肥处理氮肥运筹模式为基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2，所用氮肥类型为普通大颗粒尿素。各处理施磷肥（P2O5）75 kg·hm-2，钾肥（K2O）90 kg·hm-2，磷钾肥全部作为基肥施入。小区面积30 m2（5 m×6 m），3次重复，小区间田埂覆膜隔离防渗，单排单灌。

水分管理方式为生育前期灌水—中期干湿交替—后期淹水—收获期自然落干。具体为移栽后两周内、施肥后一周内、孕穗期和灌浆期保持水层（3～5 cm），中期（分蘖期至孕穗前）采用干湿交替灌溉方式，有效分蘖临界叶龄期排水晒田，收获前自然落干。病虫草害等的防治同当地农户习 惯。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤氨挥发的测定

氨挥发采用密闭室监测法测定[12］。密闭室为顶部带有通气孔的直径为20 cm、高为15 cm的有机玻璃罩。用20 g·L-1硼酸溶液吸收挥发的氨气，每次收集结束后，用标准酸（C1/2H2SO4=0.020678 mol·L-1）滴定，计算氨挥发量。施肥后每天 9：00～11：00进行抽气，并以此为平均值计算全天的氨挥发量[15］。施肥后连续测定，直到各处理间无显著差异为止。

1.4.2 水样采集及测定

水样采集与氨挥发的测定同步，每次采样后，样品置于4℃冰箱中保存，铵态氮浓度采用靛酚蓝比色法测定。

1.4.3 植株样品采集及分析方法

收获期每小区分别采集籽粒、秸秆样品，测定样品氮含量，实验室常规考种。水稻用小型收割机全部实收，单独计产。植物样品采用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定待测液中的氮。

1.5 数据处理与分析

土壤氨挥发计算公式为（以N计）：F=V× 10-3×C×0.014×（104/πr2）×12

式中：F为土壤氨挥发日损失量，kg·hm-2·d-1；V为滴定用标准酸的体积，mL；10-3为体积转换系数；C为滴定用标准酸的标定浓度，mol·L-1；0.014为氮原子的相对原子质量，kg·mol-1；104为面积转换系数；r为有机玻璃气室的半径，m；12为24 h与日氨挥发收集时间2 h的比值。

肥料利用率按照以下公式计算：

吸氮量（kg·hm-2）=（植株秸秆干物重×秸秆含氮量）+（籽粒干物重×籽粒含氮量）

氮肥表观利用率（REN，%）=（施氮区作物吸氮总量-无氮区作物吸氮总量）/氮肥投入 量×100

氮肥农学利用率（AEN，kg·kg-1）=（施氮区作物产量-无氮区作物产量）/氮肥投入量

氮肥偏生产力（PFPN，kg·kg-1）=施氮区作物产量/施氮量

试验数据用Excel 2010进行整理及绘图；采用SPSS 22.0的广义线性模型（General Linear Models）进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 氨挥发通量

施肥方式对水稻田土壤氨挥发通量影响十分明显（图1）。由图1可知，采用一基二追施氮方式，在每次施肥后1～2 d氨挥发通量即出现波峰，随后快速下降（图1a），施肥后一周左右，各处理间则无明显差别。基肥施用后的峰值最高，蘖肥与穗肥施用后氨挥发通量的峰值相当，各处理氨挥发通量均随着施氮量的增加而增加。

采用一次性施肥的方式后第2 d即出现氨挥发高峰，随后逐渐降低。整个水稻生育期，一次性施肥的各处理均只有1个氨挥发排放高峰 （图1b）。

图1 不同施氮方式与施氮量对稻田氨挥发通量的影响

2.2 氨挥发损失量

不同氮肥施用方式及施氮量在水稻各生育阶段的氨挥发损失量见表1。由表1可知，不同施氮方式和施氮量下稻田土壤氨挥发损失量差异较大，氨挥发损失总量占施氮量的13.19%～38.83%。氮肥施用方式和施氮量对水稻整个生育期氨挥发的影响均达到极显著差异，而两者交互作用对水稻田土壤氨挥发损失总量的影响差异不显著。

表1 不同施氮方式和氮肥施用量稻季阶段氨挥发损失量

在施氮量相同的情况下，采用一次性施肥的处理氨挥发损失量均显著低于一基二追施肥处理。SF不同施氮量处理氨挥发损失比例大小为 SFN60＞SFN120＞SFN240＞SFN180，且 主 要 集 中 在前期，后期氨挥发损失量很小。而TF中各处理的氨挥发损失比例大小为TFN60＞TFN120＞TFN180＞ TFN240，基肥-蘖肥阶段氨挥发损失量在9.89～ 14.31 kg·hm-2之间，蘖肥-穗肥阶段氨挥发损失量在7.76～21.69 kg·hm-2之间，穗肥以后氨挥发损失量在5.65～11.85 kg·hm-2之间。相同施氮量条件下，SF比TF氨挥发损失总量降低了37.9%～50.3%。

2.3 田面水铵态氮浓度

不同施肥处理的水稻田面水铵态氮浓度变化趋势与氨挥发变化趋势相似（图2），在相同施氮量的情况下，基肥期SF各处理田面水铵态氮浓度峰值均高于TF，这主要是因为一次性施肥的处理前期速效氮肥施用量较大。采用一基二追的施肥处理，基肥施用后的第2 d即达到峰值，且随着施氮量的增加而增加，TF N240最高，达到63.41 mol·L-1，施肥后一周左右各处理间无明显差距。各施肥时期的田面水浓度峰值依次为基肥＞蘖肥＞穗肥（图2a）。采用一次性施肥的各处理水稻田面水铵态氮浓度也在施肥后第2 d达到峰值，之后逐渐降低，SF N240峰值最高，为85.04 mol·L-1（图2b）。

图2 不同施氮方式与施氮量对水稻田面水铵态氮浓度的影响

2.4 氮肥利用率

氮肥施用方式对水稻氮素吸收量影响不显著，但对氮肥表观利用率以及氮肥偏生产力影响显著。而施氮量可显著影响氮素吸收、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力，对氮肥表观利用率影响不显著。相同施氮量情况下，SF的水稻吸氮量以及氮肥表观利用率较TF均有增加趋势（表2）。采用一基二追的施肥方式，水稻单位面积吸氮量随着施氮量的增加而增加，而采用一次性施肥的各处理中，水稻吸氮量则随着施氮量的增加呈现先增加后减少的 趋势。

表2 不同施氮方式与施氮量对水稻氮肥利用效率的影响

2.5 水稻产量

不同施氮方式与施氮量对水稻产量的影响如图3所示。由图3可知，施氮量为120 kg·hm-2时，采用一次性施肥的处理水稻产量高于采用一基二追的处理，且差异显著。其余施氮量情况下，不同施氮方式对水稻产量的影响差异不显著。但采用一次性施肥方式的处理，水稻产量随着施氮量的增加呈现出先上升后下降的趋势，且在施氮量为180 kg·hm-2时，产量达到最高，为11581.80 kg·hm-2， 而采用一基二追施肥的处理，水稻达到最高产量的施氮量为240 kg·hm-2，为11116.51 kg·hm-2。

图3 不同施氮方式与施氮量对水稻产量的影响

3 讨论

3.1 不同氮肥施用量对水稻田氨挥发损失特征的影响

氮肥的施用是稻田氨挥发损失的主要来源[16］，且同一种施氮方式下氨挥发损失量随着施氮量的增加而增加（图1）。但在本研究设置的施氮量梯度下，氨挥发损失比例随着施氮量的增加呈现降低的趋势。这可能是因为随着施氮量的增加，水稻对氮素的吸收量也在增加，同时除氨挥发损失以外的氮素损失量也会随之增加（例如通过径流等途径），加之土壤氮素残留量的积累，就导致通过氨挥发损失的氮素占整个施氮量的比例降低。但也有研究表 明[17］，氨挥发损失比例与施氮量没有显著的相关性，这可能与不同气候、土壤性质和水分管理等有关。田面水铵态氮浓度也是影响氨挥发的最主要因素之一，降低田面水铵态氮浓度是减少氨挥发损失的关键[18］。本研究中，施肥后1～2 d，水稻田面水的铵态氮浓度达到最高，且与氨挥发损失通量的变化规律一致（图2），这与前人的研究结果一致[19-22］。N240处理的田面水铵态氮浓度在各自施肥方式中的峰值均为最高，说明水稻田面水铵态氮浓度会随着施氮量的增加而增加。但俞映倞 等[23］的研究则表明，由于受其他环境等因素的影响，田面水铵态氮浓度与氨挥发损失之间的相关性并不显著。这可能主要与不同区域的降雨和温度的差异有关。因此，以田面水铵态氮浓度作为评价稻田氨挥发损失风险的指标，还需要进一步修正。

3.2 不同氮肥施用方式对水稻田氨挥发损失量以及水稻产量的影响

不同施肥方式对氨挥发损失也有一定影响。本研究中，SF各处理的氨挥发损失量在14.46～ 23.74 kg·hm-2之间，TF各处理的氨挥发损失量则为23.3～47.74 kg·hm-2（表1），各处理水稻田氨挥发损失比例为13.19%～38.4%，SF的氨挥发损失量较TF的降幅在37.9%～50.3%之间，这一结果低于杨锌等[24］的缓控释氮肥可以减少氨排放量70%以上的研究结论，这主要是因为本研究所设置的施肥方式为速效氮肥与缓控释氮肥配施，而速效氮肥氨挥发损失量较高造成的。采用速效氮肥与缓控释氮肥配施一次性施肥可以有效降低稻田氨挥发损失量的原因可能是缓控释氮肥的包膜材料可以阻隔膜内肥料与土壤接触的几率，从而减少了参与氨挥发的底物氮，降低土壤氨挥发损失[25］。不同施肥方式和氮肥种类还可显著影响水稻产量[26］，陈贤友等[27］的报道指出，缓控释氮肥与普通氮肥按一定比例配施后，较单施普通尿素多次施肥处理，可以显著提高水稻产量；Yang等[14］则报道了长期定位试验的研究结果为不同类型氮肥配施，作物产量会有下降的趋势。不同研究结果的差异可能与土壤类型、作物品种、种植习惯等因素有关。本研究表明，施氮量为120 kg·hm-2时，SF处理水稻产量显著高于TF，且SF处理水稻最高产量对应的施氮量低于TF（图3）。以上说明，采用缓控释氮肥与速效氮肥配施一次性施肥方式后，在保证水稻产量的前提下，有更大的减肥潜力。

对于缓控释氮肥施入土壤后，除了研究氮素损失对环境的影响外，包膜材料可能带来的环境风险也应充分考虑[28］。包膜材料的选用近年来也呈现出十分多样的选择，但是包膜材料施入土壤后，其残留对土壤生态系统和地下水的影响以及材料降解机理的研究还要持续关注。改进施肥方式、肥料种类和优化施氮量已成为当前学者对减少稻田氨挥发损失研究的主要方向，但兼顾环境和经济效益的科学化氮肥管理模式，还应进一步探讨。

4 结论

缓控释氮肥与速效氮肥配施一次性施肥方式可减少稻田氨挥发损失量，减排幅度为37.9%～50.3%。

施氮方式可以显著影响水稻氮肥表观利用率和氮肥偏生产力，而对吸氮量以及氮肥农学利用率影响不显著；施氮量则对水稻氮素吸收量、氮肥农学利用率以及氮肥偏生产力均达到显著影响，但两者交互作用对上述因素均无显著影响。

采用缓控释氮肥与速效氮肥配施一次性施肥方式，可以在施氮量较低的情况下水稻产量达到最高，具有减肥的潜力。