施用控釋氮肥對早稻田面水氮素動態(tài)變化和水稻產(chǎn)量的影響

肖雪玉，朱文博，楊丹，閆穎，何娜，劉鳴達(dá)*，謝桂先

1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110866；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128

隨著作物生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥用量的急劇增加，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為引起水質(zhì)惡化的主要原因之一。氮素的流失成為水體富營養(yǎng)化的主要來源，引起了人們高度的關(guān)注（侯朋福等，2017；柳云龍等，2017）。湖南水稻（Oryza sativa L.）生產(chǎn)中采用過量施用氮肥以獲得高產(chǎn)已是普遍現(xiàn)象。不可否認(rèn)，施用氮肥增加了水稻產(chǎn)量，但是過量施肥容易造成氮素流失，存在著極大的水環(huán)境污染風(fēng)險（孫愛華等，2015）。前人的研究更多地關(guān)注氮肥的施用量、施肥方式、施肥時期等，忽視了過度施氮通過稻田泡田棄水以及徑流所產(chǎn)生的面源污染風(fēng)險研究（宮亮等，2014）。因此，開展稻季田面水氮素動態(tài)特征影響研究十分有必要。

田面水中氮素的來源主要是氮肥。最常用的氮肥是尿素，尿素釋放氮的速度快，田面水中氮素增長過快，流失的機率較大。趙冬等（2011）研究了不同施氮量對田面水不同形態(tài)氮素變化的影響，結(jié)果表明，施用尿素使稻田田面水的各形態(tài)氮素在施肥后第1天達(dá)到最大值，施氮量決定了田面水中各形態(tài)氮素的濃度。前人的研究更多集中于化肥減量對田面水中氮素的影響，而對新型肥料對稻田田面水氮素的影響研究較少。控制氮素釋放，適應(yīng)作物生長需求，從而提高氮肥利用率，降低田面水中氮素流失機率的肥料是控制農(nóng)業(yè)面源污染的另一種途徑。控釋氮肥（Controlled Release Nitrogen Fertilizer）是一種能夠控制和調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)釋放的肥料（呂東波等，2015；程金秋等，2017）。控釋氮肥不僅能降低勞動力成本，而且能減少氨揮發(fā)反應(yīng)以及反硝化反應(yīng)，提高氮肥利用率以促進水稻增產(chǎn)（李旭等，2015；傅麗青等，2017）。吳俊等（2012）研究了不同肥料和不同施肥管理方式等8種處理對稻田田面水氮素動態(tài)變化及徑流損失的影響，結(jié)果表明，減量化施用不同種類氮肥能夠降低氮素流失風(fēng)險，其中緩控釋肥的效果較為明顯。然而，前人對于水稻全生育期內(nèi)，施用不同減量控釋氮肥對稻田田面水氮素形態(tài)及動態(tài)變化的影響研究尚鮮有詳細(xì)報道。

本研究通過在湖南省瀏陽市沿溪鎮(zhèn)進行長期田間定位試驗，研究不同減量替代控釋氮肥處理對稻田田面水各形態(tài)氮素動態(tài)變化特征以及水稻產(chǎn)量的影響，以期為降低農(nóng)田氮肥使用量，減少氮素流失量，減輕農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

小區(qū)試驗設(shè)置于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)瀏陽教學(xué)科研綜合基地。位于湖南省瀏陽市沿溪鎮(zhèn)（28°19′N，113°49′E），屬亞熱帶氣候，濕熱多雨，夏熱冬寒。多年平均降水量為1647.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為799 mm。多年平均氣溫為17.5 ℃，多年平均相對濕度為82%，多年平均日照時數(shù)為1675 h，多年平均無霜期為281 d。

1.2 試驗設(shè)計

供試土壤為潮沙泥，其0~20 cm耕作層基本理化性狀如下，pH 5.61；有機質(zhì)16.62 g·kg-1；全氮1.21 g·kg-1；全磷 0.54 g·kg-1；全鉀 11.51 g·kg-1；堿解氮 48.93 g·kg-1；速效磷 21.25 g·kg-1；速效鉀155.68 g·kg-1。供試肥料分別為尿素（含N 46%）、控釋氮肥（為山東金正大生態(tài)工程集團股份有限公司生產(chǎn)的樹脂包膜尿素，含N 43%，控釋期3個月）、過磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）。供試作物為水稻（Oryza sativa L.），品種為中早36。本試驗的設(shè)置基準(zhǔn)為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)施氮量，共設(shè)有6 個處理：（1）不施氮肥（WN：no nitrogen fertilizer）；（2）常規(guī)施用尿素（CF：routine use of urea）；（3）控釋氮肥：控釋氮肥氮含量與常規(guī)施肥氮含量相同（N100：100%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（4）90%氮量控釋氮肥：控釋氮肥氮含量為常規(guī)施肥氮含量的90%（N90：90%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（5）80%氮量控釋氮肥：控釋氮肥氮含量為常規(guī)施肥氮含量的80%（N80：80%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（6）70%氮量控釋氮肥：控釋氮肥氮含量為常規(guī)施肥氮含量的70%（N70：70%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）。各處理均設(shè)3次重復(fù)，共18小區(qū)，每個小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m），隨機區(qū)組排列，各處理間用水泥田埂隔開。水稻種植株行距為 16.7 cm×20.0 cm，每個小區(qū)種植1150株。具體施肥方案見表1。

種植水稻前，各小區(qū)翻壓等量的紫云英。2017年4月28日施基肥后插秧，5月8日施用追肥，7月19日收獲；水稻返青時間為插秧后3~4 d，之后開始初步分蘗，10 d后逐漸進入分蘗旺盛期，25~30 d后停止分蘗，30~35 d后開始抽穗。各小區(qū)單灌單排，統(tǒng)一管理，單打單收，其他管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)。

表1 試驗施肥方案Table 1 Nitrogen scheme in trial field

1.3 樣品采集

1.3.1 水樣采集

湖南瀏陽的雨季出現(xiàn)在5月下旬，為避免降雨高峰時段出現(xiàn)在施肥后前期，故水樣的采集時間為施基肥后的第1、2、3、5、7 天，追肥后的第1、2、3、5天的8:30—9:30，以50 mL醫(yī)用注射器采集田面水（李瀚等，2015），在不擾動土層的前提下，按S型5點取樣，混合后注入250 mL集水瓶，每個處理分取3份，將其pH調(diào)為1~2后于-20 ℃冷凍保存，待測（HJ 636—2012）。

1.3.2 測定方法

水樣總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法測定；無機氮（DMN）采用AA3自動分析儀測定，由于稻田田面水中無機氮的主要形式是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，同時亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度過小，可忽略不計（閆鳳超等，2017），因此本文無機氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和；有機氮為可溶性氮與無機氮之差，可溶性氮先過0.45 μm濾膜后（李瀚等，2015），再采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS Statistics 19.0軟件進行顯著性差異分析，Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理并繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 早稻田面水不同氮素形態(tài)動態(tài)變化

2.1.1 早稻田面水無機氮動態(tài)變化

田面水無機氮的動態(tài)變化如圖1所示。水稻生育期田面水無機氮平均濃度表現(xiàn)為 N100>CF>N90>N80>N70>WN，施用基肥后控釋氮肥各處理無機氮濃度動態(tài)又表現(xiàn)為3種情況，N100、N90與N80無機氮濃度小幅下降后又上升而后再逐漸下降，N70與WN無機氮濃度略有上升；CF處理無機氮濃度則逐漸降低。追肥后，除WN外，其余處理無機氮濃度都在第2天達(dá)到最高隨后降低。

圖1 不同處理田面水DMN濃度動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic of DMN concentration in the surface water of different treatments

不施氮肥處理與施肥處理的無機氮濃度相比，不施氮肥處理變化平穩(wěn)，這是由于施肥提高了不同時期無機氮濃度，進而改變了其變化趨勢。而施肥處理之間濃度差異則是由肥料劑型和用量不同所致。由于施用基肥時溫度較低，控釋氮肥處理的氮素釋放緩慢，故N100與N90處理無機氮濃度小幅下降后再上升；N80與N70因施氮量減少而無機氮累積較少；尿素溶解后轉(zhuǎn)化成無機氮直接溶于田面水，所以初期濃度較高，但可能以氨揮發(fā)等形式損失，故其含量先出現(xiàn)下降趨勢，而后相對穩(wěn)定；N100處理與CF處理施氮量相同，由于控釋氮肥的控釋效果，使得無機氮素?fù)p失較少，故N100處理無機氮含量總平均值略高于CF處理，差異不顯著。施用追肥時溫度升高，控釋氮肥釋放氮素的速率增加，與尿素有相似變化趨勢，說明控釋氮肥不會改變其無機氮釋放總體變化趨勢。

2.1.2 早稻田面水有機氮動態(tài)變化

圖2 不同處理田面水DON濃度動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic of DON concentration in the surface water of different treatments

田面水有機氮的動態(tài)變化如圖2所示。在水稻生育期，田面水有機氮濃度表現(xiàn)為 CF>N100>N90>N80>N70>WN；除CF處理在施用基肥后有機氮先下降后上升趨于平穩(wěn)外，整個稻季中，各處理有機氮都表現(xiàn)為施用基肥后先增加后降低，追肥后先增加再降低的趨勢；水稻生育初期各控釋氮肥處理的有機氮濃度峰值出現(xiàn)時間晚于CF處理，而各施肥處理追肥后的高峰早于WN處理。本試驗中，早稻田面水中有機氮含量高于無機氮，這是由于基肥施用前期，所有處理都翻壓紫云英的緣故（萬水霞等，2015；喻足衡，2012）。

施肥不能改變田面水有機氮的動態(tài)變化規(guī)律，但在不同時期，施肥處理有機氮濃度均高于WN處理，這可能是施入的無機氮滿足了微生物在分解前期翻壓的紫云英過程中對氮素的需要，顯著地促進了紫云英的腐解，釋放出一些包括氨基酸在內(nèi)的小分子有機物，使得施肥處理有機氮高于不施肥處理。水稻生育前期，水稻吸收利用氮的能力較差，加之溫度較低，土壤有機質(zhì)礦化出的有機氮轉(zhuǎn)化成無機氮的速度較慢，田面水中有機氮總體上以積累為主；而進入分蘗期后，溫度升高，有機氮轉(zhuǎn)化成無機氮速度變快，水稻吸收養(yǎng)分?jǐn)?shù)量增加，所以田面水中有機氮濃度開始降低（李增強等，2017）。控釋氮肥處理有機氮濃度低于施用尿素處理，這顯然與控釋條件下氮素釋放緩慢且無機氮濃度低，導(dǎo)致微生物分解紫云英的速度與數(shù)量變慢變少有關(guān)。

2.1.3 早稻田面水總氮動態(tài)變化

田面水總氮的動態(tài)變化如圖 3所示。總體來看，施用基肥后各處理總氮動態(tài)有3種表現(xiàn)，CF、N100處理呈現(xiàn)先降低再小幅上升最后逐漸降低的趨勢，WN、N90、N80處理表現(xiàn)為先增加后降低，N70處理則基本未變，但各個處理總氮素波動較小；而追肥后除 WN外，各施肥處理總氮變化趨勢相似，均表現(xiàn)為先增加后降低，升降幅度較大。水稻生育期田面水總氮平均濃度表現(xiàn)為 CF>N100>N90>N80>N70>WN。

圖3 不同處理田面水TN濃度動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic of TN concentration in the surface water of different treatments

田面水總氮含量與施氮量、肥料形態(tài)以及水稻吸收氮素量有關(guān)，就控釋氮肥而言，其養(yǎng)分釋放還與膜內(nèi)外濃度差、水蒸氣壓以及溫度等因素有關(guān)（鄭圣先等，2002a；鄭圣先等，2002b；Sharon et al.，1990；Malka et al.，1990）。不同時期尤其是追肥以后，各施肥處理總氮含量均高于WN處理，顯然與施氮有關(guān)。基肥施用后CF處理尿素中無機氮容易溶出、N100相對施氮量較大，無機氮濃度較高，使得田面水中總氮濃度出現(xiàn)開始時濃度較高隨后降低的現(xiàn)象，后因總氮中有機氮濃度的延后增加使得氮素濃度有小幅上升趨勢，最后因水稻吸收養(yǎng)分，總氮濃度又逐漸降低；其余施用控釋氮肥處理，因含氮量低加之膜的控釋作用，使氮素釋放緩慢，從而出現(xiàn)田面水總氮先增后降，最后除N70保持平緩其余處理略有增加的特點。施用基肥之后各處理田面水氮素降低，這可能與水稻緩苗后生長加速，對氮的吸收量逐漸增多有關(guān)。追肥之后，田面水總氮升高是由于此時土溫升高，控釋肥料氮素釋放速度加快，田面水中積累了較多氮素所致；而大約 3 d后達(dá)到高峰隨即又下降則是因為水稻生長進入分蘗期吸氮量增加的緣故。

相同施氮量條件下，控釋氮肥處理總氮濃度低于施用尿素處理，說明施用控釋氮肥有利于降低氮素隨田面水流失的風(fēng)險。

總之，田面水中各形態(tài)氮濃度在施肥后 1~4 d達(dá)到峰值，在施肥后10 d內(nèi)濃度較高，若在此期間遇到強降雨，稻田氮素的流失量會隨著施氮量的增加而增加，故施氮初期是管理氮素流失的關(guān)鍵時期。施用控釋氮肥處理田面水各形態(tài)氮濃度比施用尿素處理有所降低，一定程度上減少了氮素流失的風(fēng)險。

2.2 不同處理水稻產(chǎn)量和控釋氮肥替代減量的環(huán)境效應(yīng)

2.2.1 不同處理水稻產(chǎn)量

不同處理水稻產(chǎn)量如圖4所示，其稻谷產(chǎn)量表現(xiàn)為N90>N70>N80>N100>CF>WN，不同處理秸稈產(chǎn)量表現(xiàn)為N70>N90>N80>N100>CF>WN，不同處理間差異未達(dá)到統(tǒng)計學(xué)上的顯著水平。同時控釋氮肥各處理產(chǎn)量略高于CF處理，但差異不顯著，說明通過施用控釋氮肥降低氮投入水平不會造成產(chǎn)量的降低；控釋氮肥能夠控制氮素的釋放速度，從而適應(yīng)水稻需氮規(guī)律；而單施尿素造成水稻生長前期氮素供應(yīng)過多，后期匱乏，使得氮肥利用率降低。這與侯紅乾等（2016）的研究結(jié)果是一致的。各控釋氮肥處理稻谷產(chǎn)量差異不顯著，說明施用控釋肥既可減氮又能穩(wěn)產(chǎn)；但過施控釋氮肥會導(dǎo)致水稻貪青晚熟，故N100處理的稻谷產(chǎn)量稍低于其他控釋氮肥處理。

圖4 不同施肥處理對水稻產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effects of different nitrogen fertilizer on rice yield

2.2.2 控釋氮肥替代減量的環(huán)境效應(yīng)

圖5 不同施氮量下田面水TN濃度與水稻產(chǎn)量的變化Fig. 5 Changes of rice yield different in nitrogen application and TN of the surface water

將水稻產(chǎn)量（y1）、不同控釋氮肥施氮量（y2）以及田面水TN濃度均值（x）進行擬合，其對應(yīng)函數(shù)關(guān)系如圖5所示。總體來看，隨著田面水TN濃度的增加，水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢；田面水TN濃度與施氮量則呈線性正相關(guān)關(guān)系；進一步求得田面水總氮濃度達(dá)到53.79 mg·L-1時，理論最高產(chǎn)量為 6098.88 kg·hm-2，而此時施氮量應(yīng)為101.46 kg·hm-2，即為兼顧經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的施肥用量。這一結(jié)果尚需通過以后的長期試驗進一步驗證。

3 結(jié)論

（1）早稻田面水中各形態(tài)氮濃度均在施用基肥與追肥后1~4 d達(dá)到峰值，隨后不斷減少；施肥后10 d內(nèi)是防止田面水氮素流失的關(guān)鍵時期。

（2）施氮量決定了早稻田面水中各形態(tài)氮素的含量。不同控釋氮肥處理間各形態(tài)氮素濃度均以N100處理濃度最高，N70最低。

（3）控釋氮肥能夠有效減氮穩(wěn)產(chǎn)。各施肥處理的水稻產(chǎn)量之間沒有顯著性差異，控釋氮肥處理水稻產(chǎn)量略高于尿素處理。

（4）當(dāng)施氮量達(dá)到101.46 kg·hm-2時，理論上可達(dá)到最高產(chǎn)量，田面水中總氮濃度相對較低，氮素流失風(fēng)險較低，是兼顧經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的較好方案，但尚需要通過后期長期試驗進一步驗證。

綜上所述，施用控釋氮肥能夠在減氮的同時，減少稻田水體的各形態(tài)氮素濃度，降低氮素?fù)p失風(fēng)險，實現(xiàn)水稻生產(chǎn)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙贏。