聚脲甲醛緩釋肥對太湖稻麥輪作體系氨揮發及產量的影響

趙 蒙，曾 科，姚元林，張 敏，杜林嵐，田玉華，胡建民，尹 斌*

[1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室 (中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京100049；3 成都信息工程大學資源環境學院，四川成都 610225；4 鄭州高富肥料有限公司，河南鄭州 450000]

氨揮發是稻田氮肥損失的主要途徑之一[1-3]。稻田氨揮發損失不僅造成養分浪費，還帶來許多環境問題，如土壤酸化、水體富營養化、大氣污染等[4-5]，因此，氮肥施用應兼顧農業和環境的總體效益。尿素是目前農業生產中施用量最大的氮肥品種，為滿足人口增長對食物的需求，通過增加氮肥施用量來提高作物產量是行之有效的重要措施之一。但長時期的高施氮量、低效益的施肥措施也給環境帶來了沉重的負擔。因此, 開發高肥效、低污染的新型氮肥品種和有效施肥措施是多年來肥料研究領域的熱點。脲甲醛緩釋氮肥具有在土壤中氮素養分緩慢釋放的特點，如結合相應的施肥措施，不僅可滿足作物的養分需求，達到減少氮肥氨揮發損失的環保作用，還能夠提高肥料利用率，增加作物產量。

脲甲醛是尿素和甲醛經過反應縮合而成的縮合物。調整尿素和甲醛不同的摩爾比例，可制得縮合度不同的脲甲醛肥料。脲甲醛肥料進入土壤后需在土壤微生物的作用下才能分解釋放出氮素，其養分釋放速率在不同的土壤環境和氣候條件下存在一定的差異[6]。陳易飛等[7-10]研究表明，施用脲甲醛肥料有可能起到提高作物產量、減少氮肥損失的作用。但是，生產工藝復雜、產能低、制造成本高等因素限制了脲甲醛肥料的發展和在農業生產上的推廣應用。目前脲甲醛氮肥的市場價格至少為5000 元/t[11]，受生產成本過高的限制，主要應用于專業性的草皮和高附加值的觀賞性植物，未能在大田作物中得到廣泛應用。根據這一現實情況，河南鄭州高富肥料有限公司在對傳統脲甲醛生產工藝進行改進的基礎上，研發出新型的聚脲甲醛 (MU) 緩釋氮肥。根據縮合度與組分分子鏈長度的不同制成了養分釋放周期不同的兩種肥料，即MU50和MU70。其中MU50養分釋放周期短于MU70。MU50和MU70肥料的生產成本遠遠低于傳統工藝的脲甲醛肥料成本，這為其在大田作物上的廣泛施用提供了可能。本試驗是在太湖地區常規施氮量 (270 kg/hm2) 的基礎上，研究MU50和MU70結合相應施肥措施對稻麥輪作體系下氨揮發損失與產量的影響，為這一施肥措施的推廣施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2016年在中國科學院常熟農業生態試驗站 (31°32′45″N，120°41′57″E) 進行。試驗站位于江蘇省常熟市辛莊鎮，地處長江三角洲腹地，屬太湖流域，海拔高1.3 m，屬北亞熱帶南部濕潤季風氣候，全年四季分明，氣候溫和，雨水充沛。該地的主要種植制度是稻麥輪作。供試土壤為潛育型水稻土 (烏柵土)。0—20 cm表層土壤的理化特性如下：pH7.36、有機質 35.0 g/kg、全氮 2.09 g/kg、全磷0.93 g/kg、速效氮 12.4 mg/kg、有效磷 5.00 mg/kg、速效鉀 121 mg/kg、CEC 17.7 cmol/kg。氨揮發采集期間日平均氣溫與降雨量由實驗站自動監測裝置記錄 (圖 1)。

1.2 試驗處理

試驗共設置6個處理，分別為100%MU50、100%MU70、50%MU50、50%MU70、當地常規 (U)和對照 (CK)。除CK不施氮外，其余5個處理施氮量稻季為N 270 kg/hm2，麥季為N 190 kg/hm2。氮肥品種為尿素、聚脲甲醛緩釋氮肥MU70 (含氮量39%)和MU50 (含氮量40%) 三種。每個處理重復4次，隨機區組排列，小區面積為42 m2(6 m × 7 m)。用100%MU50和100%MU70的緩釋氮肥處理為基肥一次性施入。緩釋肥配施尿素的50%MU50和50%MU70處理在基肥期施入緩釋氮肥，追肥期施入尿素。常規處理 (U) 為尿素分三次施用 (表1)。稻麥輪作體系磷肥用量 [過磷酸鈣 (P2O5) 含量12% 用量60 kg/hm2] 為 500 kg/hm2，鉀肥 [氯化鉀 (KCI) 含量60% 用量120 kg/hm2] 為200 kg/hm2，各處理的磷鉀肥施用量相同且作為基肥一次性施入。試驗小區邊界設置田埂，高出地面30 cm，并用塑料薄膜覆蓋以防田間小區肥水互串。每個小區設單獨的進出水口。在水稻生長期間，除分蘗期烤田及成熟前7天不灌水，其他時期維持田面水 3～5 cm深。除試驗設計所要求的，小區稻麥田管理與當地常規一致。供試水稻品種為南粳46號，小麥品種為揚麥16號。水稻于2016年6月25日移栽，2016年11月3日 收獲，3次施肥時間分別是 2016年6月25日、2016年7月7日和2016年8月11日，基肥和追肥施肥方式均為撒施。小麥于2016年11月25日播種，2017年5月23日收獲，3次施肥時間分別是2016年11月25日、2017年2月16日、2017年3月16日，基肥撒施后混入土壤耙勻，追肥直接撒施。

圖1 2016年稻-麥輪作體系施肥后日平均氣溫與降雨量Fig. 1 Daily air temperature and precipitation following three times of fertilization in 2016-2017 rice-wheat rotation system

1.3 樣品采集與測定

田間氨揮發采用密閉室間歇通氣法測定[12]，該方法的裝置是由直徑20 cm、高15 cm底部開放的有機玻璃罩以及2.5 m高的通氣管構成。有機玻璃罩頂部留有一通氣孔 (直徑25 mm) 與通氣管相連，將玻璃罩嵌入表土中，抽氣時換氣頻率設為15～20次/min。每次施肥后第2天開始采樣，稻季每天在7:00～9:00和 15:00～17:00采樣。麥季每天在9:00～11:00和14:00～16:00采樣。在洗氣瓶中裝60 mL 5.52 g/L硫酸溶液用于吸收NH3。抽氣結束后將氨吸收液帶回實驗室，采用靛酚藍比色法測定NH4+-N濃度。以這4 h的通量值作為每天氨揮發的平均通量計算全天的氨揮發量，以CK處理的氨揮發量作為背景值，直至施氮處理與不施氮處理的氨揮發通量無差異時停止采樣。

同時從施肥后第2天起，每天早晨 7:00 定時采集田面水，各小區至少取5個樣點混合成100 mL左右的水樣，取樣持續到各施氮處理田面水中NH4+-N濃度與對照無差異。水樣帶回實驗室過濾，采用靛酚藍比色法測定NH4+-N濃度。

此外，收獲時采用單打單收方式對每個小區進行計產，計算出不同處理的產量，并在每個小區選取3穴有代表性的植株，分為秸稈和籽粒，烘干粉碎后采用凱氏定氮法測定植株中的全氮含量。

表1 稻-麥輪作體系各處理施肥量 (N kg/hm2)Table 1 Application rates of fertilizers for each treatment

1.4 計算公式與數據處理

氨揮發通量計算公式:

式中：F為氨排放日通量[kg/(hm2·d)]；C為靛酚藍比色法求得吸收液中NH4+-N濃度 (mg/L)；V 為稀硫酸吸收液體積 ( L)；6為換算為一天的排放通量；10-6為mg轉換為kg；r為收集氨揮發的密閉室半徑 (m)；10-4為 m2轉換為 hm2。

施氮產生氨揮發酸雨效應的邊際環境損失 (M1，元/hm2) 計算公式[13-15]：

式中：1.88 為 1 kg氨揮發等量二氧化硫 (SO2) 酸雨效應的轉換系數；Pa 為 1 kg SO2導致的酸雨損失(元/kg)，在本文中為 5 元/kg；F 為氨揮發的損失量(kg/hm2)；17/14 為N對NH3的轉換系數。

施氮產生氨揮發水體富營養化效應的邊際環境損失 (M2，元/hm2) 計算公式[15]：

式中：0. 33 為1 kg NH3等量PO43-富營養化效應的轉換系數；Pe為每kg PO43-的富營養化損失(元/kg)，在本文中為3.88 元/kg；F 為氨揮發的損失(kg/hm2)；17/14為N對NH3的轉換系數。

氮肥利用率 (NUE) = (施氮處理水稻吸氮量-空白區水稻吸氮量)/施氮量

氨揮發損失率 = (施氮處理氨揮發總量-空白區氨揮發總量)/施氮量

稻麥凈收入凈收入[14]=產值-氮肥成本-施氮

產生氨揮發酸雨效應的邊際環境損失-施氮產生氨揮發水體富營養化效應的邊際環境損失

尿素，1700 元/t；MU50， 2610 元/t；MU70，2550元/t；水稻籽粒當地市場價格為2.5元/kg；小麥籽粒當地市場價格為2.37元/kg。

數據計算和分析采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 19. 0統計軟件；繪圖采用Origin9.1軟件。

2 結果與分析

2.1 稻麥輪作體系氨揮發損失的動態特征

稻季施氮處理的氨揮發在施肥后各階段均呈現出先增加后降低的趨勢。基肥期，施氮處理的氨揮發峰值出現在施肥后的第5天，U處理氨揮發峰值最高，為N 4.03 kg/(hm2·d)，施肥處理氨揮發過程持續10～12 天, 之后與對照處理無顯著差異。兩次追肥的氨揮發動態特征相似。追肥期，50%MU50、50%MU70、U處理的氨揮發峰值均出現在施肥后的第2 天，分別為 N 4.0、3.7、5.5 kg/(hm2·d) 和 N 3.5、3.6、5.2 kg/(hm2·d)，隨后氨揮發下降，到第 7 天時氨揮發與對照處理無顯著差異。追肥期，只施用MU的100%MU50、100%MU70處理的氨揮發處于較低的水平，與CK處理差異不顯著，顯著低于追施尿素的處理。在整個時期，U處理的氨揮發日通量一直高于其它處理。

與稻季相比，麥季氨揮發損失低，持續時間長，主要發生在施肥后的15 天內。各階段氨揮發峰值出現在施肥后的第2～6 天 (圖2)，隨后氨揮發降低，到第15 天時氨揮發日通量與對照無顯著差異。基肥期，U處理的氨揮發日通量最高。追肥期，追施尿素的50%MU50、50%MU70、U處理的氨揮發峰值出現在施肥后的第3～4天。50%MU50、50%MU70處理的氨揮發日通量高于U處理的，只施用MU處理的氨揮發日通量和CK處理差異不顯著。

圖2 2016年稻季 (a) 和麥季 (b) 三次施肥后氨揮發動態變化Fig. 2 Ammonia volatilization following three times of fertilization in 2016 rice season (a) and wheat season (b)

2.2 施肥后稻季田面水NH4+-N濃度對氨揮發的影響

通過對田面水的監測發現，施肥后各處理田面水NH4+-N濃度的動態特征與稻田氨揮發的相似(圖3)：施肥后田面水NH4+-N濃度迅速升高，在1～2天內達到峰值，隨后開始下降。基肥期，50%MU50、50%MU70、U處理的田面水NH4+-N峰值不明顯是因為基肥施用后連續的降雨天氣導致田面水NH4+-N濃度降低。而100%MU處理的NH4+-N濃度高于50%MU處理。兩次追肥期，U、50%MU50、50%MU70處理的NH4+-N濃度峰值分別為25.9 mg/L和 23.7 mg/L、16.0 mg/L和17.0 mg/L、18.4 mg/L和23.0 mg/L。100%MU處理的NH4+-N濃度低于50%MU處理，與CK處理差異不顯著。U處理的田面水銨態氮濃度在整個時期最高。對施肥后田面水NH4+-N濃度與氨揮發日通量的相關性進行分析，結果表明兩者存在顯著正相關關系 (圖4)。

圖3 NH4+-N濃度變化動態Fig. 3 Dynamic change of NH4+-N concentration in the surface water of paddy field in 2016 rice season

2.3 稻麥輪作體系氨揮發損失量和損失率

稻季施肥后的氨揮發損失量見表2。各施氮處理稻季氨揮發累積排放通量范圍為15.4～52.9 kg/hm2，損失率為2%～16%。U處理的氨揮發損失量最高，為N 52.9 kg/hm2。50%MU50、50%MU70處理的氨揮發總損失量分別比U處理的氨揮發損失量低41.2%和37.6%。100%MU50處理的氨揮發損失總量比50%MU50處理的降低了39.2%。100%MU70處理的氨揮發損失總量比50%MU70處理降低了53.3%。

麥季各施肥處理的氨揮發損失量遠低于稻季(表2)，這主要受麥季施肥期氣溫低、施肥量低的影響。麥季不同施肥處理的氨揮發總量為N 2.3～8.6 kg/hm2，損失率為0.1%～3.4%，50%MU70處理的氨揮發總量顯著高于其它處理。50%MU50處理、U處理的氨揮發總量比50%MU70處理分別降低45.3%和43.0%。100%MU50和100%MU70處理的氨揮發總量與CK處理差異不顯著，且顯著低于50%MU50和50%MU70處理。

統計稻麥輪作體系氨揮發總量可知，與U處理的N 57.8 kg/hm2相比，50%MU50和50%MU70處理氨揮發量分別降低了38.1%和 28.0%。100%MU50和100%MU70處理的稻麥輪作體系氨揮發總量顯著低于MU配尿素處理 (P ＜ 0.05)。50%MU50處理的稻麥輪作體系氨揮發總量比50%MU70處理的低13.9% (P ＜ 0.05)。

圖4 2016年稻季肥料施用后氨揮發日通量與田面水銨濃度相關性分析結果 (P = 0.05)Fig. 4 Correlation between ammonia emission per day and NH4+-N concentration in surface water after fertilization

表2 稻-麥輪作體系不同處理的氨揮發損失量 (N kg/hm2)和總損失率 (%)Table 2 Ammonia volatilization loss amount (N kg/hm2)and rate (%) of different nitrogen fertilizers in the rice-wheat rotation system

2.4 水稻和小麥產量、吸氮量和氮肥利用率

表3結果表明，稻季50%MU50處理的產量最高，為9.3 t/hm2。MU配施尿素處理的產量顯著高于只施用MU處理的產量。100%MU50處理的產量低于100%MU70處理的產量。各施氮處理的水稻產量均顯著高于CK處理的產量。

麥季在施氮量為190 kg/hm2情況下，50%MU50和50%MU70處理的產量均為3.5 t/hm2，顯著高于100%MU50和100%MU70處理的產量。MU配施尿素處理與U處理之間的產量差異未達到顯著水平。

稻季50%MU50處理的地上部總吸氮量顯著高于U處理。麥季50%MU70處理的地上部總吸氮量顯著高于U處理。由差減法計算的氮肥利用率結果顯示，各施肥處理氮肥利用率變化范圍在稻季和麥季分別為9.9%～33.9%和10.5%～34.8%。稻麥輪作體系下MU配施尿素處理的氮肥利用率最高，其中稻季MU50配施尿素處理的氮肥利用率顯著高于U處理，麥季MU70配施尿素處理的氮肥利用率顯著高于U處理。整個稻麥輪作體系下，只施用MU處理的氮肥利用率顯著低于MU配施尿素處理。

2.5 稻麥輪作體系不同處理的總經濟效益

由表4可知，50%MU50處理的稻麥總凈收入為30259元/hm2，高于U處理的總凈收入 (30168元/hm2)。100%MU50處理的總凈收入高于100%MU70，但二者凈收入均低于50%MU50及50%MU70處理。與尿素相比，MU雖然成本高，但氨揮發損失少，且聚脲甲醛緩釋氨肥(MU) 配施尿素能夠保障糧食的產量，值得研究推廣。

表3 稻-麥輪作體系不同處理產量、地上部吸氮量和氮肥利用率Table 3 Yields, shoot N uptake and N use efficiency (NUE) for each treatment in the rice-wheat-rotation system

表4 稻-麥輪作體系不同處理總經濟效益 (yuan/hm2)Table 4 Economic benefits for each treatment in the ricewheat rotation system

3 討論

3.1 聚脲甲醛緩釋肥的氨揮發特征

不同類型肥料的氨揮發日通量及總量存在差異。在基肥期，100%MU處理的氮肥施用量高于50%MU處理，使得100%MU處理的氨揮發在這一時期高于50%MU。而在追肥期100%MU處理的氨揮發低于50%MU，因為100%MU處理為一次性基施 (表1) 且緩釋氮肥MU具有緩慢釋放的特性。稻季氨揮發日通量峰值一般出現在施肥后的1～3天[16-17]。而本試驗稻季基肥期氨揮發日通量峰值有所延遲(圖2)，是由于基肥施用后前3天連續降雨且氣溫低抑制了田間氨揮發損失所導致。因此，施肥后的天氣狀況對氨揮發有著重要的影響[18]。

本研究證實聚脲甲醛緩釋肥能顯著降低田面水銨態氮濃度 (圖3)。尿素施入稻田后，在脲酶的水解作用下快速轉化為銨態氮，使得田面水的銨態氮濃度迅速升高。而對于MU緩釋氮肥，其中的小部分速效氮通過水解作用產生銨態氮，而大部分養分需經過微生物的分解作用方能緩慢釋放出來，從而使得MU處理的田面水銨態氮濃度維持在較低水平[19]。田面水中銨態氮濃度是決定稻田氨揮發量的主要因素，本研究中田面水銨態氮濃度和氨揮發日通量間存在正相關關系，這與田玉華等[20]的研究結果一致。所以施用MU能夠顯著減少稻田氨揮發損失。綜合稻麥輪作體系的結果可知，與只施用尿素相比，只施用MU或施用50%MU均能顯著降低氨揮發損失，且只施用MU的效果優于其與尿素配施的效果。稻季50%MU50處理氨揮發損失量比U處理降低41.2%，50%MU70處理的降低37.6%；麥季50%MU50處理的氨揮發損失量顯著低于50%MU70處理。由此可知，在稻麥輪作體系下，MU50配施尿素在減少氨揮發損失方面上優于MU70配施尿素。麥季50%MU70處理的氨揮發損失量明顯高于U處理和50%MU50處理，是由于MU70養分釋放周期長，在水稻收獲后土壤表面殘余部分MU70肥料顆粒。因此，稻季殘留的MU70肥料顆粒中未釋放完的養分和麥季施用的MU70共同作用導致了麥季50%MU70氨揮發損失量最高。本文稻季U處理和MU與尿素配施處理的氨揮發損失量高于該地區前人的相關研究結果 (N 22.5～28.9 kg /hm2)[13,21]，主要是因為本研究中肥料的施用量高于前人的施用量。氨揮發損失受施氮量影響顯著[22]。而只施用MU處理的氨揮發損失量低于上述研究結果，主要是由于MU的釋放特性所導致。

3.2 聚脲甲醛緩釋肥的產量效應

本研究表明，MU緩釋肥與尿素配施能保證水稻的產量。50%MU50和50%MU70處理的實際產量,比U處理的分別增加了3.3%和2.2%, 但三者間未達到顯著差異。100%MU50和100%MU70處理的實際產量顯著低于U處理的產量 (表3), 分別減少了21.1%和17.8%，減產幅度較大。麥季MU配施尿素的處理產量低于U處理的產量，而只施用MU處理的產量低于MU配施尿素處理及尿素處理，是因為麥季氣溫低，土壤微生物對MU緩釋氮肥分解弱，導致植株養分吸收少，因此收獲時產量低。本次試驗在水稻收獲期時，在土壤表面發現了一些殘存的MU肥料小顆粒，因而MU具有殘留效應，又因為本研究在所提供的實驗田里是首次進行MU緩釋肥的試驗，而分解MU緩釋肥的相關微生物種群的積累需要一定時間[23]，所以還需對MU肥料在土壤中的長期作用效果進行監測。本研究的施肥方式采用的是傳統的土壤表面撒施，MU緩釋肥未能充分進入土壤里，使得植株吸收養分不充分。前人研究[24-27]表明改進施肥措施能有效提高氮肥利用率和產量。因此改進MU緩釋肥的施用方式以保證MU肥料與土壤充分混勻將會更加充分地發揮其作用。

與尿素相比，只施用MU處理的產量和氮肥利用率均較低，而MU配施尿素處理能顯著降低氨揮發損失，提高氮肥利用率，保障糧食產量。兩種施肥措施的結果存在顯著差異，這與MU肥料的養分釋放特征相關。聚脲甲醛緩釋氮肥包含速效養分和長效成分，其速效養分在基肥期的釋放可滿足水稻幼苗對氮的需求，而MU的長效養分釋放速率較慢，分蘗期和孕穗期是水稻的吸氮高峰期，由基肥期只施用MU處理的田面水銨態氮濃度高于MU配施尿素處理的和MU配施尿素處理的產量，顯著高于只施用MU處理的結果可驗證在這一時期MU養分的釋放不能滿足作物的需求，因此需在追肥期配合施用速效氮肥供作物吸收養分。許多研究也表明分次施肥可以提高作物的產量和氮肥利用率[28]。因此MU50配施尿素處理更適合在實際生產中進行應用。

4 結論

稻麥輪作體系下，相比尿素，MU50配施尿素能保證作物產量，減少氨揮發損失，提高氮肥利用率，不削減農戶凈收入。MU50相比MU70在增加產量、減少氨揮發損失、增加凈收入和提高氮肥利用率方面效果更優。只施用MU50和MU70肥料雖然能顯著降低田間氨揮發，但產量、凈收入、氮肥利用率等較低。綜合考慮，MU50和尿素的1∶1配施模式值得在太湖地區推廣。