水肥耦合對稻田氨揮發及水稻產量的影響

盧昕宇， 陳丹艷， 寧運旺， 張 輝， 汪吉東， 馮淵圓， 邵孝候， 張永春

(1.河海大學農業科學與工程學院，江蘇南京211100；2.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，江蘇南京210014；3.金陵科技學院園藝園林學院，江蘇南京210038)

氨氣是大氣中大量存在的堿性氣體，其揮發會造成大氣環境污染，并且可能通過干濕沉降進入陸地生態系統，進而引發土壤酸化，造成水體富營養化[1-2]。農田是農業源氨排放的重要場所。中國大部分農田，尤其是小規模稻田，施肥方式以撒施為主。大量撒施的氮肥較易損失[3-5]，作物的氮素利用率僅為30%～40%[4]，其余大部分氮素以氨氣的形式直接揮發[6-7]。有研究結果表明，以氨氣形式揮發的氮素約占稻田總反應性氮素損失的10%～50%[8-9]，且多發生在施肥后7 d左右[10]。此外，撒施很容易引起氮肥施用過量，當前氮肥過度施用量為10%～30%[11]。氨減排是當前中國控制氮素污染的主要手段之一，通過進行合理的農業管理減少農業源活性氮的排放已越來越迫切。

水分、施肥管理是減少稻田氨揮發的重要農業管理措施。早在2015年，《農業部關于打好農業面源污染防治攻堅戰的實施意見》中明確指出“一控兩減”——控制農業用水量、減少化肥和農藥的使用量，同時制定的“到2020年化肥‘零增長’計劃”[12]等，均表明探究節水灌溉和減量施肥對稻田氨揮發以及水稻產量的影響具有實際意義。目前關于水分或施肥管理影響土壤氨揮發的研究較為廣泛。例如，部分學者認為氨揮發對土壤水分的敏感性較高，增加土壤含水量可降低氨揮發[13]。同時，也有研究結果表明水稻田面不積水可以有效減少氨揮發[14]。此外，已有研究通過模型證明，氨揮發主要受氮肥投入總量的控制[15]。通過改進施肥方案，全球農田氨氣排放量可減少將近3/4[16]。呂金嶺等[17]研究發現，通過適度減少施氮量既可以減少土壤中的氮素殘留，又能有效降低由氨揮發造成的氣態損失。然而，目前與氨揮發相關的研究主要針對單一的水分因素或者單一的施肥因素，關于水肥耦合對稻田土壤氨揮發影響的研究較少，并且符合氨減排戰略需求的合理節水減氮肥模式還未有報道。因此，本研究擬將常規灌溉(干濕交替)、節水灌溉(全生育期無明水)的水分管理方式，分別與常規施氮肥、減施20%氮肥的施肥處理相結合，并進行水稻全生育期的觀測，探究不同水氮耦合對稻田氨揮發及水稻產量的影響，以期為穩產條件下減少水稻栽培中的氮素損失提供合適的水氮耦合模式。

1 材料與方法

1.1 土柱試驗設計

盆栽土柱試驗于2020年7-11月在江蘇省農業科學院本部溫室(118°52′E，32°2′N)進行。試驗盆體由PVC管制成，深度為0.5 m，直徑為0.3 m。每個土柱內裝有35 kg經過網篩篩選后的稻田土壤，其中20 kg土壤作為底土在土柱內壓實，另外15 kg土壤與相應處理的肥料混勻填入土柱作為表土，之后灌水至試驗設置的田間持水量。供試土壤取自江蘇省農業科學院本部稻菜輪作田塊，取土前該田塊已空置兩年，取土深度0～60 cm(118°52′E，32°1′N)。土壤基本性質如下：pH值為7.52(土∶水=1.0∶2.5，質量比)，全氮含量為0.96 mg/kg，有機質含量為14.58 g/kg，速效鉀含量為92.00 mg/kg，有效磷含量為20.02 mg/kg，堿解氮含量為48.22 mg/kg。栽植的水稻品種為南粳46號，水稻幼苗于2020年7月4日進行移栽并于2020年11月21日收獲。

1.2 試驗處理

試驗共設置4個處理：(1)干濕交替灌溉+常規施氮(W1N1)；(2)干濕交替灌溉+減施20%氮肥(W1N2)；(3)全生育期濕潤無明水灌溉+常規施氮(W2N1)；(4)全生育期濕潤無明水灌溉+減施20%氮肥(W2N2)。每個處理重復3次。具體的水肥管理措施見表1。

表1 水肥管理策略

干濕交替灌溉(W1)為移植到返青保持3.0～3.5 cm田面水，分蘗期保持2.0～3.0 cm田面水，當分蘗數達到計劃分蘗數的80%時進行曬田。穗肥施用后的7 d內以及揚花期，均保持3.0 cm田面水；揚花后田面水自然落干至土壤表層濕潤狀態且維持2～3 d后再進行灌水，如此反復直至水稻黃熟期，收獲前10 d斷水。節水灌溉(W2)為全生育期稻田土壤表層保持濕潤無明水狀態，收獲前10 d斷水。水稻基肥、蘗肥和穗肥分別在2020年7月4日、2020年7月15日和2020年8月20日以4∶3∶3的比例進行施用。氮肥處理分為2類，其中N1為常規施氮處理，即基肥施用239.920 0 kg/hm2(1盆1.695 0 g)中顆粒尿素(46%N)、173.040 0 kg/hm2(1盆1.222 5 g)磷酸氫二胺(18% N，46% P2O5)、132.700 0 kg/hm2(1盆0.937 5 g)氯化鉀(60% K2O)，蘗肥和穗肥分別施用230.790 0 kg/hm2(1盆1.630 5 g)中顆粒尿素(46% N)；N2處理為減施20%氮肥處理，基肥施用178.560 0 kg/hm2(1盆1.261 5 g)中顆粒尿素(46% N)、173.040 0 kg/hm2(1盆1.222 5 g)磷酸氫二胺(18% N，46% P2O5)和132.700 0 kg/hm2(1盆0.937 5 g)氯化鉀(60% K2O)，蘗肥和穗肥則分別施用184.500 0 kg/hm2(1盆1.303 5 g)中顆粒尿素(46% N)。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 氨揮發量 采用密閉室間歇抽氣-硼酸吸收法測定氨揮發[18]，密閉室為半徑5 cm的有機玻璃圓筒，頂部留有進氣孔和采氣孔，進氣孔與2 m通氣管連通，采氣孔與真空泵相連。每次施肥后7 d內連續測定，采集時間為上午08∶00-10∶00、下午13∶00-15∶00。使用0.02 mol/L 1/2H2SO4對洗瓶內定量裝入的80 ml硼酸吸收液進行滴定確定 NH3吸收量。NH3的累積揮發量為觀測期間日揮發量之和[19]。氨揮發通量計算公式為：

式中：F為氨揮發通量[kg/(hm2·d)];V為滴定所用硫酸的體積(ml)；10-3為體積轉換系數；C為滴定用硫酸的標定濃度(mol/L)；0.014為氮原子的相對原子質量(kg/mol)；104為面積轉換系數；r為氣室的半徑(m)；6為24 h與日氨揮發收集時間4 h的比值。

1.3.3 水稻產量 水稻成熟后，考察每個處理水稻總粒數、千粒質量，計算水稻產量。

其中，Y為單個處理水稻產量(t/hm2)；TG為單個處理稻谷總粒數(粒)；TSW為風干稻谷千粒質量(g)；r為土柱半徑(m)，統一規格0.15 m；667和15為面積轉換系數，1 000為質量轉換系數。

1.3.4 籽粒含氮量 籽粒含氮量采用H2SO4-H2O2消煮蒸餾法測定[20]。消煮所得液體定容后用凱氏定氮儀進行蒸餾定氮，使用0.01 mol/L (1/2H2SO4)標準溶液滴定，計算含氮量。

1.4 數據處理與分析

所有數據采用 Excel 2010整理，SPSS 20.0進行Pearson分析和Duncan’s多重比較，并對水分、氮肥進行單因素和雙因素方差分析，顯著性水平為P<0.05。采用SPSS 20.0軟件進行統計學分析，同時，使用Amos 24.0軟件進行結構方程模型分析。

2 結果與分析

2.1 不同水氮耦合處理對稻田氨揮發通量變化的影響

圖1顯示，各處理不同時期施肥后首日的稻田氨揮發通量均為穗肥施用后最大，基肥施用后最小。在基肥施用后，W1N1處理的氨揮發通量在施肥后的第3 d達到峰值，為2.71 [kg/(hm2·d)],然后波動變化，其余各處理均在施肥后的第2 d達到峰值。分蘗肥施用后W2N1、W2N2處理的氨揮發通量在施肥后第2～3 d達到峰值，此后逐漸下降。W1N1、W1N2處理的氨揮發通量整體呈現上升趨勢。穗肥施用后，4個處理的氨揮發通量在施肥后的第1 d為最高值，4個峰值的大小表現為W2N1[20.81 kg/(hm2·d)]>W1N2[10.97 kg/(hm2·d)]>W2N2[8.83 kg/(hm2·d)]>W1N1[4.55 kg/(hm2·d)]，在穗肥施用后第2 d所有處理的氨揮發通量迅速下降，之后波動變化。W1N1、W2N1、W2N2的氨揮發通量在穗肥施用后第7 d趨近于0。

a：基肥；b：分蘗肥；c：穗肥。W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。

2.2 不同水氮耦合處理對稻田氨揮發累積量的影響

表2顯示，W1N1、W1N2處理下，均以施用分蘗肥后氨揮發累積量最大，W2N1、W2N2處理則以施用穗肥后氨揮發累積量最多，所有處理氨揮發累積量均在施用基肥后最少。在施用基肥后，W1N1處理氨揮發累積量最高，為8.60 kg/hm2，顯著高于其他處理(P<0.05)，W2N2處理氨揮發累積量最少，僅為2.53 kg/hm2，但與W1N2、W2N1處理間差異不顯著(P>0.05)。在施用分蘗肥后，W1N1處理下氨揮發累積量仍最高(43.18 kg/hm2)，顯著高于其他處理(P<0.05)。W2N1、W2N2處理在施用分蘗肥后氨揮發累積量分別為10.01 kg/hm2和12.56 kg/hm2，顯著低于其他處理(P<0.05)。在施用穗肥后則是W2N1處理氨揮發累積量最多，為30.12 kg/hm2，分別為W1N1、W1N2、W2N2處理的2.11倍、1.42倍和1.56倍。對于3次施肥后氨揮發總量來說，W1N1處理氨揮發總累積量最多，為66.07 kg/hm2。相比于W1N1處理，W1N2、W2N1、W2N2處理的氨揮發總累積量分別顯著降低27.80%、34.24%和47.90%(P<0.05)。

表2 不同水氮耦合處理下氨揮發累積量(kg/hm2)

此外，通過方差分析發現，灌溉處理(W)對各次施肥后及總的氨揮發累積量影響極為顯著(P<0.01)。氮肥管理(N)顯著影響基肥施用后、分蘗肥施用后以及3次施肥后總氨揮發累積量(P<0.05)。水氮耦合處理(W×N)對各次施肥后氨揮發累積量及總氨揮發累積量呈現極顯著的交互影響(P<0.01)。

2.3 不同水氮耦合處理對單位產量稻田氨揮發的影響

圖2顯示，W1N1處理的單位產量氨揮發量最高，為2.58 kg/t，W2N1處理次之，W1N2處理最低。同一灌溉處理下，N1處理的單位產量氨揮發量均高于N2處理，其中W1N1處理顯著高于W1N2處理(P<0.05)，W2N1處理與W2N2處理間則差異不顯著(P>0.05)。N1處理下，W2處理的單位產量氨揮發量顯著低于W1處理(P<0.05)；N2處理下，W2N2處理的單位產量氨揮發量高于W1N2處理，但差異不顯著(P>0.05)。

W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4 不同水氮耦合處理下土壤銨態氮含量的動態變化

W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.5 不同水氮耦合處理對水稻產量和籽粒含氮量的影響

結果(圖4)表明，各處理間的水稻產量大小關系為W1N1(25.56 t/hm2)>W1N2(25.47 t/hm2)>W2N1(20.25 t/hm2)>W2N2(18.35 t/hm2)。W1N1處理的籽粒含氮量最高，為7.98 g/kg，W1N2處理(7.50 g/kg)次之，均顯著高于W2N1處理(4.71 g/kg)和W2N2處理(4.31 g/kg)(P<0.05)。相同灌溉處理下，N1處理的水稻產量和籽粒含氮量均高于N2處理，但兩者間差異不顯著(P>0.05)；相同施肥處理下，W1處理的水稻產量和籽粒含氮量則顯著高于W2處理(P<0.05)。

W1N1、W1N2、W2N1、W2N2見表1。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.6 不同水氮耦合處理對水稻生長性狀的影響

表3顯示，W1N1處理的水稻每盆總粒數最多，W2N2處理最少。相同水分處理下，N1處理水稻每盆總粒數均高于N2處理，但處理間差異不顯著(P>0.05)；相同施氮處理下，W1處理水稻每盆總粒數均顯著高于W2處理(P<0.05)。各處理間的千粒質量大小關系為W1N2(33.13 g)>W1N1(32.22 g)>W2N1(30.95 g)>W2N2(30.88 g)，W1處理的千粒質量顯著高于W2處理。W1N2處理的株高顯著高于W2N1處理和W2N2處理(P<0.05)，與W1N1處理差異不顯著(P>0.05)。

表3 不同水氮耦合處理下水稻生長性狀

2.7 施氮量、灌水量與稻田氨揮發及水稻產量相關指標間的關聯分析

為了研究水氮耦合處理對稻田氨揮發和水稻產量的影響，采用結構方程模型來分析灌水量以及施氮量與氨揮發量等多個響應因子之間的因果關系。圖5顯示，結構方程擬合效果良好[假設檢驗p值大于0.05，擬合度指數(GFI)=1.00]。結果表明，灌水量與土壤銨態氮含量、氨揮發量、水稻產量均呈正相關，但相關性并不顯著(P>0.05)；施氮量與土壤銨態氮含量呈正相關，與水稻產量呈負相關，與氨揮發量則呈極顯著正相關(r=0.46，P<0.001)。此外，土壤銨態氮含量與氨揮發量呈極顯著正相關(r=0.70，P<0.001)，與水稻產量則呈正相關。氨揮發量與水稻產量呈顯著正相關(r=0.84，P<0.05)。

***和*分別表示影響極顯著(P<0.001)、顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 水氮耦合對稻田氨揮發的影響

3.2 水氮耦合對水稻產量的影響

水氮耦合對水稻生長起到至關重要的作用，其中株高和分蘗是影響水稻株型和產量的核心要素。吳宗釗等[27]的研究結果表明，氮肥水平對水稻株高的影響較大，株高隨著施氮量的增大而增大。本研究結果表明，相同的干濕交替灌溉條件下，減施20%氮肥處理的株高更高，但兩者間差異不顯著。全生育期濕潤無明水灌溉的2個處理中，則是常規施氮處理的株高高于減氮處理，兩者差異也不顯著。相同的施氮水平下，干濕交替灌溉處理的株高均高于全生育期無明水灌溉處理，其中常規施氮的2個處理間差異不顯著，而減氮的2個處理間差異顯著。朱文新等[28]認為，隨著灌水量的減少，水稻株高會顯著降低，水分脅迫對水稻株高影響明顯，但是各氮素處理之間差異不顯著。本研究結果與前人研究結果不完全一致，且差別主要出現在處理間的差異是否顯著方面，其原因可能是水氮互作機制不完全相同。劉路廣等[29]的研究結果表明，不同水肥處理下分蘗數差異主要由灌水差異引起，節水灌溉會降低水稻分蘗，施氮量減少也會在一定程度上影響水稻分蘗。而本研究結果表明，單一的節水(W2N1)處理下水稻分蘗有所增加，有效穗數隨之升高，但是每穗粒數顯著降低，從而導致減產。節水減氮互作(W2N2)處理下水稻減產則是由于有效穗數和每穗粒數同時減少導致的。說明水稻的分蘗數及有效穗數對不同水分處理的響應比較明顯。楊丞等[30]發現，在相同灌溉條件下，施氮量減少會致使水稻分蘗數降低，有效穗數隨之降低，進而影響產量。本研究也得出與前人一致的結論。

灌水量和施氮量是影響地上部干物質積累以及有效穗數增加和結實期養分向籽粒轉移的關鍵因子[31-33]。徐一蘭等[34]研究發現，干濕交替灌溉可以在一定程度改善稻田土壤生態環境并提高水稻產量。楊曉龍等[35]的研究結果表明，在水稻孕穗期若土壤缺水造成干旱脅迫，會抑制水稻穎花的發育、阻礙細胞的減數分裂，從而降低穗粒數和每穗實粒數，使結實率降低從而造成水稻減產。本研究結果表明，節水灌溉處理水稻產量以及籽粒含氮量均顯著低于常規灌溉處理，說明在水稻孕穗過程中植株需水量大且氣溫高水分蒸發快，該種節水灌溉方式可能對水稻生長造成了一定的干旱脅迫，從而引發水稻減產。施用穗肥后，節水灌溉處理下氮素一方面以氣態形式在施肥后第1 d大量損失，降低水稻對養分的吸收。結合每次施肥后氨揮發通量以及土壤銨態氮含量變化規律可知，在本研究中氮素的氣態損失可能是造成節水灌溉處理下水稻產量及籽粒含氮量顯著降低的主要因素。此外，我們發現在本試驗條件下減氮處理對于水稻產量無顯著影響，相較于N1處理，N2處理施氮量減少，但是水稻產量并無顯著下降，說明減氮與穩產并不沖突，因此，水分管理可能是影響水稻產量和籽粒含氮量的主導因素。

4 結論

與干濕交替灌溉相比，全生育期無明水濕潤灌溉在基肥施用后和分蘗肥施用后可分別降低8.00%～61.40%和47.03%～76.82%的稻田氨揮發累積量，且可降低27.84%～34.24%的總氨揮發累積量。在節水灌溉條件下，減氮處理相對于常規施氮處理減少了20.78%的總氨揮發累積量。與干濕交替灌溉+常規施氮處理相比，節水灌溉+常規施氮處理和節水灌溉+減施20%氮肥處理分別使水稻產量減少20.77%和28.21%，并且使籽粒含氮量降低40.98%和45.99%。

從有效減少稻田氨揮發損失及保證水稻穩產等方面綜合考慮，干濕交替耦合減氮處理(W1N2)是本研究中較為高效的一種稻田水肥管理方式，但是這一減排穩產效果的持續性有待在未來的研究中進一步探索。