稻田基施改性聚天門冬氨酸尿素的效果研究

趙 穎，王 娜 ，牛世偉，張 鑫，徐嘉翼，隋世江，任 軒

（1.遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所，遼寧 沈陽 110161；2.遼寧富友糧油貿易有限公司，遼寧 沈陽 110164）

0 引言

【研究意義】化肥的有效投入是保障糧食增產最有效、最迅速的措施，對我國糧食單產增長的貢獻率高達40%～50%[1]。但初步統計發現化學氮肥利用率僅為35.0%左右[2]。水稻作為我國重要的糧食作物，農民為追求高產往往投入過量氮肥，且習慣基肥用量較重，追肥用量較少，東北稻區尤為明顯[3]，而基肥期稻苗較小需氮量不高，加上大水漫灌泡田，這大大加劇了氮肥流失風險。基肥期氮肥的低利用率與高流失率易使數量龐大的化肥氮隨地表徑流、淋溶及揮發等損失掉，引起流域水環境富營養化，周圍空氣質量變差，對人類健康構成了威脅，已是不容忽視的事情。因此提高基肥期的氮肥利用率、減少氮素流失是亟待解決的問題。尿素是水稻生產中最主要的氮素來源，尿素轉化與氮素利用和損失息息相關[4]，因此開展緩控釋型尿素的開發研究對于氮肥利用率的提高和氮肥流失的控制十分關鍵。【前人研究進展】聚天門冬氨酸（Polyaspartic acid，PASP）是一種新興的可生物降解的環境友好材料，是一種人工仿生合成的水溶性高分子物質，是由天門冬氨酸單體的氨基和羧基進行分子間縮合脫水而成的縮聚產物[4]，具有無毒、無磷、無公害和可完全生物降解的特性，在國際上被認為是“綠色化學品”[5]。分子中的羥基和羧基能螯合金屬離子，富集N、P、K及微量元素供給作物，提高作物對氮、磷、鉀的利用，具有極強的螯合、分散、吸附和緩慢釋放養分等作用，常作為肥料增效劑和緩釋劑應用于農業生產中[5-10]。改性PASP是通過化學改性在PASP 分子鏈上引入官能團，使原來主鏈上無活性基團的聚合物功能化，或者改變PASP分子鏈的空間分布，延長分子鏈或形成三維網狀結構，改性PASP效能顯著增強[11-12]。PASP與尿素復配，將尿素包裹在內，緩控尿素在土壤中轉化與釋放，延長尿素養分持效期[13-14]，改善土粒結構和提高土壤全氮含量[15]，促進植株氮素吸收利用，提高作物產量與氮肥利用率[16-21]，穩定糧食安全的同時降低了氮素流失風險。【本研究切入點】現有研究報道主要集中常規PASP對旱田作物增產效果和增產機制及氮肥利用率等方面，而研究改性PASP對水稻產量、氮肥利用率和田面水氮素變化等方面的應用效果相關報道較少，尤其未見關于基施不同分子量的改性聚天尿素應用效果綜合評價的相關報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以遼寧省水稻高產區遼河三角洲為試驗區域，基于減量施氮情況下，將不同分子量改性PASP與尿素進行復配，通過大田試驗研究基施不同分子量改性聚天尿素對稻田田面水氮素動態變化、水稻氮吸收利用及生長影響，采用灰色關聯度法對改性聚天尿素的應用效果進行綜合評價，以期獲得改性PASP的最佳分子量，進而為水稻生產、稻田面源污染防控提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2018年5～9月在遼寧省盤錦市盤山縣壩墻子鎮煙李村（北緯 41°10'29''，東經 122°15'9''）進行。試驗點所在區域位于遼河三角洲中心地帶，是濱海鹽土和鹽漬化土壤分布區，年均降雨量612 mm，年平均溫度8.4 ℃，全年無霜期約174 d。土壤為中等肥力水稻土。耕層土壤理化性質參見文獻[22]。

1.2 試驗材料

供試水稻品種為鹽豐47。供試氮肥為大顆粒尿素（含N 46%）、改性聚天尿素（改性PASP選用聚天門冬氨酸鈣鹽，分子量分別為7 500、10 000、12 500和14 700，添加量按尿素質量的0.3%計算）；磷肥和鉀肥分別為磷酸二銨（P2O546%、N 18%）和氯化鉀（K2O 60%）。

1.3 試驗設計

試驗共設置6個水稻氮肥基施處理：CK為不施肥，T1為大顆粒尿素，T2為7 500改性聚天尿素，T3為10 000改性聚天尿素，T4為12 500改性聚天尿素，T5為14 700改性聚天尿素。除對照外，T1～T5處理的基施氮占總氮的80%，剩余20%的氮在分蘗期施用，追肥均用常規尿素；氮肥（N）用量為210 kg·hm-2、磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）全部作為基肥一次施入，用量均為90 kg·hm-2。每個處理3次重復，共18個小區，小區間田埂上覆塑料薄膜，防止串灌串排。施肥后旋耕泡田，其他田間管理按當地常規方法進行。

1.4 樣品采集與測定

分別于施肥后第1、3、5、7、10、15 天的上午10:00采集田面水，采集后置于裝有凍冰的保溫箱帶回，AA3 流動分析儀（Bran Luebbe，德國）測定全氮（TN）、硝態氮（NO3--N）、氨態氮（NH4

+-N）含量。水稻成熟時，3點取樣法沿土表收割水稻地上部分，每點收割1 m2樣方，測定籽粒和秸稈生物量及水稻株高、有效分蘗。采用凱氏定氮法測定籽粒和秸稈的全氮含量，然后根據公式計算水稻的氮素累積吸收量、氮肥表觀利用率[23]。

1.5 數據整理與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件進行數據處理與作圖，用SPSS 19.0軟件檢驗數據顯著性差異。應用灰色關聯度法[24]對不同施肥處理的應用效果進行綜合評價。效果評價方法參照文獻[22]。

2 結果與分析

2.1 稻田田面水TN動態變化

通過對監測期稻田田面水TN分析發現（圖1），CK處理的田面水TN含量整體處于較低水平；施基肥后，各施肥處理的田面水TN含量均高于CK處理，說明施用氮肥可增加田面水TN。施肥后第1天所有施肥處理的田面水TN含量即達到峰值，其中大顆粒尿素T1處理的田面水TN含量最大，為48.09 mg·L-1，高于所有改性聚天尿素處理（T2～T5），在第7～15 天差異顯著；而在改性聚天尿素處理中，峰值期的T3處理田面水TN含量最小，較T1處理顯著降低了26.81%，其次T2和T4處理分別顯著降低了23.77%、22.53%，而T5處理與T1處理無顯著差異。各施肥處理田面水TN含量隨著時間推移呈降低趨勢，于第10 天降至峰值的9.89%～26.44%，改性聚天尿素處理的田面水TN含量較T1處理顯著降低了43.67%～72.61%，其中T3處理與CK處理差異不顯著。

圖1 田面水TN含量變化Fig.1 Change of TN concentrations in the surface water

2.2 稻田田面水NH4+-N動態變化

通過對監測期稻田田面水NH4+-N含量分析發現（圖2），CK處理的田面水NH4+-N含量整體處于較低水平。在施肥后第3 天，各施肥處理田面水NH+-

圖2 田面水NH4+-N含量變化Fig.2 Change of NH4+-N concentrations in the surface water

4N含量均達到峰值，而后迅速下降，于第10 天降至峰值的4.75%～15.77%后逐漸趨于穩定。在施肥后第3天峰值期，與T1處理相比，改性聚天尿素處理（T2、T3、T4）田面水NH4+-N含量顯著降低了24.54%～56.66%，與T5處理差異不顯著。在改性聚天尿素處理中，峰值期的T3處理的田面水NH4+-N含量最低，較T2、T4和T5處理顯著降低了36.84%～45.67%，其中T2處理的田面水NH4+-N含量低于T4和T5處理，差異不顯著；在施肥后第5～10 天，T2、T3處理的田面水NH4+-N含量低于T4和T5處理，其中T3處理的田面水NH4+-N含量較其他改性聚天尿素處理（T2、T4、T5）顯著降低了46.00%～81.17%，尤其在第10 天，與CK處理差異不顯著。

2.3 稻田田面水NO3--N動態變化

通過對監測期稻田田面水NO3--N含量分析發現（圖3），CK處理的田面水NO3--N含量整體處于較低水平。在施基肥后第1 天，所有施肥處理的田面水NO3--N含量到達最高，而后即呈迅速下降趨勢，于第7 天降至峰值的7.14%～17.81%后趨于穩定。在施肥后1～7 d，改性聚天尿素處理（T2～T5）的田面水NO3--N含量較T1處理降低了6.53%～66.64%，與T2、T3處理差異顯著；而在施肥后3～7 d，T2、T3處理低于T4、T5處理，在第7 天差異顯著。

圖3 田面水NO3--N含量變化Fig.3 Change of NO3--N concentrations in the surface water

2.4 不同處理對水稻產量及構成因素的影響

通過對水稻籽粒產量、秸稈產量、有效分蘗、株高的分析發現（表1），所有施肥處理（T1～T5）水稻有效分蘗數、秸稈產量和籽粒產量均顯著高于不施肥處理（CK），T1、T3處理水稻株高顯著高于CK處理。與T1處理相比，T2、T3的水稻有效分蘗數、秸稈產量和籽粒產量相對增加，并且T3處理籽粒產量顯著高于T1處理，水稻增產8.22%。說明施用氮肥可促進水稻增產，且適宜分子量的改性聚天尿素可有效促進水稻生長，提高水稻產量。

表1 水稻株高、有效分蘗數及產量Table 1 Rice height, effective tiller number and yield

2.5 不同處理對水稻氮素吸收量和氮肥利用率的影響

與CK處理相比，所有施肥處理水稻籽粒和秸稈氮吸收量均顯著增高（圖4）。在施肥處理組中，與

圖4 水稻籽粒和秸稈氮吸收量Fig.4 N uptake by rice grain and straw

T1處理相比，改性聚天尿素處理（T2～T5）水稻籽粒和秸稈氮吸收量均高于T1處理，氮累積吸收量增加了19.64%～44.66%，其中T3處理效果最好，籽粒、秸稈氮吸收量相對于T1處理顯著增加了36.47%

和62.39%。如圖5所示，改性聚天尿素處理提高了氮肥表觀利用率16.85～38.31個百分點，其中T3

圖5 水稻氮肥表觀利用率Fig.5 Nitrogen utilization rate of rice

處理氮肥表觀利用率達79.37%，與T1處理相比顯著提高了38.31個百分點，說明添加改性PASP能促進水稻吸收氮素，增加水稻氮素累積，提高氮肥表觀利用率，尤其T3處理。

2.6 不同施肥處理應用效果綜合評價

灰色關聯度分析顯示，在單指標關聯度中，基肥期田面水TN含量關聯度、植株生物量關聯度相對較大，分別為0.769 6和0.729 7，其次是植株氮累積吸收量為0.663 9，表明不同施肥處理對稻田田面水TN含量、水稻氮吸收和生長的影響最大（表2）。從綜合指標關聯度與排序來看，T3處理關聯度最高，其次依次為T2、T4和T5處理，T1處理關聯度最低，表明改性聚天尿素好于大顆粒尿素，尤其添加分子量10 000的改性PASP效果較明顯。

表2 應用效果綜合評價排序Table 2 Comprehensive evaluation sorting of application effect

3 討論

3.1 改性聚天尿素對田面水氮素含量的影響

本試驗中，不同分子量改性聚天尿素對基肥時期田面水TN、NH4+-N、NO3--N含量的影響存在一定差異。改性聚天尿素處理（T2～T5）的田面水TN、NH4+-N含量均低于等量大顆粒尿素處理，其中T3處理的田面水NH4+-N含量最低，其原因可能是，尿素外層包裹的10 000改性聚天溶解速度相對較慢，因而抑制了尿素釋放速度；其次是分子量10 000的改性PASP分子結構更利于吸附較多的NH4+-N并將其轉運到土壤里；再者是分子量10 000的改性PASP分子結構有利于土壤中相應的酶與其活性位點相結合，分解改性PASP分子結構主鏈，使其斷裂成片段[25]，并裸露出大量的羧基與田面水中的NH4+-N螯合，形成作物易吸收的形態并促進作物吸收利用，使田面水NH4+-N含量降低。同時改性PASP抑制了銨態氮硝化作用[26]，降低了田面水中NO3--N含量，這可能是一方面改性聚天尿素降解相對緩慢，因而生成較少的NH4+-N，硝化作用減弱，生成較少的NO3--N；一方面改性PASP與NH4+-N螯合，NH4+-N濃度不斷降低，硝化形成的NO3--N相對減少[12]；另外由于長期處于淹水條件下，減弱的硝化作用及增強的反硝化作用，致使田面水NO3--N濃度不斷降低[27]；再者水稻為喜銨作物，對于NH4+-N的需求高于NO3--N[28-29]，隨著-N被水稻吸收利用，硝化形成的NO3--N相對減少。另外隨著NO3--N向下移動，發生淋溶損失，也降低了田面水NO3--N濃度。

3.2 改性聚天尿素對水稻產量、氮素累積量及氮肥利用率的影響

本試驗中，與不施肥處理（CK）相比，所有施肥處理的水稻產量均有所提高，表明水稻生產過程中有必要人為補充氮肥。并且所有施肥處理相對于CK，水稻生長及產量指標均顯著提高，說明氮肥的施用是水稻產量增加的關鍵因素。與T1處理相比，T3處理水稻增產8.22%，氮肥累積吸收量增加了44.66%，氮肥表觀利用率提高了38.31個百分點，表明添加分子量10 000的改性聚天尿素既可以提高水稻產量，又能實現氮肥高效利用。這可能是由于添加改性PASP后，氮素釋放與水稻生長需氮規律實現了協調一致，有利于水稻養分吸收，促進水稻干物質積累，增加水稻產量，提高氮料利用率。而分子量12 500和14 700的改性聚天尿素處理水稻產量低于大顆粒尿素處理，但差異不顯著，這可能受土壤性質、氣候條件、施肥方式、施肥時期等因素的影響，需另行設計試驗驗證。

3.3 改性聚天尿素應用效果的綜合評價

利用灰色關聯度法對不同分子量改性聚天尿素應用效果相關的主要指標進行綜合評價，篩選出改性PASP的最佳分子量，避免利用單一指標評價改性聚天尿素效果的片面性，評價更加客觀全面，能真實地反映不同分子量改性聚天尿素的實際應用效果。本試驗中，將田面水氮素含量、植株生物量和氮累積吸收量以及氮肥利用率等作為主要比較指標，單指標關聯分析發現，關聯度相對較大的為田面水TN含量和植株生物量，其次是植株氮累積吸收量，因此推薦水稻籽粒和秸稈產量以及田面水TN含量作為不同分子量改性聚天尿素應用效果的主要評價指標。從綜合指標關聯度排序來看，T3處理關聯度最高，其次依次為T2、T4和T5處理，T1處理關聯度最低，表明改性聚天尿素對于提高氮肥利用效率和防控氮素流失具有較好的作用效果，其中添加10 000分子量的改性PASP效果最佳。

4 結論

應用灰色關聯度法對減量施肥下基施不同分子量改性聚天尿素應用效果進行綜合評價，兼顧水稻產量、氮吸收和田面水氮素濃度等因素，推薦遼河三角洲稻區基肥應用分子量10 000的改性聚天尿素，有助于保障糧食穩定和環境安全。本研究僅是一年大田試驗結果，相關結論有待于進一步開展多年田間熟化驗證，以保證改性聚天尿素規模化推廣應用效果。