脲胺氮肥對太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)及氮肥利用率的影響①

敖玉琴，張　維，田玉華，李　曉，葛仁山，尹　斌*，朱兆良

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京　210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049；3 江蘇華昌化工股份有限公司，江蘇張家港　215600）

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脲胺氮肥對太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)及氮肥利用率的影響①

敖玉琴1，2，張維1，田玉華1，李曉3，葛仁山3，尹斌1*，朱兆良1

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3 江蘇華昌化工股份有限公司，江蘇張家港215600）

摘要：采用田間小區(qū)試驗，以普通尿素和氯化銨為對照，研究脲胺氮肥對太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)及氮肥利用率的影響。結(jié)果表明：氮肥施入后，氨揮發(fā)損失主要發(fā)生在施肥后5 ～ 7天內(nèi)，氨揮發(fā)損失量與田面水NH4+-N濃度呈線性正相關(guān)關(guān)系。不同氮肥的氨揮發(fā)損失差異顯著（P＜0.05），脲胺氮肥的氨揮發(fā)損失分別比普通尿素和氯化銨減少了2.71 和6.41 kg/hm2，并且該氮肥對水稻有增產(chǎn)的趨勢，氮肥利用率分別比普通尿素和氯化銨顯著提高了10.43% 和10.64%。此外，綜合考慮經(jīng)濟和環(huán)境效益，該氮肥凈收益高于尿素和氯化銨。因此，脲胺氮肥值得在太湖地區(qū)推廣。

關(guān)鍵詞：脲胺氮肥；氨揮發(fā)；水稻產(chǎn)量；氮肥利用率

水稻是我國主要的糧食作物，同時也是施肥量最多的作物之一［1］。目前，在太湖流域地區(qū)，水稻平均施氮量（以純N計）已達300 kg/hm2。過量施用氮肥造成了大量氮肥損失，而氨揮發(fā)是稻田中氮肥最主要的損失途徑［2-5］。已有的研究表明，稻田生態(tài)系統(tǒng)中氨揮發(fā)損失可高達施氮量的9% ～ 40%［6］。為了提高氮肥利用率，多年來，研究人員在氮肥品種的開發(fā)和篩選上做了不少探索［7-8］，但尿素仍舊是目前中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用量最大的氮肥品種。

隨著純堿工業(yè)的發(fā)展，氯化銨作為其副產(chǎn)物，產(chǎn)量在不斷增加，2013年生產(chǎn)量已高達1 242萬t，其中 90% 以上用于農(nóng)用肥料［9］，但是氯化銨的物理性狀（粉末，吸濕性強）導(dǎo)致其易結(jié)塊，不適合機械操作，并且人們擔(dān)心大量施用氯化銨會造成氮肥損失加重、農(nóng)作物減產(chǎn)、品質(zhì)下降及土壤酸化等一系列問題。研究表明，通過尿素配施氯化銨不僅能使作物增產(chǎn)，還能降低農(nóng)產(chǎn)品硝酸鹽含量，提高作物品質(zhì)，并減少氯離子在土壤中的積累［10-11］。江蘇華昌化工股份有限公司利用高塔噴漿造粒技術(shù)，將尿素和氯化銨按一定比例混合造粒，有效地解決了氯化銨施用難題并減少了過量氯離子對土壤和作物造成的危害［12］。脲胺氮肥的研制，不僅促進資源的綜合利用，還降低農(nóng)業(yè)用肥成本，不像緩/控釋氮肥，由于價格昂貴難以廣泛應(yīng)用［13-14］。目前已有一些關(guān)于脲胺氮肥在水稻、玉米等作物上的增產(chǎn)試驗［15-17］，但是針對脲胺氮肥施入稻田后氨揮發(fā)損失以及氮肥利用率的研究還不多。

本試驗是在太湖地區(qū)稻麥輪作體系下，在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮量的基礎(chǔ)上，研究脲胺氮肥對稻田氨揮發(fā)損失和氮肥利用率的影響，為環(huán)境友好、高產(chǎn)高效的新型脲胺氮肥的生產(chǎn)應(yīng)用以及稻田氮肥損失的減少、水稻氮肥利用率的提高提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于 2014年在中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站（31°32′45″N，120°41′57″E）進行。該站地處太湖流域，屬北亞熱帶濕潤氣候，年平均氣溫為17.8℃，年降雨量為992.8 mm，稻麥輪作是其主要糧食種植制度。供試土壤為湖積物發(fā)育而成的潛育型水稻土（烏柵土）；表層0 ～ 20 cm土壤理化特征：pH（H2O）7.36、有機質(zhì)35.0 g/kg、全氮2.09 g/kg、全磷0.93 g/kg、速效氮12.4 mg/kg、速效磷5.0 mg/kg、速效鉀121.3 mg/kg、CEC 17.7 cmol/kg。氨揮發(fā)采集期間日平均氣溫與降雨量由實驗站自動監(jiān)測裝置記錄（圖1）。

圖1　2014年稻季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 2014 rice season

1.2試驗設(shè)計及處理

試驗設(shè)4個處理：除空白不施氮外，其余3個處理施氮量均為240 kg/hm2，氮肥品種分別為尿素、氯化銨和氯脲胺（尿素態(tài)氮︰銨態(tài)氮=15︰15，總含 N 300 g/kg，由江蘇華昌化工股份有限公司提供），各處理4次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)面積為6 m × 7 m = 42 m2。稻季氮肥按基肥︰分蘗肥︰穗肥=4︰2︰4的比例施入，磷鉀肥以基肥一次性施入，磷肥（P2O5）60 kg/hm2，鉀肥（K2O）120 kg/hm2。試驗小區(qū)田埂高出地面30 cm，用塑料薄膜包被，以減少側(cè)滲和串流，每個小區(qū)設(shè)有單獨的進、排水口，水稻生長期間，除分蘗期烤田（抑制無效分蘗和藻類繁殖）及成熟前1周不灌水，其他時間保持3 ～ 5 cm深的水層，當(dāng)水層低于2 cm時，小區(qū)通過單獨的進水口灌水，灌溉水為附近河水，在傍晚進行，除試驗設(shè)計要求外，其他管理與周圍大田一致。供試水稻品種為常優(yōu) 5號，水稻于2014年6月25日移栽，11月3日收獲，3次施肥時間分別是6月24日、7月9日和8月16日，基肥撒施田面后進行耙地使之與表土混合，兩次追肥為撒施。

1.3樣品采集與測定方法

氨揮發(fā)采用密閉室間歇抽氣法測定［18］，密閉室為直徑 20 cm有機玻璃圓筒，頂部留有一通氣孔與2.5 m高的通氣管連通，保證交換空氣氨濃度一致。每次施肥第2天開始測定，每天上午7：00—9：00和下午3：00—5：00分別進行2 h的抽氣，抽氣結(jié)束后將氨吸收液帶回實驗室，用靛酚藍比色法［19］測定吸收液中-N的含量，以這4 h的通量值作為每天氨揮發(fā)的平均通量計算全天的氨揮發(fā)量，以空白處理的氨揮發(fā)量作為背景值，直至施氮處理與對照（即 CK）的氨揮發(fā)通量無差異時停止本次氨揮發(fā)的測定。氨揮發(fā)通量計算公式為：

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

施氮產(chǎn)生氨揮發(fā)酸雨效應(yīng)的邊際環(huán)境損失（M，元/hm2） 計算公式為［20］：

式中：1. 88 為 1 kg 氨揮發(fā)等量二氧化硫（SO2）酸雨效應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Pa 為 1 kg SO2導(dǎo)致的酸雨損失（元/kg），在本文中為 5元/kg；F 為氨揮發(fā)的損失量（kg/hm2）；17/14 為 N 對 NH3的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

同時，從施肥后第2天起，每天早晨定時采集田面水樣品，各小區(qū)取至少5個樣點混合100 ml左右，取樣持續(xù)到田面水中-N濃度降至穩(wěn)定。水樣帶回實驗室過濾，采用靛酚藍比色法測定-N濃度。此外，水稻收獲時，采用單打單收方式對每個小區(qū)計產(chǎn)，計算出不同施肥處理的水稻產(chǎn)量，并在每個小區(qū)選取5株有代表性的植株，分為秸稈和籽粒，烘干后稱重，粉碎后采用凱氏定氮法［19］測定植株中的氮含量，用以下公式計算氮肥利用率［21］：氮肥利用率=（施氮處理水稻吸氮量-空白區(qū)水稻吸氮量）/施氮量。

2　結(jié)果與討論

2.1稻田氨揮發(fā)的動態(tài)變化

2014 年稻季基肥施用后氨揮發(fā)量很低，日揮發(fā)量低于 2 kg/hm2（圖 2），主要是因為基肥采用撒施后翻入表層土的方法，使較多水解形成的被土壤吸附，從而可在一定程度上降低了氨揮發(fā)損失，加之施肥后持續(xù)兩天的中到大雨（圖 1），產(chǎn)生了雨水的稀釋作用從而引起田面水-N 濃度迅速降低（圖 3），最終導(dǎo)致基肥期氨揮發(fā)峰值較低。第一次追肥后各處理均在施肥后第 1 天出現(xiàn)氨揮發(fā)高峰，氨揮發(fā)日通量分別為 4 ～ 6 kg/hm2，氯化銨處理最高，為 5.9 kg/hm2，氯脲胺處理分別比尿素和氯化銨處理減少12.3% 和20.8%，隨后各處理氨揮發(fā)迅速下降，到第 4 天時不同施氮處理的氨揮發(fā)通量降至與對照無異。第二次追肥后各處理氨揮發(fā)高峰較第一次相對較遲，并且氨揮發(fā)通量也明顯小于第一次追肥，主要是因為該時期是水稻營養(yǎng)和生殖生長旺盛期，氮素需求量大，加之施肥后前三天出現(xiàn)降雨降溫天氣（平均氣溫 23）℃，所以氨揮發(fā)通量較低并且持續(xù)約一周左右，因此，施肥后5 ～ 7 天內(nèi)是控制稻田氨揮發(fā)損失的關(guān)鍵時期［22］。

圖2　2014年稻季三次施肥后氨揮發(fā)動態(tài)變化Fig. 2　Patterns of ammonia volatilization following three times of fertilization in 2014 rice season

圖3　2014年稻季田面水-N濃度變化動態(tài)Fig. 3　Dynamic change of-N concentration in the surface water of paddy field in 2014 rice season

表1　稻季氨揮發(fā)量與田面水-N濃度相關(guān)性分析Table 1　Correlation analyses of ammonia emission with-N concentration in the surface water of paddy field

表1　稻季氨揮發(fā)量與田面水-N濃度相關(guān)性分析Table 1　Correlation analyses of ammonia emission with-N concentration in the surface water of paddy field

注：r為相關(guān)系數(shù)，*、**分別表示在P＜0.05、P＜0.01水平顯著相關(guān)。

處理　基肥期　分蘗期　孕穗期相關(guān)方程　r　相關(guān)方程　r　相關(guān)方程　r尿素　y = 0.080x + 0.061　0.659　y = 0.445x - 0.141　0.952**　y = 0.039x + 0.398　0.737*氯化銨　y = 0.130x - 0.326　0.903**　y = 0.232x + 0.032　0.991**　y = 0.017x + 0.53　0.746*氯脲胺　y = 0.079x - 0.053　0.685　y = 0.416x - 0.237　0.936**　y = 0.067x - 0.134　0.907**

2.3不同施肥時期的氨揮發(fā)損失量與損失率

2014年稻季3次施肥后的氨揮發(fā)量見表2。氨揮發(fā)總量為取樣時期內(nèi)氨揮發(fā)通量對時間的累積，各處理氨揮發(fā)總量為19.8 ～ 26.21 kg/hm2，損失率為8.25% ～10.92%，這與以往文獻結(jié)果相比偏低［22， 27］。原因是基肥和孕穗肥施入后以低溫多雨天氣為主。蔡貴信［23］指出，稻田氨揮發(fā)主要決定于天氣狀況。不同品種氮肥氨揮發(fā)總損失量差異顯著，其氨揮發(fā)總損失量高低次序為：氯化銨＞尿素＞氯脲胺。

3種氮肥的氨揮發(fā)動態(tài)變化趨勢相同，但是氨揮發(fā)總量差異明顯。氯化銨處理的各時期氨揮發(fā)量最高，氨揮發(fā)總損失量達26.21 kg/hm2，顯著高于尿素和氯脲胺處理；除基肥期外，氯脲胺處理氨揮發(fā)損失量均低于尿素和氯化銨處理，其中孕穗期氨揮發(fā)顯著低于尿素和氯化銨處理，原因可能是由于氯脲胺處理帶入的氯離子對氮肥轉(zhuǎn)化［11］和脲酶活性有一定抑制作用，從而影響其尿素態(tài)氮轉(zhuǎn)化為-N［28］，導(dǎo)致田面水-N濃度較低（圖2）。馬國瑞等［29］指出，在低丘紅壤上，施氯的處理，其脲酶活性顯著降低，本試驗中烏柵土中的脲酶活性也可能受施入的氯離子影響而降低。雖然氯化銨中也含有相當(dāng)數(shù)量的氯離子，但是其氮素全部以-N形式存在，施入后直接造成田面水-N濃度迅速升高，在高溫、淹水和高pH條件下，極易以氨氣的形式溢出土-水表面［5］。3個時期中，分蘗肥氨揮發(fā)量和損失率最高，占該時期施肥量的17.8% ～ 22.7%，這主要與分蘗肥與基肥間隔時間較短，水稻秧苗較小，導(dǎo)致土-水系統(tǒng)中-N較多有關(guān)，而且分蘗期氣溫較高（平均氣溫為達30）℃，氨揮發(fā)與溫度有顯著的正相關(guān)［27］，并且孕穗期水稻需要的養(yǎng)分較多，吸收速率較快，加之氣溫相對較低，抑制了藻類生長和pH升高，使水面升溫變慢，從而使該時期氨揮發(fā)速率大大減小。

表2　不同種類氮肥在不同施肥時期的氨揮發(fā)損失量（N， kg/hm2）和損失率（%）Table 2　Ammonia volatilization loss in various stages of rice growth for the treatments with different kinds of nitrogen fertilizers applied

2.4不同氮肥處理的水稻產(chǎn)量、氮肥利用率及經(jīng)濟效益

與不施氮肥相比，施用3種氮肥均能夠顯著提高水稻產(chǎn)量，增產(chǎn)率達到19.7% ～ 24.1%（表3）。不同種類氮肥間，氯脲胺處理產(chǎn)量最高，分別比尿素和氯化銨處理增產(chǎn)39 kg/hm2和291 kg/hm2，表明脲胺氮肥對水稻有增產(chǎn)趨勢，并且氯脲胺處理的氮吸收量均處于較高水平，其中秸稈含氮量顯著高于尿素和氯化銨處理。在氮肥利用率上，氯脲胺處理分別比二者提高了10.43% 和10.64%，原因有兩方面：一方面與尿素和氯化銨相比，氯脲胺顯著降低了氨揮發(fā)損失，減少了氮肥損失；另一方面可能與肥料中氯離子有關(guān)，有研究報道，氯離子能抑制土壤氮素的硝化作用［30-31］，使大多數(shù)銨態(tài)氮肥能以的形態(tài)保存在土壤中而被吸收。

表3　不同氮肥處理的產(chǎn)量及氮肥利用率Table 3　Grain yield and nitrogen use efficiency of different fertilization treatments

表4　不同處理的經(jīng)濟效益Table 4　The economic benefits of different fertilization treatments

綜合考慮經(jīng)濟和環(huán)境效益（表4），氯脲胺處理的凈收入分別比尿素和氯化銨處理高 247.6元/hm2和836.4元/hm2。因此，在保證水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，用氯脲胺作氮肥，不僅能解決純堿工業(yè)副產(chǎn)品氯化銨的利用問題，還能顯著減少稻田氨揮發(fā)和提高氮肥利用率，帶來更多的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，可見脲胺氮肥這種新型氮肥值得推廣應(yīng)用。

3　結(jié)論

本研究表明，稻田氨揮發(fā)主要發(fā)生在施肥后5 ～7 天，在施肥量相同的情況下，不同品種氮肥氨揮發(fā)損失差異明顯。氯脲胺在整個稻季中氨揮發(fā)量最低，相較于尿素和氯化銨，氯脲胺施入后可降低施肥后田面水-N濃度，有利于減少氨揮發(fā)損失。氯脲胺對水稻有增產(chǎn)的趨勢，并且其水稻吸氮量和氮肥利用率都顯著高于尿素和氯化銨，所以在保證水稻產(chǎn)量情況下，當(dāng)?shù)厮痉N植選擇氯脲胺代替普通尿素作為氮肥，可提高經(jīng)濟效益，顯著減少氨揮發(fā)損失，提高氮肥利用率。

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Effects of Urea-ammonium Mixed Nitrogen Fertilizer on Ammonia Volatilization and Nitrogen Use Efficiency in Paddy Field of Taihu Lake Region

AO Yuqin1，2， ZHANG Wei1， TIAN Yuhua1， LI Xiao3， GE Renshan3， YIN Bin1*， ZHU Zhaoliang1
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture（Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China； 2 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing100049， China； 3 Jiangsu Huachang Chemical Co.，LTD.， Zhangjiagang， Jiangsu215600， China）

Abstract：A field plot experiment was conducted in Taihu Lake region to investigate the effects of urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer versus an individual form of urea or ammonium chloride on ammonia volatilization （NH3）， rice yield and nitrogen use efficiency （NUE） in rice cropping system. Regardless of types of fertilizers， the flux pulse of NH3volatilization mainly appeared after N fertilizer applications with a duration of 5-7 days， and its value linearly increased with the increasing ammonium concentrations in the surface water of paddy field. Compared to urea or ammonium chloride， urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer significantly reduced the NH3emission by 2.71 and 6.41 kg/hm2， respectively （P＜0.05）. Urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer also led to the greater rice yields and higher economic benefit than single application of urea or ammonium chloride. The NUE of urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer was increased by 10.43% and 10.64% compared with single application of urea and ammonium chloride， respectively. Taking account of NH3emission， yield and NUE， the urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer should be a promising nitrogen for increasing economic benefits and decreasing the environment risk in Taihu lake region.

Key words：Urea-ammonium mixed nitrogen fertilizer； Ammonia volatilization； Rice yield； Nitrogen use efficiency

中圖分類號：S143.1；S511

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.006

基金項目：①國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2013CB127401）和環(huán)保公益性行業(yè)科研專項（201309035）資助。

* 通訊作者（byin@issas.ac.cn）

作者簡介：敖玉琴（1990—） 女，四川成都人，碩士研究生，研究方向為土壤氮素循環(huán)與環(huán)境污染控制技術(shù)。E-mail ： yqao@issas.ac.cn