水基包衣控釋摻混肥料一次性施用對單季稻氮素利用的影響

辛志遠，王昌全*，申亞珍，馬　菲，周健民，杜昌文*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，成都611130；2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，南京210008）

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水基包衣控釋摻混肥料一次性施用對單季稻氮素利用的影響

辛志遠1，王昌全1*，申亞珍2，馬菲2，周健民2，杜昌文2*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，成都611130；2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，南京210008）

摘要：通過田間小區(qū)試驗研究一次性簡化施肥對水稻產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響，為水稻簡化高效施肥提供技術(shù)支撐。以水稻品種南粳46為試驗材料，設(shè)置常規(guī)分次施肥處理和水基包衣控釋摻混肥料（控釋氮占30％）一次性簡化施用處理，在施肥后利用紅外光聲光譜法監(jiān)測農(nóng)田頂空NH3和N2O濃度，并測定植株各部位氮素積累量和不同生育期土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量。結(jié)果表明，與常規(guī)分次施肥相比，一次簡化施肥處理將產(chǎn)量從6 201.9 kg.hm-2提高到6 506.9 kg.hm-2，在觀測期內(nèi)常規(guī)分次施肥處理的土壤頂空NH3和N2O平均濃度為19.14、8.40 μmo1.mo1-1，而一次簡化施肥處理則分別為18.63、7.74 μmo1.mo1-1，氮肥氣態(tài)損失相對減少，同時土壤中殘留的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮有增加的趨勢。因此，常規(guī)分次施肥的農(nóng)學利用率為7.81 kg籽粒.kg-1氮，而一次簡化施肥處理農(nóng)學利用率為9.09 kg籽粒.kg-1氮。綜上，水基包衣控釋摻混肥料可以實現(xiàn)水稻一次性施肥，在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)氮素利用率的提升，為水稻簡化高效施肥提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水基包衣控釋肥料；一次簡化施肥；氮素利用；土壤頂空；氨揮發(fā)；氧化亞氮排放

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水稻是我國的主要糧食作物之一，種植面積約占總耕地面積的25％[1]。氮肥對水稻的高產(chǎn)起著重要的支撐作用[2]，然而氮肥的不合理施用導致作物利用率較低，目前我國當季氮肥利用率為35％～50％[3]，大部分氮素損失到環(huán)境中，導致溫室氣體排放增加以及水體富營養(yǎng)化加劇。因此，提高氮素利用率成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為關(guān)注的問題之一[4-5]。

在水稻生產(chǎn)中，含氮氣體排放（如NH3和N2O）是氮肥損失主要途徑之一，因而受到廣泛關(guān)注[6-7]。NH3揮發(fā)是尿素施入農(nóng)田后的主要損失途徑[8-9]，其損失量高達施氮量的40％～50％[10-11]；N2O排放在氮素損失中也占到較大比例，同時對大氣溫室效應(yīng)也具有較大貢獻，僅次于CH4和CO2[12]。要提高氮素利用率，關(guān)鍵是讓氮肥供應(yīng)與作物需求相匹配，以增加吸收利用，進而減小排放損失。緩控釋肥料為有效提高氮素利用提供了可能途徑[13-15]，通常認為緩控釋肥施用后，肥料養(yǎng)分的供應(yīng)與植物需求基本一致，可防?土壤中有效氮過量的現(xiàn)象，明顯減少施用過程中肥料氮素的損失量[16]。

水基聚合物包衣控釋肥料是近幾年來商品化的控釋肥料品種之一，和國內(nèi)外主流聚合物包膜控釋肥料相比，具有控釋更靈活、環(huán)境更友好和生產(chǎn)成本較低的優(yōu)勢[17-19]。但是，由于水基聚合物包衣控釋肥需?包衣再加工，其價格還是顯著高于常規(guī)速效氮肥，在實際大田生產(chǎn)應(yīng)用中受到限制。通過摻混一定比例的控釋氮肥，一次性簡化施用，速效氮部分保證前期氮的供應(yīng)，而控釋氮部分保證中后期供應(yīng)，不但能與作物需氮相匹配，保證作物產(chǎn)量，同時也能顯著降低肥料成本和施肥成本，具有較明顯的應(yīng)用潛力。

本研究以水基聚合物包衣控釋肥料為原料，通過控釋摻混的方式一次性簡化施用，與常規(guī)分次施用相比較，綜合分析氮素吸收利用、土壤氮素殘留以及含氮氣體排放，研究其對水稻產(chǎn)量及氮素利用的影響，為簡化高效施肥提供技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1供試材料

試驗在中國科學院南京土壤研究所湯泉試驗基地進行。供試水稻土pH6.00，有機質(zhì)為22.26 g.kg-1，全氮1.31 g.kg-1，有效磷15.41 mg.kg-1，速效鉀146.4 mg.kg-1。水稻品種為南粳46。供試常規(guī)肥料為綠聚能復合肥，N、P、K比例為16∶8∶18，江蘇中東集團公司生產(chǎn)提供）；艾薩斯水基聚合物包衣控釋尿素含氮41.8％，控釋期為三個月，靜水25℃溶出，江蘇艾薩斯新型肥料工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)提供，水基包膜材料環(huán)境友好，其養(yǎng)分釋放曲線呈“S”型，養(yǎng)分釋放主要受溫度和水分影響，大顆粒尿素含氮46.4％，魯西化工集團公司生產(chǎn)提供。

1.2試驗設(shè)計

試驗設(shè)三個處理：不施肥對照（T1）、當?shù)亓晳T分次施肥處理（T2）和水基聚合物控釋摻混肥處理（T3）。T2處理N、P、K肥的施用量為N 240 kg.hm-2，P2O560 kg.hm-2，K2O 135 kg.hm-2，以尿素、磷二銨和硫酸鉀形式一次性基施，氮肥分為基肥、分蘗肥、穗肥（比例為5∶2∶3）三次施用；T3處理中N、P、K肥的施用量與T2處理保持一致，但所施氮肥中30％的氮由水基聚合包衣控釋尿素替代，N、P、K一次性基施。每個處理四次重復，每個試驗小區(qū)面積為40 m2（4 m×10 m），種植密度為20 cm×15 cm。各處理的灌溉、施藥等田間管理措施完全一致。水稻于2014年6月19日插秧，11 月18日收獲。

1.3測定指標及方法

1.3.1植株含氮量

植株樣與土壤樣均在每個生育期的后期?集，以避免剛施肥或追肥不久就?樣，不能準確反映肥效。分別在分蘗期（2014年7月10日）、拔節(jié)期（8月1日）、齊穗期（9月25日）和成熟期（11月15日）隨機選擇每個小區(qū)的三穴水稻，分為莖、葉、穗和根放入?樣袋，在烘箱105℃殺青、70℃烘干至恒重后稱量，并用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，凱氏定氮法測定植株全氮。

1.3.2土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮濃度

分別在分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期在每個小區(qū)土壤表層（0～15 cm）取土，用2 mo1.L-1的氯化鉀浸提、然后振蕩1 h并過濾，再用間斷式化學分析儀（SmartChem 200，A11jace，F(xiàn)rance）測定土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量。

1.3.3土壤溫度測量

將水銀溫度計插入稻田土壤5 cm深處，每天14∶00讀數(shù)并記錄。

1.3.4土壤頂空NH3和N2O濃度

測定方法是基于紅外光聲效應(yīng)的土壤頂空NH3和N2O濃度原位檢測。在施肥后（2014年6月18日到7月30日）不下雨的情況下，于每天氣溫最高的14∶00（有利于氣體揮發(fā)）在每個小區(qū)隨機選取4個位點，用注射器抽取水面上空1 cm左右高度處空氣，注入干燥真空的200 mL特氟龍氣體?樣袋密封待測。使用傅里葉變換紅外光譜儀（Njco1et 6700，Thermo Fjsher，USA）和氣體光聲檢測附件（PA101，Gasera，F(xiàn)jn1and）對氣體掃描，并在中紅外波段進行光譜?集。掃描速率為32次、分辨率為4 cm-1、動鏡速率為0.16 cm.s-1，?用小波變換對氣體原始光譜進行平滑處理，利用標準濃度的氣體與峰高建立模型。NH3定量分析的吸收峰位于920～990 cm-1，N2O定量分析的吸收峰位于1220～1340cm-1[20]；NH3測定的檢測限為0.1 mg.L-1，N2O的檢測限為0.02 mg.L-1。

1.3.5氮肥利用率計算

氮肥農(nóng)學利用率=（施氮處理籽粒產(chǎn)量-空白處理籽粒產(chǎn)量）/施氮量

氮肥當季利用率=（施氮處理植株吸氮量-空白處理植株吸氮量）/施氮量×100％[21]

1.4數(shù)據(jù)分析

光譜數(shù)據(jù)使用Mat1ab處理，其他數(shù)據(jù)均使用Exce1 2007計算，使用IBMSPSSstatjstjcs20進行樣本數(shù)據(jù)的差異顯著性統(tǒng)計分析，利用Exce12007作圖。

2　結(jié)果與討論

2.1植株氮素含量

如表1所示，所有處理的植株總氮量在各個時期持續(xù)增加，其中T2與T3處理的各部位氮素累積量在各時期均沒有顯著差異，但不同生育階段氮素累積量高低變化不同。

表1　不同施肥?理下水稻各生育階段氮素累積量（kg.hm-2）Tab1e 1 Njtrogen accumu1atjon jn rjce p1ant at djfferent growth stages（kg.hm-2）

在分蘗期與拔節(jié)期，T3處理葉與莖中氮素累積量均高于T2處理；在齊穗期，由于之前追施穗肥，T2處理莖、葉及穗中氮素累積量高于T3處理；到了成熟期，T2處理葉與莖中氮素累積量高于T3處理，但穗中氮素累積量卻低于T3處理，雖然T2和T3之間沒有顯著差異，但后期T3處理氮素具有更容易轉(zhuǎn)到穗部的趨勢。與T1處理相比，T3處理葉中氮素累積量在分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期分別增加了246％、156％、102％和152％；莖中氮素累積量分別增加了168％、147％、72％和188％；穗中氮素累積量增加了65％和80％（齊穗期與成熟期）；植株總氮素累積量分別增加了219％、153％、90％和112％。與T2處理相比，T3處理葉中氮素累積量在分蘗期和拔節(jié)期分別增加了7.1％和4.9％，但在齊穗期與成熟期分別減少了7.1％和8.9％；莖的氮素累積量在分蘗期和拔節(jié)期分別增加了10.7％、12.8％，但在齊穗期與成熟期分別減少3.2％和7.4％；穗的氮素累積量在齊穗期減少了7.3％，但在成熟期增加了7.8％；植株總氮素累積量與T2處理沒有明顯差別。

2.2水稻氮素農(nóng)學利用率和當季利用率

從表2可以看出，與不施肥處理（T1）相比，T2與T3處理都增加了水稻籽粒的產(chǎn)量。T2處理的莖與葉氮含量高于T3處理，但穗氮含量較低，T2與T3處理的氮肥當季利用率沒有顯著差別，但T3處理的氮肥農(nóng)學利用率明顯高于T2處理。與T1處理相比，T3處理籽粒產(chǎn)量增加了50.4％；與T2處理相比，T3處理籽粒產(chǎn)量增加了4.9％，氮肥當季利用率增加了0.53％，氮肥農(nóng)學利用率增加了16.4％。以上結(jié)果表明，T3處理能保證水稻產(chǎn)量和氮肥利用率穩(wěn)定且有增加趨勢。

表2　不同施肥?理對水稻氮素利用率的影響Tab1e 2 Njtrogen use effjcjencjes jn rjce under djfferent fertj1jzatjon treatments

2.3水稻土壤表層銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量

由于水稻土壤長期處于淹水狀態(tài)，硝化作用被強烈抑制，水稻田氮素形態(tài)以銨態(tài)氮為主[22]。由圖1可以看出，T1處理土壤銨態(tài)氮一直處于較低水平。T2處理在拔節(jié)期處于很低狀態(tài)，齊穗期有一些上升，成熟期又迅速下降。T3處理處于持續(xù)降低狀態(tài)，在齊穗期時降至最低。在分蘗期，水稻對土壤氮素需求量大，T3處理與T2處理均供給了充足的銨態(tài)氮，分別為60.2、45.3 mg.kg-1，促進了水稻的分蘗；在拔節(jié)期，T3處理土壤銨態(tài)氮含量降至22.2 mg.kg-1，而T2處理已?降至12.2 mg.kg-1，接近T1處理；在齊穗期，由于T3處理是一次性施肥，且有70％是速效氮，土壤銨態(tài)氮已?接近T1處理，而T2處理由于穗肥施用，銨態(tài)氮含量有小幅度上升，達到21.6 mg.kg-1；到了成熟期，T2處理的土壤銨態(tài)氮含量也與T1基本一致。

圖1　不同生育時期土壤銨態(tài)氮含量Fjgure 1 Soj1 ammonjum njtrogen content at djfferent growth stage

由圖2可以看出，T1、T2與T3處理在各生育期的土壤硝態(tài)氮含量基本一致。在分蘗期與拔節(jié)期，由于水稻田淹水，硝化作用被強烈抑制，各處理的土壤硝態(tài)氮含量均十分低。到了齊穗期與成熟期，稻田排水，土壤通氣，硝化細菌活躍，土壤硝態(tài)氮含量有所上升，但其總量明顯低于銨態(tài)氮。

水稻土壤供給的氮以銨態(tài)氮為主，T3處理在分蘗期與拔節(jié)期供氮量高于T2處理，但到齊穗期時，氮素釋放很少，低于追施穗肥的T2處理。因為在前期T3處理已?積累了足夠的氮素，所以在成熟期T3處理的氮素積累不低于T2處理，甚至籽粒含氮量高于T2處理。

圖2　不同生育時期土壤硝態(tài)氮含量Fjgure 2 Soj1 njtrate njtrogen content at djfferent growth stage

2.4土壤頂空NH3濃度

土壤頂空NH3濃度與NH3揮發(fā)密切相關(guān)。從圖3可以看出，T2與T3處理均在施肥后第2 d出現(xiàn)NH3揮發(fā)峰值，分別為53.7、66.7 μmo1.mo1-1。第二次出現(xiàn)NH3揮發(fā)峰是在施肥后第14 d（T2處理追肥后的第2 d），T2處理出現(xiàn)36.78 μmo1.mo1-1的峰值。兩次NH3揮發(fā)峰均出現(xiàn)在施肥后的第2 d，并在6 d內(nèi)逐漸降低，趨于平穩(wěn)。從圖3可以看出土壤溫度變化與T1的NH3揮發(fā)濃度變化趨勢是一致的，但對施肥處理影響不明顯。

T3處理是一次性施肥，且控釋氮肥只占30％，因此第一次NH3揮發(fā)峰值高于T2處理。T2處理追肥后，出現(xiàn)明顯NH3揮發(fā)峰，但是同時段內(nèi)的T3處理頂空NH3濃度明顯降低，即追肥增加了NH3排放。在歷時42 d的監(jiān)測期內(nèi)，T2處理NH3揮發(fā)平均濃度為19.14 μmo1.mo1-1，T3處理NH3揮發(fā)平均濃度為18.63 μmo1.mo1-1，總體上T3處理的NH3揮發(fā)損失小于T2處理。

2.5土壤頂空N2O濃度

土壤頂空N2O濃度也與N2O排放密切相關(guān)。從圖4可以看出，N2O動態(tài)與NH3明顯不同，N2O峰明顯滯后，且T2分別在施肥后的第5、15 d（T2處理追肥后的第3 d）和第30 d出現(xiàn)三個峰值，前兩個峰較小，第三個峰值較大，其濃度分別為29.01、25.09、63.56 μmo1.mo1-1。T3處理在第5 d和第30 d分別出現(xiàn)一個小峰值和一個大峰值，濃度分別為24.10、69.58 μmo1.mo1-1。兩個處理的N2O小排放峰與施肥有關(guān)，而在第30 d之所以出現(xiàn)較大排放峰，是因為施肥后第29～31 d進行了排水曬田。在監(jiān)測期內(nèi)，T2處理N2O揮發(fā)平均濃度為8.40 μmo1.mo1-1，T3處理N2O揮發(fā)平均濃度為7.74 μmo1.mo1-1。由此可以看出，N2O排放除了與施肥有關(guān)外，還與干濕交替有關(guān)，且在排水曬田期出現(xiàn)峰值，而在淹水件下N2O排放較少。

圖3　不同施肥的?理對土壤頂空NH3濃度的影響Fjgure 3 Effects of djfferent fertj1jzatjon on NH3concentratjons jn soj1 headspace

圖4　不同施肥?理對土壤頂空N2O濃度的影響Fjgure 4 Effects of djfferent fertj1jzatjon on N2O concentratjons jn soj1 headspace

土壤中N2O的產(chǎn)生主要源于土壤中微生物參與的硝化和反硝化反應(yīng)，而硝化及反硝化細菌的活性受制于水、氣、熱等件。土壤含水量很低或長期持續(xù)淹水都不利于硝化及反硝化細菌的生長，對稻田土壤來說，土壤水分含量始終處于很高的狀態(tài)，這時土壤通氣性就有可能成為微生物活性最重要的制約因素。土壤由于持續(xù)淹水而處于缺氧和強還原狀態(tài)，N2O的產(chǎn)生以反硝化作用為主，但這時反硝化作用產(chǎn)生的N2O可以被N2O還原酶還原為N2，而且加上水層對N2O向大氣擴散過程的阻隔及對N2O的少量溶解，導致淹水期間稻田向大氣排放的N2O量很少[23]。排水曬田期間，土壤的干濕交替使硝化作用和反硝化作用交替成為N2O的主要產(chǎn)生來源，同時，土壤的干濕交替還能抑制反硝化過程中的深度還原，使N2O的產(chǎn)生量增加[24-25]。

與傳統(tǒng)常用的罩式檢測方法相比[20]，土壤頂空的監(jiān)測方法具有明顯的優(yōu)點：首?，從田間收集的氣體不需要添加?何化學試劑，可直接進行光譜掃描，減少了化學實驗帶來的誤差；其次，實驗過程簡便，直接進行光譜掃描，不需要繁瑣的化學實驗；其三，罩式方法?變了罩內(nèi)的溫度、濕度及空氣流動等，所得結(jié)果可能不同程度地偏離實際情況，而土壤頂空監(jiān)測方法是原位分析方法，能更好地反映真實情況。本次氣體監(jiān)測試驗在每天14∶00進行，濃度的測定雖然能在一定程度上反映土壤中相關(guān)氣體的排放狀況，但無法準確反映不同氣體的排放速率，故在進一步的試驗中應(yīng)當增加每天氣體濃度的觀測次數(shù)和觀測位置，并考慮環(huán)境因子，進行排放模型構(gòu)建，以計算不同氣體的排放通量。

3　結(jié)論

（1）分次施肥處理的氮素當季利用率與一次簡化施肥處理沒有顯著差異，但簡化施肥處理的氮素農(nóng)學利用率較高，其氮肥效率優(yōu)于分次施肥處理。

（2）在觀測期內(nèi)T2處理的土壤頂空NH3和N2O平均濃度分別為19.14、8.40 μmo1.mo1-1，而T3處理的土壤頂空NH3和N2O平均濃度分別為18.63、7.74 μmo1.mo1-1。水稻田頂空NH3濃度平衡值約為15 μmo1.mo1-1，施氮肥會導致其排放量迅速增加；而水稻田頂空N2O濃度平衡值約為3 μmo1.mo1-1，干濕交替可導致其排放量迅速增加。

（3）常規(guī)肥料摻混水基包衣控釋肥料一次性施用，既減少了施肥成本，保證或提高了水稻產(chǎn)量，同時能一定程度上提高水稻氮素利用率，故在簡化高效施肥中具有較強的應(yīng)用潛力。

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Effect of single application of water-borne polymer coated controlled-release blend fertilizer on nitrogen utilization in rice

XIN Zhj-yuan1，WANG Chang-quan1*，SHEN Ya-zhen2，MA Fej2，ZHOU Jjan-mjn2，DU Chang-wen2*
（1.Co11ege of Resource and Envjronment，Sjchuan Agrjcu1tura1 Unjversjty，Chengdu 611130，Chjna；2.The State Key Laboratory of Soj1 and Sustajnab1e Agrjcu1ture，Instjtute of Soj1 Scjence，Chjnese Academy of Scjences，Nanjjng 210008，Chjna）

Abstract：A fje1d experjment was conducted to study the effects of one-tjme fertj1jzatjon of water-borne po1ymer coated contro11ed re1ease b1end fertj1jzer on rjce growth，rjce yje1d，p1ant njtrogen absorptjon，soj1 njtrogen dynamjcs and njtrogen-contajnjng gas emjssjons（NH3and N2O）. Rjce cu1tjvar used was Nanjjng 46. Three treatments were no fertj1jzatjon，conventjona1 fertj1jzatjon，and one-tjme fertj1jzatjon of water-borne po1ymer coated contro11ed re1ease b1end fertj1jzer（contro11ed re1ease njtrogen accounted for 30％）. One-tjme fertj1jzatjon treatment jncreased rjce yje1d to 6 506.9 kg.hm-2from 6 201.9 kg.hm-2jn the conventjona1 fertj1jzatjon，but s1jght1y reduced NH3and N2O average concentratjons jn soj1 headspace to 18.63 μmo1.mo1-1and 7.74 μmo1.mo1-1from 19.14 μmo1.mo1-1and 8.40 μmo1.mo1-1jn the conventjona1 fertj1jzatjon，respectjve1y. The resjdua1 njtrate njtrogen and ammonjum njtrogen jn soj1 showed an jncrease tendency jn the one-tjme fertj1jzatjon. The agronomjc effjcjency of njtrogen was 7.81 kg grajn.kg-1N for the conventjona1 fertj1jzatjon，whj1e jt was 9.09 kg grajn. kg-1N for the one-tjme fertj1jzatjon. Therefore，the one-tjme fertj1jzatjon showed more stab1e njtrogen supp1y，and a1so jmproved njtrogen utj1jzatjon effjcjency.

Keywords：water-borne po1ymer coated contro11ed re1ease b1end fertj1jzer；one-tjme fertj1jzatjon；njtrogen utj1jzatjon；soj1 headspace；ammonja vo1atj1jzatjon；njtrous oxjde emjssjon

*通信作者：王昌全E-maj1：w.changquan@163.com；杜昌文E-maj1：chwdu@jssas.ac.cn

作者簡介：辛志遠（1992—），男，四川人，碩士研究生，主要從事控釋肥料應(yīng)用與示范研究。E-maj1：295046116@qq.com

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303103）；國家“973”項目（2015CB150403）；四川省科技支撐計劃（2012JZ0003）

收稿日期：2015-07-22

中圖分類號：S158.2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）01-0109-06doj：10.11654/jaes.2016.01.015