生化抑制劑組合與施肥模式對(duì)黃泥田稻季氨揮發(fā)的影響

周 旋 ，吳良?xì)g ，戴 鋒 ，董春華

（1.教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；2.浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；3.湖南省土壤肥料研究所，長(zhǎng)沙 410125；4.浙江奧復(fù)托化工有限公司，浙江 上虞 312300）

氨（NH3）揮發(fā)是稻田氮（N）肥損失的主要途徑之一，占施N量的10%～60%[1－2]。根據(jù)土壤和氣候因素的不同，尿素施入稻田后2～10 d內(nèi)完全水解[3]，釋放大量的銨態(tài)氮（），導(dǎo)致田面水pH值迅速上升，造成嚴(yán)重的NH3揮發(fā)損失；而NH3通過大氣干濕沉降進(jìn)入地表水體，加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化[4－5]。因此，如何有效減少稻田N素?fù)p失、提高N肥利用率對(duì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益意義重大[6－7]。

硝化抑制劑應(yīng)用于稻田與N肥配施，可以有效減少稻田氧化亞氮排放[11]，降低N素徑流與淋溶損失量[12]，從而提高N素利用率，增加水稻產(chǎn)量。與旱地土壤不同，水稻土表層多處于淹水狀態(tài)，施入N肥轉(zhuǎn)化為保留在田面水中，添加硝化抑制劑會(huì)增加田面水濃度，導(dǎo)致更多（約 20%）NH3揮發(fā)損失[13]。Sun等[14]通過田間微區(qū)15N標(biāo)記試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同施N水平下施用硝化抑制劑2－氯－6－（三氯甲基）吡啶（CP）會(huì)增加54.7%～110.6%NH3揮發(fā)排放。張文學(xué)等[15]研究發(fā)現(xiàn)，硝化抑制劑3，4－二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）前期對(duì)NH3揮發(fā)有一定促進(jìn)作用，而添加采用脲酶抑制劑是一項(xiàng)有效降低稻田NH3揮發(fā)損失的技術(shù)措施。N－丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前商品化的土壤脲酶抑制劑之一[3]，其減緩尿素水解的作用明顯，可以延長(zhǎng)施肥點(diǎn)尿素的擴(kuò)散，降低土壤溶液中NH+濃度，抑制NH3揮發(fā)損失，從而使養(yǎng)分盡快被作物吸收[8]。彭玉凈等[9]研究發(fā)現(xiàn)，施用NBPT的稻田NH3揮發(fā)損失（率）從73.3 kg·hm－2（24.4%）下降至34.5 kg·hm－2（11.5%），降幅53%。此外，脲酶抑制劑的效用受到土壤類型、pH和水分狀況等土壤理化性質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)及尿素濃度等因素的影響[10]。NBPT可降低累積NH3揮發(fā)損失量21.7%，NBPT+DMPP配施則可使其降低13.6%。

黃泥田是廣泛分布于南方省份的一種典型滲育型水稻土[16]，通常水分供應(yīng)不足，磷（P）、鉀（K）養(yǎng)分缺乏，屬于中低產(chǎn)水稻田[17]。前期研究發(fā)現(xiàn)，尿素添加CP施用能促進(jìn)早、晚稻生長(zhǎng)，增產(chǎn)增收，提高N肥利用率，且早稻增產(chǎn)效果較晚稻好[18]，推測(cè)與晚稻生育期間的NH3揮發(fā)損失較高有關(guān)。目前，在黃泥田地區(qū)關(guān)于生化抑制劑組合配施的應(yīng)用較少[10]，而結(jié)合施肥模式的NH3揮發(fā)排放研究更是鮮有報(bào)道。浙江奧復(fù)托化工公司經(jīng)多次篩選發(fā)現(xiàn)一款有良好應(yīng)用前景的脲酶抑制劑——N－丙基硫代磷酰三胺（NPPT），具有一定的抑制作用[19]。此外，影響NH3揮發(fā)損失的因素主要有氣候條件（溫度、濕度、光照及風(fēng)速等）、土壤性質(zhì)、化肥品種和施用方式以及種植制度等[20]。因此，開展脲酶抑制劑（NBPT/NPPT）和硝化抑制劑（CP）配施結(jié)合不同施肥模式，對(duì)黃泥田稻季NH3揮發(fā)速率和損失累積量影響及NH3揮發(fā)相關(guān)影響因素的研究，為減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中N素?fù)p失、提高N肥利用率及稻田緩釋N肥的研制提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年5—10月在浙江省金華市婺城區(qū)瑯琊鎮(zhèn)金朱村（29°01′19″N，119°27′96″E）進(jìn)行。該區(qū)地處金衢盆地東緣，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，海拔86 m，年均降雨量1424 mm，年均氣溫17.5℃。供試土壤為黃泥田水稻土，前茬為冬閑田。耕層土壤基本理化性狀：pH（H2O）5.31（土∶水=1∶1），有機(jī)質(zhì)25.60 g·kg－1，全 N 1.87 g·kg-1，堿解 N 118.40 mg·kg-1，有效磷 7.21 mg·kg-1，速效鉀 93.00 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試水稻品種為雜交秈稻“兩優(yōu)培九”。供試肥料品種N肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。脲酶抑制劑NBPT、NPPT和硝化抑制劑CP（24%乳油劑型）為分析純，由浙江奧復(fù)托化工有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用生化抑制劑組合×施N模式兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置2種施N模式（一次性和分次施肥）和6種生化抑制劑組合及不施N處理（CK），共13個(gè)處理。N肥施用模式如表1所示，與抑制劑配施前將二者混合均勻。磷（P2O5）、鉀（K2O）用量分別為90 kg·hm-2和 120 kg·hm-2。磷肥和鉀肥全部用作基肥于移栽前一次性施入。栽插密度為19.8 cm×19.8 cm，25萬穴·hm-2，每穴2苗。單季稻于2015年5月28日播種，6月21日移栽，10月14日收獲。小區(qū)面積30 m2（5 m×6 m），重復(fù)3次。每小區(qū)之間筑埂并用塑料薄膜包裹，區(qū)組間設(shè)排灌溝，單灌單排。田間其他管理按常規(guī)進(jìn)行。

1.4 采樣與測(cè)定方法

NH3揮發(fā)測(cè)定采用密閉室通氣法[20-21]，密閉室為透明的有機(jī)玻璃制作（直徑20 cm、高15 cm），揮發(fā)NH3吸收液采用 0.01 mol·L-1稀硫酸，于施肥后 1、3、6、9、12 d抽氣結(jié)束后將吸收液帶回實(shí)驗(yàn)室，采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定揮發(fā)量。每日8：00—10：00和15：00—17：00分別進(jìn)行抽氣，以這段時(shí)間的通量值作為每日NH3揮發(fā)平均通量計(jì)算全日的NH3揮發(fā)量。施肥后定期測(cè)定田面水pH，用注射器選5點(diǎn)混合采集田面水樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室后過濾，采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定NH+4-N濃度。

土壤溫度與相對(duì)含水率采用土壤溫濕度速測(cè)儀（YE48YM-19，北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置記錄間隔為2 h，埋深為15 cm，其中土壤相對(duì)含水率是指土壤含水量占田間持水量的比例（%）。氣溫?cái)?shù)據(jù)由浙江省金華市氣象局婺城區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 17.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田氣溫、土溫和土壤相對(duì)濕度

由圖1A和圖1B可知，單季稻生長(zhǎng)期氣溫和土溫總體呈下降趨勢(shì)，氣溫前期波動(dòng)較大，土溫變化幅度較??；整個(gè)生育期平均氣溫和土溫分別為26.2℃和25.6℃，變化幅度分別為15.0℃和13.0℃。水稻生長(zhǎng)前期水層較厚，中間曬田，后期落干，干濕交替較為頻繁（圖1B）。

表1 氮肥施用方式Table1 N application methods

2.2 NH3揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 NH3揮發(fā)速率

圖1 稻季生育期氣溫、土溫和土壤相對(duì)濕度的動(dòng)態(tài)變化Figure1 Dynamics of air temperature，soil temperature and soil relative moisture during the experimental period of rice season

圖2 不同處理下黃泥田稻季NH3揮發(fā)速率的動(dòng)態(tài)變化Figure2 Dynamics of NH3volatilization rate during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

由圖2可知，施肥后2周內(nèi)NH3揮發(fā)速率于第3 d達(dá)到峰值后逐漸下降，之后各處理NH3揮發(fā)速率差異不大?；适┯煤蟮? d峰值大小表現(xiàn)為U+CP＞U+NPPT+CP＞U＞U+NBPT+CP＞U+NBPT＞U+NPPT＞CK（一次性施肥）；U3＞U3+CP＞U3+NPPT+CP＞U3+NBPT+CP＞U3+NBPT＞U3+NPPT＞CK（分次施肥），說明添加 CP會(huì)提高稻田NH3揮發(fā)速率峰值，而NBPT/NPPT或配施CP明顯延緩尿素水解，降低NH3揮發(fā)速率峰值。分次施肥中，基肥施用后NH3揮發(fā)峰值明顯較一次性施肥低；分蘗肥和穗肥施用后NH3揮發(fā)迅速達(dá)到峰值，之后逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

2.2.2 NH3揮發(fā)總量

由表2可知，整個(gè)水稻生育期一次性施肥的NH3揮發(fā)凈損失量為 18.3～55.7 kg N·hm－2，占 N 肥施用量的 10.2%～31.0%；分次施肥為 15.6～41.2 kg N·hm－2，占N肥施用量的8.7%～22.9%?；势谑荖H3揮發(fā)損失的主要時(shí)期，占總揮發(fā)量的68.8%～86.9%（一次性施肥）和51.7%～61.8%（分次施肥）；穗肥期NH3揮發(fā)損失量最小。

不同施肥模式下，施N處理稻田NH3總揮發(fā)損失量均顯著高于CK處理。生化抑制劑組合和施肥模式分別對(duì)NH3總揮發(fā)損失量效應(yīng)極顯著（P＜0.001），兩者交互效應(yīng)不顯著（P＞0.05）（表 2）。U3處理 NH3總揮發(fā)損失量和凈損失率較U處理降低11.5 kg N·hm－2和24.6%。一次性施用中，各施N處理較CK處理NH3總揮發(fā)損失量增加 18.3～55.7 kg N·hm－2。與 U處理相比，U+NBPT、U+NPPT、U+NBPT+CP 和 U+NPPT+CP處理NH3揮發(fā)凈損失率分別降低46.9%、60.9%、20.2%和35.0%，而U+CP處理增加18.9%。分次施用中，各施N處理較CK處理NH3總揮發(fā)損失量增加 15.6～41.2 kg N·hm－2。與 U3處理相比，U3+NBPT、U3+NPPT、U3+NBPT+CP 和 U3+NPPT+CP 處理NH3揮發(fā)凈損失率分別降低55.9%、53.0%、19.1%和32.5%，而U3+CP處理增加16.6%。說明尿素配施NBPT/NPPT能有效延緩尿素水解，降低NH3揮發(fā)損失，而單獨(dú)添加CP抑制硝化作用，會(huì)增加NH3揮發(fā)損失，加劇N素流失風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同處理下黃泥田稻季各施肥期NH3揮發(fā)損失量與凈損失率Table2 NH3volatilization loss and net loss ratio at various fertilization stages during rice growing season from yellow clayey paddy field under different treatments

2.3 田面水濃度動(dòng)態(tài)變化

表3 NH3揮發(fā)速率與其影響因子的相關(guān)系數(shù)Table3 Correlation coefficients between NH3volatilization rate and influencing factors

2.4 田面水pH動(dòng)態(tài)變化

由圖4可知，施N處理田面水pH值整體呈先升后降的趨勢(shì)，在1～3 d內(nèi)迅速達(dá)到峰值，且pH值均大于7；pH值變幅分別為6.5～8.3（一次性施肥）和5.6～8.1（分次施肥）?；适┯煤髉H值第3 d的大小順序表現(xiàn)為 U＞U+CP＞U+NPPT＞U+NBPT＞U+NBPT+CP＞U+NPPT+CP（一次性施肥）；U3+CP＞U3+NBPT+CP＞U3＞U3+NPPT＞U3+NBPT＞U3+NPPT+CP（分次施肥）。說明稻田尿素水解過程使pH值增加，添加NBPT/NPPT可以通過抑制尿素水解來減弱pH的升高，有利于降低NH3揮發(fā)損失。

2.5 NH3揮發(fā)速率與其影響因子的相關(guān)性分析

由表3可知，各施肥處理NH3揮發(fā)速率與同期田面水 pH 值（r一次性=0.529～0.687*；r分次=0.413～0.646*）及濃度（r一次性=0.599*～0.908**；r分次=0.613*～0.823**）均呈顯著正相關(guān)，而與氣溫（r一次性=－0.034～0.168；r分次=－0.243～0.060）、土溫（r一次性=0.302～0.458；r分次=－0.107～0.080）及土壤相對(duì)濕度（r一次性=0.073～0.257；r分次=0.209～0.428）的相關(guān)性不顯著。施肥后 3 d內(nèi)，田面水pH值及濃度迅速增加，稻田NH3揮發(fā)速率隨之劇增，而氣溫、土溫趨勢(shì)與NH3揮發(fā)速率并未表現(xiàn)出一致性。在稻田施入尿素2周內(nèi)，田面水pH值隨著含量下降而降低。說明田面水N濃度和pH值是影響稻田NH3揮發(fā)損失的主要因素。

3 討論

3.1 施肥模式對(duì)稻田NH3揮發(fā)的影響

圖3 不同處理下黃泥田稻季田面水濃度的動(dòng)態(tài)變化Figure3 Dynamics of concentration in surface water during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

圖4 不同處理下黃泥田稻季田面水pH的動(dòng)態(tài)變化Figure4 Dynamics of pH in surface water during rice growing season from yellow clayey field under different treatments

關(guān)于稻田NH3揮發(fā)主要時(shí)期的報(bào)道結(jié)論不一。鄧美華等[22]研究發(fā)現(xiàn)，稻田施肥后NH3揮發(fā)持續(xù)時(shí)間短，主要發(fā)生在施肥后1周以內(nèi)；基肥階段是NH3揮發(fā)的主要時(shí)期，約占揮發(fā)損失N的50%。而曹金留等[23]研究發(fā)現(xiàn)，稻田基肥期N素?fù)p失比例最小，分蘗肥期比例最大。葉世超等[24]研究發(fā)現(xiàn)，NH3揮發(fā)損失量為分蘗肥期＞倒4葉穗肥期＞基肥期＞倒2葉穗肥期。本研究中，一次性施肥稻田NH3揮發(fā)主要發(fā)生在基肥期；分次施肥主要發(fā)生在基肥期和分蘗肥期，穗肥期最低。其原因可能是基蘗肥施N量大，水稻秧苗較小、需N量少、吸N能力弱；而穗肥施用時(shí)，植株生長(zhǎng)旺盛，養(yǎng)分需求量大，田間郁閉度較高，冠層覆蓋對(duì)藻類光合作用引起pH上升有抑制作用，導(dǎo)致穗肥期NH3損失遠(yuǎn)低于基蘗肥期[23，25]。

夏文建等[26]研究發(fā)現(xiàn)，稻季NH3揮發(fā)損失量（率）為32.5～62.8 kg N·hm－2（8.2%～19.4%），NH3揮發(fā)峰值發(fā)生在施肥后2～3 d，持續(xù)5～7 d。張惠等[27]研究發(fā)現(xiàn)，稻田NH3揮發(fā)量（率）為27.6～94.1 kg N·hm－2（16.4%～22.2%）；不同施肥階段NH3揮發(fā)持續(xù)時(shí)間為10 d左右，最大峰值均在施肥后2～3 d，分蘗肥期損失量（率）最大（27.1%～37.0%）。Sun等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同處理15N 標(biāo)記尿素 NH3揮發(fā)累積量為15.1～56.8 kg N·hm－2，占當(dāng)季投入量8.4%～23.7%。本研究結(jié)果表明，黃泥田稻季NH3揮發(fā)損失主要集中于施肥后1周，峰值發(fā)生在施肥后第1～3 d。U3處理NH3總揮發(fā)損失量和凈損失率較U處理降低11.5 kg N·hm－2和24.6%，可能與基肥期N肥施用量有關(guān)。不同施肥時(shí)期NH3揮發(fā)損失量大小表現(xiàn)為基肥期＞分蘗肥期＞穗肥期。其中，基肥期NH3揮發(fā)損失量占整個(gè)水稻生育期的68.4%～86.9%（一次性施肥） 和 51.7%～61.8%（分次施肥），可能是由于施肥初期溫度迅速升高達(dá)30℃，加劇基肥期NH3的揮發(fā)，隨后溫度突然下降又上升，影響分蘗肥期的排放。

3.2 抑制劑組合對(duì)稻田NH3揮發(fā)的影響

相關(guān)研究表明，脲酶抑制劑在淹水稻田施用后，可以有效降低NH3揮發(fā)速率、減少累積NH3揮發(fā)損失量[29－30]。Phongpan 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，NBPT 在堿性土壤、通氣性較好的條件下對(duì)NH3損失抑制較好。彭玉凈等[9]研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈還田中添加NBPT可以延緩尿素水解，顯著降低NH3損失。本研究中，NBPT在偏酸性的黃泥田土壤中施用效果與以上研究結(jié)果一致，可以有效減少N素?fù)]發(fā)損失。陳利軍等[32]研究發(fā)現(xiàn)，氫醌（HQ）和雙氰胺（DCD）配合使用不僅延緩?fù)寥乐心蛩厮?，而且使其水解后釋放出的在土壤中更多和更長(zhǎng)時(shí)間的保持。孫祥鑫等[33]研究發(fā)現(xiàn)，1%DMPP處理NH3揮發(fā)顯著增加25.8%，而0.5%NBPT+1%DMPP和0.5%NBPT處理分別減排NH371.9%和43.2%。本研究中，添加NBPT/NPPT或配施CP可以明顯延緩尿素水解，推遲田面水峰值出現(xiàn)的時(shí)間，并減小峰值，降低田面水NH3揮發(fā)速率和損失量，減少NH3揮發(fā)損失，與以上研究結(jié)果一致。因此，兩者配合施用在黃泥田中對(duì)NH3揮發(fā)具有協(xié)同抑制效果，有利于緩解單獨(dú)添加CP造成的損失。

3.3 環(huán)境因子對(duì)稻田NH3揮發(fā)的影響

尿素施入土壤后，水解產(chǎn)物碳銨導(dǎo)致土壤pH升高，在遇到風(fēng)速較大、土壤濕潤(rùn)、作物覆蓋率較低、溫度較高等條件時(shí)易引起NH3揮發(fā)損失[29]。相關(guān)研究表明，稻田NH3揮發(fā)量與田面水中濃度呈正相關(guān)[27，34－36]。張惠等[27]研究表明，溫度、光照、pH 值是黃河上游灌區(qū)NH3揮發(fā)的主要影響因素。葉世超等[24]研究發(fā)現(xiàn)，施N后NH3揮發(fā)峰值和田面水峰值同步出現(xiàn)，且分蘗肥期最大。張文學(xué)等[15]研究表明，地表水中濃度和pH值與NH3揮發(fā)速率均達(dá)極顯著正相關(guān)，而氣溫、地溫和水溫與NH3揮發(fā)速率相關(guān)性不顯著。本研究結(jié)果表明，在影響NH3揮發(fā)速率的環(huán)境因子中，田面水pH值和濃度與NH3揮發(fā)速率呈顯著正相關(guān)，與李菊梅等[37]、張文學(xué)等[15]研究結(jié)果一致。因此，降低田面水濃度與pH值是減少黃泥田稻季NH3揮發(fā)的重要措施，而添加脲酶抑制劑NBPT/NPPT是緩解尿素類肥料N素?fù)p失的重要解決途徑。

4 結(jié)論

NBPT是減少稻季NH3揮發(fā)損失、促進(jìn)黃泥田保N的一項(xiàng)有效措施。新型脲酶抑制劑NPPT單獨(dú)施用及與CP配施的稻田NH3揮發(fā)動(dòng)態(tài)變化與NBPT相似。單獨(dú)添加硝化抑制劑CP有加劇黃泥田稻季N肥NH3揮發(fā)損失的風(fēng)險(xiǎn)，而CP配施NBPT/NPPT可以有效降低稻田NH3揮發(fā)損失，利于作物吸收。基于作物N素吸收階段，增加追肥比例和施肥次數(shù)的優(yōu)化施N，可以有效減少肥料N的NH3揮發(fā)損失。然而選擇何種方式減少NH3揮發(fā)損失，還要綜合考慮機(jī)械化水平、勞動(dòng)力、N肥市場(chǎng)及價(jià)格等因素。

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