控釋氮肥和氮磷減量對水稻產(chǎn)量及田面水氮磷流失的影響

石敦杰， 楊 蘭，2， 榮湘民，2， 謝 勇， 唐 麗， 田 昌，2， 謝桂先，2， 宋海星，2， 張玉平，2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410128； 2.土壤肥料資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)田污染控制與農(nóng)業(yè)資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/植物營養(yǎng)湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410128)

水稻是我國重要的糧食作物，總產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的40%[1-2]。大量施用氮磷肥是獲得水稻高產(chǎn)的重要措施之一[3-4]。我國耕地面積只有世界耕地總面積的7%左右，但化肥施用量卻超過了世界化肥施用總量的25%[5-6]。近些年來，我國氮磷肥施用量還在持續(xù)增加，但肥料的增產(chǎn)效應(yīng)卻呈遞減趨勢[7]。增產(chǎn)效應(yīng)遞減，作物相對吸收的比例更少，會有更多的養(yǎng)分通過徑流、滲漏等方式損失至江河湖泊，引起水體富營養(yǎng)化。農(nóng)田氮磷徑流損失是造成流域水體氮、磷富營養(yǎng)化的主要原因之一，農(nóng)業(yè)高投入、低利用率的傳統(tǒng)型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式造成的資源浪費(fèi)及其引起的農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)得到了人們的廣泛關(guān)注。農(nóng)田提高水稻產(chǎn)量及減少水污染的研究主要集中在肥料用量、施用方法、施用時(shí)間和灌溉管理等方面[8]。由于普通氮肥的速溶性和降雨的不可控制性，控制肥料的徑流和淋溶仍然很困難?？蒯尩逝c普通氮肥相比，它可以通過控制氮素釋放來協(xié)調(diào)作物養(yǎng)分的供給，既減少氮素?fù)p失，又可提高氮肥利用率[9]。磷是水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化的限制因素，如果磷素未達(dá)到一定含量，僅有氮、碳等元素不會引起水體富營養(yǎng)化[10]。毛里湖是湖南省內(nèi)僅次于洞庭湖的第二大淡水湖，農(nóng)村面源污染是影響其水質(zhì)污染的主要原因之一。近年來，關(guān)于控釋氮肥及磷肥減量施用對雙季稻產(chǎn)量和氮磷利用率的研究較多，大多集中在對水稻或土壤污染的研究上，但針對毛里湖地區(qū)中稻的田面水污染研究較少。

本研究設(shè)置控釋氮肥和氮磷減量處理，探討其對中稻產(chǎn)量及田面水氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)的影響，為毛里湖中稻合理施肥、控制面源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為河潮土發(fā)育的河潮泥，該土壤8項(xiàng)基本指標(biāo)如下：有機(jī)質(zhì)含量為26.87 g/kg，總氮含量為1.78 g/kg，全磷含量為0.60 g/kg，全鉀含量為26.74 g/kg，堿解氮含量為 84.08 mg/kg，有效磷含量為12.74 mg/kg，速效鉀含量為217.72 mg/kg，pH值為6.74。

供試中稻品種為c兩優(yōu)198。供試氮肥為普通尿素(含氮46%)、控釋氮肥(含氮 42%)、樹脂包膜尿素，其中控釋氮肥由金正大生態(tài)股份有限公司生產(chǎn)；磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)；鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年5—9月在湖南省常德市津市市毛里湖地區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)置3個處理，分別為常規(guī)施肥處理(T1處理，N、P2O5、K2O施用量分別為180、40、120 kg/hm2)、控釋氮肥減氮20%處理(T2處理，N、P2O5、K2O施用量分別為144、40、120 kg/hm2)、控釋氮肥和過磷酸鈣各減量20%處理(T3處理，N、P2O5、K2O施用量分別為144、32、120 kg/hm2)，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)共9個小區(qū)，小區(qū)面積30 m2(4.0 m×7.5 m)，小區(qū)用田埂隔開，田埂用塑料薄膜包覆，防止水、肥互滲。所有處理氮、鉀肥60%作基肥(土層混施)，40%作分蘗肥(表層撒施)；磷肥作基肥(土層混施)一次性施用，水稻于5月31日施基肥并移栽，6月10日施追肥，9月20日收割。大田管理方式同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)管理。

1.3 樣品采集和分析

施基肥后1、2、3、5、7、9 d和追肥后1、2、3、5、7、9、11、13、15、17 d取田面水，采樣均在08：00—10：00進(jìn)行。采樣時(shí)用100 mL醫(yī)用注射器，不擾動水層，按照對角線取樣法，每小區(qū)取5個點(diǎn)田面水混合樣300 mL；水稻收割前每小區(qū)取5蔸有代表性植株進(jìn)行考種；每小區(qū)單打單曬，分別統(tǒng)計(jì)稻谷和秸稈產(chǎn)量，并取樣測定稻谷和秸稈氮磷含量。

肥料偏生產(chǎn)力=作物產(chǎn)量/施肥量；

收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/地上部生物量。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算及分析

用DPS和Excel 2003軟件分析處理數(shù)據(jù)，采用LSD檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析，用Graphpad Prism 5.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋氮肥與氮磷減量對水稻產(chǎn)量和氮磷吸收的影響

2.1.1 對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響 由表1可以看出，產(chǎn)量及其構(gòu)成因素在3個處理間均無顯著差異，相比于常規(guī)施肥T1處理，T2和T3處理收獲期水稻籽粒產(chǎn)量不僅沒有因?yàn)闇p少肥料用量而降低，反而有所上升，增產(chǎn)率分別為 8.29%和5.03%，T3相比于T2產(chǎn)量降低3.01%。T2處理的株高、穗長最高，T1處理次之，T3處理最低；T2和T3處理每兜有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率均高于T1處理；T1處理的毎穗實(shí)粒數(shù)和千粒質(zhì)量高于T2和T3處理。

表1 不同施肥處理對中稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下表同。

2.1.2 對中稻氮磷養(yǎng)分吸收及利用的影響 從表2可以看出，T2和T3處理的地上部氮素累積量均顯著高于T1處理，其中T2、T3處理的氮素累積量分別較T1處理提高了30.74%、18.99%；T3處理的地上部磷素累積量相對于T1、T2處理較低，但差異不顯著；與T1處理相比，T2和T3處理顯著提高了氮肥和磷肥的偏生產(chǎn)力，其中，氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)分別提高了35.37%和 31.31%，磷肥偏生產(chǎn)力(PPFP)分別提高了8.29%和31.30%，說明T2與T3處理配合土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分水平的綜合效應(yīng)比T1處理要好[11]；T1、T2與T3處理收獲指數(shù)無明顯差異。

表2 不同施肥處理對中稻氮磷養(yǎng)分吸收及利用率的影響

2.2 控釋氮肥與氮磷減量對施肥后稻田田面水氮磷含量的影響

2.2.1 對田面水總氮含量的影響 從圖1可以看出，采用T1處理施肥后，普通尿素迅速溶解，使田面水中總氮含量快速提高，于基肥后1 d達(dá)到峰值(70.34 mg/L)，然后隨著時(shí)間的推移而下降?？偟吭谧贩屎蟮? d達(dá)到第2個峰值，含量為62.14 mg/L，之后變化規(guī)律與施用基肥后的變化規(guī)律一致，總氮含量未到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)并在取樣的最后1 d降到最低值(15.20 mg/L)?；适┖? d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)總氮平均含量分別為51.95、37.05 mg/L?？蒯尩蕼p氮處理T2和T3施基肥后，田面水中總氮含量逐漸升高；追肥后，總氮含量躍升隨后緩慢上升，T2、T3處理的總氮含量分別在追肥后9、7 d達(dá)到峰值，隨后下降。T2、T3處理的總氮峰值含量分別6.29、6.11 mg/L。監(jiān)測期內(nèi)，T2處理總氮含量為 2.54～6.29 mg/L，基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)總氮平均含量分別為3.28、5.89 mg/L，基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)總氮含量較T1處理分別降低了93.69%、84.09%；T3處理的總氮含量為2.43～6.11 mg/L，基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)總氮平均含量分別為3.20、5.75 mg/L，基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)總氮含量較T1處理分別降低了93.83%、84.49%，因此施用控釋氮肥減氮20%能明顯降低田面水總氮含量，降低氮素徑流流失風(fēng)險(xiǎn)。T2與T3處理之間，差異很小，說明磷肥減量施用，對田面水總氮含量影響較小。由于T3與T2處理施用相同量控釋氮肥所以T3與T2處理的田面水的總氮含量相近，變化規(guī)律基本一致。施用普通尿素的T1處理的田面水總氮含量遠(yuǎn)高于施用控釋氮肥的T2、T3處理，而且T1處理的田面水總氮變化規(guī)律不同于T2、T3處理的田面水總氮變化規(guī)律，這與3個處理的肥料特性有關(guān)。T1處理施用的普通尿素在施入水田之后馬上就開始大量分解，T2與T3處理使用的控釋氮肥在施入水田之后開始緩慢釋放尿素。施肥后27 d，T2、T3處理的田面水總氮含量分別比T1處理下降89.11%、89.42%。

2.2.2 對田面水銨態(tài)氮含量的影響 施肥后田面水銨態(tài)氮含量變化如圖2所示。由于尿素施入稻田之后迅速分解為銨態(tài)氮，導(dǎo)致基肥和追肥施用后田面水中銨態(tài)氮的動態(tài)變化與總氮的變化規(guī)律類似，T1處理施肥后，隨著時(shí)間的延長田面水銨態(tài)氮含量逐漸降低，于基肥施后1 d達(dá)到峰值，為 57.52 mg/L，追肥后銨態(tài)氮含量迅速上升，1 d后到達(dá)峰值，含量為53.04 mg/L，銨態(tài)氮含量達(dá)峰值之后開始下降，在取樣的最后1 d降到最低值(12.00 mg/L)。基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)銨態(tài)氮平均含量分別為43.35、30.91 mg/L?？蒯尩蕼p氮處理T2和T3施基肥后，田面水中銨態(tài)氮含量逐漸升高；追肥后，銨態(tài)氮含量先躍升隨后緩慢上升，T2、T3處理的銨態(tài)氮含量均在追肥后9 d達(dá)到峰值，隨后下降。T2、T3處理的銨態(tài)氮峰值含量分別為4.98、5.08 mg/L。監(jiān)測期內(nèi)，T2處理銨態(tài)氮含量為2.17～4.98 mg/L，基肥施后9 d內(nèi)和追肥后 17 d 內(nèi)銨態(tài)氮平均含量分別為2.57、4.22 mg/L，基肥施后 9 d 內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)銨態(tài)氮含量較T1處理分別降低了 94.08%、86.36%；T3處理的銨態(tài)氮含量為1.98～5.08 mg/L，基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)銨態(tài)氮平均含量分別為2.57、4.36 mg/L，基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)銨態(tài)氮含量較T1處理分別降低了94.08%、85.91%，T2和T3處理施用控釋氮肥減氮20%，均明顯降低田面水銨態(tài)氮含量。施肥后27 d，T2、T3處理的田面水銨態(tài)氮含量分別比T1處理下降89.89%、89.64%。

2.2.3 對田面水硝態(tài)氮含量的影響 由圖3可以看出，T1處理硝態(tài)氮含量在基肥施后1 d最低，為1.21 mg/L，在追肥后9 d含量最高，為1.92 mg/L。硝態(tài)氮含量在追肥7 d后穩(wěn)定在1.84～1.92 mg/L。基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)硝態(tài)氮平均含量分別為1.35、1.79 mg/L；T2硝態(tài)氮含量在基肥施后緩慢上升，1 d后含量最低，為 0.30 mg/L。T2處理硝態(tài)氮含量在追肥后躍升，之后基本穩(wěn)定在0.70～0.81 mg/L。基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)硝態(tài)氮平均含量分別為0.40、0.75 mg/L，較T1處理分別降低了 70.07%、57.91%；T3與T2處理硝態(tài)氮含量相近，變化趨勢相似。在基肥施后1 d最低，為0.32 mg/L，硝態(tài)氮含量在追肥后躍升，之后基本穩(wěn)定在0.71～0.90 mg/L?；适┖? d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)硝態(tài)氮平均含量分別為0.42、0.82 mg/L，較T1處理分別降低了68.67%、54.52%。T1處理的硝態(tài)氮含量明顯高于T2和T3處理。其原因可能是，普通尿素與控釋氮肥施入水田中都是先經(jīng)過脲酶水解為銨態(tài)氮，而硝態(tài)氮主要來源于銨態(tài)氮的硝化作用[12]，其中T1處理的硝態(tài)氮的含量明顯高于T2和T3處理的硝態(tài)氮的含量。由于在淹水條件下的硝化作用較弱[13]，導(dǎo)致田面水中的硝態(tài)氮含量顯著低于銨態(tài)氮含量。施肥后27 d，T2、T3處理的田面水總氮含量分別比T1處理下降61.69%、58.93%。

2.2.4 對田面水磷含量的影響 從圖4可以看出，3個處理的稻田田面水的總磷含量變化趨勢一致，施用基肥后1 d，3個處理田面水中全磷含量出現(xiàn)1個峰值，由于土壤對磷素的吸附固定作用和水稻對磷素的吸收，所以隨著時(shí)間的推移田面水的含量逐漸下降，在施用基肥后9 d達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。T1處理的總磷含量由1 d后的0.16 mg/L下降到最后1 d的0.05 mg/L，T2處理的總磷含量由1 d后的0.16 mg/L下降到最后1 d的0.06 mg/L，T3的總磷含量由1 d后的 0.12 mg/L 下降到最后1 d的0.04 mg/L。在施用追肥后1 d，田面水磷含量有所升高。這是由于施肥過程擾動了表面土，因此盡管追肥未施磷肥田層，使得部分磷素脫離了土壤的吸附而進(jìn)入田面水中，田面水的磷含量依舊升高[14]。監(jiān)測期內(nèi)，T1、T2、T3處理平均磷含量分別為0.09、0.09、0.07 mg/L。T3處理相比T1、T2處理全磷平均含量分別降低了 23.91%、28.72%。不同施磷量條件下，田面水的磷含量也有所不同，施磷量高的處理的田面水磷含量高于施磷量較低的處理。

3 結(jié)論與討論

水稻各個時(shí)期的正常生長發(fā)育是水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ)，而水稻營養(yǎng)生長時(shí)期的干物質(zhì)積累直接影響后期產(chǎn)量的形成，在此時(shí)期提供充足的氮素養(yǎng)分對水稻獲得高產(chǎn)非常關(guān)鍵[15-17]?？蒯尩氏啾扔谄胀蛩鼐哂蟹市чL的優(yōu)勢[18]，彌補(bǔ)了普通尿素后期肥效差的弊端。本研究表明，施用控釋氮肥處理相較于常規(guī)施肥對水稻有增產(chǎn)作用，而增產(chǎn)主要因?yàn)榘l(fā)揮了控釋氮肥肥效長的優(yōu)勢，提高了水稻每蔸有效穗數(shù)以及結(jié)實(shí)率。T2、T3處理相比于T1處理分別增產(chǎn)8.29%、5.03%。

磷是細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核的重要成分之一，直接參與糖、蛋白質(zhì)和脂肪的代謝，一些高能磷酸又是能量儲存的主要物質(zhì)。適量磷素可促進(jìn)水稻根系生長，具有增加分蘗，增強(qiáng)抗逆性，提高產(chǎn)量的作用[19]，但過量施用磷肥不僅會導(dǎo)致水稻減產(chǎn)還會污染環(huán)境[20]。本研究表明，T3處理相比于T1處理增產(chǎn)5.35%，但T3處理相比于T2處理減產(chǎn)3.01%。說明對于產(chǎn)量而言，常規(guī)施磷量并未過量，減磷20%會導(dǎo)致減產(chǎn)，但減磷20%配合控釋氮肥減量20%相比常規(guī)施肥會增產(chǎn)，間接印證了控釋氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)。

農(nóng)田養(yǎng)分流失是引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染的重要原因，農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要原因就是地表徑流。地表徑流養(yǎng)分流失量由徑流量和田面水養(yǎng)分含量決定[21]。施肥是增加田面水養(yǎng)分含量的主要途徑，本研究結(jié)果表明，施用普通尿素會迅速提高田面水氮含量，在施肥后1 d達(dá)到最高含量(70.34 mg/L)，然后隨著時(shí)間的推移而持續(xù)降低，未達(dá)到穩(wěn)定含量。這與宮亮等研究在第7天達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)果[22]有所不同[22]。其原因可能由于土壤類型、降雨、氣溫等條件的綜合影響所導(dǎo)致[23-24]。由此可以得出，施用普通尿素后的短期內(nèi)氮徑流損失的風(fēng)險(xiǎn)很高，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)田間管理，做好對降雨的預(yù)測從而選擇最優(yōu)的灌溉方式，減少氮素的徑流損失。

不同種類氮肥對田面水總氮含量影響不同，本試驗(yàn)監(jiān)測期內(nèi)，與普通尿素相比，控釋氮肥(T2和T3)處理在基肥施后9 d內(nèi)和追肥后17 d內(nèi)總氮濃度平均降低了93.7%和 84.3%。同時(shí)，田面水中銨態(tài)氮的含量也與總氮類似。這說明，在這種自然降雨加灌溉的條件下，施用控釋氮肥導(dǎo)致的氮素徑流損失會明顯低于施用普通尿素的情況，因此更有利于降低農(nóng)田氮流失風(fēng)險(xiǎn)[25]。

磷肥用量對田面水全磷含量有較為明顯的影響，T3處理相比T1、T2處理全磷平均含量分別降低了23.91%、28.72%，說明適當(dāng)降低磷肥用量可以降低田面水磷素含量從而降低磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)[26]。田面水全磷含量在施用基肥后9 d達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。由于磷肥是作基肥一次性施用，所以相對田面水總氮含量，田面水全磷含量更早地達(dá)到穩(wěn)定。因此田間管理措施可按照防止氮素流失的方式進(jìn)行。

綜上所述，在毛里湖中稻區(qū)，控釋氮肥減氮20%和控釋氮肥減氮減磷各20%施用既可以保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，又可以有效降低稻田氮素徑流損失風(fēng)險(xiǎn)，可以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用推廣。

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