應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究控釋尿素在稻田中的去向及利用率

李鵬飛，李小坤，侯文峰，任濤，叢日環(huán)，杜昌文，邢烈火，王少華，魯劍巍

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應(yīng)用15N示蹤技術(shù)研究控釋尿素在稻田中的去向及利用率

李鵬飛1，李小坤1，侯文峰1，任濤1，叢日環(huán)1，杜昌文2，邢烈火3，王少華3，魯劍巍1

（1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)微量元素研究中心，武漢 430070；2中國科學(xué)院南京土壤 研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；3湖北省武穴市農(nóng)業(yè)局，湖北武穴 435400）

【目的】在氮、磷、鉀肥合理供應(yīng)下，比較控釋尿素和普通尿素中氮素在土壤-植物系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，挖掘控釋尿素氮肥利用潛力和減少氮素?fù)p失的作用，定量研究控釋尿素在稻田的去向和利用率，為高效施用控釋肥料提供依據(jù)?！痉椒ā客ㄟ^田間微區(qū)試驗(yàn)，設(shè)置不施氮肥（CK）、15N標(biāo)記的粉末狀普通尿素（U）和控釋尿素（CRU）3個處理，研究不同生育時期水稻對肥料氮的吸收、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)及肥料氮在稻田的去向和利用率?！窘Y(jié)果】隨生育期的推進(jìn)，水稻植株莖和鞘的干物質(zhì)量及15N積累量逐漸增加，開花期達(dá)到最大值。開花期，與U處理相比，CRU處理水稻植株莖的干物質(zhì)量提高13.8%，鞘的干物質(zhì)量無明顯變化，莖和鞘的15N積累量分別提高62.5%和25.5%，隨后由于營養(yǎng)器官干物質(zhì)和15N向籽粒的不斷轉(zhuǎn)移而降低。隨著葉片的衰老脫落，葉的干物質(zhì)量及15N積累量從抽穗期開始逐漸下降，成熟期達(dá)到最小值。而穗的干物質(zhì)量及15N積累量從孕穗期開始不斷增加，到成熟期達(dá)到最大值。成熟期，與U處理相比，CRU處理水稻莖、鞘、穗和地上部的干物質(zhì)量及15N積累量分別增加17.3%、13.2%、3.5%、3.7%和25.0%、20.0%、15.8%、13.3%，葉的干物質(zhì)量及15N積累量分別降低14.6%和15.2%。開花期到成熟期，CRU處理的水稻干物質(zhì)及15N轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率、對籽粒的貢獻(xiàn)率分別為286.78 g·m-2、32.3%、30.8%和2.69 g·m-2、67.2%、83.8%，與U處理相比略有增加，但統(tǒng)計(jì)上差異不顯著。但灌漿期到成熟期，CRU處理養(yǎng)分供應(yīng)充足，促進(jìn)了水稻籽粒的灌漿速率，促進(jìn)了籽粒中干物質(zhì)的積累及氮素的同化和營養(yǎng)器官中養(yǎng)分向籽粒的迅速轉(zhuǎn)運(yùn)。等氮量下，與U處理相比，CRU處理水稻產(chǎn)量和植株吸氮量略有增加，但差異不顯著；施用CRU提高水稻植株15N吸收量13.3%，提高水稻15N利用率3.2個百分點(diǎn)，增加水稻植株氮素來自15N肥料的百分比（Ndff）2.9個百分點(diǎn)，增加15N土壤殘留率0.9個百分點(diǎn)，提高15N總回收率4.0個百分點(diǎn)，減少15N損失率4.0個百分點(diǎn)。無論施用控釋尿素還是普通尿素，土壤氮素均是水稻生長發(fā)育所需氮素的主要來源，水稻生育期吸收氮素來自土壤的氮素約占70%以上。肥料氮在土壤中的殘留量隨土層深度的增加而顯著下降，水稻收獲后，肥料15N主要?dú)埩粼?—20 cm土層中，約占總殘留量的78%。其次是20—40 cm和40—60 cm土層，這兩層土壤中肥料15N殘留量相近，約占總殘留量的19%左右。而在60 cm土層以下，仍有微量的肥料15N殘留，占總殘留量的4%以下?！窘Y(jié)論】施用控釋尿素可以增加水稻各生育期的干物質(zhì)量和氮素吸收量，增加花后（尤其是灌漿期到成熟期）干物質(zhì)和氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)，在穩(wěn)產(chǎn)的情況下，既提高了肥料氮利用率，也減少了肥料氮的損失。

控釋尿素；15N示蹤技術(shù)；氮素去向；氮肥利用率；稻田

0 引言

【研究意義】水稻是我國三大主要糧食作物之一[1]，其產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的34%，其播種面積約占全國糧食播種面積的27%[2]。氮素是水稻生長發(fā)育過程中土壤最易缺乏、需要量最大、損失潛力最大的元素[3]。近年來，為了保障水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，氮肥的投入快速增加，加上氮肥施用不合理等問題，不僅導(dǎo)致氮肥資源的浪費(fèi)，而且導(dǎo)致氮肥利用率下降，氮素?fù)p失嚴(yán)重，大量的氮素通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化、表面徑流和淋溶等途徑進(jìn)入到大氣和水環(huán)境，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、地下水污染、土壤酸化、溫室效應(yīng)和大氣污染等一系列環(huán)境問題[4-7]。如何根據(jù)作物需求進(jìn)行有效的氮肥管理，充分發(fā)揮氮肥的增產(chǎn)潛力，最大限度減少氮素?fù)p失和對環(huán)境造成的污染，提高氮肥的利用率是我國水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展面臨的一個重大挑戰(zhàn)[8-9]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】盡管氮肥深施和氮肥分次施用等氮肥管理措施能夠提高氮肥利用率，增加水稻產(chǎn)量，但因缺乏配套的施肥機(jī)械和有效的農(nóng)村勞動力，往往限制了這些技術(shù)的推廣應(yīng)用[10-12]；而且這些技術(shù)不能協(xié)調(diào)肥料養(yǎng)分釋放特征與水稻養(yǎng)分需求特征相匹配[13]。而控釋肥料能夠根據(jù)作物不同生育期的養(yǎng)分需求延緩或者控制養(yǎng)分釋放的速率，最大限度的提高作物對養(yǎng)分的吸收，有效的解決了氮肥利用率低和氮素?fù)p失嚴(yán)重的問題，且一次性施用簡化了施肥技術(shù)，能夠達(dá)到增產(chǎn)增效、省工省時和減少環(huán)境污染等目的[14-17]。目前，國內(nèi)在水稻控釋肥方面的研究報(bào)道已較多，鄭圣先等[13]田間試驗(yàn)報(bào)道，控釋肥處理水稻的氮素吸收規(guī)律呈三次曲線，控釋肥的氮素釋放曲線呈二次曲線，其養(yǎng)分釋放速率能與水稻各生育期的養(yǎng)分需求相匹配，整個生育期水稻的累積吸收氮量低于控釋肥的累積釋放氮量，控釋肥處理水稻氮肥利用率高達(dá)72.3%，比普通尿素高出36.5個百分點(diǎn)。鄭圣先等[18]15N示蹤試驗(yàn)表明，與尿素相比，施用控釋氮肥能明顯降低氨揮發(fā)損失54.0%、淋溶損失32.5%和硝化-反硝化損失94.1%，增加水稻植株氮素吸收量87.8%，增加氮肥利用率32.2個百分點(diǎn)。張民等[19]和蔣曦龍等[20]研究發(fā)現(xiàn)，普通尿素轉(zhuǎn)化為可供水稻吸收利用的氮素需要一段時間，肥料氮素釋放應(yīng)早于水稻氮素吸收。水稻生長前期普通尿素處理水稻的氮素吸收量顯著高于控釋尿素處理，而水稻生長中后期則相反，控釋尿素處理水稻不同時期氮素吸收量與其氮素累積釋放量均達(dá)到極顯著正相關(guān)。徐明崗等[21]報(bào)道，控釋氮肥釋放速率的快慢對水稻生長發(fā)育有明顯影響，肥料釋放過程與水稻吸氮過程基本同步的控釋肥才能滿足水稻生產(chǎn)需求。唐拴虎等[22]認(rèn)為，水稻一次性施用控釋肥增產(chǎn)的主要機(jī)理是顯著提高了氮素養(yǎng)分供應(yīng)，明顯促進(jìn)了水稻根系生長發(fā)育和根系活力，延緩水稻生長后期的衰老進(jìn)程，并顯著增強(qiáng)了水稻抗倒伏能力。國外研究也表明，控釋尿素的氮素釋放能夠與水稻的氮素需求相匹配。與普通尿素相比，控釋尿素顯著增加了水稻產(chǎn)量以及秸稈和籽粒的氮素積累量，但受環(huán)境因素的影響（如土壤溫度和水分），并不是所有控釋尿素都能增加產(chǎn)量和氮素積累量[23-24]?？蒯屇蛩厥┤氲咎锖?，肥料氮素釋放與水稻氮素需求相匹配時，才能增加氮素吸收利用，進(jìn)而減小氮素?fù)p失。因此，明確水稻生育期對氮素的吸收利用特性和控釋尿素施入稻田后氮素的去向，才能更好的發(fā)揮控釋尿素的增效作用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】盡管有關(guān)控釋尿素能夠增加水稻產(chǎn)量，提高氮肥利用率和減少氮素?fù)p失已有很多報(bào)道[22,25-26]，但大多采用田間試驗(yàn)的表觀指標(biāo)分析，而應(yīng)用穩(wěn)定性同位素15N標(biāo)記控釋尿素的技術(shù)并定量化研究其在稻田土壤的行為和去向有利于進(jìn)一步揭示控釋尿素的增產(chǎn)增效機(jī)制?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置穩(wěn)定性同位素15N微區(qū)試驗(yàn)，研究控釋尿素氮在水稻主要生育時期不同器官的積累、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)特征，及其在稻田的去向和肥料氮利用率，挖掘控釋尿素氮肥利用潛力和減少氮素?fù)p失的作用，定量化研究控釋尿素和普通尿素中氮素在土壤-植物系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化與去向。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2014年在湖北省武穴市梅川鎮(zhèn)從政村（30°07′38″ N，115°35′42″ E）進(jìn)行，供試土壤為花崗片麻巖發(fā)育的水稻土。供試田塊前茬為早稻，基礎(chǔ)土壤（0—20 cm土層）理化性質(zhì)：pH 6.3、有機(jī)質(zhì)40.2 g·kg-1、全氮2.2 g·kg-1、銨態(tài)氮17.3 mg·kg-1、硝態(tài)氮3.2 mg·kg-1、速效磷8.12 mg·kg-1、速效鉀149.5 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間微區(qū)試驗(yàn)采用最優(yōu)氮、磷、鉀配合施用，單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)3個處理：（1）不施氮肥（CK）；（2）15N標(biāo)記的粉末狀普通尿素（購于上?；ぱ芯吭?，豐度為10%，含氮46%，以U表示）；（3）15N標(biāo)記的控釋尿素（購于上?；ぱ芯吭旱? mm15N大粒尿素，經(jīng)南京土壤研究所研制出的包膜配方，應(yīng)用流化床包衣設(shè)備生產(chǎn)出15N標(biāo)記的水基聚合物包膜控釋尿素，豐度為10%，含氮41.4%，以CRU表示），各處理3次重復(fù)。微區(qū)由鐵皮框制成，面積1 m×1 m，高0.5 m，埋入土壤0.2 m深。（2）和（3）處理氮肥用量均按純N 16.5 g·m-2，3個處理磷、鉀肥的用量分別按P2O57.5 g·m-2和K2O 7.5 g·m-2。磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。各處理氮、磷、鉀肥均于7月29日水稻移栽前作基肥一次性撒施，并立即用手混合于土中。供試作物為晚稻，品種為豐源優(yōu)299，屬三系雜交中熟晚秈。采用移栽方式種植，于6月27日播種育秧，7月29日移栽，移栽密度為30穴/m2，每穴3株，10月29日收獲。

1.3 樣品的采集與測定

土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分采用常規(guī)方法進(jìn)行測定[27]。分別于 拔節(jié)孕穗期（9月2日）、抽穗期（9月15日）、開花期（9月29日）、灌漿期（10月13日）取活體植株（除落葉外）樣1穴，齊地收割，并分為莖、鞘、葉、籽粒和穗軸5部分；成熟期（10月29日）取活體植株樣3穴，連根拔起，并分為根、莖、鞘、葉、籽粒和穗軸6部分。各處理齊地收割剩余的23穴水稻植株并測產(chǎn)。各部位植物樣品65℃烘干，稱重，粉碎，過60目篩后測定全氮含量和15N豐度。于收獲期取0—20、20—40、40—60和60—80 cm土層土樣，烘干，磨碎，過100目篩后測定全氮和15N豐度。土壤和植株全氮含量及15N豐度采用元素分析儀與Isoprime-100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀聯(lián)用測定。

1.4 計(jì)算方法[28-29]

15N原子百分超（%）=樣品或15N標(biāo)記肥料的15N豐度-15N天然豐度；

植株氮素來自15N標(biāo)記肥料的百分比Ndff（%）=樣品的15N原子百分超/標(biāo)記肥料的15N原子百分超×100；

植株氮素來自土壤的百分比Ndfs（%）=1-Ndff%；

某一植株組織或器官的15N積累量=該器官氮積累量×該組織或器官的Ndff%；

15N轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期莖、鞘、葉和穗軸15N積累量之和-灌漿期（或成熟期）莖、鞘、葉和穗軸15N積累量之和；

15N轉(zhuǎn)運(yùn)效率=15N轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期莖、鞘、葉和穗軸15N積累量之和；

15N轉(zhuǎn)運(yùn)量對籽粒的貢獻(xiàn)率=15N轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒15N積累量；

激發(fā)氮量（g·m-2）=施氮處理植株吸收來自土壤的氮-不施氮處理植株吸氮量；

15N利用率（%）=植株地上部15N積累量/投入肥料15N量×100；

15N土壤殘留量=土樣干重×土壤全氮含量（%）×土壤15N原子百分超×100；

15N土壤殘留率（%）=15N土壤殘留量/投入肥料15N量×100；

15N根系吸收利用率=根系15N積累量/投入肥料15N量×100；

15N損失率（%）=100-15N總回收率=100-15N利用率-15N土壤殘留率-15N根系吸收利用率。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均由MS Excel 2016和DPS（v7.05）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析處理，采用LSD法檢驗(yàn)差異顯著 性（<0.05）。

2 結(jié)果

2.1 水稻植株各部位干物質(zhì)積累及分配

不同肥料N處理水稻植株各部位在不同生育期的干物質(zhì)積累量及分配見表1。隨生育期的推進(jìn)，CRU處理水稻植株地上部干物質(zhì)量增加迅速，至灌漿期達(dá)最大值，較U處理增加5.0%。CRU處理莖和鞘的干物質(zhì)量在開花期達(dá)最大值，與U處理相比，莖的干物質(zhì)量增加13.8%，鞘的干物質(zhì)量無顯著差異；葉的干物質(zhì)量在抽穗期達(dá)最大值且較U處理無顯著差異，隨后由于營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒的不斷轉(zhuǎn)移而降低；穗（籽粒+穗軸）的干物質(zhì)量從孕穗期開始不斷增加，成熟期達(dá)最大值，開花前顯著大于U處理，開花后二者差異逐漸縮小，開花期較U處理增加6.2%。成熟期，與U處理相比，CRU處理莖和鞘的干物質(zhì)量分別增加17.3%和13.2%，穗和地上部干物質(zhì)量分別增加3.5%和3.7%，但統(tǒng)計(jì)上差異不顯著，而葉的干物質(zhì)量降低14.6%。

隨生育期的推進(jìn)，CRU處理水稻植株莖的干物質(zhì)分配比例從孕穗期開始先逐漸上升，抽穗至開花期達(dá)最大值，分別較U處理提高1.6—5.7個百分點(diǎn)，隨后逐漸下降；鞘的干物質(zhì)分配比例在孕穗期達(dá)最大值且較U處理提高6.9個百分點(diǎn)，隨后逐漸下降；而穗的干物質(zhì)分配比例從孕穗期開始不斷上升，成熟期達(dá)最大值，但較U處理無顯著差異。成熟期，CRU處理水稻莖、鞘、葉和穗的干物質(zhì)分配比例分別為10.0%、14.5%、10.7%和64.8%；與U處理相比，CRU處理莖和鞘的干物質(zhì)分配比例分別增加1.1和1.2個百分點(diǎn)，穗無顯著增加，而葉則降低2.3個百分點(diǎn)。

2.2 水稻植株各部位15N積累及分配

水稻植株各部位在不同生育期的15N積累量與干物質(zhì)變化趨勢一致，見表2。隨生育期的推進(jìn)，CRU處理水稻植株莖和鞘的15N積累量逐漸增加，開花期達(dá)最大值，分別較U處理增加62.5%和25.5%，隨后由于營養(yǎng)器官的15N向籽粒的不斷轉(zhuǎn)運(yùn)而降低。由于葉的衰老脫落，CRU處理葉的15N積累量在孕穗期達(dá)最大值且較U處理增加13.4%，隨后逐漸下降，成熟期達(dá)最小值。而CRU處理穗的15N積累量從孕穗期開始不斷增加，成熟期達(dá)最大值，各生育期均較U處理顯著增加。成熟期，CRU處理水稻莖、鞘、葉、穗和地上部15N積累量分別為0.35、0.48、0.39、3.30和4.52 g·m-2，其中水稻莖、鞘、穗和地上部15N積累量分別比U處理增加25.0%、20.0%、15.8%和13.3%，而水稻葉的15N積累量則比U處理降低15.2%。

表1 不同生育期水稻植株各部位干物質(zhì)積累及分配

括號內(nèi)數(shù)字為水稻植株不同部位干物質(zhì)分配比例（%）。同列數(shù)據(jù)不同字母表示顯著差異（＜0.05）。*表示同一時期不同處理差異顯著（＜0.05）。下同

Data in brackets is the proportion of dry matter distribution of different parts of rice plants. Different letters in the same column meant significant difference at 0.05 level. Differences between two treatments in the same growth period are indicated: *＜0.05. The same as below

表2 不同生育期水稻植株各部位15N積累及分配

括號內(nèi)數(shù)字為水稻植株不同部位15N分配比例（%）

Data in brackets is the proportion of15N distribution of different parts of rice plants

水稻開花期之前吸收的15N主要分配在葉中，其次是鞘，再次是莖。開花期后，隨著15N從營養(yǎng)器官向穗中轉(zhuǎn)移，莖、鞘和葉中的15N分配比例逐漸降低，而穗中的15N分配比例不斷增加。開花期，與U處理相比，CRU處理水稻莖、鞘和穗中15N的分配比例分別提高2.1、0.6和5.5個百分點(diǎn)，葉則降低8.2個百分點(diǎn)。成熟期，CRU處理水稻莖、鞘、葉和穗中15N的分配比例分別為7.7%、10.6%、8.6%和73.0%，其中莖、鞘和穗中15N的分配比例分別比U處理提高0.7、0.6和1.6個百分點(diǎn)，葉則降低2.9個百分點(diǎn)。

2.3 水稻花后各階段干物質(zhì)及15N的轉(zhuǎn)運(yùn)

從表3可知，開花期到灌漿期，水稻干物質(zhì)和15N的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率和對籽粒的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為CRU處理小于U處理，CRU處理水稻干物質(zhì)和15N轉(zhuǎn)運(yùn)量分別為191.50和1.97 g·m-2，分別比U處理降低了7.3%和8.4%；干物質(zhì)和15N轉(zhuǎn)運(yùn)率分別為21.6%和49.3%，分別比U處理減少了2.4和11.8個百分點(diǎn)；干物質(zhì)和15N轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒的貢獻(xiàn)率分別為20.6%和61.5%，分別比U處理降低了2.5和16.2個百分點(diǎn)；這顯然是由于U處理水稻生育中、后期養(yǎng)分供應(yīng)不足，植株加速衰老，營養(yǎng)物質(zhì)迅速從營養(yǎng)器官向生殖器官中轉(zhuǎn)移所致，而CRU處理延緩了水稻生育中、后期植株的衰老進(jìn)程。而開花期到成熟期，CRU處理水稻干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對籽粒的貢獻(xiàn)率分別為286.78 g·m-2、32.3%和30.8%，水稻15N轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和對籽粒的貢獻(xiàn)率分別為2.69 g·m-2、67.2%和83.8%，與U處理相比略有增加，但統(tǒng)計(jì)上差異不顯著?？梢?，開花期到灌漿期，CRU處理水稻干物質(zhì)及氮素轉(zhuǎn)運(yùn)雖然較U處理緩慢，但灌漿期到成熟期CRU處理養(yǎng)分供應(yīng)充足，促進(jìn)了水稻籽粒的灌漿速率，促進(jìn)了籽粒中干物質(zhì)的積累及氮素的同化和營養(yǎng)器官中養(yǎng)分向籽粒的迅速轉(zhuǎn)運(yùn)，而U處理水稻灌漿期后植株已衰老，存在老葉脫落或水稻植株自身氨揮發(fā)損失。

2.4 水稻氮素吸收來源

水稻生育期內(nèi)，不考慮干濕沉降和灌溉所帶入的氮素，水稻吸收的氮素主要來自于肥料的氮素和土壤的氮素。表4結(jié)果表明，水稻產(chǎn)量和植株吸氮量因施用氮肥而顯著增加。等氮量下，與U處理相比，CRU處理水稻產(chǎn)量和植株吸氮量略有增加，但統(tǒng)計(jì)上差異不顯著。由于土壤中存在一定量的氮素，CK處理在不施氮條件下，仍可吸收土壤中的氮素，整個水稻季共吸收土壤氮素9.09 g·m-2。無論施用控釋尿素還是普通尿素，土壤氮素均是水稻生長發(fā)育所需氮素的主要來源，水稻生育期吸收土壤中的氮素占植株吸氮量的70%以上。與U處理相比，CRU處理增加了水稻吸收來自肥料的氮素達(dá)13.3%，Ndff提高2.9個百分點(diǎn)；而與CRU處理相比，U處理促進(jìn)了水稻吸收來自土壤的氮素達(dá)3.1%，Ndfs提高2.9個百分點(diǎn)，其激發(fā)氮量也提高了12.5%。

2.5 15N平衡與去向

施入稻田土壤的肥料氮主要有3種去向：植物吸收、土壤殘留和各種途徑的氮素?fù)p失（如氨揮發(fā)、淋溶和硝化反硝化）。另外，有少量殘存于收獲后的根茬中。表5為水稻收獲后，施入稻田土壤的肥料氮在土壤—植物系統(tǒng)中的去向。從氮肥的吸收利用來看，CRU處理水稻15N吸收量為4.52 g·m-2，比U處理增加了13.3%；CRU處理水稻差減法利用率和15N示蹤法利用率分別為45.8%和27.4%，分別比U處理提高了0.9和3.2個百分點(diǎn)。從土壤殘留來看，CRU處理土壤15N殘留量為1.65 g·m-2，比U處理提高10.0%；CRU處理土壤15N殘留率為10.0%，比U處理提高0.9個百分點(diǎn)。從氮素的總回收來看，CRU處理15N總回收量為6.43 g·m-2，比U處理提高11.4%；15N總回收率為39.0%，比U處理提高4.0個百分點(diǎn)。從表5還可見，U處理的15N損失量為10.7 g·m-2，15N損失率高達(dá)65.0%，CRU處理與其相比損失量降低5.6%，損失率降低4.0個百分點(diǎn)。

表3 水稻花后各階段干物質(zhì)和15N的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率和對籽粒的貢獻(xiàn)率

表4 水稻吸收肥料氮和土壤氮的比例

Ndff為植物吸收的氮素來自15N肥料的比例，Ndfs為植物吸收的氮素來自土壤氮的比例

Ndff mean the percentage of nitrogen derived from15N fertilizer, Ndfs mean the percentage of nitrogen derived from soil

表5 稻田15N平衡與去向

2.6 肥料15N在土壤剖面的殘留分布

由圖1可知，肥料氮在土壤中的殘留量隨土層深度的增加而顯著下降。在等氮量下，普通尿素和控釋尿素在0—80 cm土層中（表5）的15N殘留量分別為1.50和1.65 g·m-2，殘留率分別為9.1%和10.0%，可見施用控釋尿素顯著增加了0—80 cm土層中15N總殘留量和總殘留率。但在不同土層中兩種肥料15N的殘留存在一定的差異。水稻收獲后，肥料15N主要?dú)埩粼?—20 cm土層中，約占總殘留量的78%，可為下季作物吸收再利用，提高氮素的利用率。其次是20—40 cm和40—60 cm土層，這兩層土壤中肥料15N殘留量相近，約占總殘留量的19%左右。而在60 cm以下土層，仍有微量的肥料15N殘留，占總殘留量的4%以下。

圖1 肥料15N在土壤剖面上的殘留

3 討論

近年來，水基聚合物包衣控釋肥料因其包膜材料來源廣泛、價格低廉和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已成為廣泛研究的商品化控釋肥料之一[30-31]。但由于其膜強(qiáng)度不足、親水性較高而耐水性較差等，導(dǎo)致了養(yǎng)分的控釋效果不夠理想，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[32]。本研究應(yīng)用南京土壤研究所基于生物炭改性研制成的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜尿素，以期提高膜材料的疏水性和改善其力學(xué)性質(zhì)，同時優(yōu)化其包膜肥料的控釋性能。結(jié)果顯示，稻田施用水基聚合物包膜控釋尿素與普通尿素后，雖然產(chǎn)量差異不顯著（表4），但水稻植株干物質(zhì)和15N積累、分配及轉(zhuǎn)運(yùn)均存在本質(zhì)區(qū)別，控釋尿素在水稻各生育期養(yǎng)分供應(yīng)充足，為水稻營養(yǎng)生長和生殖生長提供了良好的營養(yǎng)基礎(chǔ)，并在提高水稻15N利用率（提高3.2個百分點(diǎn)）和減少15N損失率（降低4.0個百分點(diǎn)）方面有一定效果（表5）。劉德林等[33]研究表明，施用控釋尿素可顯著增加水稻產(chǎn)量25.5%，使15N利用率高達(dá)73.8%，比普通尿素高34.8個百分點(diǎn)，同時減少15N損失率34.3個百分點(diǎn)。本研究在增加水稻產(chǎn)量，提高水稻15N利用率和減少15N損失效果方面與前人結(jié)果有一定差異，分析原因可能有兩點(diǎn)：①氮肥去向和損失途徑受氣候、品種和施肥量等因素的影響，存在著很大的變異性[29]。包膜型控釋肥養(yǎng)分釋放受土壤溫度和水分影響很大[24,34]，由于淹水稻田，水分充足，故決定其養(yǎng)分釋放的主要因素是溫度[35]。本研究為晚稻季，水稻生長于7月底—10月底，前期（7—8月）氣溫較高，控釋尿素施入稻田后，高溫促進(jìn)了其養(yǎng)分的快速釋放，水稻移栽后到返青期吸氮量少，田面水中有大量NH4+存在，導(dǎo)致氨揮發(fā)損失嚴(yán)重[13,16,36]。②15N標(biāo)記控釋尿素包膜材料、釋放性能和制備方法不同。15N示蹤技術(shù)在聚合物包膜控釋肥料的研究非常有限，缺乏低成本且成熟完善的15N標(biāo)記包膜控釋肥料技術(shù)是主要原因[35,37]。本研究所用15N標(biāo)記控釋尿素為南京土壤研究所基于生物炭改性水基聚合物聚丙烯酸酯包膜控釋尿素，由于水基包膜具有較高的親水性，其控釋性能可能還不夠理想，田間實(shí)際釋放期太短[16-17,31]；而劉德林等[33]和鄭圣先等[18]所用15N標(biāo)記控釋尿素為湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過添加魔芋淀粉等粘合劑將粉狀15N標(biāo)記尿素用模具擠壓成型，用鄭圣先等研制出的包膜配方，在流化床內(nèi)用單管噴嘴細(xì)微霧狀噴涂大粒尿素生產(chǎn)出的15N標(biāo)記控釋尿素。有研究表明，添加了粘合劑的肥料顆粒與普通尿素相比，物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，肥料水解性能大大降低，從而影響了肥料養(yǎng)分的釋放[37]。盡管15N同位素示蹤控釋肥的制備還有待改進(jìn)，但是在研究水稻生育期對氮素的吸收利用特性和控釋尿素施入稻田后氮素的去向等問題，以及解釋控釋肥增產(chǎn)增效、減少氮素?fù)p失的機(jī)理上仍是一種有效的方法，為控釋肥料的研發(fā)、生產(chǎn)及推廣應(yīng)用等方面提供了理論依據(jù)。

15N示蹤技術(shù)是目前公認(rèn)的研究氮素行為和其環(huán)境行為最準(zhǔn)確的方法之一，它可以準(zhǔn)確的追蹤肥料氮施入土壤后的轉(zhuǎn)化與去向，區(qū)分作物吸收的氮素是來自于肥料還是來自于土壤，但其所測定的氮肥利用率數(shù)值不盡相同。一般認(rèn)為，標(biāo)記15N示蹤法測得的利用率低于差減法計(jì)算的表觀利用率[29]。本研究結(jié)果表明，差值法計(jì)算的氮肥表觀利用率比15N示蹤法測得的利用率平均高出19.6個百分點(diǎn)，這與鄭圣先等[13]的報(bào)道一致。有研究表明，“激發(fā)效應(yīng)”的存在，是示蹤法利用率低于差減法計(jì)算的表觀利用率的原因之一[38]。在15N標(biāo)記肥料試驗(yàn)中，經(jīng)常出現(xiàn)施氮處理的植株比不施氮處理吸收更多的土壤氮，這種土壤釋放氮隨施肥量的增加而增加的現(xiàn)象，被稱作“激發(fā)效應(yīng)”。本研究結(jié)果表明，施用普通尿素后，水稻激發(fā)氮量比控釋尿素高12.5%。劉德林等[33]報(bào)道，水稻控釋氮肥的激發(fā)效應(yīng)比普通尿素強(qiáng)，但在第四紀(jì)紅土發(fā)育的水稻土上的激發(fā)作用則表現(xiàn)得比較遲，這可能與控釋肥料的緩慢釋放有關(guān)。土壤氮素是作物吸收氮的主要來源，本試驗(yàn)中，成熟期水稻吸收土壤氮的比例為72.8%—75.8%，吸收肥料氮的比例為24.2%—27.2%，這與晏娟等[28]的報(bào)道基本一致。施用控釋尿素后，土壤15N殘留率為10.0%，比普通尿素處理提高了0.9個百分點(diǎn)。水稻收獲后，肥料15N主要?dú)埩粼?—20 cm土層中，約占總殘留量的78%，下層殘留量逐漸減少，但0—80 cm土層中均有分布。朱培立等[39]報(bào)道，氮肥施入土壤后，有相當(dāng)大一部分殘留在土壤中，其利用率僅2.5%。而殘留肥料氮本身的礦化勢與激發(fā)效應(yīng)呈正相關(guān)，殘留在土壤中的肥料氮，在追加無機(jī)氮源后，均產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)。土壤氮素殘留能夠補(bǔ)償土壤氮庫，并為下季作物吸收再利用，提高氮素的利用率[29]。因此，在水稻生產(chǎn)中，施用控釋尿素應(yīng)充分考慮上季作物殘留在土壤中的氮以及由施肥而產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)，適當(dāng)降低控釋尿素的施用量，增加對土壤殘留氮素的吸收利用，以降低生產(chǎn)成本，達(dá)到增產(chǎn)增效，提高肥料的利用率和減少環(huán)境污染的目的，助力“化肥零增長”的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

4.1 成熟期，控釋尿素（CRU）處理水稻莖和鞘的干物質(zhì)量比普通尿素（U）處理分別增加了17.3%和13.2%，其干物質(zhì)分配比例分別增加1.1和1.2個百分點(diǎn)；CRU處理水稻莖、鞘、穗和地上部15N積累量分別比U處理增加25.0%、20.0%、15.8%和13.3%；施用CRU促進(jìn)了水稻籽粒的灌漿速率，促進(jìn)了籽粒中干物質(zhì)的積累及氮素的同化和營養(yǎng)器官中養(yǎng)分向籽粒的迅速轉(zhuǎn)運(yùn)。

4.2 土壤氮素是水稻生長發(fā)育所需氮素的主要來源，水稻生育期吸收氮素來自土壤的氮素約占70%以上。與U處理相比，CRU處理增加了水稻吸收來自肥料的氮素達(dá)13.3%，Ndff提高2.9個百分點(diǎn)。

4.3 等氮量下，與U處理相比，CRU處理水稻產(chǎn)量和植株吸氮量略有增加，但統(tǒng)計(jì)上差異不顯著。CRU處理使水稻15N利用率提高了3.2個百分點(diǎn)，15N土壤殘留率增加了0.9個百分點(diǎn)，15N總回收率提高了4個百分點(diǎn)，15N損失率降低了4個百分點(diǎn)。

4.4 肥料氮在土壤中的殘留量隨土層深度的增加而顯著下降。水稻收獲后，肥料15N主要?dú)埩粼?—20 cm土層中，約占總殘留量的78%，可為下季作物吸收再利用，提高氮素的利用率。

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（責(zé)任編輯 李云霞，趙伶俐）

Studying the Fate and Recovery Efficiency of Controlled Release Urea in Paddy Soil Using15N Tracer Technique

LI PengFei1, LI XiaoKun1, HOU WenFeng1, REN Tao1, CONG RiHuan1, DU ChangWen2, Xing LieHuo3, WANG ShaoHua3, LU JianWei1

(1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University/Key Laboratory of Arable Land Conservation (Middle and Lower Reaches of Yangtze River), Ministry of Agriculture/Microelement Research Center, Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070;2The State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008;3Wuxue Bureau of Agriculture, Wuxue 435400, Hubei)

【Objective】The purpose of this paper was to compare the characteristics of nitrogen (N) transformation in soil-plant system between controlled release urea and conventional urea under optimum nitrogen, phosphorus and potassium rates, and to explore the utilization potential of controlled release urea-N and its effect on reducing N loss, and to study quantitatively on the fate and recovery efficiency of controlled release urea in paddy soil, thus providing basis for the efficient application of controlled release fertilizer. 【Method】A field microplot experiment was employed with three N fertilizer treatments (no N applied, CK;15N labelled conventional powder urea, U;15N labelled controlled release urea, CRU) to study fertilizer N uptake, distribution and translocation in rice, fertilizer N fate and recovery efficiency in paddy soil. 【Result】Dry matter and15N accumulation of stem and sheath by rice plants increased gradually along with the progress of rice growth, and reached the maximum at anthesis. Compared with U treatment, the dry matter of stem by rice plants in CRU treatment at anthesis increased by 13.8%, that of sheath was not significantly changed, and15N accumulation of stem and sheath by rice plants in CRU treatment increased by 62.5% and 25.5%, respectively, then decreased due to the continuous transfer of dry matter and15N of vegetative organs to grain. With the senescence of the leaves falling off, the dry matter and15N accumulation of leaves decreased gradually from the heading stage, reaching the minimum at maturity. Dry matter and15N accumulation of panicles increased from the booting stage, reaching the maximum at maturity. At maturity, compared with U treatment, the dry matter and15N accumulation of stem, sheath, panicles, and aboveground by rice plants in CRU treatment increased by 17.3%, 13.2%, 3.5%, 3.7% and 25.0%, 20.0%, 15.8%, 13.3%, respectively, while those of leaves decreased by 14.6% and 15.2%, respectively. From anthesis to maturity, the dry matter and15N translocation, translocation efficiency and contribution efficiency to grain in CRU treatment were 286.78 g·m-2, 32.3%, 30.8% and 2.69 g·m-2, 67.2%, 83.8%, respectively, slightly increased compared to U treatment, but not statistically significant. However, the nutrient supply from filling to maturity was abundant in CRU treatment, which promoted the grain filling rate of rice, and promoted the dry matter accumulation in grains, the assimilation of nitrogen, and the rapid transfer of nutrients from vegetative organs to grains. Compared with U, grain yield and N uptake of rice plants increased slightly, but there was no statistically significant difference; CRU treatment increased15N accumulation by 13.3%, improved15N use efficiency by 3.2 percentage points, increased N derived from15N fertilizer by 2.9 percentage points, increased soil15N residual rate by 0.9 percentage points, improved total15N recovery efficiency by 4.0 percentage points, and reduced15N loss by 4.0 percentage points. Regardless of application of controlled release urea or conventional urea, soil N was the main source of N for growth and development of rice, and the N from soil was more than 70% during rice growth period. The residual amount of fertilizer nitrogen in soil decreased significantly with the increase of soil depth. After harvest, fertilizer15N mainly remained in the 0-20 cm soil layer, accounting for 78% of the total residue. The second was 20-40 cm and 40-60 cm soil layer, and the fertilizer15N residue in the two soil layers was similar, accounting for about 19% of the total residue. Below 60 cm soil layer, there was still a trace amount of fertilizer15N residue, accounting for less than 4% of the total residue. 【Conclusion】Controlled release urea could improve dry matter and N accumulation, and increase the dry matter and N translocation after anthesis (especially from filling to maturity), and reduce the loss of fertilizer nitrogen while maintaining grain yield and improving fertilizer nitrogen use efficiency.

controlled release urea;15N tracer technique; fate of nitrogen; nitrogen use efficiency; paddy field

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.20.014

2018-01-19；

2018-05-25

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0200108）、國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303103）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2662017JC010）

李鵬飛，E-mail：lipengfei@webmail.hzau.edu.cn。通信作者李小坤，Tel：027-87288589；E-mail：lixiaokun@mail.hzau.edu.cn