聚天門冬氨酸尿素對稻田田面水氮素濃度及產(chǎn)量的影響

倪承凡，張富林*，吳茂前，夏 穎，張志毅，劉冬碧， 范先鵬，熊桂云，馬 路，高 立

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院植保土肥研究所，國家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測實驗站，湖北省農(nóng)業(yè)面源 污染防治工程技術研究中心，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部潛江農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測實驗站， 農(nóng)業(yè)環(huán)境治理湖北省工程研究中心，湖北 武漢 430064；2.鄂州市土壤肥料工作站， 湖北 鄂州 436000；3.浠水縣農(nóng)業(yè)環(huán)境保護站，湖北 浠水 438200）

水稻是我國第一大糧食作物，播種面積約0.3億hm2，產(chǎn)量約占糧食總產(chǎn)量的40%。水稻氮肥用量約占世界氮肥消耗總量的7%［1］，但其氮肥當季利用率低于世界平均水平，僅為30%左右［2］。水稻氮肥利用率較低，不僅會造成氮肥的浪費，同時也會導致嚴重的面源污染問題。要防控水稻氮素面源污染，途徑之一是降低田面水中氮素濃度，因為田面水中氮素是水稻氮素損失的直接來源［3］。因此，研究能降低水稻田面水中氮素濃度的新材料或者新型肥料，對防控稻田氮素面源污染具有重要意義。

聚天冬氨酸是一類可完全生物降解的綠色聚合物［4-6］，具有良好的螯合、吸附等性能，常被用作肥料增效劑和緩釋劑［7-8］。較多的研究表明，聚天冬氨酸對玉米、小麥等旱地作物有增產(chǎn)，促進養(yǎng)分吸收的作用［9-11］。但是，對聚天門冬氨酸在水稻上的施用效果，特別是對稻田田面水中氮素濃度影響的研究較少。

由于單獨施用或者在施用尿素時人工添加聚天門冬氨酸，不僅費時費力，也不利于其作用的發(fā)揮。普通聚天門冬氨酸性能有限，因此通過改性能來提升其對氮素等養(yǎng)分的吸附能力。聚天門冬氨酸尿素是國家重點研發(fā)計劃項目“水稻主產(chǎn)區(qū)氮磷流失綜合防控技術與產(chǎn)品研發(fā)”支持下研發(fā)的由改性聚天門冬氨酸和尿素制成的新型肥料。本研究通過大田試驗，研究聚天門冬氨酸尿素對水稻田面水中氮素形態(tài)及濃度、產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響，以期揭示聚天門冬氨酸尿素在水稻上的增產(chǎn)減排效果，進而為提高我國水稻氮肥利用率，防控氮素面源污染提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本試驗于2019年6月至9月在湖北省安陸市洑水鎮(zhèn)車站村進行。試驗點所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，年均降水量1 084.4 mm，年均氣溫16.2 ℃，全年無霜期約246 d。土壤為黃棕壤發(fā)育的水稻土。試驗初期耕層土壤基本理化性質(zhì)：pH 6.12，有機質(zhì)11.35 g·kg-1，全氮1.43 g·kg-1，全磷0.37 g·kg-1，全鉀13.22 g·kg-1，堿解氮88.62 mg·kg-1，有效磷7.67 mg·kg-1，速效鉀74.40 mg·kg-1，硝態(tài)氮14.14 mg·kg-1，銨態(tài)氮4.59 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

大田試驗，設不施肥（NF）、普通尿素（CU）、聚天門冬氨酸尿素（PU）3個處理，每個處理3次重復，共9個小區(qū)，每個處理小區(qū)面積為20 m2，隨機區(qū)組排列。不施肥處理不施用任何肥料，普通尿素和聚天門冬氨酸尿素處理的氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥的施用量相同，分別為N165、P2O590、K2O 120 kg·hm-2。聚天門冬氨酸尿素是由改性聚天門冬氨酸和尿素制成，其中改性聚天門冬氨酸的含量為0.3%，氮含量為46.1%。改性聚天門冬氨酸是由馬來酸酐和氨水為原料，采用側(cè)鏈改性的方法制備。磷肥和鉀肥均為普鈣和氯 化鉀。

氮肥分基肥（40%）、分蘗肥（30%）和穗肥（30%）施用；磷肥全部作為基肥施用；鉀肥分基肥（50%）和穗肥（50%）施用?；嗜^(qū)撒施，施后再耖田一次；分蘗肥和穗肥全小區(qū)撒施?；省⒎痔Y肥和穗肥的施用時間分別為6月6日、 6月14日、7月21日。水稻品種為晶兩優(yōu)黃莉占，按16.7 cm × 26.7 cm的密度人工栽秧，每蔸2株。試驗于6月6日移栽，9月23日收獲。試驗過程中水分管理按當?shù)亓晳T進行，群體80%夠苗后自然斷水曬田，收獲前一周自然斷水。

1.3 樣品采集與測試

田面水氮素濃度：每次施肥后動態(tài)采集田面水水樣，施肥后10 d內(nèi)每2 d取一次，而后每5 d取一次樣，每天10：00取樣，每個小區(qū)采集5個樣點，混合后測定總氮（TN）、硝態(tài)氮（NO3--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）。TN采用堿性過硫酸鉀消解－紫外分光光度法測定，NO3--N采用紫外分光光度法測定，NH4+-N采用靛酚藍比色法測定。水稻產(chǎn)量：田間小區(qū)實打?qū)嵤铡?/p>

產(chǎn)量構成因子：在收獲前，每個小區(qū)田間選30株水稻調(diào)查有效穗數(shù)，每小區(qū)按其平均有效穗數(shù)采集考種樣，測定單穗實粒數(shù)和千粒重。

植株全氮含量：采用凱氏定氮法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和繪圖采用Excel 2019、SPSS 11.5進行，差異顯著分析用最小顯著差異法（LSD）進行。

2 結果與分析

2.1 聚天門冬氨酸尿素對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因子的影響

從產(chǎn)量結果可知（表1），不施肥處理水稻籽粒產(chǎn)量為7 295.7 kg·hm-2，施肥后產(chǎn)量明顯增加，而且聚天門冬氨酸尿素處理的產(chǎn)量比普通尿素處理略高，增產(chǎn)2.9%，但二者之間差異不顯著（P＞0.05）。進一步對產(chǎn)量構成因子分析，發(fā)現(xiàn)與普通尿素處理相比，聚天門冬氨酸尿素對水稻單株有效穗數(shù)沒有明顯影響，但對單穗實粒數(shù)和千粒重有增加的作用，但增加作用不顯著。

表1 不同處理水稻籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因子

2.2 聚天門冬氨酸尿素對水稻氮吸收的影響

對水稻吸氮量分析可知，NF處理水稻籽粒和秸稈吸氮量分別為59.4和25.4 kg·hm-2，總吸氮量為84.8 kg·hm-2。施肥后水稻各部分的吸氮量均明顯增加，而且與CU處理相比，PU處理各部分吸氮量均有增加的趨勢，籽粒、秸稈及總吸氮量分別增加8.7%、15.9%和10.5%，但二者之間差異不顯著（圖1）。

圖1 不同處理水稻籽粒和秸稈吸氮量

2.3 聚天門冬氨酸尿素對田面水中氮素的影響

2.3.1 聚天門冬氨酸尿素對田面水中氮素濃度的影響

從圖2可以看出，PU和CU處理氮素濃度的變化規(guī)律一致。田面水中TN濃度均在每次施肥后1 d達到峰值，而后逐漸降低。NH4+-N濃度在施基肥和分蘗肥后均先增加而后逐漸降低，施穗肥后立即達到峰值而后逐漸降低，直至與不施肥基本接近。NO3--N的濃度在施基肥后逐漸上升，施分蘗肥后5 d達到峰值而后迅速降低至與不施肥基本相同，施穗肥后濃度基本穩(wěn)定在1 mg·L-1左右，并與不施肥處理基本相同。施基肥和分蘗肥后TN、NH4+-N、NO3--N濃度明顯高于施穗肥后的濃度。

但與普通尿素相比，聚天門冬氨酸尿素能降低施肥后初期（施基肥后1～7 d，分蘗肥后1～5 d，穗肥后1～3 d）田面水中氮素濃度。3次施肥后初 期，聚天門冬氨酸尿素處理的TN、NH4+-N、NO3--N平均濃度分別為34.2、12.0、4.5 mg·L-1，分別比CU處理低10.6%、11.1%、5.4%（圖2）。

圖2 不同處理田面水中氮素濃度的動態(tài)變化

2.3.2 聚天門冬氨酸尿素對田面水中氮素形態(tài)構成的影響

對氮素形態(tài)構成分析可知（表2），在不施氮肥條件下，稻田田面水中氮素以NO3--N為主，占TN的比例高達63.6%，而NH4+-N僅為16.1%；但在施氮條件下，均是NH4+-N占比要高于NO3--N，而且不論是NO3--N還是NH4+-N，PU處理的占比均與CU基本相同，二者NO3--N占TN的比重分別為15.0%和14.3%，NH4+-N占比分別為36.3%和35.4%。

表2 不同處理田面水中氮素形態(tài)構成 （%）

3 討論

3.1 水稻產(chǎn)量及氮素吸收

聚天門冬氨酸是由天門冬氨酸單體的羧基和氨基進行分子間脫水縮合而成，是一種環(huán)境友好、可完全生物降解的氨基酸類聚合物。聚天門冬氨酸具有良好的螯合、吸附等性能，可吸附氮素等養(yǎng)分元素供給植物，有助于植物對肥料養(yǎng)分的吸收，促進農(nóng)作物生長，因而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常被用作肥料增效劑和緩釋劑［7-8］。但普通聚天門冬氨酸性能有限，通過改性將聚天門冬氨酸分子鏈上引入官能團，使原來主鏈上無活性基團的聚合物功能化，或者改變聚天門冬氨酸分子鏈的空間分布，延長分子鏈或形成三維網(wǎng)狀結構［12-14］，改性后的聚天門冬氨酸效能顯著增強。本研究中的聚天門冬氨酸尿素是由改性聚天門冬氨酸和尿素制成的新型肥料，本改性聚天門冬氨酸具有分子量大、側(cè)鏈長、螯合基團較多、降解時間長等特性，對氮素等養(yǎng)分的吸附能力更為突出。

已有關于聚天門冬氨酸對作物生長發(fā)育及養(yǎng)分吸收的研究表明，聚天門冬氨酸有促進玉米［9-10］、小麥［11］等作物養(yǎng)分吸收、增加產(chǎn)量的作用。但聚天門冬氨酸對水稻生長影響的研究較少。在對東北單季稻上的研究表明，聚天門冬氨酸/鹽的施用有利于水稻生長及產(chǎn)量提高，水稻株高、有效穗數(shù)、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量以及氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量均表現(xiàn)出增加趨勢，其中改性聚天門冬氨酸鈣鹽能使水稻株高、有效穗數(shù)、秸稈產(chǎn)量及籽粒氮含量分別增加12.0%、13.8%、9.3%、8.3%，氮肥表觀利用率提高了8.4%［15］。在江蘇南通的研究表明，聚天門冬氨酸能增加單穗實粒數(shù)和千粒重，能使水稻增產(chǎn)5.1%～6.3%［16］。本研究中，聚天門冬氨酸尿素處理的產(chǎn)量比普通尿素處理的高2.9%，并有一定的增加水稻單穗實粒數(shù)和千粒重的作用，但對水稻有效穗數(shù)沒有明顯影響（表1），聚天門冬氨酸尿素處理水稻吸氮量增加10.5%（圖1）。這表明，聚天門冬氨酸尿素有一定的增加水稻單穗實粒數(shù)和千粒重，進而增產(chǎn)的作用，也有一定的促進水稻氮素吸收的作用。

3.2 田面水中氮素形態(tài)及動態(tài)變化

有研究表明，在不施氮條件下，田面水中氮素以NO3--N為主，占TN的比例高達35.4%［17］，但在施氮條件下，NH4+-N是主要存在形態(tài)［17-19］，占TN的比例在44.7%以上，本研究也表明，NH4+-N是稻田的主要存在形態(tài)，占TN的比重高達35%以上，而且PU與CU處理之間沒有明顯差別（表2）。這表明，施用聚天門冬氨酸尿素不會對田面水中氮素形態(tài)構成產(chǎn)生影響。

以往研究表明，施用尿素后，稻田田面水中TN濃度立即達到峰值，而后逐漸降低［3，19-22］，而且施穗肥TN濃度降低速度更快，其濃度也顯著低于施基肥和分蘗肥［17］。本研究中PU處理和CU處理施肥后田面水中TN的變化規(guī)律均與以往研究結果類似（圖2）。因氨揮發(fā)是稻田氮素的重要損失途徑［23-27］，且與田面水中NH4+-N濃度關系密切，因而有大量關于施尿素后田面水中NH4+-N濃度變化規(guī)律的研究。有研究表明，田面水中NH4+-N濃度是先升高而后迅速降低［3，21-22］，但也有研究表明，NH4+-N濃度在施肥后就立即達到峰值［18-19］，也有研究表明，田面水中NH4+-N在施基肥和分蘗肥是先升高后降低，但施穗肥后立即達到峰值而后迅速降低，而且施穗肥后NH4+-N濃度顯著低于施基肥和分蘗肥的濃度［17］。不同研究中，稻田田面水中NH4+-N濃度動態(tài)變化規(guī)律的差異，可能主要與氣溫有關。如果施肥時，氣溫低，脲酶活性就低，尿素水解慢，田面水中NH4+-N濃度會呈現(xiàn)先增加后降低的特點。如果氣溫較高，尿素水解快，則會呈現(xiàn)立即達到峰值而后降低的特點。施穗肥后NH4+-N濃度顯著低于施基肥和分蘗肥后的濃度，則與施肥時土壤水分含量差異有關。穗肥是在水稻曬田結束后施用，施穗肥時的土壤水分含量遠低于施基肥和孽肥，穗肥中的很多氮素會隨水進入土壤中，因而施穗肥后田面水中NH4+-N濃度就明顯較低。本研究中，不論是PU處理還是CU處理，NH4+-N濃度在施基肥和分蘗肥后都是先增加后降低，但施穗肥后立即達到最大，而后迅速降低，且施穗肥后的濃度明顯低于施基肥和分蘗肥（圖2）。此外，本研究中PU處理和CU處理的NO3--N濃度動態(tài)變化規(guī)律也相同（圖2）。由此可見，施用聚天門冬氨酸尿素并不會對田面水中不同形態(tài)氮素的動態(tài)變化規(guī)律產(chǎn)生影響。

徐嘉翼等［15］在遼寧水稻上的研究表明，添加聚天門冬氨酸/鹽可以降低施尿素后初期田面水中TN、NH4+-N、NO3--N濃度。本研究也表明，聚天門冬氨酸尿素處理3次施肥后初期（施基肥后1～7 d，分蘗肥后1～5 d，穗肥后1～3 d）田面水中TN、NH4+-N、NO3--N平均濃度分別比普通尿素處理低10.6%、11.1%、5.4%（圖2）。這表明，與普通尿素相比，聚天門冬氨酸尿素可以降低田面水氮素濃度。聚天門冬氨酸尿素之所以能降低田面水中氮素濃度，與聚天門冬氨酸有較強的絡合、吸附能力有關，聚天門冬氨酸/鹽對養(yǎng)分離子的交換吸附力約為土壤膠體的100倍［8］。

綜上可知，聚天門冬氨酸尿素會降低田面水中氮素的濃度，但不會對田面水中氮素的形態(tài)構成和動態(tài)規(guī)律產(chǎn)生影響。又因田面水中氮素是稻田氮素損失的直接來源［8］，因此，施用聚天門冬氨酸尿素可以對防控稻田氮素流失有一定的作用。

4 結論

聚天門冬氨酸尿素會降低施肥后初期田面水中TN、NH4+-N、NO3－-N的濃度，但不會對田面水中氮素的形態(tài)構成和動態(tài)規(guī)律產(chǎn)生影響。

聚天門冬氨酸尿素有一定的促進水稻氮素吸收的作用，能使水稻吸氮量較普通尿素增加 10.5%。

聚天門冬氨酸尿素有一定的增產(chǎn)作用，能使水稻籽粒產(chǎn)量比普通尿素增加2.9%，且主要通過增加單穗實粒數(shù)和千粒重實現(xiàn)。

聚天門冬氨酸尿素是一種可以用于防控稻田氮素流失，并能保障水稻產(chǎn)量的新型肥料。