稻田基施改性聚天門(mén)冬氨酸尿素的效果研究

趙 穎，王 娜 ，牛世偉，張 鑫，徐嘉翼，隋世江，任 軒

（1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110161；2.遼寧富友糧油貿(mào)易有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110164）

0 引言

【研究意義】化肥的有效投入是保障糧食增產(chǎn)最有效、最迅速的措施，對(duì)我國(guó)糧食單產(chǎn)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)40%～50%[1]。但初步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)化學(xué)氮肥利用率僅為35.0%左右[2]。水稻作為我國(guó)重要的糧食作物，農(nóng)民為追求高產(chǎn)往往投入過(guò)量氮肥，且習(xí)慣基肥用量較重，追肥用量較少，東北稻區(qū)尤為明顯[3]，而基肥期稻苗較小需氮量不高，加上大水漫灌泡田，這大大加劇了氮肥流失風(fēng)險(xiǎn)。基肥期氮肥的低利用率與高流失率易使數(shù)量龐大的化肥氮隨地表徑流、淋溶及揮發(fā)等損失掉，引起流域水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化，周?chē)諝赓|(zhì)量變差，對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成了威脅，已是不容忽視的事情。因此提高基肥期的氮肥利用率、減少氮素流失是亟待解決的問(wèn)題。尿素是水稻生產(chǎn)中最主要的氮素來(lái)源，尿素轉(zhuǎn)化與氮素利用和損失息息相關(guān)[4]，因此開(kāi)展緩控釋型尿素的開(kāi)發(fā)研究對(duì)于氮肥利用率的提高和氮肥流失的控制十分關(guān)鍵。【前人研究進(jìn)展】聚天門(mén)冬氨酸（Polyaspartic acid，PASP）是一種新興的可生物降解的環(huán)境友好材料，是一種人工仿生合成的水溶性高分子物質(zhì)，是由天門(mén)冬氨酸單體的氨基和羧基進(jìn)行分子間縮合脫水而成的縮聚產(chǎn)物[4]，具有無(wú)毒、無(wú)磷、無(wú)公害和可完全生物降解的特性，在國(guó)際上被認(rèn)為是“綠色化學(xué)品”[5]。分子中的羥基和羧基能螯合金屬離子，富集N、P、K及微量元素供給作物，提高作物對(duì)氮、磷、鉀的利用，具有極強(qiáng)的螯合、分散、吸附和緩慢釋放養(yǎng)分等作用，常作為肥料增效劑和緩釋劑應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[5-10]。改性PASP是通過(guò)化學(xué)改性在PASP 分子鏈上引入官能團(tuán)，使原來(lái)主鏈上無(wú)活性基團(tuán)的聚合物功能化，或者改變PASP分子鏈的空間分布，延長(zhǎng)分子鏈或形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改性PASP效能顯著增強(qiáng)[11-12]。PASP與尿素復(fù)配，將尿素包裹在內(nèi)，緩控尿素在土壤中轉(zhuǎn)化與釋放，延長(zhǎng)尿素養(yǎng)分持效期[13-14]，改善土粒結(jié)構(gòu)和提高土壤全氮含量[15]，促進(jìn)植株氮素吸收利用，提高作物產(chǎn)量與氮肥利用率[16-21]，穩(wěn)定糧食安全的同時(shí)降低了氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。【本研究切入點(diǎn)】現(xiàn)有研究報(bào)道主要集中常規(guī)PASP對(duì)旱田作物增產(chǎn)效果和增產(chǎn)機(jī)制及氮肥利用率等方面，而研究改性PASP對(duì)水稻產(chǎn)量、氮肥利用率和田面水氮素變化等方面的應(yīng)用效果相關(guān)報(bào)道較少，尤其未見(jiàn)關(guān)于基施不同分子量的改性聚天尿素應(yīng)用效果綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以遼寧省水稻高產(chǎn)區(qū)遼河三角洲為試驗(yàn)區(qū)域，基于減量施氮情況下，將不同分子量改性PASP與尿素進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)大田試驗(yàn)研究基施不同分子量改性聚天尿素對(duì)稻田田面水氮素動(dòng)態(tài)變化、水稻氮吸收利用及生長(zhǎng)影響，采用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)改性聚天尿素的應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期獲得改性PASP的最佳分子量，進(jìn)而為水稻生產(chǎn)、稻田面源污染防控提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2018年5～9月在遼寧省盤(pán)錦市盤(pán)山縣壩墻子鎮(zhèn)煙李村（北緯 41°10'29''，東經(jīng) 122°15'9''）進(jìn)行。試驗(yàn)點(diǎn)所在區(qū)域位于遼河三角洲中心地帶，是濱海鹽土和鹽漬化土壤分布區(qū)，年均降雨量612 mm，年平均溫度8.4 ℃，全年無(wú)霜期約174 d。土壤為中等肥力水稻土。耕層土壤理化性質(zhì)參見(jiàn)文獻(xiàn)[22]。

1.2 試驗(yàn)材料

供試水稻品種為鹽豐47。供試氮肥為大顆粒尿素（含N 46%）、改性聚天尿素（改性PASP選用聚天門(mén)冬氨酸鈣鹽，分子量分別為7 500、10 000、12 500和14 700，添加量按尿素質(zhì)量的0.3%計(jì)算）；磷肥和鉀肥分別為磷酸二銨（P2O546%、N 18%）和氯化鉀（K2O 60%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)水稻氮肥基施處理：CK為不施肥，T1為大顆粒尿素，T2為7 500改性聚天尿素，T3為10 000改性聚天尿素，T4為12 500改性聚天尿素，T5為14 700改性聚天尿素。除對(duì)照外，T1～T5處理的基施氮占總氮的80%，剩余20%的氮在分蘗期施用，追肥均用常規(guī)尿素；氮肥（N）用量為210 kg·hm-2、磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）全部作為基肥一次施入，用量均為90 kg·hm-2。每個(gè)處理3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)間田埂上覆塑料薄膜，防止串灌串排。施肥后旋耕泡田，其他田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法進(jìn)行。

1.4 樣品采集與測(cè)定

分別于施肥后第1、3、5、7、10、15 天的上午10:00采集田面水，采集后置于裝有凍冰的保溫箱帶回，AA3 流動(dòng)分析儀（Bran Luebbe，德國(guó)）測(cè)定全氮（TN）、硝態(tài)氮（NO3--N）、氨態(tài)氮（NH4

+-N）含量。水稻成熟時(shí)，3點(diǎn)取樣法沿土表收割水稻地上部分，每點(diǎn)收割1 m2樣方，測(cè)定籽粒和秸稈生物量及水稻株高、有效分蘗。采用凱氏定氮法測(cè)定籽粒和秸稈的全氮含量，然后根據(jù)公式計(jì)算水稻的氮素累積吸收量、氮肥表觀利用率[23]。

1.5 數(shù)據(jù)整理與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，用SPSS 19.0軟件檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯著性差異。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法[24]對(duì)不同施肥處理的應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。效果評(píng)價(jià)方法參照文獻(xiàn)[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田田面水TN動(dòng)態(tài)變化

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)期稻田田面水TN分析發(fā)現(xiàn)（圖1），CK處理的田面水TN含量整體處于較低水平；施基肥后，各施肥處理的田面水TN含量均高于CK處理，說(shuō)明施用氮肥可增加田面水TN。施肥后第1天所有施肥處理的田面水TN含量即達(dá)到峰值，其中大顆粒尿素T1處理的田面水TN含量最大，為48.09 mg·L-1，高于所有改性聚天尿素處理（T2～T5），在第7～15 天差異顯著；而在改性聚天尿素處理中，峰值期的T3處理田面水TN含量最小，較T1處理顯著降低了26.81%，其次T2和T4處理分別顯著降低了23.77%、22.53%，而T5處理與T1處理無(wú)顯著差異。各施肥處理田面水TN含量隨著時(shí)間推移呈降低趨勢(shì)，于第10 天降至峰值的9.89%～26.44%，改性聚天尿素處理的田面水TN含量較T1處理顯著降低了43.67%～72.61%，其中T3處理與CK處理差異不顯著。

圖1 田面水TN含量變化Fig.1 Change of TN concentrations in the surface water

2.2 稻田田面水NH4+-N動(dòng)態(tài)變化

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)期稻田田面水NH4+-N含量分析發(fā)現(xiàn)（圖2），CK處理的田面水NH4+-N含量整體處于較低水平。在施肥后第3 天，各施肥處理田面水NH+-

圖2 田面水NH4+-N含量變化Fig.2 Change of NH4+-N concentrations in the surface water

4N含量均達(dá)到峰值，而后迅速下降，于第10 天降至峰值的4.75%～15.77%后逐漸趨于穩(wěn)定。在施肥后第3天峰值期，與T1處理相比，改性聚天尿素處理（T2、T3、T4）田面水NH4+-N含量顯著降低了24.54%～56.66%，與T5處理差異不顯著。在改性聚天尿素處理中，峰值期的T3處理的田面水NH4+-N含量最低，較T2、T4和T5處理顯著降低了36.84%～45.67%，其中T2處理的田面水NH4+-N含量低于T4和T5處理，差異不顯著；在施肥后第5～10 天，T2、T3處理的田面水NH4+-N含量低于T4和T5處理，其中T3處理的田面水NH4+-N含量較其他改性聚天尿素處理（T2、T4、T5）顯著降低了46.00%～81.17%，尤其在第10 天，與CK處理差異不顯著。

2.3 稻田田面水NO3--N動(dòng)態(tài)變化

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)期稻田田面水NO3--N含量分析發(fā)現(xiàn)（圖3），CK處理的田面水NO3--N含量整體處于較低水平。在施基肥后第1 天，所有施肥處理的田面水NO3--N含量到達(dá)最高，而后即呈迅速下降趨勢(shì)，于第7 天降至峰值的7.14%～17.81%后趨于穩(wěn)定。在施肥后1～7 d，改性聚天尿素處理（T2～T5）的田面水NO3--N含量較T1處理降低了6.53%～66.64%，與T2、T3處理差異顯著；而在施肥后3～7 d，T2、T3處理低于T4、T5處理，在第7 天差異顯著。

圖3 田面水NO3--N含量變化Fig.3 Change of NO3--N concentrations in the surface water

2.4 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

通過(guò)對(duì)水稻籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、有效分蘗、株高的分析發(fā)現(xiàn)（表1），所有施肥處理（T1～T5）水稻有效分蘗數(shù)、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量均顯著高于不施肥處理（CK），T1、T3處理水稻株高顯著高于CK處理。與T1處理相比，T2、T3的水稻有效分蘗數(shù)、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量相對(duì)增加，并且T3處理籽粒產(chǎn)量顯著高于T1處理，水稻增產(chǎn)8.22%。說(shuō)明施用氮肥可促進(jìn)水稻增產(chǎn)，且適宜分子量的改性聚天尿素可有效促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，提高水稻產(chǎn)量。

表1 水稻株高、有效分蘗數(shù)及產(chǎn)量Table 1 Rice height, effective tiller number and yield

2.5 不同處理對(duì)水稻氮素吸收量和氮肥利用率的影響

與CK處理相比，所有施肥處理水稻籽粒和秸稈氮吸收量均顯著增高（圖4）。在施肥處理組中，與

圖4 水稻籽粒和秸稈氮吸收量Fig.4 N uptake by rice grain and straw

T1處理相比，改性聚天尿素處理（T2～T5）水稻籽粒和秸稈氮吸收量均高于T1處理，氮累積吸收量增加了19.64%～44.66%，其中T3處理效果最好，籽粒、秸稈氮吸收量相對(duì)于T1處理顯著增加了36.47%

和62.39%。如圖5所示，改性聚天尿素處理提高了氮肥表觀利用率16.85～38.31個(gè)百分點(diǎn)，其中T3

圖5 水稻氮肥表觀利用率Fig.5 Nitrogen utilization rate of rice

處理氮肥表觀利用率達(dá)79.37%，與T1處理相比顯著提高了38.31個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明添加改性PASP能促進(jìn)水稻吸收氮素，增加水稻氮素累積，提高氮肥表觀利用率，尤其T3處理。

2.6 不同施肥處理應(yīng)用效果綜合評(píng)價(jià)

灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示，在單指標(biāo)關(guān)聯(lián)度中，基肥期田面水TN含量關(guān)聯(lián)度、植株生物量關(guān)聯(lián)度相對(duì)較大，分別為0.769 6和0.729 7，其次是植株氮累積吸收量為0.663 9，表明不同施肥處理對(duì)稻田田面水TN含量、水稻氮吸收和生長(zhǎng)的影響最大（表2）。從綜合指標(biāo)關(guān)聯(lián)度與排序來(lái)看，T3處理關(guān)聯(lián)度最高，其次依次為T(mén)2、T4和T5處理，T1處理關(guān)聯(lián)度最低，表明改性聚天尿素好于大顆粒尿素，尤其添加分子量10 000的改性PASP效果較明顯。

表2 應(yīng)用效果綜合評(píng)價(jià)排序Table 2 Comprehensive evaluation sorting of application effect

3 討論

3.1 改性聚天尿素對(duì)田面水氮素含量的影響

本試驗(yàn)中，不同分子量改性聚天尿素對(duì)基肥時(shí)期田面水TN、NH4+-N、NO3--N含量的影響存在一定差異。改性聚天尿素處理（T2～T5）的田面水TN、NH4+-N含量均低于等量大顆粒尿素處理，其中T3處理的田面水NH4+-N含量最低，其原因可能是，尿素外層包裹的10 000改性聚天溶解速度相對(duì)較慢，因而抑制了尿素釋放速度；其次是分子量10 000的改性PASP分子結(jié)構(gòu)更利于吸附較多的NH4+-N并將其轉(zhuǎn)運(yùn)到土壤里；再者是分子量10 000的改性PASP分子結(jié)構(gòu)有利于土壤中相應(yīng)的酶與其活性位點(diǎn)相結(jié)合，分解改性PASP分子結(jié)構(gòu)主鏈，使其斷裂成片段[25]，并裸露出大量的羧基與田面水中的NH4+-N螯合，形成作物易吸收的形態(tài)并促進(jìn)作物吸收利用，使田面水NH4+-N含量降低。同時(shí)改性PASP抑制了銨態(tài)氮硝化作用[26]，降低了田面水中NO3--N含量，這可能是一方面改性聚天尿素降解相對(duì)緩慢，因而生成較少的NH4+-N，硝化作用減弱，生成較少的NO3--N；一方面改性PASP與NH4+-N螯合，NH4+-N濃度不斷降低，硝化形成的NO3--N相對(duì)減少[12]；另外由于長(zhǎng)期處于淹水條件下，減弱的硝化作用及增強(qiáng)的反硝化作用，致使田面水NO3--N濃度不斷降低[27]；再者水稻為喜銨作物，對(duì)于NH4+-N的需求高于NO3--N[28-29]，隨著-N被水稻吸收利用，硝化形成的NO3--N相對(duì)減少。另外隨著NO3--N向下移動(dòng)，發(fā)生淋溶損失，也降低了田面水NO3--N濃度。

3.2 改性聚天尿素對(duì)水稻產(chǎn)量、氮素累積量及氮肥利用率的影響

本試驗(yàn)中，與不施肥處理（CK）相比，所有施肥處理的水稻產(chǎn)量均有所提高，表明水稻生產(chǎn)過(guò)程中有必要人為補(bǔ)充氮肥。并且所有施肥處理相對(duì)于CK，水稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量指標(biāo)均顯著提高，說(shuō)明氮肥的施用是水稻產(chǎn)量增加的關(guān)鍵因素。與T1處理相比，T3處理水稻增產(chǎn)8.22%，氮肥累積吸收量增加了44.66%，氮肥表觀利用率提高了38.31個(gè)百分點(diǎn)，表明添加分子量10 000的改性聚天尿素既可以提高水稻產(chǎn)量，又能實(shí)現(xiàn)氮肥高效利用。這可能是由于添加改性PASP后，氮素釋放與水稻生長(zhǎng)需氮規(guī)律實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)一致，有利于水稻養(yǎng)分吸收，促進(jìn)水稻干物質(zhì)積累，增加水稻產(chǎn)量，提高氮料利用率。而分子量12 500和14 700的改性聚天尿素處理水稻產(chǎn)量低于大顆粒尿素處理，但差異不顯著，這可能受土壤性質(zhì)、氣候條件、施肥方式、施肥時(shí)期等因素的影響，需另行設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 改性聚天尿素應(yīng)用效果的綜合評(píng)價(jià)

利用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)不同分子量改性聚天尿素應(yīng)用效果相關(guān)的主要指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出改性PASP的最佳分子量，避免利用單一指標(biāo)評(píng)價(jià)改性聚天尿素效果的片面性，評(píng)價(jià)更加客觀全面，能真實(shí)地反映不同分子量改性聚天尿素的實(shí)際應(yīng)用效果。本試驗(yàn)中，將田面水氮素含量、植株生物量和氮累積吸收量以及氮肥利用率等作為主要比較指標(biāo)，單指標(biāo)關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)聯(lián)度相對(duì)較大的為田面水TN含量和植株生物量，其次是植株氮累積吸收量，因此推薦水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量以及田面水TN含量作為不同分子量改性聚天尿素應(yīng)用效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。從綜合指標(biāo)關(guān)聯(lián)度排序來(lái)看，T3處理關(guān)聯(lián)度最高，其次依次為T(mén)2、T4和T5處理，T1處理關(guān)聯(lián)度最低，表明改性聚天尿素對(duì)于提高氮肥利用效率和防控氮素流失具有較好的作用效果，其中添加10 000分子量的改性PASP效果最佳。

4 結(jié)論

應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)減量施肥下基施不同分子量改性聚天尿素應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，兼顧水稻產(chǎn)量、氮吸收和田面水氮素濃度等因素，推薦遼河三角洲稻區(qū)基肥應(yīng)用分子量10 000的改性聚天尿素，有助于保障糧食穩(wěn)定和環(huán)境安全。本研究?jī)H是一年大田試驗(yàn)結(jié)果，相關(guān)結(jié)論有待于進(jìn)一步開(kāi)展多年田間熟化驗(yàn)證，以保證改性聚天尿素規(guī)模化推廣應(yīng)用效果。