彭瑞雪，朱建強(qiáng)，吳啟俠*，喬月，周乾順，范楚江，段小麗，楊利*

（1.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院/濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064）

水稻是我國主要糧食作物，種植面積廣泛[1]。氮肥的施用是保障水稻高產(chǎn)的基礎(chǔ)，我國農(nóng)業(yè)氮肥用量大[2?3]，占全球總量的33%，但是農(nóng)作物對氮肥的當(dāng)季利用率僅為30%～40%[4?5]。氮肥的不合理施用，在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，造成大量氮素流失，導(dǎo)致土壤酸化、溫室氣體排放和水體富營養(yǎng)化等[6?7]一系列問題，對土壤培育和糧食生產(chǎn)具有長期的不良影響。目前，由于生產(chǎn)成本的提高以及勞動(dòng)力的日益短缺，直播稻憑借其省時(shí)省力、節(jié)約成本的優(yōu)勢越來越受到青睞[8]。在江漢平原地區(qū)，直播稻是發(fā)展較為迅速的種植模式，播種前會(huì)在稻田淺水層狀態(tài)下施入大量基肥，短期內(nèi)進(jìn)行排水播種，保持田間濕潤無水層狀態(tài)（播種到三葉一心期）。若排水曬田不及時(shí)或遇降雨，會(huì)導(dǎo)致水稻在扎根立苗階段發(fā)生爛種、爛芽，造成缺苗現(xiàn)象[9]，同時(shí)造成稻田氮、磷等養(yǎng)分大量流失。因此，在追求水稻高產(chǎn)的同時(shí)，還需考慮氮肥施用對環(huán)境造成的污染[10?11]。

徑流和氨揮發(fā)是稻田氮損失的兩個(gè)重要途徑[12?13]。薛利紅等[14]研究發(fā)現(xiàn)，太湖流域稻田氨揮發(fā)約占總施氮量的29%～35%；王桂良等[15]的研究表明，長江流域單季稻田氮素徑流損失量達(dá)10.4 kg·hm?2，高于氮淋洗和N2O 排放量。諸多研究表明，在農(nóng)業(yè)管理措施中，氮肥類型、施用量及施用時(shí)間等均顯著影響氮素的徑流和氨揮發(fā)[16?19]。曹湊貴等[20]的研究表明，新型緩效有機(jī)肥（脲肽磷復(fù)肥）處理下稻田的氨揮發(fā)量最小，其次為包膜尿素、復(fù)合肥、尿素[21]。在氮肥施用方式與施用時(shí)間的影響方面，水稻生育前期施用氮肥雖有利于水稻的返青和分蘗[22]，但施入大量氮肥作為基肥，會(huì)因水稻還未形成龐大的根系群體來吸收大量的養(yǎng)分而加劇氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)[23]。適當(dāng)降低水稻生育前期的施氮量，增加水稻生育中后期的氮肥施用比例[24]，可以達(dá)到增產(chǎn)或穩(wěn)產(chǎn)的效果，同時(shí)提高氮肥利用率[25?26]。因此，開展直播稻田施氮類型及氮肥運(yùn)籌比（基蘗肥比例）對氮素?fù)p失和氮素利用的影響研究具有重要科學(xué)意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

本研究以江漢平原直播稻為研究對象開展田間觀測試驗(yàn)，探究不同氮肥條件下稻田徑流氮流失與氨揮發(fā)的變化特征，以及產(chǎn)量性狀和氮肥利用率，以期為該區(qū)域直播稻氮肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在湖北省荊州區(qū)長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院基地（30°21′N，112°09′E）標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)進(jìn)行，該區(qū)地處江漢平原，試驗(yàn)期（2020年5月26日—9月25日）平均氣溫26.36 ℃，降水量為800.20 mm（圖1，氣象數(shù)據(jù)來源于湖北省荊州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站）。耕作層（0～20 cm）土壤基本性狀為：pH 值7.47，有機(jī)質(zhì)21.32 g·kg?1，全氮2.13 g·kg?1，全磷0.38 g·kg?1，全鉀13.68 g·kg?1，堿解 氮113.22 mg·kg?1，有效磷11.90 mg·kg?1，速效鉀204.05 mg·kg?1。

圖1 水稻生育期主要?dú)庀笠谾igure 1 Main meteorological elements in rice growth period

1.2 供試材料

直播稻供試品種為鵬優(yōu)國泰，國審稻20190013，由湖北華昌農(nóng)業(yè)科技有限公司、廣東和豐種業(yè)科技有限公司選育，屬雜交稻，在江漢平原作一季中稻種植，全生育期約123 d，株高約130 cm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為討論氮肥種類及施肥方式對稻田氮素?fù)p失和氮肥利用率的影響，試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理：①CK：不施氮肥的空白對照；②U40：普通復(fù)合肥作基肥，尿素作分蘗肥，運(yùn)籌比為4∶6；③U60：普通復(fù)合肥作基肥，尿素作分蘗肥，運(yùn)籌比為6∶4；④C70：控釋摻混肥作基肥，尿素作分蘗肥，運(yùn)籌比為7∶3；⑤C100：控釋摻混肥全部基施，運(yùn)籌比為10∶0；⑥H40：海藻多糖尿素作基肥與分蘗肥，運(yùn)籌比為4∶6；⑦H60：海藻多糖尿素作基肥與分蘗肥，運(yùn)籌比為6∶4。每組處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積均為45 m2。試驗(yàn)中普通復(fù)合肥（湖北中化東方肥料有限公司）養(yǎng)分含量為41%（N=18%）；控釋摻混肥（中化化肥有限公司）養(yǎng)分含量為48%（N=24%）；海藻多糖氮肥（中化化肥有限公司）中N≥46%，海藻多糖≥500 mg kg?1。除CK 處理外，其他處理施氮肥（以N 計(jì)）、磷肥（以P2O5計(jì)）和鉀肥（以K2O 計(jì)）含量分別為180、75 kg·hm?2和105 kg·hm?2。各處理中磷肥和鉀肥作基肥一次性施入，且氮肥施入后磷肥和鉀肥不足部分均用中化化肥有限公司提供的過磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）進(jìn)行補(bǔ)充。按照當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣，冬至前進(jìn)行稻田翻耕，水稻栽種前進(jìn)行旋耕，泡田7 d 后耕整。試驗(yàn)于2020 年5 月26 日稻田保持淺水層時(shí)撒施基肥并人工耙平，小區(qū)中間開溝，整成溝廂模式（廂寬1.5 m，溝寬0.3 m），5 月27 日進(jìn)行播種，6月11日撒施分蘗肥，9月25日人工收獲。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

徑流水采集與測定：每次降雨過后，根據(jù)直播稻的水分管理措施進(jìn)行排水，記錄徑流量，使用徑流池收集，將徑流水?dāng)嚢杈鶆蚝?，使用聚乙烯塑料瓶采集徑流水樣。采用Alliance?Futura Ⅱ連續(xù)流動(dòng)分析儀測定水樣中總氮（TN）、銨態(tài)氮（?N）和硝態(tài)氮（?N）含量[27]。

氨揮發(fā)采集與測定：稻田氨揮發(fā)通量采用通氣法測定[28]。采樣頻次與測定方法參考喬月等[29]的方法。

水稻產(chǎn)量和氮素積累量測定：水稻成熟后進(jìn)行實(shí)際測產(chǎn)。將水稻植株樣按莖、葉、穗分開收集，隨后將各部位器官于105 ℃殺青30 min，之后80 ℃烘干至恒質(zhì)量，粉碎后用H2SO4?H2O2消化，再用Alliance?Futu?ra Ⅱ連續(xù)流動(dòng)分析儀測定各部分氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 軟件制圖，應(yīng)用DPS 18.1 軟件進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行處理間多重比較。

氨揮發(fā)通量（X，kg·hm?2·d?1）和氨揮發(fā)損失率（R，%）計(jì)算如公式（1）和公式（2）所示：

式中：C為浸提液中氨氮濃度，mg·L?1；V為浸提液體積，mL；B為吸收氨氣捕獲裝置的橫截面積，m2；t為采樣時(shí)間，d；XN為施氮區(qū)氨累積揮發(fā)量（各測定時(shí)期的氨揮發(fā)量之和），kg·hm?2；X0為不施氮區(qū)氨累積揮發(fā)量，kg·hm?2；N為施氮量，kg·hm?2。

按式（3）和式（4）分別計(jì)算氮肥表觀利用率（ENR，%）和氮肥農(nóng)學(xué)利用率（ENA，kg·kg?1）。

式中：TN為施氮區(qū)植株總吸氮量，kg·hm?2；T0為對照區(qū)植株總吸氮量，kg·hm?2；YN為施氮區(qū)產(chǎn)量，kg·hm?2；Y0為對照區(qū)產(chǎn)量，kg·hm?2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮處理下稻田徑流氮素流失特征

水稻全生育期共產(chǎn)生4 次徑流，第1 次為5 月27日播種排水，另外3 次徑流均為降雨后排水，平均排水量分別為200、260、1 500 m3·hm?2和1 500 m3·hm?2。由表1 可以看出，5 月27 日各施氮處理的徑流氮流失量為12.87～23.96 kg·hm?2，在直播稻全生育期徑流氮流失總量的占比最高，為63.46%～75.68%，U40比U60處理顯著降低34.27%，C70比C100處理顯著降低30.15%，H40比H60顯著降低36.29%（P<0.05）；6 月8 日（施基肥后第13 天）各施氮處理下氮流失量較低，比5 月27 日降低了86.95%～94.82%；6 月22 日（施分蘗肥后第12天）與7 月9 日（施分蘗肥后第29 天）各施肥處理間的氮流失量與CK處理相當(dāng)，但7月9日各施肥處理的氮流失量比6 月22 日降低了51.95%～62.42%。上述結(jié)果表明直播稻排水播種方式對稻田氮素徑流損失影響顯著。

表1 不同施氮處理下稻田徑流總氮流失量（kg·hm?2）Table 1 Total nitrogen runoff loss in paddy fields under different nitrogen application treatments（kg·hm?2）

由表2 可知，各施氮處理徑流的TN 流失量為20.28～31.65 kg·hm?2，其中?N 流失量為10.75～15.11 kg·hm?2，占TN 流失量的47.74%～54.01%；各施氮處理的?N 流失量為0.64～1.22 kg·hm?2，與CK處理相當(dāng)，占TN 流失量的2.33%～5.15%。在整個(gè)生育期內(nèi)，與U60處理相比，C100、H60、U40、C70和H40處理TN 流失量分別減少了7.20%、13.36%、24.30%、26.41%和35.92%；與U60、C100和H60處理相比，U40、C70和H40處理的TN 流失量分別減少了24.30%、20.70%和26.04%（P<0.05）。這表明氮肥后移可以明顯降低稻田氮素徑流損失，新型肥料（海藻多糖氮肥與控釋摻混肥）相較于普通復(fù)合肥料降低了氮素徑流損失。

表2 不同施氮處理下稻田徑流氮素流失量（kg·hm?2）Table 2 Nitrogen loss from rice paddy runoff under different N application treatments（kg·hm?2）

2.2 不同施氮處理下稻田的氨揮發(fā)損失

從圖2 可以看出，基肥施用后，各施氮處理氨揮發(fā)通量逐漸上升，第3 天達(dá)到峰值，為1.05～2.57 kg·hm?2·d?1，U40、C70和H40處理的氨揮發(fā)峰值較U60、C100和H60處理分別降低了38.52%、16.67%和39.42%；第9天，各施氮處理氨揮發(fā)通量已降至與CK 處理相當(dāng)。施用分蘗肥后，各施氮處理氨揮發(fā)通量急劇上升，第2 天達(dá)到峰值0.39～3.27 kg·hm?2·d?1，各施肥處理氨揮發(fā)通量峰值表現(xiàn)為U40>H40>U60>H60>C70>C100，第10 天已降至與CK處理相當(dāng)。

圖2 不同施氮處理下稻田的氨揮發(fā)通量動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic change of ammonia volatilization flux in paddy fields under different treatments of nitrogen application

由表3 可知，在基肥期，U40比U60處理、C70比C100處理、H40比H60處理的氨揮發(fā)損失量均顯著降低（P<0.05）。U40比U60處理的氨揮發(fā)損失量降低47.91%，損失率降低2.17 個(gè)百分點(diǎn)；C70比C100處理的氨揮發(fā)損失量降低62.12%；H40比H60處理的氨揮發(fā)損失量和損失率分別降低了46.22%和1.66 個(gè)百分點(diǎn)。分蘗肥施入后至水稻收獲前一天，各施氮處理的氨揮發(fā)損失量為4.36～11.75 kg·hm?2，與U60處理相比，U40處理的氨揮發(fā)損失量增加了28.84%；與C100處理相比，C70處理的氨揮發(fā)損失量增加了55.28%；與H60處理相比，H40處理的氨揮發(fā)損失量增加了25.31%。整個(gè)生育期內(nèi)，與U60處理相比，U40、H60、H40、C70和C100處理的稻田氨揮發(fā)總量分別顯著減少了7.89%、20.81%、27.84%、42.08%和47.00%（P<0.05）；與C70處理相比，C100處理顯著降低了8.49%（P<0.05）；H40比H60處理顯著降低了8.88%（P<0.05）。上述結(jié)果表明在總施氮量相同條件下，不同氮肥之間的氨揮發(fā)損失量和損失率均表現(xiàn)為：普通復(fù)合肥與尿素配施處理>海藻多糖尿素處理>控釋摻混肥與尿素配施處理，說明在直播稻種植過程中，氮肥后移有利于降低氨揮發(fā)損失。

表3 不同施氮處理下不同時(shí)段稻田的氨揮發(fā)損失量及損失率Table 3 Ammonia volatilization and loss rate in rice field in different fertilizer periods under different nitrogen treatments

由圖3 可知，U40比U60處理的總氮損失量降低22.58%，C70比C100處理的總氮損失量降低15.62%，H40比H60處理的總氮損失量降低25.42%，表明氮肥后移能顯著降低氨揮發(fā)與徑流氮素流失的損失量（P<0.05），且C70和H40處理的總氮損失量均較低。

圖3 不同施氮處理下直播稻生育期總氮損失量Figure 3 Total nitrogen loss of direct?seeded rice during growth period under different nitrogen application treatments

2.3 不同施氮處理對直播稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表4可以看出，不同施氮處理下，直播稻產(chǎn)量范圍為7 683.33～9 116.67 kg·hm?2，其中C70處理產(chǎn)量最高。與U60處理相比，U40、H60、H40、C100和C70處理分別顯著增產(chǎn)7.64%、9.59%、12.75%、14.62%和18.66%（P<0.05）；從產(chǎn)量構(gòu)成因素上看，各施氮處理的千粒質(zhì)量無顯著變化，與U60處理相比，U40處理的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率顯著增加7.75%、3.75%和3.44個(gè)百分點(diǎn)（P<0.05）；與C100處理相比，C70處理的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率分別增加了3.50%、1.28%和2.15 個(gè)百分點(diǎn)；與H60處理相比，H40處理的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率分別增加了2.12%、0.98%和2.30個(gè)百分點(diǎn)。這表明海藻多糖尿素與控釋摻混肥的施用均有利于直播稻產(chǎn)量的提升。

表4 不同施氮處理下直播水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素Table 4 Direct?seeded rice yield and component factors under different nitrogen treatments

2.4 不同施氮處理對直播稻地上部氮素吸收及氮肥利用率的影響

水稻產(chǎn)量與水稻植株地上部氮素吸收量有著密切聯(lián)系，為此本研究進(jìn)一步分析了不同處理地上部氮素吸收情況，結(jié)果如表5所示。在幼苗期?分蘗前期，U60處理地上部氮素吸收顯著高于其他處理（P<0.05）；在分蘗前期?分蘗盛期，氮素吸收量明顯升高，是水稻整個(gè)生育期中地上部氮素凈吸收量最多的時(shí)期，各施氮處理的氮素吸收量表現(xiàn)為C70>C100>U40>H40>H60>U60，且C70與C100處理顯著高于其他處理的氮素吸收量（P<0.05）。然而，在分蘗盛期到成熟期之間，U40與U60、C70與C100、H40與H60處理之間的氮素吸收量均無顯著差異。

表5 不同施氮處理下直播稻地上部氮素凈吸收（kg·hm?2）Table 5 The net nitrogen uptake of direct?seeded rice under different nitrogen treatments（kg·hm?2）

稻田氮肥利用率是衡量施肥方式是否合理的重要指標(biāo)之一，從表6可知，U40、C70和H40之間及U60、C100和H60之間的氮素積累總量、氮肥表觀利用率和農(nóng)學(xué)利用率均有顯著差異（P<0.05），不同類型氮肥的利用率表現(xiàn)為：控釋摻混肥與尿素配施處理>海藻多糖尿素處理>普通復(fù)合肥與尿素配施處理。上述結(jié)果表明在直播稻種植過程中控釋摻混肥與尿素配施是一種較為合理的施肥方式。進(jìn)一步對比數(shù)據(jù)可知，與C100處理相比，C70處理水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率增加了6.16%，氮素積累總量與氮素表觀利用率略有降低，分別降低了2.74%和2.00 個(gè)百分點(diǎn)；與H60處理相比，H40處理水稻氮素積累總量、氮肥表觀利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率分別增加了4.98%、3.08 個(gè)百分點(diǎn)和5.24%；與處理U60相比，U40處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著增加15.04%，氮素積累總量與氮肥表觀利用率增加了5.22%和3.02個(gè)百分點(diǎn)。

表6 不同施氮處理對直播稻氮肥利用率的影響Table 6 Effects of different nitrogen fertilizer on nitrogen utilization efficiency of direct?seeded rice

3 討論

3.1 不同施氮處理對直播稻田徑流氮素流失量的影響

3.2 不同施氮處理對直播稻田氨揮發(fā)的影響

本研究中U40、C70和H40處理的氨揮發(fā)峰值較U60、C100和H60處理分別降低了38.52%、16.67%和39.42%，說明基肥氮后移可明顯降低稻田氨揮發(fā)損失，其中以C70處理的效果尤為顯著，表明施用緩控釋肥可顯著減少基肥期氨揮發(fā)量，這與俞映倞等[35]的研究結(jié)果相似。分蘗肥施用后第2 天，C100處理與CK 的氨揮發(fā)量相當(dāng)，是因?yàn)镃100處理氮肥作基肥一次性施用，分蘗期未施肥。相同施氮水平下，不同氮肥之間的氨揮發(fā)總損失量和損失率表現(xiàn)為：普通復(fù)合肥與尿素配施處理>海藻多糖尿素處理>控釋摻混肥與尿素配施處理，主要原因可能是緩控釋肥通過減緩養(yǎng)分釋放速率，降低土壤中?N含量[36]，從而減少氨揮發(fā)損失；海藻多糖尿素能減少氨揮發(fā)，因?yàn)楹Ｔ宥嗵悄艽龠M(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，增強(qiáng)土壤的生物活性，提高尿素的吸收率[37]，延緩尿素在土壤中的釋放和轉(zhuǎn)化。

3.3 不同施氮處理對直播稻產(chǎn)量和氮素利用率的影響

氮肥總量控制、分期調(diào)控等養(yǎng)分優(yōu)化管理措施，可顯著提高水稻產(chǎn)量[38?39]，在直播稻種植上協(xié)同實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)和氮肥高效利用。以往研究表明，直播稻前期物質(zhì)積累量相對偏低，中后期生長對作物養(yǎng)分需求高[40?41]。緩控釋肥可增加水稻的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率等，進(jìn)而提高產(chǎn)量[42?44]。本研究中，C100和C70處理產(chǎn)量較高，其中C70處理最高，且比C100處理的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率均有所增加。這主要是因?yàn)榫徔蒯尫侍幚砟艹掷m(xù)緩慢釋放養(yǎng)分，加上氮肥后移有利于保證水稻中后期生長對養(yǎng)分的需求，進(jìn)而積累較多的生物量，同時(shí)一次性基施也能在一定程度上提高產(chǎn)量[45]。

本研究中分蘗前期到分蘗盛期是水稻吸氮量最高的時(shí)期，C70和C100處理的氮素積累量、氮肥表觀利用率和農(nóng)學(xué)利用率均較高。這是因?yàn)榫徔蒯尫柿系陌せ蚓徣苄晕镔|(zhì)通過阻隔包膜內(nèi)外的水分運(yùn)移，延緩氮素溶出時(shí)間，從而控制氮素釋放速率，并長時(shí)間供水稻吸收利用，進(jìn)而提高水稻氮素利用率[46]。本研究中，與普通復(fù)合肥和尿素配施處理相比，控釋摻混肥與尿素配施處理以及海藻多糖尿素處理促進(jìn)了水稻對氮素的吸收，提高了氮肥利用率，從而使水稻增產(chǎn)。

水稻產(chǎn)量是決定施肥方式是否具有推廣價(jià)值的重要指標(biāo)，因此在首先保證水稻產(chǎn)量的情況下，應(yīng)綜合考慮氮素?fù)p失和氮肥利用情況。本研究表明，C70與H40處理在直播稻整個(gè)生育期內(nèi)總氮損失量較低，且無顯著差異（圖3），C70處理產(chǎn)量和氮肥利用率均顯著高于H40處理。因此，在本研究中，控釋摻混肥（基肥）與尿素（分蘗肥）按7∶3 配比施入直播稻田是最優(yōu)的施肥方式。

4 結(jié)論

（1）在180 kg·hm?2相同施氮水平下，直播稻田徑流氮素流失主要集中在基肥施入后排水播種期，氮肥適當(dāng)后移可有效減少氮素流失量。

（2）控釋摻混肥與尿素配施（基蘗肥配比7∶3）的施肥方式既能明顯提高氮肥表現(xiàn)利用率（41.99%）和產(chǎn)量（9 116.67 kg·hm?2），又可以有效降低稻田徑流總氮流失量（23.29 kg·hm?2）和氨揮發(fā)損失量（10.13 kg·hm?2），從而減少農(nóng)田面源污染，有利于農(nóng)田土壤可持續(xù)發(fā)展利用，是江漢平原地區(qū)直播稻種植中可推廣的施氮方式。