肖雪玉，朱文博，楊丹，閆穎，何娜，劉鳴達(dá)*，謝桂先

1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128

隨著作物生產(chǎn)中化肥農(nóng)藥用量的急劇增加，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為引起水質(zhì)惡化的主要原因之一。氮素的流失成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要來(lái)源，引起了人們高度的關(guān)注（侯朋福等，2017；柳云龍等，2017）。湖南水稻（Oryza sativa L.）生產(chǎn)中采用過(guò)量施用氮肥以獲得高產(chǎn)已是普遍現(xiàn)象。不可否認(rèn)，施用氮肥增加了水稻產(chǎn)量，但是過(guò)量施肥容易造成氮素流失，存在著極大的水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)（孫愛(ài)華等，2015）。前人的研究更多地關(guān)注氮肥的施用量、施肥方式、施肥時(shí)期等，忽視了過(guò)度施氮通過(guò)稻田泡田棄水以及徑流所產(chǎn)生的面源污染風(fēng)險(xiǎn)研究（宮亮等，2014）。因此，開(kāi)展稻季田面水氮素動(dòng)態(tài)特征影響研究十分有必要。

田面水中氮素的來(lái)源主要是氮肥。最常用的氮肥是尿素，尿素釋放氮的速度快，田面水中氮素增長(zhǎng)過(guò)快，流失的機(jī)率較大。趙冬等（2011）研究了不同施氮量對(duì)田面水不同形態(tài)氮素變化的影響，結(jié)果表明，施用尿素使稻田田面水的各形態(tài)氮素在施肥后第1天達(dá)到最大值，施氮量決定了田面水中各形態(tài)氮素的濃度。前人的研究更多集中于化肥減量對(duì)田面水中氮素的影響，而對(duì)新型肥料對(duì)稻田田面水氮素的影響研究較少?？刂频蒯尫?，適應(yīng)作物生長(zhǎng)需求，從而提高氮肥利用率，降低田面水中氮素流失機(jī)率的肥料是控制農(nóng)業(yè)面源污染的另一種途徑?？蒯尩剩–ontrolled Release Nitrogen Fertilizer）是一種能夠控制和調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放的肥料（呂東波等，2015；程金秋等，2017）?？蒯尩什粌H能降低勞動(dòng)力成本，而且能減少氨揮發(fā)反應(yīng)以及反硝化反應(yīng)，提高氮肥利用率以促進(jìn)水稻增產(chǎn)（李旭等，2015；傅麗青等，2017）。吳俊等（2012）研究了不同肥料和不同施肥管理方式等8種處理對(duì)稻田田面水氮素動(dòng)態(tài)變化及徑流損失的影響，結(jié)果表明，減量化施用不同種類氮肥能夠降低氮素流失風(fēng)險(xiǎn)，其中緩控釋肥的效果較為明顯。然而，前人對(duì)于水稻全生育期內(nèi)，施用不同減量控釋氮肥對(duì)稻田田面水氮素形態(tài)及動(dòng)態(tài)變化的影響研究尚鮮有詳細(xì)報(bào)道。

本研究通過(guò)在湖南省瀏陽(yáng)市沿溪鎮(zhèn)進(jìn)行長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn)，研究不同減量替代控釋氮肥處理對(duì)稻田田面水各形態(tài)氮素動(dòng)態(tài)變化特征以及水稻產(chǎn)量的影響，以期為降低農(nóng)田氮肥使用量，減少氮素流失量，減輕農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

小區(qū)試驗(yàn)設(shè)置于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)瀏陽(yáng)教學(xué)科研綜合基地。位于湖南省瀏陽(yáng)市沿溪鎮(zhèn)（28°19′N，113°49′E），屬亞熱帶氣候，濕熱多雨，夏熱冬寒。多年平均降水量為1647.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為799 mm。多年平均氣溫為17.5 ℃，多年平均相對(duì)濕度為82%，多年平均日照時(shí)數(shù)為1675 h，多年平均無(wú)霜期為281 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤為潮沙泥，其0~20 cm耕作層基本理化性狀如下，pH 5.61；有機(jī)質(zhì)16.62 g·kg-1；全氮1.21 g·kg-1；全磷 0.54 g·kg-1；全鉀 11.51 g·kg-1；堿解氮 48.93 g·kg-1；速效磷 21.25 g·kg-1；速效鉀155.68 g·kg-1。供試肥料分別為尿素（含N 46%）、控釋氮肥（為山東金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的樹脂包膜尿素，含N 43%，控釋期3個(gè)月）、過(guò)磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）。供試作物為水稻（Oryza sativa L.），品種為中早36。本試驗(yàn)的設(shè)置基準(zhǔn)為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)施氮量，共設(shè)有6 個(gè)處理：（1）不施氮肥（WN：no nitrogen fertilizer）；（2）常規(guī)施用尿素（CF：routine use of urea）；（3）控釋氮肥：控釋氮肥氮含量與常規(guī)施肥氮含量相同（N100：100%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（4）90%氮量控釋氮肥：控釋氮肥氮含量為常規(guī)施肥氮含量的90%（N90：90%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（5）80%氮量控釋氮肥：控釋氮肥氮含量為常規(guī)施肥氮含量的80%（N80：80%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）；（6）70%氮量控釋氮肥：控釋氮肥氮含量為常規(guī)施肥氮含量的70%（N70：70%nitrogen of controlled release nitrogen fertilizer）。各處理均設(shè)3次重復(fù)，共18小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m），隨機(jī)區(qū)組排列，各處理間用水泥田埂隔開(kāi)。水稻種植株行距為 16.7 cm×20.0 cm，每個(gè)小區(qū)種植1150株。具體施肥方案見(jiàn)表1。

種植水稻前，各小區(qū)翻壓等量的紫云英。2017年4月28日施基肥后插秧，5月8日施用追肥，7月19日收獲；水稻返青時(shí)間為插秧后3~4 d，之后開(kāi)始初步分蘗，10 d后逐漸進(jìn)入分蘗旺盛期，25~30 d后停止分蘗，30~35 d后開(kāi)始抽穗。各小區(qū)單灌單排，統(tǒng)一管理，單打單收，其他管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)。

表1 試驗(yàn)施肥方案Table 1 Nitrogen scheme in trial field

1.3 樣品采集

1.3.1 水樣采集

湖南瀏陽(yáng)的雨季出現(xiàn)在5月下旬，為避免降雨高峰時(shí)段出現(xiàn)在施肥后前期，故水樣的采集時(shí)間為施基肥后的第1、2、3、5、7 天，追肥后的第1、2、3、5天的8:30—9:30，以50 mL醫(yī)用注射器采集田面水（李瀚等，2015），在不擾動(dòng)土層的前提下，按S型5點(diǎn)取樣，混合后注入250 mL集水瓶，每個(gè)處理分取3份，將其pH調(diào)為1~2后于-20 ℃冷凍保存，待測(cè)（HJ 636—2012）。

1.3.2 測(cè)定方法

水樣總氮（TN）采用堿性過(guò)硫酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定；無(wú)機(jī)氮（DMN）采用AA3自動(dòng)分析儀測(cè)定，由于稻田田面水中無(wú)機(jī)氮的主要形式是硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，同時(shí)亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度過(guò)小，可忽略不計(jì)（閆鳳超等，2017），因此本文無(wú)機(jī)氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和；有機(jī)氮為可溶性氮與無(wú)機(jī)氮之差，可溶性氮先過(guò)0.45 μm濾膜后（李瀚等，2015），再采用堿性過(guò)硫酸鉀-紫外分光光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行顯著性差異分析，Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 早稻田面水不同氮素形態(tài)動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 早稻田面水無(wú)機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化

田面水無(wú)機(jī)氮的動(dòng)態(tài)變化如圖1所示。水稻生育期田面水無(wú)機(jī)氮平均濃度表現(xiàn)為 N100>CF>N90>N80>N70>WN，施用基肥后控釋氮肥各處理無(wú)機(jī)氮濃度動(dòng)態(tài)又表現(xiàn)為3種情況，N100、N90與N80無(wú)機(jī)氮濃度小幅下降后又上升而后再逐漸下降，N70與WN無(wú)機(jī)氮濃度略有上升；CF處理無(wú)機(jī)氮濃度則逐漸降低。追肥后，除WN外，其余處理無(wú)機(jī)氮濃度都在第2天達(dá)到最高隨后降低。

圖1 不同處理田面水DMN濃度動(dòng)態(tài)變化Fig. 1 Dynamic of DMN concentration in the surface water of different treatments

不施氮肥處理與施肥處理的無(wú)機(jī)氮濃度相比，不施氮肥處理變化平穩(wěn)，這是由于施肥提高了不同時(shí)期無(wú)機(jī)氮濃度，進(jìn)而改變了其變化趨勢(shì)。而施肥處理之間濃度差異則是由肥料劑型和用量不同所致。由于施用基肥時(shí)溫度較低，控釋氮肥處理的氮素釋放緩慢，故N100與N90處理無(wú)機(jī)氮濃度小幅下降后再上升；N80與N70因施氮量減少而無(wú)機(jī)氮累積較少；尿素溶解后轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)氮直接溶于田面水，所以初期濃度較高，但可能以氨揮發(fā)等形式損失，故其含量先出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而后相對(duì)穩(wěn)定；N100處理與CF處理施氮量相同，由于控釋氮肥的控釋效果，使得無(wú)機(jī)氮素?fù)p失較少，故N100處理無(wú)機(jī)氮含量總平均值略高于CF處理，差異不顯著。施用追肥時(shí)溫度升高，控釋氮肥釋放氮素的速率增加，與尿素有相似變化趨勢(shì)，說(shuō)明控釋氮肥不會(huì)改變其無(wú)機(jī)氮釋放總體變化趨勢(shì)。

2.1.2 早稻田面水有機(jī)氮?jiǎng)討B(tài)變化

圖2 不同處理田面水DON濃度動(dòng)態(tài)變化Fig. 2 Dynamic of DON concentration in the surface water of different treatments

田面水有機(jī)氮的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。在水稻生育期，田面水有機(jī)氮濃度表現(xiàn)為 CF>N100>N90>N80>N70>WN；除CF處理在施用基肥后有機(jī)氮先下降后上升趨于平穩(wěn)外，整個(gè)稻季中，各處理有機(jī)氮都表現(xiàn)為施用基肥后先增加后降低，追肥后先增加再降低的趨勢(shì)；水稻生育初期各控釋氮肥處理的有機(jī)氮濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于CF處理，而各施肥處理追肥后的高峰早于WN處理。本試驗(yàn)中，早稻田面水中有機(jī)氮含量高于無(wú)機(jī)氮，這是由于基肥施用前期，所有處理都翻壓紫云英的緣故（萬(wàn)水霞等，2015；喻足衡，2012）。

施肥不能改變田面水有機(jī)氮的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，但在不同時(shí)期，施肥處理有機(jī)氮濃度均高于WN處理，這可能是施入的無(wú)機(jī)氮滿足了微生物在分解前期翻壓的紫云英過(guò)程中對(duì)氮素的需要，顯著地促進(jìn)了紫云英的腐解，釋放出一些包括氨基酸在內(nèi)的小分子有機(jī)物，使得施肥處理有機(jī)氮高于不施肥處理。水稻生育前期，水稻吸收利用氮的能力較差，加之溫度較低，土壤有機(jī)質(zhì)礦化出的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)氮的速度較慢，田面水中有機(jī)氮總體上以積累為主；而進(jìn)入分蘗期后，溫度升高，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)氮速度變快，水稻吸收養(yǎng)分?jǐn)?shù)量增加，所以田面水中有機(jī)氮濃度開(kāi)始降低（李增強(qiáng)等，2017）。控釋氮肥處理有機(jī)氮濃度低于施用尿素處理，這顯然與控釋條件下氮素釋放緩慢且無(wú)機(jī)氮濃度低，導(dǎo)致微生物分解紫云英的速度與數(shù)量變慢變少有關(guān)。

2.1.3 早稻田面水總氮?jiǎng)討B(tài)變化

田面水總氮的動(dòng)態(tài)變化如圖 3所示?？傮w來(lái)看，施用基肥后各處理總氮?jiǎng)討B(tài)有3種表現(xiàn)，CF、N100處理呈現(xiàn)先降低再小幅上升最后逐漸降低的趨勢(shì)，WN、N90、N80處理表現(xiàn)為先增加后降低，N70處理則基本未變，但各個(gè)處理總氮素波動(dòng)較小；而追肥后除 WN外，各施肥處理總氮變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為先增加后降低，升降幅度較大。水稻生育期田面水總氮平均濃度表現(xiàn)為 CF>N100>N90>N80>N70>WN。

圖3 不同處理田面水TN濃度動(dòng)態(tài)變化Fig. 3 Dynamic of TN concentration in the surface water of different treatments

田面水總氮含量與施氮量、肥料形態(tài)以及水稻吸收氮素量有關(guān)，就控釋氮肥而言，其養(yǎng)分釋放還與膜內(nèi)外濃度差、水蒸氣壓以及溫度等因素有關(guān)（鄭圣先等，2002a；鄭圣先等，2002b；Sharon et al.，1990；Malka et al.，1990）。不同時(shí)期尤其是追肥以后，各施肥處理總氮含量均高于WN處理，顯然與施氮有關(guān)?；适┯煤驝F處理尿素中無(wú)機(jī)氮容易溶出、N100相對(duì)施氮量較大，無(wú)機(jī)氮濃度較高，使得田面水中總氮濃度出現(xiàn)開(kāi)始時(shí)濃度較高隨后降低的現(xiàn)象，后因總氮中有機(jī)氮濃度的延后增加使得氮素濃度有小幅上升趨勢(shì)，最后因水稻吸收養(yǎng)分，總氮濃度又逐漸降低；其余施用控釋氮肥處理，因含氮量低加之膜的控釋作用，使氮素釋放緩慢，從而出現(xiàn)田面水總氮先增后降，最后除N70保持平緩其余處理略有增加的特點(diǎn)。施用基肥之后各處理田面水氮素降低，這可能與水稻緩苗后生長(zhǎng)加速，對(duì)氮的吸收量逐漸增多有關(guān)。追肥之后，田面水總氮升高是由于此時(shí)土溫升高，控釋肥料氮素釋放速度加快，田面水中積累了較多氮素所致；而大約 3 d后達(dá)到高峰隨即又下降則是因?yàn)樗旧L(zhǎng)進(jìn)入分蘗期吸氮量增加的緣故。

相同施氮量條件下，控釋氮肥處理總氮濃度低于施用尿素處理，說(shuō)明施用控釋氮肥有利于降低氮素隨田面水流失的風(fēng)險(xiǎn)。

總之，田面水中各形態(tài)氮濃度在施肥后 1~4 d達(dá)到峰值，在施肥后10 d內(nèi)濃度較高，若在此期間遇到強(qiáng)降雨，稻田氮素的流失量會(huì)隨著施氮量的增加而增加，故施氮初期是管理氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期。施用控釋氮肥處理田面水各形態(tài)氮濃度比施用尿素處理有所降低，一定程度上減少了氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 不同處理水稻產(chǎn)量和控釋氮肥替代減量的環(huán)境效應(yīng)

2.2.1 不同處理水稻產(chǎn)量

不同處理水稻產(chǎn)量如圖4所示，其稻谷產(chǎn)量表現(xiàn)為N90>N70>N80>N100>CF>WN，不同處理秸稈產(chǎn)量表現(xiàn)為N70>N90>N80>N100>CF>WN，不同處理間差異未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平。同時(shí)控釋氮肥各處理產(chǎn)量略高于CF處理，但差異不顯著，說(shuō)明通過(guò)施用控釋氮肥降低氮投入水平不會(huì)造成產(chǎn)量的降低；控釋氮肥能夠控制氮素的釋放速度，從而適應(yīng)水稻需氮規(guī)律；而單施尿素造成水稻生長(zhǎng)前期氮素供應(yīng)過(guò)多，后期匱乏，使得氮肥利用率降低。這與侯紅乾等（2016）的研究結(jié)果是一致的。各控釋氮肥處理稻谷產(chǎn)量差異不顯著，說(shuō)明施用控釋肥既可減氮又能穩(wěn)產(chǎn)；但過(guò)施控釋氮肥會(huì)導(dǎo)致水稻貪青晚熟，故N100處理的稻谷產(chǎn)量稍低于其他控釋氮肥處理。

圖4 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effects of different nitrogen fertilizer on rice yield

2.2.2 控釋氮肥替代減量的環(huán)境效應(yīng)

圖5 不同施氮量下田面水TN濃度與水稻產(chǎn)量的變化Fig. 5 Changes of rice yield different in nitrogen application and TN of the surface water

將水稻產(chǎn)量（y1）、不同控釋氮肥施氮量（y2）以及田面水TN濃度均值（x）進(jìn)行擬合，其對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系如圖5所示?？傮w來(lái)看，隨著田面水TN濃度的增加，水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)；田面水TN濃度與施氮量則呈線性正相關(guān)關(guān)系；進(jìn)一步求得田面水總氮濃度達(dá)到53.79 mg·L-1時(shí)，理論最高產(chǎn)量為 6098.88 kg·hm-2，而此時(shí)施氮量應(yīng)為101.46 kg·hm-2，即為兼顧經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的施肥用量。這一結(jié)果尚需通過(guò)以后的長(zhǎng)期試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）早稻田面水中各形態(tài)氮濃度均在施用基肥與追肥后1~4 d達(dá)到峰值，隨后不斷減少；施肥后10 d內(nèi)是防止田面水氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期。

（2）施氮量決定了早稻田面水中各形態(tài)氮素的含量。不同控釋氮肥處理間各形態(tài)氮素濃度均以N100處理濃度最高，N70最低。

（3）控釋氮肥能夠有效減氮穩(wěn)產(chǎn)。各施肥處理的水稻產(chǎn)量之間沒(méi)有顯著性差異，控釋氮肥處理水稻產(chǎn)量略高于尿素處理。

（4）當(dāng)施氮量達(dá)到101.46 kg·hm-2時(shí)，理論上可達(dá)到最高產(chǎn)量，田面水中總氮濃度相對(duì)較低，氮素流失風(fēng)險(xiǎn)較低，是兼顧經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的較好方案，但尚需要通過(guò)后期長(zhǎng)期試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上所述，施用控釋氮肥能夠在減氮的同時(shí)，減少稻田水體的各形態(tài)氮素濃度，降低氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏。