楊振宇，羅功文，趙杭，胡旺，王藝哲，張含豐，張玉平

（湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，農(nóng)田污染控制與農(nóng)業(yè)資源利用湖南省重點實驗室，植物營養(yǎng)湖南省普通高等學校重點實驗室，土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室，長沙 410128）

我國是世界上最大的產(chǎn)稻國，水稻土的面積達2.53×107hm2，占世界水稻土面積的23%，占我國糧食耕地面積的29%。但我國稻田中氮肥（碳銨和尿素）的利用率只有30%～35%，損失高達50%以上[1]。大量的氮肥投入已成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源之一[3]。有研究表明，水稻生長季氨揮發(fā)損失的氮可達施入量的9%～42%[2，5?6]，是稻田氮肥損失的另一重要途徑[4]，進入大氣中的NH3有90%與大氣中的酸作用轉(zhuǎn)化成，84%的NH3以形態(tài)進入降水中[7]，成為農(nóng)田面源污染的重要影響因素[8?10]。氮、磷既是作物生長的營養(yǎng)因子，也是導致水體富營養(yǎng)化的主要污染元素[11]，據(jù)報道，湖泊、河流富營養(yǎng)化的養(yǎng)分分別有50%和60%來源于農(nóng)田地表徑流[12]，而中國農(nóng)業(yè)化肥的平均有效利用率僅為30%～35%，剩余部分約有50%通過地表徑流流入江河湖海[13]，因此，減少氮磷的投入、流失是防控農(nóng)業(yè)面源污染、改善周邊水質(zhì)的重要措施。當前水稻生產(chǎn)中常規(guī)施肥技術(shù)往往需要1 次基肥、2～4 次追肥，因施肥環(huán)節(jié)繁瑣，農(nóng)民不易掌握其技術(shù)要點，常存在肥料運籌不當、養(yǎng)分配比不科學等問題，導致養(yǎng)分流失嚴重，既污染了生態(tài)環(huán)境，又增加了生產(chǎn)成本。研究表明，在適宜的氮肥種類支撐下，水稻一次性施肥能促進水稻根系發(fā)育，增強水稻生長后期凈光合速率[14?15]。陳建生等[16]的研究表明，在氮肥和磷肥分別減施22.1%和21.9%的基礎(chǔ)上，水稻一次性施肥比分次施肥平均增產(chǎn)8.22%?；诖?，通過研發(fā)基于施肥深度和肥料類型的一次性精簡施肥技術(shù)，協(xié)調(diào)肥料養(yǎng)分投入與作物對養(yǎng)分需求，提高養(yǎng)分利用率，減少流失，成為當前水稻生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)與應用的重點[17]。

洞庭湖雙季稻區(qū)地處亞熱帶季風氣候，稻季高溫多雨，農(nóng)民習慣高化肥投入與直播栽培，氨揮發(fā)量高，氮磷養(yǎng)分流失嚴重，目前關(guān)于該區(qū)域的肥料類型替代、化肥減量的研究較多，且已有研究主要集中在一次性施肥技術(shù)的穩(wěn)產(chǎn)機制以及穩(wěn)產(chǎn)效果等方面，關(guān)于一次性精量深施肥對水稻產(chǎn)量、氮磷養(yǎng)分流失等影響的研究報道尚少。本文旨在以洞庭湖流域農(nóng)民習慣的水稻施肥+直播栽培模式為對照，研究控釋尿素減氮10%+直播和機插同步一次性深施肥減氮10%模式對稻田氨揮發(fā)、田面水氮磷濃度、不同層次土壤養(yǎng)分含量特征的影響，探明該兩種種植方式下的農(nóng)田氨揮發(fā)與氮磷流失風險，從而為洞庭湖雙季稻區(qū)水稻精準化機械化一次性施肥和面源污染防控技術(shù)應用與推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019 年在湖南省岳陽市屈原管理區(qū)鳳凰鄉(xiāng)進行，試驗區(qū)位于湘江、汨羅江注入東洞庭湖交匯處，東接汨羅市，南連湘陰縣，西靠湘江，北抵洞庭湖。地處109°18′～109°48′E，27°44′～28°19′N，屬中亞熱帶季風濕潤性氣候。試驗地土壤類型為湖積物發(fā)育的潮砂泥，其基本理化性狀指標分別為：pH 5.81，有機質(zhì)16.57 g?kg?1，全氮1.54 g?kg?1，銨態(tài)氮10.75 mg?kg?1，全磷0.53 g?kg?1，有效磷9.89 mg?kg?1，速效鉀167.14 mg?kg?1。

1.2 試驗設(shè)計

采取大田試驗方法，共設(shè)置農(nóng)民習慣施肥、機插同步一次性深施肥和緩控釋肥+復合肥3 個處理，每個處理3 次重復，隨機排列，小區(qū)面積60 m2，四周設(shè)置保護行。3 個處理水稻品種均為陵兩優(yōu)268，其中，農(nóng)民習慣施肥+直播模式（T1）：采用廂面落水后，盡量保持均勻撒播，水稻播種量為75 kg?hm?2。以復合肥（N∶P2O5∶K2O=24∶9∶18）作基肥，尿素、氯化鉀作追肥，N、P2O5、K2O 養(yǎng)分施用量分別為117、45、90 kg?hm?2，磷肥一次性作基肥施用，基肥氮為90 kg?hm?2；控釋尿素減氮10%+直播（T2）：在農(nóng)民習慣施肥的基礎(chǔ)上，利用控釋尿素減少氮素10%，即N、P2O5、K2O 養(yǎng)分施用量分別為105、45、90 kg?hm?2，其中控釋尿素氮占20%，其他化肥氮占80%，將普通尿素、磷酸銨、氯化鉀按照比例充分混合后與控釋尿素一起作基肥一次性撒施；機插一次性深施肥減氮10%（T3）：水稻機插插植密度均為12 cm×25 cm，施肥深度為5 cm。將尿素、磷酸銨、氯化鉀按照N∶P2O5∶K2O=21∶9∶18，制成水稻機插一次性深施專用肥，N、P2O5、K2O 養(yǎng)分施用量分別為105、45、90 kg?hm?2。

1.3 樣品采集及指標測定方法

1.3.1 樣品采集及測定指標

氨揮發(fā)樣品：采用大田原位監(jiān)測方法，使用通氣法采集氨揮發(fā)樣品。采樣裝置用聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管制成，內(nèi)徑15 cm，高20 cm，裝置頂部配置遮雨蓋，蓋與塑料管之間可通氣。分別將兩塊厚度均為2 cm、直徑為16 cm的海綿均勻浸以5 mL磷酸甘油溶液，置于硬質(zhì)塑料管中，下層的海綿距管底8 cm，上層的海綿與管頂部相平。每個試驗小區(qū)隨機布設(shè)3 個氨揮發(fā)采集裝置，利用通氣法在施基肥后連續(xù)監(jiān)測21 d，前6 d每日采集1次氣體樣品，后15 d每3 d采集1次。采樣時，將裝置下層的海綿取出，迅速裝入密實袋中密封，同時換上另一塊剛浸過磷酸甘油的海綿；將換下的海綿帶回實驗室，分別放入500 mL 塑料瓶，加入1 mol?L?1的KCl 溶液300 mL，使海綿完全浸入其中，振蕩1 h，測定浸提液中的銨態(tài)氮含量。上層的海綿每3 d 更換1 次。農(nóng)民習慣施肥直播模式的監(jiān)測時段為2019 年4 月1 日—4 月21 日，機插一次性深施肥減氮模式和緩控釋肥減氮直播模式均為一次性施肥，其監(jiān)測時段為4月22日—5月12日。

田面水樣品：在水稻每次施肥后第2 d開始取樣，之后每2 d采集一次田面水樣。樣品采集采用100 mL注射器，以不擾動水層為前提，按對角線方向隨機取各試驗小區(qū)田面水樣，每個試驗小區(qū)取5個水樣混合，裝瓶帶回實驗室于4 ℃冰箱保存，用于測定總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、水溶性磷、顆粒態(tài)磷含量。

土壤樣品：分別于早稻試驗前與收獲期隨機采集各處理小區(qū)0～20、20～40 cm 深度的分層土樣，每個小區(qū)采集3 個重復，混勻后帶回實驗室用于測定各處理各小區(qū)不同層次土壤的pH、全氮、全磷、堿解氮和有效磷含量。

1.3.2 樣品分析測定

氨揮發(fā)氣體樣品分析采用1.0 moL?L?1的KCl 溶液浸提，靛酚藍比色法測定；水體總氮、總磷、顆粒態(tài)磷采用堿性過硫酸鉀消解，紫外分光光度法測定；硝態(tài)氮、銨態(tài)氮使用0.45 μm 濾膜過濾后，用全自動間斷化學分析儀（Smart200）測定。

土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定[18]。全磷含量采用硫酸?高氯酸消煮，鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用火焰光度計法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有效磷采用NaHCO3浸提?鉬銻抗比色法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定。試驗采用常規(guī)田間管理，水稻收獲后按小區(qū)計產(chǎn)。

數(shù)據(jù)采用Excel、Origin 軟件進行計算與統(tǒng)計分析，運用LSD法檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植方式對稻田氨揮發(fā)的影響

從圖1A可以看出，3種處理下的氨揮發(fā)速率在施肥后呈逐漸下降的趨勢，且各處理的氨揮發(fā)均集中在施肥后前9 d，分別占93.1%、92.1%和93%。T2、T3 的氨揮發(fā)峰值較T1延遲1 d，其峰值較T1分別降低8.13%和14.69%。3個處理間相比，T1在施肥后前6 d的日揮發(fā)量明顯高于T2、T3，之后的3個處理間差異并不顯著，而T2、T3之間相比，T2在施肥后的前4 d的氨揮發(fā)通量明顯高于T3，第5 d開始兩個處理之間差異并不明顯。由此說明，稻田氨揮發(fā)主要集中在施肥后的1個星期，其氨揮發(fā)高峰期主要發(fā)生在施肥后的前3 d。

由圖1B可知，3種種植方式的基肥期氨揮發(fā)累積量動態(tài)與氨揮發(fā)通量趨勢完全一致，即施肥后第9 d開始，各處理的氨揮發(fā)累積量基本趨于穩(wěn)定。并且3個處理之間相比，其累積氨揮發(fā)量順序為：T1>T2>T3，T1 顯著高于T2、T3，T2、T3 差異較小，說明與農(nóng)民習慣施肥+直播模式相比，控釋尿素減氮+直播和機插同步深施肥模式能顯著減少農(nóng)田土壤氨揮發(fā)。各施肥栽培模式下的氨揮發(fā)量及排放系數(shù)比較結(jié)果（表1）表明，與T1相比，盡管T2、T3的基肥期施肥量較T1增加了15 kg?hm?2，但氨揮發(fā)總量卻分別降低了15.61%和18.62%，氨揮發(fā)排放系數(shù)分別減少了4.49、4.91 個百分點，且統(tǒng)計結(jié)果表明，T2、T3 的氨揮發(fā)總量與T1 相比，差異達極顯著水平；T2 和T3 之間達顯著性水平。由此說明T2 和T3 均有利于減少稻田氨揮發(fā)，并且與T2相比，T3種植方式對減少稻田氨揮發(fā)的效果更好。

表1 各種植方式的氨揮發(fā)量及排放系數(shù)比較Table 1 Comparison of ammonia volatilization and emission coefficients of various planting patterns

2.2 不同種植方式對稻田田面水氮素流失風險的影響

2.2.1 不同種植方式對稻田田面水總氮含量的影響

由圖2A 可知，施肥后3 種種植方式的稻田田面水濃度在施肥后第2 d 時濃度最高，第4 d 急劇降低，T3 處理在施肥后第6 d 開始進入低總氮濃度期（<10 mg?L?1），T1、T2 在施肥后第8 d 后開始進入低總氮濃度期，說明水稻施肥后的第1 個星期為氮素徑流流失的高風險階段。從監(jiān)測結(jié)果看出，在施肥后的前8 d，T1、T2、T3 3 種模式的稻田田面水總氮濃度幅度分別為11.53～53.14、7.31～49.81、2.53～40.68 mg?L?1，T2、T3在施肥后前8 d 的流失較高風險期內(nèi)平均濃度較T1分別降低了18.74%和52.29%，T2 和T3 之間相比，在氮素流失高風險期內(nèi)T3 的總氮平均濃度降低了41.28%。從施肥后16 d 的整個監(jiān)測周期看出（圖2B），T1、T2 和T3 總氮日平均濃度分別為20.86、16.07 mg?L?1·d?1和9.69 mg?L?1·d?1，T2、T3 的稻田田面水總氮平均濃度分別較T1降低了22.96%和53.55%，T3較T2降低了39.70%。由此說明在肥料撒施和直播條件下，施用控釋尿素可顯著降低稻田田面水總氮的流失風險，如果采用T3種植方式，可進一步顯著降低其流失風險。

2.3 不同種植方式對稻田田面水磷素流失風險的影響

2.3.1 不同種植方式對稻田田面水總磷含量的影響

由圖4A可知，3個處理稻田田面水總磷濃度在施肥后第2 d達到濃度高峰，第4 d之后均出現(xiàn)較大幅度的下降，第8 d 之后基本趨于穩(wěn)定，盡管T3 種植方式因肥料深施導致田面水總磷濃度在施肥后自第10 d至第12 d 有所回升，但其濃度值仍處于較低水平，說明施肥后第1 周為稻田磷素流失風險較高的時期。在施肥后前8 d，3個處理的稻田田面水總磷平均濃度分別為0.91、0.86 mg?L?1和0.46 mg?L?1，T2、T3分別較T1 降低了5.49%和49.45%，T3 較T2 降低了46.51%。從整個監(jiān)測期的田面水總磷平均濃度（圖4B）看出，3個處理的稻田田面水平均濃度分別為0.43、0.38 mg?L?1·d?1和0.30 mg?L?1·d?1，T2、T3 分別較T1 降低了11.63%和30.23%，T3 較T2 降低了21.05%，且3 個處理之間差異顯著。因此，采用T2 和T3 種植方式可顯著降低稻田田面水總磷濃度，從而降低磷素流失風險。

2.3.2 不同種植方式對稻田田面水水溶性磷和顆粒態(tài)磷含量的影響

兩種磷素形態(tài)的動態(tài)結(jié)果（圖5A、圖5C）表明，自施肥第2 d開始，除T3處理因肥料深施磷素溶出延緩導致顆粒態(tài)磷和水溶性磷濃度分別在第12 d 和第10 d 略有回升外，各處理的稻田田面水顆粒態(tài)磷和水溶性磷濃度均呈總體不斷下降趨勢，且在第8 d 后兩種形態(tài)的磷素濃度基本穩(wěn)定在低濃度水平，說明兩種形態(tài)的磷素流失風險為施肥后的8 d之內(nèi)。

由圖5A 可知，3 個處理施肥后前8 d 的顆粒態(tài)磷平均濃度分別為0.42、0.43、0.23 mg?L?1，T1、T2 顆粒態(tài)磷濃度之間差異不明顯，但是T3 的田面水顆粒態(tài)磷的流失風險較T1、T2 分別降低了45.24% 和46.51%。由圖5B 可知，3 個處理施肥后前8 d 的水溶性磷平均濃度分別為0.27、0.20、0.11 mg?L?1，T2、T3的田面水水溶性磷的流失風險分別較T1 降低了25.93%和59.26%。說明施肥后前8 d 磷素流失風險較高期，T2 對不同形態(tài)的磷素流失風險影響較小，但是T3可明顯降低兩種磷素形態(tài)的流失風險。

由圖5B 和圖5D 可知，3 種模式的顆粒態(tài)磷的平均濃度分別為0.25、0.24、0.20 mg?L?1·d?1，水溶性磷平均濃度分別為0.18、0.14 mg?L?1·d?1和0.10 mg?L?1·d?1。與T1 相比，T2、T3 的顆粒態(tài)磷平均濃度分別降低4.00%和20.00%，水溶性磷平均濃度分別降低22.22%和44.44%；T3較T2的顆粒態(tài)磷和水溶性磷平均濃度分別降低16.67%和28.57%。統(tǒng)計結(jié)果表明，施肥后，3 個處理的稻田田面水兩種形態(tài)磷素平均濃度之間均有顯著性差異，因此從整個施肥期來看，相同種植方式下，施用緩控釋肥有利于減少不同形態(tài)的磷素流失，并且機插同步深施肥對減少兩種形態(tài)磷素流失的阻控效果最好。

2.4 不同種植方式對稻田不同層次土壤氮磷養(yǎng)分含量的影響

由表2 可知，表層土（0～20 cm）的pH 均低于下層土（20～40 cm），相同層次的土壤pH 除T3 的20～40 cm明顯低于T1、T2 外，其他處理之間差異較小，說明稻田施肥可能會加速稻田表層土壤的酸化，T3 可能對20～40 cm 土壤有一定的酸化風險。0～20 cm 土壤中全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量均顯著高于20～40 cm 土壤，說明通過施肥可以增加表層土壤氮磷養(yǎng)分含量。各處理0～20 cm 的土壤，T2、T3 的全氮、全磷、堿解氮和有效磷均較T1略有增加，但無顯著性差異，說明短期內(nèi)T2 和T3 處理不會導致表層土壤養(yǎng)分的大幅變化。各處理20～40 cm 的土壤，T3 的全氮含量顯著高于T1 和T2，但T1、T2之間差異不顯著，其原因可能是T3處理機插深施肥種植方式造成了土壤的差異或者不同土壤耕作導致了剖面分布的差異。但是各處理20～40 cm 的土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量之間均無顯著性差異，說明T2 和T3 種植方式不會導致下層土壤中氮磷的淋失風險增加。

表2 不同種植方式對稻田不同層次土壤養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effects of different planting patterns on soil nutrient content in different layers of paddy field

2.5 不同種植方式對水稻產(chǎn)量的影響

由圖6可知，T1、T2、T3 3種種植方式的水稻產(chǎn)量分別為6 769.51、7 174.54 kg?hm?2和7 218.03 kg?hm?2。與T1 相比，T2、T3 分別增產(chǎn)5.98%和6.63%，T2、T3 相比無顯著差異。說明T2 和T3 均能促進水稻增產(chǎn)，并且T3增產(chǎn)效果更加明顯。

3 討論

稻田早稻季基肥期，T1基肥期施氮量增加15 kg?hm?2的前提下，T2、T3氨揮發(fā)程度峰值相較于T1延遲1 d，峰值大小順序為T1>T2>T3，并且氨揮發(fā)損失量大小的順序依然為T1>T2>T3，其原因可能與肥料類型與施肥深度有關(guān)。稻田施入氮素肥料后，T1 處理下氮素遇水快速水解，極易造成田面水NH3濃度急劇升高，易在短時間內(nèi)產(chǎn)生NH3揮發(fā)。T2 處理下，其種植方式與T1一致，但是由于控釋尿素的緩釋效應，有利于土壤對氮素的固定，同時其肥效釋放速度更適宜早稻苗期的生長發(fā)育，有利于水稻秧苗對氮素的吸收。而T3 處理因其肥料施入5 cm 以下，延緩了氮素的溶解和進入田面水，與控釋尿素延緩肥力釋放機理雖有差別，但結(jié)果基本一致，故在前幾天氨揮發(fā)通量相對較小[19?20]。同時鄧美華等[21]研究認為氮肥施入土壤深度顯著影響氨的揮發(fā)速率和揮發(fā)損失量，且氨揮發(fā)強度隨施肥深度而降低。周平遙等[22]研究也表明與氮肥減量撒施相比，減量深施氨揮發(fā)損失率較減量撒施處理降低了23.89%～53.10%。機插同步深施肥模式下的復混肥料中的尿素深施后可以與土壤充分混合，被土壤吸附并減小其溶解范圍，從而抑制氨揮發(fā)。此外機插深施與直播兩種模式下的初期田面均采取施肥后淹水，尿素首先被施入沒有水的田面，然后再灌水使得氮肥進入較深層次的土壤中，從而促進了氮素被水稻根系吸收，使氮肥利用率提高；同時短期內(nèi)田面缺水，造成水稻水分脅迫，促進了水稻根系生長，從而加強了水稻對氮素的吸收，因此進入田面水的較少，田面水中的濃度降低，進而減少了稻田的氨揮發(fā)[23]。

本研究監(jiān)測了基肥期各處理的稻田田面水不同形態(tài)的氮磷濃度動態(tài)，在水稻試驗中發(fā)現(xiàn)，各處理稻田田面水的?N 濃度分別是?N 濃度的16.78、14.49倍和12.80倍，稻田田面水顆粒態(tài)磷含量明顯高于水溶性磷含量，說明稻田田面水氮素、磷素流失主體分別為銨態(tài)氮與顆粒態(tài)磷，其中銨態(tài)氮在田面水無機態(tài)氮中所占比例為92.52%～94.34%；顆粒態(tài)磷在稻田磷素流失中占比為58.33%～65.82%。此外，稻田田面水氮磷流失風險主要集中于施肥后一周左右，其流失比例分別占整個監(jiān)測周期比例的69.84%～75.61%、57.24%～84.38%。在氮素投入低于T1、磷肥施用量相同的條件下，T2 和T3 兩種種植方式的稻田田面水總氮平均濃度分別降低了23.01%和53.57%，總磷平均濃度分別降低了11.11%和30.79%，氮磷流失風險大大降低，這與王強等[24]和蔡佳佩等[25]的研究結(jié)論基本相符。但是本研究認為，在氮磷投入量相同的條件下，在水稻基肥期深施肥（T3）與直播（T2）相比，水稻苗期具有較強的養(yǎng)分吸收利用能力，更有利于減緩稻田氮磷養(yǎng)分溶出進入田面水，從而降低稻田氮磷流失的風險。此外，陳雄飛等[26]生產(chǎn)試驗表明水稻穴播同步側(cè)位深施肥技術(shù)具有增產(chǎn)、節(jié)本的效用，在同等的施肥條件下，機械播種及深施肥處理的有效穗、穗平均實粒數(shù)、結(jié)實率均高于機械播種人工撒施肥和直播人工撒施肥，增產(chǎn)418.5～957.0kg·hm?2，增幅為5.86%～13.41%。朱從樺等[27]研究認為，與撒施相比，機械側(cè)深施肥的水稻產(chǎn)量增加4.46%～8.11%，氮素回收效率提高17.91%～54.10%。位國建等[28]的研究表明，側(cè)深施肥技術(shù)能減少氨揮發(fā)，增強水田對氮的吸附，減少氮素流失。以上研究均證實了機插同步一次性深施肥相比于撒施直播對水稻養(yǎng)分利用與產(chǎn)量的優(yōu)勢影響。本研究結(jié)果從土壤養(yǎng)分和產(chǎn)量兩方面均印證了以上觀點，即水稻收獲期T2 和T3 兩種種植方式土壤全氮、全磷、堿解氮和有效磷雖略有增加，但處理間無顯著性差異，產(chǎn)量分別增加5.98%和6.63%，說明采用這兩種種植方式較農(nóng)民習慣種植方式有利于降低稻田氮磷養(yǎng)分流失風險，促進水稻增產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）早稻基肥期氨揮發(fā)主要集中在施肥后的前9 d，其揮發(fā)量占監(jiān)測期總揮發(fā)量的92%以上；一次性施肥種植方式相比于農(nóng)民習慣施肥+直播模式可顯著降低稻田氨揮發(fā)量，且機插同步一次性深施肥減氮10%模式效果更佳。

（2）水稻施肥后的第1 個星期稻田田面水氮磷濃度相對較高，即為氮磷徑流流失的高風險階段。機插同步一次性深施肥減氮10%模式在降低稻田田面水氮磷流失風險上優(yōu)于控釋尿素減氮10%+直播模式。

（3）與農(nóng)民習慣施肥+直播模式相比，機插同步一次性深施肥減氮10%和控釋尿素減氮10%+直播兩種耕作施肥模式有利于降低氮磷養(yǎng)分流失風險，且兩種模式分別增產(chǎn)6.63%和5.98%。