不同水氮管理条件下稻田氨挥发损失特征

邬 刚，袁嫚嫚，曹哲伟，张兆冬，王莉莉，王永露，孙义祥①

（1.安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽省定远县土壤肥料工作站，安徽 定远 233200）

水分和氮素是影响水稻新陈代谢和生长发育过程的两个重要因素。我国水稻生产中水分消耗量和氮肥投入量均较大［1-3］，但是两者利用效率并不高，我国农田灌溉水有效利用率仅为50%［4］，水稻生产中化肥氮素利用效率仅为27.1%～35.6%［5-6］。不合理灌溉和施肥不仅会导致水和氮肥资源的浪费，还会造成农业面源污染，危害生态环境［7-8］。因此，如何实现水肥资源高效利用是我国农业发展的迫切需求。

节水灌溉是提高农田水分利用效率主要途径之一，目前常见的节水灌溉模式包括“浅、湿、晒”灌溉、间歇灌溉、控制灌溉和蓄水灌溉技术［9］。已有研究表明，与传统淹水灌溉方式比较，采用节水灌溉方式有利于创造良好根系形态、提高根系活力［10］，提高叶面积指数和高效叶面积率［11］等。此外，节水灌溉还可减少农田氮素损失［12］，有助于提高氮素利用效率［13］。近几年，随着我国化肥使用量零增长行动的推进，缓/控释肥作为提高氮肥利用率的技术途径在水稻生产中的应用越来越广泛。与普通尿素相比，施用缓/控释肥能显著增加水稻根干重、总根长、根系体积和根系伤流强度［14］，减少氮素淋溶和气态氮素损失［15］，进而增加水稻氮素利用率。

氨挥发是稻田氮肥气态损失主要途径，据统计，稻田系统氨挥发损失可达总施氮量的9%～40%［16-18］。影响稻田氨挥发损失的因素主要有当地气候条件（温度、光照和风速等）、土壤性质和农业技术措施等［19］。目前关于稻田氨挥发损失的研究主要针对单独的氮肥管理或水分管理措施［20-23］，而水氮耦合对稻田氨挥发损失影响的田间研究鲜有报道。因此，笔者通过田间试验，设置不同水分和氮肥管理模式，明确水氮耦合条件下稻田氨挥发损失特征，并对控制灌溉和优化施氮减少稻田氨挥发的效果进行探讨，以期为安徽省水稻优质高产高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在安徽省滁州市定远县池河镇青岗村进行（32°33"N，117°52"E）。试验地位于江淮丘陵区，属于亚热带季风气候区，年平均气温为14.9～15.7℃，年平均降水量为923～997 mm，耕作制度为稻麦轮作，土壤类型为黄褐土。0～20 cm土壤基本理化性质：pH值为6.60、w（有机质）为23.3 g·kg-1，w（全氮）为1.27 g·kg-1，w（速效磷）为25.9 mg · kg-1，w（速效钾）为165.5 mg · kg-1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，设置主区为水分管理，副区为氮肥管理。按灌水方式设2个主区（表1），分别为常规灌溉（W1）：参照当地农户习惯管理模式，除分蘖末期和收获前1周烤田落干外，其他生育期水稻田面水层深3～5 cm；控制灌溉（W2）：浅水（深1～2 cm）移栽，栽后7 d内田面水层深2 cm，保证秧苗返青，其他生育期稻田不保持水层，而根据土壤饱和含水率控制灌水量。每个主区按氮肥管理设4个副区：不施氮肥（N0）；在施氮量195 kg·hm-2基础上，设置3个氮肥运筹，即常规施肥1〔m（基肥）∶m（分蘖肥）∶m（穗肥）=5∶2∶3，肥料种类均为普通尿素，N1〕；常规施肥2〔m（基肥）∶m（分蘖肥）∶m（穗肥）=7∶0∶3，肥料种类均为普通尿素，N2〕；优化施肥（普通尿素与缓释尿素配施的一次性基施，普通尿素与缓释尿素施用比例为7∶3，N3）。

表1 稻田生育期不同阶段土壤水分管理方式Table 1 Water management of different irrigation management pattern in rice growth stages

磷钾肥〔m（P2O5）∶m（K2O）=2.5∶3.0〕作为基肥一次性施入，P2O5施用量为75 kg·hm-2，K2O施用量为90 kg·hm-2，基肥施用深度为20 cm。普通尿素含氮量w为46%，缓释尿素（释放期为60 d，树脂尿素含氮量w为44%），磷肥和钾肥分别为过磷酸钙〔w（P2O5）为 12%〕和氯化钾〔w（K2O）为60%〕。分蘖肥和穗肥均为尿素。每个处理设3次重复，随机区组排列，副区为5 m×7 m，小区间做埂隔离，并用塑料薄膜覆盖埂体，保证每个小区单独排灌。水稻品种为丰两优香1号，于2016年6月10日移栽，基肥（6月9日）于移栽前深施，分蘖肥（7月2日）和穗肥（8月2日）分别于移栽后22和52 d以撒施方式施入，9月28日收获，水稻移栽时株距为20 cm，行距为26.7 cm。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 水稻产量的测定

成熟期每个副区选定长势均匀的10 m2作为水稻测产小区，每个副区单打单收。稻谷晒干后测定质量和含水量，实收产量以含水量w为13.5%折算。

1.3.2 田面水样品采集与测定

常规灌溉处理每次施肥后，采用多点混合法，施肥后1周内每天采集1次，1周后2 d采集1次，直至其NH4+-N浓度与对照区无差别为止。水样过滤后，放于4℃冰箱保存，用纳氏比色法测定其NH4+-N浓度。

1.3.3 表层土壤样品采集与测定

控制灌溉处理每次施肥后，采用多点混合法采集0～10 cm土壤样品，采集频率与水样一致。土壤样品采集后集中放于4℃冰箱保存，经0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提后采用流动分析仪测定NH4+-N含量。

1.3.4 氨排放通量测定

采用密闭室监测稻田氨挥发通量［24］：密闭室为内直径20 cm、高15 cm、底部开放的透明有机玻璃圆筒，将密闭室嵌入2行植株之间的表层土壤中，内部留有8～10 cm高的空间。圆筒顶部有2个通气孔，一个与2.0 m高的塑料管连接（以保证通入密闭室内气体不被稻田排放的NH3污染，其NH3浓度为大气NH3浓度）。另一个与500 mL孟氏洗气瓶相连，瓶内装有120 mL的φ为2%硼酸指示剂（甲基红-溴甲酚绿）溶液用于吸收气体中氨（以1 min 15～20次频率吸气），然后采用0.02 mol· L-1硫酸溶液滴定其NH4+-N浓度，计算得到稻田氨挥发通量。氨挥发测定在施肥后每天上午9：00—11：00进行，此时土壤产生的气态氨相当于全天平均水平［24］，连续抽2 h，将收集氨气的硼酸溶液带回实验室进行滴定，检测周期持续至施肥区与对照区氨挥发通量无差别为止，基肥、分蘖肥和穗肥施用后氨挥发监测时间分别为9、8和7 d。

1.4 数据处理与分析

氨挥发通量计算公式为

式（1）中，NNH3为以氨形式挥发的氮含量，kg·hm-2·d-1；14为 N 的相对原子质量；C1/2H2SO4为硫酸标液浓度，0.02 mol·L-1；V 和 V0分别为滴定收集氨处理和空白滴定所消耗的硫酸标液体积，mL；d为密闭室内半径，m。

氨挥发排放强度计算公式为

式（2）中，QNH3为氨挥发（以N计）排放强度，kg·t-1；E为单位面积氨挥发（以N计）排放总量，kg·hm-2；Y为单位面积水稻产量，t· hm-2。

采用Microsoft Excel 2007软件进行计算和统计，采用SPSS 17.0软件中Duncan法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同水分和氮肥管理模式对稻田土壤氨挥发通量动态变化的影响

稻田氨挥发通量动态变化见图1。如图1所示，监测期氨挥发通量峰值均出现在施肥后1～3 d内。施基肥后，稻田土壤氨挥发迅速升高，在第2天达到峰值，峰值为14.29～23.26 kg·hm-2·d-1，各处理氨挥发通量峰值由大到小依次为W2N2、W2N3、W2N1、W1N3、W1N2、W1N1、W1N0 和W2N0。随后氨挥发通量迅速降低，5 d时各处理平均氨挥发通量是降至峰值的34.32%；5 d后氨挥发通量缓慢降低，直至第9天，不同处理氨挥发通量无明显差异，为0.10～0.33 kg· hm-2· d-1。

图1 不同水分和氮肥管理模式氨挥发通量动态变化Fig.1 The dynamics curve for NH3volatilization fluxes under different water and fertilization management

水稻分蘖期追肥后，氨挥发通量变化趋势与施基肥后情况不同，W1N1和W2N1处理在追肥后1 d就达到氨挥发通量峰值，峰值分别为6.68和5.22 kg·hm-2·d-1，随后缓慢降低，直至第 8天，各处理氨挥发通量无明显差异，为0～0.21 kg·hm-2·d-1。

水稻孕穗期追肥后，氨挥发通量变化趋势与分蘖期追肥后情况基本一致，W1N1、W1N2、W2N1和W2N2处理亦在追肥后第1天达到氨挥发通量峰值，为 0.99～2.44 kg·hm-2·d-1，峰值由大到小依次为W1N1、W1N2、W2N2和W2N1。随后氨挥发通量缓慢降低，直至第6天，各处理氨挥发通量无明显差异，为0～0.15 kg·hm-2·d-1。

整个生育期，在W1处理条件下，N0、N1、N2和N3全生育期氨挥发通量平均值分别为0.18、2.90、2.48 和 2.49 kg·hm-2·d-1；在 W2 处理条件下，N0、N1、N2和N3全生育期氨挥发通量平均值分别为0.18、2.61、2.39和2.48 kg·hm-2·d-1。

2.2 不同水分和氮肥管理模式对稻田氨挥发损失量和损失率的影响

不同水分与氮肥管理对稻田氨挥发损失量与损失率的影响见表2。

表2 不同水分与氮肥管理对稻田氨挥发损失量与损失率的影响Table 2 The ammonia volatilization emission volume and ratio under different water and fertilization management

施基肥后连续9 d监测期内，氮肥管理显著影响稻田氨挥发损失。W1处理条件下不同氮肥管理基肥氨挥发损失量由大到小依次为W1N3、W1N2和W1N1，而氨挥发损失率由大到小依次为W1N1、W1N2和W1N3。与W1N1处理相比，W1N2和W1N3处理基肥氨挥发损失量分别显著增加33.48%和42.56%（P＜0.05），而W1N2与W1N3处理则差异不显著（P＞0.05）。W2处理条件下基肥氨挥发损失变化趋势与W1处理基本一致，与W2N1相比，W2N2和W2N3基肥氨挥发损失量分别显著增加25.78%和35.59%（P＜0.05）。在相同氮肥管理条件下，灌溉方式对基肥氨挥发损失量和损失率的影响不显著（P＞0.05）。基肥氨挥发损失量占氨挥发损失总量比例最大，不同处理为52.92%～90.78%。

N2和N3处理未追施分蘖肥。N1处理条件下不同水分管理显著影响分蘖肥氨挥发损失量和损失率。与W1N1处理相比，W2N1处理分蘖肥氨挥发损失量和损失率分别显著降低26.43%和17.82%（P＜0.05）。在N2和N3条件下，W2N2和W2N3处理氨挥发损失量较W1N2和W1N3分别降低25.18%和31.53%。

相同水分管理条件下，不同氮肥管理条件下穗肥氨挥发损失量和损失率差异不显著，而相同氮肥管理（除N3处理）条件下，不同水分管理条件下穗肥氨挥发损失差异显著。与W1N1处理相比，W2N1处理穗肥氨挥发损失量显著降低48.98%；W2N2处理穗肥氨挥发损失量较W1N2处理显著降低37.44%（P＜0.05）。

从全生育期看，各处理稻季氮肥氨挥发损失总量和损失率由大到小依次均为W1N1、W2N1、W1N2、W1N3、W2N3和W2N2。通过交互作用分析发现，稻季氨挥发损失受水分和氮肥管理的共同影响，氮肥管理对氨挥发排放的贡献率高于水分管理（表2）。W1处理条件下，W1N2和W1N3处理氨挥发损失总量比W1N1处理分别显著降低14.22%和14.07%；W2处理条件下，W2N2处理氨挥发损失总量比W2N1处理显著降低8.26%；N1处理条件下，W1N1处理氨挥发损失总量比W2N1处理显著增加10.04%（P＜0.05）。

2.3 不同水分和氮肥管理模式田面水和表层土壤-N浓度或含量与氨挥发通量相关性分析

如图2所示，W1处理条件下，不同氮肥管理处理氨挥发通量与田面水NH4+-N浓度呈现极显著相关关系（P＜0.01），决定系数（R2）由大到小依次为W1N3（R2=0.936）、W1N2（R2=0.900）和 W1N1（R2=0.834）处理。W1处理条件下，不同氮肥管理处理氨挥发通量与表层土壤NH4+-N含量亦呈现极显著相关关系（P＜0.01），R2由大到小依次为W2N3（R2=0.649）、W2N2（R2=0.592）和 W2N1（R2=0.542）处理。N3处理与田面水和表层土壤NH4+-N浓度或含量与氨挥发通量相关性最高，表明N3处理条件下，氨挥发通量受田面水或表层土壤NH4+-N浓度或含量的影响最大。在氮肥管理相同条件下，水分管理不同，则田面水或表层土壤中NH4+-N浓度或含量与氨挥发通量相关性也不同，均表现为常规灌溉高于控制灌溉。

图2 氨挥发通量与田面水和表层土壤-N的关系Fig.2 Relationship between ammonia volatilization rate and-N concentration in surface water or surface soil

2.4 不同水分和氮肥管理模式对水稻产量及其构成和氨挥发排放强度的影响

不同水分和氮肥管理模式对水稻产量及其构成的影响见表3。如表3所示，不同处理千粒重差异不显著（P＞0.05）。不同处理穗粒数由大到小依次为 W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N3、W2N2、W1N0和W2N0处理。W1N2处理穗粒数比W2N2处理显著增加10.03%，W1N3处理也比W2N3处理显著增加8.85%（P＜0.05）；但W2N2处理有效穗数比W1N2处理显著增加26.08%，W2N3处理也比W1N3处理显著增加24.24%（P＜0.05）。从籽粒产量来看，不同处理产量由大到小依次为W2N3、W2N2、W2N1、W1N3、W1N1、W1N2、W2N0和W1N0处理，W2N3处理产量最高，W2N2处理籽粒产量比W1N2处理显著增加10.89%，W2N3处理也比W1N3处理显著增加9.82%（P＜0.05）。

表3 不同水分与氮肥管理水稻籽粒产量及其构成的影响Table 3 Effects of different water and fertilization management on rice yield and its components

氨挥发排放强度是生产单位籽粒产量的氨挥发量，可以作为环境效应的判定指标。如图3所示，在W1处理条件下，W1N1处理氨挥发排放强度最大。与W1N1处理相比，W1N2和W1N3处理氨挥发排放强度分别降低15.69%和19.55%。在W2处理条件下，不同氮肥管理氨挥发排放强度无显著差异（P＞0.05）。通过水分管理可显著降低氨挥发排放强度，在N1处理条件下，W2N1处理氨挥发排放强度比W1N1处理显著降低15.54%（P＜0.05）；在N2处理条件下，W2N2处理氨挥发排放强度比W1N2处理显著降低9.17%（P＜0.05）。

图3 不同水分与氮肥管理对氨挥发排放强度的影响Fig.3 Effects of different water and fertilization management on emission intensity of ammonia volatilization

3 讨论

3.1 不同水分和氮肥管理对氨挥发的影响

常规灌溉条件下，氨挥发发生在水层与大气的界面处；而控制灌溉条件下，大部分氨挥发发生在土壤表面。不同氮肥管理对稻田水分状况的响应亦存在差异。笔者研究表明不同氮肥管理模式下，水分管理对稻田氨挥发的影响不一致。N1处理条件下，常规灌溉氨挥发累积总量比控制灌溉高，且在两种灌溉方式下，稻田氨挥发排放通量分别与稻田田面水NH4+-N浓度和0～10 cm表层土壤NH4+-N含量呈极显著正相关关系（图2），与已有研究结果［18］一致。这主要是因为控制灌溉能显著降低分蘖肥和穗肥氨挥发排放量。为使移栽水稻能快速活棵，控制灌溉处理在基肥期仍保留2 cm深水层，没有建立无水层，因此期间氨挥发和常规淹水条件下无差异；而在分蘖肥和穗肥期控制灌溉处理建立无水层，尿素水解后产生的NH4+随水往下层土壤迁移，从而减少氨分压和氨挥发［18］。但对于N2和N3处理，水分管理对两者氨挥发无显著影响。

在稻田系统中，氮肥施用是引起氨挥发排放增加的重要因素，氮肥高效管理是阻控氨挥发损失的重要途径。稻田氮肥高效利用的方式很多，其中以缓释肥料为载体的技术越来越受到关注。缓释肥料通过控制氮素释放速度，使表层土壤或田面水保持降低氮素水平并长期供给作物吸收利用，从而减少氨损失和提高氮素利用效率。在施氮量相同条件下，湖南省早稻和晚稻树脂包膜尿素处理的氨挥发损失率较普通尿素处理分别减少42.98%～54.26% 和 27.84%～35.287%［20］。徐久凯等［25］通过室内模拟研究发现，与普通尿素相比，45%缓释尿素和55%普通尿素配施能显著降低氨挥发量的25.94%。笔者研究发现，在常规灌溉条件下，N3处理氨挥发排放总量比N1处理显著降低14.07%（P＜0.05）。这是因为缓释尿素作为基肥与土壤充分混匀施用后，包膜材料阻隔膜内尿素与土壤脲酶直接接触，从而阻碍膜内外水分运移，减少参与氨挥发的底物尿素态氮，降低了氨挥发排放。但也有研究表明缓释肥表面撒施施入土壤后，会导致田面水NH4

+-N浓度维持在较高水平，从而增加氨挥发损失［26］。

3.2 不同水分和氮肥管理对水稻产量的影响

水分和氮肥是水稻产量形成中两个重要因素，不同水分和氮肥管理对水稻产量及其构成的影响不同。大量研究表明，与淹水灌溉相比，控制灌溉既可以促进水稻生长，又可以提高水稻产量［27-28］。笔者研究也表明，控制灌溉水稻产量比常规灌溉有所增加，这主要是因为有效穗数显著增加，这与吕银斐等［28］研究结果一致。不同氮肥管理对水稻产量影响很大。张木等［29］研究发现，早稻生产中采用缓释尿素与普通尿素配合一次性基施能显著增加有效穗数和穗粒数。王玉红等［30］研究亦表明，树脂包膜尿素与普通尿素配合施用能增产8%～21%，增产原因是群体结构合理，无效分蘖少，成穗率和结实率高。笔者研究也有此趋势，但差异不显著，这可能是因为缓释尿素和普通尿素配合比例不合理，两者配合后氮肥释放规律与水稻生长阶段养分需求不完全匹配造成的。因此，需要在今后工作中进一步研究。

4 结论

（1）氮肥管理模式显著影响氨挥发损失，在常规灌溉条件下，普通尿素与缓释尿素配合一次性基施能显著降低氨挥发损失。水分管理对不同氮肥管理稻田氨挥发的影响不一致，常规施肥1〔m（基肥）∶m（分蘖肥）∶m（穗肥）=5∶2∶3，肥料种类均为普通尿素〕处理时，通过控制灌溉可以减少氨挥发损失。

（2）稻季氨挥发损失受到水分和氮肥管理的共同影响，氮肥管理对氨挥发排放的贡献率高于水分管理模式。综合比较氨挥发排放强度，控制灌溉和普通尿素与缓释尿素配合一次性基施是资源高效和环境友好的稻田水肥管理模式。