速效氮与缓控释氮配比一次性侧深施对双季稻产量、氮素利用率及氮素损失的影响

侯坤，荣湘民，韩磊，潘治宇，彭建伟，张玉平，谢桂先，田昌，韩永亮

（湖南农业大学资源环境学院，土壤肥料资源高效利用国家工程实验室，长沙 410128）

氮是影响水稻生长发育的主要营养元素之一。进入21 世纪以来，氮肥的大面积施用实现了粮食的大量增产，解决了大部分地区的温饱问题。但是，我国的氮肥当季利用效率只有30%~35%，远低于发达国家水平[1-2]。较低的肥料利用率，迫使农民增加肥料投入量以获得较高产量[3]。长期过量和不合理的肥料施用带来了水体富营养化、地下水硝酸盐过高、土壤退化等一系列的环境问题[4-5]。减少肥料施用的同时保证粮食安全已经成为目前亟待解决的问题。

随着农业现代化的不断推进，采用工厂化的育秧和机插同步一次性侧深施肥技术，不仅有助于解决我国现阶段农村劳动力不足的问题，还减少了肥料投入，提高了水稻生产效率和经济效益。在实际应用中，相比于农民习惯施肥，采用机插同步一次性侧深施肥作业方式也表现突出，在减氮15.9%的条件下，提高了氮肥偏生产力，增产效果显著，同时稻米品质更优[6]；罗翔等[7]的研究表明，与常规施肥相比，在机插侧深施肥作业方式下施肥量减少20%，水稻分蘖早，有效分蘖数、叶片叶绿素含量和产量明显提高；同种作业方式，钟雪梅等[8]在减氮20%~30%的条件下，水稻能实现小幅增产和稳产。但是，随着减氮量的增加，可能造成水稻后期供氮不足从而影响水稻产量。缓控释肥能减缓养分释放速度，延长肥效，但目前单一的速效氮或缓控释氮施用通常不能满足水稻整个生育期的需肥，仍然需要多次施肥[9-10]。缓控释肥部分代替速效肥，能缓解后期供肥不足的问题[11]，但采用速效氮与缓控释氮混合深施的研究较少。本试验采用机插同步一次性侧深施肥技术，在减氮20%~30%的前提下[8]，设置速效氮与缓控释氮的不同配比，以探究其对双季稻产量、氮肥利用率及氮素损失的影响，为水稻机械化、清洁化生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019 年4—11 月在湖南省汨罗市凤凰乡荞麦湖村（28°55′N、112°56′E）进行，该区属亚热带大陆性季风湿润气候，境内阳光充足，雨量充沛，气候温和，年日平均气温16.9 ℃，年均总日照时数1 665 h，无霜期263 d，年均降雨量1 353 mm，年均蒸发量1 330 mm。该区供试土壤为河潮泥，是由近现代河流冲积物发育而来的水稻土，土壤含有机质27.56 g·kg-1、全氮2.51 g·kg-1、全磷0.42 g·kg-1、全钾 20.43 g·kg-1、碱解氮 221.72 mg·kg-1、速效磷 13.42 mg·kg-1、速效钾251.52 mg·kg-1，pH 5.12。

1.2 供试材料

供试早稻品种为陵两优268（生育期112 d），晚稻为桃优香占（生育期113 d）。供试肥料为尿素（含N 46%）、氯化钾（含K2O 60%）、复混肥和水稻侧深施专用肥，早、晚稻的水稻侧深施专用肥各有5 种，分别为缓控释氮占总施氮量比例的0%、10%、20%、30%、40%，肥料均由湖南沃博特生物公司提供。缓控释氮（包膜为树脂包膜，释放天数为120 d）的氮素释放曲线如图1。供试机械为2FH-8 插秧同步精量施肥机，由湖南龙舟农机股份有限公司研发，施肥位置为水稻侧3 cm，施肥深度5 cm。

1.3 试验设计

采用田间小区试验，共设7 个处理，分别为：CK，不施肥处理；T1，农民习惯施肥处理（早、晚稻基肥、追肥均为人工撒施，且基肥与追肥施氮量的比分别为6∶4和6∶5）；T2~T6为机插同步一次性侧深施肥处理，缓释氮配比分别为0%、10%、20%、30%、40%。各处理磷肥量为45 kg·hm-2（早稻）和36 kg·hm-2（晚稻）；各处理的早、晚稻施钾量均为90 kg·hm-2。各处理的施肥量见表1。农民习惯施肥处理的早、晚稻基肥施用时间为 2019 年 4 月 18 日和 7 月 30 日，追肥时间为基肥后10 d，即2019年4月28日和8月9日，T2~T6施肥处理早、晚稻均不追肥。

各处理均重复3 次，随机区组排列。小区面积为48 m（212 m×4 m），栽插密度为12 cm×25 cm（早稻）和16 cm×25 cm（晚稻）。

1.4 样品采集及测定方法

1.4.1 氨挥发

挥发的氨气采用密闭室间歇式通气法收集。圆柱形密闭室由透明有机玻璃制成，底面直径20 cm、高9 cm。挥发氨吸收液为20 g·L-1的硼酸，每次抽气结束后，用标准稀硫酸（0.01 mol·L-1H+）滴定，计算土壤中氨挥发量。抽气时，气室内换气速率控制在15~20次·min-1。施肥后每日上午 9：00—11：00 和下午15：00—17：00 进行抽气，作为当日氨挥发的平均通量计算全天氨挥发量，持续测定直至施氮处理与未施氮处理的氨挥发通量无显著差异为止。田间土壤氨挥发损失的计算公式如下：

式中：F为氨挥发通量（以NH3-N 计），kg·hm-2·d-1；c为标准稀硫酸的滴定浓度，mol·L-1；V为滴定消耗稀硫酸的体积，mL；14为每摩尔NH3中N的质量数，g·mol-1；S为捕获装置的截面积，m2；t为氨挥发收集时间，h。氨挥发累积量是各测定时期的氨挥发通量之和。

1.4.2 田面水

田面水样采集：早稻为施肥后的第1、2、3、5、7、9、11、17、24、30、36 d；晚稻为施肥后的第1、2、3、5、7、9、11、13、15、22、29、36 d，田面水总氮采用碱性过硫酸钾消煮-紫外分光光度法测定，NH+4-N、NO-3-N 含量用SmartChem200测定。

1.4.3 土样

采用五点取样法，取收获期0~20 cm 土层土壤。采用碱解扩散法[13]测定碱解氮含量。

1.4.4 水稻植株样品

分别于水稻分蘖盛期、抽穗期、灌浆期及成熟期，取水稻植株样品，用H2SO4-H2O2消煮，开氏定氮法[13-14]测定氮含量（KDN-102C定氮仪）。成熟期测产。

收获期考种指标：

氮素积累总量（Total N accumulation，TNA）为成熟期单位面积植株（茎叶和穗）氮积累量的总和；

氮收获指数（N harvest index，NHI）为成熟期单位面积植株籽粒氮素积累量/单位面积植株氮素总积累量；

氮肥吸收利用率（N recovery efficiency，NRE）=（施氮区氮总吸收量−无氮区氮总吸收量）/施氮量×100%；

氮肥农学利用率（N agronomic efficiency，NAE）=（施氮区稻谷产量−无氮区稻谷产量）/施氮量；

氮肥生理利用率（N physiological efficiency，NPE）=（施氮区稻谷产量−无氮区稻谷产量）/（施氮区氮总吸收量−无氮区氮总吸收量）；

氮肥偏生产力（N partial factor productivity，NPFP）=施氮区稻谷产量/施氮量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 和 SPSS 17.0 软件进行数据处理和分析，处理间差异显著性分析采用最小显著差异法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对双季稻产量的影响

如表2所示，在早稻季，T1~T6处理的产量都显著高于CK 处理，其中T2 处理产量最高，达到5 811.43 kg·hm-2，比T1 处理提高了2.48%，其次为T4、T5、T6处理，比T1 处理分别提高了0.34%、2.35%、1.05%，T3 处理减产了0.21%，但T1~T6 处理之间的产量差异不显著。在晚稻季，T1~T6 处理的产量显著高于CK 处理，其中 T5 产量最高，达 8 510.42 kg·hm-2，比T1 处理提高了 5.01%；T2、T3、T4 处理分别提高了0.43%、0.38%、4.88%；T6 处理相比T5 和T4 处理均显著减产。

表2 双季稻产量Table 2 Yield composition of double cropping rice

早稻季，各处理间的千粒质量和结实率均差异不显著；晚稻季，T1 处理的千粒质量显著低于CK、T2、T4、T5、T6 处理，T2~T6 处理间差异不显著；T3~T6 处理结实率显著低于CK 处理，但T1~T6 处理间结实率差异不显著。

2.2 不同施肥处理对双季稻氮素累积量的影响

如表3 所示，在早稻季，T2~T6 处理间氮素累积量、氮收获指数均差异不显著，但T5处理氮收获指数显著高于T1 处理（P<0.05）。而在晚稻季中，孕穗期T6处理的氮素累计量显著低于T1~T5处理，但T2~T6处理在分蘖期、灌浆期和成熟期的氮素累计量各施肥处理间差异均不显著；CK 处理的氮收获指数最高，其次为 T5 处理，在 T2~T6 处理中，T5 处理显著高 T2 处理，但T3、T4、T6处理间差异不显著。

表3 不同施肥处理对水稻生育期氮素累积和氮收获指数的影响Table 3 Deep application of different fertilization treatments for double-cropping rice has effect on nitrogen accumulation and nitrogen harvest index during rice growth period

2.3 不同施肥处理对双季稻氮素利用率的影响

如表4 所示，在双季稻生产过程中，相比于T1 处理，早稻和晚稻T2~T6 处理的NRE、NAE、NPE、NPFP分别提高了30.01%~52.38%、-1.16%~26.40%、5.85%~39.31%、30.48%~41.10%（早稻）和19.25%~76.66%、3.13%~46.15%，38.00%~46.15%，20.29%~40.79%（晚稻）。在早稻季，T2~T6 处理的NRE 均显著高于T1 处理，其中T5 处理的NRE 显著高于其他处理，达41.02%；T3~T6 处理的NAE、NPE、NPFP 差异均不显著；T2~T6 处理的NPFP 显著高于T1 处理。在晚稻季T2~T6 处理中，T4 处理的 NRE 达到了 61.32%，显著高于T2和T3处理，而NAE、NPE、NPFP处理间差异均不显著。以上说明，氮肥减量深施能有效提高氮肥吸收利用率，同时在深施处理中添加一定比例的缓控释氮能进一步提高氮肥利用率，为双季稻的高产奠定基础。

表4 不同施肥处理的氮素利用率Table 4 Nitrogen utilization efficiency of different fertilization treatments for double cropping rice

2.4 不同施肥处理的双季稻经济效益

如表5所示，T2~T6处理与T1处理相比经济效益提高了9.2%~12.9%（早稻）和-1.3%~11.4%（晚稻），从产投比来看，不同缓控释氮配比处理均显著高于T1 处理，但T2~T6 之间的差异在早稻季中差异不显著，晚稻季T6处理显著降低。

表5 不同施肥处理下机插双季稻经济效益Table 5 Economic profit of machine-transplanted double-cropping rice under different fertilization treatments

2.5 不同施肥处理对双季稻稻田氨挥发的影响

氨挥发是稻田氮素损失的重要途径，如图2a 和图2c 所示，T1 处理早、晚稻氨挥发在施肥后第3 d 达到峰值，分别为4.45 kg·hm-2·d-1和 8.66 kg·hm-2·d-1，之后快速下降到0.55 kg·hm-2·d-1和0.82 kg·hm-2·d-1，下降了87.6%和90.5%，在追肥后第2 d达到第二个峰值2.22 kg·hm-2·d-1和8.02 kg·hm-2·d-1，随后快速下降并在一定范围波动。在早稻季中，T2~T6 处理的氨挥发通量未表现出明显的峰值，一直在2 kg·hm-2·d-1以下水平，并整体有缓慢上升的趋势；在晚稻季中，T2、T4、T6 处理在施肥后第 1 d 就达到峰值，分别为 3.24、2.81 kg·hm-2·d-1和2.56 kg·hm-2·d-1，之后一直在1 kg·hm-2·d-1左右的较低水平波动。监测期间的氨挥发累积损失量见图2b 和图2d，T2~T6 处理相比于T1 处理表面施肥氨挥发累积量早、晚稻分别减少62.8%~77.1%和65.36%~77.68%，T3~T6 处理相比T2处理氨挥发累积量减少5.28%~38.26%和29.40%~35.58%。早、晚稻季，T2~T6 处理的氨挥发累积量均显著低于T1 处理；在T2~T6 处理中，早稻季各处理差异不显著，晚稻季中T4 和T6 处理显著低于T2 处理。以上说明深施处理能显著减少氨挥发带来的氮素损失，同时添加缓控释肥能进一步减少氨挥发的损失。

2.6 不同施肥处理对氮素径流损失的影响

田面水总氮浓度的动态变化如图3a和4a所示，总氮浓度早、晚稻的变化趋势基本保持一致，T1 处理均在施肥后的1~3 d 达到第一个峰值39.03 mg·L-1和47.35 mg·L-1，随后迅速下降，并在施肥 7 d 后下降到13.09 mg·L-1和 6.30 mg·L-1，分别下降了 66.5% 和86.7%。第二个峰值出现在追施分蘖肥后的第2 d，分别为38.6 mg·L-1和33.18 mg·L-1，之后开始下降，并在10 d左右趋于稳定；相比于T1处理，T2处理早、晚稻的田面水总氮峰值浓度分别下降了43.6%和68.8%。T2~T6处理中，早、晚稻田面水总氮浓度变化趋势基本一致，早稻的总氮浓度只有一个峰值，均出现在施肥后的第 3 d，分别达到 22.15、21.68、14.38、14.73、11.70 mg·L-1，随后总氮浓度在一定范围内波动；在晚稻季中，T2~T6处理的峰值出现了不一致，分别在施肥后的5、3、3、5、7 d。

田面水中可溶性氮的动态变化如图3d、图3f 和图4d、图4f，早、晚稻的铵态氮变化趋势与总氮变化基本一致，而硝态氮的总体含量较低，且变化没有呈现出明显的规律。

总氮和铵态氮的平均浓度如图3b、图3d和图4b、图4d，二者变化趋势基本一致，均为T1>T2>T3>T4>T5>T6。田面水总氮和铵态氮平均浓度，与T1处理相比，T2 处理分别降低了41.78%、43.48%（早稻）和62.62%、54.97%（晚稻）；在T2~T6 处理中，相比T2 处理，T3~T6 处理分别降低了20.90%~38.22%、26.26%~46.09%（早稻）和7.39%~29.14%、42.57%~45.61%（晚稻）；其中T4 处理的早、晚稻田面水总氮和铵态氮平均浓度均显著低于T2处理。各处理间硝态氮浓度差异并无明显规律，且浓度较低。

2.7 不同施肥处理对土壤碱解氮的影响

土壤碱解氮的水平是反映土壤供氮能力的重要指标，经过早、晚稻耕作后，各处理的土壤碱解氮含量如图5 所示。在早稻季T2~T6 处理中，T3~T6 处理与T2 处理相比差异不显著。在晚稻季T2~T6 处理中，与T2处理相比，T6处理提高了土壤中碱解氮含量，但T3~T6处理与T2处理差异不显著。

3 讨论

3.1 缓控释氮与速效氮配比对水稻产量及产量构成的影响

肥料深施与缓控释肥都能延长肥效，减少肥料施用量，提升肥料利用率[8]，并减少农田氨挥发和氮素淋溶损失[15-16]。有研究表明，采用缓控释氮肥一次性侧深施，减氮16.2%~20%处理比农民习惯施肥处理增产6%~12.26%[17-19]。采用缓控释氮部分代替速效氮，在兼顾成本的同时能有效增加土壤中无机氮含量，促进土壤微生物繁殖，优化产量构成因子，达到水稻增产目标[20-21]。在本研究中，早、晚稻T1~T5处理间产量差异均不显著（表2），这与王海月等[22]的研究结果相似。

研究表明[23-24]，速效氮与缓控释氮比例为6∶4，一次性表施时的水稻增产效果和提高氮素利用率最好。而本研究中，晚稻T6处理的产量显著低于T4和T5处理。原因可能是深施肥条件下减少肥料损失，延长了速效肥的肥效，从而添加较少的缓控释氮也能达到较好的产量。但不同地区作物的缓控释肥与速效肥的比例有差异[25-26]，这可能与不同地区的土壤类型和缓控释肥的种类有关。在本研究的经济效益中（表5），早、晚稻T2~T5处理间产投比差异均不显著，即在同样的深施肥处理中，添加缓控释氮（T3~T5）处理与只添加速效氮（T2）处理的经济效益差异不显著。

本研究产量构成中，与T2 处理相比，早、晚稻季T3~T6 处理的结实率和千粒质量各处理间差异不显著，说明添加缓控释肥处理对水稻的结实率和千粒质量没有显著影响，这与前人的研究结果一致[9]；但是晚稻季中，CK处理的千粒质量和结实率均高于T1~T6处理。其原因可能是：（1）CK 处理水稻秸秆的生物量较低，使得植株透气和透光性好，产量较低但结实率高。（2）较大的生物量不利于水稻的干湿交替，陆大克等[27]认为，轻度适宜的干湿交替灌溉能促进强健根系形态的建成，提高养分吸收利用，从而促进水稻的结实。

3.2 缓控释氮与速效氮配比对氮肥利用率和土壤碱解氮的影响

与农民习惯施肥相比，尿素深施的氮素利用率提高18%左右[28]。采用机插一次性侧深施控释氮肥的NRE 高于单一的控释氮表施和速效氮深施，早、晚稻NRE 达到了48%、63%[29]；采用缓控释肥与速效氮配比深施，早、晚稻的肥料利用率可达到50%~60%，但添加缓控释氮肥的比例，不同地区存在差异[21，30]。在本研究中，T2~T6 处理的NRE 为 35.00%~41.02%（早稻）和41.39%~61.32%（晚稻），其中T4 处理早、晚稻的NRE 分别为37.93%和61.32%，T5 处理早、晚稻的NRE 分别为41.02%和59.86%，均表现较好。说明在机插同步一次性侧深施肥作业方式下，同时添加30%缓控释肥的施肥模式，能最大限度地提高水稻NRE。

钟雪梅等[8]的研究表明，在普通化肥减量深施条件下，随着氮肥施用量的减少，土壤中的碱解氮含量有下降趋势，这可能造成下一季水稻的减产。有研究结果表明[23-24，31]，在控释氮与速效氮比例为 4∶6 时，能提高土壤的无机氮水平。在本试验结果中，与T2~T5处理相比，T6 处理土壤的碱解氮只在早稻季中显著高于T3 处理，而与早、晚稻其他处理均无显著差异。其次，晚稻T6 处理产量显著低于T4 和T5 处理（表2），导致这样的原因可能是：缓控释氮肥代替部分速效氮深施进一步减少了氮素损失，使土壤一直保持较高的无机氮水平，使水稻贪青，不利于水稻的高产。

3.3 缓控释氮与速效氮配比深施对氨挥发以及氮素径流损失的影响

有效降低施肥后7~9 d 内的田面水中氮素浓度是减少氮素损失的关键[32-33]。与农民习惯施肥相比，一定比例速效氮与缓控释氮减氮配施，可显著降低田面水中氮浓度，减少氨挥发损失[34-35]。

氮素肥料的深施和条施能有效降低氮素损失[36-37]。在机插同步一次性侧深施肥作业方式下，采用不同的缓控释氮混合施用，在减氮20%~30%时，显著降低了田面水氮浓度[38]。在本研究中，与农民习惯施肥相比，T2~T6 处理显著降低了施肥后田面水的总氮和铵态氮浓度，且没有二次峰值，这与前人的研究结果一致[39]。在T2~T6 处理中，与T2 处理相比，添加缓控释氮能有效降低氨挥发损失量，但是差异不显著。而田面水总氮和铵态氮平均浓度有随着缓控释氮比例升高而下降的趋势，其中T4~T6处理均显著低于T2 处理（图3 和图4），即当缓控释氮比例为20%时的田面水总氮、铵态氮的平均浓度均已显著低于T2处理，而田面水的硝态氮浓度各处理均低且差异不显著。说明在机插一次性侧深施肥作业方式下，添加20%缓控释氮，比单一的速效氮处理，能显著降低氮素径流损失和氨挥发损失。

T4与T5处理在产量、氨挥发、氮素径流损失之间的差异均不显著，结合经济效益，综合考虑下推荐适宜的缓控释氮配比为20%。

4 结论

与农民习惯施肥相比，采用机插同步一次性侧深施肥作业方式，早稻氮肥减量30%，晚稻氮肥减量20%，早、晚稻不减产。添加10%~40%的缓控释氮对早、晚稻产量的影响不显著。添加0%~30%的缓控释肥，处理间土壤中碱解氮含量差异不显著。添加20%的缓控释氮能够显著降低水稻氨挥发和氮素径流损失，对水稻绿色生产具有重要意义。因此，推荐湖南洞庭湖双季稻生产区，在机插同步一次性侧深施肥作业方式下，采用速效氮与缓控释氮8∶2的配比施用。