稻田氨挥发和水稻产量对增效复合肥减氮施用的响应

朱荣，柳丽丽，齐永波，穆静，蒋东，章力干，郜红建

（农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室/安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036）

氨挥发是稻田气态氮素损失的主要途径，据统计2016 年我国氨排放总量达到11 Tg，其中稻田氨挥发排放占10%~25%[1-3]。稻田氨挥发可导致养分浪费、氮素利用率低，同时加剧了PM2.5形成、水体富营养化、土壤酸化等一系列环境问题[4-8]。

在影响稻田氨挥发的诸多因素中，氮肥施用是最主要的影响因子[9]。氮肥的过量施用会增加稻田氨挥发损失风险，已有研究表明，稻田氨挥发损失随氮肥施用量的增加呈指数增长[10-11]，其损失比例占施氮量的10%~40%[12]。氮肥减量施用是实现降低稻田氨挥发损失的可行措施[13-15]。然而，氮肥减量施用可能造成水稻减产[16-17]。因此，研发高效环保的新型肥料是减少氮肥用量、保障粮食安全、降低环境污染的重要途径[18-19]。

近年来，通过添加不同增效载体（腐植酸、氨基酸、海藻酸等）的新型增效复合肥料产品不断出现，关于增效载体及增效复合肥的提质增效作用受到人们的广泛关注。相关研究表明，新型增效复合肥能够促进作物根系生长发育、提升氮素吸收利用，进而提高作物产量[20-22]。关于增效复合肥减肥稳产效应已有相关报道。黄继川等[22]发现，海藻酸复合肥减氮条件下可降低双季稻减产幅度，达到减肥稳产的效果。匡石滋等[23]的研究表明，化肥减量配施氨基酸水溶性肥可以提高香蕉产量和品质。此外，对比不同增效载体发现[24-26]，腐植酸复合肥含有的有机物质和有机胶体，具有较强的吸附能力，能吸附土壤或水体中的并形成稳定的腐植酸铵盐结构；氨基酸复合肥含有的小分子有机物能够刺激和调节作物的生长发育，可以清除植物体内活性氧自由基，提高作物可抗逆性，同时对土壤具有一定的改良作用；海藻酸复合肥含有天然植物生长调节剂，可促进根系生长并提高根系活力，促进作物对养分的吸收，进而提高作物产量。葛明慧等[27]和程林等[28]关于增效载体的研究发现，氨基酸增效载体与尿素配施能促进水稻幼苗期生长和养分吸收，其中水稻根长、根直径、根表面积、根尖数分别提高了45%、26%、6%、91%，氮肥利用率提高了10%~26%；提升根际菌落多样性，根际细菌总量增加了18%~23%，其中氨化细菌数量和硝化细菌数量增加0.5~1.7 倍；增强了土壤对氮素固持能力，其中根际土壤微生物氮含量分别提高了40%、38%。蒋东等[29]发现3种增效复合肥减氮施用可减少稻田水氮素的径流和渗漏损失，能有效降低田面水的浓度，其中海藻酸增效复合肥的氮素径流损失和渗漏损失分别降低了36%和7%。而田面水的浓度变化与稻田氨挥发密切相关[30]。现有的研究表明，增效载体和增效复合肥均能有效减少肥料氮素损失、提高氮素吸收利用率。增效载体的作用机制表现在通过刺激作物生长增进养分吸收，通过增效载体与肥料的加工工艺优化增加肥料的稳定性，通过调控养分土壤转化机制增加土壤对氮素的固持。氨挥发是稻田氮素损失的主要途径之一，复合肥通过增效载体添加和减氮施用，是否能够减少稻田氨挥发损失一直为学界所关注，本研究基于增效载体添加调控氮素在土壤-作物-肥料中的过程，针对增效载体添加促进氮素养分吸收，提升肥料氮在土壤中的稳定性，增加土壤对肥料养分的生物固持，从而提高养分利用效率，减少氨挥发损失的假设，开展了增效复合肥减氮施用对稻田氨挥发影响的研究，以期为增效复合肥合理施用和环境效应评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验处理

试验共设6 个处理：（1）CK，不施肥；（2）CF，常规施肥；（3）CR，常规施肥减氮20%；（4）HR，腐植酸复合肥减氮20%；（5）AR，氨基酸复合肥减氮20%；（6）SR，海藻酸复合肥减氮20%。每个处理3 次重复，随机区组设计。CF处理施氮量为240 kg·hm−2；3种复合肥处理（HR、AR 和SR）施氮量与CR 处理一致，为192 kg·hm−2。氮肥为尿素，施用量均以纯N 计。氮素按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2施用，HR、AR和SR处理中3 种增效复合肥作基肥一次性施入，两次追肥均施用尿素，其中减氮处理中的3 次施肥均减氮20%。除CK外，各处理磷肥和钾肥施用量相同，并作为基肥一次性施用，其中CF和CR处理的施用量为磷酸二氢钾144.5 kg·hm−2、氯化钾118.5 kg·hm−2；3 种复合肥处理施用的磷肥和钾肥用上述两种肥料进行平衡调配。试验小区面积为4 m×3 m，各小区之间设有高出地面30 cm的田埂，并用塑料薄膜覆盖，以防肥水串流。各个试验小区单独设定进、排水口。供试水稻品种为扬宁1 号，水稻移栽时间为6 月21 日，收获时间为10 月28 日，施肥时间分别为 6 月 21 日、7 月 11 日和 7 月 30日，基肥撒施后进行耙地使其与表土充分混匀，两次追肥均为撒施。田间水分管理和当地常规方法一致，为间歇灌溉，其特点：前期淹水（2018 年6 月21 日—7月20 日）、中期烤田（2018 年7 月21—30 日）、后期干湿交替（2018 年 8 月 29 日—10 月 10 日）、排水落干（2018年10月22—28日）。

供试肥料：3 种复合肥都是通过向普通复合肥中添加天然活性物质腐植酸、氨基酸、海藻酸等，经过熔融生产造粒。腐植酸复合肥（N-P2O5-K2O=18-12-15，腐植酸添加量0.5%）由山东农大肥业公司提供，氨基酸复合肥（N-P2O5-K2O=26-12-10，氨基酸添加量0.5%）由深圳芭田公司提供，海藻酸复合肥（NP2O5-K2O=22-10-10，海藻酸添加量0.5%）由江西开门子公司提供。

1.3 样品采集和测定

采用密闭室间歇通气-稀硫酸吸收法测定田间氨挥发[32]，密闭室为直径20 cm、高15 cm、底部开放的圆柱体，材料为有机玻璃。密闭室顶部与一根2.5 m高的通气管连通（架到地面2.5 m处，以保证交换空气氨浓度一致），将密闭室嵌入表土中，启动真空泵，抽气时设定换气频率为15~20次·min−1。每次施肥后的第1、2、3、5、7 d 采集样品，时间为每日7：00-9：00 和15：00-17：00，用装有 60 mL 0.03 mol·L−1稀H2SO4溶液的洗气瓶吸收挥发的氨，样品采集完成后将吸收液带回实验室用全自动化学分析仪（SmartChem 200S/N1104238，WESTCO，法国）测定的浓度，以此4 h的通量值作为每日氨挥发的平均通量计算全天的氨挥发通量。

施肥后第1 d 上午7：00 利用注射器采集各试验小区田面水样，每小区5 个平行点，混合成100 mL 左右的水样。水样带回实验室过滤，田面水样中浓度采用靛酚蓝比色法测定。

水稻成熟后，各小区的地上部生物量全部收割并进行实际测产，同时在各试验小区挑选具有代表性的3 穴水稻植株样，分成籽粒和秸秆两部分并烘干磨碎，用凯氏定氮法测定植株样中的全氮含量。

1.4 计算公式与数据处理

氨挥发通量计算公式为：

式中：F表示氨挥发日通量（以 N 计），kg·hm−2·d−1；C表示测得的吸收液中浓度，mg·L−1；V表示稀硫酸吸收液体积，L；t表示氨收集时间，h；r表示收集氨挥发的密闭室半径，m。

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施氮产生氨挥发水体富营养化效应的边际环境损失（M1，元·hm−2）计算公式为[7]：

式中：16%为自然湿地（河流、湖泊、沼泽等）所占陆地面积的百分数；0.33 为1 kg 氨挥发等量富营养化效应的转换系数；Pe代表1 kg造成的富营养化损失，本试验中为3.88 元·kg−1；F为氨挥发的损失量，kg·hm−2；17/14为氮对氨的转换系数。

施氮产生氨挥发酸雨效应的边际环境损失（M2，元·hm−2）计算公式为[33-34]：

式中：84%为除自然湿地外的陆地面积的百分数；1.88 为1 kg 氨挥发等量（SO2）酸雨效应的转换系数；Pa代表1 kg SO2造成的酸雨损失，本试验中为5 元·kg−1；F为氨挥发的损失量，kg·hm−2；17/14为氮对氨的转换系数。

氨挥发损失率=（施氮处理氨挥发总量-空白处理氨挥发总量）/施氮量×100%

氮素利用率（NUE）=（施氮处理水稻吸氮量-空白处理水稻吸氮量）/施氮量×100%

尿素 1 700 元·t−1，腐植酸复合肥 1 750 元·t−1，氨基酸复合肥 1 760 元·t−1，海藻酸复合肥 1 760 元·t−1，水稻籽粒当地市场普通价格为2.5元·kg−1。

数据处理、作图及分析分别采用Excel 2010、Origin 8.5和SPSS 25.0完成。

2 结果与分析

2.1 稻田氨挥发通量的动态变化

施肥后氨挥发通量的动态变化如图1 所示，各施肥处理在施肥后1~2 d 内达到氨挥发高峰，随后逐渐下降至与CK无差异。基肥和分蘖肥施用后的氨挥发通量明显高于穗肥施用后。基肥施用后，减氮处理的氨挥发通量始终低于CF处理，各施肥处理的氨挥发峰值为 3.9~8.0 kg·hm−2·d−1，减氮处理的氨挥发峰值较CF 处理降低了11.3%~50.9%。而且减氮处理之间，3种增效复合肥处理HR、AR 与SR 的氨挥发峰值较CR处理分别降低1.8%、20.2%与44.7%，其中SR 处理降低幅度最大。分蘖肥后，各施肥处理的氨挥发峰值均高于其他施肥阶段的氨挥发峰值。减氮处理的氨挥发峰值始终低于CF处理，而减氮处理之间的氨挥发峰值虽有波动，但SR处理的氨挥发峰值保持在最低。穗肥后，各施肥处理的氨挥发通量都处于较低水平。

2.2 不同施肥时期的氨挥发量、氨挥发损失总量及损失率

稻季不同施肥时期的氨挥发量、氨挥发损失总量及损失率如表1 所示。3 个施肥时期中，减氮均显著降低了稻田氨挥发量，各施肥处理的氨挥发损失主要集中在基肥期和分蘖期。基肥期，3 种增效复合肥HR、AR 和SR 处理较CR 处理均显著降低了稻田氨挥发量（P<0.05），降低幅度为14.1%~33.2%。分蘖期，与 CR 处理相比，3 种增效复合肥 HR、AR 和 SR 处理的氨挥发量均有所减少，其中AR和SR达到显著水平（P<0.05）。穗肥期，减氮处理之间的氨挥发量差异不显著。

表1 不同施肥时期的氨挥发量、氨挥发损失总量及损失率Table 1 Ammonia volatilization，total ammonia volatilization loss and ammonia volatilization loss rate in different fertilization periods

各施肥处理的氨挥发总量和损失率分别为33.46~73.84 kg·hm−2和17.09%~30.50%，其中CF 处理的氨挥发总量和损失率均最高，分别为73.84 kg·hm−2和30.50%。与CF 处理相比，减氮处理的氨挥发总量降低了38.9%~54.7%；与CR 处理相比，3 种增效复合肥处理HR、AR、SR的氨挥发总量降低了7.2%、20.5%和25.8%，其中AR、SR 处理达显著水平（P<0.05）。3种增效复合肥处理HR、AR、SR 的氨挥发损失率低于CF和CR处理。

2.3 田面水浓度动态变化及其与氨挥发通量的相关性分析

2.4 不同处理的水稻产量、吸氮量、氮素利用率及经济效益

由表 2 可知，对比 CF 处理的籽粒产量，CR 处理的籽粒产量显著降低了7.9%（P<0.05）；3 种增效复合肥HR、AR、SR 处理降低了3.5%~3.9%，但差异不显著。对比CR 处理的籽粒产量，增效复合肥HR、AR 及SR 处理显著增加了4.4%~4.8%。3 种增效复合肥处理之间的籽粒产量差异不显著，其中AR 的产量最高。

表2 不同施肥处理的产量、吸氮量和氮素利用率Table 2 Yield，shoot N uptake and N use efficiency under different fertilization treatments

各施肥处理的地上部总吸氮量显著高于CK 处理。与CF 处理相比，增效复合肥处理AR、SR 的总吸氮量有所增加；减氮处理之间，3 种增效复合肥HR、AR、SR 处理的总吸氮量较CR 处理显著提高了20.0%~31.8%（P<0.05）。各施肥处理氮素利用率的范围为26.22%~42.76%，3 种增效复合肥HR、AR、SR处理的氮素利用率显著高于CF和CR处理。

综合经济和环境效益，CF 处理的净收入最高为21 891 元·hm−（2表3）。减氮条件下，3 种增效复合肥处理HR、AR、SR 的净收入均高于CR 处理，其由高到低为AR>SR>HR。因此，从绿色农业发展的角度看，施用增效复合肥不仅保证了经济效益，同时也减少了氨挥发损失带来的环境成本。

表3 不同施肥处理的经济效益（元·hm-2）Table 3 Economic benefits of different fertilization treatments（yuan·hm-2）

3 讨论

3.1 不同增效复合肥对稻田氨挥发的影响

从不同施肥时期的氨挥发量可以看出（表1），基肥期各处理氨挥发损失均低于分蘖期，可能的原因是基肥撒施后进行耙地使其与表土充分混匀，减少了氨挥发排放，且分蘖期气温升高促进了氨挥发排放。而穗肥期的氨挥发排放差异显著，可能的原因是穗肥期是水稻生长的旺盛期，对氮素的需求量大[10]，而减氮处理均降低了基肥期和分蘖期的稻田氨挥发损失量，特别是减氮条件下，对比CR 处理，增效复合肥AR 和SR 处理均显著降低了基肥期和分蘖期的稻田氨挥发（P<0.05），损失总量上也表现出同样的规律。其原因首先可能是由于氨基酸、海藻酸富含的官能团结构与尿素态氮形成了较稳定的化学键或抑制了土壤脲酶活性，降低了氮素的释放速度，而此时水解的更多地被土壤胶体所吸附，从而使田面水浓度锐减[20，26，37]。其次，氨基酸、海藻酸含有的活性基团对作物生长具有调节作用，可促进作物根系生长，增加对氮素吸收和利用[26-27]，提高土壤质量，改善土壤性质[38-39]，增强土壤对氮素的固持能力[27，29]，从而达到减少稻田氨挥发损失的可能。另外，通过对稻田田面水浓度动态变化监测发现，各施肥处理田面水浓度与稻田氨挥发通量具有较一致的变化规律。尿素施入稻田后，在脲酶的作用下水解产生大量的基肥施用后，3 种增效复合肥处理HR、AR、SR 田面水的平均浓度较CR 处理降低了5.5%~18.7%，可能的原因是3种增效复合肥分别添加的腐植酸、氨基酸、海藻酸活性物质，其中腐植酸能吸附形成稳定的腐植酸铵盐，从而起到保氮的作用[24]；氨基酸能够降低田面水或土壤pH，使不易转化为氨气[25]；海藻酸能够延缓氮素的释放，降低田面水中浓度[26]，从而减少稻田氨挥发损失。同时也进一步验证了增效复合肥能够抑制土壤脲酶活性，且具备一定的缓释效应。本研究中田面水的浓度与氨挥发通量之间呈线性正相关（图3），除CF处理未达到显著水平外，其余均达到显著甚至极显著水平，R2值为 0.854~0.977，这与前人[30，34]的研究结果一致。除此之外，施氮量和温度也可能影响稻田氨挥发。本研究中的氨挥发通量主要集中在基肥期和分蘖期两个时期，可能是由于基肥期的施氮量大，水稻苗小，对氮素的需求较少[13]，及分蘖期气温过高所致[40]。减氮施肥的目标是在保证产量的基础上提高氮素利用率，降低氮素损失。

3.2 不同增效复合肥的产量效应

本研究表明，增效复合肥减氮施用能实现水稻减肥不减产，同时均显著提高了氮素利用率。与CF 处理相比，3 种增效复合肥HR、AR、SR 处理的实际产量有所减少，但四者间未达显著差异水平；对比CR处理的产量，3 种增效复合肥HR、AR、SR 处理均有增产潜力，增幅为4.4%~4.8%，其产量由大到小为AR>SR>HR（表2）。3 种增效复合肥 HR、AR、SR 处理的总吸氮量较CR 处理提高了20.0%~31.8%（表2）。前人研究表明，腐植酸、氨基酸、海藻酸作为植物刺激素，可促进作物根系生长[26-27]，而作物根系生长情况与作物的吸氮能力和产量存在正相关关系[41-42]。新型增效复合肥在玉米、番茄、棉花等作物上均表现为促进作物生长、增加作物产量、提高氮素利用率[43-45]。李伟等[46]的研究发现腐植酸尿素可显著提高氮肥利用率，提高水稻产量。因此，实现肥料零增长的目标，还需要大量研发环境友好新型肥料，以提高氮素利用率，促进植物生长，实现减氮保产增产。本试验结果表明，3 种增效复合肥均具有增产效果，且提升了氮素的利用率。

尽管增效复合肥的作物效应已被很多研究所验证，但其环境效应的研究未见到系统报道，从本试验的结果看，增效复合肥减氮施用能有效降低稻田氨挥发损失，还可实现减氮不减产，同时在经济效益上也具备可行性。但本研究中的部分参数是参考了邻近太湖地区研究的结果，如陆地和河流占比的百分数、氮素损失引起的富营养化和酸雨效应的转换系数等，关于这些参数指标的选择还需要进一步调研试验所属地区的实际情况进行多点验证。另外，对于增效复合肥的产量效应已在不同稻作区上有了广泛的应用和验证，但其对氨挥发的影响过程和机制还需要进一步进行多点多季的试验进行验证。

4 结论

（1）增效复合肥减氮施用能有效降低稻田氨挥发。与常规施肥相比，减氮施肥均能显著降低稻田氨挥发损失总量，降幅为38.9%~54.7%。减氮条件下，3 种增效复合肥（腐植酸、氨基酸、海藻酸）的氨挥发总量较常规施肥减氮均有所降低，其中氨基酸、海藻酸增效复合肥降幅分别为20.5%和25.8%，且达到显著水平。

（2）减氮条件下，施用增效复合肥均表现出增产趋势。与常规施肥减氮处理相比，3 种增效复合肥处理的产量增幅为4.4%~4.8%。

（3）在保证水稻产量和减少稻田氨挥发损失上，氨基酸、海藻酸增效复合肥减氮施用均能达到稳产，且可显著降低氨挥发损失风险，而施用不同增效复合肥引起的稻田氨挥发损失的过程和作用机制，及不同增效复合肥之间的差异还需要进一步的研究。