水肥耦合对稻田氨挥发及水稻产量的影响

卢昕宇， 陈丹艳， 宁运旺， 张 辉， 汪吉东， 冯渊圆， 邵孝候， 张永春

(1.河海大学农业科学与工程学院，江苏南京211100；2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京210014；3.金陵科技学院园艺园林学院，江苏南京210038)

氨气是大气中大量存在的碱性气体，其挥发会造成大气环境污染，并且可能通过干湿沉降进入陆地生态系统，进而引发土壤酸化，造成水体富营养化[1-2]。农田是农业源氨排放的重要场所。中国大部分农田，尤其是小规模稻田，施肥方式以撒施为主。大量撒施的氮肥较易损失[3-5]，作物的氮素利用率仅为30%～40%[4]，其余大部分氮素以氨气的形式直接挥发[6-7]。有研究结果表明，以氨气形式挥发的氮素约占稻田总反应性氮素损失的10%～50%[8-9]，且多发生在施肥后7 d左右[10]。此外，撒施很容易引起氮肥施用过量，当前氮肥过度施用量为10%～30%[11]。氨减排是当前中国控制氮素污染的主要手段之一，通过进行合理的农业管理减少农业源活性氮的排放已越来越迫切。

水分、施肥管理是减少稻田氨挥发的重要农业管理措施。早在2015年，《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》中明确指出“一控两减”——控制农业用水量、减少化肥和农药的使用量，同时制定的“到2020年化肥‘零增长’计划”[12]等，均表明探究节水灌溉和减量施肥对稻田氨挥发以及水稻产量的影响具有实际意义。目前关于水分或施肥管理影响土壤氨挥发的研究较为广泛。例如，部分学者认为氨挥发对土壤水分的敏感性较高，增加土壤含水量可降低氨挥发[13]。同时，也有研究结果表明水稻田面不积水可以有效减少氨挥发[14]。此外，已有研究通过模型证明，氨挥发主要受氮肥投入总量的控制[15]。通过改进施肥方案，全球农田氨气排放量可减少将近3/4[16]。吕金岭等[17]研究发现，通过适度减少施氮量既可以减少土壤中的氮素残留，又能有效降低由氨挥发造成的气态损失。然而，目前与氨挥发相关的研究主要针对单一的水分因素或者单一的施肥因素，关于水肥耦合对稻田土壤氨挥发影响的研究较少，并且符合氨减排战略需求的合理节水减氮肥模式还未有报道。因此，本研究拟将常规灌溉(干湿交替)、节水灌溉(全生育期无明水)的水分管理方式，分别与常规施氮肥、减施20%氮肥的施肥处理相结合，并进行水稻全生育期的观测，探究不同水氮耦合对稻田氨挥发及水稻产量的影响，以期为稳产条件下减少水稻栽培中的氮素损失提供合适的水氮耦合模式。

1 材料与方法

1.1 土柱试验设计

盆栽土柱试验于2020年7-11月在江苏省农业科学院本部温室(118°52′E，32°2′N)进行。试验盆体由PVC管制成，深度为0.5 m，直径为0.3 m。每个土柱内装有35 kg经过网筛筛选后的稻田土壤，其中20 kg土壤作为底土在土柱内压实，另外15 kg土壤与相应处理的肥料混匀填入土柱作为表土，之后灌水至试验设置的田间持水量。供试土壤取自江苏省农业科学院本部稻菜轮作田块，取土前该田块已空置两年，取土深度0～60 cm(118°52′E，32°1′N)。土壤基本性质如下：pH值为7.52(土∶水=1.0∶2.5，质量比)，全氮含量为0.96 mg/kg，有机质含量为14.58 g/kg，速效钾含量为92.00 mg/kg，有效磷含量为20.02 mg/kg，碱解氮含量为48.22 mg/kg。栽植的水稻品种为南粳46号，水稻幼苗于2020年7月4日进行移栽并于2020年11月21日收获。

1.2 试验处理

试验共设置4个处理：(1)干湿交替灌溉+常规施氮(W1N1)；(2)干湿交替灌溉+减施20%氮肥(W1N2)；(3)全生育期湿润无明水灌溉+常规施氮(W2N1)；(4)全生育期湿润无明水灌溉+减施20%氮肥(W2N2)。每个处理重复3次。具体的水肥管理措施见表1。

表1 水肥管理策略

干湿交替灌溉(W1)为移植到返青保持3.0～3.5 cm田面水，分蘖期保持2.0～3.0 cm田面水，当分蘖数达到计划分蘖数的80%时进行晒田。穗肥施用后的7 d内以及扬花期，均保持3.0 cm田面水；扬花后田面水自然落干至土壤表层湿润状态且维持2～3 d后再进行灌水，如此反复直至水稻黄熟期，收获前10 d断水。节水灌溉(W2)为全生育期稻田土壤表层保持湿润无明水状态，收获前10 d断水。水稻基肥、蘖肥和穗肥分别在2020年7月4日、2020年7月15日和2020年8月20日以4∶3∶3的比例进行施用。氮肥处理分为2类，其中N1为常规施氮处理，即基肥施用239.920 0 kg/hm2(1盆1.695 0 g)中颗粒尿素(46%N)、173.040 0 kg/hm2(1盆1.222 5 g)磷酸氢二胺(18% N，46% P2O5)、132.700 0 kg/hm2(1盆0.937 5 g)氯化钾(60% K2O)，蘖肥和穗肥分别施用230.790 0 kg/hm2(1盆1.630 5 g)中颗粒尿素(46% N)；N2处理为减施20%氮肥处理，基肥施用178.560 0 kg/hm2(1盆1.261 5 g)中颗粒尿素(46% N)、173.040 0 kg/hm2(1盆1.222 5 g)磷酸氢二胺(18% N，46% P2O5)和132.700 0 kg/hm2(1盆0.937 5 g)氯化钾(60% K2O)，蘖肥和穗肥则分别施用184.500 0 kg/hm2(1盆1.303 5 g)中颗粒尿素(46% N)。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 氨挥发量 采用密闭室间歇抽气-硼酸吸收法测定氨挥发[18]，密闭室为半径5 cm的有机玻璃圆筒，顶部留有进气孔和采气孔，进气孔与2 m通气管连通，采气孔与真空泵相连。每次施肥后7 d内连续测定，采集时间为上午08∶00-10∶00、下午13∶00-15∶00。使用0.02 mol/L 1/2H2SO4对洗瓶内定量装入的80 ml硼酸吸收液进行滴定确定 NH3吸收量。NH3的累积挥发量为观测期间日挥发量之和[19]。氨挥发通量计算公式为：

式中：F为氨挥发通量[kg/(hm2·d)];V为滴定所用硫酸的体积(ml)；10-3为体积转换系数；C为滴定用硫酸的标定浓度(mol/L)；0.014为氮原子的相对原子质量(kg/mol)；104为面积转换系数；r为气室的半径(m)；6为24 h与日氨挥发收集时间4 h的比值。

1.3.3 水稻产量 水稻成熟后，考察每个处理水稻总粒数、千粒质量，计算水稻产量。

其中，Y为单个处理水稻产量(t/hm2)；TG为单个处理稻谷总粒数(粒)；TSW为风干稻谷千粒质量(g)；r为土柱半径(m)，统一规格0.15 m；667和15为面积转换系数，1 000为质量转换系数。

1.3.4 籽粒含氮量 籽粒含氮量采用H2SO4-H2O2消煮蒸馏法测定[20]。消煮所得液体定容后用凯氏定氮仪进行蒸馏定氮，使用0.01 mol/L (1/2H2SO4)标准溶液滴定，计算含氮量。

1.4 数据处理与分析

所有数据采用 Excel 2010整理，SPSS 20.0进行Pearson分析和Duncan’s多重比较，并对水分、氮肥进行单因素和双因素方差分析，显著性水平为P<0.05。采用SPSS 20.0软件进行统计学分析，同时，使用Amos 24.0软件进行结构方程模型分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮耦合处理对稻田氨挥发通量变化的影响

图1显示，各处理不同时期施肥后首日的稻田氨挥发通量均为穗肥施用后最大，基肥施用后最小。在基肥施用后，W1N1处理的氨挥发通量在施肥后的第3 d达到峰值，为2.71 [kg/(hm2·d)],然后波动变化，其余各处理均在施肥后的第2 d达到峰值。分蘖肥施用后W2N1、W2N2处理的氨挥发通量在施肥后第2～3 d达到峰值，此后逐渐下降。W1N1、W1N2处理的氨挥发通量整体呈现上升趋势。穗肥施用后，4个处理的氨挥发通量在施肥后的第1 d为最高值，4个峰值的大小表现为W2N1[20.81 kg/(hm2·d)]>W1N2[10.97 kg/(hm2·d)]>W2N2[8.83 kg/(hm2·d)]>W1N1[4.55 kg/(hm2·d)]，在穗肥施用后第2 d所有处理的氨挥发通量迅速下降，之后波动变化。W1N1、W2N1、W2N2的氨挥发通量在穗肥施用后第7 d趋近于0。

a：基肥；b：分蘖肥；c：穗肥。W1N1、W1N2、W2N1、W2N2见表1。

2.2 不同水氮耦合处理对稻田氨挥发累积量的影响

表2显示，W1N1、W1N2处理下，均以施用分蘖肥后氨挥发累积量最大，W2N1、W2N2处理则以施用穗肥后氨挥发累积量最多，所有处理氨挥发累积量均在施用基肥后最少。在施用基肥后，W1N1处理氨挥发累积量最高，为8.60 kg/hm2，显著高于其他处理(P<0.05)，W2N2处理氨挥发累积量最少，仅为2.53 kg/hm2，但与W1N2、W2N1处理间差异不显著(P>0.05)。在施用分蘖肥后，W1N1处理下氨挥发累积量仍最高(43.18 kg/hm2)，显著高于其他处理(P<0.05)。W2N1、W2N2处理在施用分蘖肥后氨挥发累积量分别为10.01 kg/hm2和12.56 kg/hm2，显著低于其他处理(P<0.05)。在施用穗肥后则是W2N1处理氨挥发累积量最多，为30.12 kg/hm2，分别为W1N1、W1N2、W2N2处理的2.11倍、1.42倍和1.56倍。对于3次施肥后氨挥发总量来说，W1N1处理氨挥发总累积量最多，为66.07 kg/hm2。相比于W1N1处理，W1N2、W2N1、W2N2处理的氨挥发总累积量分别显著降低27.80%、34.24%和47.90%(P<0.05)。

表2 不同水氮耦合处理下氨挥发累积量(kg/hm2)

此外，通过方差分析发现，灌溉处理(W)对各次施肥后及总的氨挥发累积量影响极为显著(P<0.01)。氮肥管理(N)显著影响基肥施用后、分蘖肥施用后以及3次施肥后总氨挥发累积量(P<0.05)。水氮耦合处理(W×N)对各次施肥后氨挥发累积量及总氨挥发累积量呈现极显著的交互影响(P<0.01)。

2.3 不同水氮耦合处理对单位产量稻田氨挥发的影响

图2显示，W1N1处理的单位产量氨挥发量最高，为2.58 kg/t，W2N1处理次之，W1N2处理最低。同一灌溉处理下，N1处理的单位产量氨挥发量均高于N2处理，其中W1N1处理显著高于W1N2处理(P<0.05)，W2N1处理与W2N2处理间则差异不显著(P>0.05)。N1处理下，W2处理的单位产量氨挥发量显著低于W1处理(P<0.05)；N2处理下，W2N2处理的单位产量氨挥发量高于W1N2处理，但差异不显著(P>0.05)。

W1N1、W1N2、W2N1、W2N2见表1。图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.4 不同水氮耦合处理下土壤铵态氮含量的动态变化

W1N1、W1N2、W2N1、W2N2见表1。图中不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.5 不同水氮耦合处理对水稻产量和籽粒含氮量的影响

结果(图4)表明，各处理间的水稻产量大小关系为W1N1(25.56 t/hm2)>W1N2(25.47 t/hm2)>W2N1(20.25 t/hm2)>W2N2(18.35 t/hm2)。W1N1处理的籽粒含氮量最高，为7.98 g/kg，W1N2处理(7.50 g/kg)次之，均显著高于W2N1处理(4.71 g/kg)和W2N2处理(4.31 g/kg)(P<0.05)。相同灌溉处理下，N1处理的水稻产量和籽粒含氮量均高于N2处理，但两者间差异不显著(P>0.05)；相同施肥处理下，W1处理的水稻产量和籽粒含氮量则显著高于W2处理(P<0.05)。

W1N1、W1N2、W2N1、W2N2见表1。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.6 不同水氮耦合处理对水稻生长性状的影响

表3显示，W1N1处理的水稻每盆总粒数最多，W2N2处理最少。相同水分处理下，N1处理水稻每盆总粒数均高于N2处理，但处理间差异不显著(P>0.05)；相同施氮处理下，W1处理水稻每盆总粒数均显著高于W2处理(P<0.05)。各处理间的千粒质量大小关系为W1N2(33.13 g)>W1N1(32.22 g)>W2N1(30.95 g)>W2N2(30.88 g)，W1处理的千粒质量显著高于W2处理。W1N2处理的株高显著高于W2N1处理和W2N2处理(P<0.05)，与W1N1处理差异不显著(P>0.05)。

表3 不同水氮耦合处理下水稻生长性状

2.7 施氮量、灌水量与稻田氨挥发及水稻产量相关指标间的关联分析

为了研究水氮耦合处理对稻田氨挥发和水稻产量的影响，采用结构方程模型来分析灌水量以及施氮量与氨挥发量等多个响应因子之间的因果关系。图5显示，结构方程拟合效果良好[假设检验p值大于0.05，拟合度指数(GFI)=1.00]。结果表明，灌水量与土壤铵态氮含量、氨挥发量、水稻产量均呈正相关，但相关性并不显著(P>0.05)；施氮量与土壤铵态氮含量呈正相关，与水稻产量呈负相关，与氨挥发量则呈极显著正相关(r=0.46，P<0.001)。此外，土壤铵态氮含量与氨挥发量呈极显著正相关(r=0.70，P<0.001)，与水稻产量则呈正相关。氨挥发量与水稻产量呈显著正相关(r=0.84，P<0.05)。

***和*分别表示影响极显著(P<0.001)、显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 水氮耦合对稻田氨挥发的影响

3.2 水氮耦合对水稻产量的影响

水氮耦合对水稻生长起到至关重要的作用，其中株高和分蘖是影响水稻株型和产量的核心要素。吴宗钊等[27]的研究结果表明，氮肥水平对水稻株高的影响较大，株高随着施氮量的增大而增大。本研究结果表明，相同的干湿交替灌溉条件下，减施20%氮肥处理的株高更高，但两者间差异不显著。全生育期湿润无明水灌溉的2个处理中，则是常规施氮处理的株高高于减氮处理，两者差异也不显著。相同的施氮水平下，干湿交替灌溉处理的株高均高于全生育期无明水灌溉处理，其中常规施氮的2个处理间差异不显著，而减氮的2个处理间差异显著。朱文新等[28]认为，随着灌水量的减少，水稻株高会显著降低，水分胁迫对水稻株高影响明显，但是各氮素处理之间差异不显著。本研究结果与前人研究结果不完全一致，且差别主要出现在处理间的差异是否显著方面，其原因可能是水氮互作机制不完全相同。刘路广等[29]的研究结果表明，不同水肥处理下分蘖数差异主要由灌水差异引起，节水灌溉会降低水稻分蘖，施氮量减少也会在一定程度上影响水稻分蘖。而本研究结果表明，单一的节水(W2N1)处理下水稻分蘖有所增加，有效穗数随之升高，但是每穗粒数显著降低，从而导致减产。节水减氮互作(W2N2)处理下水稻减产则是由于有效穗数和每穗粒数同时减少导致的。说明水稻的分蘖数及有效穗数对不同水分处理的响应比较明显。杨丞等[30]发现，在相同灌溉条件下，施氮量减少会致使水稻分蘖数降低，有效穗数随之降低，进而影响产量。本研究也得出与前人一致的结论。

灌水量和施氮量是影响地上部干物质积累以及有效穗数增加和结实期养分向籽粒转移的关键因子[31-33]。徐一兰等[34]研究发现，干湿交替灌溉可以在一定程度改善稻田土壤生态环境并提高水稻产量。杨晓龙等[35]的研究结果表明，在水稻孕穗期若土壤缺水造成干旱胁迫，会抑制水稻颖花的发育、阻碍细胞的减数分裂，从而降低穗粒数和每穗实粒数，使结实率降低从而造成水稻减产。本研究结果表明，节水灌溉处理水稻产量以及籽粒含氮量均显著低于常规灌溉处理，说明在水稻孕穗过程中植株需水量大且气温高水分蒸发快，该种节水灌溉方式可能对水稻生长造成了一定的干旱胁迫，从而引发水稻减产。施用穗肥后，节水灌溉处理下氮素一方面以气态形式在施肥后第1 d大量损失，降低水稻对养分的吸收。结合每次施肥后氨挥发通量以及土壤铵态氮含量变化规律可知，在本研究中氮素的气态损失可能是造成节水灌溉处理下水稻产量及籽粒含氮量显著降低的主要因素。此外，我们发现在本试验条件下减氮处理对于水稻产量无显著影响，相较于N1处理，N2处理施氮量减少，但是水稻产量并无显著下降，说明减氮与稳产并不冲突，因此，水分管理可能是影响水稻产量和籽粒含氮量的主导因素。

4 结论

与干湿交替灌溉相比，全生育期无明水湿润灌溉在基肥施用后和分蘖肥施用后可分别降低8.00%～61.40%和47.03%～76.82%的稻田氨挥发累积量，且可降低27.84%～34.24%的总氨挥发累积量。在节水灌溉条件下，减氮处理相对于常规施氮处理减少了20.78%的总氨挥发累积量。与干湿交替灌溉+常规施氮处理相比，节水灌溉+常规施氮处理和节水灌溉+减施20%氮肥处理分别使水稻产量减少20.77%和28.21%，并且使籽粒含氮量降低40.98%和45.99%。

从有效减少稻田氨挥发损失及保证水稻稳产等方面综合考虑，干湿交替耦合减氮处理(W1N2)是本研究中较为高效的一种稻田水肥管理方式，但是这一减排稳产效果的持续性有待在未来的研究中进一步探索。