不同氮肥运筹对直播稻田氮素损失与利用的影响

彭瑞雪，朱建强，吴启侠*，乔月，周乾顺，范楚江，段小丽，杨利*

（1.长江大学农学院/湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，湖北 荆州 434025；2.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064）

水稻是我国主要粮食作物，种植面积广泛[1]。氮肥的施用是保障水稻高产的基础，我国农业氮肥用量大[2−3]，占全球总量的33%，但是农作物对氮肥的当季利用率仅为30%～40%[4−5]。氮肥的不合理施用，在提高作物产量的同时，造成大量氮素流失，导致土壤酸化、温室气体排放和水体富营养化等[6−7]一系列问题，对土壤培育和粮食生产具有长期的不良影响。目前，由于生产成本的提高以及劳动力的日益短缺，直播稻凭借其省时省力、节约成本的优势越来越受到青睐[8]。在江汉平原地区，直播稻是发展较为迅速的种植模式，播种前会在稻田浅水层状态下施入大量基肥，短期内进行排水播种，保持田间湿润无水层状态（播种到三叶一心期）。若排水晒田不及时或遇降雨，会导致水稻在扎根立苗阶段发生烂种、烂芽，造成缺苗现象[9]，同时造成稻田氮、磷等养分大量流失。因此，在追求水稻高产的同时，还需考虑氮肥施用对环境造成的污染[10−11]。

径流和氨挥发是稻田氮损失的两个重要途径[12−13]。薛利红等[14]研究发现，太湖流域稻田氨挥发约占总施氮量的29%～35%；王桂良等[15]的研究表明，长江流域单季稻田氮素径流损失量达10.4 kg·hm−2，高于氮淋洗和N2O 排放量。诸多研究表明，在农业管理措施中，氮肥类型、施用量及施用时间等均显著影响氮素的径流和氨挥发[16−19]。曹凑贵等[20]的研究表明，新型缓效有机肥（脲肽磷复肥）处理下稻田的氨挥发量最小，其次为包膜尿素、复合肥、尿素[21]。在氮肥施用方式与施用时间的影响方面，水稻生育前期施用氮肥虽有利于水稻的返青和分蘖[22]，但施入大量氮肥作为基肥，会因水稻还未形成庞大的根系群体来吸收大量的养分而加剧氮素损失的风险[23]。适当降低水稻生育前期的施氮量，增加水稻生育中后期的氮肥施用比例[24]，可以达到增产或稳产的效果，同时提高氮肥利用率[25−26]。因此，开展直播稻田施氮类型及氮肥运筹比（基蘖肥比例）对氮素损失和氮素利用的影响研究具有重要科学意义和实践应用价值。

本研究以江汉平原直播稻为研究对象开展田间观测试验，探究不同氮肥条件下稻田径流氮流失与氨挥发的变化特征，以及产量性状和氮肥利用率，以期为该区域直播稻氮肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在湖北省荆州区长江大学农学院基地（30°21′N，112°09′E）标准径流小区进行，该区地处江汉平原，试验期（2020年5月26日—9月25日）平均气温26.36 ℃，降水量为800.20 mm（图1，气象数据来源于湖北省荆州农业气象试验站）。耕作层（0～20 cm）土壤基本性状为：pH 值7.47，有机质21.32 g·kg−1，全氮2.13 g·kg−1，全磷0.38 g·kg−1，全钾13.68 g·kg−1，碱解 氮113.22 mg·kg−1，有效磷11.90 mg·kg−1，速效钾204.05 mg·kg−1。

图1 水稻生育期主要气象要素Figure 1 Main meteorological elements in rice growth period

1.2 供试材料

直播稻供试品种为鹏优国泰，国审稻20190013，由湖北华昌农业科技有限公司、广东和丰种业科技有限公司选育，属杂交稻，在江汉平原作一季中稻种植，全生育期约123 d，株高约130 cm。

1.3 试验设计

为讨论氮肥种类及施肥方式对稻田氮素损失和氮肥利用率的影响，试验设置7个处理：①CK：不施氮肥的空白对照；②U40：普通复合肥作基肥，尿素作分蘖肥，运筹比为4∶6；③U60：普通复合肥作基肥，尿素作分蘖肥，运筹比为6∶4；④C70：控释掺混肥作基肥，尿素作分蘖肥，运筹比为7∶3；⑤C100：控释掺混肥全部基施，运筹比为10∶0；⑥H40：海藻多糖尿素作基肥与分蘖肥，运筹比为4∶6；⑦H60：海藻多糖尿素作基肥与分蘖肥，运筹比为6∶4。每组处理设置3个重复，小区面积均为45 m2。试验中普通复合肥（湖北中化东方肥料有限公司）养分含量为41%（N=18%）；控释掺混肥（中化化肥有限公司）养分含量为48%（N=24%）；海藻多糖氮肥（中化化肥有限公司）中N≥46%，海藻多糖≥500 mg kg−1。除CK 处理外，其他处理施氮肥（以N 计）、磷肥（以P2O5计）和钾肥（以K2O 计）含量分别为180、75 kg·hm−2和105 kg·hm−2。各处理中磷肥和钾肥作基肥一次性施入，且氮肥施入后磷肥和钾肥不足部分均用中化化肥有限公司提供的过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）进行补充。按照当地耕作习惯，冬至前进行稻田翻耕，水稻栽种前进行旋耕，泡田7 d 后耕整。试验于2020 年5 月26 日稻田保持浅水层时撒施基肥并人工耙平，小区中间开沟，整成沟厢模式（厢宽1.5 m，沟宽0.3 m），5 月27 日进行播种，6月11日撒施分蘖肥，9月25日人工收获。

1.4 测定项目与方法

径流水采集与测定：每次降雨过后，根据直播稻的水分管理措施进行排水，记录径流量，使用径流池收集，将径流水搅拌均匀后，使用聚乙烯塑料瓶采集径流水样。采用Alliance−Futura Ⅱ连续流动分析仪测定水样中总氮（TN）、铵态氮（−N）和硝态氮（−N）含量[27]。

氨挥发采集与测定：稻田氨挥发通量采用通气法测定[28]。采样频次与测定方法参考乔月等[29]的方法。

水稻产量和氮素积累量测定：水稻成熟后进行实际测产。将水稻植株样按茎、叶、穗分开收集，随后将各部位器官于105 ℃杀青30 min，之后80 ℃烘干至恒质量，粉碎后用H2SO4−H2O2消化，再用Alliance−Futu⁃ra Ⅱ连续流动分析仪测定各部分氮含量。

1.5 数据分析

利用Excel 2010 软件制图，应用DPS 18.1 软件进行方差分析，LSD法进行处理间多重比较。

氨挥发通量（X，kg·hm−2·d−1）和氨挥发损失率（R，%）计算如公式（1）和公式（2）所示：

式中：C为浸提液中氨氮浓度，mg·L−1；V为浸提液体积，mL；B为吸收氨气捕获装置的横截面积，m2；t为采样时间，d；XN为施氮区氨累积挥发量（各测定时期的氨挥发量之和），kg·hm−2；X0为不施氮区氨累积挥发量，kg·hm−2；N为施氮量，kg·hm−2。

按式（3）和式（4）分别计算氮肥表观利用率（ENR，%）和氮肥农学利用率（ENA，kg·kg−1）。

式中：TN为施氮区植株总吸氮量，kg·hm−2；T0为对照区植株总吸氮量，kg·hm−2；YN为施氮区产量，kg·hm−2；Y0为对照区产量，kg·hm−2。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理下稻田径流氮素流失特征

水稻全生育期共产生4 次径流，第1 次为5 月27日播种排水，另外3 次径流均为降雨后排水，平均排水量分别为200、260、1 500 m3·hm−2和1 500 m3·hm−2。由表1 可以看出，5 月27 日各施氮处理的径流氮流失量为12.87～23.96 kg·hm−2，在直播稻全生育期径流氮流失总量的占比最高，为63.46%～75.68%，U40比U60处理显著降低34.27%，C70比C100处理显著降低30.15%，H40比H60显著降低36.29%（P<0.05）；6 月8 日（施基肥后第13 天）各施氮处理下氮流失量较低，比5 月27 日降低了86.95%～94.82%；6 月22 日（施分蘖肥后第12天）与7 月9 日（施分蘖肥后第29 天）各施肥处理间的氮流失量与CK处理相当，但7月9日各施肥处理的氮流失量比6 月22 日降低了51.95%～62.42%。上述结果表明直播稻排水播种方式对稻田氮素径流损失影响显著。

表1 不同施氮处理下稻田径流总氮流失量（kg·hm−2）Table 1 Total nitrogen runoff loss in paddy fields under different nitrogen application treatments（kg·hm−2）

由表2 可知，各施氮处理径流的TN 流失量为20.28～31.65 kg·hm−2，其中−N 流失量为10.75～15.11 kg·hm−2，占TN 流失量的47.74%～54.01%；各施氮处理的−N 流失量为0.64～1.22 kg·hm−2，与CK处理相当，占TN 流失量的2.33%～5.15%。在整个生育期内，与U60处理相比，C100、H60、U40、C70和H40处理TN 流失量分别减少了7.20%、13.36%、24.30%、26.41%和35.92%；与U60、C100和H60处理相比，U40、C70和H40处理的TN 流失量分别减少了24.30%、20.70%和26.04%（P<0.05）。这表明氮肥后移可以明显降低稻田氮素径流损失，新型肥料（海藻多糖氮肥与控释掺混肥）相较于普通复合肥料降低了氮素径流损失。

表2 不同施氮处理下稻田径流氮素流失量（kg·hm−2）Table 2 Nitrogen loss from rice paddy runoff under different N application treatments（kg·hm−2）

2.2 不同施氮处理下稻田的氨挥发损失

从图2 可以看出，基肥施用后，各施氮处理氨挥发通量逐渐上升，第3 天达到峰值，为1.05～2.57 kg·hm−2·d−1，U40、C70和H40处理的氨挥发峰值较U60、C100和H60处理分别降低了38.52%、16.67%和39.42%；第9天，各施氮处理氨挥发通量已降至与CK 处理相当。施用分蘖肥后，各施氮处理氨挥发通量急剧上升，第2 天达到峰值0.39～3.27 kg·hm−2·d−1，各施肥处理氨挥发通量峰值表现为U40>H40>U60>H60>C70>C100，第10 天已降至与CK处理相当。

图2 不同施氮处理下稻田的氨挥发通量动态变化Figure 2 Dynamic change of ammonia volatilization flux in paddy fields under different treatments of nitrogen application

由表3 可知，在基肥期，U40比U60处理、C70比C100处理、H40比H60处理的氨挥发损失量均显著降低（P<0.05）。U40比U60处理的氨挥发损失量降低47.91%，损失率降低2.17 个百分点；C70比C100处理的氨挥发损失量降低62.12%；H40比H60处理的氨挥发损失量和损失率分别降低了46.22%和1.66 个百分点。分蘖肥施入后至水稻收获前一天，各施氮处理的氨挥发损失量为4.36～11.75 kg·hm−2，与U60处理相比，U40处理的氨挥发损失量增加了28.84%；与C100处理相比，C70处理的氨挥发损失量增加了55.28%；与H60处理相比，H40处理的氨挥发损失量增加了25.31%。整个生育期内，与U60处理相比，U40、H60、H40、C70和C100处理的稻田氨挥发总量分别显著减少了7.89%、20.81%、27.84%、42.08%和47.00%（P<0.05）；与C70处理相比，C100处理显著降低了8.49%（P<0.05）；H40比H60处理显著降低了8.88%（P<0.05）。上述结果表明在总施氮量相同条件下，不同氮肥之间的氨挥发损失量和损失率均表现为：普通复合肥与尿素配施处理>海藻多糖尿素处理>控释掺混肥与尿素配施处理，说明在直播稻种植过程中，氮肥后移有利于降低氨挥发损失。

表3 不同施氮处理下不同时段稻田的氨挥发损失量及损失率Table 3 Ammonia volatilization and loss rate in rice field in different fertilizer periods under different nitrogen treatments

由图3 可知，U40比U60处理的总氮损失量降低22.58%，C70比C100处理的总氮损失量降低15.62%，H40比H60处理的总氮损失量降低25.42%，表明氮肥后移能显著降低氨挥发与径流氮素流失的损失量（P<0.05），且C70和H40处理的总氮损失量均较低。

图3 不同施氮处理下直播稻生育期总氮损失量Figure 3 Total nitrogen loss of direct−seeded rice during growth period under different nitrogen application treatments

2.3 不同施氮处理对直播稻产量及构成因素的影响

由表4可以看出，不同施氮处理下，直播稻产量范围为7 683.33～9 116.67 kg·hm−2，其中C70处理产量最高。与U60处理相比，U40、H60、H40、C100和C70处理分别显著增产7.64%、9.59%、12.75%、14.62%和18.66%（P<0.05）；从产量构成因素上看，各施氮处理的千粒质量无显著变化，与U60处理相比，U40处理的有效穗数、每穗粒数和结实率显著增加7.75%、3.75%和3.44个百分点（P<0.05）；与C100处理相比，C70处理的有效穗数、每穗粒数和结实率分别增加了3.50%、1.28%和2.15 个百分点；与H60处理相比，H40处理的有效穗数、每穗粒数和结实率分别增加了2.12%、0.98%和2.30个百分点。这表明海藻多糖尿素与控释掺混肥的施用均有利于直播稻产量的提升。

表4 不同施氮处理下直播水稻产量及构成因素Table 4 Direct−seeded rice yield and component factors under different nitrogen treatments

2.4 不同施氮处理对直播稻地上部氮素吸收及氮肥利用率的影响

水稻产量与水稻植株地上部氮素吸收量有着密切联系，为此本研究进一步分析了不同处理地上部氮素吸收情况，结果如表5所示。在幼苗期−分蘖前期，U60处理地上部氮素吸收显著高于其他处理（P<0.05）；在分蘖前期−分蘖盛期，氮素吸收量明显升高，是水稻整个生育期中地上部氮素净吸收量最多的时期，各施氮处理的氮素吸收量表现为C70>C100>U40>H40>H60>U60，且C70与C100处理显著高于其他处理的氮素吸收量（P<0.05）。然而，在分蘖盛期到成熟期之间，U40与U60、C70与C100、H40与H60处理之间的氮素吸收量均无显著差异。

表5 不同施氮处理下直播稻地上部氮素净吸收（kg·hm−2）Table 5 The net nitrogen uptake of direct−seeded rice under different nitrogen treatments（kg·hm−2）

稻田氮肥利用率是衡量施肥方式是否合理的重要指标之一，从表6可知，U40、C70和H40之间及U60、C100和H60之间的氮素积累总量、氮肥表观利用率和农学利用率均有显著差异（P<0.05），不同类型氮肥的利用率表现为：控释掺混肥与尿素配施处理>海藻多糖尿素处理>普通复合肥与尿素配施处理。上述结果表明在直播稻种植过程中控释掺混肥与尿素配施是一种较为合理的施肥方式。进一步对比数据可知，与C100处理相比，C70处理水稻氮肥农学利用率增加了6.16%，氮素积累总量与氮素表观利用率略有降低，分别降低了2.74%和2.00 个百分点；与H60处理相比，H40处理水稻氮素积累总量、氮肥表观利用率和氮肥农学利用率分别增加了4.98%、3.08 个百分点和5.24%；与处理U60相比，U40处理的氮肥农学利用率显著增加15.04%，氮素积累总量与氮肥表观利用率增加了5.22%和3.02个百分点。

表6 不同施氮处理对直播稻氮肥利用率的影响Table 6 Effects of different nitrogen fertilizer on nitrogen utilization efficiency of direct−seeded rice

3 讨论

3.1 不同施氮处理对直播稻田径流氮素流失量的影响

3.2 不同施氮处理对直播稻田氨挥发的影响

本研究中U40、C70和H40处理的氨挥发峰值较U60、C100和H60处理分别降低了38.52%、16.67%和39.42%，说明基肥氮后移可明显降低稻田氨挥发损失，其中以C70处理的效果尤为显著，表明施用缓控释肥可显著减少基肥期氨挥发量，这与俞映倞等[35]的研究结果相似。分蘖肥施用后第2 天，C100处理与CK 的氨挥发量相当，是因为C100处理氮肥作基肥一次性施用，分蘖期未施肥。相同施氮水平下，不同氮肥之间的氨挥发总损失量和损失率表现为：普通复合肥与尿素配施处理>海藻多糖尿素处理>控释掺混肥与尿素配施处理，主要原因可能是缓控释肥通过减缓养分释放速率，降低土壤中−N含量[36]，从而减少氨挥发损失；海藻多糖尿素能减少氨挥发，因为海藻多糖能促进土壤团粒结构形成，增强土壤的生物活性，提高尿素的吸收率[37]，延缓尿素在土壤中的释放和转化。

3.3 不同施氮处理对直播稻产量和氮素利用率的影响

氮肥总量控制、分期调控等养分优化管理措施，可显著提高水稻产量[38−39]，在直播稻种植上协同实现水稻高产和氮肥高效利用。以往研究表明，直播稻前期物质积累量相对偏低，中后期生长对作物养分需求高[40−41]。缓控释肥可增加水稻的有效穗数、每穗粒数、千粒质量和结实率等，进而提高产量[42−44]。本研究中，C100和C70处理产量较高，其中C70处理最高，且比C100处理的有效穗数、每穗粒数和结实率均有所增加。这主要是因为缓控释肥处理能持续缓慢释放养分，加上氮肥后移有利于保证水稻中后期生长对养分的需求，进而积累较多的生物量，同时一次性基施也能在一定程度上提高产量[45]。

本研究中分蘖前期到分蘖盛期是水稻吸氮量最高的时期，C70和C100处理的氮素积累量、氮肥表观利用率和农学利用率均较高。这是因为缓控释肥料的包膜或缓溶性物质通过阻隔包膜内外的水分运移，延缓氮素溶出时间，从而控制氮素释放速率，并长时间供水稻吸收利用，进而提高水稻氮素利用率[46]。本研究中，与普通复合肥和尿素配施处理相比，控释掺混肥与尿素配施处理以及海藻多糖尿素处理促进了水稻对氮素的吸收，提高了氮肥利用率，从而使水稻增产。

水稻产量是决定施肥方式是否具有推广价值的重要指标，因此在首先保证水稻产量的情况下，应综合考虑氮素损失和氮肥利用情况。本研究表明，C70与H40处理在直播稻整个生育期内总氮损失量较低，且无显著差异（图3），C70处理产量和氮肥利用率均显著高于H40处理。因此，在本研究中，控释掺混肥（基肥）与尿素（分蘖肥）按7∶3 配比施入直播稻田是最优的施肥方式。

4 结论

（1）在180 kg·hm−2相同施氮水平下，直播稻田径流氮素流失主要集中在基肥施入后排水播种期，氮肥适当后移可有效减少氮素流失量。

（2）控释掺混肥与尿素配施（基蘖肥配比7∶3）的施肥方式既能明显提高氮肥表现利用率（41.99%）和产量（9 116.67 kg·hm−2），又可以有效降低稻田径流总氮流失量（23.29 kg·hm−2）和氨挥发损失量（10.13 kg·hm−2），从而减少农田面源污染，有利于农田土壤可持续发展利用，是江汉平原地区直播稻种植中可推广的施氮方式。