控释氮肥和氮磷减量对水稻产量及田面水氮磷流失的影响

石敦杰， 杨 兰，2， 荣湘民，2， 谢 勇， 唐 丽， 田 昌，2， 谢桂先，2， 宋海星，2， 张玉平，2

(1.湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128； 2.土壤肥料资源高效利用国家工程实验室/农田污染控制与农业资源利用湖南省重点实验室/植物营养湖南省普通高等学校重点实验室，湖南长沙 410128)

水稻是我国重要的粮食作物，总产量约占全国粮食总产量的40%[1-2]。大量施用氮磷肥是获得水稻高产的重要措施之一[3-4]。我国耕地面积只有世界耕地总面积的7%左右，但化肥施用量却超过了世界化肥施用总量的25%[5-6]。近些年来，我国氮磷肥施用量还在持续增加，但肥料的增产效应却呈递减趋势[7]。增产效应递减，作物相对吸收的比例更少，会有更多的养分通过径流、渗漏等方式损失至江河湖泊，引起水体富营养化。农田氮磷径流损失是造成流域水体氮、磷富营养化的主要原因之一，农业高投入、低利用率的传统型农业生产模式造成的资源浪费及其引起的农业面源污染已经得到了人们的广泛关注。农田提高水稻产量及减少水污染的研究主要集中在肥料用量、施用方法、施用时间和灌溉管理等方面[8]。由于普通氮肥的速溶性和降雨的不可控制性，控制肥料的径流和淋溶仍然很困难。控释氮肥与普通氮肥相比，它可以通过控制氮素释放来协调作物养分的供给，既减少氮素损失，又可提高氮肥利用率[9]。磷是水体产生富营养化的限制因素，如果磷素未达到一定含量，仅有氮、碳等元素不会引起水体富营养化[10]。毛里湖是湖南省内仅次于洞庭湖的第二大淡水湖，农村面源污染是影响其水质污染的主要原因之一。近年来，关于控释氮肥及磷肥减量施用对双季稻产量和氮磷利用率的研究较多，大多集中在对水稻或土壤污染的研究上，但针对毛里湖地区中稻的田面水污染研究较少。

本研究设置控释氮肥和氮磷减量处理，探讨其对中稻产量及田面水氮磷流失风险的影响，为毛里湖中稻合理施肥、控制面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为河潮土发育的河潮泥，该土壤8项基本指标如下：有机质含量为26.87 g/kg，总氮含量为1.78 g/kg，全磷含量为0.60 g/kg，全钾含量为26.74 g/kg，碱解氮含量为 84.08 mg/kg，有效磷含量为12.74 mg/kg，速效钾含量为217.72 mg/kg，pH值为6.74。

供试中稻品种为c两优198。供试氮肥为普通尿素(含氮46%)、控释氮肥(含氮 42%)、树脂包膜尿素，其中控释氮肥由金正大生态股份有限公司生产；磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)；钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。

1.2 试验设计

试验于2016年5—9月在湖南省常德市津市市毛里湖地区进行。试验设置3个处理，分别为常规施肥处理(T1处理，N、P2O5、K2O施用量分别为180、40、120 kg/hm2)、控释氮肥减氮20%处理(T2处理，N、P2O5、K2O施用量分别为144、40、120 kg/hm2)、控释氮肥和过磷酸钙各减量20%处理(T3处理，N、P2O5、K2O施用量分别为144、32、120 kg/hm2)，3次重复，随机区组排列。试验共9个小区，小区面积30 m2(4.0 m×7.5 m)，小区用田埂隔开，田埂用塑料薄膜包覆，防止水、肥互渗。所有处理氮、钾肥60%作基肥(土层混施)，40%作分蘖肥(表层撒施)；磷肥作基肥(土层混施)一次性施用，水稻于5月31日施基肥并移栽，6月10日施追肥，9月20日收割。大田管理方式同当地农户常规管理。

1.3 样品采集和分析

施基肥后1、2、3、5、7、9 d和追肥后1、2、3、5、7、9、11、13、15、17 d取田面水，采样均在08：00—10：00进行。采样时用100 mL医用注射器，不扰动水层，按照对角线取样法，每小区取5个点田面水混合样300 mL；水稻收割前每小区取5蔸有代表性植株进行考种；每小区单打单晒，分别统计稻谷和秸秆产量，并取样测定稻谷和秸秆氮磷含量。

肥料偏生产力=作物产量/施肥量；

收获指数=籽粒产量/地上部生物量。

1.4 数据计算及分析

用DPS和Excel 2003软件分析处理数据，采用LSD检验法进行显著性分析，用Graphpad Prism 5.0作图。

2 结果与分析

2.1 控释氮肥与氮磷减量对水稻产量和氮磷吸收的影响

2.1.1 对水稻产量及其构成因素的影响 由表1可以看出，产量及其构成因素在3个处理间均无显著差异，相比于常规施肥T1处理，T2和T3处理收获期水稻籽粒产量不仅没有因为减少肥料用量而降低，反而有所上升，增产率分别为 8.29%和5.03%，T3相比于T2产量降低3.01%。T2处理的株高、穗长最高，T1处理次之，T3处理最低；T2和T3处理每兜有效穗数和结实率均高于T1处理；T1处理的毎穗实粒数和千粒质量高于T2和T3处理。

表1 不同施肥处理对中稻产量及构成因素的影响

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下表同。

2.1.2 对中稻氮磷养分吸收及利用的影响 从表2可以看出，T2和T3处理的地上部氮素累积量均显著高于T1处理，其中T2、T3处理的氮素累积量分别较T1处理提高了30.74%、18.99%；T3处理的地上部磷素累积量相对于T1、T2处理较低，但差异不显著；与T1处理相比，T2和T3处理显著提高了氮肥和磷肥的偏生产力，其中，氮肥偏生产力(NPFP)分别提高了35.37%和 31.31%，磷肥偏生产力(PPFP)分别提高了8.29%和31.30%，说明T2与T3处理配合土壤基础养分水平的综合效应比T1处理要好[11]；T1、T2与T3处理收获指数无明显差异。

表2 不同施肥处理对中稻氮磷养分吸收及利用率的影响

2.2 控释氮肥与氮磷减量对施肥后稻田田面水氮磷含量的影响

2.2.1 对田面水总氮含量的影响 从图1可以看出，采用T1处理施肥后，普通尿素迅速溶解，使田面水中总氮含量快速提高，于基肥后1 d达到峰值(70.34 mg/L)，然后随着时间的推移而下降。总氮含量在追肥后的1 d达到第2个峰值，含量为62.14 mg/L，之后变化规律与施用基肥后的变化规律一致，总氮含量未到达稳定状态并在取样的最后1 d降到最低值(15.20 mg/L)。基肥施后9 d内和追肥后17 d内总氮平均含量分别为51.95、37.05 mg/L。控释氮肥减氮处理T2和T3施基肥后，田面水中总氮含量逐渐升高；追肥后，总氮含量跃升随后缓慢上升，T2、T3处理的总氮含量分别在追肥后9、7 d达到峰值，随后下降。T2、T3处理的总氮峰值含量分别6.29、6.11 mg/L。监测期内，T2处理总氮含量为 2.54～6.29 mg/L，基肥施后9 d内和追肥后17 d内总氮平均含量分别为3.28、5.89 mg/L，基肥施后9 d内和追肥后17 d内总氮含量较T1处理分别降低了93.69%、84.09%；T3处理的总氮含量为2.43～6.11 mg/L，基肥施后9 d内和追肥后17 d内总氮平均含量分别为3.20、5.75 mg/L，基肥施后9 d内和追肥后17 d内总氮含量较T1处理分别降低了93.83%、84.49%，因此施用控释氮肥减氮20%能明显降低田面水总氮含量，降低氮素径流流失风险。T2与T3处理之间，差异很小，说明磷肥减量施用，对田面水总氮含量影响较小。由于T3与T2处理施用相同量控释氮肥所以T3与T2处理的田面水的总氮含量相近，变化规律基本一致。施用普通尿素的T1处理的田面水总氮含量远高于施用控释氮肥的T2、T3处理，而且T1处理的田面水总氮变化规律不同于T2、T3处理的田面水总氮变化规律，这与3个处理的肥料特性有关。T1处理施用的普通尿素在施入水田之后马上就开始大量分解，T2与T3处理使用的控释氮肥在施入水田之后开始缓慢释放尿素。施肥后27 d，T2、T3处理的田面水总氮含量分别比T1处理下降89.11%、89.42%。

2.2.2 对田面水铵态氮含量的影响 施肥后田面水铵态氮含量变化如图2所示。由于尿素施入稻田之后迅速分解为铵态氮，导致基肥和追肥施用后田面水中铵态氮的动态变化与总氮的变化规律类似，T1处理施肥后，随着时间的延长田面水铵态氮含量逐渐降低，于基肥施后1 d达到峰值，为 57.52 mg/L，追肥后铵态氮含量迅速上升，1 d后到达峰值，含量为53.04 mg/L，铵态氮含量达峰值之后开始下降，在取样的最后1 d降到最低值(12.00 mg/L)。基肥施后9 d内和追肥后17 d内铵态氮平均含量分别为43.35、30.91 mg/L。控释氮肥减氮处理T2和T3施基肥后，田面水中铵态氮含量逐渐升高；追肥后，铵态氮含量先跃升随后缓慢上升，T2、T3处理的铵态氮含量均在追肥后9 d达到峰值，随后下降。T2、T3处理的铵态氮峰值含量分别为4.98、5.08 mg/L。监测期内，T2处理铵态氮含量为2.17～4.98 mg/L，基肥施后9 d内和追肥后 17 d 内铵态氮平均含量分别为2.57、4.22 mg/L，基肥施后 9 d 内和追肥后17 d内铵态氮含量较T1处理分别降低了 94.08%、86.36%；T3处理的铵态氮含量为1.98～5.08 mg/L，基肥施后9 d内和追肥后17 d内铵态氮平均含量分别为2.57、4.36 mg/L，基肥施后9 d内和追肥后17 d内铵态氮含量较T1处理分别降低了94.08%、85.91%，T2和T3处理施用控释氮肥减氮20%，均明显降低田面水铵态氮含量。施肥后27 d，T2、T3处理的田面水铵态氮含量分别比T1处理下降89.89%、89.64%。

2.2.3 对田面水硝态氮含量的影响 由图3可以看出，T1处理硝态氮含量在基肥施后1 d最低，为1.21 mg/L，在追肥后9 d含量最高，为1.92 mg/L。硝态氮含量在追肥7 d后稳定在1.84～1.92 mg/L。基肥施后9 d内和追肥后17 d内硝态氮平均含量分别为1.35、1.79 mg/L；T2硝态氮含量在基肥施后缓慢上升，1 d后含量最低，为 0.30 mg/L。T2处理硝态氮含量在追肥后跃升，之后基本稳定在0.70～0.81 mg/L。基肥施后9 d内和追肥后17 d内硝态氮平均含量分别为0.40、0.75 mg/L，较T1处理分别降低了 70.07%、57.91%；T3与T2处理硝态氮含量相近，变化趋势相似。在基肥施后1 d最低，为0.32 mg/L，硝态氮含量在追肥后跃升，之后基本稳定在0.71～0.90 mg/L。基肥施后9 d内和追肥后17 d内硝态氮平均含量分别为0.42、0.82 mg/L，较T1处理分别降低了68.67%、54.52%。T1处理的硝态氮含量明显高于T2和T3处理。其原因可能是，普通尿素与控释氮肥施入水田中都是先经过脲酶水解为铵态氮，而硝态氮主要来源于铵态氮的硝化作用[12]，其中T1处理的硝态氮的含量明显高于T2和T3处理的硝态氮的含量。由于在淹水条件下的硝化作用较弱[13]，导致田面水中的硝态氮含量显著低于铵态氮含量。施肥后27 d，T2、T3处理的田面水总氮含量分别比T1处理下降61.69%、58.93%。

2.2.4 对田面水磷含量的影响 从图4可以看出，3个处理的稻田田面水的总磷含量变化趋势一致，施用基肥后1 d，3个处理田面水中全磷含量出现1个峰值，由于土壤对磷素的吸附固定作用和水稻对磷素的吸收，所以随着时间的推移田面水的含量逐渐下降，在施用基肥后9 d达到稳定的状态。T1处理的总磷含量由1 d后的0.16 mg/L下降到最后1 d的0.05 mg/L，T2处理的总磷含量由1 d后的0.16 mg/L下降到最后1 d的0.06 mg/L，T3的总磷含量由1 d后的 0.12 mg/L 下降到最后1 d的0.04 mg/L。在施用追肥后1 d，田面水磷含量有所升高。这是由于施肥过程扰动了表面土，因此尽管追肥未施磷肥田层，使得部分磷素脱离了土壤的吸附而进入田面水中，田面水的磷含量依旧升高[14]。监测期内，T1、T2、T3处理平均磷含量分别为0.09、0.09、0.07 mg/L。T3处理相比T1、T2处理全磷平均含量分别降低了 23.91%、28.72%。不同施磷量条件下，田面水的磷含量也有所不同，施磷量高的处理的田面水磷含量高于施磷量较低的处理。

3 结论与讨论

水稻各个时期的正常生长发育是水稻高产的基础，而水稻营养生长时期的干物质积累直接影响后期产量的形成，在此时期提供充足的氮素养分对水稻获得高产非常关键[15-17]。控释氮肥相比于普通尿素具有肥效长的优势[18]，弥补了普通尿素后期肥效差的弊端。本研究表明，施用控释氮肥处理相较于常规施肥对水稻有增产作用，而增产主要因为发挥了控释氮肥肥效长的优势，提高了水稻每蔸有效穗数以及结实率。T2、T3处理相比于T1处理分别增产8.29%、5.03%。

磷是细胞质和细胞核的重要成分之一，直接参与糖、蛋白质和脂肪的代谢，一些高能磷酸又是能量储存的主要物质。适量磷素可促进水稻根系生长，具有增加分蘖，增强抗逆性，提高产量的作用[19]，但过量施用磷肥不仅会导致水稻减产还会污染环境[20]。本研究表明，T3处理相比于T1处理增产5.35%，但T3处理相比于T2处理减产3.01%。说明对于产量而言，常规施磷量并未过量，减磷20%会导致减产，但减磷20%配合控释氮肥减量20%相比常规施肥会增产，间接印证了控释氮肥的增产效应。

农田养分流失是引发农业面源污染的重要原因，农田养分流失的主要原因就是地表径流。地表径流养分流失量由径流量和田面水养分含量决定[21]。施肥是增加田面水养分含量的主要途径，本研究结果表明，施用普通尿素会迅速提高田面水氮含量，在施肥后1 d达到最高含量(70.34 mg/L)，然后随着时间的推移而持续降低，未达到稳定含量。这与宮亮等研究在第7天达到稳定状态的结果[22]有所不同[22]。其原因可能由于土壤类型、降雨、气温等条件的综合影响所导致[23-24]。由此可以得出，施用普通尿素后的短期内氮径流损失的风险很高，此时应加强田间管理，做好对降雨的预测从而选择最优的灌溉方式，减少氮素的径流损失。

不同种类氮肥对田面水总氮含量影响不同，本试验监测期内，与普通尿素相比，控释氮肥(T2和T3)处理在基肥施后9 d内和追肥后17 d内总氮浓度平均降低了93.7%和 84.3%。同时，田面水中铵态氮的含量也与总氮类似。这说明，在这种自然降雨加灌溉的条件下，施用控释氮肥导致的氮素径流损失会明显低于施用普通尿素的情况，因此更有利于降低农田氮流失风险[25]。

磷肥用量对田面水全磷含量有较为明显的影响，T3处理相比T1、T2处理全磷平均含量分别降低了23.91%、28.72%，说明适当降低磷肥用量可以降低田面水磷素含量从而降低磷素的流失风险[26]。田面水全磷含量在施用基肥后9 d达到稳定的状态。由于磷肥是作基肥一次性施用，所以相对田面水总氮含量，田面水全磷含量更早地达到稳定。因此田间管理措施可按照防止氮素流失的方式进行。

综上所述，在毛里湖中稻区，控释氮肥减氮20%和控释氮肥减氮减磷各20%施用既可以保证高产稳产，又可以有效降低稻田氮素径流损失风险，可以在实际生产中应用推广。

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