水稻是我国的主要粮食作物之一，种植面积约占总耕地面积的 25%^[1]。氮肥对水稻的高产起着重要的支撑作用^[2]，然而氮肥的不合理施用导致作物利用率较低，目前我国当季氮肥利用率为 35%~50%^[3]，大部分氮素损失到环境中，导致温室气体排放增加以及水体富营养化加剧。因此，提高氮素利用率成为农业生产中最为关注的问题之一^{[4, 5]}。

在水稻生产中，含氮气体排放（如 NH₃ 和 N₂O）是氮肥损失主要途径之一，因而受到广泛关注^{[6, 7]}。NH₃挥发是尿素施入农田后的主要损失途径^{[8, 9]}，其损失量高达施氮量的40%~50%^{[10, 11]}；N₂O 排放在氮素损失中也占到较大比例，同时对大气温室效应也具有较大贡献，仅次于 CH₄和 CO₂^[12]。要提高氮素利用率，关键是让氮肥供应与作物需求相匹配，以增加吸收利用，进而减小排放损失。缓控释肥料为有效提高氮素利用提供了可能途径^{[13, 14, 15]}，通常认为缓控释肥施用后，肥料养分的供应与植物需求基本一致，可防止土壤中有效氮过量的现象，明显减少施用过程中肥料氮素的损失量^[16]。

水基聚合物包衣控释肥料是近几年来商品化的控释肥料品种之一，和国内外主流聚合物包膜控释肥料相比，具有控释更灵活、环境更友好和生产成本较低的优势^{[17, 18, 19]}。但是，由于水基聚合物包衣控释肥需经包衣再加工，其价格还是显著高于常规速效氮肥，在实际大田生产应用中受到限制。通过掺混一定比例的控释氮肥，一次性简化施用，速效氮部分保证前期氮的供应，而控释氮部分保证中后期供应，不但能与作物需氮相匹配，保证作物产量，同时也能显著降低肥料成本和施肥成本，具有较明显的应用潜力。

本研究以水基聚合物包衣控释肥料为原料，通过控释掺混的方式一次性简化施用，与常规分次施用相比较，综合分析氮素吸收利用、土壤氮素残留以及含氮气体排放，研究其对水稻产量及氮素利用的影响，为简化高效施肥提供技术支撑。

试验在中国科学院南京土壤研究所汤泉试验基地进行。供试水稻土 pH6.00，有机质为 22.26 g·kg^-1，全氮 1.31 g·kg^-1，有效磷 15.41 mg·kg^-1，速效钾 146.4 mg·kg^-1。水稻品种为南粳46。供试常规肥料为绿聚能复合肥，N、P、K 比例为 16:8:18，江苏中东集团公司生产提供）；艾萨斯水基聚合物包衣控释尿素含氮 41.8%，控释期为三个月，静水 25 ℃ 溶出，江苏艾萨斯新型肥料工程技术有限公司生产提供，水基包膜材料环境友好，其养分释放曲线呈“S”型，养分释放主要受温度和水分影响，大颗粒尿素含氮 46.4%，鲁西化工集团公司生产提供。

试验设三个处理：不施肥对照（T1）、当地习惯分次施肥处理（T2）和水基聚合物控释掺混肥处理（T3）。T2 处理N、P、K肥的施用量为N 240 kg·hm^-2，P₂O₅ 60 kg·hm^-2，K₂O 135 kg·hm^-2，以尿素、磷二铵和硫酸钾形式一次性基施，氮肥分为基肥、分蘖肥、穗肥（比例为 5:2:3）三次施用；T3 处理中 N、P、K肥的施用量与 T2 处理保持一致，但所施氮肥中 30% 的氮由水基聚合包衣控释尿素替代，N、P、K 一次性基施。每个处理四次重复，每个试验小区面积为 40 m²（4 m×10 m），种植密度为 20 cm×15 cm。各处理的灌溉、施药等田间管理措施完全一致。水稻于2014 年 6 月 19 日插秧，11 月 18 日收获。

植株样与土壤样均在每个生育期的后期采集，以避免刚施肥或追肥不久就采样，不能准确反映肥效。分别在分蘖期（2014年7月10日）、拔节期（8月1日）、齐穗期（9月25日）和成熟期（11月15日）随机选择每个小区的三穴水稻，分为茎、叶、穗和根放入采样袋，在烘箱 105 ℃ 杀青、70 ℃ 烘干至恒重后称量，并用 H₂SO₄-H₂O₂ 联合消煮，凯氏定氮法测定植株全氮。

分别在分蘖期、拔节期、齐穗期和成熟期在每个小区土壤表层（0~15 cm）取土，用2 mol·L^-1的氯化钾浸提、然后振荡 1 h并过滤，再用间断式化学分析仪（SmartChem 200，Alliace，France）测定土壤铵态氮与硝态氮含量。

将水银温度计插入稻田土壤 5 cm深处，每天 14:00 读数并记录。

测定方法是基于红外光声效应的土壤顶空 NH₃和N₂O浓度原位检测。在施肥后（2014 年6 月 18 日到7 月 30 日）不下雨的情况下，于每天气温最高的 14∶00（有利于气体挥发）在每个小区随机选取4个位点，用注射器抽取水面上空1 cm左右高度处空气，注入干燥真空的200 mL 特氟龙气体采样袋密封待测。使用傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet 6700，Thermo Fisher，USA）和气体光声检测附件（PA101，Gasera，Finland）对气体扫描，并在中红外波段进行光谱采集。扫描速率为32次、分辨率为4 cm^-1、动镜速率为0.16 cm·s-1，采用小波变换对气体原始光谱进行平滑处理，利用标准浓度的气体与峰高建立模型。NH₃定量分析的吸收峰位于920~990 cm^-1，N₂O定量分析的吸收峰位于1220~1340 cm^-1[20]；NH₃测定的检测限为 0.1 mg·L^-1，N₂O 的检测限为 0.02 mg·L^-1。

氮肥农学利用率=（施氮处理籽粒产量-空白处理籽粒产量）/施氮量

氮肥当季利用率=（施氮处理植株吸氮量-空白处理植株吸氮量）/施氮量×100%^[21]

光谱数据使用Matlab处理，其他数据均使用Excel 2007计算，使用IBM SPSS statistics 20进行样本数据的差异显著性统计分析，利用Excel 2007作图。

如表 1所示，所有处理的植株总氮量在各个时期持续增加，其中T2与T3处理的各部位氮素累积量在各时期均没有显著差异，但不同生育阶段氮素累积量高低变化不同。

表 1 不同施肥处理下水稻各生育阶段氮素累积量（kg·hm^-2） Table 1 Nitrogen accumulation in rice plant at different growth stages（kg·hm^-2）

表选项

在分蘖期与拔节期，T3 处理叶与茎中氮素累积量均高于 T2 处理；在齐穗期，由于之前追施穗肥，T2 处理茎、叶及穗中氮素累积量高于 T3 处理；到了成熟期，T2 处理叶与茎中氮素累积量高于 T3 处理，但穗中氮素累积量却低于 T3 处理，虽然T2和T3之间没有显著差异，但后期 T3 处理氮素具有更容易转到穗部的趋势。与 T1 处理相比，T3 处理叶中氮素累积量在分蘖期、拔节期、齐穗期和成熟期分别增加了 246%、156%、102% 和152%；茎中氮素累积量分别增加了168%、147%、72% 和188%；穗中氮素累积量增加了65% 和 80%（齐穗期与成熟期）；植株总氮素累积量分别增加了 219%、153%、90% 和 112%。与 T2 处理相比，T3 处理叶中氮素累积量在分蘖期和拔节期分别增加了 7.1% 和 4.9%，但在齐穗期与成熟期分别减少了 7.1% 和 8.9%；茎的氮素累积量在分蘖期和拔节期分别增加了 10.7%、12.8%，但在齐穗期与成熟期分别减少 3.2% 和 7.4%；穗的氮素累积量在齐穗期减少了 7.3%，但在成熟期增加了 7.8%；植株总氮素累积量与 T2 处理没有明显差别。

从表 2 可以看出，与不施肥处理（T1）相比，T2 与 T3 处理都增加了水稻籽粒的产量。T2 处理的茎与叶氮含量高于 T3 处理，但穗氮含量较低，T2 与 T3 处理的氮肥当季利用率没有显著差别，但 T3 处理的氮肥农学利用率明显高于 T2 处理。与 T1 处理相比，T3 处理籽粒产量增加了 50.4%；与 T2 处理相比，T3 处理籽粒产量增加了 4.9%，氮肥当季利用率增加了 0.53%，氮肥农学利用率增加了 16.4%。以上结果表明，T3 处理能保证水稻产量和氮肥利用率稳定且有增加趋势。

表 2 不同施肥处理对水稻氮素利用率的影响 Table 2 Nitrogen use efficiencies in rice under different fertilization treatments

表选项

由于水稻土壤长期处于淹水状态，硝化作用被强烈抑制，水稻田氮素形态以铵态氮为主^[22]。由图 1 可以看出，T1 处理土壤铵态氮一直处于较低水平。T2 处理在拔节期处于很低状态，齐穗期有一些上升，成熟期又迅速下降。T3 处理处于持续降低状态，在齐穗期时降至最低。在分蘖期，水稻对土壤氮素需求量大，T3 处理与T2 处理均供给了充足的铵态氮，分别为 60.2、45.3 mg·kg^-1，促进了水稻的分蘖；在拔节期，T3 处理土壤铵态氮含量降至 22.2 mg·kg^-1，而 T2 处理已经降至 12.2 mg·kg^-1，接近 T1 处理；在齐穗期，由于 T3 处理是一次性施肥，且有 70% 是速效氮，土壤铵态氮已经接近 T1 处理，而 T2 处理由于穗肥施用，铵态氮含量有小幅度上升，达到21.6 mg·kg^-1；到了成熟期，T2 处理的土壤铵态氮含量也与 T1 基本一致。

图 1 不同生育时期土壤铵态氮含量 Figure 1 Soil ammonium nitrogen content at different growth stage

图选项

由图 2 可以看出，T1、T2 与 T3 处理在各生育期的土壤硝态氮含量基本一致。在分蘖期与拔节期，由于水稻田淹水，硝化作用被强烈抑制，各处理的土壤硝态氮含量均十分低。到了齐穗期与成熟期，稻田排水，土壤通气，硝化细菌活跃，土壤硝态氮含量有所上升，但其总量明显低于铵态氮。

图 2 不同生育时期土壤硝态氮含量 Figure 2 Soil nitrate nitrogen content at different growth stage

图选项

水稻土壤供给的氮以铵态氮为主，T3 处理在分蘖期与拔节期供氮量高于 T2 处理，但到齐穗期时，氮素释放很少，低于追施穗肥的 T2 处理。因为在前期 T3 处理已经积累了足够的氮素，所以在成熟期 T3 处理的氮素积累不低于 T2 处理，甚至籽粒含氮量高于 T2 处理。

土壤顶空 NH₃浓度与NH₃挥发密切相关。从图 3 可以看出，T2 与T3 处理均在施肥后第 2 d出现 NH₃挥发峰值，分别为 53.7、66.7 μmol·mol^-1。第二次出现 NH₃ 挥发峰是在施肥后第14 d（T2 处理追肥后的第 2 d），T2 处理出现 36.78 μmol·mol^-1的峰值。两次 NH₃挥发峰均出现在施肥后的第 2 d，并在 6 d内逐渐降低，趋于平稳。从图 3 可以看出土壤温度变化与 T1 的 NH₃挥发浓度变化趋势是一致的，但对施肥处理影响不明显。

图 3 不同施肥的处理对土壤顶空NH3浓度的影响 Figure 3 Effects of different fertilization on NH3 concentrations in soil headspace

图选项

T3 处理是一次性施肥，且控释氮肥只占 30%，因此第一次 NH₃挥发峰值高于 T2处理。T2 处理追肥后，出现明显 NH₃挥发峰，但是同时段内的 T3 处理顶空 NH₃浓度明显降低，即追肥增加了 NH₃排放。在历时42 d的监测期内，T2 处理 NH₃挥发平均浓度为 19.14 μmol·mol^-1，T3 处理 NH₃挥发平均浓度为 18.63 μmol·mol^-1，总体上 T3 处理的 NH₃挥发损失小于 T2 处理。

土壤顶空 N₂O浓度也与 N₂O排放密切相关。从图 4 可以看出，N₂O 动态与 NH₃明显不同，N₂O峰明显滞后，且 T2 分别在施肥后的第 5、15 d（T2 处理追肥后的第 3 d）和第 30 d出现三个峰值，前两个峰较小，第三个峰值较大，其浓度分别为 29.01、25.09、63.56 μmol·mol^-1。T3 处理在第 5 d和第 30 d分别出现一个小峰值和一个大峰值，浓度分别为 24.10、69.58 μmol·mol^-1。两个处理的 N₂O 小排放峰与施肥有关，而在第 30 d之所以出现较大排放峰，是因为施肥后第 29~31 d进行了排水晒田。在监测期内，T2 处理 N₂O 挥发平均浓度为 8.40 μmol·mol^-1，T3 处理 N₂O挥发平均浓度为7.74 μmol·mol^-1。由此可以看出，N₂O 排放除了与施肥有关外，还与干湿交替有关，且在排水晒田期出现峰值，而在淹水条件下N₂O 排放较少。

图 4 不同施肥处理对土壤顶空N2O浓度的影响 Figure 4 Effects of different fertilization on N2O concentrations in soil headspace

图选项

土壤中 N₂O的产生主要源于土壤中微生物参与的硝化和反硝化反应，而硝化及反硝化细菌的活性受制于水、气、热等条件。土壤含水量很低或长期持续淹水都不利于硝化及反硝化细菌的生长，对稻田土壤来说，土壤水分含量始终处于很高的状态，这时土壤通气性就有可能成为微生物活性最重要的制约因素。土壤由于持续淹水而处于缺氧和强还原状态，N₂O 的产生以反硝化作用为主，但这时反硝化作用产生的 N₂O 可以被 N₂O 还原酶还原为 N2，而且加上水层对 N₂O向大气扩散过程的阻隔及对 N₂O 的少量溶解，导致淹水期间稻田向大气排放的 N₂O量很少^[23]。排水晒田期间，土壤的干湿交替使硝化作用和反硝化作用交替成为 N₂O的主要产生来源，同时，土壤的干湿交替还能抑制反硝化过程中的深度还原，使 N₂O的产生量增加^{[24, 25]}。

与传统常用的罩式检测方法相比^[20]，土壤顶空的监测方法具有明显的优点：首先，从田间收集的气体不需要添加任何化学试剂，可直接进行光谱扫描，减少了化学实验带来的误差；其次，实验过程简便，直接进行光谱扫描，不需要繁琐的化学实验；其三，罩式方法改变了罩内的温度、湿度及空气流动等，所得结果可能不同程度地偏离实际情况，而土壤顶空监测方法是原位分析方法，能更好地反映真实情况。本次气体监测试验在每天 14∶00 进行，浓度的测定虽然能在一定程度上反映土壤中相关气体的排放状况，但无法准确反映不同气体的排放速率，故在进一步的试验中应当增加每天气体浓度的观测次数和观测位置，并考虑环境因子，进行排放模型构建，以计算不同气体的排放通量。

（1）分次施肥处理的氮素当季利用率与一次简化施肥处理没有显著差异，但简化施肥处理的氮素农学利用率较高，其氮肥效率优于分次施肥处理。

（2）在观测期内 T2 处理的土壤顶空 NH₃和 N₂O平均浓度分别为19.14、8.40 μmol·mol^-1，而T3 处理的土壤顶空NH₃和N₂O平均浓度分别为18.63、7.74 μmol·mol^-1。水稻田顶空 NH₃浓度平衡值约为 15 μmol·mol^-1，施氮肥会导致其排放量迅速增加；而水稻田顶空 N₂O 浓度平衡值约为 3 μmol·mol^-1，干湿交替可导致其排放量迅速增加。

（3）常规肥料掺混水基包衣控释肥料一次性施用，既减少了施肥成本，保证或提高了水稻产量，同时能一定程度上提高水稻氮素利用率，故在简化高效施肥中具有较强的应用潜力。