因农田氮素损失而引起的非点源污染已成为水体富营养化等环境问题发生的主要因素之一^[1-2]，王桂良等^[3]认为氮淋洗和氮径流是长江流域单季稻区氮素损失的主要途径，损失率分别达到3.8%和5.3%。湖南地处亚热带湿润季风气候区，年均降雨量较高，加之农业种植过程中普遍存在氮肥过量施用等问题，稻田氮素流失必将对周边水环境产生污染风险。由于灌溉和施肥后降雨时间和强度的不可控性，田间条件下精准控制径流和渗漏损失很难实现。利用纳米材料的小尺寸效应、表面界面效应和量子尺寸效应等特性来调控土壤氮素转化途径，已成为目前解决氮肥污染、实现氮素高效利用的有效措施^[4-5]。已有研究表明，在尿素中添加适量的氮掺杂碳纳米粒子(N-CNPs)能有效地控制尿素氮的转化，减少尿素氮的淋失^[6]，进而降低氮素损失带来的环境风险。目前，还鲜有田间种植条件下N-CNPs对尿素氮转化和损失影响的报道。本文以N-CNPs为对象，采用湖南地区常见的稻油轮作制度，通过田间试验来探讨尿素配施N-CNPs对农田氮素径流和渗漏损失的影响，明确N-CNPs施用水平与田间氮素径流和渗漏损失的关联，以期为减少化肥氮素损失、降低农业非点源污染提供科学依据。

1 材料和方法 1.1 试验点概况

田间试验于2016年5月至2016年11月在湖南省长沙县江背镇太平桥村(28.12°N，113.36°E)进行。试验田所在区域年均降水量为1200~1400 mm，年均温度为17.2 ℃，无霜期274 d，年日照时数1663 h，属于典型的亚热带湿润季风气候，土壤类型为河流冲积物发育而成的潮沙泥。试验前水稻田耕层(0~20 cm)土壤pH值为5.72(土:水=1:5)，有机质含量51.06 g·kg^-1，全氮含量4.29 g·kg^-1，铵态氮(NH₄⁺-N)含量26.95 mg·kg^-1，硝态氮(NO₃^--N)含量6.35 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计，小区面积30 m²(2 m×15 m)，各小区四周间设高40 cm、宽30 cm田埂，覆以尼龙膜以减少各区间互渗。设6个处理：(1) 不施氮肥(CK)；(2) 单施尿素(Urea)；(3) 双氰胺(DCD，纯氮量5%)配施尿素(5%DCD +Urea)；(4) 低量N-CNPs(纯氮量1‰)配施尿素(1‰N-CNPs +Urea)；(5) 中量N-CNPs(纯氮量5‰)配施尿素(5‰N-CNPs+ Urea)；(6) 高量N-CNPs(纯氮量15‰)配施尿素(15‰ N-CNPs+Urea)。各处理重复3次。小区种植株距和行距分别为20 cm和20 cm，每穴2~3苗。除CK处理外，其他各处理氮肥用量(按纯氮计)均为200 kg·hm^-2。所有处理P₂O₅、K₂O用量相同，分别为60 kg·hm^-2和100 kg·hm^-2，参照当地常规方式施肥，磷肥作基肥一次性施入，氮肥、钾肥40%基肥，30%分蘖肥，30%穗肥。灌溉和病虫草害防治及其他管理与当地生产一致。N-CNPs由湖南科技大学物理学院提供，该材料以柠檬酸为原料，以氨水为溶剂和氮掺杂源，采用微波介电加热法制备，氮掺杂量为6.72%(原子量百分比)。供试DCD为宁夏泰鸿公司生产的工业用剂(净含量99.5%)；供试肥料品种分别为尿素(含氮46%)、过磷酸钙(含P₂O₅ 12%)、氯化钾(含K₂O 60%)。供试水稻品种为“C两优608”(湖南隆平选育)。2016年5月12日育秧，6月5日施基肥移栽，6月25日追施分蘖肥，9月1日追施穗肥，11月3日收获。

1.3 样品采集和测定 1.3.1 径流水样采集

根据降雨和耕作制度等情况确定田间径流水样采集时间。于2016年6月11日(7 d)，6月15日(11 d)，6月29日(24 d)，7月5日(30 d)，7月10日(35 d)，8月3日(59 d)，8月22日(78 d)，9月10日(97 d)，9月30日(117 d)进行采样，除7月10日为烤田前人工排水外，其他时间均为自然降雨产流，9月30日后至采收前没有发生自然降雨产流。采样时，在各小区排水口(高度8 cm)处放置容积为5 L的空塑料桶，注满后从中采集500 mL水样，间隔1 h后同样过程取第2次水样，每次采样时间段内采3次水样，待测。

1.3.2 渗漏液采集

参考连纲等^[7]应用的渗漏液收集装置，结合田间现场情况进行调整，每小区设置1个渗漏液收集装置，位置随机，距地表 60 cm处铺设50 cm×50 cm高度为5 cm的混泥土池，在池底铺设外径为20 mm PVC排水管将渗漏液导入到小区旁的渗漏收集桶(20 L塑料桶)，开挖的稻田土按原有土层回填。从水稻移栽后每7 d采集一次渗漏液(第56、70、84 d因处于烤田期间，田间渗漏液较少，暂停采样)，采集时将各处理水样混匀，测定水样体积后取50 mL水样待测，收集桶清空后重新开始下一轮渗漏液收集。

1.3.3 测定方法

水样中总氮(TN)、NH₄⁺-N和NO₃^--N含量经稀释适当比例采用全自动流动分析仪(AA3型，德国)测定；降雨量采用无线翻斗式自记雨量计(福州南禹水务JD05) 进行自动观测。为统计径流量，在对照处理中设置一个1 m×1 m大小的田块，四周起垄，高50 cm，宽30 cm，田垄一侧平时与对照处理区相通，自然降雨产流时封闭，田垄另一侧开口，高度设置为8 cm，并与贮水池相连；贮水池为混凝土结构，长100 cm，宽30 cm，高60 cm，顶部带盖，防止自然降水进入。自然降水产流前排空，结束后根据池水高度确定每平方米田面径流量，并换算成每公顷径流量。

1.4 数据处理

试验结果以施氮处理和不施氮处理的差值进行处理，采用Excel 2007和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析并作图，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(Duncan)对不同数据组间进行差异性比较(P < 0.05)。

2 结果与分析 2.1 田间径流氮素浓度动态和TN损失 2.1.1 稻田径流液中TN浓度变化

与Urea处理相比，N-CNPs的施用对径流液中TN浓度的影响呈现出先降低后增加的趋势，但平均浓度较Urea处理低(表 1)。以15‰N-CNPs处理为例，基肥施用后第1次产流(6月11日)时，TN浓度为15.78 mg·L^-1，较Urea处理降低了7.18 mg·L^-1，差异达到显著水平。分蘖肥施用后第40 d(8月3日)，TN浓度为0.96 mg·L^-1，是Urea处理的2.59倍。不同用量N-CNPs处理对TN浓度的影响存在差异，1‰用量的N-CNPs处理TN浓度介于0.22~18.51 mg·L^-1，平均浓度为4.33 mg·L^-1，用量提升到15‰时TN浓度介于0.45~15.78 mg·L^-1，平均浓度降至3.96 mg·L^-1，分别较Urea处理径流TN平均浓度降低了0.86 mg·L^-1和1.23 mg·L^-1。5%DCD处理径流液TN浓度低于Urea处理，其平均浓度处于1‰N-CNPs和5‰N-CNPs处理之间。

2.1.2 稻田径流液中NH₄⁺-N、NO₃^--N浓度变化

从水稻生长期间稻田径流NH₄⁺-N变化(表 1)可以看出，尿素的施用增加了稻田NH₄⁺-N流失的风险，各处理3次施肥(6月5日、6月25日和9月1日)后的第1次径流液中NH₄⁺-N浓度均出现明显升高，其中Urea处理径流液中NH₄⁺-N分别达到17.12、7.37和4.86 mg·L^-1，远高于其他时段；N-CNPs能显著降低氮肥施用后10 d以内径流液NH₄⁺-N浓度，且随N-CNPs用量的增加，径流液中NH₄⁺-N浓度降低，在峰值出现的6月11日，1‰N-CNPs、5‰N-CNPs、15‰N-CNPs处理径流液中NH₄⁺-N含量分别为14.22、12.95和11.93 mg·L^-1，较Urea处理降低了16.98%、24.38%和30.33%，差异均达到了显著水平(P < 0.05)；15‰N-CNPs处理在6月11日、6月29日和9月10日径流液中NH₄⁺-N含量较5%DCD分别降低了1.64(P < 0.05)、1.16(P < 0.05) mg·L^-1和0.34 mg·L^-1(P>0.05)，表现出更好的减少稻田径流NH₄⁺-N流失的效果。

因长期处于淹水状态，稻田径流中氮素极少以NO₃^--N形态存在(表 1)，试验期间，NO₃^--N含量最大值出现在Urea处理的第1次径流液中，仅为1.41 mg·L^-1，远低于NH₄⁺-N含量；相较于Urea处理，N-CNPs和DCD的施用能显著减少径流液中NO₃^--N含量，其中第1次径流液中15‰N-CNPs和5%DCD处理分别降低了14.7%和15.9%；不同用量N-CNPs处理径流液中NO₃^--N含量并未表现出明显差异。

2.1.3 稻田径流TN损失

2016年单季稻种植期间因降雨和人工排水共产生了9次径流，径流TN总损失结果(表 2)表明，5‰N-CNPs、15‰N-CNPs处理TN损失量分别为8.00 kg·hm^-2和8.15 kg·hm^-2，占单季水稻总施氮量(200 kg·hm^-2)的4.00%和4.08%，较Urea处理减少2.19 kg·hm^-2和2.04 kg·hm^-2；5‰N-CNPs处理TN损失总量低于5%DCD处理，差异达到了显著水平。可见在稻田中配施N-CNPs能显著减少因尿素施用而引起的稻田径流TN损失，当用量达到5‰以上时，对削减氮素径流损失表现出较5%DCD更显著的效果。各处理稻田径流TN损失中均以基肥期间为最高，占比约为52.39%~59.30%，分蘖肥期间次之，占比约为31.43%~38.67%，穗肥期间径流TN损失最少，占比约为8.94%~10.47%。

从单次径流TN损失变化(图 1)可知，6月11日、6月29日和9月10日均为尿素施用后的首次产流，距施肥间隔时间为4~9 d，3次产流各处理TN损失总量高达4.26~6.25 kg·hm^-2，约占全种植季TN总损失的55.27%~61.88%；分蘖肥后的第2次产流(7月5日)降雨量达121.5 mm，为实验期间最大单日降雨量，各处理TN损失量为1.08~1.36 kg·hm^-2，均高于分蘖肥后的第1次产流(6月29日)。N-CNPs的施用降低了尿素施用后1~2次径流液中TN的损失，以15‰用量效果最佳，3次施肥后的首次径流液TN损失量仅为Urea处理的68.73%、61.68%和73.84%，较5%DCD处理也降低了0.26、0.18和0.07 kg·hm^-2。距分蘖肥施用后第16 d(7月10日)因晒田前的人工排水产流，15‰N-CNPs处理TN损失量达到1.12 kg·hm^-2，是Urea处理的2.03倍，其后的2次产流(8月3日、8月22日)以及穗肥后的第2次产流(9月30日)，15‰N-CNPs处理相较于Urea处理同样表现出了增加TN损失量的风险，但因距施肥间隔时间较长，各处理径流液中TN损失量总体上处于较低水平。

2.2 稻田渗漏液氮素浓度动态和TN损失 2.2.1 稻田渗漏液中TN浓度动态

图 2为稻田渗漏液中TN浓度动态变化。各处理渗漏液中TN浓度动态变化趋势相似，基肥和分蘖肥施用7 d左右出现TN浓度高峰，随后快速下降，最低值在水稻移栽后的第63 d出现；穗肥施用后，因连续多天无雨且田面少水，TN浓度逐步升高，延迟7 d后出现高峰。Urea处理渗漏水TN浓度介于0.89~58.83 mg·L^-1之间，均值为15.51 mg·L^-1；配施5%DCD处理表现出较好的降低渗漏液TN浓度效果，其含量介于1.75~44.54 mg·L^-1之间，均值为12.43 mg·L^-1；配施不同用量N-CNPs均降低了稻田渗漏液TN浓度，15‰用量降幅最大，其含量介于3.50~28.85 mg·L^-1之间，均值为10.34 mg·L^-1，较Urea处理降低了33.3%，峰值时，降幅甚至达到了50.1%。

2.2.2 稻田渗漏液中NO₃^--N和NH₄⁺-N浓度变化

稻田渗漏液NO₃^--N和NH₄⁺-N浓度在施肥后7~10 d内出现高峰，此后浓度快速下降，配施N-CNPs降低了高峰时期NO₃^--N浓度(图 3)，提高了NH₄⁺-N浓度(图 4)。基肥施用后第7 d，15‰N-CNPs处理NO₃^--N浓度(31.92 mg·L^-1)较Urea处理(43.86 mg·L^-1)降低了27.22%(P < 0.01)，而1‰N-CNPs处理仅降低了5.46%(P>0.05)，降幅低于5%DCD处理(11.39%，P < 0.05)；NH₄⁺-N峰值出现在基肥施用后的第7 d，15‰N-CNPs处理NH₄⁺-N浓度(2.69 mg·L^-1)较Urea处理(1.88 mg·L^-1)增加了0.81 mg·L^-1，增幅达43.09%(P < 0.05)，验证了室内模拟淋溶试验中N-CNPs的加入会显著增大土壤NH₄⁺-N淋失风险^[6]这一结论。

2.2.3 稻田渗漏TN损失

TN渗漏累积损失量(图 5)表明，各处理TN渗漏损失总量顺序为Urea>1‰N-CNPs>5%DCD>5‰N-CNPs>15‰N-CNPs；15‰N-CNPs配施尿素TN渗漏总量为16.59 kg·hm^-2，占施氮总量的8.30%，较Urea处理减少8.83 kg·hm^-2，降幅达到34.73%，较5%DCD处理也减少了3.08 kg·hm^-2，差异均达到显著水平。5‰N-CNPs处理TN渗漏总量也较5%DCD减少了0.95 kg·hm^-2，但差异不显著。从TN渗漏累积趋势来看，各处理在基肥、分蘖肥和穗肥施用后15 d内均出现快速增长的趋势，随后增长变缓。其中基肥和分蘖肥施肥间隔时间较短，渗漏液中TN损失量均处于较高水平，至水稻移栽后第35 d时，Urea处理累积TN渗漏损失量已达到18.25 kg·hm^-2，占总损失量的71.73%，15‰N-CNPs处理TN渗漏损失量为11.35 kg·hm^-2，占总损失量的68.42%。N-CNPs减少TN损失效果在不同施肥期间存在差异，基肥期间，15‰N-CNPs处理累积TN损失较Urea处理减少4.65 kg·hm^-2，占减少总量的50.70%，分蘖肥期间减少1.92 kg·hm^-2，占减少总量的21.78%，穗肥期间减少2.26 kg·hm^-2，占减少总量的25.52%。

3 讨论

稻田氮素流失，既降低了氮肥当季利用率，还进一步提高了农田附近水体污染的风险，有报道表明长江流域稻作区氮素利用率约为33.6%^[8]，流失的氮素成为了附近水体污染负荷的重要来源^[9]。本试验中，尿素配施15‰N-CNPs径流TN损失可降低20.02%，渗漏液TN损失降低34.73%，两项合计占施肥总氮的5.43%，低于已报道的田间条件下施用控释BB肥降低29.4%径流TN损失的结果^[10]，亦低于0.3%纳米碳增效尿素降低28.87%径流TN损失^[11]和稻田模拟淋溶条件下5%DCD能降低37.94%渗漏TN损失等结果^[12]。分析其原因，其一，试验期间长江流域全年平均降雨量较往年增加25%，特别是6月下旬至7月上旬暴雨频发，田间径流量和渗漏量大增，N-CNPs随径流和渗漏产生了较大比例的流失；其二，低pH值(0~4) 水体环境和腐植酸均可影响纳米碳材料本身电位，进而引起碳纳米材料絮凝并发生沉降^[13]，实验区大气降水平均pH值约为3.97，部分悬浮态N-CNPs发生沉降，失去对氮素的吸附能力，导致其减氮效果的降低；本实验结果中，随N-CNPs用量的增加，降低氮素损失的效果提升，结合以上推测，在实际应用时，可在不影响作物正常生长的前提下，提高N-CNPs用量，以实现N-CNPs提升氮素利用效率、降低氮素流失风险的作用。

与长期淹水条件下的Urea处理相比，N-CNPs处理在施肥后较长时间内均出现渗漏液中NO₃^--N浓度降低和NH₄⁺-N浓度升高的趋势，变化幅度与N-CNPs用量呈正相关关系，同时，这一变化趋势还与本实验中硝化抑制剂5%DCD处理对稻田渗漏液中NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度影响相似。已有研究表明，DCD能有效抑制尿素水解产物的氧化，使其以交换态NH₄⁺-N的形式在土壤中长时间持留^[14]，减少了氧化产物NO₃^--N的累积，也降低了NO₃^--N淋溶潜势，其作用机理主要在于对铵氧化细菌产生毒性，导致NH₄⁺氧化为NO₂^-过程被抑制^[15]。而N-CNPs的作用机理则可能与土壤氧化还原电位变化有关，长期淹水显著降低了土壤的氧化还原电位，引起稻田土壤NH₄⁺-N降低和NO₃^--N的累积^[16]，厌氧条件下较高的NO₃^--N加速了反硝化作用的进程，进一步加剧了稻田氮素的损失^[17]。N-CNPs包含大量吡啶-N和吡咯-N结构^[18]，这类结构具备较强的电子吸附能力，从而导致与它邻近的C原子表面形成正电荷，提高区域氧化还原电位，促进氧化还原反应的发生^[19]。李旭^[20]等人的研究表明稻田氮素的渗漏损失以NO₃^--N的损失形式为主，占TN的70%以上，与本研究结果一致，尽管N-CNPs的施用提升NH₄⁺-N损失量，但总体而言，TN的渗漏损失大幅降低，其中15‰N-CNPs处理TN渗漏总量较Urea处理降低34.73%。

由于渗漏液收集设备的不足，各处理渗漏液中各形态氮素含量普遍偏高，尤其施肥后表现更为明显。从水稻生长季各阶段径流和渗漏损失的规律来看，施肥初期氮素径流和渗漏损失极大，本实验中，径流TN浓度峰值出现在基肥施用后的第一次产流，基肥期间Urea处理径流TN损失达到整个生长季总损失的59.30%，渗漏液TN浓度也产生于基肥和分蘖肥施用后第7 d左右，至水稻移栽后第35 d时，Urea处理累积TN渗漏损失量已占总损失量的71.73%。这与赵冬^[21]、纪雄辉^[22]等研究结果相似。因此，控制好施肥前期氮素流失是提高氮肥利用效率、降低氮肥环境污染的关键。本研究中，15‰N-CNPs处理基肥期间径流TN损失较Urea处理降低1.77 kg·hm^-2，占全生长期TN损失减少总量的86.76%，渗漏液累积TN损失较Urea处理减少4.65 kg·hm^-2，占减少总量的50.70%，较好地实现了在氮素径流和渗漏损失高峰期间降低氮素损失水平的效果。但受湖南地区稻田氮肥施用水平较高、降雨pH值偏低的影响，田间施用N-CNPs还存在一定的局限性，同时，纳米材料的生态安全性也制约了N-CNPs的推广和应用，纳米ZnO颗粒严重影响黑麦草根的形态和结构，包括根尖收缩，表皮和根冠破坏以及皮层细胞高度空泡化^[23]；纳米ZnO还会导致洋葱根尖细胞浓缩、微核指数和染色体畸变指数增大及有丝分裂指数降低，并造成细胞脂质过氧化^[24-25]。如能进一步改进N-CNPs施用方式，提升N-CNPs活性和持续作用时间，降低N-CNPs潜在生态风险，配合节水灌溉等田间管理技术，将更好地控制稻田氮素径流和渗漏的损失风险，实现农业非点源污染的控制。

4 结论

(1) N-CNPs配施尿素能显著降低氮肥施用后径流NH₄⁺-N浓度和渗漏液中NO₃^--N浓度，当N-CNPs用量大于5‰时表现出较5%DCD更好的降低径流液和渗漏液中氮素浓度的效果。

(2) 尿素配施N-CNPs能显著减少稻田TN径流和渗漏损失，配施15‰N-CNPs，径流TN损失量为8.15 kg·hm^-2，占施肥总氮的4.08%，较Urea处理减少2.04 kg·hm^-2，降幅达到20.02%；TN渗漏总量为16.59 kg·hm^-2，占施氮总量的8.30%，较Urea处理减少8.83 kg·hm^-2，降幅达到34.73%，较好地实现了减轻稻田氮素非点源污染的目的。

(3) N-CNPs生态安全性尚未得到验证，田间条件下施用方式和施用量还需依据其潜在生物毒性水平和环境效应评估结果进行调整，确保不产生新的环境污染。