2021, Vol. 40
我国是世界上最大的产稻国，水稻土的面积达2.53×107 hm2，占世界水稻土面积的23%，占我国粮食耕地面积的29%。但我国稻田中氮肥(碳铵和尿素) 的利用率只有30%~35%，损失高达50%以上[1]。大量的氮肥投入已成为农业面源污染的重要来源之一[3]。有研究表明，水稻生长季氨挥发损失的氮可达施入量的9%~42%[2, 5-6]，是稻田氮肥损失的另一重要途径[4]，进入大气中的NH3有90% 与大气中的酸作用转化成NH4+，84% 的NH3以NH4+形态进入降水中[7]，成为农田面源污染的重要影响因素[8-10]。氮、磷既是作物生长的营养因子，也是导致水体富营养化的主要污染元素[11]，据报道，湖泊、河流富营养化的养分分别有50% 和60%来源于农田地表径流[12]，而中国农业化肥的平均有效利用率仅为30%~35%，剩余部分约有50% 通过地表径流流入江河湖海[13]，因此，减少氮磷的投入、流失是防控农业面源污染、改善周边水质的重要措施。当前水稻生产中常规施肥技术往往需要1次基肥、2~4次追肥，因施肥环节繁琐，农民不易掌握其技术要点，常存在肥料运筹不当、养分配比不科学等问题，导致养分流失严重，既污染了生态环境，又增加了生产成本。研究表明，在适宜的氮肥种类支撑下，水稻一次性施肥能促进水稻根系发育，增强水稻生长后期净光合速率[14-15]。陈建生等[16]的研究表明，在氮肥和磷肥分别减施22.1% 和21.9% 的基础上，水稻一次性施肥比分次施肥平均增产8.22%。基于此，通过研发基于施肥深度和肥料类型的一次性精简施肥技术，协调肥料养分投入与作物对养分需求，提高养分利用率，减少流失，成为当前水稻生产技术开发与应用的重点[17]。
洞庭湖双季稻区地处亚热带季风气候，稻季高温多雨，农民习惯高化肥投入与直播栽培，氨挥发量高，氮磷养分流失严重，目前关于该区域的肥料类型替代、化肥减量的研究较多，且已有研究主要集中在一次性施肥技术的稳产机制以及稳产效果等方面，关于一次性精量深施肥对水稻产量、氮磷养分流失等影响的研究报道尚少。本文旨在以洞庭湖流域农民习惯的水稻施肥+直播栽培模式为对照，研究控释尿素减氮10%+直播和机插同步一次性深施肥减氮10% 模式对稻田氨挥发、田面水氮磷浓度、不同层次土壤养分含量特征的影响，探明该两种种植方式下的农田氨挥发与氮磷流失风险，从而为洞庭湖双季稻区水稻精准化机械化一次性施肥和面源污染防控技术应用与推广提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于2019年在湖南省岳阳市屈原管理区凤凰乡进行，试验区位于湘江、汨罗江注入东洞庭湖交汇处，东接汨罗市，南连湘阴县，西靠湘江，北抵洞庭湖。地处109°18'~109°48'E，27°44'~28°19'N，属中亚热带季风湿润性气候。试验地土壤类型为湖积物发育的潮砂泥，其基本理化性状指标分别为：pH 5.81，有机质16.57 g∙kg-1，全氮1.54 g∙kg-1，铵态氮10.75 mg∙kg-1，全磷0.53 g∙kg-1，有效磷9.89 mg∙kg-1，速效钾167.14 mg∙kg-1。
1.2 试验设计采取大田试验方法，共设置农民习惯施肥、机插同步一次性深施肥和缓控释肥+复合肥3个处理，每个处理3次重复，随机排列，小区面积60 m2，四周设置保护行。3个处理水稻品种均为陵两优268，其中，农民习惯施肥+直播模式(T1)：采用厢面落水后，尽量保持均匀撒播，水稻播种量为75 kg∙hm-2。以复合肥(N∶P2O5∶K2O=24∶9∶18)作基肥，尿素、氯化钾作追肥，N、P2O5、K2O养分施用量分别为117、45、90 kg∙ hm-2，磷肥一次性作基肥施用，基肥氮为90 kg∙hm-2；控释尿素减氮10%+直播(T2)：在农民习惯施肥的基础上，利用控释尿素减少氮素10%，即N、P2O5、K2O养分施用量分别为105、45、90 kg∙hm-2，其中控释尿素氮占20%，其他化肥氮占80%，将普通尿素、磷酸铵、氯化钾按照比例充分混合后与控释尿素一起作基肥一次性撒施；机插一次性深施肥减氮10%(T3)：水稻机插插植密度均为12 cm×25 cm，施肥深度为5 cm。将尿素、磷酸铵、氯化钾按照N∶P2O5∶K2O=21∶9∶18，制成水稻机插一次性深施专用肥，N、P2O5、K2O养分施用量分别为105、45、90 kg∙hm-2。
1.3 样品采集及指标测定方法 1.3.1 样品采集及测定指标氨挥发样品：采用大田原位监测方法，使用通气法采集氨挥发样品。采样装置用聚氯乙烯硬质塑料管制成，内径15 cm，高20 cm，装置顶部配置遮雨盖，盖与塑料管之间可通气。分别将两块厚度均为2 cm、直径为16 cm的海绵均匀浸以5 mL磷酸甘油溶液，置于硬质塑料管中，下层的海绵距管底8 cm，上层的海绵与管顶部相平。每个试验小区随机布设3个氨挥发采集装置，利用通气法在施基肥后连续监测21 d，前6 d每日采集1次气体样品，后15 d每3 d采集1次。采样时，将装置下层的海绵取出，迅速装入密实袋中密封，同时换上另一块刚浸过磷酸甘油的海绵；将换下的海绵带回实验室，分别放入500 mL塑料瓶，加入1 mol∙L-1的KCl溶液300 mL，使海绵完全浸入其中，振荡1 h，测定浸提液中的铵态氮含量。上层的海绵每3 d更换1次。农民习惯施肥直播模式的监测时段为2019年4月1日—4月21日，机插一次性深施肥减氮模式和缓控释肥减氮直播模式均为一次性施肥，其监测时段为4月22日—5月12日。
田面水样品：在水稻每次施肥后第2 d开始取样，之后每2 d采集一次田面水样。样品采集采用100 mL注射器，以不扰动水层为前提，按对角线方向随机取各试验小区田面水样，每个试验小区取5个水样混合，装瓶带回实验室于4 ℃冰箱保存，用于测定总氮、铵态氮、硝态氮、总磷、水溶性磷、颗粒态磷含量。
土壤样品：分别于早稻试验前与收获期随机采集各处理小区0~20、20~40 cm深度的分层土样，每个小区采集3个重复，混匀后带回实验室用于测定各处理各小区不同层次土壤的pH、全氮、全磷、碱解氮和有效磷含量。
1.3.2 样品分析测定氨挥发气体样品分析采用1.0 moL∙L-1的KCl溶液浸提，靛酚蓝比色法测定；水体总氮、总磷、颗粒态磷采用碱性过硫酸钾消解，紫外分光光度法测定；硝态氮、铵态氮使用0.45 µm滤膜过滤后，用全自动间断化学分析仪(Smart200)测定。
土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定[18]。全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮，钼锑抗比色法测定；全钾含量采用火焰光度计法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；有机质采用重铬酸钾容量法测定。试验采用常规田间管理，水稻收获后按小区计产。
数据采用Excel、Origin软件进行计算与统计分析，运用LSD法检验差异显著性。
2 结果与分析 2.1 不同种植方式对稻田氨挥发的影响从图 1A可以看出，3种处理下的氨挥发速率在施肥后呈逐渐下降的趋势，且各处理的氨挥发均集中在施肥后前9 d，分别占93.1%、92.1%和93%。T2、T3的氨挥发峰值较T1延迟1 d，其峰值较T1分别降低8.13% 和14.69%。3个处理间相比，T1在施肥后前6 d的日挥发量明显高于T2、T3，之后的3个处理间差异并不显著，而T2、T3之间相比，T2在施肥后的前4 d的氨挥发通量明显高于T3，第5 d开始两个处理之间差异并不明显。由此说明，稻田氨挥发主要集中在施肥后的1个星期，其氨挥发高峰期主要发生在施肥后的前3 d。
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图 1 不同处理早稻氨挥发通量与累积挥发量 Figure 1 Dynamics of ammonia volatilization flux and cumulative volatilization of early rice under different treatments |
由图 1B可知，3种种植方式的基肥期氨挥发累积量动态与氨挥发通量趋势完全一致，即施肥后第9 d开始，各处理的氨挥发累积量基本趋于稳定。并且3个处理之间相比，其累积氨挥发量顺序为：T1>T2> T3，T1显著高于T2、T3，T2、T3差异较小，说明与农民习惯施肥+直播模式相比，控释尿素减氮+直播和机插同步深施肥模式能显著减少农田土壤氨挥发。各施肥栽培模式下的氨挥发量及排放系数比较结果(表 1)表明，与T1相比，尽管T2、T3的基肥期施肥量较T1增加了15 kg ∙ hm-2，但氨挥发总量却分别降低了15.61%和18.62%，氨挥发排放系数分别减少了4.49、4.91个百分点，且统计结果表明，T2、T3的氨挥发总量与T1相比，差异达极显著水平；T2和T3之间达显著性水平。由此说明T2和T3均有利于减少稻田氨挥发，并且与T2相比，T3种植方式对减少稻田氨挥发的效果更好。
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表 1 各种植方式的氨挥发量及排放系数比较 Table 1 Comparison of ammonia volatilization and emission coefficients of various planting patterns |
由图 2A可知，施肥后3种种植方式的稻田田面水浓度在施肥后第2 d时浓度最高，第4 d急剧降低，T3处理在施肥后第6 d开始进入低总氮浓度期(＜10 mg∙L-1)，T1、T2在施肥后第8 d后开始进入低总氮浓度期，说明水稻施肥后的第1个星期为氮素径流流失的高风险阶段。从监测结果看出，在施肥后的前8 d，T1、T2、T3 3种模式的稻田田面水总氮浓度幅度分别为11.53~53.14、7.31~49.81、2.53~40.68 mg∙L-1，T2、T3在施肥后前8 d的流失较高风险期内平均浓度较T1分别降低了18.74% 和52.29%，T2和T3之间相比，在氮素流失高风险期内T3的总氮平均浓度降低了41.28%。从施肥后16 d的整个监测周期看出(图 2B)，T1、T2和T3总氮日平均浓度分别为20.86、16.07 mg∙L-1·d-1和9.69 mg∙L-1·d-1，T2、T3的稻田田面水总氮平均浓度分别较T1降低了22.96%和53.55%，T3较T2降低了39.70%。由此说明在肥料撒施和直播条件下，施用控释尿素可显著降低稻田田面水总氮的流失风险，如果采用T3种植方式，可进一步显著降低其流失风险。
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不同小写字母代表处理间的差异显著(P<0.05)。下同 Different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P<0.05).The same below 图 2 早稻不同处理田面水总氮浓度动态及平均浓度 Figure 2 Dynamics and average concentration of total nitrogen in field surface water of early rice with different treatments |
由图 3A可知，水稻施基肥后第2 d各施肥处理田面水NH4+-N浓度达到峰值，之后迅速下降，并且从田面水NH4+-N浓度动态结果看出，施肥后前6 d田面水NH4+-N浓度较高，之后浓度处于相对较低且比较稳定时期，说明水稻施肥后前6 d是氮素损失风险较大时期。3个处理间相比，水稻施肥后前6 d的田面水NH4+-N平均浓度分别为18.20、14.05 mg∙L-1和10.38 mg ∙ L-1，与T1相比，T2、T3分别降低了22.80% 和42.97%。从施肥后的整个监测期的结果看出(图 3A、图 3B)，3个处理的稻田田面水NH4+-N平均浓度分别为9.73、7.10 mg∙L-1·d-1和5.25 mg∙L-1·d-1，T2、T3分别较T1降低了27.03%和46.04%，统计结果表明，3个处理的田面水NH4+-N平均浓度之间差异均达显著水平。因此，采用T2和T3种植方式可显著降低稻田田面水NH+4-N浓度，氨挥发损失风险明显降低。
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图 3 不同处理稻田田面水NH+4-N、NO-3-N浓度动态及平均浓度 Figure 3 Dynamics and average concentration of NH+4-N and NO-3-N in paddy field surface water with different treatments |
由图 3C和图 3D可知，各处理稻田田面水NO3--N浓度变化总体呈前期高，后期低，施肥后前6 d 3个处理的田面水浓度幅度分别为1.13~1.31、0.95~1.06 mg∙ L-1和0.52~0.82 mg∙L-1，后期均小于0.55 mg∙L-1，施肥后前6 d田面水NO3--N浓度显著高于后期，说明施肥后前6 d为田面水NO3--N流失高风险期。施肥后前6 d T1、T2、T3的田面水NO3--N平均浓度分别为1.24、0.99 mg∙L-1和0.69 mg∙L-1，T2、T3较T1分别降低了20.16% 和44.35%，T3较T2降低了30.30%。从施肥后的整个施肥期的监测期结果看出，3个处理NO3--N平均浓度依次为0.58、0.49 mg∙L-1·d-1和0.41 mg∙L-1· d-1，T2、T3分别较T1降低了15.52% 和29.31%，T3较T2降低了16.33%，统计表明，3个处理之间均有显著性差异。由此说明，采用T2和T3种植方式可显著降低稻田田面水NO3--N浓度，氮素流失风险显著降低。
2.3 不同种植方式对稻田田面水磷素流失风险的影响 2.3.1 不同种植方式对稻田田面水总磷含量的影响由图 4A可知，3个处理稻田田面水总磷浓度在施肥后第2 d达到浓度高峰，第4 d之后均出现较大幅度的下降，第8 d之后基本趋于稳定，尽管T3种植方式因肥料深施导致田面水总磷浓度在施肥后自第10 d至第12 d有所回升，但其浓度值仍处于较低水平，说明施肥后第1周为稻田磷素流失风险较高的时期。在施肥后前8 d，3个处理的稻田田面水总磷平均浓度分别为0.91、0.86 mg∙L-1和0.46 mg∙L-1，T2、T3分别较T1降低了5.49% 和49.45%，T3较T2降低了46.51%。从整个监测期的田面水总磷平均浓度(图 4B)看出，3个处理的稻田田面水平均浓度分别为0.43、0.38 mg∙ L-1·d-1和0.30 mg∙L-1·d-1，T2、T3分别较T1降低了11.63% 和30.23%，T3较T2降低了21.05%，且3个处理之间差异显著。因此，采用T2和T3种植方式可显著降低稻田田面水总磷浓度，从而降低磷素流失风险。
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图 4 不同处理稻田田面水总磷浓度动态及平均浓度 Figure 4 Dynamics and average concentration of total phosphorus concentration in paddy field surface water with different treatments |
两种磷素形态的动态结果(图 5A、图 5C)表明，自施肥第2 d开始，除T3处理因肥料深施磷素溶出延缓导致颗粒态磷和水溶性磷浓度分别在第12 d和第10 d略有回升外，各处理的稻田田面水颗粒态磷和水溶性磷浓度均呈总体不断下降趋势，且在第8 d后两种形态的磷素浓度基本稳定在低浓度水平，说明两种形态的磷素流失风险为施肥后的8 d之内。
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图 5 早稻不同处理田面水颗粒态磷、水溶性磷浓度动态及平均浓度 Figure 5 Concentration dynamics and average concentration of particulate phosphorus and water-soluble phosphorus in field water of early rice with different treatments |
由图 5A可知，3个处理施肥后前8 d的颗粒态磷平均浓度分别为0.42、0.43、0.23 mg∙L-1，T1、T2颗粒态磷浓度之间差异不明显，但是T3的田面水颗粒态磷的流失风险较T1、T2分别降低了45.24% 和46.51%。由图 5B可知，3个处理施肥后前8 d的水溶性磷平均浓度分别为0.27、0.20、0.11 mg∙L-1，T2、T3的田面水水溶性磷的流失风险分别较T1降低了25.93% 和59.26%。说明施肥后前8 d磷素流失风险较高期，T2对不同形态的磷素流失风险影响较小，但是T3可明显降低两种磷素形态的流失风险。
由图 5B和图 5D可知，3种模式的颗粒态磷的平均浓度分别为0.25、0.24、0.20 mg∙L-1·d-1，水溶性磷平均浓度分别为0.18、0.14 mg∙L-1·d-1和0.10 mg∙L-1· d-1。与T1相比，T2、T3的颗粒态磷平均浓度分别降低4.00% 和20.00%，水溶性磷平均浓度分别降低22.22%和44.44%；T3较T2的颗粒态磷和水溶性磷平均浓度分别降低16.67% 和28.57%。统计结果表明，施肥后，3个处理的稻田田面水两种形态磷素平均浓度之间均有显著性差异，因此从整个施肥期来看，相同种植方式下，施用缓控释肥有利于减少不同形态的磷素流失，并且机插同步深施肥对减少两种形态磷素流失的阻控效果最好。
2.4 不同种植方式对稻田不同层次土壤氮磷养分含量的影响由表 2可知，表层土(0~20 cm)的pH均低于下层土(20~40 cm)，相同层次的土壤pH除T3的20~40 cm明显低于T1、T2外，其他处理之间差异较小，说明稻田施肥可能会加速稻田表层土壤的酸化，T3可能对20~40 cm土壤有一定的酸化风险。0~20 cm土壤中全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量均显著高于20~40 cm土壤，说明通过施肥可以增加表层土壤氮磷养分含量。各处理0~20 cm的土壤，T2、T3的全氮、全磷、碱解氮和有效磷均较T1略有增加，但无显著性差异，说明短期内T2和T3处理不会导致表层土壤养分的大幅变化。各处理20~40 cm的土壤，T3的全氮含量显著高于T1和T2，但T1、T2之间差异不显著，其原因可能是T3处理机插深施肥种植方式造成了土壤的差异或者不同土壤耕作导致了剖面分布的差异。但是各处理20~40 cm的土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量之间均无显著性差异，说明T2和T3种植方式不会导致下层土壤中氮磷的淋失风险增加。
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表 2 不同种植方式对稻田不同层次土壤养分含量的影响 Table 2 Effects of different planting patterns on soil nutrient content in different layers of paddy field |
由图 6可知，T1、T2、T3 3种种植方式的水稻产量分别为6 769.51、7 174.54 kg∙hm-2和7 218.03 kg∙hm-2。与T1相比，T2、T3分别增产5.98%和6.63%，T2、T3相比无显著差异。说明T2和T3均能促进水稻增产，并且T3增产效果更加明显。
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图 6 不同种植方式早稻产量 Figure 6 Early rice yield of different planting patterns |
稻田早稻季基肥期，T1基肥期施氮量增加15 kg∙ hm-2的前提下，T2、T3氨挥发程度峰值相较于T1延迟1 d，峰值大小顺序为T1>T2>T3，并且氨挥发损失量大小的顺序依然为T1>T2>T3，其原因可能与肥料类型与施肥深度有关。稻田施入氮素肥料后，T1处理下氮素遇水快速水解，极易造成田面水NH3浓度急剧升高，易在短时间内产生NH3挥发。T2处理下，其种植方式与T1一致，但是由于控释尿素的缓释效应，有利于土壤对氮素的固定，同时其肥效释放速度更适宜早稻苗期的生长发育，有利于水稻秧苗对氮素的吸收。而T3处理因其肥料施入5 cm以下，延缓了氮素的溶解和进入田面水，与控释尿素延缓肥力释放机理虽有差别，但结果基本一致，故在前几天氨挥发通量相对较小[19-20]。同时邓美华等[21]研究认为氮肥施入土壤深度显著影响氨的挥发速率和挥发损失量，且氨挥发强度随施肥深度而降低。周平遥等[22]研究也表明与氮肥减量撒施相比，减量深施氨挥发损失率较减量撒施处理降低了23.89%~53.10%。机插同步深施肥模式下的复混肥料中的尿素深施后可以与土壤充分混合，被土壤吸附并减小其溶解范围，从而抑制氨挥发。此外机插深施与直播两种模式下的初期田面均采取施肥后淹水，尿素首先被施入没有水的田面，然后再灌水使得氮肥进入较深层次的土壤中，从而促进了氮素被水稻根系吸收，使氮肥利用率提高；同时短期内田面缺水，造成水稻水分胁迫，促进了水稻根系生长，从而加强了水稻对氮素的吸收，因此进入田面水的NH4+较少，田面水中的NH4+浓度降低，进而减少了稻田的氨挥发[23]。
本研究监测了基肥期各处理的稻田田面水不同形态的氮磷浓度动态，在水稻试验中发现，各处理稻田田面水的NH4+-N浓度分别是NO3--N浓度的16.78、14.49倍和12.80倍，稻田田面水颗粒态磷含量明显高于水溶性磷含量，说明稻田田面水氮素、磷素流失主体分别为铵态氮与颗粒态磷，其中铵态氮在田面水无机态氮中所占比例为92.52%~94.34%；颗粒态磷在稻田磷素流失中占比为58.33%~65.82%。此外，稻田田面水氮磷流失风险主要集中于施肥后一周左右，其流失比例分别占整个监测周期比例的69.84%~75.61%、57.24%~84.38%。在氮素投入低于T1、磷肥施用量相同的条件下，T2和T3两种种植方式的稻田田面水总氮平均浓度分别降低了23.01% 和53.57%，总磷平均浓度分别降低了11.11% 和30.79%，氮磷流失风险大大降低，这与王强等[24]和蔡佳佩等[25]的研究结论基本相符。但是本研究认为，在氮磷投入量相同的条件下，在水稻基肥期深施肥(T3)与直播(T2)相比，水稻苗期具有较强的养分吸收利用能力，更有利于减缓稻田氮磷养分溶出进入田面水，从而降低稻田氮磷流失的风险。此外，陈雄飞等[26]生产试验表明水稻穴播同步侧位深施肥技术具有增产、节本的效用，在同等的施肥条件下，机械播种及深施肥处理的有效穗、穗平均实粒数、结实率均高于机械播种人工撒施肥和直播人工撒施肥，增产418.5~957.0 kg·hm-2，增幅为5.86%~13.41%。朱从桦等[27]研究认为，与撒施相比，机械侧深施肥的水稻产量增加4.46%~8.11%，氮素回收效率提高17.91%~54.10%。位国建等[28]的研究表明，侧深施肥技术能减少氨挥发，增强水田对氮的吸附，减少氮素流失。以上研究均证实了机插同步一次性深施肥相比于撒施直播对水稻养分利用与产量的优势影响。本研究结果从土壤养分和产量两方面均印证了以上观点，即水稻收获期T2和T3两种种植方式土壤全氮、全磷、碱解氮和有效磷虽略有增加，但处理间无显著性差异，产量分别增加5.98%和6.63%，说明采用这两种种植方式较农民习惯种植方式有利于降低稻田氮磷养分流失风险，促进水稻增产。
4 结论(1) 早稻基肥期氨挥发主要集中在施肥后的前9 d，其挥发量占监测期总挥发量的92% 以上；一次性施肥种植方式相比于农民习惯施肥+直播模式可显著降低稻田氨挥发量，且机插同步一次性深施肥减氮10%模式效果更佳。
(2) 水稻施肥后的第1个星期稻田田面水氮磷浓度相对较高，即为氮磷径流流失的高风险阶段。机插同步一次性深施肥减氮10% 模式在降低稻田田面水氮磷流失风险上优于控释尿素减氮10%+直播模式。
(3) 与农民习惯施肥+直播模式相比，机插同步一次性深施肥减氮10% 和控释尿素减氮10%+直播两种耕作施肥模式有利于降低氮磷养分流失风险，且两种模式分别增产6.63%和5.98%。
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