不同深施方式對太湖地區稻田氨揮發和氮肥利用率的影響①

朱文彬，曾 科，田玉華，張 超，李 曉，葛仁山，尹 斌*

不同深施方式對太湖地區稻田氨揮發和氮肥利用率的影響①

朱文彬1,2，曾 科1,2，田玉華1，張 超3，李 曉3，葛仁山3，尹 斌1*

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049；3 江蘇華昌化工股份有限公司，江蘇張家港 215600)

本研究以太湖地區稻田為研究對象開展連續兩年的田間試驗，通過設置不施氮肥(CK)、常規施氮(CN)、減氮表施(RN)、減氮側深施(RNS)和減氮穴施(RNP)5種施氮處理，探究不同深施方式對稻田氨揮發與氮肥利用率的影響。結果表明，與表施處理(CN和RN)相比，RNS和RNP通過降低田面水NH4+-N濃度和pH分別減少30.95% ～ 41.54% 和66.71% ～ 72.23% 的氨揮發排放(<0.05)。相較于RN處理，RNP促進水稻根系生長并增加根區土壤有效氮含量，進而增加水稻產量(6.23%)，提高氮肥利用率(50.15%)，降低土壤氮盈余(63.92%)(<0.05)。與CN處理相比，RNS顯著降低土壤氮盈余(29.20%)(<0.05)，但水稻吸氮量和氮肥利用率均未顯著增加。相較于RNS，RNP進一步降低氨揮發損失(50.84%)和土壤氮盈余(51.07%)，提高氮肥利用率(40.40%)(<0.05)。綜上所述，RNP的農學和環境效益最高，但因穴施機械及肥料造粒技術等因素的限制，尚難應用于實際生產；而側深施肥在我國水稻大規模集約化生產中效益較高且切實可行。

氮肥深施；氨揮發；氮肥利用率；土壤氮擴散；水稻根系特征

我國農業源氨揮發排放量從1980年的2.1 Tg增至1996年的4.7 Tg，隨后降至2012年的2.8 Tg，其中稻田氨揮發排放量約為1.7 Tg[1-2]。太湖流域是我國水稻主產區之一，水稻單季施氮量在N 270 kg/hm2以上的農戶超過80%，有些甚至高達320 kg/hm2[3-4]。大量氮素損失不僅造成資源浪費和環境污染風險，也會降低氮肥利用率[5]。

傳統粗放的施氮方式是造成稻田氨揮發排放量較高且氮肥利用率低的主要原因。氮肥深施對稻田氨減排以及氮肥利用率提升的效果顯著且穩定性較高，不易受氣候變化、田間管理和土壤性狀等因素的影響[6-8]。然而，穴施可能造成水稻生長前期莖葉徒長和后期貪青晚熟；加之穴施機械和肥料造粒技術等因素的限制，穴施技術很難在大規模水稻生產中推廣應用。近些年，側深施肥技術發展迅速，且在促進水稻增產、提高氮肥利用率與降低氮素損失等方面效果顯著，將側深施肥技術與插秧機械相結合可進一步提高水稻生產效率和凈環境經濟效益[9-10]。然而，以往研究僅關注穴施或側深施對水稻生產的影響，缺乏對不同深施方式下，稻田農學和環境效益響應的系統評價。因此，本文以太湖地區典型稻田為試驗對象，開展了連續兩年的田間試驗，旨在探究不同深施方式對水稻產量、稻田氨揮發排放和氮肥利用率的影響，以期為我國優化稻田氮素管理模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

田間試驗點為中國科學院常熟農業生態實驗站(31°15′15″N，120°57′43″E)，年均降水量1 038 mm，年均氣溫15.5 ℃。供試土壤類型為潛育人為土，由河湖沉積物發育而來，其基本理化性質(0 ～ 20 cm)：土壤有機質46.12 g/kg，全氮2.67 g/kg，全磷0.75 g/kg，全鉀17.95 g/kg，有效磷31.00 mg/kg，速效鉀243.03 mg/kg，pH(H2O) 6.87，土壤容重1.20 g/cm3。試驗期間氣溫和降雨情況如圖1所示。

1.2 試驗設計和田間管理

試驗于2019—2020年稻季進行，共設置5個施肥處理：不施氮處理(CK)、當地常規施氮處理(CN)、減氮表施處理(RN)、減氮側深施處理(RNS)和減氮穴施處理(RNP)，每個處理4個重復。試驗小區采用不平衡裂區設計，CK、CN、RN和RNS處理的小區面積為42 m2(6 m×7 m)；RNP處理作為裂區設置在RN處理小區中，裂區面積為4 m2(2 m×2 m)。CN和RN處理均為表施，施氮量分別為N 300和255 kg/hm2，其中基肥、分蘗肥和穗肥分別占40%、30% 和30% 的尿素。RNS和RNP處理施氮量均為N 255 kg/hm2，其中60% 作為基肥側深施或穴施，其余40% 作穗肥表施。側深施肥即將尿素呈條帶狀施于水稻一側5 cm，土表以下5 cm處；穴施即將尿素呈點狀施于水稻一側5 cm，土表以下10 cm處，具體如圖2所示。所有處理的磷肥(過磷酸鈣，P2O512%)和鉀肥(氯化鉀，K2O 60%)均作基肥一次性施入，單季施用量分別是90 和120 kg/hm2。水稻品種為南粳46，在秧齡30 d左右移栽，移栽密度為20 cm×20 cm，每穴3株水稻。所有小區的田間水分管理等措施與當地傳統措施保持一致(圖1)。

1.3 稻田氨揮發采樣與測定

采用密閉室間歇通氣法采集稻田氨揮發，采用靛酚藍比色法測定吸收液NH4+-N濃度[11-12]。與此同時，采集田面水，經過濾后測定田面水NH4+-N和NO3–-N濃度。采用便攜式pH計測定田面水pH。氨揮發通量計算公式如下所示：

1.4 水稻產量、吸氮量、氮盈余和氮素回收利用率的測定

水稻成熟后，于各小區內隨機選取3個1 m2樣方內的水稻地上部分(小區邊緣除外)。RNP處理的裂區內水稻全部收取。采集的樣品，經脫粒、風干、稱重后，計算水稻產量和秸稈生物量。測產后，隨機選取一部分籽粒和秸稈樣品置于80 ℃的烘箱中烘至恒重，經粉碎和過篩(<0.149 mm)，采用碳氮元素分析儀(Primacs SNC100-IC, 2019)測定氮含量。水稻吸氮量根據籽粒和秸稈的干物質量與氮含量進行計算，氮盈余為當季施氮量與吸氮量之差。氮肥利用率計算公式為：

圖2 側深施和穴施施肥及土樣采集圖解

1.5 土壤NH4+-N和NO3?-N動態變化的測定

在2020年稻季基肥施入后的第7、14、28、45天分別采集RN、RNS和RNP處理的土壤樣品。對RNP和RNS處理，以施肥位點為中心，在水平方向上每間隔3 cm(即0 ～ 3、3 ～ 6和6 ～ 9 cm)用直徑3 cm的采樣器采集0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15和15 ～ 20 cm的土壤樣品(圖2)；對RN處理，按照“S”形采樣法，采集0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 15和15 ～ 20 cm的土壤樣品。去除可見肥料顆粒、石子、植物殘體等雜質后，用1 mol/L KCl溶液浸提鮮土(土液比1∶5，∶)，采用靛酚藍比色法測定土壤NH4+-N和NO3?-N含量。

1.6 水稻根系特征和不同生育期水稻含氮量的測定

在2019年稻季，采集分蘗期、拔節期、抽穗期和收獲期水稻地上部分樣品(每個小區采集2穴)，新鮮的水稻籽粒和秸稈在80 ℃烘至恒重，經粉碎過篩(<0.149 mm)，用碳氮元素分析儀(Primacs SNC100-IC, 2019)測定水稻籽粒和秸稈全氮含量。

采集RN、RNS和RNP處理下分蘗期水稻根系(每個小區隨機選取兩穴水稻)，將整株水稻完整取出，盡量避免損傷根系，清洗水稻根系后，用EPSON根系掃描儀(Expression 11000XL)測定水稻根系長度、根表面積、根體積和根尖數。采用水稻根系參數分析軟件(WinRHIZO Pro, 2008)分析處理水稻根系特征指標。如果不能立即測定，將水稻根系用50% 乙醇溶液于–4 ℃暫時保存，并于一周內完成測定。

1.7 數據處理與分析

試驗數據采用SPSS 16.0進行統計分析，采用Origin 2017進行繪圖。采用單因素方差分析比較不同處理間的顯著性差異。所有數據經正態性和方差齊性檢驗后，對不同處理的氨揮發、水稻產量、秸稈生物量、吸氮量、氮盈余和氮肥利用率進行多重比較。采用R語言繪制不同生育期水稻地上部分吸氮量與水稻產量和氮肥利用率的相關性熱圖。

2 結果與分析

2.1 氨揮發日通量，氨揮發累積量，田面水NH4+-N、NO3?-N濃度和pH

各處理的氨揮發日通量均在施肥后1 ～ 3 d內達到峰值，隨后逐漸降低。不同處理氨揮發日通量順序為：CK

田面水NH4+-N濃度變化規律與氨揮發日通量類似，而田面水NO3?-N濃度的變化無明顯規律。與表施處理(CN和RN)相比，減氮深施處理(RNS和RNP)降低田面水pH。Pearson相關性結果表明，稻田氨揮發日通量與田面水NH4+-N濃度以及pH均呈顯著正相關關系(<0.05)(圖3)。

2.2 水稻生物量、吸氮量、土壤氮盈余和氮肥利用率

不同施氮處理對水稻產量、吸氮量、土壤氮盈余和氮肥利用率的影響如表2所示。單純減少氮肥投入(RN)有降低稻谷產量的趨勢，而減氮深施處理(RNS和RNP)可保證產量穩定，甚至增加稻谷產量，其中RNP處理顯著增加2020年稻谷產量(8.79%) (<0.05)。相比于CN處理，RNS處理的土壤氮盈余降低29.20% (28.13% 和30.26%)(<0.05)，但未增加水稻吸氮量；RNP處理的水稻吸氮量和氮肥利用率分別增加15.11%(10.95% 和19.27%)和50.15%(47.09% 和53.21%)，土壤氮盈余降低63.92%(61.50% 和69.34%) (<0.05)。相較于RNS處理，RNP處理的吸氮量和氮肥利用率進一步增加23.26%(18.65% 和27.86%)和40.40%(36.95% 和43.84%)，土壤氮盈余降低51.07%(44.80% 和57.34%)。Pearson相關性結果表明，氮肥利用率和土壤氮盈余分別與稻田氨揮發呈顯著負相關和正相關關系(<0.05，表3)。

表1 2019年和2020年稻季氨揮發累積量和氨揮發排放強度

注：同列數據小寫字母不同表示同一年份不同處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

表2 不同施肥處理下水稻生物量、吸氮量、氮盈余和氮素回收利用率

表3 氨揮發累積量與稻谷產量、吸氮量、氮盈余和氮肥利用率的Pearson相關性

注：*、**分別表示相關性達<0.05和<0.01顯著水平。

2.3 土壤NH4+-N和NO3?-N的動態變化

RN處理的土壤NH4+-N和NO3?-N含量分別為4.05 ～ 49.29 mg/kg和12.11 ～ 76.77 mg/kg，均在基肥后第14天含量最高，至第45天降至最低?；屎蟮?和14天，0 ～ 5 cm土層NH4+-N含量顯著高于10 ～ 15 cm和15 ～ 20 cm；而在基肥后第14和28天，0 ～ 5 cm土層NO3–-N含量顯著高于15～20 cm土層(圖4)。

基肥后第7天，RNS處理土壤NH4+-N含量達到最大值(4.50 ～ 122.30 mg/kg)，且主要分布在土表以下0 ～ 10 cm(圖5)；基肥后第14天，RNS處理NO3–-N含量達到最大值(13.89 ～ 96.25 mg/kg)。RNP處理的土壤NH4+-N和NO3–-N含量范圍分別為4.86 ～ 107.6和11.34 ～ 81.51 mg/kg，且均在基肥后第14天達到最大值，主要分布土表以下5 ～ 15 cm以及施肥位點兩側6 cm區域內(如圖2中橙色虛線框所示)?；屎蟮?5天，RNS和RNP處理的NH4+-N含量分別降至5.41 ～ 35.79和7.06 ～ 35.35 mg/kg，NO3–-N含量分別降至23.08 ～ 55.50和29.34 ～ 52.23 mg/kg(圖5)。

2.4 水稻根系生長和不同生育期水稻含氮量

如圖6所示，減氮深施處理(RNS和RNP)可促進水稻根系生長，以RNS處理效果最顯著。RNS和RNP處理的水稻根系生物量、根長、根表面積、根體積、根平均直徑與根尖數分別比RN處理顯著增加67.80%、40.68%，112.46%、78.07%，101.48%、64.45%，94.19%、50.95%，128.56%、75.38% 和110.10%、97.82%(<0.05)。與RNP處理相比，RNS處理的根系生物量、根長、根表面積、根平均直徑、根體積和根尖數可進一步提高19.28%、19.31%、22.51%、30.32%、28.15% 和6.21%。

(圖中小寫字母不同表示同一采樣日不同土層間差異達P<0.05顯著水平；DAF表示基肥施入后天數，下圖同)

圖5 RNS和RNP處理土壤NH4+-N (A) and NO3?-N (B)的動態擴散

(圖中小寫字母不同表示處理間差異達P<0.05顯著水平)

相較于CN處理，RNS處理抽穗期水稻地上部分含氮量顯著增加27.26%(<0.05)，而RNP處理的分蘗期、拔節期、抽穗期和收獲期水稻地上部分含氮量分別顯著增加17.04%、65.53%、50.68% 和21.73% (<0.05)(圖7)。與RNS處理相比，RNP處理下水稻分蘗期、拔節期、抽穗期和收獲期地上部分含氮量分別提高9.99%、24.92%、15.14%和13.53%，且水稻產量、吸氮量和氮肥利用率之間存在顯著正相關關系(圖8)。

3 討論

3.1 不同施氮方式對稻田氨揮發的影響

本文系統探究了表施、側深施和穴施3種施氮方式對稻田氨揮發的影響，結果表明，降低施氮量未顯著降低稻田氨揮發損失，且有降低水稻產量的風險(表1、表2)。穴施和側深施可保障水稻產量穩定或增產，同時顯著降低稻田氨揮發排放(表1、圖3)，主要是因為氮肥深施顯著降低田面水NH4+-N濃度和pH[7]。然而，施肥深度與氮肥分布是造成不同深施方式氨減排效果差異的主要原因[13]。減氮側深施(RNP)的氮肥呈點狀分布，土壤NH4+-N的遷移受到土壤黏粒和土壤膠體的吸附和離子交換作用的限制[14-15]。此外，氮肥深施下土壤脲酶活性的降低也有利于降低氨揮發[16]。相較而言，減氮穴施(RNS)處理下，NH4+-N主要分布在較淺土層(0 ～ 10 cm)，由于NH4+較易向上遷移，因此田面水NH4+-N濃度較高，促進氨揮發產生[17]。Pearson相關性結果表明，氮肥利用率的增加和土壤氮盈余的降低也有助于減少稻田氨揮發損失(表2、表3)。Chen等[18]研究結果也發現土壤氮盈余與稻田氨揮發損失顯著負相關，然而，氮肥利用率和氨揮發的關系尚不明確。

(*表示該處理與CN間差異達P<0.05顯著水平)

圖8 不同生育期水稻含氮量與水稻產量和氮素回收利用率之間的相關性熱圖

除氨揮發，土壤NO3–-N的分布可能造成稻田氮素反硝化、淋溶和徑流的損失。RNP處理下，NO3–-N的分布更集中于根區范圍，其含量有隨土壤深度增加而增加的趨勢，因此較易發生淋溶損失；而RNS處理的NO3–-N主要分布在0 ～ 10 cm土層且易發生水平遷移，因此徑流損失風險較大(圖5B)。此外，有研究表明，氮肥深施可分別降低42.5% 和13.3% 的N2O和N2損失[19]。然而，不同深施方式對稻田反硝化的影響有待進一步探究。

3.2 不同氮肥深施方式提高氮肥利用率的機制

與傳統表施相比，減氮深施(RNS和RNP)可提高氮肥利用率，其中RNP對水稻增產和氮肥利用率提高的效果最優，因為在穴施條件下，較為發達的根系(圖6)以及水稻根區較高的土壤有效氮含量(圖5)有助于水稻直接獲取氮素養分。此外，穴施的氮肥具有緩釋特性，土壤氮素有效性的延長能夠增加水稻吸氮量(圖7)。相關研究也表明，相較于表施，氮肥穴施的水稻根區高NH4+-N可維持近兩個月，并可促進水稻根系生長，增加氮素在水稻生長后期向籽粒中轉移，進而提高氮肥利用率[6-7, 10, 20]。RNS的土壤有效氮分布較為分散(0 ～ 10 cm土層)，盡管超過88% 的根系分布在0 ～ 10 cm土層[21]，較高的氮素損失也會降低氮肥利用率。

然而，氮肥穴施下水稻根區較高的NH4+-N含量為處在生長前期的水稻提供過多氮素營養，可能導致水稻秸稈和葉片吸收過多氮素，造成水稻貪青晚熟，生長期延長[20]。緩/控釋肥或有機無機肥可調節氮素供給，緩解因早期養分過剩造成的水稻貪青晚熟與養分資源浪費[22-23]。

3.3 穴施與側深施在水稻集約化生產中的應用前景

現階段我國水稻生產正由不同尺度的小田塊向大規模集約化生產轉型，隨著我國城鎮化和農業生產集約化不斷發展，勞動力成本也在不斷增加，農業機械化生產是實現農業可持續發展的必然選擇。東南亞國家也存在類似問題，以印度尼西亞為例，因機械化率較低，當地農業生產主要依靠人力進行，與人力相比，機械化作業的生產效率提高了近11倍[24]。簡易、高效、低投入、高收益是未來集約化農業的發展方向，雖然穴施的農學和環境效益最高，但如不提高施肥效率、降低成本，穴施將很難在大規模集約化農業生產中推廣應用[20]。

機械側深施肥技術已在不同地區大面積示范和推廣應用，且成效顯著[9, 25]。將側深施肥技術與插秧機及施肥器相結合能夠降低29.1% ～ 59.3% 和39.0% ～ 65.6% 的徑流和氨揮發損失，同時生產每公頃水稻可節約標準煤211.6 kg[9]。因此，機械側深施肥技術高產、高效、環保、經濟等優勢可有效推動我國農業現代化進程。然而，從2001年到2010年，我國可用機械每年僅增長0.75%[24]。近些年，我國施肥機械的研發與應用已取得較大進展，如：顆粒肥料深施器、機械插秧側深施肥等已在部分地區示范應用，并取得較好的農學、環境和經濟效益[9, 26]。因此，大力開發施肥機械，提高農業機械化水平是我國農業可持續發展亟待解決的問題。然而，側深施肥與穴施相比在水稻生產的農學和環境效益等方面仍存在差距，因此，在提高農業機械化水平的同時，有必要采取優化措施進一步提高側深施肥技術的生產效率和綜合效益。

4 結論

氮肥深施可顯著降低稻田氨揮發排放并提高氮肥利用率，其中，穴施的農學和環境效益最高，但因穴施機械及肥料造粒技術等因素的限制，還難以在實際生產中推廣應用；而側深施肥的水稻生產效益較高，是目前我國水稻大規模集約化生產中切實可行的施肥方式。

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Effects of Different Deep Fertilization Methods on Ammonia Volatilization and Nitrogen Use Efficiency in Rice Fields in Taihu Lake Region

ZHU Wenbin1,2, ZENG Ke1,2, TIAN Yuhua1, ZHANG Chao3, LI Xiao3, GE Renshan3, YIN Bin1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Jiangsu Huachang Chemical Co., Ltd., Zhangjiagang, Jiangsu 215600, China)

A two-year field experiment was conducted in the Taihu Lake Region with five treatments: no nitrogen (N) input (CK), conventional N broadcasting (CN), reduced N broadcasting (RN), reduced N with side deep fertilization (RNS), and reduced N with point deep fertilization (RNP), to explore the effects of different deep fertilization methods on ammonia volatilization (NH3) and N use efficiency (NUE) in paddy fields. The results showed that compared to surface application treatments (CN and RN), RNS and RNP reduced ammonia volatilization by 30.95%–41.54% and 66.71%–72.23% (<0.05), respectively, owing to the reduced NH4+-N concentration and pH in floodwater. RNP significantly promoted the root growth of rice, and increased soil available N content in root zone than RN, thereby increasing rice yield (6.23%) and NUE (50.15%), and decreasing soil N surplus (63.92%) (<0.05). RNS markedly reduced soil N surplus (29.20%) (<0.05), but N uptake and NUE of rice were not significantly increased versus CN. In contrast with RNS, RNP further decreased NH3volatilization (50.84%) and soil N surplus (51.07%), and increased NUE (40.40%) (<0.05). Overall, RNP can achieve the maximum agronomic and environmental benefits, but it is difficult to be widely used in agriculture production owing to the limitation of the development of point-deep fertilization machines and fertilizer granulation technology, whereas side-deep fertilization method is feasible to be adopted in large-scale intensive production of rice due to the higher agronomic and environmental benefits.

Deep fertilization; Ammonia volatilization; Nitrogen use efficiency; Soil nitrogen diffusion; Root characteristics of rice

S143.1+2

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.005

朱文彬, 曾科, 田玉華, 等. 不同深施方式對太湖地區稻田氨揮發和氮肥利用率的影響. 土壤, 2023, 55(4): 729–738.

國家重點基礎研究發展計劃項目(2018YFD0800306，2017YFD0200104)資助。

(byin@issas.ac.cn)

朱文彬(1991—)，男，安徽淮北人，博士研究生，主要從事農田氮素循環和面源污染控制研究。E-mail: wbzhu@issas.ac.cn