康兴蓉，周旋，彭建伟*，杨相东，徐章倩，黄粤林，费讲驰

（1.湖南农业大学资源与环境学院，长沙 410128；2.湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

水稻是我国的主要粮食作物，我国水稻种植面积及产量分别约占全球的18.5%和27.7%，占我国粮食作物总量的27%和38%[1]。在水稻生产过程中，农民为提高产量一味增加氮（N）肥施用量，过量施N 现象普遍存在[2-3]。长期不合理施用N 肥造成水稻N 肥利用率降低，损失量加大。据统计，施入土壤中的N 有14%~52%以硝化反硝化、淋溶和氨挥发等形式损失，其中氨挥发占总N 损失量的9%~40%[4-6]，为主要的损失途径[7-9]。而氨通过干湿沉降又返回陆地和水体，造成土壤酸化、水体富营养化，加剧了温室效应[10]。为加强农业面源污染控制，国家有关部门联合印发《农业农村污染治理攻坚战行动计划》，明确要求洞庭湖周边地区2020 年化肥使用量比2015 年减少10%以上[11]。因此，迫切需要优化N 肥施用以满足作物需求，并减少氨挥发造成的N素损失[12]。

一般而言，氨挥发损失主要受土壤条件，气候因子和肥料种类、用量及施用方式等因素的影响，其损失量会随着施N 量的增加而增加[13]。合理的N 肥施用既符合水稻N 素的吸收规律，提高N 素利用率，又能减少稻田中氨挥发、径流、渗漏等方式的N素损失，减轻对生态环境的影响[14]。缓/控释N 肥可控制N 素释放速率，从而满足水稻生长需肥规律，提高N 肥利用率，减少稻田氨排放[15]，但存在作物前期生长迟缓等问题，因此推广难度较大。基于不同土壤地力和作物对养分的需求，将缓释肥料和普通肥料按比例进行复配，使其释放特性与作物需肥规律相匹配，可显著提高肥料利用率[16-17]。这种施用方法操作简单、价格低廉，为缓释肥在大田作物上的普及提供了可能[18-19]。

尿素是世界范围内应用最广泛的农业N 源[20]。聚氨酯（PUR）全称为聚氨基甲酸酯，作为包膜材料用于制备控释包膜肥，具有生产成本低、制备工艺简单、易实现连续化等优点[3，21-22]，已成为最有前景的膜材类别[23-24]。目前，关于聚氨酯包膜尿素与普通尿素配比施用对稻田氨挥发减排的研究鲜有报道。本课题组连续两年在洞庭湖双季稻种植区开展聚氨酯包膜尿素与普通尿素配比对双季早稻氮肥利用率及氨挥发特征影响的研究，并探讨其影响因子，以期为阻控平原河网区氨挥发、提高N肥利用率以及控释掺混肥的推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年和2019 年的3—7 月在湖南省益阳市赫山区兰溪镇椆木垸村稻田（28°58′25″N，112°45′47″E）进行。该地属中亚热带向北亚热带过渡的季风湿润性气候，年均气温16.9 ℃，年无霜期272 d，年日照时数1 554 h，年均降雨量1 433 mm[25-26]。供试土壤为第四纪红土发育的红黄泥，中等地力，前茬为水稻，两年水稻分别种植在相邻田块上，0~20 cm 耕层土壤基本理化性质见表1[3，25]。

表1 2018—2019年供试土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil tested in 2018—2019

2018 年和2019 年早稻季降水及温度情况如图1所示，数据由益阳市气象局提供。2018 年和2019 年双季早稻生长期间（4—7 月）累计降雨量分别为348.6 mm 和558.9 mm，平均气温分别为25.4 ℃和23.9 ℃，其中 4 月和 5 月降雨量分别为 261.9 mm 和333.6 mm。2018 年较大降雨发生于 4 月 23 日、4 月 30日和 5 月6 日，分别为 38.1、31.6 mm 和35.0 mm；2019年较大降雨发生于 4 月 29 日、5 月 12 日和 7 月 12 日，分别为57.3、57.3 mm和84.5 mm。

图1 2018—2019年早稻季降水及大气温度Figure 1 Precipitation and atmospheric temperature in early rice season for 2018—2019

1.2 试验材料

供试水稻品种为湘早籼45 号，全生育期106 d 左右。供试肥料为聚氨酯包膜尿素（含N 44%），N 素释放周期约为90 d，由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所提供；尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）均由当地农资部门提供。

1.3 试验设计

试验共设置4 个处理：①CK，不施N 肥；②CF（Conventional fertilization），常规施肥，N 用量为 150 kg·hm-2，普通尿素按基肥∶分蘖肥=6∶4 施用；③PuCU（Polyurethane coated urea），聚氨酯包膜尿素一次性基肥施用；④0.6PuCU+0.4CF，60%N 聚氨酯包膜尿素+40%N 普通尿素一次性基肥施用。各处理P2O5用量为 45 kg·hm-2，K2O 用量为 90 kg·hm-2，均作基肥一次性施用。各处理具体施肥情况见表2。种植密度为17.5 cm×25.0 cm，小区面积21 m（23 m×7 m）。各处理均重复3次，随机区组排列。小区田埂用农膜覆盖，四周设保护行，避免串水串肥，田间管理按当地习惯方式。2018年和2019年早稻播种日期分别为3月17日和3月12日，基肥日期分别为4月18日和4月16日，追肥日期均为4 月24 日，移栽日期分别为4 月19 日和4月17日，收获日期分别为7月10日和7月14日。

表2 不同处理施肥用量（kg·hm-2）Table 2 Application rate under different fertilization treatments（kg·hm-2）

1.4 测定指标及方法

1.4.1 氨挥发采集及测定

氨挥发采用半密闭法测定[27-28]。气体收集装置由内径15 cm、高40 cm 的聚氯乙烯（PVC）硬质管制成。将两块厚度为2 cm、直径为16 cm 的海绵均匀浸以15 mL 磷酸甘油溶液后，置于PVC 管中，下层海绵距离地表6 cm，上层海绵与PVC 管顶部齐平。采样时，取出上层海绵后，将下层海绵用封口袋装好带回实验室浸提测定，更换下层海绵，上层海绵更换磷酸甘油后仍放置在上层以阻挡空气中氨进入。将收集的下层海绵浸泡在200 mL 1 mol·L-1KCl溶液中，振荡1 h，用全自动间歇性化学分析仪（SmartChem 200）测定浸提液中-N含量，计算氨挥发通量。

在施肥后第1、3、5、7、8、10、14 天连续收集气体样品，之后每7 d采集一次，直至水稻成熟期结束。

式中：FNH3为氨挥发通量，kg·hm-2·d-1；m为平均每次测得的氨量（-N），g；A为捕获装置的横截面积，m2；t为每次连续捕获的天数，d；C为KCl 浸取液中-N浓度，mol·L-1；V为 KCl 浸取液的体积，200 mL；Mo为氨的摩尔质量，17 g·mol-1。

氨挥发累积损失量的计算公式[29]如下：

式中：Af为氨挥发累积损失量，kg·hm-2；n为施肥后测定的总次数；Vi为第i次测定时的氨挥发速率，kg·hm-2·d-1；Ti为第i次测定时的施肥后天数；Ti-Ti-1为两个相邻测定日期之间的时间间隔，d。

氨挥发损失率=（施N 区氨挥发累积N 损失量－不施N区氨挥发累积N损失量）/施N量×100%

1.4.2 植株采集及测定

各小区采集成熟期水稻植株5 穴，样品清洗、剪碎、混匀后于105 ℃杀青30 min，之后75 ℃烘干至质量恒定，测定地上部干质量，粉碎过筛后，经H2SO4-H2O2消煮，采用凯氏定氮法测定全N含量。

N肥利用效率的计算公式[30-31]如下：

N 肥吸收利用率（NRE，%）=（施N 区地上部植株吸N量-空白区地上部植株吸N量）/施N量×100%

N 肥农学利用率（NAE，kg·kg-1）=（施 N 区产量－空白区产量）/施N量

N 肥生理利用率（NPE，kg·kg-1）=（施N 区产量－空白区产量）/（施N 区地上部植株吸N 量－空白区地上部植株吸N量）

N肥偏生产力（NPEP，kg·kg-1）=施N区产量/施N量

1.4.3 田面水采集及测定

采用100 mL 医用注射器，在不扰动水层的前提下，按对角线取样，每个小区取5 点田面水约300 mL装于塑料瓶，采用Smartchem 200 全自动间断化学分析仪测定田面水pH和-N、NO-3-N浓度。

1.5 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 17.0 软件进行数据统计分析，处理间差异显著性分析采用最小显著差异法（LSD）。采用Pearson 相关系数分析氨挥发通量与田面水pH、-N浓度、降雨量及大气温度之间的关系。采用Origin 8.5软件制图及进行方程拟合[32]。

式中：Qt为氨挥发累积量，kg·hm-2；a为第 1 天氨挥发累积量，kg·hm-2；b为氨挥发速率，即单位时间内的氨挥发量，kg·hm-2·d-1；t为监测时间。

2 结果与分析

2.1 双季早稻田氨挥发动态变化

如图2 所示，2018 年和2019 年早稻季全生育期氨挥发通量变化表现基本一致。基肥施用后，各施肥处理在前3 d 内陆续出现峰值，CF 处理分别为4.22 kg·hm-2·d-1和 5.07 kg·hm-2·d-1，0.6PuCU+0.4CF 处理分别为 3.10 kg·hm-2·d-1和 3.21 kg·hm-2·d-1，PuCU 处理分别为 0.66 kg·hm-2·d-1和 0.86 kg·hm-2·d-1。速效N 肥快速释放使氨挥发加快，因此CF 处理氨挥发通量较高，PuCU 处理氨挥发通量一直较低，显著低于CF 处理，而略高于CK 处理。与CF 处理相比，0.6PuCU+0.4CF 和PuCU 处理峰值分别降低26.54%~36.68%和83.04%~84.36%。移栽后第10 天，CF 处理氨挥发通量又出现峰值，分别为2.33 kg·hm-2·d-1和3.09 kg·hm-2·d-1，之后逐渐下降。水稻生育后期各施肥处理氨挥发通量均趋于CK处理。

图2 不同施肥处理下早稻季全生育期氨挥发通量Figure 2 NH3 volatilization flux during the whole growth period of early rice season under different fertilization treatments

2.2 双季早稻田全生育期氨挥发损失量

2.2.1 氨挥发累积动态

由图3 可知，移栽后第10 天，与CK 处理相比，2018 年CF 和0.6PuCU+0.4CF 处理氨挥发累积量分别增加21.13 kg·hm-2和11.66 kg·hm-2，2019年分别增加20.72 kg·hm-2和 10.57 kg·hm-2；与 CF 处理相比，2018年PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 处理氨挥发累积量分别减少 20.44 kg·hm-2和 9.47 kg·hm-2，2019 年分别减少18.21 kg·hm-2和 10.14 kg·hm-2。施肥后，速效N 前期快速释放，CF 处理氨挥发快速累积且累积量较高，而PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 处理氨挥发缓慢，显著低于CF 处理。2018 年早稻分蘖盛期（第 36 天）PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 处理氨挥发累积量较CF 处理分别降低 83.00% 和 55.22%，2019 年（第 42 天）分别降低65.36%和45.29%。

图3 不同施肥处理下稻田氨挥发累积量Figure 3 Cumulative NH3 volatilization in paddy field under different fertilization treatments

2.2.2 氨挥发损失量

由表3 可知，施肥处理对双季早稻基肥期、追肥期和整个生育期氨挥发损失量（率）效应极显著（P<0.01），年份和年份与施肥处理间交互效应对双季早稻各时期氨挥发损失量（率）效应不显著（P>0.05）。各施肥处理早稻全生育期间氨挥发损失量（率）均高于CK 处理。两年CF 处理早稻全生育期氨挥发损失量（率）均值为 39.48 kg·hm-2（22.22%）。PuCU 和0.6PuCU+0.4CF 处理氨挥发损失总量（率）分别为12.01 kg·hm-2（3.91%）和 20.70 kg·hm-2（9.70%）。与CF 处理相比，0.6PuCU+0.4CF 和 PuCU 处理氨挥发损失总量分别降低了47.57%和69.56%。

表3 不同施肥处理下稻田氨挥发损失量和损失率Table 3 NH3 loss and rate in paddy field under different fertilization treatments

2.3 双季早稻田全生育期田面水动态变化

如图4 所示，基肥施用后第1 天，CF 处理田面水NH+

图4 不同施肥处理下早稻季田面水-N浓度Figure 4 -N concentration in surface water of early rice field under different fertilization treatments

4-N 浓度达峰值，2018 年和 2019 年分别为 10.91 mg·L-1和 10.88 mg·L-1，0.6PuCU+0.4CF 和 PuCU 处理分别较CF 处理降低18.95%和47.86%。2018 年移栽后第 7 天和 2019 年移栽后第 10 天，CF 处理-N 浓度再次出现峰值（9.03 mg·L-1和16.43 mg·L-1），而施用包膜尿素处理大幅下降。水稻生长后期，各施肥处理田面水-N浓度逐渐降低，趋于CK处理。

2.3.2 田面水NO-3-N浓度

如图5 所示，基肥施用后前3 d，各处理田面水NO-3-N 浓度出现峰值，CF 处理 2018 年和 2019 年分别为1.43 mg·L-1和2.01 mg·L-1，0.6PuCU+0.4CF和PuCU处理较CF 处理分别降低22.12%和46.12%。2018 年移栽后第7天和2019年移栽后第10天，CF处理NO-3-N浓度再次出现峰值（0.93 mg·L-1和1.07 mg·L-1），而施用包膜尿素处理NO-3-N 浓度大幅下降。水稻生长后期，各施肥处理田面水NO-3-N浓度逐渐降低，趋于CK处理。

图5 不同施肥处理下早稻季田面水NO-3-N浓度Figure 5 NO-3-N concentration in surface water of early rice field under different fertilization treatments

2.3.3 田面水pH变化

如图6 所示，基肥施用后田面水pH 两年均呈先增加后降低的趋势。CF 和0.6PuCU+0.4CF 处理田面水pH快速上升达到峰值，2018年分别为7.45和7.04、2019 年分别为 7.96 和 7.42，而 PuCU 处理增幅较小。水稻生长后期，各施肥处理田面水pH逐渐降低，趋于CK处理。

图6 不同施肥处理下早稻季田面水pHFigure 6 Surface water pH of early rice field under different fertilization treatments

2.4 双季早稻氮肥利用率

由表4 可知，施肥处理对双季早稻成熟期N 素吸收量及N肥利用效率效应显著或极显著，而年份效应不显著（P>0.05，NAE 除外），施肥处理与年份间的交互效应也不显著（P>0.05）。2018 年和2019 年双季早稻成熟期施N 处理N 素吸收量较CK 处理分别增加59.81%~109.98%和39.17%~134.05%；早稻全生育期CF 处理 N 肥 NRE 和 NAE 分别为 29.19% 和 13.82 kg·kg-1，PuCU 和 0.6PuCU+0.4CF 处 理 的 NRE 分 别 为60.22%和 71.36%，NAE 分别为 18.99 kg·kg-1和20.34 kg·kg-1。与 CF 处理相比，0.6PuCU+0.4CF 和 PuCU 处理双季早稻N 素吸收量分别显著增加49.79%和36.15%，NRE 分别提高163.08% 和 116.29%，NAE 分别提高69.85%和55.97%，NPFP 分别提高15.10%和11.99%。

表4 不同施肥处理下双季早稻氮素吸收量及氮肥利用效率Table 4 N uptake and its use efficiency of double cropping early rice under different fertilization treatments

2.5 相关性分析

表5 稻田氨挥发与田面水氮素浓度及气候条件的相关系数Table 5 Correlation coefficients of ammonia volatilization in paddy field with N concentration in surface water and climatic conditions

2.6 氨挥发动力学模型

由表6 可知，将不同处理氨挥发累积量随时间变化用Elovich 方程进行拟合，其相关性均达到极显著水平（P<0.01），但该动力学模型对不同处理氨挥发的拟合程度存在差异。参数b为斜率，可表征不同处理下氨的挥发强度，不同处理b值大小表现为CF>0.6Pu⁃CU+0.4CF>PuCU>CK，这与氨排放累积量变化趋势基本一致。通过2018年模型计算出2019年理论氨挥发累积量与实际氨挥发累积量相近，表明所建立的氨挥发累积动力学模型拟合性较好。

表6 不同施肥处理下氨挥发累积动力学模型Table 6 Dynamic model of ammonia volatilization under different fertilization treatments

3 讨论

3.1 聚氨酯控释掺混肥对稻田氨挥发损失的影响

大量研究认为，速效N肥一次性基施不是合理的施肥方式，不能满足植株全生育期的养分需求，且会加剧N 素损失[33-34]。李菊梅等[35]研究发现，稻田生态系统施用尿素后氨挥发损失比例高达37.8%。本研究中，CF 处理早稻季氨挥发总量两年平均为39.48 kg·hm-2，损失率高达22.22%，与前人研究结果接近[36]。XU 等[7]研究发现，普通尿素和包膜尿素处理双季稻田氨挥发损失分别占施N 量的16%~30%和4%~8%。等施N 量下，缓控释肥料较常规化肥分次施用能减少稻田氨挥发排放量13.80%~86.36%[37]。邬刚等[38]研究发现，控释N 肥可减少江淮丘陵区稻田26.2%的氨挥发。本研究中，洞庭湖区早稻季PuCU处理氨挥发损失量（率）仅为12.01 kg·hm-2（3.91%），较CF处理降幅显著。

氨挥发峰值的出现与施肥时期密切相关[33]。唐良梁等[39]的研究发现，水稻季氨挥发持续的时间较短，主要发生在施肥后的一周内。追肥是造成氨挥发的重要原因，本研究中CF 处理在追肥后产生的氨排放占比高，控释包膜肥一次性施用处理在水稻生长中后期几乎无氨产生。CF 与0.6PuCU+0.4CF 处理氨挥发速率在前3 d达到峰值，PuCU处理整个水稻生长季未出现峰值，与前人研究结果相似[15，40]，即控释包膜肥施用推迟氨挥发速率峰值的出现。此外，0.6Pu⁃CU+0.4CF 处理会增加水稻生长前期的氨挥发量，但与CF处理相比，损失量仍平均降低47.57%。

3.2 影响双季稻田氨挥发的相关因子

稻田土壤氨挥发主要影响因素为表层水氨分压和风速等气候因子，降低稻田N素挥发损失的主要途径应为减少其表层水-N 浓度[43]。氨挥发与稻田水温存在较好的正相关关系。虽然控释尿素养分释放慢，但由于速效氮的水解及此时期稻田有较高的水层，肥料颗粒密度小，大量浮在水层上面，加上施肥期间背景气温高，使得田面水和土壤中-N浓度迅速增加，促进了氨的挥发[45]。吴萍萍等[44]的研究表明，一定范围内，温度升高能提高脲酶活性，促进尿素分解。温度升高增加液相中-N的比例，从而促进氨挥发作用[46]。而本研究中大气温度、降雨量与氨挥发量并未表现出一致性，反映出田间环境条件的复杂性。

3.3 聚氨酯控释掺混肥对水稻氮肥利用率的影响

研究表明，施用缓释N 肥可有效增加水稻产量，提高肥料利用率，减少施肥成本，降低环境污染[47-48]。本研究中，PuCU 处理不仅能在生长前期降低氨挥发损失，使养分释放周期延长，而且后期能满足作物对养分的需求。两年间，在P、K肥用量和施用方法一致的条件下，0.6PuCU+0.4CF 处理较CF 处理平均提高水稻 N 素吸收、NAE 和 NPFP 分别为 49.79%、69.85%和15.10%，提高NRE 高达71.36%，且产量和经济效益分别提高15.10%和16.93%[25]，高于陈琨等[49]的研究结果。因此，施用聚氨酯控释掺混肥可显著提高洞庭湖区水稻N 素累积量及N 肥利用效率，该方法适合在该区域进行推广。

陈贤友等[50]的研究表明，硫磺加树脂双层包膜尿素与普通尿素的掺混比例达70%以上且一次性基施（N 210 kg·hm-2）可满足水稻整个生育期N 肥需求，增产显著，NAE 和NRE 明显提高。付月君等[51]则发现，一次性基施40%缓释N 肥+60%尿素处理（N 150 kg·hm-2）的水稻N 肥利用率在各处理中最高。本研究中，与CF 处理相比，施用控释N 肥均不同程度避免了尿素迅速水解释放养分的问题，有效协调了水稻全生育期的N 素供应，且0.6PuCU+0.4CF 处理的增产效果优于PuCU 处理。这可能是由于双季早稻生长初期气温较低，PuCU处理的溶出速率受到抑制，前期生长受到养分短缺的影响，而0.6PuCU+0.4CF 处理因掺混比例较为适宜，既能在早稻生长前期通过尿素提供适量的速效养分，又能增加生长后期土壤N素的供应强度，降低 N 肥损失的风险[52]。0.6PuCU+0.4CF 处理较PuCU 处理早稻NRE 平均提高19.03%。研究表明，聚氨酯尿素掺混普通尿素能较全面协调作物全生育期的N素需求，促进早稻生长，进而发挥其增产潜力。

4 结论

本试验条件下，施用控释包膜肥能显著降低双季早稻田氨挥发损失，且单施包膜尿素和控释掺混尿素处理稻田氨挥发累积损失量较常规施肥处理分别显著降低69.56%和47.57%。施用聚氨酯控释掺混肥能有效利用前期尿素释放N 素较快、后期控释N 肥缓释的特点，保证水稻生长过程中N 素的充分供应，改善植株N素的营养状况，在降低氨挥发损失的同时提高作物N肥利用效率，进而实现减排、增效。