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聚脲甲醛缓释肥对太湖稻麦轮作体系氨挥发及产量的影响

赵蒙 曾科 姚元林 张敏 杜林岚 田玉华 胡建民 尹斌

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聚脲甲醛缓释肥对太湖稻麦轮作体系氨挥发及产量的影响

    作者简介: 赵蒙 E-mail: mzhao@issas.ac.cn;
    通讯作者: 尹斌, E-mail:byin@issas.ac.cn

Effects of polyurea-formaldehyde on ammonia volatilization and yields under rice−wheat rotation in Taihu Region

    Corresponding author: YIN Bin, E-mail:byin@issas.ac.cn
  • 摘要: 【目的】 通过研究尿素和聚脲甲醛缓释肥 (MU) 对太湖地区稻麦轮作体系氨挥发、氮肥利用率及产量的影响,为新型缓释肥料的推广和降低农田氨挥发损失提供理论依据。 【方法】 田间小区试验在江苏苏州进行,种植制度为水稻小麦轮作,供试聚脲甲醛缓释氮肥有两个,MU70 (含氮量39%) 和MU50 (含氮量40%),供试土壤为潜育型水稻土。除对照外,施氮量稻季为N 270 kg/hm2,麦季为N 190 kg/hm2。以施用普通尿素为对照,试验共设6个处理,分别为100%MU50 (单施缓释肥)、100%MU70、50%MU50 (缓释肥配施尿素)、50%MU70、当地常规 (U) 和对照 (CK)。各处理中缓释肥全部用于基施,尿素分三次追施。施肥后的第二天采用密闭室间歇通气—稀硫酸吸收法测定田间氨挥发通量。收获期测产,计算各处理的经济收益。 【结果】 氨挥发主要发生在稻季,稻季施用MU可降低稻田的氨挥发损失,表现为100%MU50≈100%MU70 < 50%MU50≈50%MU70 < U。相比U处理,单施MU可导致水稻减产,而MU配施尿素可保证产量,50%MU50和50%MU70的产量比U处理分别提高了5.7%和3.2%;麦季单施MU处理的氨挥发和产量均显著低于U处理,50%MU50和U处理的氨挥发和产量无明显差异,而50%MU70处理的氨挥发损失高于U处理。稻季和麦季的MU与尿素配施处理的氮肥利用率均高于U处理的,而单施MU处理的氮肥利用率均显著低于U处理的,其中不同的是,稻季50%MU50处理的氮肥利用率比U处理显著提高了8.1%;麦季50%MU70处理的氮肥利用率比U处理的显著提高3%。 【结论】 综合考虑农学和环境效益,稻麦轮作体系50%MU50的总净收入是30259元/hm2,相比U处理 (30168元/hm2) 差异不大,但前者显著降低了氨挥发损失,提高了氮肥利用率。因此,MU50和尿素1∶1配施模式值得在太湖地区推广应用。
  • 图 1  2016年稻−麦轮作体系施肥后日平均气温与降雨量

    Figure 1.  Daily air temperature and precipitation following three times of fertilization in 2016−2017 rice-wheat rotation system

    图 2  2016年稻季 (a) 和麦季 (b) 三次施肥后氨挥发动态变化

    Figure 2.  Ammonia volatilization following three times of fertilization in 2016 rice season (a) and wheat season (b)

    图 3  NH4+-N浓度变化动态

    Figure 3.  Dynamic change of NH4+-N concentration in the surface water of paddy field in 2016 rice season

    图 4  2016年稻季肥料施用后氨挥发日通量与田面水铵浓度相关性分析结果 (P = 0.05)

    Figure 4.  Correlation between ammonia emission per day and NH4+-N concentration in surface water after fertilization

    表 1  稻-麦轮作体系各处理施肥量 (N kg/hm2)

    Table 1.  Application rates of fertilizers for each treatment

    种植季
    Planting season
    处理
    Treatment
    肥料
    Fertilizer
    基肥
    Basal fertilizer
    追肥1
    1 st topdressing
    追肥2
    2 nd topdressing
    稻季Rice reason CK
    100%MU50 MU50 270
    100%MU70 MU70 270
    50%MU50 50%MU50+50%U 135 45 90
    50%MU70 50%MU70+50%U 135 45 90
    U U 108 54 108
    麦季Wheat reason CK
    100%MU50 MU50 190
    100%MU70 MU70 190
    50%MU50 50%MU50+50%U 95 47.5 47.5
    50%MU70 50%MU70+50%U 95 47.5 47.5
    U U 75 57.5 57.5
    注(Note):MU70、MU50 为含 N 39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2
    MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat.
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    表 2  稻-麦轮作体系不同处理的氨挥发损失量 (N kg/hm2) 和总损失率 (%)

    Table 2.  Ammonia volatilization loss amount (N kg/hm2) and rate (%) of different nitrogen fertilizers in the rice‒wheat rotation system

    处理
    Treatment
    水稻季
    Rice reason
    小麦季
    Wheat reason
    总计
    Total
    (kg/hm2) (%) (kg/hm2) (%)
    CK 9.1 a 2.2 a 11.3 a
    100%MU50 18.9 b 4 2.3 a 0.1 21.2 b
    100%MU70 15.4 ab 2 2.9 a 0.4 18.3 b
    50%MU50 31.1 c 8 4.7 b 1.3 35.8 c
    50%MU70 33.0 c 9 8.6 c 3.4 41.6 d
    Urea 52.9 d 16 4.9 b 1.4 57.8 e
    注(Note):MU70、MU50 分别为含 N39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2;同列数值后不同小写字母表示处理间差异在 P < 0.05 水平显著。
    MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat. Different letters in the same column denote significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 4  稻−麦轮作体系不同处理总经济效益 (yuan/hm2)

    Table 4.  Economic benefits for each treatment in the rice-wheat rotation system

    处理
    Treatment
    产值
    Output
    氮肥成本
    N cost
    氨挥发环境损失
    Environment loss
    净收入
    Net income
    CK 16879 110 16769
    100%MU50 23936 3002 208 20727
    100%MU70 22284 3008 179 19097
    50%MU50 32962 2351 352 30259
    50%MU70 32417 2658 407 29351
    U 32436 1700 567 30168
    注(Note):MU70、MU50 分别为含 N39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2
    MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat.
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    表 3  稻−麦轮作体系不同处理产量、地上部吸氮量和氮肥利用率

    Table 3.  Yields, shoot N uptake and N use efficiency (NUE) for each treatment in the rice-wheat-rotation system

    种植作物
    Planting crop
    处理
    Treatment
    籽粒Grain 秸秆Straw 总吸氮量
    Total N uptake
    (kg/hm2)
    氮肥利用率
    NUE
    (%)
    产量(t/hm2)
    Yield
    吸氮量(kg/hm2)
    N uptake
    产量(t/hm2)
    Yield
    吸氮量(kg/hm2)
    N uptake
    稻季
    Rice season
    CK 6.0 a 57.3 a 6.8 a 37.9 a 95.2 a
    100%MU50 7.1 b 77.3 b 8.5 b 55.6 b 132.9 b 14.3 a
    100%MU70 7.4 b 76.6 b 7.9 ab 44.4 a 121.0 b 9.9 a
    50%MU50 9.3 c 114.0 c 8.6 b 71.8 d 185.8 d 33.9 c
    50%MU70 9.2 c 104.2 c 8.4 b 68.3 cd 172.5 cd 29.0 bc
    U 9.0 c 105.9 c 8.4 b 57.9 bc 163.8 c 25.8 b
    麦季
    Wheat season
    CK 0.7 a 12.7 a 1.1 a 3.9 a 16.6 a
    100%MU50 2.3 c 45.0 c 2.2 c 7.9 c 52.9 c 20.3 b
    100%MU70 1.4 b 28.9 b 1.8 b 6.9 b 35.5 b 10.5 a
    50%MU50 3.5 d 65.5 de 3.6 de 13.2 d 78.7 de 33.3 cd
    50%MU70 3.5 d 67.2 e 3.8 e 14.3 c 81.5 e 34.8 d
    U 3.6 d 62.4 d 3.5 d 13.4 de 75.8 d 31.8 c
    注(Note):MU70、MU50 分别为含 N39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2;同列数值后不同小写字母表示处理间差异在 P < 0.05 水平显著。
    MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat. Different letters in the same column denote significant difference among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-22
  • 刊出日期:  2019-01-01

聚脲甲醛缓释肥对太湖稻麦轮作体系氨挥发及产量的影响

    作者简介:赵蒙 E-mail: mzhao@issas.ac.cn
    通讯作者: 尹斌, byin@issas.ac.cn
  • 1. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 (中国科学院南京土壤研究所),南京 210008
  • 2. 中国科学院大学,北京 100049
  • 3. 成都信息工程大学资源环境学院,四川成都 610225
  • 4. 郑州高富肥料有限公司,河南郑州 450000

摘要:  目的 通过研究尿素和聚脲甲醛缓释肥 (MU) 对太湖地区稻麦轮作体系氨挥发、氮肥利用率及产量的影响,为新型缓释肥料的推广和降低农田氨挥发损失提供理论依据。 方法 田间小区试验在江苏苏州进行,种植制度为水稻小麦轮作,供试聚脲甲醛缓释氮肥有两个,MU70 (含氮量39%) 和MU50 (含氮量40%),供试土壤为潜育型水稻土。除对照外,施氮量稻季为N 270 kg/hm2,麦季为N 190 kg/hm2。以施用普通尿素为对照,试验共设6个处理,分别为100%MU50 (单施缓释肥)、100%MU70、50%MU50 (缓释肥配施尿素)、50%MU70、当地常规 (U) 和对照 (CK)。各处理中缓释肥全部用于基施,尿素分三次追施。施肥后的第二天采用密闭室间歇通气—稀硫酸吸收法测定田间氨挥发通量。收获期测产,计算各处理的经济收益。 结果 氨挥发主要发生在稻季,稻季施用MU可降低稻田的氨挥发损失,表现为100%MU50≈100%MU70 < 50%MU50≈50%MU70 < U。相比U处理,单施MU可导致水稻减产,而MU配施尿素可保证产量,50%MU50和50%MU70的产量比U处理分别提高了5.7%和3.2%;麦季单施MU处理的氨挥发和产量均显著低于U处理,50%MU50和U处理的氨挥发和产量无明显差异,而50%MU70处理的氨挥发损失高于U处理。稻季和麦季的MU与尿素配施处理的氮肥利用率均高于U处理的,而单施MU处理的氮肥利用率均显著低于U处理的,其中不同的是,稻季50%MU50处理的氮肥利用率比U处理显著提高了8.1%;麦季50%MU70处理的氮肥利用率比U处理的显著提高3%。 结论 综合考虑农学和环境效益,稻麦轮作体系50%MU50的总净收入是30259元/hm2,相比U处理 (30168元/hm2) 差异不大,但前者显著降低了氨挥发损失,提高了氮肥利用率。因此,MU50和尿素1∶1配施模式值得在太湖地区推广应用。

English Abstract

  • 氨挥发是稻田氮肥损失的主要途径之一[13]。稻田氨挥发损失不仅造成养分浪费,还带来许多环境问题,如土壤酸化、水体富营养化、大气污染等[45],因此,氮肥施用应兼顾农业和环境的总体效益。尿素是目前农业生产中施用量最大的氮肥品种,为满足人口增长对食物的需求,通过增加氮肥施用量来提高作物产量是行之有效的重要措施之一。但长时期的高施氮量、低效益的施肥措施也给环境带来了沉重的负担。因此, 开发高肥效、低污染的新型氮肥品种和有效施肥措施是多年来肥料研究领域的热点。脲甲醛缓释氮肥具有在土壤中氮素养分缓慢释放的特点,如结合相应的施肥措施,不仅可满足作物的养分需求,达到减少氮肥氨挥发损失的环保作用,还能够提高肥料利用率,增加作物产量。

    脲甲醛是尿素和甲醛经过反应缩合而成的缩合物。调整尿素和甲醛不同的摩尔比例,可制得缩合度不同的脲甲醛肥料。脲甲醛肥料进入土壤后需在土壤微生物的作用下才能分解释放出氮素,其养分释放速率在不同的土壤环境和气候条件下存在一定的差异[6]。陈易飞等[710]研究表明,施用脲甲醛肥料有可能起到提高作物产量、减少氮肥损失的作用。但是,生产工艺复杂、产能低、制造成本高等因素限制了脲甲醛肥料的发展和在农业生产上的推广应用。目前脲甲醛氮肥的市场价格至少为5000 元/t[11],受生产成本过高的限制,主要应用于专业性的草皮和高附加值的观赏性植物,未能在大田作物中得到广泛应用。根据这一现实情况,河南郑州高富肥料有限公司在对传统脲甲醛生产工艺进行改进的基础上,研发出新型的聚脲甲醛 (MU) 缓释氮肥。根据缩合度与组分分子链长度的不同制成了养分释放周期不同的两种肥料,即MU50和MU70。其中MU50养分释放周期短于MU70。MU50和MU70肥料的生产成本远远低于传统工艺的脲甲醛肥料成本,这为其在大田作物上的广泛施用提供了可能。本试验是在太湖地区常规施氮量 (270 kg/hm2) 的基础上,研究MU50和MU70结合相应施肥措施对稻麦轮作体系下氨挥发损失与产量的影响,为这一施肥措施的推广施用提供理论依据。

    • 本试验于2016年在中国科学院常熟农业生态试验站 (31°32′45″N,120°41′57″E) 进行。试验站位于江苏省常熟市辛庄镇,地处长江三角洲腹地,属太湖流域,海拔高1.3 m,属北亚热带南部湿润季风气候,全年四季分明,气候温和,雨水充沛。该地的主要种植制度是稻麦轮作。供试土壤为潜育型水稻土 (乌栅土)。0—20 cm表层土壤的理化特性如下:pH7.36、有机质 35.0 g/kg、全氮 2.09 g/kg、全磷 0.93 g/kg、速效氮 12.4 mg/kg、有效磷 5.00 mg/kg、速效钾 121 mg/kg、CEC 17.7 cmol/kg。氨挥发采集期间日平均气温与降雨量由实验站自动监测装置记录 (图1)。

      图  1  2016年稻−麦轮作体系施肥后日平均气温与降雨量

      Figure 1.  Daily air temperature and precipitation following three times of fertilization in 2016−2017 rice-wheat rotation system

    • 试验共设置6个处理,分别为100%MU50、100%MU70、50%MU50、50%MU70、当地常规 (U) 和对照 (CK)。除CK不施氮外,其余5个处理施氮量稻季为N 270 kg/hm2,麦季为N 190 kg/hm2。氮肥品种为尿素、聚脲甲醛缓释氮肥MU70 (含氮量39%) 和MU50 (含氮量40%) 三种。每个处理重复4次,随机区组排列,小区面积为42 m2 (6 m × 7 m)。用100%MU50和100%MU70的缓释氮肥处理为基肥一次性施入。缓释肥配施尿素的50%MU50和50%MU70处理在基肥期施入缓释氮肥,追肥期施入尿素。常规处理 (U) 为尿素分三次施用 (表1)。稻麦轮作体系磷肥用量 [过磷酸钙 (P2O5) 含量12% 用量60 kg/hm2] 为500 kg/hm2,钾肥 [氯化钾 (KCI) 含量60% 用量120 kg/hm2] 为200 kg/hm2,各处理的磷钾肥施用量相同且作为基肥一次性施入。试验小区边界设置田埂,高出地面30 cm,并用塑料薄膜覆盖以防田间小区肥水互串。每个小区设单独的进出水口。在水稻生长期间,除分蘖期烤田及成熟前7天不灌水,其他时期维持田面水 3~5 cm深。除试验设计所要求的,小区稻麦田管理与当地常规一致。供试水稻品种为南粳46号,小麦品种为扬麦16号。水稻于2016年6月25日移栽,2016年11月3日 收获,3次施肥时间分别是 2016年6月25日、2016年7月7日和2016年8月11日,基肥和追肥施肥方式均为撒施。小麦于2016年11月25日播种,2017年5月23日收获,3次施肥时间分别是2016年11月25日、2017年2月16日、2017年3月16日,基肥撒施后混入土壤耙匀,追肥直接撒施。

      种植季
      Planting season
      处理
      Treatment
      肥料
      Fertilizer
      基肥
      Basal fertilizer
      追肥1
      1 st topdressing
      追肥2
      2 nd topdressing
      稻季Rice reason CK
      100%MU50 MU50 270
      100%MU70 MU70 270
      50%MU50 50%MU50+50%U 135 45 90
      50%MU70 50%MU70+50%U 135 45 90
      U U 108 54 108
      麦季Wheat reason CK
      100%MU50 MU50 190
      100%MU70 MU70 190
      50%MU50 50%MU50+50%U 95 47.5 47.5
      50%MU70 50%MU70+50%U 95 47.5 47.5
      U U 75 57.5 57.5
      注(Note):MU70、MU50 为含 N 39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2
      MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat.

      表 1  稻-麦轮作体系各处理施肥量 (N kg/hm2)

      Table 1.  Application rates of fertilizers for each treatment

    • 田间氨挥发采用密闭室间歇通气法测定[12],该方法的装置是由直径20 cm、高15 cm底部开放的有机玻璃罩以及2.5 m高的通气管构成。有机玻璃罩顶部留有一通气孔 (直径25 mm) 与通气管相连,将玻璃罩嵌入表土中,抽气时换气频率设为15~20次/min。每次施肥后第2天开始采样,稻季每天在7:00~9:00 和 15:00~17:00采样。麦季每天在9:00~11:00和14:00~16:00采样。在洗气瓶中装60 mL 5.52 g/L硫酸溶液用于吸收NH3。抽气结束后将氨吸收液带回实验室,采用靛酚蓝比色法测定NH4+-N浓度。以这 4 h的通量值作为每天氨挥发的平均通量计算全天的氨挥发量,以CK处理的氨挥发量作为背景值,直至施氮处理与不施氮处理的氨挥发通量无差异时停止采样。

      同时从施肥后第2天起,每天早晨 7:00 定时采集田面水,各小区至少取5个样点混合成100 mL左右的水样,取样持续到各施氮处理田面水中NH4+-N浓度与对照无差异。水样带回实验室过滤,采用靛酚蓝比色法测定NH4+-N浓度。

      此外,收获时采用单打单收方式对每个小区进行计产,计算出不同处理的产量,并在每个小区选取3穴有代表性的植株,分为秸秆和籽粒,烘干粉碎后采用凯氏定氮法测定植株中的全氮含量。

    • 氨挥发通量计算公式:

      式中:F为氨排放日通量[kg/(hm2·d)];C为靛酚蓝比色法求得吸收液中NH4+-N浓度 (mg/L);V为稀硫酸吸收液体积 ( L);6为换算为一天的排放通量;10–6为mg转换为kg;r为收集氨挥发的密闭室半径 (m);10–4为m2转换为hm2

      施氮产生氨挥发酸雨效应的边际环境损失 (M1,元/hm2) 计算公式[1315]

      式中:1.88 为 1 kg氨挥发等量二氧化硫 (SO2) 酸雨效应的转换系数;Pa为 1 kg SO2导致的酸雨损失 (元/kg),在本文中为 5 元/kg;F为氨挥发的损失量 (kg/hm2);17/14 为N对NH3的转换系数。

      施氮产生氨挥发水体富营养化效应的边际环境损失 (M2元/hm2) 计算公式[15]

      式中:0. 33 为1 kg NH3等量PO43– 富营养化效应的转换系数;Pe为每kg PO43–的富营养化损失 (元/kg),在本文中为3.88 元/kg;F为氨挥发的损失(kg/hm2);17/14为N对NH3的转换系数。

      氮肥利用率 (NUE) = (施氮处理水稻吸氮量−空白区水稻吸氮量)/施氮量

      氨挥发损失率 = (施氮处理氨挥发总量−空白区氨挥发总量)/施氮量

      稻麦净收入净收入[14]=产值−氮肥成本−施氮

      产生氨挥发酸雨效应的边际环境损失−施氮产生氨挥发水体富营养化效应的边际环境损失

      尿素,1700元/t;MU50, 2610元/t;MU70,2550元/t;水稻籽粒当地市场价格为2.5元/kg;小麦籽粒当地市场价格为2.37元/kg。

      数据计算和分析采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 19. 0统计软件;绘图采用Origin9.1软件。

    • 稻季施氮处理的氨挥发在施肥后各阶段均呈现出先增加后降低的趋势。基肥期,施氮处理的氨挥发峰值出现在施肥后的第5天,U处理氨挥发峰值最高,为N 4.03 kg/(hm2·d),施肥处理氨挥发过程持续10~12 天, 之后与对照处理无显著差异。两次追肥的氨挥发动态特征相似。追肥期,50%MU50、50%MU70、U处理的氨挥发峰值均出现在施肥后的第2 天,分别为N 4.0、3.7、5.5 kg/(hm2·d) 和N 3.5、3.6、5.2 kg/(hm2·d),随后氨挥发下降,到第 7 天时氨挥发与对照处理无显著差异。追肥期,只施用MU的100%MU50、100%MU70处理的氨挥发处于较低的水平,与CK处理差异不显著,显著低于追施尿素的处理。在整个时期,U处理的氨挥发日通量一直高于其它处理。

      与稻季相比,麦季氨挥发损失低,持续时间长,主要发生在施肥后的15 天内。各阶段氨挥发峰值出现在施肥后的第2~6 天 (图2),随后氨挥发降低,到第15 天时氨挥发日通量与对照无显著差异。基肥期,U处理的氨挥发日通量最高。追肥期,追施尿素的50%MU50、50%MU70、U处理的氨挥发峰值出现在施肥后的第3~4天。50%MU50、50%MU70处理的氨挥发日通量高于U处理的,只施用MU处理的氨挥发日通量和CK处理差异不显著。

      图  2  2016年稻季 (a) 和麦季 (b) 三次施肥后氨挥发动态变化

      Figure 2.  Ammonia volatilization following three times of fertilization in 2016 rice season (a) and wheat season (b)

    • 通过对田面水的监测发现,施肥后各处理田面水NH4+-N浓度的动态特征与稻田氨挥发的相似 (图3):施肥后田面水NH4+-N浓度迅速升高,在1~2天内达到峰值,随后开始下降。基肥期,50%MU50、50%MU70、U处理的田面水NH4+-N峰值不明显是因为基肥施用后连续的降雨天气导致田面水NH4+-N浓度降低。而100%MU处理的NH4+-N浓度高于50%MU处理。两次追肥期,U、50%MU50、50%MU70处理的NH4+-N浓度峰值分别为25.9 mg/L和 23.7 mg/L、16.0 mg/L和17.0 mg/L、18.4 mg/L和23.0 mg/L。100%MU处理的NH4+-N浓度低于50%MU处理,与CK处理差异不显著。U处理的田面水铵态氮浓度在整个时期最高。对施肥后田面水NH4+-N浓度与氨挥发日通量的相关性进行分析,结果表明两者存在显著正相关关系 (图4)。

      图  3  NH4+-N浓度变化动态

      Figure 3.  Dynamic change of NH4+-N concentration in the surface water of paddy field in 2016 rice season

      图  4  2016年稻季肥料施用后氨挥发日通量与田面水铵浓度相关性分析结果 (P = 0.05)

      Figure 4.  Correlation between ammonia emission per day and NH4+-N concentration in surface water after fertilization

    • 稻季施肥后的氨挥发损失量见表2。各施氮处理稻季氨挥发累积排放通量范围为15.4~52.9 kg/hm2,损失率为2%~16%。U处理的氨挥发损失量最高,为N 52.9 kg/hm2。50%MU50、50%MU70处理的氨挥发总损失量分别比U处理的氨挥发损失量低41.2%和37.6%。100%MU50处理的氨挥发损失总量比50%MU50处理的降低了39.2%。100%MU70处理的氨挥发损失总量比50%MU70处理降低了53.3%。

      麦季各施肥处理的氨挥发损失量远低于稻季 (表2),这主要受麦季施肥期气温低、施肥量低的影响。麦季不同施肥处理的氨挥发总量为N 2.3~8.6 kg/hm2,损失率为0.1%~3.4%,50%MU70处理的氨挥发总量显著高于其它处理。50%MU50处理、U处理的氨挥发总量比50%MU70处理分别降低45.3%和43.0%。100%MU50和100%MU70处理的氨挥发总量与CK处理差异不显著,且显著低于50%MU50和50%MU70处理。

      处理
      Treatment
      水稻季
      Rice reason
      小麦季
      Wheat reason
      总计
      Total
      (kg/hm2) (%) (kg/hm2) (%)
      CK 9.1 a 2.2 a 11.3 a
      100%MU50 18.9 b 4 2.3 a 0.1 21.2 b
      100%MU70 15.4 ab 2 2.9 a 0.4 18.3 b
      50%MU50 31.1 c 8 4.7 b 1.3 35.8 c
      50%MU70 33.0 c 9 8.6 c 3.4 41.6 d
      Urea 52.9 d 16 4.9 b 1.4 57.8 e
      注(Note):MU70、MU50 分别为含 N39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2;同列数值后不同小写字母表示处理间差异在 P < 0.05 水平显著。
      MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat. Different letters in the same column denote significant difference among treatments (P < 0.05).

      表 2  稻-麦轮作体系不同处理的氨挥发损失量 (N kg/hm2) 和总损失率 (%)

      Table 2.  Ammonia volatilization loss amount (N kg/hm2) and rate (%) of different nitrogen fertilizers in the rice‒wheat rotation system

      统计稻麦轮作体系氨挥发总量可知,与U处理的N 57.8 kg/hm2相比,50%MU50和50%MU70处理氨挥发量分别降低了38.1%和 28.0%。100%MU50和100%MU70处理的稻麦轮作体系氨挥发总量显著低于MU配尿素处理 (P < 0.05)。50%MU50处理的稻麦轮作体系氨挥发总量比50%MU70处理的低13.9% ( P < 0.05)。

    • 表3结果表明,稻季50%MU50处理的产量最高,为9.3 t/hm2。MU配施尿素处理的产量显著高于只施用MU处理的产量。100%MU50处理的产量低于100%MU70处理的产量。各施氮处理的水稻产量均显著高于CK处理的产量。

      麦季在施氮量为190 kg/hm2情况下,50%MU50和50%MU70处理的产量均为3.5 t/hm2,显著高于100%MU50和100%MU70处理的产量。MU配施尿素处理与U处理之间的产量差异未达到显著水平。

      稻季50%MU50处理的地上部总吸氮量显著高于U处理。麦季50%MU70处理的地上部总吸氮量显著高于U处理。由差减法计算的氮肥利用率结果显示,各施肥处理氮肥利用率变化范围在稻季和麦季分别为9.9%~33.9%和10.5%~34.8%。稻麦轮作体系下MU配施尿素处理的氮肥利用率最高,其中稻季MU50配施尿素处理的氮肥利用率显著高于U处理,麦季MU70配施尿素处理的氮肥利用率显著高于U处理。整个稻麦轮作体系下,只施用MU处理的氮肥利用率显著低于MU配施尿素处理。

    • 表4可知,50%MU50处理的稻麦总净收入为30259元/hm2,高于U处理的总净收入 (30168元/hm2)。100%MU50处理的总净收入高于100%MU70,但二者净收入均低于50%MU50及50%MU70处理。与尿素相比,MU虽然成本高,但氨挥发损失少,且聚脲甲醛缓释氨肥(MU) 配施尿素能够保障粮食的产量,值得研究推广。

      处理
      Treatment
      产值
      Output
      氮肥成本
      N cost
      氨挥发环境损失
      Environment loss
      净收入
      Net income
      CK 16879 110 16769
      100%MU50 23936 3002 208 20727
      100%MU70 22284 3008 179 19097
      50%MU50 32962 2351 352 30259
      50%MU70 32417 2658 407 29351
      U 32436 1700 567 30168
      注(Note):MU70、MU50 分别为含 N39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2
      MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat.

      表 4  稻−麦轮作体系不同处理总经济效益 (yuan/hm2)

      Table 4.  Economic benefits for each treatment in the rice-wheat rotation system

    • 不同类型肥料的氨挥发日通量及总量存在差异。在基肥期,100%MU处理的氮肥施用量高于50%MU处理,使得100%MU处理的氨挥发在这一时期高于50%MU。而在追肥期100%MU处理的氨挥发低于50%MU,因为100%MU处理为一次性基施 (表1) 且缓释氮肥MU具有缓慢释放的特性。稻季氨挥发日通量峰值一般出现在施肥后的1~3天[1617]。而本试验稻季基肥期氨挥发日通量峰值有所延迟 (图2),是由于基肥施用后前3天连续降雨且气温低抑制了田间氨挥发损失所导致。因此,施肥后的天气状况对氨挥发有着重要的影响[18]

      本研究证实聚脲甲醛缓释肥能显著降低田面水铵态氮浓度 (图3)。尿素施入稻田后,在脲酶的水解作用下快速转化为铵态氮,使得田面水的铵态氮浓度迅速升高。而对于MU缓释氮肥,其中的小部分速效氮通过水解作用产生铵态氮,而大部分养分需经过微生物的分解作用方能缓慢释放出来,从而使得MU处理的田面水铵态氮浓度维持在较低水平[19]。田面水中铵态氮浓度是决定稻田氨挥发量的主要因素,本研究中田面水铵态氮浓度和氨挥发日通量间存在正相关关系,这与田玉华等[20]的研究结果一致。所以施用MU能够显著减少稻田氨挥发损失。综合稻麦轮作体系的结果可知,与只施用尿素相比,只施用MU或施用50%MU均能显著降低氨挥发损失,且只施用MU的效果优于其与尿素配施的效果。稻季50%MU50处理氨挥发损失量比U处理降低41.2%,50%MU70处理的降低37.6%;麦季50%MU50处理的氨挥发损失量显著低于50%MU70处理。由此可知,在稻麦轮作体系下,MU50配施尿素在减少氨挥发损失方面上优于MU70配施尿素。麦季50%MU70处理的氨挥发损失量明显高于U处理和50%MU50处理,是由于MU70养分释放周期长,在水稻收获后土壤表面残余部分MU70肥料颗粒。因此,稻季残留的MU70肥料颗粒中未释放完的养分和麦季施用的MU70共同作用导致了麦季50%MU70氨挥发损失量最高。本文稻季U处理和MU与尿素配施处理的氨挥发损失量高于该地区前人的相关研究结果 (N 22.5~28.9 kg /hm2)[13, 21],主要是因为本研究中肥料的施用量高于前人的施用量。氨挥发损失受施氮量影响显著[22]。而只施用MU处理的氨挥发损失量低于上述研究结果,主要是由于MU的释放特性所导致。

    • 本研究表明,MU缓释肥与尿素配施能保证水稻的产量。50%MU50和50%MU70处理的实际产量, 比U处理的分别增加了3.3%和2.2%, 但三者间未达到显著差异。100%MU50和100%MU70处理的实际产量显著低于U处理的产量 (表3), 分别减少了21.1%和17.8%,减产幅度较大。麦季MU配施尿素的处理产量低于U处理的产量,而只施用MU处理的产量低于MU配施尿素处理及尿素处理,是因为麦季气温低,土壤微生物对MU缓释氮肥分解弱,导致植株养分吸收少,因此收获时产量低。本次试验在水稻收获期时,在土壤表面发现了一些残存的MU肥料小颗粒,因而MU具有残留效应,又因为本研究在所提供的实验田里是首次进行MU缓释肥的试验,而分解MU缓释肥的相关微生物种群的积累需要一定时间[23],所以还需对MU肥料在土壤中的长期作用效果进行监测。本研究的施肥方式采用的是传统的土壤表面撒施,MU缓释肥未能充分进入土壤里,使得植株吸收养分不充分。前人研究[2427]表明改进施肥措施能有效提高氮肥利用率和产量。因此改进MU缓释肥的施用方式以保证MU肥料与土壤充分混匀将会更加充分地发挥其作用。

      种植作物
      Planting crop
      处理
      Treatment
      籽粒Grain 秸秆Straw 总吸氮量
      Total N uptake
      (kg/hm2)
      氮肥利用率
      NUE
      (%)
      产量(t/hm2)
      Yield
      吸氮量(kg/hm2)
      N uptake
      产量(t/hm2)
      Yield
      吸氮量(kg/hm2)
      N uptake
      稻季
      Rice season
      CK 6.0 a 57.3 a 6.8 a 37.9 a 95.2 a
      100%MU50 7.1 b 77.3 b 8.5 b 55.6 b 132.9 b 14.3 a
      100%MU70 7.4 b 76.6 b 7.9 ab 44.4 a 121.0 b 9.9 a
      50%MU50 9.3 c 114.0 c 8.6 b 71.8 d 185.8 d 33.9 c
      50%MU70 9.2 c 104.2 c 8.4 b 68.3 cd 172.5 cd 29.0 bc
      U 9.0 c 105.9 c 8.4 b 57.9 bc 163.8 c 25.8 b
      麦季
      Wheat season
      CK 0.7 a 12.7 a 1.1 a 3.9 a 16.6 a
      100%MU50 2.3 c 45.0 c 2.2 c 7.9 c 52.9 c 20.3 b
      100%MU70 1.4 b 28.9 b 1.8 b 6.9 b 35.5 b 10.5 a
      50%MU50 3.5 d 65.5 de 3.6 de 13.2 d 78.7 de 33.3 cd
      50%MU70 3.5 d 67.2 e 3.8 e 14.3 c 81.5 e 34.8 d
      U 3.6 d 62.4 d 3.5 d 13.4 de 75.8 d 31.8 c
      注(Note):MU70、MU50 分别为含 N39% 和 40% 的聚脲甲醛缓释氮肥;U 代表普通尿素;施氮量稻季为 N 270 kg/hm2,麦季为 N 190 kg/hm2;同列数值后不同小写字母表示处理间差异在 P < 0.05 水平显著。
      MU70 and MU50 are polyurea-formaldehyde fertilizer containing N 39% and 40%; U mean conventional urea; Nitrogen application rate were 270 kg/hm2 for rice and 190 kg/hm2 for wheat. Different letters in the same column denote significant difference among treatments (P < 0.05).

      表 3  稻−麦轮作体系不同处理产量、地上部吸氮量和氮肥利用率

      Table 3.  Yields, shoot N uptake and N use efficiency (NUE) for each treatment in the rice-wheat-rotation system

      与尿素相比,只施用MU处理的产量和氮肥利用率均较低,而MU配施尿素处理能显著降低氨挥发损失,提高氮肥利用率,保障粮食产量。两种施肥措施的结果存在显著差异,这与MU肥料的养分释放特征相关。聚脲甲醛缓释氮肥包含速效养分和长效成分,其速效养分在基肥期的释放可满足水稻幼苗对氮的需求,而MU的长效养分释放速率较慢,分蘖期和孕穗期是水稻的吸氮高峰期,由基肥期只施用MU处理的田面水铵态氮浓度高于MU配施尿素处理的和MU配施尿素处理的产量,显著高于只施用MU处理的结果可验证在这一时期MU养分的释放不能满足作物的需求,因此需在追肥期配合施用速效氮肥供作物吸收养分。许多研究也表明分次施肥可以提高作物的产量和氮肥利用率[28]。因此MU50配施尿素处理更适合在实际生产中进行应用。

    • 稻麦轮作体系下,相比尿素,MU50配施尿素能保证作物产量,减少氨挥发损失,提高氮肥利用率,不削减农户净收入。MU50相比MU70在增加产量、减少氨挥发损失、增加净收入和提高氮肥利用率方面效果更优。只施用MU50和MU70肥料虽然能显著降低田间氨挥发,但产量、净收入、氮肥利用率等较低。综合考虑,MU50和尿素的1∶1配施模式值得在太湖地区推广。

参考文献 (28)

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