控失尿素对宁夏引黄灌区水稻产量和氮素淋失的影响

洪瑜 李旭 张慈娟 王英 闫媛 王芳 刘汝亮

摘要：[目的]利用控失尿素开展宁夏引黄灌区水稻化肥减量研究，为提高宁夏引黄灌区水稻产量，减少氮素损失，促进氮素环保高效施用提供数据参考。[方法]通过田间试验，以不施氮肥（CK）和常规尿素为对照，设控失常量、控失减量10%、控失减量20%、控失：常规为7：3、控失：常规为5：5、控失：常规为3：7、控失尿素（基）等7个处理，研究不同控失尿素减量配比处理对水稻产量、氮素吸收利用和淋失的影响。[结果]（1）施用控失尿素能够促进水稻增产，控失：常规为5：5处理的水稻增产效果最好，比常规尿素增产8.92%，其次为控失：常规为7：3.控失尿素主要增加水稻的穗粒数进而增加产量。（2）施用控失尿素能够促进水稻氮肥利用率，控失减量10%处理的氮肥利用率最高，比常规尿素增加了9.79个百分点，其次为控失：常规为5：5处理。（3）施用控失尿素能够降低稻田田面水总氮浓度和总氮淋失量。与常规尿素相比，控失尿素各处理整个水稻生育期全氮淋失量降低了28.40%～66.32%，其中，控失减量20%处理氮素淋失降低幅度最大，其次为控失减量10%、控失常量处理。[结论]控失尿素可以显著提高水稻的产量与氮肥利用率，降低氮素淋失量。综合考虑，施用控失尿素243～270kRg·hm^-2、控失尿素与常规尿素配比5：5是宁夏引黄灌区较合理的氮素运筹模式。

关键词：控失尿素;水稻产量;氮素淋失;引黄灌区

中图分类号：S511文献标志码：A 文章编号：1008-0384（2020）03-0323-08

0 引言

（研究意义）宁夏引黄灌区是我国西北大型引黄自流灌区，素有“塞上江南”的美誉，是全国优质大米的主产区之一。水稻是引黄灌区种植面积最大的作物，2017年引黄灌区水稻播种面积达到8.1万hm²，占粮食播种面积的29.75%。而水稻生产过程中，长期过量施用氮肥导致肥料利用率低，土壤中氮素出现盈余，大量未被吸收的氮素主要通过淋洗和气态等途径损失，退水中硝酸盐浓度升高，造成土壤和浅层地下水体污染。据统计，宁夏引黄灌区的氮肥损失率达到20%～65%，以淋洗损失为主。因此，如何开展化肥减量研究，提高水稻氮素利用效率，对减少农业面源污染源头排放，促进农业清洁生产可持续发展具有重要意义。（前人研究进展）新型控失尿素是近几年新研发出的高效、环境友好的新代尿素，通过特种设备将生物有机复合型材料加入到尿液，充分混合后反应形成控失剂一尿素复合体，采用的控失材料完全是天然的矿物质和纯生物材料，对土壤和作物无危害，施入土壤后，遇水能够由外而内逐层吸水膨胀，吸水层迅速组装成海绵状的网络结构，具有很强的耦合性，能够将溶解的养分耦合在网络内，达到了控制养分挥发和流失、提高肥料利用率的目的。有研究报道，施用控失尿素能够提高土壤养分含量，有效降低稻田土壤氨挥发损失，有利于水稻对氮、磷、钾养分的吸收与积累，增加水稻产量，提高肥利用效率。在小麦、玉米、棉花、番茄等作物上，施用新型控失尿素均能有效提高作物产量，提高氮肥利用率，具有节肥增产效果。（本研究切入点）现有研究大部分都是控失尿素对作物产量与氮肥利用率的影响，稻田土壤研究仅限于养分含量与氨挥发，关于控失尿素对水稻氮素淋失影响的研究鲜有报道。（拟解决的关键问题）本文针对稻田氮素利用率低与退水污染日益严重的问题，探讨新型控失尿素减量配比对水稻产量、氮素吸收利用以及淋失的影响，为宁夏引黄灌区水稻生产中氮肥环保高效施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验地概况

试验区位于宁夏永宁县望洪镇（106°2214”E，38°47'62”N），地处中温带干旱气候区，年均蒸发量1470.1nLrn，年均降水量201.4mm，年均气温8.7℃，≥10℃的积温平均为3245.6℃，年均日照时数2866.7h，无霜期平均167d.土壤类型为灌淤土，基本理化性质为：pH 8.21，有机质含量13.18g·kg^-1，全氮含量0.61g·kg^-1，碱解氮含量25.15mg·kg^-1，速效磷含量8.64mg·kg^-1，速效钾102.18mg·kg^-1。

1.2 试验设计

不同种类尿素肥料由心连心化肥有限公司生产提供，控失尿素（N，43.2%），普通尿素（N，46.4%），施肥量与基追比见表1，磷钾肥作为基肥1次施入，磷肥用重过磷酸钙（P₂O₅，46%），钾肥用氯化钾（K₂O，60%）。试验小区面积78m²，随机区组排列，重复3次。供试水稻品种为宁粳50号，2018年5月13日施基肥整地，5月25日插秧，6月15日追蘗肥，7月5日追穗肥，9月26日收获。

1.3样品采集与分析

在水稻插秧后开始采集水样，分别在插秧和追肥后第3、7、10d用注射器随机抽取小区内3处中上层稻田田面水。在常规处理每次追肥后的第1、3、5、7、9d采集渗漏水，控失尿素各处理的水样采集频率与常规处理一致，其余时间按照间隔10d采集渗漏水，使用渗漏水取样装置采集。

水稻成熟期采集植株样品，每小区采集1m²的水稻植株样品，70℃杀青20min，105℃烘干，测定植株和籽粒全氮含量，計算水稻的秸秆生物量、籽粒产量和氮素养分利用率。在水稻收获时，每个小区实打实收计算水稻产量，采集植株样品考种，测定株高、穗长、穗粒数及千粒重等指标。

水稻收获后，按照S形多点混合采集耕作层0～20cm土样，风干、研磨过筛。土壤pH值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量按照普通土壤农化分析方法测定。

1.4 数据处理与统计分析

氮肥利用率（NUE，%）=（施氮处理吸氮量不施氮处理吸氮量）/6范氮量×100

氮肥农学效率（AEN，kg·kg^-1）=（施氮区作物产量不施氮区作物产量）/施氮量

氮肥偏生产力（PFPN，kg·kg）=单位面积作物产量/单位面积施氮量

氮素淋失量=淋溶水中氮的浓度×淋溶水的体积

氮素淋失量占施肥量的比例=（施肥处理氮素淋失量不施肥对照氮素淋失量）/施氮量×100%

采用Excel和SPSS软件进行数据处理和统计分析，并采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同控失尿素处理对水稻产量以及构成因素的影响

从表2可以看出，各施肥处理与CK处理的产量之间存在显著性差异（P<0.05）。控失：常规为5：5处理的水稻产量最高，其次为控失：常规为7：3的处理，分别比常规尿素产量提高了8.92%、7.78%。与控失常量处理比较，随着控失尿素减量比例增大，水稻产量逐渐降低;控失尿素全部基施处理因为后期养分不足从而影响产量。

从表2可以看出，各施肥处理与CK处理的穗粒数之间存在显著性差异（P<0.05）。穗粒数较高的是控失：常规为7：3和控失：常规为3：7，分别比常规施肥处理提高了29.2个和25.9个。除CK处理外，千粒重较高的为控失：常规为5：5的处理和控失：常规为7：3的处理。综合考虑水稻产量和产量构成因素，控失：常规为5：5和控失：常规为7：3的处理为合理的氮肥减量和运筹模式，水稻产量没有显著降低。

2.2 不同控失尿素处理对水稻氮肥利用率的影响

由表3可见，各施肥处理与CK处理的吸氮量之间存在显著[生差异（P<0.05）。控失：常规为5：5处理的总吸氮量最高，为183.31kg·hm^-2，其次是控失尿素处理的181.79kg·hm^-1。控失减量10%、控失：常规为5：5处理与常规尿素、控失尿素全部基施、控失减量20%处理的氮肥利用率之间存在显著性差异（P<0.05）。控失减量10%处理的氮肥利用率最高，达到39.19%，比常规尿素处理增加了9.79个百分点;其次为控失：常规为5：5处理36.08%，比常规尿素处理增加了6.68个百分点。控失减量10%处理的氮肥农学效率最高，其次为控失：常规为5：5处理;控失减量20%处理的氮肥偏生产力最高，其次为控失减量10%处理，但是差异均不显著。

控失尿素可以满足水稻生育期对氮素的需求，在氮素投入降低10%的基础上，对氮素的吸收没有明显降低且氮肥利用率明显优于常规尿素处理，降低了氮素淋失的风险。在宁夏引黄灌区根据实际情况采用控失：常规=5：5、控失减量10%、控失：常规=7：3处理这3种比较合理的氮肥运筹模式，均能够保证产量与提高氮素利用率，其中以控失：常规=5：5处理较好。

2.3 不同控失尿素处理对稻田田面水全氮质量浓度动态变化的影响

稻田田面水由于灌排水及降水通过排水沟流入黄河水体与地表水体，极易造成水体富营养化，而追肥撒施也加重了水体面源污染风险。由图1可见，常规尿素与控失尿素基施灌水以及追施蘗肥、穗肥后，稻田田面水全氮质量浓度均迅速升高到峰值，随后由于作物吸收而逐渐降低，施肥10d之后下降到相对最低值。

由于控失尿素的网状结构，延缓了尿素氨化、水解等过程，与常规尿素处理相比，控失尿素各处理稻田田面水全氮质量浓度均相对较低。其中，控失尿素减量处理由于施肥量减少，控失/常规尿素配比各处理由于控失尿素配比加大，稻田田面水全氮质量浓度也相应较低。由于基施氮肥比例较高，5月28日常规尿素稻田田面水全氮质量浓度达到峰值34.34mg·L^-1，而控失减量20%处理减少幅度最大，与常规尿素相比减少了32.32%，控失减量10%、控失常量处理其次，分别减少了26.76%、23.12%。控失尿素全部基施处理仅在基施灌水后，稻田田面水全氮质量浓度达到最高值32.82mg·L^-1，随后逐渐降低，在6月4日之后一致保持在较低水平。

2.4 不同控失尿素处理对稻田氮素淋失的影响

由表4可以看出，在水稻返青期间，常规尿素、控失尿素（基）处理与其他各处理的总氮淋失量之间存在显著性差异（P<0.05）;分蘗期间，常规尿素处理与其他各处理的总氮淋失量之间存在显著性差异（P<0.05）。常规尿素处理的总氮渗漏淋失主要发生在分蘗期，而控失尿素各处理总氮渗漏淋失有所延迟，在孕穗期发生淋失的比例明显增大。

在水稻生育期间，各处理中总氮淋失量大小顺序表现为：常规尿素>控失尿素（基）>控失：常规=5：5>控失：常规=3：7>控失：常规=7：3>控失常量>控失减量10%>控失减量20%>CK，其中，CK、控失减量20%、控失减量10%、控失常量处理与控失尿素（基）、常规尿素处理的总氮淋失量之间存在显著性差异（P<0.05）。控失减量20%、控失减量10%、控失常量处理的总氮淋失量分别为13.44、16.23、18.33kg·hm^-2，比常规尿素处理分别减少66.32%、59.31%、54.04%。

常规尿素处理与各控失尿素处理的氮素淋失量占施肥量的比例之間存在显著差异（P<0.05），其中，控失减量20%、控失减量10%、控失常量处理的氮素淋失量占施肥量的比例分别为0.63%、1.71%、2.32%，比常规尿素处理分别减少93.86%、83.37%、77.47%。可见，控失尿素可以显著降低氮素渗漏淋失量。

3讨论与结论

3.1 不同控失尿素处理对水稻产量与氮肥利用率的影响

本研究结果表明，不同控失尿素处理，除控失减量20%、控失尿素（基）外，均能提高产量，达到8869.76～9504.22kg·hm，其中控失：常规为5：5处理的增产效果最为明显，比常规尿素增产8.92%，其次为控失：常规=7：3、>控失常量、控失减量10%和控失：常规=3：7处理，分别比常规尿素增产7.78%、6.94%、5.15%和1.65%;控失减量20%、控失尿素（基）处理虽然分别比常规尿素减产2.87%、1.52%，但是差异不显著。不同控失尿素处理，除控失减量20%、控失尿素（基）外，均能提高氮肥利用率，达到30.40%～39.19%，其中控失减量10%处理的氮肥利用率最高，比常规尿素增加9.79个百分点，其次为控失：常规=5：5、控失常量、控失：常规=7：3和控失：常规=3：7处理，分别比常规尿素增加6.68、6.12、5.25、1.00个百分点。

控失尿素通過天然高分子纳米分子网材料与化肥复配，通过胶体作用形成巨大的网状交链，吸附网捕化肥中的营养元素，在作物根系周围形成营养库，从而增加了作物产量与肥料利用率。薛欣欣等研究结果表明，与普通尿素处理相比，控失尿素分次施用处理的水稻籽粒和茎叶氮含量、稻谷产量均有不同程度提高，氮肥利用率显著提高了7.6%，而控失尿素1次施用处理的水稻籽粒和茎叶氮含量、氮素积累量以及氮肥利用率均显著降低。文祥朋等研究结果表明，控失尿素常量或与常规尿素配施均可显著增加水稻产量，且控失尿素与常规尿素以1：3质量比配合施用效果最好，可增加有效穗数，增产幅度为3.86%。在海南省水稻上，30%常规尿素+70%控失尿素能够获得较高的稻谷产量、氮肥利用效率及经济效益。以上研究均与本研究结果一致。而李志国等研究结果表明，控失尿素增产效果低于普通尿素，控失尿素和普通尿素混施比单施控失尿素增产，控失：常规=7：3处理产量最高。与本研究结果不一致，这可能与试验区域生态气候条件、土壤肥力有关。

3.2 不同控失尿素处理对水稻氮素淋失的影响

本研究中，控失尿素各处理整个水稻生育期全氮淋失量达到了13.44～28.56kg·hm^-2，比常规尿素处理减少了28.40%～66.32%;各控失尿素处理的总氮淋失量占施肥量的比例0.63%～6.11%，比常规尿素处理减少了40.70%～93.86%，其中，控失减量20%处理的总氮淋失减少幅度最大，其次为控失减量10%、控失常量处理，而控失尿素（基）减少幅度最小。控失尿素中添加的网状材料，可以减缓尿素在土壤中的转化过程，进而使养分更多的供给作物吸收利用，在延缓尿素氨化、水解等过程的同时，减少氮素淋失。薛欣欣等研究结果表明，控失尿素分次施用处理的氮素损失率最低，而控失尿素1次施用处理的氮素损失率最高，与本文研究结果保持一致。

综上所述，控失尿素能够促进水稻的穗粒数增加从而获得更多产量，促进氮素吸收并提高氮肥利用率，降低稻田田面水总氮浓度和总氮淋失量;考虑水稻产量、氮肥利用率和氮素淋失量等因素，控失减量10%、控失：常规为5：5与控失常量处理是宁夏引黄灌区较合理的氮素运筹模式;由于氮素淋失途径和淋失形态较多，为更深入进行氮平衡计算，关于控失尿素对稻田气态损失和有机态氮素淋失量的影响还有待于深入研究。