作物单产除受培育品种影响外，还受栽培措施等方面的影响^[1]，而栽培措施中则以氮肥对作物产量的影响最大^[2]。氮肥作为作物增产的决定因子，在我国粮食生产中发挥着举足轻重的作用^[3]。据统计，我国每年生产、施用的氮肥量（纯氮计）约为2千万t^[4]，但当季利用率仅为30%~35%^{[5, 6]}。因此，普通氮肥的低利用率以及由此带来的环境污染，一直是困扰农业生产的大问题。普通氮肥不仅利用率较低，而且施入土壤后极易挥发、淋溶和发生反硝化反应^{[7, 8, 9]}，导致氮素的大量损失，造成环境污染^[10]。为此，具有肥效长且稳定、利用率高等特点的控释肥料，成为肥料研究领域的热点^[11]。

近年来，一些科研单位和企业致力于研发和生产利用率较高的肥料品种，以控释肥料代替普通化肥，初具成效。宗晓庆等^[12]研究表明，在同等氮素用量下，与普通尿素相比，硫膜控释尿素处理能显著提高玉米的产量；卢艳艳等^[13]研究表明，相对于硫膜控释尿素，树脂膜控释尿素在玉米需肥高峰期更能持续保持较高水平的耕层土壤无机氮含量，玉米产量和氮素利用率均有不同程度的提高。杨雯玉等^[14]研究表明，控释尿素配施普通尿素与普通尿素单施相比，无论是相同施氮量还是减少30%的施氮量，都显著增加小麦产量及提高氮肥利用率。有关控释尿素在水稻的应用研究也较多，也多集中在控释尿素对水稻的增产效应及提高氮肥利用率等方面^{[15, 16, 17, 18, 19]}。而控释氮肥对水稻的生理特性、品质及稻田土壤无机氮积累的研究报道偏少。本文以水稻为试验材料，研究控释尿素对水稻叶片和籽粒中的硝酸还原酶活性等主要氮代谢指标、产量与品质以及氮肥利用率的影响，旨在从水稻生理特性的角度研究控释尿素提高氮肥利用率和水稻产量，改善水稻品质以及降低稻田土壤硝态氮积累的作用机理，从而为水稻的科学施肥提供理论依据。

试验于2014年在信阳市罗山县农科所试验园区进行，试验地前茬为小麦，供试土壤类型为水稻土，质地为轻粘土（粘粒含量33.5%，粒径＜0.001 mm）。土壤基本农化性状为pH 6.5，有机质18.1 g·kg^-1，碱解氮95.0 mg·kg^-1，速效磷42.3 mg·kg^-1，速效钾98.5 mg·kg^-1。

供试水稻品种为郑稻18号（粳稻）。供试肥料中，控释尿素（N，34%）为6个月控释期（在静水中25 ℃下的释放测定结果）的包膜尿素，由金正大生态工程集团股份有限公司生产提供；普通尿素（N，46%）、普通过磷酸钙（P₂O₅，12%）和氯化钾（加拿大产，K₂O，60%）肥料均在当地农化市场购买。

试验设5个处理：①对照CK（不施氮肥，施磷、钾肥）；②普通尿素100%（PU100%）；③控释尿素40%+普通尿素60%（CRU40%+PU60%）；④控释尿素60%+普通尿素40%（CRU60% +PU40%）；⑤控释尿素100%（CRU100%）。氮肥用量按N 180 kg·hm^-2，其中，控释尿素作底肥一次施入，普通尿素除普通尿素100%（30%作底肥、70%作追肥）外，其他处理作追肥一次施入。同时，普通过磷酸钙和氯化钾作基肥分别施P₂O₅ 90 kg·hm^-2和K₂O 150 kg·hm^-2。

各处理重复3次，随机区组排列。小区面积20 m²，周围设1 m保护行，重复间设走道，小区间设畦埂，上覆塑料薄膜，防止串水串肥。2014年6月10日划行移栽，株行距30 cm×14 cm，密度为14.3万穴·hm^-2。田间管理按照常规方式进行，6月28日搁田，7月10日复水，10月10日测产并结束试验。

分别在水稻齐穗期、乳熟期和蜡熟期取功能叶，测定其各生理指标（硝酸还原酶、蛋白水解酶、谷氨酰胺合成酶与转氨酶活性），分别在水稻结实期的乳熟前期、乳熟后期和蜡熟期取籽粒样，测定籽粒中的谷氨酰胺合成酶与转氨酶的活性。成熟期各小区全部收获，实打实收，脱粒扬净后取1 kg烘干，称质量，计算烘干率，单独计产，并折算成公顷产量。同时，分别采取各处理水稻的籽粒和秸秆样品，测定其全氮含量。

其中，硝酸还原酶活性用磺胺比色法测定，并以30 ℃下1 h内还原NO₃^-形成1 μg NO₂^-的量作为1个酶活性单位^[20]；谷氨酰胺合成酶活性和谷氨酰胺转化酶活性采用比色法测定酶活力，并以30 ℃下1 h内形成1 μmol γ-谷氨酰基羟肟酸的量作为1个酶活性单位^[20]；蛋白水解酶活性的测定参照韩雅珊^[21]的方法，以40 ℃下1 h内水解产生10 μg酪氨酸的酶量作为1个酶活性单位；植物和籽粒中全氮含量采用H₂SO₄-H₂O₂消煮，用半微量凯氏定氮法进行测定^[22]。氮肥利用率（%）=[施氮区植株吸氮量－无氮区植株吸氮量]/施氮量×100。籽粒的蛋白质含量=籽粒全氮含量×5.95；直链淀粉含量的测定参照国家标准《GB/T 17891—1999优质稻谷》，其中，检验按GB/T 15683执行。水稻收获后，按土层深度（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）用土钻分层采集各小区的土壤样品。土壤硝态氮含量采用0.01 mol·L^-1 CaCl₂为浸提液，在210 nm下用紫外分光光度法比色测定^[22]。土壤基本理化性状指标的测定采用常规分析方法^[22]进行。

采用Excel 2007软件进行数据处理及绘图，用SPSS17.0软件进行方差分析，并用多重比较（LSD法）进行差异显著性检验。

试验结果表明，在采样的3个生育期中，3个控释尿素处理（指CRU40%+PU60%、CRU60%+PU40%和CRU100%处理，下同）硝酸还原酶（NR）活性均高于对照和普通尿素处理，说明控释尿素能显著提高水稻功能叶的NR活性（图 1）。同时，对照和尿素处理的水稻功能叶NR活性呈逐渐下降趋势，而3个控释尿素处理水稻功能叶的NR活性先升高后下降，并且同一时期不同施氮处理之间NR活性的差异较大。说明叶片在衰老过程中氮素还原能力逐渐下降，而控释尿素在乳熟期则显著提高其还原能力。

同组数据柱上标注含有相同字母的表示差异不显著，P<0.05。下同 图 1 不同处理水稻叶片中的硝酸还原酶活性 Figure 1 NR activity in rice leaves of different treatments

图选项

在齐穗期，3个控释尿素处理的水稻功能叶片NR活性均高于对照处理和普通尿素处理，而且差异显著。3个控释尿素处理中，以处理4的NR活性最高，达39.1 U·g^-1，其次是处理5，处理4与处理3之间的差异较为显著，而处理3与处理5之间则无显著差异。其中，处理4、处理5和处理3分别比对照处理提高60.9%、52.7%和45.7%，比普通尿素处理提高28.2%、21.6%和16.1%。各施肥处理NR活性差异最大时期在乳熟期，3个控释尿素处理的NR活性显著高于对照和普通尿素处理，而且3个控释尿素处理相互之间的差异均达显著水平，其中处理4最高，达49.0 U·g^-1，其次是处理5。处理4、处理5和处理3分别比对照处理提高142.6%、124.8%和98.5%，比普通尿素处理提高54.1%、42.8%和26.1%。到蜡熟期，各施氮处理的水稻功能叶NR活性均显著高于对照，但各控释尿素处理之间差异很小，与普通尿素处理之间差异也不显著。

从图 2中可看出，从齐穗期至蜡熟期所有处理的谷氨酰胺合成酶（GS）活性呈下降趋势。3个控释尿素处理能显著增强叶片中GS活性，且增强作用可持续到蜡熟期，其增强效果在齐穗期最为明显。齐熟期，3个控释尿素处理的GS活性显著高于普通尿素处理和对照处理，且普通尿素处理与对照之间差异也较显著。3个控释尿素处理中，处理4的GS活性最高，其次是处理5，而两处理之间GS活性差异不显著，但处理4的GS活性均显著高于处理3。处理4、处理5和处理3的GS活性分别比对照处理的提高125.6%、109.8%和85.4%，比普通尿素处理分别提高66.7%、55.0%和36.9%。乳熟期，所有施氮处理的GS活性均显著高于对照处理，但3个控释尿素处理除处理4显著高于普通尿素处理外，其他处理均与普通尿素处理之间差异不显著。蜡熟期，除了处理2，所有施氮处理的GS活性均显著高于对照处理，但3个控释尿素处理的GS活性与普通尿素处理之间的差异均不显著，且它们相互之间的差异也均不显著。

图 2 不同处理水稻叶片中的谷氨酰胺合成酶活性 Figure 2 GS activity in rice leaves of different treatments

图选项

水稻功能叶片的谷氨酰胺转化酶（GT）活性的变化趋势与其谷氨酰胺合成酶活性的变化趋势相似，从齐穗期至蜡熟期各处理的GT活性也呈下降趋势（图 3）。齐穗期，处理4、处理5和处理3，3个控释尿素处理的GT活性分别比对照处理提高96.4%、76.4%和41.8%，3个控释尿素处理中，处理4和处理5的GT活性显著高于普通尿素处理，分别提高56.5%和40.6%。乳熟期，所有施氮处理的GT活性均显著高于对照处理，处理4、处理5和处理3的GT活性分别比对照提高85.4%、80.5%和41.5%。3个控释尿素处理中，只有处理4和处理5的GT活性显著高于普通尿素处理，分别提高46.2%和42.3%，而3个控释尿素处理之间的差异则不显著。蜡熟期，3个控释尿素处理的GT活性显著高于对照处理和普通尿素处理，而3个控释尿素处理之间的差异则不显著。

图 3 不同处理的水稻叶片中谷氨酰胺转化酶活性 Figure 3 GT activity in rice leaves of different treatments

图选项

图 4显示，除对照处理外，其他各处理水稻功能叶的蛋白水解酶活性呈先上升后下降的趋势。齐穗期，对照处理叶片蛋白水解酶活性显著高于普通尿素和3个控释尿素处理，而且各施氮处理之间差异不显著。控释尿素能显著提高乳熟期和蜡熟期叶片中的蛋白水解酶活性。

图 4 不同处理水稻叶片中的蛋白水解酶活性 Figure 4 Protease activity in rice leaves of different treatments

图选项

乳熟期，3个控释尿素处理的蛋白水解酶活性显著高于对照和普通尿素处理，且3个控释尿素处理相互之间的差异也较显著，处理4、处理5和处理3的蛋白水解酶活性分别比对照提高62.0%、53.4%和44.8%，比普通尿素处理提高39.3%、31.9%和24.5%，其中，处理4最高，处理5次之。蜡熟期，3个控释尿素处理的蛋白水解酶活性也显著高于对照处理和普通尿素处理，其中，处理4最高，显著高于处理5和处理3，处理4、处理5和处理3的蛋白水解酶活性分别比对照处理提高53.4%、41.9%和35.1%，比普通尿素处理提高40.5%、30.0%和23.8%。

图 5表明，水稻籽粒中GS活性与水稻叶片中的GS活性趋势相似，从乳熟前期至蜡熟期所有处理的GS活性也呈下降趋势。3个控释尿素处理能显著增强籽粒中的GS活性，且增强作用可持续到蜡熟期，其增强效果在乳熟前期和乳熟后期较为明显。

图 5 不同处理的水稻籽粒中谷氨酰胺合成酶活性 Figure 5 GS activity in brown rice of different treatments

图选项

在乳熟前期，3个控释尿素处理水稻籽粒的GS活性均显著高于对照和普通尿素处理，但3个控释尿素处理之间的差异不显著。处理4、处理5和处理3中籽粒的GS活性分别比对照处理提高136.4%、115.2%和106.1%，分别比普通尿素处理提高66.0%、51.1%和44.7%。乳熟后期，所有施氮处理籽粒的GS活性均显著高于对照处理，但3个控释尿素处理中，只有处理4和处理5的GS活性显著高于普通尿素处理，且处理4籽粒中的GS活性也显著高于处理5的。其中，处理4和处理5籽粒中GS活性分别比普通尿素处理提高87.1%和35.5%。蜡熟期，3个控释尿素处理中只有处理4与普通尿素处理相比，仍保持较高的GS活性，比普通尿素处理提高65.2%。

图 6表明，水稻籽粒中GT活性与水稻叶片中GT活性变化趋势相似，从乳熟前期至蜡熟期各处理的GT活性也呈下降趋势。

图 6 不同处理的水稻籽粒中谷氨酰胺转化酶活性 Figure 6 GT activity in brown rice of different treatments

图选项

乳熟前期，与对照处理和普通尿素处理相比，3个控释尿素处理籽粒中的GT活性均显著提高，而3个控释尿素处理中，处理4和处理5籽粒的GT活性显著高于普通尿素处理，但处理4和处理5之间的差异不显著。处理4、处理5和处理3籽粒的GT活性分别比对照提高94.6%、70.3%和64.9%，比普通尿素处理提高75.6%、53.7%和48.8%。乳熟后期，所有施氮处理的GT活性均显著高于对照处理，3个控释尿素处理中，处理4和处理5籽粒中的GT活性显著高于普通尿素处理，而处理4和处理5之间的差异不显著，处理4和处理5籽粒的GT活性分别比普通尿素处理提高53.3%和36.7%。蜡熟期，3个控释尿素处理的GT活性显著高于普通尿素处理和对照处理，而3个控释尿素处理之间的差异则不显著，处理4、处理5和处理3籽粒中的GT活性分别比普通尿素处理提高89.5%、80.0%和78.9%。这也说明控释尿素对籽粒中GT活性的增强作用一直持续到蜡熟期。

与普通尿素相比，控释尿素能显著提高水稻的产量，其中，处理4的产量最高，处理5次之；处理4、处理5和处理3分别比普通尿素处理的产量提高21.4%、19.0%和16.0%（表 1）。同时，3个控释尿素处理的氮素利用率也显著高于普通尿素处理，处理4最高，达55.1%，处理4、处理5和处理3的氮素利用率分别比普通尿素处理提高18.0、13.7、11.4个百分点。另外，控释尿素显著增加了蛋白质的含量，尤其是处理4效果最为明显，其次是处理5，这是控释尿素促进水稻氮代谢的结果。

表 1 不同处理的水稻产量、蛋白质含量及氮肥利用率 Table 1 Rice yield，protein content and nitrogen use efficiency of different treatments

表选项

各施氮肥处理在0~100 cm土壤剖面各土层土壤硝态氮含量均明显高于对照处理，除处理2和处理5外，各土层的土壤硝态氮含量基本上以0～20 cm耕作层最高（图 7）。随着土层深度的增加，处理2和处理5土壤的硝态氮含量先增加后降低，其他处理随着土层深度的增加，其硝态氮含量呈降低趋势。其中，0~60 cm土层的硝态氮含量降低幅度较低，60~100 cm土层降低趋势平缓。各土层深度的硝态氮含量除CK外均以处理4最低，处理2最高，可见，控释尿素有明显降低土壤硝态氮含量的作用，而且还减少硝态氮向土壤深层渗漏，从而起到降低地下水硝态氮含量的作用。

图 7 不同处理的水稻土壤硝态氮含量及其剖面分布 Figure 7 NO3--N contents and distribution on the paddy soil profile with different treatments

图选项

NR是植物氮代谢的关键酶，而且是催化NO₃^-转化氨基酸的第一步反应，同时也是植物体内氮素同化中的限速酶，而GS是处于氮代谢中心的多功能酶，参与植物中各种氮代谢的调节^[23]。本研究结果表明，施用控释尿素能显著提高水稻中、后期功能叶片的NR活性，特别是在乳熟期。从齐穗期至蜡熟期所有施氮处理的GS活性呈下降趋势，而3个控释尿素处理均能显著增强叶片中GS活性，且增强作用可持续到蜡熟期，这也与聂军等^[24]研究的结果相一致。控释尿素对水稻生育中、后期功能叶片中NR和GS活性的提高，主要是由于控释尿素的氮释放速度与水稻不同生育期的对氮素的吸收速度基本达到同步^[25]，同时也说明了控释尿素促进了孕穗后水稻体内的氮素吸收与氮同化能力，这对水稻产量及氮素利用率的提高具有重要作用。本研究结果也表明，控释尿素能显著提高水稻的产量，其中，处理4的产量最高。

已有研究^{[26, 27]}表明，水稻籽粒中的氮素大部分来自开花前植株贮存氮素的再运转，其中，蛋白质的降解起着重要作用，而蛋白质的降解是与蛋白质水解酶的活性相关的。本研究结果也表明，控释氮肥还能增强籽粒中的NR和GS活性，且增强作用可持续到蜡熟期，其增强效果在乳熟前期和乳熟后期较为明显，从而可促进水稻籽粒中的氮素同化能力。控释尿素通过对氮素释放的调控，可提高水稻生育后期功能叶片中的蛋白水解酶活性，从而促进水稻蛋白质的水解，以便向水稻籽粒进行再运转，有利于水稻籽粒中蛋白质的积累。本研究的结果也显示，控释尿素可增强水稻生育后期（本研究中乳熟期和蜡熟期）叶片的蛋白水解酶活性，说明控释尿素有利于水稻生育后期叶片中蛋白质的降解。同时，控释尿素显著增加了籽粒的蛋白质含量，尤其是处理4效果最为明显，其次是处理5，这是控释尿素促进水稻氮代谢的结果，从而在一定程度上改善了稻米的品质，这也与以前的研究结果^{[28, 29, 30, 31]}基本一致。

氮肥在土壤中的损失方式主要是硝态氮淋失和氨挥发，普通尿素属于速效氮肥，在土壤中极易淋溶与挥发，导致氮素的损失及利用率降低，而控释氮肥不仅能提高作物对氮的吸收，还能影响土壤中无机氮素的含量。薛高峰等^[32]研究表明，包膜控释尿素能显著增强冬小麦对氮、磷、钾养分的吸收，增加籽粒产量，同时，还能明显减少硝态氮向土壤深层渗漏数量。杨士红等^[33]研究表明，施用控释氮肥能明显减少土壤中的铵态氮质量比以及氨挥发损失。符建荣^[34]和郑圣先等^[35]的研究也表明，控释尿素能显著提高水稻氮素的吸收利用，减少氨的挥发，减少氮的径流、淋溶和硝化-反硝化等途径的损失。本研究表明控释尿素相比普通尿素，能明显降低水稻土壤中硝态氮的含量，特别是控释尿素与化肥配施效果更为明显。可见，控释尿素不仅能明显降低土壤硝态氮含量，而且还减少硝态氮向土壤深层渗漏，以减轻对地下水污染风险。

（1）与普通尿素相比，施用控释尿素能显著提高水稻中、后期功能叶片的硝酸还原酶（NR）活性，特别是在乳熟期。从齐穗期至蜡熟期所有施氮处理的谷氨酰胺合成酶（GS）活性呈下降趋势，而3个控释尿素处理均能显著增强叶片中GS活性，且增强作用可持续到蜡熟期，其增强效果在齐穗期最为明显。其中，以处理4（CRU60%+PU40%）最为明显。控释尿素还增强水稻生育后期（乳熟期和蜡熟期）叶片的蛋白水解酶活性，促使叶片中的氮素向籽粒再运转。

（2）控释尿素能增强籽粒中的NR和GS活性，且增强作用可持续到蜡熟期，其增强效果在乳熟前期和乳熟后期较为明显。控释尿素还能显著增加籽粒的蛋白质含量，尤其是处理4效果最为明显，其次是处理5。这是控释尿素促进水稻氮代谢的结果，从而在一定程度上改善了稻米的品质。

（3）控释尿素能显著提高水稻的产量，其中，处理4的产量最高，处理5次之。同时，3个控释尿素处理的氮肥利用率也显著高于普通尿素处理，以处理4最高。与普通尿素相比，控释尿素还能明显降低水稻土壤中硝态氮的含量，特别是控释尿素与化肥配施效果更为明显，其中，各土层深度的硝态氮含量均以处理4最低。控释尿素不仅能明显降低土壤硝态氮含量，还能减少硝态氮向土壤深层渗漏。