我國水稻氮肥高效利用的研究進(jìn)展

徐 優(yōu)，王學(xué)華

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128)

有數(shù)據(jù)顯示，近年我國水稻種植面積逐年減少，而糧食需求卻持續(xù)增長，水稻高產(chǎn)量顯得愈來愈急迫且重要。為解決這一矛盾，在生產(chǎn)上主要依靠提高單產(chǎn)來增加糧食產(chǎn)量，而施用肥料尤其是氮肥對(duì)提高水稻單產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)［1］。氮是水稻生產(chǎn)的主要養(yǎng)分因素之一［2，3］，我國氮肥的生產(chǎn)量和使用量在世界都居于首位［4］。研究表明，一定范圍內(nèi)氮肥施用量使水稻獲得高產(chǎn)［5］，過量施用氮肥不僅影響水稻增產(chǎn)，也會(huì)降低氮肥利用率，造成面源污染［6～8］。因此，如何在不減產(chǎn)的前提下提高氮肥利用率，減輕氮肥大量流失對(duì)環(huán)境造成的污染，可持續(xù)的發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，成為各國共同關(guān)注的問題。

1 我國氮肥的使用現(xiàn)狀和主要問題

1.1 氮肥用量過多，利用率過低

據(jù)世界糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，目前我國氮肥用量占全球氮肥用量30%。1961～1999年，全球氮肥用量(以元素N計(jì))從1.16×107t增加到8.55×107t，增加了6.4倍，而中國在同期內(nèi)氮肥用量增加了43.8倍［9］。我國普遍施氮量在 150 ～250 kg/hm2，而在江蘇省某些稻田施氮量達(dá)到 300 kg/hm2［10，11］。由此可見，我國稻田氮肥用量已經(jīng)處于相當(dāng)高的水平。氮肥用量水平不斷提高的同時(shí)，我國稻田的氮肥利用率卻一直較低。研究表明，我國稻田氮肥吸收利用率為 30% ～50%［12］。朱兆良［13］報(bào)道，在中國稻田碳銨氮素吸收利用率低于30%，尿素為30%～40%，而世界熱帶稻田的氮肥吸收利用率一般為30% ～50%。

1.2 氮肥流失嚴(yán)重，環(huán)境和人類健康問題日漸惡化

氨揮發(fā)、硝化和反硝化、淋洗和徑流是稻田中氮損失的主要途徑［14，15］，造成了氮肥的大量流失和嚴(yán)重的環(huán)境問題［16，17］。其一，對(duì)水體的影響。大量流失的氮素進(jìn)入到水體中，不僅會(huì)引起地面水體的富營養(yǎng)化，還會(huì)增加地下水的硝態(tài)氮含量，對(duì)人體和水生生物都存在威脅［18］。其二，對(duì)大氣的污染。施用肥料所引起的氮氧化物可與O3發(fā)生反應(yīng)，使臭氧層不斷被破壞，長此下去，嚴(yán)重影響到人類和生物的生存環(huán)境。其三，造成土壤板結(jié)和酸化。過多使用氮肥的結(jié)果是大量的NH+4與土壤中的Mg2+、Ca2+等離子發(fā)生陽離子交換，使土壤膠體分散，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土質(zhì)板結(jié)，土壤的通氣蓄水能力也大大降低［19］。其四，“環(huán)境激素”問題。農(nóng)作物在大量施用氮肥的人工“保養(yǎng)”下，自身抵抗病蟲害的能力大大降低，需要施用大量農(nóng)藥，從另一方面加劇了環(huán)境污染，間接引起“環(huán)境激素”問題［18］。其五，對(duì)人類健康的影響。過量施用氮肥的蔬菜中，其硝酸鹽含量是正常情況下的20～40倍，這種高硝酸鹽含量的蔬菜一經(jīng)食用，在體內(nèi)會(huì)還原成對(duì)人體有害的亞硝酸根離子，亞硝酸鹽類物質(zhì)不但能與人體血液中的血紅蛋白接合，生成不能輸送氧氣的高鐵血紅蛋白，還能與人體內(nèi)的各種胺類物質(zhì)結(jié)合生成強(qiáng)致癌類物質(zhì)亞硝胺［19，20］，對(duì)人體的危害不言而喻。

2 影響我國水稻氮肥高效利用的因素

2.1 高產(chǎn)水稻的推廣應(yīng)用

近10多年來，隨著水稻品種的改良和產(chǎn)量水平的提高，施氮量不斷加大［21］。我國水稻種植面積中50%以上是雜交水稻，為了減少種子成本，多數(shù)種植戶都會(huì)采用稀植和減少本苗數(shù)的方法，但為了達(dá)到高產(chǎn)所需要的穗數(shù)就要通過增大前期氮肥施用量來增加分蘗，事實(shí)上水稻前期對(duì)氮素吸收利用效果較差，氨揮發(fā)也比較嚴(yán)重。此外，育種專家為提高水稻產(chǎn)量，往往致力于選育大穗和莖稈粗壯、抗倒性強(qiáng)，而忽視對(duì)氮肥反應(yīng)敏感的品種或組合。因此，新育成的品種或組合由于其對(duì)氮肥反應(yīng)的敏感性降低，往往要通過比常規(guī)品種更大量施用氮肥才能取得成效，這也可能成為氮肥利用率低的原因之一。

2.2 土壤背景氮高

據(jù)文獻(xiàn)記錄，普通產(chǎn)稻國稻田土壤無氮區(qū)對(duì)照水稻產(chǎn)量通常為3～4 t/hm2，但我國通常能達(dá)到5～6 t/hm2甚至更高，我國稻田背景氮無疑高于其他國家的稻田［3］。作為土壤肥力的一項(xiàng)重要參數(shù)，在我國以培肥土壤，提高稻田土壤生產(chǎn)力的施肥管理宗旨下，大量無機(jī)和有機(jī)肥料在稻田土壤中長期施用并逐年積累。而根據(jù)彭少兵等［22］試驗(yàn)顯示，在灌溉稻田中，并不需要保持很高的土壤背景氮來維持土壤的生產(chǎn)力。高土壤背景氮的不良影響在于:一是無辜消耗大量的有機(jī)和無機(jī)氮肥，二是背景氮含量高的土壤在休耕期將會(huì)有更多的氮素?fù)p失，造成環(huán)境污染，三是水稻在低背景氮的土壤條件下應(yīng)該比高背景氮條件下對(duì)氮肥的反應(yīng)更為敏感，土壤背景氮過高時(shí)，需要施用更多的氮肥才能取得高產(chǎn)成效，這不僅會(huì)造成低氮肥農(nóng)學(xué)利用率，也會(huì)引起高土壤背景氮更惡劣的循環(huán)。

2.3 施肥時(shí)期不合理，前期施氮比例過高

一般而言，在水稻種植前期施氮有利于促進(jìn)水稻分蘗早發(fā)和提早返青［23］，尤其對(duì)分蘗力偏低的超級(jí)雜交稻及大穗型品種效果更明顯，但比例不宜過高。但在湖南、江蘇、廣東和浙江等地區(qū)的考察表明，氮肥總量的55%～85%被作為基肥和移栽后的前十天內(nèi)追施。如此高比例的前期氮肥施用量，成為氮肥利用率低的原因之一。因?yàn)樵谒旧L前期，一是對(duì)氮素的絕對(duì)需求量不大，二是尚未形成龐大的根系來吸收大量的氮肥，高濃度的氮肥長時(shí)間暴露在土壤和灌溉水中，會(huì)進(jìn)一步降低氮素利用率。

2.4 中期曬田

在水稻生長前期大量施用氮肥會(huì)促進(jìn)水稻分蘗早發(fā)和提早返青，獲得更多的穗數(shù)，但也會(huì)造成水稻無效分蘗過多，葉面積過大，營養(yǎng)生長過旺等問題。為解決這一難題，農(nóng)戶通常會(huì)采取中期擱田來控制水稻分蘗和構(gòu)建健康理想的群體。但有關(guān)研究結(jié)果表明，中期曬田會(huì)導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失加劇和水稻吸氮量的減少，從而導(dǎo)致氮肥利用率下降［24］。所以，中期擱田也成為我國水稻氮肥利用率低的原因之一。

3 提高我國水稻氮肥利用率的有效措施

3.1 選用適宜的氮肥品種和新型氮肥

氮肥的品種差異和作物的種植土壤條件決定了合理選用氮肥的重要性［25］。如堿性土壤適用生理酸性肥料，而酸性土壤中石灰氮、硝酸鈣等堿性或生理堿性肥料的使用效果會(huì)更好。此外，考慮到常規(guī)化學(xué)氮肥不能一次性供應(yīng)水稻全生長期足量的氮素，肥效期短，溶解速度過快，損失較嚴(yán)重等不足，緩控釋肥逐漸成為國內(nèi)外植物營養(yǎng)和肥料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［26］。研究結(jié)果表明，基施控釋氮肥能顯著提高氮肥利用率和水稻產(chǎn)量［27］。適量硫包膜尿素可改善土壤Ca、Mg的活化程度，提高水稻氮素吸收利用率，增加水稻產(chǎn)量［28］。據(jù)陳賢友等報(bào)道，與施用普通尿素處理相比，等氮量控釋尿素處理下氮肥利用率提高144.90%［29］;晚稻秀水128施用金正大新型硫磺加樹脂雙層包膜控釋尿素，氮肥利用率提高38.42%［30］。鄔明偉等［31］研究發(fā)現(xiàn)，新型高效尿素的氮肥利用率顯著高于常規(guī)尿素，經(jīng)60%常規(guī)用量的高效尿素處理，水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和吸收利用率較常規(guī)尿素分別提高5.09 kg/kg和14.79%，差異顯著?？梢姡滦偷士梢燥@著提高水稻的氮肥利用率和產(chǎn)量，但其生產(chǎn)成本過高而導(dǎo)致使用價(jià)格過高，難以普遍投入到大規(guī)模生產(chǎn)中等問題也需進(jìn)一步解決。

3.2 篩選和培育氮肥利用率高的水稻品種

研究表明，不管是粳稻、秈稻，還是雜交稻、常規(guī)稻，無論是兩系雜交稻還是三系雜交稻，不同的水稻品種對(duì)氮素利用率都存在明顯的差異［32，33］，品種的氮素吸收利用能力以及氮素生產(chǎn)干物質(zhì)能力關(guān)系到氮肥利用率［34，35］。葉全寶［36］曾以 115 份水稻品種作為供試材料研究發(fā)現(xiàn)，在不同施氮水平下，水稻氮肥利用率存在顯著的基因型差異。因此，篩選和培育綜合性狀合格且氮肥利用率高的水稻品種或組合，在生產(chǎn)上加以推廣種植，是提高氮肥利用率，減少肥料損失和環(huán)境污染的根本途徑之一。

3.3 改善施用氮肥的技術(shù)方法

合理施用氮肥是兼顧作物產(chǎn)量、增加經(jīng)濟(jì)效益、提高氮素利用效率和控制農(nóng)業(yè)面源污染的重要措施［37］。

3.3.1 施肥方法:氮肥深施

目前我國生產(chǎn)上普遍使用的氮肥是碳酸氫銨和尿素，這兩種肥料面施后，都易通過氨揮發(fā)而損失。研究者們發(fā)現(xiàn)，氮肥深施能有效降低氨揮發(fā)損失。氮肥施在10～15 cm土壤深處時(shí)，銨離子可被土壤膠體所吸附，顯著降低了氮肥由于揮發(fā)及反硝化作用造成的損失，有利于固態(tài)氮的轉(zhuǎn)化及根系吸收。研究表明，碳酸氫銨和尿素經(jīng)深施后，其肥效較地表施用提高了2.7% ～11.6%，氮肥利用率也相應(yīng)提高 7.2% ～12.8%［38，39］。朱兆良指出［13］，超大顆粒尿素采用深施的方法，其適宜的氮肥用量是傳統(tǒng)施肥法最適用量的76%～93%，這也在一定程度上降低了氮肥的施用量。因此，氮肥深施是獲得較高的農(nóng)學(xué)利用率的重要途徑。

3.3.2 施肥時(shí)期:良好的前后期施用比例

水稻在不同的生育期對(duì)氮肥的需求量不同，因此，適宜的氮肥施用時(shí)期，良好的前后期氮肥施用比例，不僅可以降低肥料成本，氮肥利用率也會(huì)得到大大提高［9］。范大泳等［40］研究表明，雜交水稻中優(yōu)679在基蘗肥、穗肥施氮比例為6∶4時(shí)，其產(chǎn)量與氮肥利用率最高。萬靚軍等［41］報(bào)道，基蘗肥、穗肥施氮比例為6∶4時(shí)，氮肥吸收利用率最高。張祥明等［42］研究表明，氮肥適當(dāng)后移能夠保持土壤適宜的NH+4－N濃度，有利于氮肥利用率的提高?？梢?，適宜的前后期氮肥施用比例可以提高水稻氮肥利用率。

3.3.3 施肥量

在一定范圍內(nèi)，水稻產(chǎn)量隨氮肥施用量相應(yīng)上升，但當(dāng)?shù)适┯昧砍^某一值后，再增加施氮量，反而不能達(dá)到增產(chǎn)的效果。因?yàn)殡S著氮肥施用量的逐漸增加，土壤中殘留大量的硝態(tài)氮，水稻對(duì)氮肥的利用率降低，氮肥損失量逐漸增加，氮肥的增產(chǎn)效果不明顯［43］。合適的氮肥投入閾值對(duì)挖掘水稻的產(chǎn)量潛力，減少農(nóng)田氮素面源污染都至關(guān)重要［44］。李向輝等［45］研究了不同施氮量對(duì)晚稻氮肥吸收利用率的影響，結(jié)果顯示在低氮水平下，增加氮肥施用量有利于提高水稻的氮肥利用率，但施氮量超過180 kg/hm2后，其氮肥利用效果則隨施氮量的增加而下降。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)土壤本身的養(yǎng)分含量和水稻的需肥特點(diǎn)，確定合適的施氮量對(duì)提高水稻氮肥利用率和產(chǎn)量都具有重要意義。

3.4 氮肥與其他肥料平衡施用

要最大限度的提高水稻產(chǎn)量和肥料利用率，就要兼顧大量元素和中、微量元素的平衡施用。雖然施用氮肥對(duì)水稻的增產(chǎn)效果更直觀，但偏施氮肥無疑會(huì)造成土壤中其他元素養(yǎng)分的匱乏，如磷、鉀及某些微量元素。杜加銀等［46］研究發(fā)現(xiàn)，減氮控磷增鉀不僅能滿足水稻正常分蘗對(duì)氮、磷、鉀的要求和高產(chǎn)對(duì)鉀營養(yǎng)的需求，而且可明顯提高氮肥的利用率。事實(shí)上，我國稻農(nóng)生產(chǎn)上的習(xí)慣是重施氮肥輕施磷、鉀肥［47］。要進(jìn)一步提高氮肥利用率和水稻產(chǎn)量，就必須平衡土壤所缺乏的養(yǎng)分，配合磷、鉀或有機(jī)肥與氮、磷、鉀肥平衡施用，以達(dá)到減少氮素?fù)p失，提高氮肥利用率，進(jìn)一步提高水稻單產(chǎn)的目的［48，49］。

3.5 施用脲酶抑制劑和硝化抑制劑

脲酶抑制劑可以抑制土壤中脲酶對(duì)氮肥的水解，延緩氮肥轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮的速度，減少NH3揮發(fā)損失［50］，從而提高氮肥的利用率。水稻在施用尿素氮肥的基礎(chǔ)上，增施脲酶抑制劑，在孕穗期、成熟期可分別提高尿素利用率4.0%和5.6%，并能減少尿素中氮揮發(fā)損失35.9%［51］。硝化抑制劑的原理則是抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，減少NO－3的淋溶損失，提高氮肥利用率。試驗(yàn)表明，施用硝化抑制劑與不施相比，NO－3的淋溶損失由48%降低到35%［50］。但也有研究者對(duì)此兩種抑制劑持否定態(tài)度，認(rèn)為硝化抑制劑沒有明顯降低氮損失的效果［52］，脲酶抑制劑對(duì)于降低氮素?fù)p失，提高作物的吸收利用率以及提高作物產(chǎn)量的效果相對(duì)較小，而且不同的試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道的效果不一［53］。

3.6 實(shí)地氮肥管理技術(shù)

實(shí)地養(yǎng)分管理新技術(shù)(SSNM)是通過對(duì)輸入土壤和作物的有關(guān)數(shù)據(jù)綜合分析后為農(nóng)戶提供的更為經(jīng)濟(jì)有效的施肥推薦。研究表明，運(yùn)用SSNM，水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率明顯高出農(nóng)民習(xí)慣種植方法［54］。陳新紅等［55］研究表明，實(shí)地氮肥管理模式較大幅度地提高了水稻的氮肥利用效率;劉立軍等［56］研究表明，與常規(guī)施肥方法相比，SSNM的氮肥吸收利用率提高了 31.4% ～56.8%，農(nóng)學(xué)利用率也提高了143.6%～166.0%。由此可見，實(shí)地氮肥管理可減少氮肥施用量，并較大幅度地提高水稻氮肥利用率。

農(nóng)學(xué)研究者通常借助葉綠素測(cè)定儀(SPAD)來協(xié)調(diào)水稻施氮的時(shí)間和用量，以達(dá)到實(shí)時(shí)氮肥管理［57］。許多研究結(jié)果表明，與常規(guī)定時(shí)施氮處理相比，實(shí)時(shí)氮肥管理下氮肥農(nóng)學(xué)利用率明顯上升［58，59］。劉立軍等［60］研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)氮肥管理較農(nóng)民習(xí)慣施肥法氮肥農(nóng)學(xué)利用率提高了204.3%～297.0%?？梢?，在產(chǎn)量不降低甚至有所增加的前提下，實(shí)地、實(shí)時(shí)氮肥管理不僅可以減少氮肥施用量，氮肥利用率也會(huì)得到較大幅度的提高。

3.7 采用肥水調(diào)控技術(shù)

在生產(chǎn)實(shí)際中，采用肥水調(diào)控技術(shù)，利用水肥耦合的協(xié)同效應(yīng)，對(duì)作物進(jìn)行水肥管理，可以達(dá)到提高肥料利用率的目的。程建平等［61］的研究表明，較佳的水肥耦合模式對(duì)水稻的產(chǎn)量有顯著的互作效應(yīng)，不同的水肥管理模式對(duì)水稻氮素利用效率影響顯著，在高效水分管理?xiàng)l件下，增加氮肥施用次數(shù)可以提高氮肥吸收利用率。氮肥吸收利用率與干濕交替處理無水層天數(shù)成線性相關(guān)，但其大小與淹灌及干濕交替兩種水分管理方式的不同，所表現(xiàn)出的差異不顯著［62］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，只有合理的肥水調(diào)控技術(shù)，才能達(dá)到以肥調(diào)水、以水促肥，真正發(fā)揮水肥耦合的協(xié)同作用，既提高水肥利用率，又保證水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。

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