施氮水平對(duì)水稻氮肥利用率和徑流負(fù)荷的影響①

曹彥圣，付子軾，孫會(huì)峰，陳桂發(fā)，周 勝，宋祥甫

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403）

施氮水平對(duì)水稻氮肥利用率和徑流負(fù)荷的影響①

曹彥圣，付子軾，孫會(huì)峰，陳桂發(fā)，周 勝*，宋祥甫

（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所，上海 201403）

氮肥的過量施用導(dǎo)致顯著的氮素?fù)p失，降低了環(huán)境質(zhì)量。減少氮肥投入使其與作物需求相匹配對(duì)于保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。為了評(píng)估不同施氮水平對(duì)水稻生產(chǎn)過程中的氮肥利用率和徑流負(fù)荷的影響，利用長期實(shí)驗(yàn)基地開展了相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了4個(gè)施氮水平，即0、100、200和300 kg/hm2。結(jié)果顯示，隨著施氮量的增加，糧食產(chǎn)量顯著提高，而農(nóng)學(xué)效率和偏肥生產(chǎn)力卻呈相反趨勢(shì)。作物地上部氮肥回收率則呈先增加后減少的趨勢(shì)，并在200 kg/hm2時(shí)達(dá)到峰值；氮素徑流損失隨施氮量的增加而增加。

施氮量；水稻產(chǎn)量；氮肥利用率；地表徑流

華東地區(qū)是一個(gè)重要的糧食產(chǎn)區(qū)。冬小麥夏水稻輪作是這一地區(qū)最常見的輪作模式。為了確定水稻生產(chǎn)過程中的最佳施氮量，本研究利用稻田長期實(shí)驗(yàn)基地，設(shè)置4個(gè)施氮水平，研究不同施氮水平條件下作物的氮肥利用率，并采用氮素徑流損失作為評(píng)價(jià)施氮量對(duì)環(huán)境影響的直接指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)站概況

田間試驗(yàn)在上海市莊行農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。站內(nèi)年平均氣溫為15.8℃，年平均降雨量為1 178 mm。土壤類型為溝干泥（潴育型水稻土），土質(zhì)為黏壤土。0 ～ 20 cm土壤的pH為7.63，土壤有機(jī)質(zhì)含量23.7 g/kg，總氮含量1.44 g/kg，水解性氮含量106 mg/kg，總磷含量0.82 g/kg，有效磷含量15.9 mg/kg，速效鉀含量為159 mg/kg，CEC為17.5 cmol/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和農(nóng)業(yè)管理措施

研究采用長期定位試驗(yàn)，從2011年開始，試驗(yàn)周期為50年。本研究主要集中在2013和2014年兩個(gè)水稻生育期。試驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)處理，分別為N0（對(duì)照）、CF100、CF200和CF300。除了施氮量外，各處理其余的管理措施均一致。每個(gè)處理重復(fù)3次，采用完全隨機(jī)區(qū)塊設(shè)計(jì)，共設(shè)置12個(gè)小區(qū)。小區(qū)長為8.0 m，寬為7.0 m，每兩個(gè)小區(qū)間埋設(shè)防滲膜以防止側(cè)滲。

稻秧移栽日期分別為2013年6月18日和2014年6月19日。小區(qū)水稻株行距為20 cm × 25 cm。分別在2013年10月30日和2014年10月31日收獲。處理CF100、CF200和CF300的氮肥（尿素）施用量分別為100、200和300 kg/hm2。各處理磷肥（過磷酸鈣）的施用量均為100 kg/hm2，鉀肥（氯化鉀）的施用量均為225 kg/hm2。氮肥分3次施用，基肥占50%，分蘗肥占30%，穗肥占20%。磷肥僅作為基肥施用。鉀肥分兩次施用，基肥占44%，穗肥占56%?；试诘狙硪圃援?dāng)日均勻混入表層土壤，在2013年6月29日和2014年6月30日表施分蘗肥，在2013年7月29日和2014年7月30日表施穗肥。各處理殺蟲劑和除草劑等農(nóng)藥的施用均一致。除了分蘗末期排水烤田和季末排水外，田面水基本維持在5 cm的深度。

1.3 植株樣品的采集和分析

在作物成熟后，采集作物的地上部。脫粒、稱重。分取部分樣品在80°C下烘干、稱重。分取部分烘干樣品，粉碎，利用元素分析儀測(cè)定總氮含量。作物氮肥利用率指標(biāo)分為地上部氮肥回收率（RE）、農(nóng)學(xué)效率（AE）和偏肥生產(chǎn)力（PFP），按如下公式計(jì)算［9］：

江陰水利信息化一期工程建設(shè)1個(gè)市防汛防旱會(huì)商中心、3個(gè)局屬單位防汛防旱會(huì)商分中心，分別是白屈港水利樞紐工程管理處會(huì)商分中心、江港堤閘管理處會(huì)商分中心和月城水利管理服務(wù)站會(huì)商分中心。

式中：U和U0分別指收獲時(shí)施氮和對(duì)照小區(qū)作物地上部氮素吸收量（kg/hm2）；F指氮肥施用量（kg/hm2）；Y和Y0分別指施氮和對(duì)照小區(qū)水稻產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.4 地表徑流的收集和分析

在開展長期試驗(yàn)之前，我們?cè)谛^(qū)安裝了徑流收集口，并安裝了地下管道，用于把產(chǎn)生的徑流排至收集池。每次徑流產(chǎn)生后，記錄徑流量，收集徑流樣品。利用離子色譜測(cè)定徑流中NH4+-N和NO3--N的含量，利用堿式過硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定徑流中總氮的含量。徑流量為小區(qū)（面積為56 m2）徑流總量。氮素徑流損失量為徑流量與徑流中氮素濃度的乘積。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量與氮肥利用率

如表1所示，氮肥施用顯著影響作物地上部的生物量。2013年稻季，施用氮肥使秸稈和籽粒的產(chǎn)量分別增加39% ～ 88% 和76% ～ 157%。2014年稻季，氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)更為明顯，與不施氮的對(duì)照相比，施氮處理秸稈和籽粒分別增產(chǎn)71% ～ 118% 和80% ～180%。而且，在這兩個(gè)稻季，秸稈和籽粒的生物量均隨施氮量的增加而增加。然而，農(nóng)學(xué)效率和偏肥生產(chǎn)力卻呈完全相反的趨勢(shì)。農(nóng)學(xué)效率用以表征氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)，而偏肥生產(chǎn)力是一個(gè)反映體系內(nèi)各氮源總產(chǎn)出的指標(biāo)［10-11］。降低的農(nóng)學(xué)效率和偏肥生產(chǎn)力表明氮肥收益隨施氮量的增加而減少。這表明，進(jìn)一步增加氮肥投入并不能有效增加糧食產(chǎn)量。究其原因可能與華東地區(qū)土壤氮素肥力較高有關(guān)。在最近十幾年，當(dāng)?shù)氐释度胍恢备哂谧魑锏匦枨蟆Ｍㄟ^大氣沉降和灌溉輸入作物體系的氮素也維持在較高的水平。例如，Ju等［1］發(fā)現(xiàn)，這部分氮素每年可能高達(dá)89 kg/hm2。在氮素供應(yīng)充足的條件下，氮素以外的其他因素可能已成為了產(chǎn)量限制因子［12］。這也表明，不能通過繼續(xù)增加氮肥投入來提高糧食產(chǎn)量。

表1 2013和2014年稻季作物地上部生物量及氮肥利用率Table1 Aboveground biomasses and N use efficiency in the 2013 and 2014 rice seasons

當(dāng)施氮量從100 kg/hm2增加至300 kg/hm2時(shí)，作物地上部氮肥回收率呈先增加后減少的趨勢(shì)，施氮量為200 kg/hm2時(shí)出現(xiàn)最大值。本研究的結(jié)果與Qiao等［10］的研究結(jié)果基本一致。他們發(fā)現(xiàn)，施氮量為232 ～ 257 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量最高，為了提高氮肥利用率減少氮素?fù)p失，應(yīng)該在此基礎(chǔ)上削減施氮量。Ju等［1］也認(rèn)為，這一地區(qū)稻季最適施氮量可以減少至200 kg/hm2。

2.2 地表徑流

2013和2014年稻季，降雨分別引起了3次和6次地表徑流（圖1）。2013年，單次地表徑流量介于1 067 ～ 10 967 L；2014年，單次地表徑流量介于100 ～5 500 L。

圖1 2013（左）和2014（右）年稻季地表徑流量及徑流中-N、-N和總氮含量Fig. 1 Amount of drainage and the concentrations ofN，N and total N in surface runoff in the 2013 （left） and 2014 （right） rice seasons

2013年的第一次徑流及2014年的第一次和第二次徑流均發(fā)生在氮肥施用后不久。這幾次徑流中-N和總氮的濃度均顯著較高（圖1）。Gao等［13］在氮肥施用后不久產(chǎn)生的徑流中也觀測(cè)到較高濃度的-N。與這幾次徑流相比，在這兩個(gè)稻季的其余幾次徑流中，-N和總氮的濃度均較低。N的濃度一般不足1 mg/L，而總氮一般低于2 mg/L。2013年的第一次及2014年的第一次和第二次徑流中，-N和總氮的濃度一般按照CF300、CF200、CF100和N0的順序逐漸降低。在其余幾次徑流中，各處理間一般不存在顯著差異。Eghball等［14］觀測(cè)到了類似的結(jié)果。他們的研究結(jié)果顯示，長期施肥并不影響徑流中N的含量，但是在施肥后不久產(chǎn)生徑流時(shí)，徑流中N的濃度將隨施氮量的增加而增加［14］。徑流中N的濃度一直維持在較低的水平。而且，各處理間N濃度的差異幾乎可以忽略。徑流中的氮素主要以N的形式存在。

表2 2013和2014年稻季氮素徑流損失Table2 Nrunoff losses in the 2013 and 2014 rice seasons

2013和2014年稻季氮素徑流損失列于表2。氮素徑流損失取決于兩個(gè)因素：徑流量與徑流中氮素的濃度［15］。在2013和2014年水稻生育初期，徑流量較大且徑流中氮素濃度較高，從而導(dǎo)致了較高的徑流損失，這與以前的研究結(jié)果一致［16-17］。這些研究顯示，氮肥施用后不久產(chǎn)生的高于正常量的降雨可能引起顯著的徑流損失。2013和2014年稻季施氮處理-N和總氮徑流損失分別介于1.55 ～ 7.62 kg/hm2和1.53 ～ 10.7 kg/hm2（表2），這與以前報(bào)道的結(jié)果相近［18］。Zhang等人［18］測(cè)定了華東地區(qū)嘉興、永康和余杭3地稻田的氮素徑流損失，結(jié)果顯示，常規(guī)措施下-N徑流損失介于1.30 ～ 1.99 kg/hm2，總氮介于2.46 ～7.98 kg/hm2。氮素徑流損失隨施氮量的增加而增加。管理措施是影響氮素徑流損失的主要因素［19］。氮肥施用水平影響田面水中-N濃度，從而可能影響氮素徑流損失［17，20］。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益最佳施氮量

對(duì)本研究及本地區(qū)其他關(guān)于施氮量和糧食產(chǎn)量的研究進(jìn)行綜合分析［21］，結(jié)果顯示，水稻產(chǎn)量與施氮量密切相關(guān)（圖2）。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可得出糧食產(chǎn)量（Y）隨施氮量（N）變化的方程為：

如果水稻的價(jià)格以2.5元/kg計(jì)，化肥的價(jià)格以氮5.4元/kg計(jì)，假設(shè)環(huán)境成本等同于施肥成本，那么水稻生產(chǎn)的邊際收益（B）和邊際成本（C）分別為：

當(dāng)邊際收益和邊際成本相等時(shí)，水稻生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益最高。此時(shí)的施氮量為228 kg/hm2，糧食產(chǎn)量為7 753 kg/hm2。

圖2 華東地區(qū)施氮量與糧食產(chǎn)量的相關(guān)性Fig. 2 Relationship between N application rate and grain yield in East China

3 結(jié)論

優(yōu)化施氮量以同時(shí)增產(chǎn)增效在保持我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展方面起著至關(guān)重要的作用。本研究的目的在于評(píng)估不同施氮水平對(duì)水稻的氮肥利用率和徑流負(fù)荷的影響，確定最佳施氮量。結(jié)果表明，水稻產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，而農(nóng)學(xué)效率和偏肥生產(chǎn)力卻呈逐漸下降的趨勢(shì)。水稻地上部氮肥回收率在施氮量從100增加至300 kg/hm2時(shí)呈先增加后減少的趨勢(shì)，并在200 kg/hm2時(shí)達(dá)到峰值。氮素徑流損失隨施氮量的增加而增加。對(duì)本研究和本地區(qū)其他研究進(jìn)行綜合分析，可以得出，在華東地區(qū)，施氮量為228 kg/hm2時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最佳。

［1］ Ju X T， Xing G X， Chen X P， et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2009， 106（9）： 3 041-3 046

［2］ Zhu Z， Chen D. Nitrogen fertilizer use in China-Contributions to food production， impacts on the environment and best management strategies［J］. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 2002， 63（2/3）： 117-127

［3］ Raun W R， Johnson G V. Improving nitrogen use efficiency for cereal production［J］. Agronomy Journal， 1999， 91（3）：357-363

［4］ Vitousek P M， Naylor R， Crews T， et al. Nutrient imbalances in agricultural development［J］. Science， 2009，324（5 934）： 1 519-1 520

［5］ Guo J， Liu X， Zhang Y， et al. Significant acidification in major Chinese croplands［J］. Science， 2010， 327（5 968）：1 008-1 010

［6］ Liu X， Zhang Y， Han W， et al. Enhanced nitrogen deposition over China［J］. Nature， 2013， 494（7 438）：459-462

［7］ 敖玉琴， 張維， 田玉華， 等. 脲胺氮肥對(duì)太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)及氮肥利用率的影響［J］. 土壤， 2016， 48（2）：248-253

［8］ 孫海軍， 閔炬， 施衛(wèi)明， 等. 硝化抑制劑施用對(duì)水稻產(chǎn)量與氨揮發(fā)的影響［J］. 土壤， 2015， 47（6）： 1 027-1 033

［9］ Cassman K G， Dobermann A， Walters D T. Agroecosystems，nitrogen-use efficiency， and nitrogen management［J］. AMBIO： A Journal of the Human Environment， 2002，31（2）： 132-140

［10］ Qiao J， Yang L， Yan T， et al. Nitrogen fertilizer reduction in rice production for two consecutive years in the Taihu Lake area［J］. Agriculture， Ecosystems and Environment， 2012，146（1）： 103-112

［11］ Cassman K， Peng S， Olk D， et al. Opportunities for increased nitrogen-use efficiency from improved resource management in irrigated rice systems［J］. Field Crops Research， 1998， 56（1/2）： 7-39

［12］ Krauss A， Isherwood K， Heffer P. Fertilizer best management practices［M］. France： International Fertilizer Industry Association， 2007

［13］ Gao C， Zhu J， Zhu J， et al. Nitrogen export from an agriculture watershed in the Taihu Lake area， China［J］. Environmental Geochemistry and Health， 2004， 26（2）：199-207

［14］ Eghball B， Gilley J E， Baltensperger D D， et al. Long-term manure and fertilizer application effects on phosphorus and nitrogen in runoff［J］. Transactions of the ASAE， 2002，45（3）： 687-694

［15］ Randall G W， Mulla D J. Nitrate nitrogen in surface waters as influenced by climatic conditions and agricultural practices ［J］. Journal of Environmental Quality， 2001， 30（2）：337-344

［16］ Karlen D L， Dinnes D L， Jaynes D B， et al. Corn response to late-spring nitrogen management in the Walnut Creek watershed ［J］. Agronomy Journal， 2005， 97（4）： 1 054-1 061

［17］ Kim J S， Oh S Y， Oh K Y. Nutrient runoff from a Korean rice paddy watershed during multiple storm events in the growing season［J］. Journal of Hydrology， 2006， 327（1）：128-139

［18］ Zhang Z J， Yao J X， Wang Z D， et al. Improving water management practices to reduce nutrient export from rice paddy fields［J］. Environmental Technology， 2011， 32（2）：197-209

［19］ Delgado J. Quantifying the loss mechanisms of nitrogen［J］. Journal of Soil and Water Conservation， 2002， 57（6）：389-398

［20］ Cao Y， Tian Y， Yin B， et al. Assessment of ammonia volatilization from paddy fields under crop management practices aimed to increase grain yield and N efficiency［J］. Field Crops Research， 2013， 147： 23-31

［21］ Xia Y， Yan X. Ecologically optimal nitrogen application rates for rice cropping in the Taihu Lake region of China［J］. Sustainability Science， 2012， 7（1）： 33-44

Effects of N Application Rates on N Use Efficiency by Rice and N Runoff Loss

CAO Yansheng， FU Zishi， SUN Huifeng， CHEN Guifa， ZHOU Sheng*， SONG Xiangfu
（Eco-Environmental Protection Research Institute， Shanghai Academy of Agricultural Sciences， Shanghai 201403， China）

Over-application of N fertilizers resulted in significant N loss and degradation in environmental quality. Reducing N inputs and increasing N use efficiency are crucial for the sustainable development of agricultural production. A long-term field experiment was conducted to investigate the effects of N application rates on N use efficiency by rice plants and N runoff loss. There are four N application rates， i.e. 0， 100， 200， and 300 kg/hm2. The results showed that rice yields increased significantly with increasing N inputs， while N use efficiency as agronomic efficiency and partial fertilizer productivity followed the opposite trend. N recovery efficiency increased first and then decreased from 100 kg/hm2to 300 kg/hm2and reached the peak at 200 kg/hm2. N losses through runoff increased with increasing N inputs.

N application rate； Rice yield； N use efficiency； Surface runoff

S19

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.005

上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（12JC1407900）和上海市農(nóng)委科技興農(nóng)推廣項(xiàng)目［滬農(nóng)科推字（2013）第1-1號(hào)］資助。

*通訊作者（zhous@263.net）

曹彥圣（1981—），男，山西應(yīng)縣人，博士，主要從事土壤氮循環(huán)研究。E-mail： huda_128@163.com