氮肥用量對四川紫色丘陵區(qū)水稻氮素吸收及土壤氮素表觀平衡的影響

羅付香， 林超文，朱永群， 姚 莉， 張建華，王 謝

(四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

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氮肥用量對四川紫色丘陵區(qū)水稻氮素吸收及土壤氮素表觀平衡的影響

羅付香， 林超文*，朱永群， 姚 莉， 張建華，王 謝

(四川省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

為全面掌握氮肥施用對紫色丘陵區(qū)稻麥輪作模式下水稻季氮素吸收積累及土壤氮素表觀平衡的影響機理，本試驗采用6水平氮肥(0～300 kg N/hm2)隨機區(qū)組試驗設(shè)計，研究氮肥用量對稻麥輪作模式下水稻產(chǎn)量、氮素吸收積累及土壤氮素表觀平衡的影響。結(jié)果表明：隨著氮肥用量的增加水稻籽粒產(chǎn)量先增加后趨于平穩(wěn)，可以用二次方程模擬y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495，R2=0.998；氮肥用量與水稻氮素吸收量及土壤氮素表觀平衡呈線性關(guān)系，線性方程分別為：y=0.27x+ 85.28，R2=0.990，y= 0.730x-85.32，R2=0.998。施氮量低于112.5 kg/hm2時，水稻產(chǎn)量較低，氮素表觀盈余量為-3.23 kg/hm2，有耗竭土壤的風險；施氮量在112.5～187.5 kg/hm2時水稻產(chǎn)量穩(wěn)定，氮素吸收量為135.77 kg/hm2，氮素表觀盈余量為51.56 kg/hm2，水稻產(chǎn)量和氮素表觀盈余維持在較為合理水平，土壤氮肥力和產(chǎn)量得以維持，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展；施氮量在187.5～300 kg/hm2的時候，水稻產(chǎn)量趨于穩(wěn)定， 而氮素表觀盈余增加到133.68 kg/hm2，氮素表觀盈余增加了159.27 %。過多的氮肥通過水體、大氣或者其他渠道流失，引起環(huán)境污染。因此，從保證糧食安全和控制面源污染的角度出發(fā)，四川丘陵區(qū)稻麥輪作模式下水稻氮肥用量以187.5 kg/hm2最優(yōu)。

水稻；氮素；吸收；氮素表觀平衡

氮是植物生長所必需的營養(yǎng)元素，是決定土壤生產(chǎn)力的重要限制性因素，在排除了其他影響產(chǎn)量的主要限制因素后(如土壤障礙因子、水分、磷鉀等) ，氮素在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用。合理施用氮肥(國際上稱為“4R”技術(shù)，即 right amount，right time，right place，right type)是當今世界作物生產(chǎn)中獲得較高目標產(chǎn)量的關(guān)鍵措施[1-3]。然而，近年來我國不合理施肥現(xiàn)象特別明顯，主要表現(xiàn)在氮肥用量不合理施用方面。我國氮肥施用量迅速增長，已成為世界氮素化肥生產(chǎn)和消費大國，到2007 年高達3500 萬噸(N) 單位面積使用量是世界平均水平的3倍[4-5]。氮肥施用量穩(wěn)步增長, 但氮肥利用率卻不斷下降。 據(jù)研究，我國氮肥的利用率在9 %～72 %，平均為30 %～41 %[6-9]。

土壤-作物體系的氮素平衡是評價氮肥管理合理與否的關(guān)鍵。據(jù)報道，20世紀80年代以后，我國農(nóng)田氮素開始盈余，并呈現(xiàn)增長趨勢。90年代以后氮盈余量每年保持在360～546萬噸，相當于N 24～35 kg/hm2[10-12]。氮素的大量盈余導(dǎo)致氮肥向水體的直接流失顯著增加，據(jù)報道氮素的年流失量占施用量40 %左右，每年農(nóng)用氮肥有60 %～70 %進入環(huán)境，導(dǎo)致生態(tài)惡化，危害人類健康[13]。目前，對氮的研究，一方面集中在氮肥施用方式對作物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用狀況等的影響[14-17]；另一方面主要集中在氮肥施用對氮素流失通量及途徑的影響方面[18-22]。將氮肥施用對作物產(chǎn)量，養(yǎng)分利用率及環(huán)境等系統(tǒng)的研究較為鮮見，為此本試驗選擇四川常規(guī)種植模式水稻-小麥輪作模式，通過田間試驗，以肥料效應(yīng)為基礎(chǔ)，采用作物產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收利用及土壤養(yǎng)分盈余作為確定氮肥投入閾值的約束條件，將作物-土壤-肥料系統(tǒng)作為研究對象，系統(tǒng)分析了氮投入與水稻產(chǎn)量、環(huán)境指標、作物氮利用情況和土壤表觀盈余狀況之間的關(guān)系，尋求作物高產(chǎn)與環(huán)境友好雙贏的氮肥投入閾值，對該區(qū)的糧食安全和減少農(nóng)田面源污染具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗點基本情況

本試驗布設(shè)在長江上游沱江水系花椒溝小支流的響水灘上段。屬于四川省資陽市雁江區(qū)松濤鎮(zhèn)的響水村、花椒村。地處東經(jīng)104°34′12″～104°35′19″、北緯30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。多年(2011-2014年)年均降雨量為831.9 mm，主要(70 %)分布在6-9月間，最多年987.7 mm，最少年678 mm。年均溫16.8 ℃，極端最低溫-3.6 ℃，極端最高溫36.5 ℃。供試土壤為遂寧組母質(zhì)發(fā)育的紫色土，土壤質(zhì)地輕，土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷含量偏低，土壤肥力不高。在試驗實施時的土壤可溶性總氮4.17 mg·kg-1,硝態(tài)氮2.13 mg·kg-1,銨態(tài)氮2.03 mg·kg-1，銨態(tài)氮偏高的主要原因是我們選擇的是水稻田，南方水稻田銨態(tài)氮含量一般較高。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗選擇四川常規(guī)種植模式小麥-水稻種植模式進行研究，以水稻作為研究材料，供試品種為川香優(yōu)9838，試驗時間為2013年3-9月，氮肥設(shè)以下6個處理，N0、N1、N2、N3、N4、N5，折合純氮分別為：0、112.5、150、187.5、225、300 kg/hm2，每個處理重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積30 m2。水稻采取旱育秧的方式育苗，育苗時間3月26日，5月16日移栽，水稻株×行距20×24 cm，密度為20.83萬株/公頃，磷肥選用過磷酸鈣(P2O575 kg /hm2)，鉀肥選用氯化鉀(K2O 75 kg/hm2)，氮肥選用尿素，氮、磷和鉀肥均在5月14日撒施在田里(一次施足)。灌溉方式為抽水漫灌，每次灌溉量為80 mm，病蟲害按照大田常規(guī)防治，9月12日收獲。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 植株樣品采集與分析 水稻收獲后實收測產(chǎn)，每個小區(qū)取有代表性的植株和籽粒樣品100 g，測試指標均為全氮含量，全氮用硫酸雙氧水消解——凱氏定氮法[23]。

1.3.2 土壤樣品采集與分析 水稻收獲后，每小區(qū)取0～20 cm土壤，冷凍保存，測定土壤的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性總氮及含水量，可溶性總氮用堿性過硫酸鉀消解——紫外分光光度計比色法，銨態(tài)氮用靛酚藍比色法，硝態(tài)氮用紫外分光光度計比色法[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥用量對水稻產(chǎn)量的影響

從表1可以看出，隨著氮肥用量的增加，小麥-水稻輪作模式下的水稻籽粒和秸稈產(chǎn)量呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，當施肥量為從0 kg/hm2增加到300 kg/hm2時水稻籽粒產(chǎn)量增加4089.0 kg/hm2，增產(chǎn)62.87 %，當施肥量為從0 kg/hm2增加到187.5 kg/hm2時水稻籽粒產(chǎn)量增加3330.4 kg/hm2，增產(chǎn)51.20 %，而當施肥處理從187.5 kg/hm2增加到300 kg/hm2時水稻籽粒產(chǎn)量增加757.62 kg/hm2，僅增產(chǎn)7.72 %，說明增施氮肥能夠一定程度提高水稻產(chǎn)量，但是當?shù)试黾拥揭欢ǔ潭纫院笫┯玫牡试霎a(chǎn)能力減弱。

2.2 氮肥用量對水稻養(yǎng)分吸收積累分配的影響

2.2.1 氮肥用量對水稻籽粒和秸稈氮素含量的影響 從表2中可以看出,籽粒氮含量在0.90～1.17g/kg，秸稈氮含量在0.44～0.61 g/kg，水稻籽粒氮含量大于秸稈氮含量，氮肥用量對水稻籽粒氮含量影響顯著，對秸稈中氮含量影響不顯著，隨著氮肥用量增加，籽粒中的氮含量呈增加的趨勢，當施肥量為從0 kg/hm2增加到300 kg/hm2時水稻籽粒氮素含量增加30.00 %，進一步相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，氮肥用量與水稻籽粒氮含量可以用線性方程模擬，線性方程為：y=0.00x+0.896，R2=0.944，說明增施氮肥能夠一定程度提高作物籽粒氮素含量，提高蛋白質(zhì)含量，改善水稻品質(zhì)，但是對秸稈中氮含量影響不顯著。

表1 氮肥用量對水稻產(chǎn)量的影響

注：不同小寫字母表示5 %水平差異顯著性，下同。

Note：Data behind lowercase letters are significantly different at 0.05 probability level. The same as below.

表2 氮肥用量對水稻氮含量的影響

圖1 氮肥用量對水稻氮吸收量的關(guān)系Fig.1 Relationship between the nitrogen fertilizer amount and the rice nitrogen uptake

2.2.2 氮肥用量對水稻氮素吸收量的影響 籽粒和秸稈氮吸收量均隨著氮肥用量的增加呈顯著遞增趨勢(圖1)，施氮量從0增加到300 kg N/hm2，籽粒氮吸收量從56.27 kg N/hm2增加到118.02 kg N/hm2，秸稈氮吸收量從29.64 kg N/hm2增加到51.53 kg/hm2，秸稈氮吸收量約為籽粒氮吸收量的1/2。進一步相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)籽粒氮吸收量、植株氮吸收量與施氮量呈線性相關(guān)關(guān)系，線性方程為：y=0.204x+ 58.48 (R2=0.993)，y=0.27x+ 85.28 (R2=0.99)。秸稈吸氮量與施氮量之間的關(guān)系可分別用二次曲線模擬：y=0.000x2-0.024x+ 30.72 (R2=0.92)。

圖2 施氮量與田面水總氮盈余的關(guān)系Fig.2 Relationship between the nitrogen fertilizer amount and the total nitrogen surplus of the surface water

圖3 田面水總氮濃度隨施肥后時間動態(tài)變化Fig.3 Dynamic of the total nitrogen concentration in surface water after the fertilization

2.3 氮肥用量對田面水總氮濃度的影響

2.3.1 氮肥用量與田面水總氮平均盈余的關(guān)系 當施氮量從0 kg /hm2增加到300 kg /hm2，施肥后幾次田面水總氮取樣的平均濃度從4.33 mg/L增加到128.59 mg/L，通過氮肥施用量與施肥后田面水總氮幾次取樣的平均濃度進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)田面水總氮幾次取樣的平均濃度隨施氮量呈增加的趨勢，可以用線性方程模擬，線性方程為：y= 0.396x+5.763，R2=0.986(圖2)。

2.3.2 田面水總氮平均濃度隨施肥后時間的動態(tài)變化 以不同氮肥處理在當天田面水濃度的平均值與時間變化作圖(圖3)，發(fā)現(xiàn)隨著取樣時間距施肥時間越久田面水總氮平均濃度呈降低的趨勢，距離施肥時間越長田面水中總氮含量越低，其中施肥后第2天田面水總氮含量最高達141.45 mg/L，在施氮后的第4天田面水總氮含量就迅速下降，僅為第2天的30 %左右，而在施氮后的第9天最低，僅10.83 mg/L，說明氮肥施入土壤后釋放揮發(fā)很快，田面水中總氮濃度的迅速降低，不應(yīng)該是被植株吸收的結(jié)果，因為在短短的幾天時間里植株不可能吸收那么多的養(yǎng)分，主要去向應(yīng)該有3方面，一部分沉積到了土壤中供植株生長吸收，另一部分氮素通過氨揮發(fā)到空氣中，還有一部分通過地表徑流排到了水體中，造成氮肥浪費嚴重，對水體及大氣環(huán)境污染嚴重。

2.4 氮肥用量與水稻產(chǎn)量及氮素表觀盈余量的關(guān)系

以氮肥用量為橫坐標，以水稻產(chǎn)量為縱坐標主柱，以氮素表觀盈余量為縱坐標副柱得到水稻產(chǎn)量與氮素表觀平衡的關(guān)系圖，氮肥用量與水稻產(chǎn)量呈先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，可以用二次曲線模擬，二次曲線方程為y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495，R2=0.998，氮肥用量與土壤氮素表觀平衡呈線性關(guān)系，線性方程分別為：y=0.731x-85.47，R2=0.998，根據(jù)方程可以得到，當?shù)视昧康陀?12.5 kg/hm2時，水稻產(chǎn)量低于8733.75 kg/hm2，氮素表觀盈余量為負值，小于-3.23 kg/hm2；當?shù)视昧繛?87.5 kg/hm2時，氮素表觀盈余量為51.56 kg/hm2，水稻產(chǎn)量為9776.25 kg/hm2；當?shù)视昧繛?25 kg/hm2時；氮素表觀盈余量為78.93 kg/hm2，水稻產(chǎn)量為10 162.50 kg/hm2；當?shù)视昧繛?00 kg/hm2時，氮素表觀盈余量為133.68 kg/hm2，水稻產(chǎn)量為 10 665 kg/hm2，此時增施的氮肥對水稻產(chǎn)量影響不大，而氮素流失風險卻顯著增加，說明當?shù)视昧砍^187.5 kg/hm2后，氮素表觀盈余不斷增加，過多的氮肥不僅沒有帶來增產(chǎn)，反而通過水體，大氣或者其他渠道流失，引起環(huán)境污染。

圖4 氮肥用量與水稻產(chǎn)量及氮素表觀盈余量的關(guān)系Fig.4 Relationship between the nitrogen fertilizer amount, the rice yield and the apparent surplus of nitrogen

3 討 論

施氮可以顯著提高作物產(chǎn)量，然而當施氮量增加至一定程度時，產(chǎn)量不再繼續(xù)增加，反而表現(xiàn)為下降的趨勢。2009 年林治安等[24]在22 年的長期定位試驗得到的結(jié)果與此一致，認為高量施氮無助于作物產(chǎn)量提高，2003 年巨曉棠等[25]研究也得到相似的結(jié)論。在本試驗條件下隨著氮肥用量增加水稻產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢，可以用二次方程y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495模擬(R2=0.998)。

巨曉棠[3]提出氮肥管理的實質(zhì)在于增加產(chǎn)量、維持地力、減少環(huán)境影響，在于通過系統(tǒng)研究氮肥-土壤氮-作物吸收氮“三氮”之間的關(guān)系，真正理解土壤-作物體系氮素主要流動過程，明確輸入與輸出氮素之間的差異，實質(zhì)性降低氮肥損失量，將環(huán)境影響降低到最低限度，而不是簡單地追求很高的傳統(tǒng)氮肥利用率。本研究表明, 隨著氮肥用量的增加，植物氮素吸收及土壤氮素表觀盈余量呈增加的趨勢，呈極顯著的線性關(guān)系(R2=0.998)，與前人研究結(jié)果一致[26-27]。根據(jù)巨曉棠對氮素效率研究理論[28]，當?shù)视昧康陀?12.5 kg/hm2時，水稻產(chǎn)量較低，水稻氮素吸收量為125.78 kg/hm2，氮素表觀盈余量為負值，有耗竭土壤的風險，處于不可持續(xù)生產(chǎn)水平；當?shù)视昧繌?12.5增加到187.5 kg/hm2時，水稻產(chǎn)量增加，氮素表觀盈余量從-3.23增加到51.56 kg/hm2，此時土壤氮肥力和產(chǎn)量得以維持，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展；當?shù)视昧繛閺?87.5 kg/hm2增加到300 kg/hm2時，水稻產(chǎn)量僅提高了8.49 %，氮素表觀盈余量增加到133.68 kg/hm2，氮素表觀盈余卻增加了159.27 %，氮素流失風險顯著增加，說明當?shù)视昧砍^187.5 kg/hm2后，氮素吸收量和水稻產(chǎn)量增加緩慢，但是氮素表觀盈余增加迅速，過多的氮肥不僅沒有帶來增產(chǎn)，反而通過水體，大氣或者其他渠道流失，引起環(huán)境污染，因此從保證糧食安全和控制面源污染的角度出發(fā)，水稻氮肥用量應(yīng)該控制在187.5 kg/hm2上下范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

氮肥用量與水稻產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系，與土壤氮素表觀盈余量呈極顯著的線性關(guān)系，在氮肥用量低于112.5 kg/hm2時，水稻產(chǎn)量較低，氮素表觀盈余呈負值，土壤耗竭嚴重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可持續(xù)，氮肥用量在187.5～300 kg/hm2的時候，水稻產(chǎn)量變化較小，而氮素表觀盈余增加了159.27 %，大量氮肥通過水體、大氣或者其他渠道流失，引起環(huán)境污染，氮肥用量為187.5 kg/hm2時水稻產(chǎn)量穩(wěn)定，氮素表觀盈余維持在較為合理水平，土壤肥力得以維持，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

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(責任編輯 陳 虹)

Effects of Nitrogen Fertilizer Amount on Rice Nitrogen Uptake and Soil Nitrogen Apparent Balance of Sichuan Purple Hilly Region

LUO Fu-xiang, LIN Chao-wen*, ZHU Yong-qun,YAO Li, ZHANG Jian-hua,WANG Xie

(Soil and Fertilizer Institute Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China)

In order to identify the effect of nitrogen fertilizer application on rice nitrogen uptake and soil nitrogen balance in purple hilly region under rice-wheat rotation system, the randomized blocks by 6 levels of nitrogen fertilizer (0-300 kg N/hm2) in this experiment were designed, and the effects of nitrogen fertilizer application rate on the rice yield, rice nitrogen uptake and distribution and soil apparent balance were investigated. The result showed that: the rice yield reached a peak first and then stablized with the increase of the nitrogen fertilizer, and their relationship was simulated to a quadratic equation:y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495，R2=0.998; The rice nitrogen uptake and nitrogen apparent balance had a linear correlation with nitrogen fertilizer application, their linear equations were respectively:y=0.27x+ 85.28，R2=0.990，y= 0.730x-85.32，R2=0.998. When the nitrogen application rate was less than 112.5 kg/hm2, rice yield was low, nitrogen apparent surplus quantity was-3.23 kg/hm2, which had risks of exhausted soil; When the nitrogen fertilizer application rate was 112.5-187.5 kg/hm2, the nitrogen uptake was 135.77 kg/hm2, the nitrogen apparent surplus amount was 51.56 kg/hm2, the rice yield and nitrogen apparent surplus maintained were reasonable levels, soil nitrogen fertilizer and production was maintained, and the agricultural production was sustainable development; When the nitrogen fertilizer application rate was 187.5-300 kg/hm2, the rice yield was tended to be stable, but the nitrogen apparent surplus amount was 133.68 kg/hm2, and the nitrogen apparent surplus amount was increased by 159.27 %. Too much nitrogen was lost by water, air or other channel erosion, which caused environmental pollution. So a nitrogen fertilizer application rate of 187.5kg/hm2was recommended under rice-wheat rotation system in purple hilly region for food security and non-point source pollution prevention.

Rice; Nitrogen; Uptake; Nitrogen apparent balance

1001-4829(2016)08-1903-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.027

2015-07-10

國家科技支撐計劃(2012BAD05B03-8)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003014)；四川省公益性農(nóng)業(yè)專項(2011NZ0094)；四川省公益性農(nóng)業(yè)專項(2013NZ0028)；四川省創(chuàng)新能力提升工程專項(2016GYSH-023)

羅付香(1981-)，女，四川資陽人，碩士，助理研究員，主要從事植物營養(yǎng)學、農(nóng)業(yè)生態(tài)及水土保持等方面研究工作，Tel：13540414071，傳真：028-84796435，E-mail：luofx06@126.com,*為通訊作者。

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