淹水條件硝態(tài)氮和銨態(tài)氮配施對水稻生長與土壤養(yǎng)分的影響①

王曉琪，姚媛媛，陳寶成*，楊越超，劉之廣，朱家輝，周華敏，梁 海，夏秋升，陳劍秋

(1 山東農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018；2 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室，山東臨沭 276000)

在我國糧食生產中，水稻占了極其重要的地位。2015 年和2016 年，我國水稻年平均播種面積為3.02×107hm2，占糧食播種面積的27%，平均總產為 2.08×108t，占糧食總產的34%。水稻負擔了我國60%以上人口的主食，并且這一數(shù)字還將呈進一步上升趨勢，因此，水稻安全對于維護國家經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定有著重要的戰(zhàn)略意義[1-2]。氮是水稻生長和產量形成最重要的營養(yǎng)元素，對產量和品質起著關鍵作用[3]。明確水稻需氮類型、掌握水稻施氮比例，對于氮肥合理施用、水稻提質增量有著重要的現(xiàn)實意義。

水稻利用氮的形態(tài)主要有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，氮素形態(tài)很大程度上影響水稻的生長和對氮的吸收，合理施用氮肥對提高水稻產量十分重要[4-5]。以往的研究普遍認為水稻為喜銨作物，對于銨態(tài)氮的需求高于硝態(tài)氮[6-11]，但也有研究表明，雖然稻田土體中的無機氮以銨態(tài)氮為主，但水稻根系實際上是一直處于一種硝態(tài)氮、銨態(tài)氮混合營養(yǎng)之中，水稻根系的泌氧作用，使得水稻根際土壤存在較強的硝化作用[12]，銨態(tài)氮在根表或根際一旦氧化為硝態(tài)氮就會被水稻根系吸收進去[13]。不僅如此，大量的溶液培養(yǎng)試驗表明，水稻在硝態(tài)氮、銨態(tài)氮1：1 的營養(yǎng)液中生長狀況最好，增硝營養(yǎng)效果明顯[14-16]。

前人對水稻氮素形態(tài)的研究大多集中于實驗室培養(yǎng)，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮摻混比例也多為單一梯度。為進一步研究不同氮素形態(tài)在淹水條件下對水稻生長的影響，試驗采用大田栽培的方式，通過單獨施用硝態(tài)氮、銨態(tài)氮以及硝態(tài)氮、銨態(tài)氮按1︰3、2︰2、3︰1比例摻混的方式，探究不同氮素形態(tài)配施對水稻生長發(fā)育和土壤養(yǎng)分含量的影響，以期探明硝態(tài)氮、銨態(tài)氮在水稻施肥上的最佳配比，為農民科學施肥、減少氮素損失提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2014 年在濟南市濟陽縣水稻科技示范基地進行(36°98′N，117°22′E)，屬于暖溫帶大陸性季風氣候。水稻種植的5—10 月期間平均氣溫為26 ℃，平均降雨量為600 mm，試驗用地毗鄰黃河，灌溉充足，也是“黃河大米”的主要產區(qū)。供試土壤類型為黏壤質水稻土，其基本理化性狀如下：pH 6.99(水土比5︰1)，有機質含量11.86 g/kg，全氮含量1.24 g/kg，有效磷含量24.30 mg/kg，速效鉀含量80.57 mg/kg。供試水稻品種選用‘圣稻13’，屬中晚熟常規(guī)粳稻，生育期為156 d。試驗中的硝態(tài)氮全部由硝酸鈣(N 15.5%)提供，銨態(tài)氮全部由氯化銨(N 25%)提供，其他供試肥料分別為普通尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O515.5%)、氯化鉀(K2O 60%)。所有肥料均來自金正大生態(tài)工程集團股份有限公司。

1.2 試驗設計

試驗為大田小區(qū)試驗，小區(qū)長為8 m，寬為2 m，小區(qū)內部劃分為收產區(qū)和取樣區(qū)兩個子區(qū)。為保證各試驗處理單獨排灌，在各試驗小區(qū)之間筑起寬30 cm、高30 cm 的土埂，并在施肥前用塑料薄膜包裹嚴密，邊緣深埋入土壤40 cm。試驗共設7 個處理(表1)，重復3次，總計21 個小區(qū)，各小區(qū)隨機排列。6 月25 日撒施基肥，基肥施用方式為撒施后翻耕15 cm 入土。施肥后進行灌溉，平整土地后插秧，水稻行距30 cm，株距16 cm，每墩4 株水稻苗。整個生育期內水稻的灌溉、除草、病蟲害防治等按常規(guī)高產栽培模式進行管理。各小區(qū)保持長期淹水狀態(tài)，在水稻收獲前15 d 停止灌溉。

表1 試驗處理及肥料施用情況Table 1 Fertilization under different treatments

1.3 樣品采集及測定

分別于7 月11 日(苗期)、8 月12 日(拔節(jié)期)、9月7 日(灌漿期)和10 月6 日(完熟期)進行樣品的采集，土樣和植株樣的取樣方法為三點取樣法，并在完熟期進行產量的測定。11 月、12 月對土壤和植株各項指標進行分析化驗。

測定指標和方法為：土壤pH：5：1 水土比，pH計測定；土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮：0.01 mol/L 氯化鈣浸提，AA3 流動注射分析儀測定；土壤有機質：重鉻酸鉀-硫酸加熱氧化，硫酸亞鐵滴定；土壤全氮：濃硫酸消煮，Smartchem 200 連續(xù)流動注射分析儀測定；土壤有效磷：0.5 mol/L 碳酸氫鈉(pH 8.5)浸提，Smartchem 200 連續(xù)流動注射分析儀測定；土壤速效鉀：1 mol/L 醋酸銨(pH 7)浸提，火焰光度計測定；植株全氮：H2SO4-H2O2聯(lián)合消化，凱氏定氮法測定；植株葉片SPAD 值：SPAD-502 葉綠素儀(由日本Minolta 公司生產)測定；株高：直尺測量；產量：實打實收、稱重測產。

氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮區(qū)作物籽粒產量-對照區(qū)作物籽粒產量)/施氮量；氮肥生理效率(kg/kg)=(施氮區(qū)作物籽粒產量-對照區(qū)作物籽粒產量)/(施氮區(qū)地上部分吸氮量-對照區(qū)地上部分吸氮量)；氮肥利用率(%)=(施氮區(qū)地上部分吸氮量-對照區(qū)地上部分吸氮量)/施氮量×100；增產幅度(%) = (施氮區(qū)作物籽粒產量-對照區(qū)作物籽粒產量) /對照區(qū)作物籽粒產量[17-18]。

1.4 數(shù)據分析

相關數(shù)據處理采用Excel 2016 和SAS 8.0 軟件進行處理和統(tǒng)計分析，通過ANOVA 進行方差分析，不同處理之間采用Duncan’s Multiple Range Test 方法檢驗各處理平均數(shù)在P＜0.05 水平的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤硝態(tài)氮含量的影響

水稻整個生育期內土壤中的硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(圖1)。苗期各處理土壤中硝態(tài)氮含量與肥料中的硝態(tài)氮添加比例呈正相關，其含量高低為處理N ＞ U ＞ N3A1 ＞ N2A2 ＞ N1A3 ＞ A ＞ CK。水稻幼苗根系缺少硝酸還原酶[19]，生育初期吸收硝態(tài)氮的速率較低，土壤中大量硝態(tài)氮并不能很好地被水稻吸收，容易造成氮素的浪費；拔節(jié)期，A 處理有較高的硝態(tài)氮供應水平，但其他施肥處理差異不顯著；待完熟期，土壤中硝態(tài)氮含量為處理A ＞ N1A3 ＞N2A2 ＞ N3A1 ＞ U ＞ N ＞ CK，能夠發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮配施后隨著銨態(tài)氮添加比例的增加，土壤中硝態(tài)氮含量卻逐漸增加，說明前期施用的大量銨態(tài)氮會導致水稻中后期土壤硝態(tài)氮含量升高；而前期硝態(tài)氮施用量的增加并不會導致后期土壤中硝態(tài)氮水平的提高。隨著水稻的生長發(fā)育，水稻體內硝酸還原酶活性會提高，水稻對硝態(tài)氮的吸收速率也會逐漸加快[19]，對硝態(tài)氮的需求也會增加，由于施用銨態(tài)氮比硝態(tài)氮更能提高中后期土壤硝態(tài)氮含量，因此，銨態(tài)氮肥比硝態(tài)氮肥更能滿足水稻對硝態(tài)氮的需求。整個生育期A 處理的硝態(tài)氮供應水平都高于U 處理。

圖1 水稻不同生育期土壤硝態(tài)氮含量Fig.1 Soil NO-N contents in different growth stages of rice

圖2 水稻不同生育期土壤銨態(tài)氮含量Fig. 2 Soil NH-N contents in different growth stages

2.2 不同施肥處理對土壤銨態(tài)氮含量的影響

水稻整個生育期內土壤中的銨態(tài)氮呈現(xiàn)先降低、后升高、再降低的趨勢(圖2)，苗期土壤銨態(tài)氮含量為處理U ＞ A ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞ N3A1 ＞ N ＞ CK，隨著銨態(tài)氮肥施用量的增加，苗期土壤中銨態(tài)氮含量也逐漸增加。水稻苗期根部細胞色素氧化酶占優(yōu)勢，對銨態(tài)氮的需求較多[20]，銨態(tài)氮的吸收效率也高于硝態(tài)氮，因此，銨態(tài)氮是水稻苗期最需要的氮素類型[21]。U 處理和A 處理能夠為水稻幼苗提供更充足的氮素供應，為水稻后期的生長打下基礎。至水稻灌漿期，土壤銨態(tài)氮含量為處理A ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞ N3A1 ＞U ＞ CK ＞N，說明前期銨態(tài)氮肥施用量的增加會提高中后期土壤銨態(tài)氮的含量，并維持整個水稻生育期土壤中銨態(tài)氮含量在較高水平；而肥料配施后硝態(tài)氮肥添加比例的增加自始至終沒有提高土壤中銨態(tài)氮的含量。除苗期外，A 處理的銨態(tài)氮供應水平都高于U處理。綜合水稻整個生育期銨態(tài)氮供用情況，A 處理效果最好。

2.3 不同施肥處理對土壤堿解氮含量的影響

堿解氮包括硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及易水解的有機態(tài)氮，它能夠反映土壤近期的氮素總體供應情況，也是作物氮素營養(yǎng)的主要來源[22-23]。整個水稻生育期土壤中的堿解氮含量呈現(xiàn)先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(圖3)。苗期U 處理堿解氮含量最高，顯著高于其他處理，其次為A 處理，在施氮量相同的條件下A 處理較N處理土壤堿解氮顯著增加了22.22%，因此，施用普通尿素和單施銨態(tài)氮較單施硝態(tài)氮都能減少施肥后氮素的損失。灌漿期是水稻需肥的關鍵時期，充足的肥料供應是提高水稻產量的重要保證。至灌漿期和完熟期，A 處理土壤堿解氮含量顯著高于CK 處理、U處理、N 處理和N3A1 處理，且兩種肥料配施后，隨著銨態(tài)氮添加比例的增加，土壤中堿解氮含量也逐漸增加。綜合水稻的整個生育期，銨態(tài)氮施用量大的處理，在水稻中后期土壤堿解氮都能維持在一個較高且相對穩(wěn)定的水平，比U 處理、N 處理更有利于滿足水稻中后期生長對土壤氮素的需求。

圖3 水稻不同生育期土壤堿解氮含量Fig. 3 Soil alkali-hydrolyzable nitrogen contents in different growth stages

2.4 不同施肥處理對灌漿期水稻功能葉SPAD 值的影響

SPAD 值是反映葉片光合能力的重要指標，水稻灌漿期所需的物質中有 60% ～ 80% 來自光合作用，此時功能葉光合作用的強弱對水稻產量等影響極大[24]。對灌漿期水稻功能葉SPAD 值進行測定(圖4)，N 處理功能葉SPAD 值最低，A 處理較N 處理功能葉SPAD 值顯著提高了6.76%，且兩種肥料配施后隨著銨態(tài)氮施用比例的增加，功能葉SPAD 值也逐漸升高。A 處理、N1A3 處理和U 處理功能葉SPAD 值都顯著高于N 處理，說明硝態(tài)氮施用量過高會導致葉片光合性能下降，降低功能葉光合能力，不利于水稻后期干物質積累。

圖4 灌漿期水稻功能葉SPAD 值Fig. 4 SPAD values of functional leaves in filling stage

2.5 不同施肥處理對水稻產量及產量因子的影響

收獲后對水稻產量和產量構成因素進行分析(表2)。結果顯示U 處理和A 處理水稻產量效果最好。隨著銨態(tài)氮施用比例的增加、硝態(tài)氮施用比例的減少，水稻產量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。水稻產量提高的原因主要為銨態(tài)氮提高了水稻的有效分蘗，從而提高了水稻的有效穗數(shù)。當銨態(tài)氮添加比例由25% 提高至100% 的過程中，N3A1 處理、N2A2 處理、N1A3處理和A 處理較N 處理水稻每公頃有效穗數(shù)分別增加了3.28%，16.15%，38.09% 和52.31%；水稻產量分別提高了10.38%，23.50%，49.21% 和60.11%。A處理與U 處理水稻有效穗數(shù)和水稻產量沒有顯著差異，施肥后各處理之間穗粒數(shù)差異不顯著，但都顯著高于CK 處理。A 處理和N1A3 處理水稻千粒重顯著高于其他處理，這說明充足的銨態(tài)氮供應還能使水稻籽粒飽滿。

2.6 不同施肥處理對水稻農學效率、氮肥生理效率及氮素利用率影響

通過計算得出不同施肥處理水稻農學效率、氮肥生理效率和氮素利用率(表3)，結果顯示氮肥農學效率和生理效率的高低都為處理U ＞ A ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞N3A1 ＞ N，農民習慣性施肥情況下氮肥農學效率和氮肥生理效率都最高。氮肥利用率方面，處理A＞ U ＞N1A3 ＞ N2A2 ＞ N3A1 ＞ N，肥料配施后隨著銨態(tài)氮施用比例的增加，氮肥利用率也逐漸增加。N 處理氮素利用率為16.14%，遠低于我國水稻平均氮素利用率(28% ～ 41%)，超過80% 的氮素未被水稻吸收而損失；在銨態(tài)氮添加比例由25% 提高至100% 的過程中，N3A1 處理、N2A2 處理、N1A3 處理和A 處理較N 處理水稻氮素利用率分別提高了54.55%，70.83%，126.66% 和171.31%。因此得出，相較于硝態(tài)氮，水田中單獨施用銨態(tài)氮或采用基施+追施的方式施用尿素都能夠減少氮素損失，降低對環(huán)境的污染。

表2 水稻產量及產量構成因素Table 2 Rice yields and yield components

表3 不同施肥處理氮素利用率Table 3 Nitrogen utilization rates of different treatments

2.7 不同施肥處理經濟效益

試驗所用肥料的當年價格為：硝酸鈣2 000 元/t、氯化銨800 元/t、普通尿素2 000 元/t。按照該價格計算了各處理產生的經濟效益(表4)，每公頃純收入為處理A ＞ U ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞ CK ＞ N3A1 ＞ N。A 處理純收入最高，為19 745.76 元/hm2，每公頃較CK 處理增收7 546.43 元，較N 處理增收10 952.12 元。因為氯化銨肥料價格較低，A 處理在產量低于U 處理情況下，減少了肥料成本，從而提高每公頃水稻的純收入，最終比U 處理還增收522.91元。N 處理和N3A1 處理不僅沒有顯著提高水稻產量，反而增加了肥料成本，因此經濟效益都低于CK 處理。

表4 不同施肥處理經濟效益Table 4 Economic benefits of different treatments

2.8 水稻產量與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮施用量的關系

通過產量的響應，發(fā)現(xiàn)氮素形態(tài)在很大程度上影響水稻對氮的吸收和水稻的生長。在0 ～ 180 kg/hm2的氮肥施用量范圍內，將水稻產量、硝態(tài)氮施用量、銨態(tài)氮施用量通過方程進行擬合(表5)，發(fā)現(xiàn)水稻產量(y)與硝態(tài)氮施用量(x1)無顯著關系，而與銨態(tài)氮施用量(x2)呈極顯著線性關系，水稻產量與銨態(tài)氮施用量的相互關系為y= 18.044x2+ 4943.4(R2 = 0.975 3)。這說明隨著銨態(tài)氮施用量的增加，水稻產量也隨之增加。

圖5 水稻產量與銨態(tài)氮施用量的關系Fig.5Relationshipbetween riceyieldand NH-Namount

3 討論

為研究肥料配施后在土壤中的運移、損失和利用程度。我們模擬了3 種供試肥料施入稻田后主要的轉化過程(圖 6)。硝態(tài)氮施入土壤后，由于NO–3帶有負電荷，無法被同樣帶有負電荷的土壤膠粒吸附[25]，因此大多存在于土壤溶液中，并隨土壤水分運動而移動。在長期淹水的環(huán)境下，極易被淋洗沖刷到土壤深層，無法被作物吸收利用。除此之外，淹水條件下反硝化作用也經常發(fā)生[26]，引起NO–3形成各種不能被作物利用的氮氣或氮氧化物氣體而脫氮損失，從而造成肥料的嚴重浪費，最終導致水稻因缺氮而減產。試驗中單施硝態(tài)氮處理中極低的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量和水稻產量也證實了這兩方面的原因。

圖6 淹水條件下3 種氮肥在土壤中的主要轉化及損失過程Fig. 6 Main transformation and loss process of three nitrogen fertilizers in soil under flooding condition

淹水條件抑制了硝化細菌的活動，因此，當銨態(tài)氮施入土壤后，只有極少部分會轉化為硝態(tài)氮。NH4+可以被水稻直接吸收，而剩余的NH4+一部分會被帶負電荷的土壤膠體吸附，另外少部分會在2：1 型黏粒礦物的膨脹性晶格中取代層間的陽離子(如Ca2+、Mg2+、Na+、K+等)，從而固定在土壤中，并隨著時間的推移緩慢地釋放。兩者共同作用減少了氮素的損失與肥料的浪費，因此，銨態(tài)氮在氮素供應方面較硝態(tài)氮更有長效性，這也與土壤中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮結果相一致。除此之外，土壤中的銨(NH4+)與氨(NH3)也存在一個不斷相互轉化的過程，二者之間保持著以下平衡：NH4+? NH3+ H+，土壤的pH 決定了反應的平衡方向，在pH = 7 時，NH3約占6%[27]。供試土壤的pH為6.99，可以推斷不會有大量的NH3揮發(fā)從而造成環(huán)境污染。

尿素很難被水稻根系直接吸收利用。尿素施入土壤后，小部分尿素以分子形態(tài)溶于土壤溶液中，并通過氫鍵的作用被土壤吸附，而大部分的尿素都在脲酶的作用下水解成為NH4HCO3和NH4OH[28]，進而以NH4+的形式被水稻吸收或被土壤膠體吸附固定。尿素在20 ℃ 的條件下，只需4 ～ 5 d 便能完全轉化為銨態(tài)氮[29]。施肥后至苗期土壤樣品采集之間15 d 的當?shù)仄骄鶜鉁貫?3 ℃，施用于土壤中的尿素在該溫度和淹水條件下轉化速度極快，幾乎全部轉化成為銨態(tài)氮。這也揭示了試驗中苗期U 處理和A 處理土壤中銨態(tài)氮含量無明顯差異的原因。

張亞麗等[16]研究發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)氮素對水稻生長影響差異顯著，水稻在NH4+：NO–3為50：50 的營養(yǎng)液中生長狀況最好，植株總干重、分蘗數(shù)、N 素積累量均最高。段英華等[15]通過液培試驗，研究了增硝營養(yǎng)對常規(guī)秈稻、常規(guī)粳稻、雜交秈稻、雜交粳稻4種不同基因型的水稻苗期生長和氮素吸收同化的影響。結果表明，增硝態(tài)氮營養(yǎng)可以增加水稻葉片的光合速率，促進水稻對氮素的吸收，提高氮素利用率，進而促進水稻生長。大田試驗中，銨態(tài)氮在水稻整個生育期內對水稻的生長都起著主要作用，試驗結果存在的差異可能由以下原因造成：大田試驗與液培試驗水稻所處的生長條件不同，且大田中復雜的養(yǎng)分固定機制與微生物活動也與營養(yǎng)液環(huán)境存在差異，因此試驗結果也存在差別。

追肥能夠為水稻需氮關鍵時期提供及時的氮素供應。雖然不同類型的水稻品種對氮素的吸收與利用存在差異，但研究者大都認為分蘗期與孕穗期是水稻需氮的最關鍵時期[30]。試驗為系統(tǒng)研究硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及二者按不同比例配施后對水稻整個生育期土壤養(yǎng)分含量變化的影響，除農民習慣性施肥處理外，其他配施處理的肥料施用方式均設置為一次性基施且不再追肥，但這與實際生產中水稻的需肥規(guī)律不完全相符，在水稻需肥的關鍵時期可能存在氮素供應緊張、水稻后勁不足的情況。本試驗條件中，在無需追肥的情況下，單獨施用銨態(tài)氮的處理水稻產量就與農民習慣性施肥處理持平，并因為其肥料價格低廉、減少追肥次數(shù)從而提高了純收入?？梢酝茢?，如果與農民習慣性施肥方式一致，銨態(tài)氮也采用基施+追施的施肥方式，產量與經濟效益還會有進一步的提升，但仍需要進一步試驗來確定該推斷增產潛力如何。

4 結論

銨態(tài)氮對整個生育期內水稻的生長起著主要作用，單施銨態(tài)氮土壤氮素供應狀況好于其他施肥處理，在整個水稻生育期特別是中后期能為水稻提供充足的氮素來源，使土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和堿解氮含量都維持在較高水平。當銨態(tài)氮的配施比例由25% 增加到75% 的過程中，水稻的產量提高了35.18%，氮素利用率提高了46.67%，每公頃產生的經濟收益增加了6 820.15 元。單施銨態(tài)氮處理較單施硝態(tài)氮處理每公頃增產3 068.71 kg，增收10 952.12 元，并因肥料價格低，減少了追肥次數(shù)，較農民習慣性施肥處理每公頃還能額外增收522.91 元。

水稻產量(y)與硝態(tài)氮的施用量無相關性，與銨態(tài)氮施用量(x2)呈顯著正相關，二者之間函數(shù)關系為y= 18.044x2+4 943.4(R2= 0.975 3)，銨態(tài)氮提高水稻產量的方式主要是提高了水稻有效分蘗和氮素利用率。本試驗條件下，綜合水稻長勢、產量、氮素利用率和純收入各項指標，淹水條件下建議單獨施用氯化銨肥料，但同時也須兼顧肥料施用與肥料運輸、氨揮發(fā)損失以及堿性土壤鹽漬化加劇之間的平衡。