種植方式變化下雙季稻田氮素平衡及環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

才碩 時(shí)紅 時(shí)元智 徐濤

摘要?隨著農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移以及水稻栽插機(jī)械化的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工插秧方式正在被直播、拋秧和機(jī)械化插秧所替代，種植方式的變化導(dǎo)致了水稻水肥需求與利用發(fā)生明顯改變。為了深入研究不同種植方式對雙季稻田氮素平衡及環(huán)境效應(yīng)的影響，在前人研究基礎(chǔ)上，闡述了不同水稻種植方式的技術(shù)特點(diǎn)以及稻田氮素輸移、流失規(guī)律、平衡特征與環(huán)境效應(yīng)等方面研究，以期為南方雙季稻高效穩(wěn)產(chǎn)栽培與可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞?種植方式;氮素平衡;環(huán)境效應(yīng);雙季稻田

中圖分類號?S181.3??文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）17-0001-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.001

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research Progress on Nitrogen Balance and Environmental Impact under the Change Planting Patterns in Doublecropping Paddy Fields

CAI Shuo1，SHI Hong1，2，SHI Yuanzhi3 et al

（1.Jiangxi Key Laboratory of Agricultural Efficient Watersaving and Nonpoint Source Pollution Preventing，Jiangxi Central Station of Irrigation Experiment，Nanchang，Jiangxi 330201;2.East China University of Technology，Nanchang，Jiangxi 330013;3.State Key Laboratory of Hydrologywater Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210029）

Abstract?With the transfer of rural labor force to cities and the development of mechanization of rice planting， the traditional artificial transplanting seedlings are being replaced by direct seeding， throwing seedlings and mechanical transplanting， changes in planting patterns have led to significant changes in waterfertilizer demand and utilization of rice. In order to deeply study the influence of different planting patterns on the nitrogen balance and environmental effects in doublecropping paddy fields， based on previous studies， the technical characteristics of different rice planting methods， as well as studies on nitrogen transport， loss， balance characteristics， and environmental effects of paddy fields were comprehensively described.It is hoped to provide a certain theoretical basis for efficient and stable yield cultivation and sustainable development of doubleseason rice in the south.

Key words?Planting pattern;Nitrogen balance;Environmental effect;Doublecropping paddy fields

雙季稻是我國南方地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，種植“一年兩熟”的雙季稻對保障我國糧食安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。然而，雙季稻種植多采用“水肥高投入、糧食高產(chǎn)出”的管理模式，用水用肥量大，氮素利用率低且流失嚴(yán)重，致使稻田在保障糧食產(chǎn)量的同時(shí)也造成氮素地表徑流與淋失[1]、溫室氣體排放[2]及生態(tài)環(huán)境惡化等問題。

近年來，隨著農(nóng)村勞動力向城市轉(zhuǎn)移、土地流轉(zhuǎn)以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，水稻的種植方式發(fā)生了深刻變革，傳統(tǒng)的手工插秧正在被水稻直播、拋秧和機(jī)械化插秧所替代[3]。長期以來，水肥調(diào)控以及耕作措施影響作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的研究主要是在手工插秧的稻田環(huán)境下建立的。然而，隨著拋秧、直播和機(jī)械插秧等簡化栽培技術(shù)普遍應(yīng)用，稻田的水肥管理方式也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致雙季稻田氮素輸入、輸出和遷移轉(zhuǎn)化特征存在差異性、復(fù)雜性和多變性。已有基于稻田手工插秧的研究成果，已不能完全滿足雙季稻生產(chǎn)實(shí)際與技術(shù)要求，急需對不同種植方式下稻田氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)分析，以確保雙季稻生產(chǎn)的持續(xù)協(xié)調(diào)穩(wěn)定發(fā)展。因此，筆者探討種植方式變化下雙季稻田氮素輸移、損失和平衡特征的研究進(jìn)展，以期為雙季稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1?水稻種植方式研究現(xiàn)狀

手工插秧、拋秧、直播和機(jī)械插秧是目前雙季稻生產(chǎn)的主要種植方式。直播稻是將干種子或催芽后的種子通過手工或機(jī)械的方式直接播種于本田當(dāng)中的水稻種植技術(shù)，與傳統(tǒng)移栽稻相比，省去了育秧與秧田管理、移栽與移栽前泡田等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可大幅減少勞動力和生產(chǎn)成本，直播稻省工、省力 、簡化且發(fā)展較為迅速[4]，但本田生長期延長，且水肥管理方式與移栽稻差異較大。手工插秧、拋秧和機(jī)械插秧均需要育秧移栽，育秧能夠縮短本田生育期，提高復(fù)種指數(shù)，但移栽對育秧方法和栽插質(zhì)量具有特定要求。不同種植方式有其特定的水分管理特性，直播稻播種時(shí)可采用水直播，也可旱直播，播種后則需要保持田面無水以確保出苗，收割前則需要提早斷水防止倒伏;拋秧和機(jī)械插秧在移栽時(shí)均要求田面保持淺水層以避免秧苗漂浮，機(jī)械插秧后干濕交替促早發(fā)，拋秧移栽后需淺水灌溉以利于水稻立苗;手工插秧則要求淺水插秧，深水活棵?？梢?，不同種植方式具有各自的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)效果，不同的水分管理方式也導(dǎo)致了肥料吸收利用與流失的時(shí)空差異。

水稻種植方式的變革引起了眾多學(xué)者的密切關(guān)注，針對水稻不同種植方式進(jìn)行了大量研究和評價(jià)，但研究主要集中在水稻生長發(fā)育[5]、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益[6]、微生物種群[7]以及病蟲草害發(fā)生特點(diǎn)[8-9]等方面。上述研究普遍認(rèn)為，不同種植方式水稻生育期不同，水稻所處的溫光環(huán)境條件各異，從而使水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量水平存在一定差異。但對不同種植方式下稻田養(yǎng)分，特別是氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究相對較少，且僅局限于氮素利用效率[10]與溫室氣體排放[11-14]。目前，對于不同種植方式下稻田氮素輸移、流失問題缺少系統(tǒng)性研究。因此，開展不同水稻種植方式下稻田氮素利用與流失特征差異及評價(jià)研究，闡明氮素的平衡特征，對評價(jià)雙季稻不同種植方式的環(huán)境效應(yīng)具有重要價(jià)值。

2?不同種植方式下稻田氮素平衡研究

氮是水稻最重要的營養(yǎng)元素之一，稻田氮素循環(huán)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)的一個(gè)重要組成部分。氮素在稻田系統(tǒng)循環(huán)過程中存在動態(tài)的交換和轉(zhuǎn)移，氮素輸移變化對系統(tǒng)氮素循環(huán)和平衡產(chǎn)生極大的影響[15-16]。氮素平衡是指在一定系統(tǒng)內(nèi)氮素輸入和輸出之間的轉(zhuǎn)化和平衡，稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮的輸入主要包括氮肥投入、生物固氮、灌溉水帶入、大氣干濕沉降氮等，氮的輸出主要包括作物吸收、淋失與徑流損失以及氣態(tài)損失。稻田系統(tǒng)氮素在轉(zhuǎn)化過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，隨時(shí)通過各種途徑逃逸系統(tǒng)，發(fā)生損失。一般認(rèn)為，稻田氮素?fù)p失過程主要包括通過地表徑流和滲漏水?dāng)y帶土壤中的溶解態(tài)氮移出稻田，土壤氨揮發(fā)和反硝化作用以及作物生長過程中向大氣釋放的各種含氮?dú)鈶B(tài)化合物。不同形式的氮素?fù)p失造成了土壤、大氣、湖泊富營養(yǎng)化以及地下水污染等環(huán)境污染問題。

稻田氮素平衡受到施肥和耕作等農(nóng)事活動的影響。不同的種植方式需要不同的水肥管理方式，可以形成不同的環(huán)境條件，不同的種植方式水稻生育期也不同，導(dǎo)致水稻的氮素循環(huán)和平衡也可能存在差異。在傳統(tǒng)手工插秧方式下，李慶逵[17]研究認(rèn)為，氮素投入稻田后，水稻回收20.9%～280%，土壤殘留占11.2%～29.5%，各類損失占27%～677%;汪慶兵等[18]研究發(fā)現(xiàn)，水稻吸收的僅為25%～50%，土壤殘留的10%～35%，剩余的部分則隨氨揮發(fā)、淋失或反硝化損失到環(huán)境中。在拋秧方式下，王淳等[19]研究表明，早晚稻氮素回收率為34.3%～47.6%，土壤殘留率為9.1%～355%，土壤的表觀回收率為35.4%～58.6%，表觀損失率為32.3%～49.2%，氨揮發(fā)的損失率為29.3%～52.3%，N2O損失率為03%～1.0%。拋秧模式下水稻的氮素利用率比手工插秧模式有較大幅度的提高?？梢?，通過栽培措施來調(diào)節(jié)稻田氮素循環(huán)過程以及氮素收支平衡狀況，對于提高水稻對氮素的回收率、減少氮素?fù)p失、減輕環(huán)境壓力、保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，目前還缺少對直播和機(jī)械插秧方式下雙季稻田氮素循環(huán)的系統(tǒng)研究，且不同種植方式下稻田氮素循環(huán)是否存在差異，不同移栽（手工插秧、機(jī)械插秧、拋秧）方式下秧田期間氮素利用與損失情況，這些都值得深入研究。

3?不同種植方式下稻田氮素環(huán)境效應(yīng)

3.1?不同種植方式下稻田氮素吸收利用

氮素吸收利用不僅決定水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，還直接影響稻田周邊的生態(tài)環(huán)境。目前，部分發(fā)達(dá)國家稻田氮素吸收利用率可達(dá)50%以上，而我國水稻生產(chǎn)中氮肥平均利用率為30%～35%[20]。不同種植方式因水分管理、氮肥運(yùn)籌、栽培方式等不同，水稻氮素吸收利用效率也不同。厲波等[21]研究表明，不同種植方式下水稻植株氮累積量表現(xiàn)為直播>機(jī)械插秧>手工插秧，劉利等[22]研究認(rèn)為拔節(jié)期氮素積累量直播低于機(jī)械插秧和手工插秧，抽穗期則為機(jī)械插秧<直播<手工插秧，成熟期表現(xiàn)為直播顯著高于機(jī)械插秧和手工插秧，而霍中洋等[10]和王春雨等[23]研究則認(rèn)為，抽穗期和成熟期水稻植株氮素積累量均以手工插秧最高，機(jī)械插秧次之，直播最低。劉利等[22]研究發(fā)現(xiàn)，水稻氮稻谷生產(chǎn)效率和氮收獲指數(shù)表現(xiàn)為機(jī)械插秧>手栽>直播，而王春雨等[23]則認(rèn)為水稻氮素農(nóng)藝?yán)寐屎偷斋@指數(shù)以手工插秧最高，而氮稻谷生產(chǎn)效率表現(xiàn)為機(jī)械插秧優(yōu)于直播和手工插秧，霍中洋等[10]研究表明，手工插秧、機(jī)械插秧和直播3種種植方式水稻的氮素吸收利用率分別為44.49%、39.00%和31.41%?？梢?，關(guān)于水稻不同種植方式氮素吸收與利用的相關(guān)研究存在一定差異，特別是多元化種植下雙季稻氮素吸收與利用還有待進(jìn)一步研究，以期實(shí)現(xiàn)氮肥合理施用提高氮素利用率，從而為雙季稻的高產(chǎn)高效栽培提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

3.2?不同種植方式下稻田氮素?fù)p失

3.2.1?不同種植方式下稻田徑流與淋溶損失。

農(nóng)田地表徑流流失和淋溶損失是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因。農(nóng)業(yè)種植活動導(dǎo)致氮素隨地表徑流流失以及從土壤剖面上淋失，成為地表水富營養(yǎng)化以及地下水污染的主要原因[24-25]。稻田環(huán)境有其自身的特殊性，即土壤表面存在動態(tài)蓄水層，而土壤表層下存在穩(wěn)定的犁底層，稻田田面水的多變性和犁底層的低滲透性對水和溶質(zhì)的運(yùn)動有一定的影響[26-27]。研究表明，農(nóng)田氮素流失與作物種類、種植方式密切相關(guān)[28]，原因可能是對水分需求和根系發(fā)育的不同造成的[29-30]?；诘咎锇胱匀话肴斯じ深A(yù)（烤田）和干濕交替條件，不同的水稻種植方式也可能會造成不同的氮素流失特性[31]。陸敏[32]研究表明，直播稻氮素徑流流失量占施肥量的0.19%～0.34%，淋溶流失量僅占當(dāng)季施肥量的0.12%～0.69%，而黃沈發(fā)等[33]則認(rèn)為直播稻田氮素總流失量占稻季化肥用量的13.23%;張?jiān)婪嫉萚34]研究認(rèn)為，直播稻氮素地表徑流量明顯高于手工插秧，而機(jī)械插秧比直播更有利于控制稻田氮素徑流流失，Zhang等[35]研究認(rèn)為直播較手工插秧和機(jī)械插秧增加了氮素的徑流損失量。綜合前人的研究可知，已有研究多以單季稻為主，且研究結(jié)果也存在一定差異，有必要進(jìn)一步研究，特別是基于不同種植方式下雙季稻田氮素徑流和淋溶的變化規(guī)律有待深入探討。

3.2.2?不同種植方式下稻田氨揮發(fā)。

氨揮發(fā)是農(nóng)田氮素氣態(tài)損失的主要途徑之一。我國稻田氨揮發(fā)損失占施氮量的9%～40%[36]，南方雙季稻田氨揮發(fā)損失高達(dá)43.7%[37]，稻田揮發(fā)氨通過大氣干濕沉降進(jìn)入地表水體，加劇水體富營養(yǎng)化，對生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。氮肥種類、氮肥運(yùn)籌方式、田間溫度、灌溉排水等均是農(nóng)田氨揮發(fā)的影響因素，但目前研究主要集中在施肥因素[38-39]和耕作制度[40]方面，且針對雙季稻田氨揮發(fā)損失的研究結(jié)果差異較大。吳萍萍等[41]研究表明，傳統(tǒng)手工插秧方式下雙季早、晚稻稻田氨揮發(fā)損失率分別為4.5%～15.3%、16.9%～32.8%。李菊梅等[42]在單施尿素條件下進(jìn)行的雙季稻田氨揮發(fā)試驗(yàn)表明，早、晚氨揮發(fā)損失率分別為41.4%和39.9%。朱堅(jiān)等[37]針對典型雙季稻田基施碳酸氫銨和尿素的氨揮發(fā)損失進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為早、晚稻氨揮發(fā)損失率分別為39.8%和46.9%?？梢?，稻田氨揮發(fā)逐漸成為研究熱點(diǎn)，而基于不同種植方式下雙季稻田氨揮發(fā)研究鮮有報(bào)道。

3.2.3?不同種植方式下稻田N2O排放。

土壤氮素通過硝化-反硝化作用產(chǎn)生的N2O是導(dǎo)致全球變暖的三大溫室氣體之一，其單分子全球增溫潛勢是CO2的296倍。大氣中90%的N2O來自地表生物源，農(nóng)田土壤是全球最主要的N2O排放源，我國農(nóng)業(yè)土壤每年由于過分依賴化學(xué)氮肥構(gòu)成了農(nóng)田N2O排放量占排放總量的40%，其中稻田排放的N2O占農(nóng)田總排放量的7%～11%。因此研究稻田N2O排放對減少農(nóng)田溫室氣體排放和減緩全球氣候變暖具有重要意義。

作物種類、種植方式、水分管理、氮肥運(yùn)籌等農(nóng)藝措施是影響稻田N2O排放的重要因素[43-45]，而水氮管理在調(diào)控稻田N2O排放過程中起關(guān)鍵作用。水稻不同種植方式由于水分管理和氮肥運(yùn)籌不同，其對稻田N2O排放的影響可能存在差異。馬永躍[46]和林芳等[11]研究表明，不同水稻種植方式下雙季稻田N2O排放通量為手工插秧<機(jī)械插秧<拋秧<直播。上述研究雖然對不同種植方式下雙季稻田N2O的排放通量進(jìn)行了比較，但直播稻與移栽稻的差異有多大，產(chǎn)生差異的機(jī)理是什么，以及不同生育階段對全生育期的貢獻(xiàn)情況等一系列問題有待闡明。因此，探明稻田生態(tài)系統(tǒng)的氮平衡及其變化規(guī)律和調(diào)控機(jī)制對提高和改善科學(xué)種植方式具有重要的指導(dǎo)意義。

4?結(jié)論與展望

當(dāng)前，我國水稻生產(chǎn)正處于轉(zhuǎn)型時(shí)期，面對農(nóng)村有效勞動力短缺、水稻生產(chǎn)成本不斷增加、全球氣候變暖、水資源短缺等問題，通過轉(zhuǎn)變水稻種植方式、提高復(fù)種指數(shù)來提高水稻生產(chǎn)效益，由“向單季要產(chǎn)量”轉(zhuǎn)為“向系統(tǒng)要產(chǎn)量”，更有利于減少對生態(tài)環(huán)境的影響[47-48]。以往的研究不能全面揭示雙季稻田氮素循環(huán)特性因種植方式改變而發(fā)生的變化，無法準(zhǔn)確闡明不同種植方式所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)。

（1）雙季稻田農(nóng)學(xué)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)評價(jià)。目前針對雙季稻種植方式的研究主要集中在高產(chǎn)栽培技術(shù)及其氮素利用效率方面，而對手工插秧、拋秧、直播和機(jī)械插秧等不同種植方式下稻田氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究相對較少，有必要深入研究現(xiàn)狀水肥管理?xiàng)l件下不同種植方式對雙季稻產(chǎn)量形成的氮素基礎(chǔ)及其農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，這對科學(xué)評價(jià)不同水稻種植方式的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益具有重要意義。

（2）雙季稻田氮素輸移規(guī)律與平衡特征。15N示蹤技術(shù)已在氮素吸收、分配以及氮肥去向等方面得到廣泛應(yīng)用，可利用15N同位素示蹤法及農(nóng)田系統(tǒng)氮素質(zhì)量平衡法等研究稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮素輸移過程，分析種植方式對雙季稻植株體氮素吸收利用以及種植季稻田土壤氮素殘留、地表徑流和淋溶、NH3揮發(fā)和N2O排放的影響，明確不同種植方式下雙季稻不同生育期稻田系統(tǒng)氮素在土壤-作物-水體-大氣中輸移規(guī)律，探明肥料15N各主要輸出途徑間的耦合關(guān)系，闡明不同種植方式下雙季稻種植季稻田的氮素輸移規(guī)律與平衡特征，以便掌握稻田氮素利用與損失的重要途徑以及防治氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期。

（3）稻田氮損失與環(huán)境效應(yīng)的協(xié)同機(jī)制及其調(diào)控。研究雙季稻秧苗期和大田期不同的水分管理對不同種植方式雙季稻田氮素輸移特征的影響，明確關(guān)鍵時(shí)期和主要氮素?fù)p失途徑的水-種植方式-氮素特征的協(xié)同效應(yīng)，探明不同種植方式稻田氮素減排的環(huán)境調(diào)控機(jī)制，探索出針對不同種植方式氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)協(xié)調(diào)促進(jìn)的水分調(diào)控措施，有利于減輕雙季稻種植所產(chǎn)生的面源污染和溫室效應(yīng)等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

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