廣州市郊稻田氮肥減施的產(chǎn)量和氮肥利用效率分析

黃巧義，黃 旭，唐拴虎，杜建軍，張 木，李 蘋，付弘婷

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640； 2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院新型肥料研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境污染防控工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510225）

【研究意義】化肥為我國(guó)和世界糧食安全發(fā)揮了不可替代的作用，也是我國(guó)退耕還林等生態(tài)工程得以實(shí)施的重要基石［1-2］。另一方面，農(nóng)田化肥大量施用引起的農(nóng)業(yè)面源污染，導(dǎo)致了一系列的負(fù)面效應(yīng)［3］。為了提高化肥施用效率，實(shí)現(xiàn)糧食高產(chǎn)與美麗鄉(xiāng)村的雙重目標(biāo)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部于2015年印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》［4］。水稻為我國(guó)主要糧食作物，在保障我國(guó)糧食安全中具有重要的地位和作用。氮素是影響水稻產(chǎn)量的最主要營(yíng)養(yǎng)元素，也是構(gòu)成農(nóng)業(yè)面源污染的主要成分［5］，因此，氮肥減量施用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水稻化肥使用零增長(zhǎng)的關(guān)鍵技術(shù)措施?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】為提高水稻的氮肥利用效率，我國(guó)先后提出了一次性施肥技術(shù)等多種施肥技術(shù)措施［6-8］，并研發(fā)了脲甲醛、包膜尿素、腐殖酸尿素等多種緩/控釋氮肥［9-11］；同時(shí)，推行有機(jī)氮替代部分無(wú)機(jī)氮肥的有機(jī)替代措施［12-13］。另外，隨著我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力不斷減少，水稻生產(chǎn)迫切需要輕簡(jiǎn)化施肥技術(shù)［14］。我們前期探討了水稻一次性施肥技術(shù)的機(jī)理和增產(chǎn)效果，證明緩/控釋肥一次性基施可以基本滿足水稻整個(gè)生育期的養(yǎng)分需求［15-16］。研究發(fā)現(xiàn)，采用緩/控釋肥一次性施肥技術(shù)可以提高氮肥利用效率［15-16］，具有氮肥減施的潛力。【本研究切入點(diǎn)】目前水稻一次性施肥技術(shù)的氮肥用量與常規(guī)施肥用量水平一致，能否進(jìn)一步減少氮肥用量實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)并降低面源污染發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)尚不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究在前期研究工作基礎(chǔ)上，探討減氮條件下不同氮肥利用措施對(duì)水稻產(chǎn)量、田面水氮含量和氮肥施用效率的影響，從而為水稻氮肥減施提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年8月至2018年8月在廣東省廣州市南沙區(qū)新村開展田間試驗(yàn)。供試土壤為砂壤土，0～20 cm土層的基本理化性質(zhì)為：pH值 6.46，有機(jī)質(zhì)含量 20.10 g/kg，堿解氮含量 95.01 mg/kg，有效磷含量11.44 mg/kg，速效鉀含量56.50 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用田間小區(qū)方式進(jìn)行，小區(qū)土壤先整理平整，然后灌溉使水層高度約為 3 cm，再均勻撒施肥料，將肥料混入土壤。設(shè)不施氮（CK）、常規(guī)分次施肥（CF）、緩釋肥減氮25%分次施用（SFT）、緩釋肥減氮25%一次施用（SFB）、緩釋肥減氮25%一次施用且20%氮肥采用有機(jī)替代（SFB+OS）5個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)，小區(qū)面積為20 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。CF處理的氮、磷、鉀施用量分別為N 180 kg/hm2、P2O545 kg/hm2和K2O 114 kg/hm2，氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀，分基肥、返青肥、幼穗分化肥3次施用，施用比例為0.6∶0.15∶0.25；CK的磷、鉀用量與CF相同，在秧苗移栽前1 d作基肥一次性施入。SFT、SFB和SFB+OS處理的氮肥采用穩(wěn)定性氮肥，由廣州新農(nóng)科肥業(yè)科技有限公司提供，氮肥用量均為N 135 kg/hm2，磷、鉀用量與CF處理一致；SFT處理氮肥分基肥和幼穗分化肥兩次施用，施用比例為0.75∶0.25；SFB和SFB+OS處理的氮磷鉀施用量同SFT，所有肥料均在秧苗移栽前1 d作基肥一次性施入。

各試驗(yàn)小區(qū)通過(guò)5 cm高的土埂分隔，并在土埂上裹一層塑料薄膜。各小區(qū)設(shè)置單獨(dú)的進(jìn)出水口，實(shí)行單獨(dú)排灌，保持各小區(qū)水層高度一致，在分蘗前期保持田間水層3～5 cm，分蘗后期適當(dāng)曬田，幼穗分化期和揚(yáng)花期保持田間水層6～8 cm，灌漿乳熟期保持土壤濕潤(rùn)。供試水稻為常規(guī)稻品種廣豐香8號(hào)，采用人工插秧，栽種規(guī)格為 20 cm ×20 cm。2017年晚造8月18日施底肥，8月19日插秧，11月30日收獲；2018年早造4月25日施底肥，4月26日插秧，7月31日收獲。

1.3 調(diào)查項(xiàng)目及方法

水稻收獲前，每小區(qū)采集5株具有代表性的谷穗樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行考種。同時(shí)，每個(gè)小區(qū)采集代表性植株2株用于生物量及植株氮含量的測(cè)定。水稻收獲時(shí)各小區(qū)通過(guò)人工單獨(dú)收割，并采用小型脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，測(cè)產(chǎn)。

田間試驗(yàn)開始前采集0～20 cm耕層土樣，用于測(cè)定pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀；水稻成熟期采集各小區(qū)耕層土樣，用于全氮和堿解氮測(cè)定。2018年早造在水稻移栽后1、3、5、7、10、12、14、25、27、29、31、45 d 分別采集各小區(qū)的田面水樣至50 mL塑料瓶中，-4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?，用于氮養(yǎng)分含量測(cè)定，取樣前控制田間水層在4 cm。

生物量測(cè)定：水稻植株樣品緊貼田面采集，用塑料袋裝好后帶回實(shí)驗(yàn)室，將稻谷和稻草分開，然后沖洗、擦干，在烘箱中105 ℃殺青30 min，再75 ℃烘干至恒重。

植株含氮量測(cè)定：將各小區(qū)的稻谷和稻草樣品烘干后，粉碎過(guò)0.5 mm篩，采用H2SO4-H2O2消煮，AA3 型自動(dòng)分析儀測(cè)定。

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，攤開風(fēng)干后研磨過(guò)篩，然后采用常規(guī)土壤農(nóng)化分析方法進(jìn)行理化分析［17］。土壤pH（2.5∶1）用酸度計(jì)電位法，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法，土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法，有效磷含量采用Olsen 法，速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。

水樣分析時(shí)從冰箱取出樣品，先用濾紙過(guò)濾，然后采用過(guò)硫酸鉀消解-碳氮分析儀測(cè)定總氮含量。

計(jì)算水稻氮素吸收量及氮素利用效率，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)［18］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 MS Excel 2007 進(jìn)行整理，采用R軟件的agricolae包進(jìn)行方差分析，采用R軟件的ggplot2包制圖。各處理之間的單因素分析比較采用LSD-test法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從表1可以看出，施氮處理的水稻籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮對(duì)照，早、晚稻平均產(chǎn)量增幅分別為122.21%、40.11%，表明氮肥是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因素；不同施氮處理的水稻籽粒產(chǎn)量也存在一定差異，與CF處理相比，SFB+OS和SFT處理的籽粒產(chǎn)量稍有提高，SFB處理的籽粒產(chǎn)量有所降低，以2017年晚稻降幅較大；而不同減量施肥處理的早、晚稻籽粒產(chǎn)量均與常規(guī)施肥處理差異不顯著，表明適當(dāng)?shù)牡蕼p施措施對(duì)早、晚稻產(chǎn)量不會(huì)造成顯著減產(chǎn)。

表1 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different fertilization treatments on rice yields

2.2 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表2可以看出，施氮處理的水稻有效穗數(shù)和實(shí)粒數(shù)均顯著高于不施氮對(duì)照；減氮施肥處理的水稻有效穗數(shù)低于常規(guī)施肥處理，而每穗實(shí)粒數(shù)則高于常規(guī)施肥處理，但兩者間差異不顯著。其中，2017年晚造，常規(guī)施肥處理的水稻結(jié)實(shí)率顯著低于減氮施肥處理和不施氮對(duì)照；2018年早造，不施氮對(duì)照的水稻結(jié)實(shí)率顯著降低。不同施肥處理對(duì)水稻千粒重沒有顯著影響，表明氮肥減施影響水稻早期的分蘗動(dòng)態(tài)，而有助于促進(jìn)籽粒灌漿，提高結(jié)實(shí)率。

表2 不同施肥處理的水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 2 Yield components of rice under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理對(duì)田面水養(yǎng)分含量的影響

由圖1可知，施氮處理的田面水總氮含量顯著高于不施氮對(duì)照。施氮處理的田面水氮含量在水稻移栽后2 d出現(xiàn)一個(gè)高峰，其中SFB處理的田面水氮含量稍高于CF處理，SFT和SFB+OS處理與CF處理基本一致；施氮處理的田面水氮含量在移栽后3 d大幅度下降，而不同施氮對(duì)照趨于一致；移栽后7 d，CF處理因追施了返青肥，田面水氮含量出現(xiàn)一個(gè)小高峰，顯著高于其他施氮處理，此時(shí)施氮處理的田面水氮含量仍顯著高于不施氮對(duì)照；移栽后10 d，施氮處理的田面水氮含量降低至與不施氮對(duì)照相同；移栽后25 d，CF處理和SFT處理追施了分化肥，田面水氮含量又大幅度提高，但SFT處理的田面水氮含量低于常規(guī)分次施肥處理。由此可見，稻田田面水氮含量主要受氮肥施用影響，常規(guī)多次施肥方式使田面水氮含量呈現(xiàn)出多個(gè)高峰，減少氮肥施用次數(shù)可以有效減少田面水氮含量的高峰，從而降低氮肥流失風(fēng)險(xiǎn)，有助于提高氮肥利用率。

圖1 不同施肥處理對(duì)稻田田面水總氮含量的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on total nitrogen content in surface water of paddy field

2.4 不同施肥處理對(duì)水稻氮含量的影響

從表3可以看出，與CK相比，施氮處理顯著提高了水稻秸稈和籽粒的氮含量，不同施氮處理之間的水稻秸稈和籽粒氮含量無(wú)顯著差異。施氮處理中，CF處理的秸稈和籽粒氮含量最高，其次是SFT和SFB處理，SFB+OS處理的水稻植株氮含量最低，表明通過(guò)適當(dāng)?shù)牡蕼p施措施對(duì)水稻植株的氮含量沒有顯著影響。

表3 不同施肥處理對(duì)水稻氮含量的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on nitrogen content of rice （mg/kg）

2.5 不同施肥處理的氮肥利用效率

從表4可以看出，不同施肥處理的氮肥吸收利用率沒有顯著差異，其中SFT處理的氮肥吸收利用率最高，較CF處理提高了5.13個(gè)百分點(diǎn)，SFB和SFB+OS處理與CF處理基本一致。

表4 不同施肥處理的氮肥利用率Table 4 Nitrogen utilization efficiency under different fertilization treatments

3 討論

基于緩/控釋肥的一次性施肥技術(shù)被認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，且能降低氮素?fù)]發(fā)、淋溶、流失損失［14］。王強(qiáng)等［19］多地試驗(yàn)結(jié)果也表明，采用穩(wěn)定性肥料的一次性施肥技術(shù)在減氮條件下，水稻產(chǎn)量稍低于尿素分次施肥處理，但差異不顯著。本試驗(yàn)中，SFB處理的水稻籽粒產(chǎn)量稍低于CF處理，2017年晚稻降幅更大，這可能是由于2017年晚稻施肥插秧后，連續(xù)遭遇兩次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)暴雨影響，而SFB處理的田間水氮含量在移栽后6 d都較高，強(qiáng)降雨導(dǎo)致肥料流失，造成水稻減產(chǎn)。這說(shuō)明采用緩釋氮肥一次性施肥技術(shù)在降低氮肥用量的情況下，水稻產(chǎn)量可能存在減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，尤其是砂性土壤［20］。SFT處理將緩釋氮肥分基肥和幼穗分化肥兩次施用，其氮肥用量較CF降低了25%，而水稻產(chǎn)量仍保持在CF處理之上。李錄久等［21］研究表明，適當(dāng)分配一部分氮肥用于分蘗期和抽穗期可有效提高水稻籽粒產(chǎn)量，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。SFB+OS處理在緩釋氮肥一次性基施的基礎(chǔ)上配合有機(jī)替代技術(shù)，其氮肥總用量較CF處理降低了25%，而水稻籽粒產(chǎn)量稍高于CF處理。崔月貞等［12］研究表明，20%無(wú)機(jī)氮采用有機(jī)肥替代處理可優(yōu)化水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素，因此水稻籽粒產(chǎn)量較高。長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)結(jié)果表明，等氮條件下，30%無(wú)機(jī)氮采用有機(jī)肥替代處理可提高水稻葉片的光合作用，從而提高水稻籽粒產(chǎn)量［13］。本試驗(yàn)中，SFT和SFB+OS處理的水稻每穗實(shí)粒數(shù)高于CF處理。已有研究結(jié)果表明，優(yōu)化氮肥分配和有機(jī)替代可以提高水稻的結(jié)實(shí)率［12-13］。

本試驗(yàn)中，每次氮肥施用后，稻田田間水的氮含量快速提高，并在肥料施用后3 d又快速下降，這與侯鵬福等［10］的研究結(jié)果一致。在移栽后2 d，SFB處理的田間水氮含量高于CF處理，這可能是SFB處理將全部氮肥做基肥一次性施用，其化學(xué)氮肥施用量高于CF處理所致。氮肥用量是影響田面水氮含量的主要因素，相似的研究結(jié)果也表明，穩(wěn)定性氮肥一次性施用增加了田面水銨態(tài)氮含量［22］。但是，SFB處理的田面水氮含量在移栽后5 d下降至較低水平，并保持低氮含量水平，因此，控制水稻移栽后1周內(nèi)稻田氮素流失是緩釋氮肥一次性基施技術(shù)的關(guān)鍵。SFT處理的田面水氮含量在移栽后2～7 d大幅上升，但與CF處理基本相同，且在追施分化肥后也低于CF處理。SFT處理的氮肥總施用量低于CF處理，且分兩次施用，兩次施肥后的田間水氮含量峰值均低于CF處理，可以減輕氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整氮肥施用時(shí)間，可以減輕水稻生育前期地表徑流的氮素流失風(fēng)險(xiǎn)［23］。本試驗(yàn)中，SFB+OS的氮肥用量低于CF處理，且有20%氮肥采用有機(jī)肥進(jìn)行替代，進(jìn)一步降低了化學(xué)氮肥的施用量。魏靜等［24］研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)配施能顯著降低田面水氮素濃度。本試驗(yàn)中SFB+OS處理的田面水氮含量在整個(gè)取樣期間都低于CF處理。由此可見，SFT和SFB+OS處理有助于降低田間水氮素含量，從而減少稻田氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，緩釋氮肥減氮一次性施肥可以提高氮肥施用效率，但前期田間水含量較高，氮素流失風(fēng)險(xiǎn)高，且產(chǎn)量穩(wěn)定性相對(duì)較低。緩釋氮肥減氮分兩次施用能夠有效降低田面水氮含量，且氮肥施用效率最高，水稻產(chǎn)量略高于常規(guī)施肥處理。緩釋氮肥減氮一次性施用結(jié)合有機(jī)替代處理的水稻籽粒產(chǎn)量最高，且其田面水氮含量低于常規(guī)施肥處理，氮肥施用效率較高。綜上所述，在本試驗(yàn)條件下，緩釋氮肥分次施用和緩釋氮肥一次施用結(jié)合有機(jī)替代措施能在氮肥減施條件下實(shí)現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，提高氮肥施用效率。