湖南雙季稻田氮素去向及殘效定量研究

樊鵬飛　劉偉民　楊勇　向紅坤　田昌　張振華

摘要：【目的】研究不同施氮量下雙季稻田氮素的吸收利用、損失殘留和殘效特征，定量化揭示湖南雙季稻田肥料氮去向和殘效規(guī)律，為制定科學(xué)合理的雙季稻田氮肥施用措施提供理論依據(jù)?！痉椒ā坑?017—2018年在湖南雙季稻區(qū)開展田間15N微區(qū)試驗，按氮肥施用量設(shè)4個施氮量（以純N計）處理：N0（不施氮）、N1（早晚稻均為90 kg/ha）、N2（早稻120 kg/ha，晚稻135 kg/ha）、N3（早稻150 kg/ha，晚稻180 kg/ha）。2017年施用15N標(biāo)記尿素，研究各處理的15N吸收利用、15N在土壤中的殘留及15N損失率，明確肥料15N的不同去向及其占比;2018年施用等量未標(biāo)記尿素，分析各處理殘留15N的吸收利用和損失率?！窘Y(jié)果】差減法氮肥吸收利用率隨施氮量的增加而顯著下降（P<0.05），2017年早晚稻氮肥吸收利用率分別為42.14%～46.62%和35.45%～43.08%，2018年分別為37.93%～42.56%和37.20%～44.51%。示蹤法2017年早稻15N回收率為24.49%～24.53%;晚稻15N回收率為25.32%～26.59%，晚稻略高于早稻;各處理15N回收率相近，無顯著差異（P>0.05）。各處理肥料15N去向基本一致，作物吸收、土壤殘留和總損失分別約占25%、23%和52%。肥料15N主要殘留在0～20 cm土層中，約占總殘留量的77%，20～40 cm土層約占19%，40～60 cm土層約占4%。上一季水稻殘留的氮肥，可供下一季水稻吸收利用，是土壤氮庫的補充，0～20 cm土層殘效最好，2018年兩季水稻累積殘留15N吸收率為8.13%～9.28%，累積損失率為38.68%～52.97%，最終殘留率為38.90%～52.05%?！窘Y(jié)論】雙季稻田氮肥利用率較低，氮肥損失占比較大，早晚稻均達50%以上;水稻積累的氮素主要來自于土壤，土壤氮貢獻率達71.00%以上。雙季稻生產(chǎn)中應(yīng)充分考慮土壤自身的供氮能力以及上季水稻的氮肥殘效，適當(dāng)降低當(dāng)季水稻的施氮量，實現(xiàn)氮肥的高效利用。

關(guān)鍵詞： 雙季稻;15N示蹤法;氮肥去向;氮殘效

中圖分類號： S511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）01-0045-10

Abstract：【Objective】The purpose of this paper was to study the characteristics of nitrogen absorption，utilization，loss and residual effect of double cropping rice fields under different nitrogen applications，and the fertilizer nitrogen direction and residual effect rule of double cropping rice fields in Hunan were quantified，providing theoretical basis for the establishment of scientific and reasonable nitrogen fertilizer management measures in double cropping rice fields. 【Method】This study conducted a 15N micro-plot experiment in Hunan double cropping rice area in 2017-2018，set four treatments：N0（no nitrogen fertilizer），N1（with nitrogen fertilizer 90 kg/ha in both early rice and late rice），N2（120 kg/ha of nitrogen fertilizer in early rice，135 kg/ha of nitrogen fertilizer in late rice） and N3（150 kg/ha of nitrogen fertilizer in early rice，180 kg/ha of nitrogen fertilizer in late rice） according to the N application level（based on pure N）. 15N labeling-urea was app-lied in 2017，the absorption and utilization of 15N，the residue of 15N in the soil and the loss rate of 15N in each treatment were studied，and the different directions and proportions of fertilizer 15N were determined.， the same amount of unlabeled urea was applied in 2018，analyzing the absorption and utilization of residual 15N，the total loss rate of residual 15N in each treatment. 【Result】The results of difference subtraction method showed that the nitrogen absorption use efficiency decreased significantly with the increase of nitrogen application（P<0.05）. In 2017，the nitrogen absorption use efficiencies of early and late rice were 42.14%-46.62% and 35.45%-43.08%，respectively，37.93%-42.56% and 37.20%-44.51% in 2018. The 15N tracer method results showed that in 2017，the 15N recovery rate of early rice under different treatments was 24.49%-24.53%，and late rice was 25.32%-26.59%，late rice was slightly higher than early rice. The 15N recovery rate of all treatments was similar，with no significant difference（P>0.05）. The direction of 15N fertilizer in each treatment was basically the same，the crop absorption， soil residues and total losses accounted for about 25%，23% and 52%，respectively. Fertilizer 15N mainly remained in the 0-20 cm soil layer，accounting for about 77% of the total residual amount，about 19% in the 20-40 cm soil layer，and about 4% in the 40-60 cm soil layer. The residual fertilizer nitrogen from the last rice season could be absorbed and utilized by the next rice season，which became the supplement of soil nitrogen pool. The resi-dual N in the soil at 0-20 cm had the best residual effect. In 2018，the cumulative absorption rate of the residual 15N in early rice and late rice was 8.13%-9.28%，the cumulative loss rate was 38.68%-52.97%，and the final residual rate was 38.90%-52.05%. 【Conclusion】The nitrogen fertilizer use efficiency of double-cropping rice field is low，and nitrogen fertilizer loss accounted for more than 50% in both early rice and late rice;nitrogen accumulation in rice mainly comes from soil，and the contribution rate of soil nitrogen is more than 71.00%. In the production of double cropping rice，the nitrogen supply capacity of the soil itself and the fertilizer residue of rice in the last season should be fully considered，and then the amount of nitrogen applied in the current season should be reduced appropriately to achieve the high utilization of nitrogen fertilizer.

Key words： double cropping rice; 15N tracer method; fate of nitrogen fertilizer; nitrogen residual effect

Foundation item： National Key Research and Development Program of China（2017YDF0200104）; Scientific Research Project of Education Department of Hunan（20K068）

0 引言

【研究意義】雙季稻對我國糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用，但目前水稻生產(chǎn)中普遍存在氮肥施用不合理的情況，氮肥的過量施用改變了土壤氮素平衡，導(dǎo)致大量氮素流失，造成大氣污染、土壤酸化及水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題。湖南省雙季稻田面積和產(chǎn)量均位列全國前茅，該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度高，氮肥投入量大，采用的是“高投入、高產(chǎn)出”的管理模式，但區(qū)域內(nèi)全年降雨較多，稻田易發(fā)生徑流和滲漏，造成養(yǎng)分流失，化肥增效效應(yīng)相對較差（王曉龍等，2005;張福鎖等，2008），在保證糧食產(chǎn)量的同時也造成資源浪費及生態(tài)環(huán)境破壞等問題（魯艷紅等，2018）。因此，定量分析湖南省雙季稻區(qū)氮素去向和殘效情況，能夠更科學(xué)全面地評價周年氮肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，可為制定協(xié)調(diào)水稻產(chǎn)量和環(huán)境效益的氮肥施用措施提供理論依據(jù)，對實現(xiàn)糧食安全及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】針對雙季稻區(qū)氮肥利用率低、損失率高、環(huán)境污染嚴重等一系列問題，已有學(xué)者開展了大量關(guān)于協(xié)調(diào)氮肥管理與環(huán)境矛盾的研究，目前研究重心主要集中于優(yōu)化氮肥管理，如選取合適氮肥類型、確定合適氮肥用量、調(diào)整氮肥施用時間和位置，進而探究這些施氮方式下作物產(chǎn)量與品質(zhì)特征（魯艷紅等，2010，2016;錢銀飛等，2019;朱啟東等，2019）、作物氮素積累轉(zhuǎn)運及利用情況（鐘雪梅等，2019;蔣偉勤等，2020）、土壤氮素肥力及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的變化（朱堅等，2013;侯云鵬等，2016;黃家怡等，2020）。這一系列工作主要關(guān)注不同氮肥管理措施下土壤—作物體系中氮素吸收、損失、殘留三者中某一方面的規(guī)律特征，而對于氮素去向及殘效的關(guān)注較少。目前關(guān)于稻田氮素去向的研究尤以南方太湖平原稻麥兩熟制較為系統(tǒng)，如朱兆良和邢光喜（2010）圍繞太湖平原稻麥體系，開展了長期大量的15N微區(qū)、原狀土柱及多點田間試驗，定量分析了該體系氮肥去向和氮素收支情況，初步估算了農(nóng)田中化肥氮去向：作物收獲帶走40.9%，土壤殘留21.7%，氮素損失37.4%。目前關(guān)于雙季稻區(qū)氮素收支平衡的典型研究有：王淳（2012）研究發(fā)現(xiàn)，江西雙季稻區(qū)早稻的表觀回收率為35.38%～48.64%，晚稻為42.66%～58.57%，早晚稻表觀損失率分別為39.44%～48.72%和32.27%～49.15%;侯紅乾等（2018）研究指出，緩控釋肥施用下，雙季稻田氮素輸入以施氮肥為主，占氮素輸入量的44.82%～57.00%，氮輸出項中，作物吸收氮素為主要方式，占氮素總輸出量的56.47%～83.42%，氮肥吸收利用率為23.98%～53.93%，表觀殘留率為5.86%～33.04%，表觀損失率為18.02%～55.29%;魯艷紅等（2018）研究表明，湖南寧鄉(xiāng)雙季稻田各施氮處理中，施肥占氮輸入的46.3%～59.8%，氮輸出項中，以作物吸收帶出為主，占氮輸出的45.9%～83.3%。上述研究工作得到的氮素回收率、損失率和殘留率均存在一定差異，可能是由不同的試驗處理或試驗方法導(dǎo)致。因此，在研究雙季稻田的氮素去向情況時，需設(shè)置合理的試驗?zāi)晗藜安捎孟到y(tǒng)的研究方法，進而科學(xué)全面地評價雙季稻田的氮素去向規(guī)律?！颈狙芯壳腥朦c】現(xiàn)階段有關(guān)雙季稻田氮素去向及殘效的定量化研究相對缺乏，已有的類似研究均是基于單一作物季的某一或若干途徑，且氮素收支的有限研究也通常僅考慮稻田氮素輸入扣除作物收獲的表觀盈余量或僅研究氮肥去向（易瓊等，2010;Zhao et al.，2012），并未關(guān)注氮肥的殘留效應(yīng)，基于此，本研究利用15N示蹤法，在定量化研究雙季稻田氮素去向的同時也關(guān)注氮肥的殘留效應(yīng)，進而綜合全面評價其農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以湖南典型雙季稻長期定位試驗為研究對象，利用15N同位素示蹤法，采用田間微區(qū)試驗設(shè)計，設(shè)置不同施氮梯度，研究不同施氮量下雙季稻田氮素的吸收利用、損失殘留和殘效特征，定量化揭示湖南雙季稻田肥料氮去向和殘效規(guī)律，為制定科學(xué)合理的雙季稻田氮肥施用措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料及地點

試驗用早稻品種為中早39，晚稻品種為泰優(yōu)390。于2017—2018年在湖南省瀏陽市原農(nóng)場沿溪鎮(zhèn)花園村（東經(jīng)113?49′，北緯28?19′）湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地進行試驗。試驗地屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫17.5 ℃，日照時數(shù)1594.8 h，年均降水量1551.3 mm。供試土壤為河流沖積物發(fā)育的潮沙泥田水稻土，長期進行雙季稻試驗，2017年早稻試驗開始前測定土壤（0～20 cm土層）基本理化性質(zhì)：pH 6.72、有機質(zhì)19.75 g/kg、全氮1.28 g/kg、全磷0.56 g/kg、全鉀10.46 g/kg、堿解氮105.09 mg/kg、速效磷13.74 mg/kg、速效鉀96.51 mg/kg。

1. 2 試驗方法

試驗共設(shè)4個施氮量（按純N計）處理：（1）不施氮肥（N0，對照）;（2）低施氮量（N1）：早晚稻均為90 kg/ha;（3）“十二五”推薦施氮量（N2）：早稻120 kg/ha，晚稻135 kg/ha;（4）本地農(nóng)民習(xí)慣施氮量（N3）：早稻150 kg/ha，晚稻180 kg/ha。小區(qū)面積20 m2，3次重復(fù)，共計12個小區(qū)，隨機區(qū)組排列。

在各小區(qū)套布15N微區(qū)試驗，微區(qū)由PVC材質(zhì)的微區(qū)桶構(gòu)成，微區(qū)桶內(nèi)徑23 cm、外徑25 cm，面積0.1662 m2，高度50 cm，掩埋深度為40 cm，地上突出10 cm，以防15N隨水流失和外部氮素進入，15N施用量結(jié)合各處理施氮量及小區(qū)與微區(qū)的面積比值進行換算，保證兩者單位面積施氮量一致，微區(qū)內(nèi)按小區(qū)種植密度移栽4穴水稻，每穴3顆，各微區(qū)的日常管理措施保持一致。2017年氮肥施用豐度為15.21%的15N標(biāo)記粉末狀尿素，2018年施用未標(biāo)記的粉末狀尿素，兩年均為基肥期施入60%，追肥期施入40%;磷肥施用過磷酸鈣（含P2O5 12%），早稻為72 kg/ha，晚稻為60 kg/ha，均作基肥一次性施入;鉀肥施用氯化鉀（含K2O 60%），早稻為90 kg/ha，晚稻為105 kg/ha，基肥期施入60%，追肥期施入40%。水稻基肥在插秧前施入，追肥在插秧后10 d左右施入。2017年早稻于4月29日施基肥移栽，5月10日追肥，7月20日收獲;晚稻于7月25日施基肥移栽，8月4日追肥，10月21日收獲。2018年早稻于4月26日施基肥移栽，5月8日追肥，7月20日收獲;晚稻于7月25日施基肥移栽，8月4日追肥，10月21日收獲。

1. 3 樣品采集與測定

水稻樣品：微區(qū)內(nèi)4穴水稻全部收獲，105 ℃下殺青30 min，75 ℃烘干至恒重，分成籽粒與秸稈兩部分，稱重后全部粉碎過100目篩，測定樣品全氮含量及15N豐度，其中全氮含量采用濃H2SO4—H2O2消煮結(jié)合半微量凱氏定氮法進行測定，15N豐度采用Isoprime-100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定。

土壤樣品：在微區(qū)中央采集0～20、20～40和40～60 cm的土樣，風(fēng)干磨碎過100目篩后測定全氮含量及15N豐度，其中全氮含量采用濃H2SO4—混合加速劑消煮結(jié)合半微量凱氏定氮法測定，15N豐度采用Isoprime-100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定。

相關(guān)計算公式如下：

15N土壤殘留率（%）=15N土壤殘留量/投入肥料15N量×100

15N損失率（%）=100-15N利用率-15N土壤殘留率

肥料貢獻率（%）=15N積累量/氮素積累量×100

來自土壤的氮（kg/ha）=氮素積累量-15N積累量

土壤貢獻率（%）=來自土壤的氮/氮素積累量×100

1. 4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010和DPS v7.05進行試驗數(shù)據(jù)的整理及統(tǒng)計分析處理，采用LSD法檢驗各處理間差異顯著性（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2. 1 雙季稻氮肥吸收利用情況

2. 1. 1 2017—2018年雙季稻表觀法氮肥吸收利用率 由表1可知，相對于N0處理，施用氮肥處理顯著提高了早晚稻籽粒與秸稈的生物量（P<0.05，下同），同時也顯著提高了氮含量，且隨著施氮量的增加，籽粒與秸稈的生物量及氮含量整體呈升高趨勢。在生物量方面，N3處理最高，各稻季均顯著高于N0處理;其次為N2處理，各稻季籽粒重均與N3處理差異不顯著（P>0.05，下同）;在氮含量方面，也是N3處理最高，但N1、N2和N3處理間差異減小，其中除2017年早稻籽粒氮含量外，其他稻季N2處理籽粒和秸稈的氮含量均與N3處理差異不顯著。表明施氮量達N2水平時，繼續(xù)增加氮肥投入，水稻生物量及氮含量增幅下降。除2018年早稻外，水稻的氮肥吸收利用率隨施氮量的增加而顯著下降，其中2017年早晚稻的氮肥吸收利用率分別為42.14%～46.62%和35.45%～43.08%，2018年分別為37.93%～42.56%和37.20%～44.51%。

2. 1. 2 2017年雙季稻15N吸收利用情況 由表2可知，15N施用量增加，早晚稻15N積累量顯著增加，但各處理15N回收率基本一致，無顯著差異。早稻各處理15N回收率為24.49%～24.53%，晚稻為25.32%～26.59%，晚稻略高于早稻。在氮素來源方面，不考慮外界條件帶入的氮素，水稻吸收的氮素主要來自于土壤與肥料。施氮量增加，肥料貢獻率顯著增加，土壤貢獻率顯著降低。早稻各處理肥料貢獻率為17.33%～24.66%，土壤貢獻率為75.34%～82.67%;晚稻肥料貢獻率為18.03%～28.84%，土壤貢獻率為71.16%～81.97%。由此可知，水稻積累的氮素主要來自于土壤，且早晚稻的土壤氮貢獻率均達71.00%以上。

2. 2 2017年雙季稻土壤剖面15N殘留與分布

2017年雙季稻土壤剖面15N殘留和分布情況見圖1。土壤中15N殘留量隨土層深度的增加明顯下降，肥料15N主要殘留在0～20 cm耕層土壤中，施氮量增加，各土層15N殘留量顯著增加。早稻季0～20 cm土層15N殘留量占總殘留量的76.26%～77.23%，20～40 cm土層占總殘留量的18.71%～19.43%，40～60 cm土層占總殘留量的4.05%～4.32%;晚稻季0～20 cm土層15N殘留量占總殘留量的77.18%～77.45%，20～40 cm土層占總殘留量的18.47%～18.92%，40～60 cm土層占總殘留量的3.82%～4.07%。綜合早晚稻情況可知，水稻收獲后，肥料15N主要殘留在0～20 cm土層中，約占總殘留量的77%，20～40 cm土層約占19%，40～60 cm土層約占4%。

2. 3 2017年雙季稻15N去向情況

施入土壤的氮肥去向主要有作物吸收、土壤殘留及各種途徑的損失（如氨揮發(fā)、淋溶以及硝化和反硝化）。由圖2可知，15N吸收量、15N土壤殘留量及15N損失量均隨施氮量的增加而提高，但各處理3種去向占比基本一致，無顯著差異。早稻N1、N2和N3處理15N吸收量分別為22.1、29.3和36.7 kg/ha，占比為24%～25%，15N土壤殘留量分別為19.5、26.6和34.1 kg/ha，占比為22%～23%，15N損失量分別為48.6、63.8和79.0 kg/ha，占比為53%～54%;晚稻季N1、N2和N3處理15N吸收量分別為24.0、35.7和45.6 kg/ha，占比為25%～27%，15N土壤殘留量分別為20.1、30.4和41.8 kg/ha，占比為22%～23%，15N損失量分別為46.1、68.7和92.6 kg/ha，占比為51%～52%。綜合早晚稻15N去向規(guī)律可知，氮肥的3種去向中，作物吸收約占25%，土壤殘留約占23%，氮素損失約占52%。

2. 4 2017—2018年雙季稻15N殘效分析

2. 4. 1 各土層殘留15N季節(jié)變化 由圖3可看出，同一土層15N殘留量變化趨勢基本一致，不同土層15N殘留量變化存在明顯差異。15N殘留量在0～20 cm土層中季節(jié)性變化最活躍，20～40和40～60 cm土層的15N殘留量波動較小。停止施用15N后，在0～20 cm土層中，2018年早稻季（殘留第一季）N1、N2和N3處理15N殘留量相對于上一季水稻（2017年晚稻季）分別降低14.8 kg/ha（48.23%）、20.4 kg/ha（46.35%）和26.2 kg/ha（45.06%），2018年晚稻季（殘留第二季）N1、N2和N3處理15N殘留量相對于上一季水稻（2018年早稻季）分別降低7.0 kg/ha（44.30%）、7.1 kg/ha（30.10%）和6.5 kg/ha（20.27%）。表明殘留15N的再利用與損失等一系列轉(zhuǎn)化過程主要發(fā)生在0～20 cm土層，該土層中15N殘留量的變化決定著土壤15N總殘留量的變化。

2. 4. 2 殘留15N去向情況 表3為2017晚稻季殘留15N在殘效水稻季的去向及分布情況。殘留15N的去向同樣有3種，即被下一季作物吸收利用、各種類型的損失及繼續(xù)殘留于土壤中。由表3可知，殘留15N的作物吸收利用率隨著施氮量的增加略有提高，2018年早稻殘留15N的吸收率為4.96%～5.45%，晚稻為2.93%～3.83%;殘留15N的損失率隨施氮量的增加而降低，殘留第一季為29.23%～34.19%，殘留第二季為9.45%～18.78%;兩季水稻殘留15N累積吸收率為8.13%～9.28%，累積損失率為38.68%～52.97%，最終殘留率為38.90%～52.05%。由此可見，無論改變施氮量或繼續(xù)種植，殘留的15N始終以一定比例繼續(xù)殘留于土壤中。因此，在雙季稻生產(chǎn)中，應(yīng)充分考慮上季水稻的殘留氮效應(yīng)，進而適當(dāng)降低當(dāng)季作物的施氮量，在保證水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)氮肥的高效利用。

3 討論

3. 1 稻田15N利用、殘留與去向研究

田間試驗中，降雨導(dǎo)致的徑流是影響氮肥利用率的因素之一。本研究以微區(qū)試驗為主，分析和研究微區(qū)15N的吸收利用及去向情況，微區(qū)是相對穩(wěn)定的，因此未考慮降雨和徑流的影響。相關(guān)研究表明，同位素示蹤法計算的15N回收率低于差減法計算的氮肥吸收利用率（王小彬等，2001;Mohammad，2004）。本研究中，雙季稻早稻各處理當(dāng)季15N回收率相對于差減法計算的氮肥吸收利用率平均低17.64%～22.09%，晚稻平均低10.13%～16.49%，該規(guī)律與晏娟等（2009）、林晶晶等（2014）、李鵬飛等（2018）的研究結(jié)果基本相同。研究表明，氮肥的“激發(fā)效應(yīng)”是15N回收率低于氮肥吸收利用率的原因之一。施氮處理的植株比不施氮處理吸收更多的土壤氮素，這種土壤釋放氮隨施肥量增加而增加的現(xiàn)象，被稱作“激發(fā)效應(yīng)”（朱培立和黃東邁，1994）。另外，本研究中晚稻15N回收率略高于早稻，且晚稻的15N回收率與氮肥吸收利用率差值較小，這是因為早稻施用的15N部分殘留于土壤中，該部分15N被晚稻繼續(xù)吸收利用，進而間接提高了晚稻的15N吸收量，提高了15N的回收率。本研究中水稻吸收的氮素來自土壤的比例達71.16%～81.97%，與李鵬飛等（2018）的研究結(jié)果相近。因此，在雙季稻田生長中，不宜盲目施肥，應(yīng)當(dāng)充分考慮土壤自身的供氮能力，確定合適的氮肥用量，保證較高的氮肥利用率。雖然本研究設(shè)置的15N標(biāo)記微區(qū)試驗面積有限，該貢獻率可能與田間實際情況存在差異，但肥料氮去向情況及比例應(yīng)該與之類似。在肥料15N殘留方面，本研究發(fā)現(xiàn)水稻當(dāng)季15N殘留率約為22%～23%，肥料15N主要殘留在0～20 cm土層中，占總殘留量的77%左右，20～40 cm土層占19%左右，40～60 cm土層占4%左右，該結(jié)論與左紅娟等（2012）、胡安永等（2014）、李鵬飛等（2018）的研究結(jié)果基本一致。綜合這些研究，可以明確肥料殘留氮主要存在于耕作層土壤中，占比可達70%～80%，耕作層以下土層氮素殘留占比20%左右，且隨著土層深度的增加，氮素殘留顯著減少。本研究中15N殘留量隨土層深度的增加而顯著下降，在60 cm處仍有4%左右的殘留，并未完全消失，故推測60 cm以下土層也有微量15N殘留。因此本研究的實際15N殘留量應(yīng)該略高于測定值，實際殘留值有待后續(xù)深入研究。在稻田15N去向研究方面，胡安永等（2014）采用田間微區(qū)15N示蹤方法，研究了太湖地區(qū)稻田不同輪作模式（紫云英—水稻輪作、休閑—水稻輪作、小麥—水稻輪作）和施氮水平（0、120、240和300 kg/ha）下水稻對氮肥的吸收利用效率及土壤氮素殘留特征，結(jié)果表明，當(dāng)季水稻對肥料氮的利用率為25.0%～41.5%，肥料氮的土壤殘留率為13.4%～24.6%，其中90%以上的土壤殘留肥料氮集中在0～20 cm土層，土壤剖面中的殘留率隨土層深度增加而迅速降低，30～40 cm土層的肥料殘留量僅占氮肥施用量的0.2%～0.7%;許露生等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，在太湖地區(qū)典型土壤水稻季中，稻田施入的15N肥料中，水稻吸收的氮占21.68%～30.92%，殘留在土壤中的氮占5.27%～13.71%，損失的氮占56.05%～72.03%，其中氨揮發(fā)損失的氮占7.06%～9.87%，且隨著施氮量的增加而增多;閆德智（2011）的研究結(jié)果表明，在太湖地區(qū)稻田季中，當(dāng)?shù)视昧吭?25～315 kg/ha時，28%～33%的肥料氮被作物吸收，11%～16%的肥料氮殘留在土壤中，損失掉的肥料氮約占56%。本研究的早晚稻15N吸收率及損失率與上述研究相當(dāng)，但土壤中15N殘留比例略高，可能是因為研究對象為雙季稻，早稻殘留的15N仍有部分繼續(xù)殘留在晚稻季中，進而提高了15N殘留比例。同時，氮肥去向和損失途徑受氣候環(huán)境、作物品種和施肥等多種因素的影響，存在著較大的變異性（左紅娟等，2012）。本研究中試驗地和太湖流域稻田區(qū)均為典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候，降雨量和年均氣溫差異不明顯，肥料氮施入稻田后，利用率和損失大小主要受其在土壤中的氮轉(zhuǎn)化特點影響，肥料氮的轉(zhuǎn)化又主要取決于土壤本身性質(zhì)，故推測本研究中氮素各去向和上述研究的差異主要由土壤自身理化性質(zhì)的差異導(dǎo)致，且水肥管理、作物品種等因素的影響也不容忽視。因此，在肥料氮去向的研究中，研究者需充分考慮多種因素的綜合影響，最終得到更為準(zhǔn)確和更具代表性的結(jié)果。

3. 2 氮肥殘效研究

關(guān)于殘留肥料氮的生物有效性，國內(nèi)外已有不少研究（張麗娟等，2007;Petersen et al.，2012），但研究結(jié)果各不相同。張麗娟等（2007）以北方半干旱濕潤區(qū)潮土為對象，探討土壤剖面不同層次硝態(tài)氮（NO3--N）的運移及其后效，研究結(jié)果表明，夏玉米對前茬標(biāo)記氮利用率為2.1%～5.6%，且不同深度土壤氮殘效不同，其中以45 cm土層處理氮殘效最高;在華北平原小麥—玉米輪作體系中，殘效季施用未標(biāo)記氮肥并追蹤小麥?zhǔn)斋@后殘留氮肥去向，結(jié)果表明，當(dāng)施氮量為120～360 kg/ha時，玉米殘效季中殘留肥料氮吸收量低于7.5%（Ju et al.，2007）;黨廷輝等（2003）在黃土旱塬進行兩年的田間試驗，結(jié)果表明，旱地冬小麥氮肥后效顯示，土壤殘留的氮素可被第二茬小麥部分利用，占施氮量的2.1%～2.8 %，相當(dāng)于0～40 cm土壤殘留氮的6.7%～8.7%;董嫻嫻等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，在華北平原地區(qū)的潮褐土冬小麥—夏玉米輪作體系中，后三茬作物均能吸收利用第一茬冬小麥殘留在土壤中的15N標(biāo)記肥料，第二茬夏玉米、第三茬冬小麥和第四茬夏玉米對殘留15N的利用率分別為6.5%～14.1%、0.9%～2.9%和1.2%～1.6%，且四茬作物的疊加利用率顯著高于氮肥當(dāng)季利用率。本研究中，2018年殘留15N累積吸收率為8.13%～9.28%，累積15N回收率為33.45%～35.87%，明顯高于當(dāng)季15N回收率，而現(xiàn)有大部分關(guān)于稻田氮素的研究在計算氮肥吸收利用率時未考慮氮肥殘留效應(yīng)。王秀斌等（2013）研究表明，早晚稻氮肥吸收利用率分別為23.5%～44.2%和23.8%～43.5%;唐利忠等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，湘南早稻在不同氮肥施用量下的氮肥吸收利用率為34.31%～39.11%;黃玲娟和陸鈞平（2020）研究表明，設(shè)置不同氮肥用量有機無機配施處理，水稻的氮肥吸收利用率為20.36%～35.32%。這些研究的氮肥吸收利用率均為氮肥的當(dāng)季利用水平，如果將殘留效應(yīng)考慮在內(nèi)，按本研究的氮肥殘留利用率進行推算，雙季稻田氮肥實際吸收利用率應(yīng)超過40%。因此，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)充分利用上季作物殘留在土壤中的氮，適當(dāng)降低本季作物的施肥量，增加對土壤中殘留氮素的吸收，充分利用肥料后效，這樣不僅可降低生產(chǎn)成本，還能提高作物產(chǎn)量和肥料利用率，并有利于保護環(huán)境（Macdonald et al.，2002;Zhang et al.，2007）。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，2018年殘留15N累積損失率為38.68%～52.97%，該數(shù)值與當(dāng)季肥料15N損失率相近，表明在雙季稻田中，無論當(dāng)季施用的氮肥還是后季殘留的氮肥，通過各種途徑的損失均占較大比重。其中20～60 cm土層的殘留15N量較少，表明向下淋溶的15N量較少，同時微區(qū)中不存在氮素的徑流損失，因此推測殘留氮的主要損失途徑為以氨揮發(fā)和硝化—反硝化作用為主的氣態(tài)損失。關(guān)于雙季稻田中殘留氮的具體損失去向及其比例，還有待于后續(xù)更為深入和細致的研究。

4 結(jié)論

本研究利用微區(qū)試驗研究了湖南雙季稻田氮素的吸收利用、損失殘留和殘效特征，結(jié)果表明，在微區(qū)相對穩(wěn)定，未考慮降雨和徑流影響的前提下，雙季稻田氮肥利用率較低，而氮肥損失占比較高，早晚稻均達50%以上;水稻中氮素的積累主要來自于土壤，土壤氮貢獻率達71.00%以上，且殘留氮肥的累積吸收利用率達8.13%～9.28%。因此，在雙季稻生產(chǎn)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮土壤自身的供氮能力以及上季水稻的肥料殘留氮效應(yīng)，適當(dāng)降低當(dāng)季水稻的施氮量，進而保證較高的氮肥利用率和較低的氮素損失，以實現(xiàn)氮肥的高效利用。

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（責(zé)任編輯 王 暉）