增苗減氮對稻田氮素流失及利用效率的影響

谷學(xué)佳，王玉峰，孫 陽，周雪全，曾 媛，王 軍，司 洋

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，哈爾濱150086；2黑龍江省農(nóng)業(yè)對外經(jīng)濟合作中心，哈爾濱150008；3黑龍江省興凱湖農(nóng)場，黑龍江密山158325）

0 引言

東北平原是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，2018年黑龍江吉林遼寧水稻種植面積達(dá)511萬hm2[1]，單純的追求產(chǎn)量使化肥用量居高不下，由此造成的化肥投入過量，利用效率低下，帶來的生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重[2]。因此，在保障產(chǎn)量的前提下，減少肥料投入，降低氮磷流失，提高利用效率，對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保障糧食安全具有重要意義。目前，東北地區(qū)水稻種植主要以旱育稀植為主，密度小導(dǎo)致產(chǎn)量潛力得不到充分發(fā)揮，同時氮肥施用量高，施入時期不合理，利用率低下[3]。有研究表明，黑龍江省水稻的基蘗肥占90%以上，氮肥利用效率低[4-6]。已有研究表明通過適當(dāng)增加栽插密度及減少氮肥用量，既可以實現(xiàn)水稻高產(chǎn)又能提高氮素利用率[7]。章起明等[8]研究表明，增苗減氮是雙季稻在保證高產(chǎn)條件下提高氮肥利用率的新型途徑。段里成等[9]研究表明，適量減少氮肥施用量，增加種植密度，適當(dāng)增加穗肥的比重等均可以有效的提高氮肥利用率。劉紅江等[10]研究表明，適當(dāng)降低水稻生育前期的施氮量，增加水稻生育中后期的氮肥運籌比例，可以提高水稻產(chǎn)量和氮素利用效率。前人研究表明，適當(dāng)?shù)臏p少氮肥用量以及前氮后移能夠減少氮素流失。段小麗等[11]研究發(fā)現(xiàn)，整個基肥期、分蘗肥后20天內(nèi)和穗肥后9天內(nèi)是防止稻田氮素流失的關(guān)鍵期。楊坤宇等[12]研究發(fā)現(xiàn)，施肥后10天內(nèi)稻田TN徑流流失分別占總流失量的82.53%～97.66%，是稻田氮素徑流流失風(fēng)險窗口期。楊和川等[13]研究表明，降低稻季氮肥施用量能夠顯著降低稻季農(nóng)田地表徑流總氮流失量。目前針對水稻種植密度以及氮肥運籌的協(xié)同作用研究主要集中在產(chǎn)量和氮肥利用率方面，而針對氮素流失方面的研究尚少。對稻田氮磷流失的相關(guān)研究主要以華南雙季稻區(qū)和華中單雙季稻區(qū)數(shù)量居多，而東北稻區(qū)的研究相對較少[14]。該研究旨在通過增加水稻秧苗密度，減少基蘗肥、保障穗肥穩(wěn)定，篩選出最佳組合，建立水稻增苗減氮技術(shù)模式，充分發(fā)揮秧苗密度與氮肥運籌的協(xié)同作用，在保障產(chǎn)量的前提下，提高氮肥利用效率，降低氮素流失量，以期為東北糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5—10月進(jìn)行，試驗地點為北大荒農(nóng)業(yè)股份有限公司興凱湖分公司科技園區(qū)，2019年活動積溫為2857℃，無霜期157天，初霜日9月30日，終霜日4月27日。試驗區(qū)前茬為水稻，秋翻，春整地。土壤為沼澤草甸土，土壤養(yǎng)分狀況為：有機質(zhì)57.1 g/kg，速效氮240mg/kg，速效鉀235mg/kg，速效磷62.7mg/kg，pH（水土比2.5:1）6.27。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置6個處理，每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共18個小區(qū)，每個小區(qū)面積50 m2，處理間用塑料埂間隔開，單排單灌。通過提高每穴苗數(shù)來增加種植密度，通過減少基肥和分蘗肥來實現(xiàn)氮肥減量，穗肥用量不變（見表1）。各處理磷鉀量與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)模式相同。3次施肥時間分別為5月2日、6月6日、6月18日。供試肥料為尿素(N≥46.0%)、重過磷酸鈣(P2O5≥46.0%)、硫酸鉀(K2O≥50%)，尿素按照表1折算施用，重過磷酸鈣163.04 kg/hm2（100%基肥施入），硫酸鉀174 kg/hm2（70%基肥施入，30%穗肥施入）。水稻品種為‘龍粳31’，種子處理統(tǒng)一浸種催芽，4月9日育秧播種，5月10日插秧，9月30日收獲采樣，其他農(nóng)事操作同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。

表1 不同處理秧苗數(shù)、施氮量及分配方式

1.3 樣品采集及分析

1.3.1 水樣 記錄降雨量，采集降雨樣品；記錄灌溉量，采集灌溉樣品；稻田每次排水時，通過測定排水前后水位差計算得出農(nóng)田地表徑流水量，并采集各處理水樣，將上述樣品帶回實驗室分析氮素含量，采用堿性過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定總氮含量，用流動分析儀測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.3.2 植株 在水稻成熟期，選擇有代表性的地塊選5點，每點1 m2實收分別統(tǒng)計籽粒和秸稈產(chǎn)量并采集樣品。采用硫酸雙氧水消煮-凱氏定氮法測定籽粒和秸稈氮含量。

1.3.3 氮素輸入 氮素輸入來源主要包括肥料施用、降水輸入和灌溉水輸入。

式(1)中，L1為降水氮素帶入量(kg/hm2)；ai為第i次降水的降水量(m3/hm2)；bi為第i次降水中氮素濃度(mg/L)。

式(2)中，L2為灌溉水氮素帶入量(kg/hm2)；ci為第i次灌溉量(m3/hm2)；di為第i次灌溉水中氮素濃度(mg/L)。

1.3.4 氮素支出 主要包括作物攜出（包括籽粒和秸稈）和地表徑流。

式（3)中，L3為氮素地表徑流流失量(kg/hm2)；ei為第i次徑流量(m3/hm2)；fi為第i次徑流水中氮素濃度(mg/L)。

L4=w1n1+w2n2……………………………… (4)

式(4)中，L4為作物氮素攜出量(kg/hm2)；w1為籽粒產(chǎn)量干重(kg/hm2)；n1為籽粒含氮量(%)；w2為秸稈產(chǎn)量干重(kg/hm2)；n2為秸稈含氮量(%)。

1.3.5 氮素利用率及表觀平衡

式(5)中，R為氮肥表觀利用率(%)；g1施氮處理地上部吸氮量(kg/hm2)；g2為不施氮處理地上部吸氮量(kg/hm2)；h為施氮量(kg/hm2)。

式(6)中，A為氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)；y1為施氮區(qū)水稻籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；y2為不施氮處理水稻籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；h為施氮量(kg/hm2)。

式(7)中，P為氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)；y1為施氮區(qū)水稻籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；h為施氮量(kg/hm2)。

式(8)中，B為氮素平衡盈余量(kg/hm2)；N1為氮素收入(kg/hm2)；N2為氮素支出(kg/hm2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，SPSS 18.0進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 增苗減氮對水稻地表徑流氮素濃度及流失量的影響

不同處理對地表徑流氮素濃度的影響見圖1，從總氮來看（圖1a），5月9日插秧前排水總氮濃度高于后2次排水，3次排水中總氮濃度最高均為T2（施氮10 kg+3株苗）處理，達(dá)到了8.10 mg/L，3.78 mg/L，1.21 mg/L。與T2（施氮10 kg+3株苗）處理相比，5月9日T3～T6處理排水中總氮濃度分別降低12.71%、41.66%、48.18%和57.86%(P＜0.05)，6月30日T3～T6處理排水中總氮濃度分別降低7.26%、16.00%、19.62%和25.42%(P＜0.05)，8月19日T3～T6處理排水中總氮濃度分別降低19.02%、29.81%、39.28%和61.55%(P＜0.05)?？偟獫舛入S著施氮量的減少和秧苗數(shù)的增加而顯著降低，插秧前排水主要是由于施氮量的差異造成的，后2次排水一方面是由于施氮量的差異，另外株數(shù)增加后，作物吸收造成了水中濃度的差異。說明増苗減氮能夠減少排水中氮濃度，從而降低氮流失的風(fēng)險。

圖1 增苗減氮對水稻地表徑流氮素濃度的影響

從排水中氮的形態(tài)來看主要為可溶性氮（圖1b），并且主要以銨態(tài)氮的形式存在（圖1d），硝態(tài)氮的濃度低于銨態(tài)氮的濃度（圖1c），不同處理間各形態(tài)氮的濃度規(guī)律與總氮保持一致。

不同處理對地表徑流氮素流失量的影響見圖2，從3次排水來看，各個處理5月9日排水總氮流失量顯著大于其他2次，T2～T6處理5月9日排水總氮流失量均占各自總流失量的60%以上，分別為64.11%、65.75%、60.22%、60.64%、62.61%。由于插秧前施肥造成了排水中氮素濃度高，因此插秧前排水是水田氮磷流失關(guān)鍵期，通過増苗減氮能夠有效降低此次排水的氮素流失。

從水稻全生育期來看，T2（施氮10 kg+3株苗）處理總氮流失量最高達(dá)到11.80 kg/hm2，T3～T6處理，總氮流失量分別比T2降低13.42%、33.77%、41.58%和53.52%(P＜0.05)。氮素流失量隨著施氮量的減少秧苗數(shù)的增加而顯著降低，一方面是由于施氮量的降低另一方面是因為秧苗數(shù)的增加提高了作物的養(yǎng)分吸收量，有利于產(chǎn)量的形成并減少了流失。

從氮的流失形態(tài)來看主要為可溶性氮（圖2b），并且主要以銨態(tài)氮的形式流失（圖2d），硝態(tài)氮的流失量低于銨態(tài)氮的流失量（圖2c）。

圖2 增苗減氮對水稻地表徑流氮素流失量的影響

2.2 增苗減氮對水稻氮素吸收量及利用效率的影響

通過對水稻產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計見圖3，不施氮處理(T1)產(chǎn)量最低5566.76 kg/hm2，其余處理產(chǎn)量顯著高于不施氮處理。T2（施氮10 kg+3株苗）處理產(chǎn)量最高，為9051.84 kg/hm2；其次為T6（施氮8 kg+7株苗）處理，產(chǎn)量為9050.31 kg/hm2；T2～T6處理間產(chǎn)量差異不顯著。說明在增加密度條件下，適當(dāng)減少施氮量不會造成水稻明顯減產(chǎn)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益雙贏。

圖3 增苗減氮對水稻產(chǎn)量的影響

水稻植株吸氮量隨著施氮量的降低和秧苗數(shù)的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，分析氮密互作的綜合效應(yīng)，先是由于減氮造成了吸氮量的降低，然后隨著秧苗數(shù)的增加能有效增加群體分蘗數(shù)以及地上部總生物產(chǎn)量，提高了水稻對氮素的吸收，從而提高了氮素利用率。除T4處理差異不顯著外，T3、T5、T6處理氮肥表觀利用率均顯著高于T2處理，其中T6處理氮肥表觀利用率顯著高于其他處理，為53.5%。在本研究中，適當(dāng)?shù)脑雒鐪p氮大幅度降低了氮肥用量，產(chǎn)量差異不顯著，因而顯著提高了水稻氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生力。與T2處理相比，T3～T6處理氮肥農(nóng)學(xué)效率分別提高3.69%、2.86%、13.91%、28.99%，氮肥偏生產(chǎn)力分別提高3.40%、6.69%、14.83%、24.98%（表2）。

2.3 增苗減氮對氮素平衡的影響

2.3.1 氮素輸入與支出 農(nóng)田氮素主要收入項來自化肥投入、降雨輸入和灌溉輸入（見圖4）。T2～T6處理中，氮素收入的最大來源為化肥投入，分別占各處理氮素收入的84.43%、83.73%、82.89%、82.31%和81.41%。降雨輸入氮素量為19.86 kg/hm2，灌溉輸入氮素量為7.53～8.01 kg/hm2。

圖4 不同處理氮素輸入與支出情況

本研究中，農(nóng)田氮素主要支出包括徑流流失和作物攜出（籽粒和秸稈），未考慮淋溶和揮發(fā)等支出項。T1～T6處理氮素徑流流失量分別為4.69、11.80、10.22、7.81、6.89、5.48 kg/hm2，隨著施氮量的降低和秧苗數(shù)的增加而顯著降低。雖然氮素徑流流失量在農(nóng)田氮素支出中占比較低，但足以造成資源的浪費和水環(huán)境的污染，因而適當(dāng)?shù)脑雒鐪p氮能夠降低施氮帶來的環(huán)境風(fēng)險。雖然作物攜出氮素占比較高，但隨著秸稈綜合利用的開展，通過秸稈還田和肥料化利用，大部分氮素可以回到農(nóng)田，降低環(huán)境風(fēng)險。

2.3.2 氮素表觀平衡 由圖5可知，在不施氮的條件下，氮素虧損量達(dá)到65.24 kg/hm2，T2處理氮素盈余量最高，隨著施氮量的降低和秧苗數(shù)的增加氮素盈余量降低，T2～T5處理氮素盈余量分別為20.55、15.23、16.10、6.33 kg/hm2，T6處理氮素虧損量為10.62 kg/hm2。由于試驗區(qū)實現(xiàn)了秸稈全量還田，因此在秸稈全量還田條件下，T2～T6處理氮素全部為盈余狀態(tài)（見圖6），盈余量分別為72.17、68.37、65.20、56.99、43.18 kg/hm2。

圖5 不同處理氮素表觀平衡

圖6 秸稈還田條件下氮素表觀平衡

3 討論

本研究表明插秧前排水是水田氮磷流失關(guān)鍵期，排水中總氮濃度最高，總氮流失量最大，占全生育期總流失量的60%以上，與牛世偉等[15]研究結(jié)果一致。氮素流失量隨著施氮量的減少秧苗數(shù)的增加而顯著降低，一方面是由于施氮量的降低，尤其是基蘗肥的減少降低了關(guān)鍵期的流失量，另一方面是因為秧苗數(shù)的增加提高了作物的養(yǎng)分吸收量，有利于產(chǎn)量的形成并減少了流失。

本研究發(fā)現(xiàn)增苗減氮處理間產(chǎn)量差異不顯著，氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生力均高于常規(guī)處理。說明在增加密度條件下，適當(dāng)減少施氮量，不影響水稻產(chǎn)量，與前人研究結(jié)果保持一致。李思平等[16]研究表明，氮肥水平與栽植密度對水稻產(chǎn)量也有極顯著的交互效應(yīng)，且適宜的氮肥水平和種植密度組合有利于水稻獲得高產(chǎn)。徐新鵬等[17]發(fā)現(xiàn)，在相同氮水平下，密植增加了單位穗數(shù)，提高了作物生物質(zhì)量從而提高氮素的積累總量，增加了氮肥吸收量，減少氮素?fù)p失。朱相成等[3]研究表明，適度的增密減氮能獲得較高的產(chǎn)量，大幅度提高氮肥利用效率，并顯著降低稻田單位面積和單位產(chǎn)量的溫室效應(yīng)。

從氮素的平衡來看，隨著施氮量的降低和秧苗數(shù)的增加氮素盈余量降低，直到T6處理氮素呈虧損狀態(tài)，虧損量為10.62 kg/hm2，說明減氮過多，容易造成土壤氮素虧損。作物攜出氮素占比較高，秸稈還田是一種有效的土壤擴容增氮的措施，有研究表明，秸稈還田能夠使土壤全氮含量增加3.2%～11.2%[18-19]，秸稈還田還可以使早稻和晚稻徑流中的總氮分別降低15%和7%[20]，本研究表明秸稈全量還田條件下可以有效補充土壤中氮素，秸稈還田對于本區(qū)域土壤氮素固持和氮素流失的影響需進(jìn)一步研究。

品種、土壤、氣候條件等對水稻的密度和施氮量影響較大，在推廣和應(yīng)用過程中需要進(jìn)一步篩選研究，下一步將增加對氨揮發(fā)和溫室氣體排放的研究?？梢詫⒃雒鐪p氮與有機肥替代、側(cè)深施肥、生物炭等其他面源污染防控技術(shù)結(jié)合起來，建立綜合技術(shù)模式，在保障產(chǎn)量的前提下，降低環(huán)境風(fēng)險。

4 結(jié)論

插秧前排水總氮流失量占全生育期的60.22%～65.75%，控制插秧前排水量和降低排水中氮素濃度是控制水稻種植氮素流失的關(guān)鍵。適宜的增苗減氮措施在不影響產(chǎn)量的情況下可以減少氮素流失，提高氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生力。本區(qū)域以每穴4株～6株，肥料減少5%～15%為宜，氮素流失減少13.42%～41.58%，氮肥表觀利用率提高1.59%～43.84%，氮肥農(nóng)學(xué)效率提升2.86%～13.91%，氮肥偏生產(chǎn)力提高3.40%～14.83%。秸稈還田是保持氮素平衡的一個重要措施，秸稈全量還田可以為土壤提供33.4～55.8 kg/hm2的氮素，使土壤中氮素含量增加，為減少氮肥投入提供條件。