成都平原水旱輪作體系穩(wěn)產(chǎn)減氮潛力初探

董瑜皎，袁 江，母 煒，呂世華

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066)

【研究意義】現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系消耗能源嚴(yán)重，近20年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用化肥、農(nóng)藥、生長調(diào)節(jié)劑等，以高投入換高產(chǎn)出，在解決了饑餓問題的同時(shí)，不僅造成土壤肥力和質(zhì)量下降，引起水體富營養(yǎng)化，地下水被污染，導(dǎo)致嚴(yán)重的面源污染，還加劇了全球性自然資源耗竭、生態(tài)環(huán)境惡化、糧食安全問題等一系列危機(jī)[1-8]。在這樣的大背景下，2015年中央一號(hào)文件強(qiáng)調(diào)要保障我國農(nóng)產(chǎn)品有效供給和質(zhì)量安全、提升農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力，農(nóng)業(yè)部也制定了化肥農(nóng)藥零增長的方案，以大力推進(jìn)化肥減量提效、農(nóng)藥減量控害[9]。位于四川盆地西部邊緣的成都平原，地勢平坦，水系縱橫，土壤優(yōu)沃，土地墾殖率高[10]，是我國糧油的重要生產(chǎn)基地[11]。種植模式以水稻-油菜和水稻-小麥輪作為代表的水旱輪作為主。水旱輪作區(qū)域施肥差異較大，施用量不足和施用過量并存[12]，水稻季施氮量在50～280 kg/hm2，平均180 kg/hm2左右，小麥季平均施氮量為135 kg/hm2，油菜季平均施氮量為150 kg/hm2[10,12-14]。【前人研究進(jìn)展】Zhang 等[15]研究指出，目前我國氮肥的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了作物的需求，降低氮肥投入并不會(huì)降低作物產(chǎn)量。2005—2010年國家測土配方施肥項(xiàng)目在四川省成都平原區(qū)布置的49個(gè)水稻田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，成都平原水稻種植區(qū)域土壤全氮含量為(2.9 ± 5.0 )g/kg，堿解氮含量為(167 ± 48 )mg/kg[16]。按照全國第二次普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和耕地地力評(píng)價(jià)指南[17]，土壤全氮和堿解氮含量均為一級(jí)，即很豐富，這部分氮可以直接或通過礦化后供作物利用[18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】成都平原水旱輪作區(qū)具有減肥不減產(chǎn)的潛力。目前對該區(qū)域周年養(yǎng)分統(tǒng)籌管理的研究還較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究主要圍繞成都平原水旱輪作區(qū)域氮肥減施潛力進(jìn)行研究。通過研究成都平原區(qū)水稻-油菜，水稻—小麥輪作體系穩(wěn)產(chǎn)減氮潛力，建立以氮素調(diào)控為核心的周年養(yǎng)分管理技術(shù)，在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)推進(jìn)化肥減量提效，達(dá)到兼顧農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好的目的。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2018—2020年在成都平原四川省新都區(qū)新繁鎮(zhèn)進(jìn)行。全年平均降水量為1250.3 mm，全年平均氣溫為16.7 ℃，屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候[19]。

水稻-小麥輪作試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)為：將成都平原水旱輪作水稻季平均施氮量180 kg/hm2[10,12-14]設(shè)為D100，設(shè)置減氮 15%(D85)和30%(D70)處理，即設(shè)180、153、126 kg/hm23種水平。氮肥的底肥、分蘗肥、穗肥分配比例為6∶2∶2。磷肥和鉀肥施用量一致，分別施磷肥54 kg/hm2[過磷酸鈣(含12% P2O5)]和鉀肥70 kg/hm2[氯化鉀(含60% K2O)]。設(shè)當(dāng)?shù)匦←溂酒骄┑?35 kg/hm2為M100，設(shè)置減氮 15%(M85)和30%(M70)處理，即設(shè)施氮135.0、114.8、94.5 kg/hm23種水平。氮肥底肥和拔節(jié)期的分配比例是6∶4。分別施磷肥72 kg/hm2和鉀肥70 kg/hm2。

水稻季供試品種為荃優(yōu)絲苗；小麥季供試品種為川麥104。

水稻-油菜輪作試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)為：水稻施肥方式同水稻-小麥輪作處理。設(shè)當(dāng)?shù)赜筒思酒骄┑?50 kg/hm2為Y100，設(shè)置減氮 15%(Y85)和30%(Y70)處理，即設(shè)150.0、127.5、105.0 kg/hm23種水平。氮肥的底肥、苔肥分配比例為5∶5。分別施磷肥90 kg/hm2和鉀肥75 kg/hm2。水稻季供試品種為荃優(yōu)絲苗；油菜季供試品種為油雜猛。水稻-油菜、水稻-小麥輪作均各設(shè)10個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)排列設(shè)計(jì)。各處理的施氮量如表1所示。

試驗(yàn)前(2018年)水稻-油菜，水稻-小麥田土壤基礎(chǔ)化學(xué)養(yǎng)分如表2所示。

待水稻、小麥和油菜成熟后，各小區(qū)測產(chǎn)，并收集9株植株樣品，用水沖洗后105 ℃殺青30 min，75 ℃下烘干至恒重，然后將植株樣品分秸稈和籽粒過1 mm篩，加入濃硫酸和銅催化劑片后進(jìn)行消化，用流動(dòng)注射分析儀(FIAstar 5000,FOSS,America)測定全氮含量。水稻收獲后將土壤分0～20，20～40,40～60 cm 3層取樣，新鮮土壤樣品用流動(dòng)注射分析儀(FIAstar 5000,FOSS,America)測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.2 氮肥利用率計(jì)算方法

氮肥利用率(NUE，%)用差減法計(jì)算(式1)，具體計(jì)算方法是：用施肥區(qū)作物吸收氮量減去不施肥區(qū)作物吸收氮量后除以施氮量。

NUE=(NuptakeN+-NuptakeN0)÷Nfert

(1)

其中，NuptakeN+表示施氮區(qū)作物地上部分總吸氮量(kg/hm2)，NuptakeN0表示不施氮區(qū)作物地上部分總吸氮量(kg/hm2)，Nfert表示氮肥投入量(kg/hm2)。

表1 水稻-油菜、水稻-小麥輪作試驗(yàn)各處理施N量

表2 2018年水稻-油菜、水稻-小麥輪作土壤基礎(chǔ)化學(xué)養(yǎng)分

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施對稻麥輪作體系生產(chǎn)力的影響

由表3可知，水稻季減量施氮對水稻籽粒產(chǎn)量影響顯著(P<0.001)。2018年和2019年水稻籽粒產(chǎn)量以D85水平與D100水平相當(dāng)，并高于其余兩個(gè)水平。與D100水平相比，2018年和2019年D70水平的水稻籽粒產(chǎn)量分別降低了6.3%和9.2%，差異達(dá)顯著水平。2018—2019年，2019—2020年小麥籽粒產(chǎn)量均顯著受小麥季氮水平的影響(P<0.001)，具體表現(xiàn)為以M100水平下籽粒產(chǎn)量最高，M85次之，兩者之間無顯著差異，2018—2019，2019—2020年M100水平小麥籽粒產(chǎn)量均顯著高于M70和M0，2019—2020年M85與M70間無顯著差異。

2018—2019年稻麥系統(tǒng)籽粒產(chǎn)量顯著受水稻季氮水平(P<0.01)和小麥季氮水平(P<0.001)的影響，表現(xiàn)為水稻季各施N水平籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮，不同施氮水平間無顯著差異，小麥季M100與M85水平之間無顯著差異，均顯著高于M70；2019—2020年系統(tǒng)籽粒產(chǎn)量不僅受水稻季和小麥季氮水平(P<0.01)的影響，還顯著受它們交互作用的影響，均表現(xiàn)為以各施氮水平籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮水平。

2.2 氮肥減施對稻油輪作體系生產(chǎn)力的影響

2018年水稻籽粒產(chǎn)量顯著受水稻季N水平的影響(P<0.01，表4)，以D85水平下水稻籽粒產(chǎn)量最高，顯著高于D0，D100和D70水平次之，與D0之間無顯著差異；2019年水稻籽粒產(chǎn)量也顯著受水稻季N水平(P<0.05)的影響，具體表現(xiàn)為以D100水平水稻籽粒產(chǎn)量最高，D85水平次之，D100水平水稻籽粒產(chǎn)量顯著高于D70和D0，D85與D100、D70均無顯著差異。

2018—2019年，2019—2020年油菜籽粒產(chǎn)量均顯著受油菜季N水平的影響(P<0.001)，具體表現(xiàn)為以Y100水平下籽粒產(chǎn)量最高，Y85和Y70次之(兩者之間無顯著差異)，不同的是，2018—2019年Y100與Y85水平間油菜籽粒產(chǎn)量無顯著差異，2019—2020年差異顯著。

2018—2019年稻油輪作系統(tǒng)籽粒產(chǎn)量顯著受油菜季氮水平(P<0.01)的影響，表現(xiàn)為油菜季各施N水平籽粒產(chǎn)量顯著高于不施氮，不同施氮水平間無顯著差異；2019—2020系統(tǒng)籽粒產(chǎn)量顯著受水稻季氮水平(P<0.01)和小麥季氮水平(P<0.05)的影響，表現(xiàn)為以D100水平籽粒產(chǎn)量最高，D85次之，D100顯著高于D70，而D85與D70、D100均無顯著差異，3個(gè)氮水平籽粒產(chǎn)量均顯著高于D0，油菜季不同氮水平下籽粒產(chǎn)量變化趨勢與水稻季一致。

表3 不同施氮水平下水稻和小麥籽粒產(chǎn)量及方差分析

表4 不同施氮水平下水稻和油菜籽粒產(chǎn)量及方差分析

2.3 氮肥減施對稻麥輪作系統(tǒng)N肥利用率的影響

在水稻季不同施氮水平間，水稻季2018、2019年的NUE、系統(tǒng)2018—2019，2019—2020年的NUE均無顯著差異(表5)；小麥季不同施氮水平間，小麥季2018、2019年的NUE、系統(tǒng)2018—2019，2019—2020年的NUE亦無顯著差異。

通過方差分析可知，水稻季施氮水平、小麥季施氮水平，及其交互作用均對稻麥系統(tǒng)單季和周年NUE無顯著影響。

2.4 氮肥減施對稻油輪作系統(tǒng)N肥利用率的影響

2018年水稻季，Y100水平NUE顯著高于Y70水平(表6)，2018—2019年油菜季不同施氮水平間NUE無顯著差異，2018—2019年系統(tǒng)周年NUE表現(xiàn)為Y100和Y85之間無顯著差異，均顯著高于Y70。而2019年水稻季NUE、2019—2020年油菜季NUE，2019—2020年稻油系統(tǒng)周年NUE，在水稻季不同施氮水平間，油菜季不同施氮水平間均無顯著差異。

通過方差分析得知，除2018年水稻季NUE顯著受油菜季施氮水平的影響外，其余年份稻油系統(tǒng)單季和周年NUE受水稻季施氮水平、油菜季施氮水平，及其交互作用的影響不顯著。

2.5 氮肥減施對水稻收獲后土壤無機(jī)氮含量的影響

水稻-小麥輪作田，2018年水稻收獲后不同土層土壤4個(gè)氮水平間土壤銨態(tài)氮含量無顯著差異(圖1)，且同一氮水平在不同土層銨態(tài)氮的平均含量差異也不顯著。2019年水稻收獲后土壤銨態(tài)氮含量相對于2018年在0～20和40～60 cm土層含量稍高且水稻季不同氮水平間差異較大，且顯著受水稻季氮水平的影響(P<0.05)。

表6 不同施氮水平對水稻和油菜氮肥利用率的影響

圖1 2018和2019年稻麥、稻油輪作水稻收獲后土壤銨態(tài)氮含量Fig.1 Soil ammonium nitrogen content after rice harvest in rice-wheat and rice-rape seed rotation in 2018 and 2019

水稻-油菜輪作田，2018年水稻收獲后土壤銨態(tài)氮含量顯著受水稻季氮水平的影響(P<0.05)。隨著施氮量的增加，0～20 cm土層的銨態(tài)氮含量顯著降低，從3.3 mg/kg (D0) 顯著降低到1.4 mg/kg(D100)；20～40 cm土層不同氮水平間無顯著差異，且該層銨態(tài)氮含量最低；40～60 cm土層銨態(tài)氮含量最高，與0～20 cm土層呈相同趨勢。2019年水稻收獲后土壤銨態(tài)氮含量在不同土層相對于2018年均有所降低，且與2018年不同的是，以20～40 cm土層的銨態(tài)氮含量最低，不同氮水平間差異不大。

2018和2019年水稻-小麥，水稻-油菜輪作田水稻收獲后，土壤硝態(tài)氮含量均顯著受土層的影響(P<0.001)。水稻-油菜輪作田表現(xiàn)為隨著土層的加深含量降低，0～20 cm土層顯著高于20～40 cm 和40～60 cm土層，且2019年土壤硝態(tài)氮含量顯著高于2018年(圖2)。水稻-小麥輪作田，不同土層硝態(tài)氮含量趨勢與與稻-油輪作田一致，即隨著土層的加深土壤硝態(tài)氮含量降低，但各土層含量均較稻油輪作田稍低。

3 討 論

成都平原位于四川盆地西部，占成都市總面積的40%[20]，是我國糧、棉、油的重要生產(chǎn)基地[10]。水稻-油菜、水稻-小麥輪作模式是成都平原最傳統(tǒng)的種植模式，但是該模式的綜合效率不高。一方面，目前的氮肥投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了作物的需求，并未提高作物產(chǎn)量，還加重了環(huán)境壓力[14-15]，另一方面，水旱輪作系統(tǒng)的氮肥施用時(shí)期不合理，沒有考慮作物生長發(fā)育規(guī)律和作物對氮素的需求規(guī)律，水稻季大部分氮肥施用都是基肥加分蘗肥，沒有考慮到水稻氮素吸收高峰出現(xiàn)在幼穗分化期[12]。可見尋找更好地解決資源高效利用、作物高產(chǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)之間矛盾的途徑是水旱輪作系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

而建立以養(yǎng)分管理為核心，氮素調(diào)控為重點(diǎn)的養(yǎng)分資源綜合管理技術(shù)是解決這一矛盾的有效途徑之一。本試驗(yàn)選擇了成都平原典型的稻油、稻麥輪作田，根據(jù)全國第二次普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和耕地地力評(píng)價(jià)指南[17]，供試田的有機(jī)質(zhì)含量均達(dá)到二級(jí)，即高水平，全氮和堿解氮含量均達(dá)到一級(jí)，即非常高水平。稻油輪作土壤有效磷含量達(dá)到四級(jí)(中下)，稻麥輪作土壤有效磷含量達(dá)到五級(jí)(低)。速效鉀含量均為二級(jí)，屬于很高的水平。該試驗(yàn)點(diǎn)土壤養(yǎng)分與2005—2010年國家測土配方施肥項(xiàng)目在四川省成都平原區(qū)布置的49個(gè)水稻田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值基本吻合[16-17]，具有很好的代表性。而這樣的地力條件下，土壤養(yǎng)分可直接或間接供作物吸收利用[18]，是具備穩(wěn)產(chǎn)減氮潛力的。

圖2 2018和2019年稻麥、稻油輪作水稻收獲后土壤硝態(tài)氮含量Fig.2 Soil nitrate nitrogen content after rice harvest in rice-what and rice-rape seed rotation in 2018 and 2019

本研究在該區(qū)域水稻季(180 kg/hm2)、小麥季(135 kg/hm2)和油菜季(150 kg/hm2)的平均施氮量基礎(chǔ)上[10,12-14]，設(shè)置了減氮15%和減氮30%處理，并按照作物生長發(fā)育規(guī)律和作物對氮素的需求，設(shè)置了基追比。通過2年的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在水稻-小麥輪作體系下，水稻季減氮15%小麥季減氮15%并不會(huì)顯著降低水稻籽粒產(chǎn)量、小麥籽粒產(chǎn)量及系統(tǒng)周年籽粒產(chǎn)量，同時(shí)水稻季、小麥季和系統(tǒng)周年的氮肥利用率也并未受到影響。而在水稻-油菜輪作體系下，水稻季減氮15%并未顯著影響水稻籽粒產(chǎn)量和系統(tǒng)周年籽粒產(chǎn)量，但是油菜季減氮15%雖沒有顯著降低系統(tǒng)周年籽粒產(chǎn)量，卻顯著降低了第二年的油菜籽粒產(chǎn)量，兩季減氮15%均未顯著影響水稻季、油菜季和系統(tǒng)周年氮肥利用率。

Li 等[21]提出減少所有地區(qū)的氮肥可能不利于糧食安全，建議以氮盈余作為環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，并估算水稻的平均臨界氮盈余為70 kg/hm2。巨曉棠等[22]提出60 kg/hm2作為中國水稻單季現(xiàn)有產(chǎn)量(4000～10 000 kg/hm2)和管理水平(當(dāng)季供氮96～240 kg/hm2)下的氮素盈余參考指標(biāo)。Li等[21]研究顯示目前全國水稻的平均氮盈余為116 kg/hm2，西南地區(qū)水稻的平均施氮量為182 kg/hm2，平均氮盈余為85 kg/hm2。Dong 等[23]對西南丘陵區(qū)水稻傳統(tǒng)栽培的研究表明施氮180 kg/hm2下土壤界面氮盈余為145 kg/hm2?？梢婋m然目前還缺乏對成都平原水旱輪作氮盈余的研究，但已有研究結(jié)果表明我國農(nóng)田目前處于氮盈余狀態(tài)。而當(dāng)?shù)卮罅坑鄷r(shí)，氮素?fù)p失量大量增加，會(huì)增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[24-25]。

朱蕓等[14]研究表明長江流域，稻油輪作體系、稻麥輪作體系周年氮肥損失量分別為96.7、88.8 kg/hm2，其中水稻季損失量分別為62.2、59.0 kg/hm2，約為油菜季或小麥季的1.7～2.1倍。氮損失中以氨揮發(fā)損失所占的比例最大，占各季施氮量約為7.2%～18.2%。即使水稻臨界氮盈余為70 kg/hm2的情況下，氨揮發(fā)估計(jì)也可達(dá)35 kg/hm2[21]。而氨揮發(fā)不僅直接形成PM2.5，還加速了霧霾的形成[15]。本研究中，試驗(yàn)地土壤呈酸性，理論上，自養(yǎng)硝化作用很弱，土壤無機(jī)氮以銨態(tài)氮為主。但是稻麥、稻油輪作體系在水稻收獲后，0～60 cm土壤的銨態(tài)氮含量低，且顯著受水稻季施氮水平的影響(P<0.05)，尤以2018年稻油輪作田土壤銨態(tài)氮含量隨著施氮水平的提高顯著降低?？梢姵啥计皆递喿鞯咎锏陌睋]發(fā)不容忽視。而在氮肥調(diào)控的同時(shí)，還應(yīng)配以施肥、栽培等技術(shù)的綜合管理，將肥料撒施改為深施或精準(zhǔn)噴施，便是控氨的直接辦法[15]。

本試驗(yàn)中，稻麥、稻油輪作體系在水稻收獲后，0～60 cm土壤中存留的無機(jī)氮以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮含量顯著受土層的影響(P<0.001)，均以0～20 cm表層含量最高。而水旱輪作中小麥和油菜屬于喜硝作物，故而水稻季土壤中殘留的硝態(tài)氮可以留作后茬作物利用，這也可以為小麥和油菜季氮肥減施提供依據(jù)，但要注意兩季作物交替間土壤硝態(tài)氮淋溶和徑流損失。

4 結(jié) 論

建立以養(yǎng)分管理為核心，氮素調(diào)控為重點(diǎn)的養(yǎng)分資源綜合管理技術(shù)是成都平原水旱輪作系統(tǒng)兼具資源高效利用、作物高產(chǎn)和降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑。而成都平原地力條件較好，土壤全氮和堿解氮含量豐富，具備了減氮同時(shí)穩(wěn)產(chǎn)的潛力。本試驗(yàn)選取成都平原典型的稻油、稻麥輪作田，經(jīng)過2年的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在稻麥輪作體系穩(wěn)產(chǎn)的前提下，水稻季和小麥季分別在平均施氮量(180、135 kg/hm2)的基礎(chǔ)上有減氮15%的空間；而稻油輪作體系在穩(wěn)產(chǎn)前提下，水稻季在平均施氮量(180 kg/hm2)的基礎(chǔ)上可以減氮15%，油菜季在平均施氮量(150 kg/hm2)基礎(chǔ)上減氮15%于第二年顯著降低了油菜籽粒產(chǎn)量，即油菜季的減氮范圍還有待更長期的試驗(yàn)提供依據(jù)。同時(shí)，在成都平原稻麥輪作、稻油輪作體系，水稻季土壤殘留的硝態(tài)氮可以供后茬小麥和油菜利用，但要注意水稻季的氨揮發(fā)損失。