調(diào)整氮肥基追比減少稻田氮素損失和保證直播稻產(chǎn)量

夏蘇敬，喬 月，朱建強

(長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025)

氮素是影響水稻生長和產(chǎn)量的最重要的營養(yǎng)元素之一。據(jù)報道，我國稻田氮肥用量約占全球的37%[1-2]，而氮肥利用率僅為30%～35%[3-5]。在水稻生產(chǎn)中，很多地方的農(nóng)民都有重施基肥的習(xí)慣，通常將氮肥總量的55%～85%作為基肥和追肥施用[4]。研究和實踐表明，過量和不合理施用氮肥不僅不利于水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的提高，而且還會引發(fā)諸如湖泊水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽污染等問題[6-8]。研究表明，對于機插秧水稻，適當“前氮后移”(即減少生長前期的施氮量，重點施于旺盛生長期)是減輕稻田氮素流失的有效途徑，且不會造成水稻減產(chǎn)[9-13]。

近年來，直播稻因省工節(jié)本且便于機械化推廣而備受青睞，在長江中下游平原地區(qū)發(fā)展迅速[14-16]。據(jù)報道，湖北省水稻種植面積239萬 hm2，其中，直播稻面積達120萬 hm2[17]，直播稻已經(jīng)成為湖北省最為典型的水稻栽培方式。通常，直播稻在播種前和播種后的一段時間需要維持田間濕潤無水層狀態(tài)，以確保種子正常萌發(fā)，促進根系生長，這就要求在遇到中大雨時必須及時排除田間積水[18]，但這樣一來，水稻直播后基肥氮素田間流失的風(fēng)險變大了。顯然，在保證直播稻產(chǎn)量的前提下盡量提高氮肥利用率、降低環(huán)境風(fēng)險，是當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中迫切需要解決的實際問題。為此，特在直播稻上開展氮肥不同基追比的田間試驗，旨在探索既能保證水稻產(chǎn)量、又可降低氮素徑流流失風(fēng)險的直播稻氮肥施用方案，為直播稻氮肥的合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年在長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院基地(30°21′N，112°09′E)標準徑流小區(qū)進行。2020年，水稻生育期(5月26日—9月25日)的平均氣溫為26.36 ℃，降水量為800.20 mm。試驗地耕作層(0～20 cm)土壤基本性狀如下：pH值7.47，有機質(zhì)含量21.32 g·kg-1，全氮含量2.13 g·kg-1，全磷含量0.38 g·kg-1，全鉀含量13.68 g·kg-1，堿解氮含量113.22 mg·kg-1，速效磷含量11.90 mg·kg-1，有效鉀含量204.05 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

按照當?shù)氐咎锔髁?xí)慣，冬前進行翻耕，在水稻栽種前進行泡田、旋耕。種植的水稻品種為雜交稻鵬優(yōu)國泰，該品種在江漢平原作一季中稻種植，全生育期123 d左右，株高130 cm左右，5月26日播種，8月下旬孕穗，9月中下旬成熟。

1.2.1 施肥處理

各處理使用的肥料種類相同，N、P2O5、K2O用量分別為180、75、105 kg·hm-2。其中：氮肥作為基肥和追肥(含分蘗肥和穗肥)分次施入田間，磷肥和鉀肥作為基肥施入。每處理重復(fù)3次。

以江漢平原稻田氮肥(折純)習(xí)慣施用比例(基肥、分蘗肥、穗肥的比例為6∶4∶0)為對照(CK)，另設(shè)7個不同氮肥基追比的處理：T1，基肥、分蘗肥、穗肥的比例為4∶6∶0；T2，基肥、分蘗肥、穗肥的比例為4∶4∶2；T3，基肥、分蘗肥、穗肥的比例為4∶2∶4；T4，基肥、分蘗肥、穗肥的比例為2∶6∶2；T5，基肥、分蘗肥、穗肥的比例為2∶4∶4；T6，基肥、分蘗肥、穗肥的比例為0∶8∶2；T7，基肥、分蘗肥、穗肥的比例為0∶6∶4。為評估氮肥不同基追比下的田間氮素流失率和氨揮發(fā)損失率，另設(shè)一個不施氮肥的對照CK0，磷、鉀肥用量及施入方法同其他處理。

1.2.2 田間小區(qū)設(shè)置

根據(jù)施肥處理，在試驗稻田內(nèi)布設(shè)27個小區(qū)，每小區(qū)面積45 m2(15 m×3 m)。小區(qū)之間用土埂隔開，在土埂上鋪設(shè)塑料薄膜并使薄膜伸入田面30 cm以下，以防止小區(qū)間串水串肥。每小區(qū)均有獨立的灌溉系統(tǒng)和徑流收集筒，能根據(jù)試驗需要按小區(qū)進行灌、排水計量和水質(zhì)取樣檢測。

1.2.3 水稻種植與田間管理

2020年5月24日泡田后，在1～2 cm淺水條件下撒施基肥。施基肥后人工耙平，并將小區(qū)整成溝廂模式(小區(qū)中間開溝)，廂寬1.5 m，溝寬0.3 m，溝深0.1～0.2 m。5月26日在水稻播種前排除田間雨水，使田間處于濕潤無水層狀態(tài)，人工均勻撒播，播種量為22.5 kg·hm-2。播種前對種子進行浸泡和催芽，當芽長為3 mm左右時適當攤開晾干。播種后3 d內(nèi)進行化學(xué)除草。在播種—三葉一心期(約10 d)，采用廂面無水、廂溝有水的水分管理模式，若遇強降水則及時排除田面積水。6月5日向田間灌水2～3 cm，6月10日撒施分蘗肥，8月9日撒施穗肥。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 徑流水采集與測定

根據(jù)直播稻的特點進行田間水分管理。遇到降水需要進行田間排水時，用徑流筒收集各小區(qū)排水，取混合樣裝入聚乙烯塑料瓶，帶回實驗室進行預(yù)處理和測定。在試驗過程中，共收集到5月26日、6月8日、6月22日和7月9日4次徑流。

總氮(TN)含量采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定(所用儀器為UV-6100型紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司)。水樣先經(jīng)0.45 μm微孔濾膜真空泵抽濾后，再用Futura II連續(xù)流動分析儀(法國Alliance)測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量[19]。

1.3.2 田面水采集與測定

于每次施肥后1～7 d采集田面水水樣，多點取得田面水樣品，混合后裝入聚乙烯塑料瓶中，帶回實驗室，-26 ℃冰箱保存，用于分析測定。同1.3.1.節(jié)方法測定總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。

1.3.3 氨揮發(fā)采集與測定

氨揮發(fā)與田面水的采集時間一致。氨揮發(fā)通量采用通氣法測定[20]。用連續(xù)流動分析儀測定浸提液的銨態(tài)氮含量。

1.3.4 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的測定

于成熟期在每小區(qū)隨機選取6株具有代表性的水稻植株進行考種，測定有效穗數(shù)、穗長、每穗總粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重。各小區(qū)實收3 m2測產(chǎn)，脫粒、曬干，風(fēng)選清除雜質(zhì)和癟粒，稱量風(fēng)干實?？傎|(zhì)量[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

分別計算氮徑流流失量(LN，kg·hm-2)和氮徑流流失率(RN，%)。

LN=(c×V×103/10-6)×104/A；

(1)

RN=(PN-P0)/AN×100。

(2)

式(1)、(2)中：c為小區(qū)徑流水中氮素的質(zhì)量濃度，mg·L-1；V為徑流流失體積，m3；A為小區(qū)面積，m2；PN和P0分別為施氮區(qū)和不施氮區(qū)的氮素流失量(kg·hm-2)；AN為施氮區(qū)的施氮量(kg·hm-2)。

分別計算氨揮發(fā)通量(VA，kg·hm-2·d-1)和氨揮發(fā)損失率(RA，%)。

VA=B×10-6/(J×D×10-4)；

(3)

RA=∑(LA-L0)/AN×100。

(4)

式(3)、(4)中：B為通氣法單個裝置每次測得的銨態(tài)氮量，mg；J為捕獲裝置的橫截面積，m2；D為每次連續(xù)捕獲的時間，d；LA為施氮區(qū)累積氨揮發(fā)量(即各測定時期的氨揮發(fā)通量VA之和[15])，kg·hm-2；L0為不施氮區(qū)的氨累積揮發(fā)量，kg·hm-2。

用單位面積產(chǎn)量與單位面積施氮量之比測算氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP，kg·kg-1)。

用Microsoft Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)，使用DPS v18.1數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行單因素方差分析，對有顯著差異的，采用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥不同基追比下稻田氮素徑流流失

試驗期間共產(chǎn)生4次徑流，其中，5月26日(基肥后2 d)系播種需要排水，6月8日(基肥后15 d)、6月22日(分蘗肥后12 d)和7月9日(分蘗肥后29 d)均系雨后防澇排水。這4次徑流下，各處理的平均排水量分別為200、260、1 500、1 500 m3·hm-2。

基肥施入后2 d(5月26日)排水，CK和T1、T2、T3、T4、T5處理下，隨田間排水流失的徑流氮占基肥施氮量的19.67%～24.42%，T6、T7處理雖然在基肥中不施氮，但也有部分徑流氮流失(表1)。基肥施入后15 d(6月8日)，隨徑流流失的氮占基肥施氮量的比例較小，最多的不超過4.75%。分蘗肥后12天(6月22日)和29天(7月9日)，隨徑流流失的氮分別占分蘗肥施氮量的3.06%～9.78%和1.18%～4.33%。以上結(jié)果說明，若施肥后不久就因作物生長需要而排除田間雨水，會造成大量的徑流氮損失。根據(jù)天氣狀況和作物生長需要，錯雨施肥顯得尤為重要。

表1 不同處理的氮素徑流流失

表2 各處理下不同形態(tài)氮的徑流流失

2.2 氮肥不同基追比下稻田氨揮發(fā)損失

與CK相比，7個處理調(diào)減基肥施氮量會顯著(P<0.05)降低基肥—分蘗肥前的田間氨揮發(fā)損失(表3)，其中，基肥施氮量占總施氮量40%(T1、T2、T3)、20%(T4、T5)和基肥不施氮的處理(T6、T7)，其在基肥—分蘗肥前的田間氨揮發(fā)損失量分別較CK顯著(P<0.05)減少41.58%～42.77%、60.69%～61.05%和87.81%。與CK相比，調(diào)加分蘗肥施氮量的處理(T1、T4、T6、T7)顯著(P<0.05)增加了分蘗肥—穗肥前的田間氨揮發(fā)損失，增幅在31.95%～64.63%。與穗肥不施氮的處理(CK、T1)相比，其他處理在穗肥后的氨揮發(fā)損失均顯著(P<0.05)增加，但與前2個時期相比，這一時期各處理的氨揮發(fā)損失量均較小(0.82～2.02 kg·hm-2)。綜全水稻全生育期，調(diào)減基肥中的施氮量，會顯著(P<0.05)減少水稻全生育期的氨揮發(fā)損失，降幅在4.86%～31.96%，其中，以T3處理的氨揮發(fā)損失量(11.90 kg·hm-2)和損失率(3.76%)最小。

表3 不同處理下氨揮發(fā)損失量

2.3 氮肥不同基追比下稻田氮素損失與直播稻產(chǎn)量

在分析田間徑流氮流失、氨揮發(fā)損失的基礎(chǔ)上，綜合測算水稻全生育期的氮素損失，并結(jié)合水稻產(chǎn)量，計算氮肥偏生產(chǎn)力(表4)。不難看出，在總施氮量一定的條件下，調(diào)減基肥施氮量、增加追肥施氮量，可降低氮素損失，與CK相比，各處理的氮素損失量減少了12.65%～50.75%；同時，T4、T5處理的水稻產(chǎn)量還較CK顯著(P<0.05)增加了9.36%～10.80%，而其他處理的水稻產(chǎn)量與CK無顯著變化。此外，與CK相比，7個處理的氮肥偏生產(chǎn)力提高。從減少田間氮素損失的角度看，T7(不基施氮)處理的氮素損失率僅為5.02%，遠小于CK的18.12%，氮素損失量也較CK減少50.75%。從水稻產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力看，T4處理(基施氮20%，分蘗肥施氮60%，穗肥施氮20%)的效果最好。綜合考慮氮素損失和水稻產(chǎn)量，在試驗條件下，直播稻田的氮肥基追比宜采用T2、T3、T4、T5處理的方案，優(yōu)先推薦T4和T5處理的方案。

表4 不同處理下的氮素損失、直播稻產(chǎn)量與氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)

3 討論

稻田氮素徑流損失主要受施肥和降雨因素的影響[21-24]。本試驗觀察到，直播稻稻田在基肥施入后2 d因搶時播種和基肥施入后15 d遇中到大雨而田間排水，其中，基肥后2 d的排水中氮徑流流失量在8.45～21.24 kg·hm-2(不考慮基肥不施氮的處理)，而在基肥施入后15 d，這些處理經(jīng)田間排水的氮徑流流失量只有1.24～1.81 kg·hm-2。這充分說明，施肥和降雨的時間間隔是影響稻田氮徑流流失的主要因素之一[23]。研究表明，在施肥后3 d內(nèi)排除強降水產(chǎn)生的田間澇水，會造成稻田氮素的大量流失[25-28]。顯然，調(diào)減基肥施氮量會減少這一過程中的氮素徑流損失。本試驗表明，對于直播稻稻田，與CK相比，當基肥施氮量占總施氮量的比例下降到60%、40%、20%時，總的氮素徑流流失量可分別減少17.35%～24.56%、45.33%～48.26%、66.95%～69.68%。這主要是因為，當?shù)蚀罅孔鳛榛适┯脮r，由播種前和水稻生長初期田間排水導(dǎo)致的氮素徑流損失量較大，而將氮肥適當后移至穗肥，可大幅減少其流失風(fēng)險[29]。

在江漢平原稻作區(qū)，一般采用“重施基肥、早施分蘗肥”的肥料運籌方式以促進水稻早分蘗，通過增加有效穗數(shù)來提高水稻產(chǎn)量[38]。但是，對于直播稻，這種施肥方式將大量的氮肥集中于水稻生長初期，而該時期田間不宜蓄雨，要求及時排除田間澇水，這無疑增加了氮素經(jīng)徑流流失的風(fēng)險[39]。本試驗通過調(diào)減直播稻的氮肥基追比，減少了氮素流失，直播稻的產(chǎn)量不僅沒有減少，部分處理下還有顯著增加，與文獻[40]的研究結(jié)論基本一致。

由本試驗結(jié)果可知，在直播中稻N、P2O5、K2O施用量分別為180、75、105 kg·hm-2，磷、鉀肥一次性基施的前提下，適當調(diào)減基肥中氮肥的施用比例，可減少田間氮素徑流流失和氨揮發(fā)損失，同時，能夠保證水稻有較高的產(chǎn)量。各處理中，T7處理總氮徑流流失最小(8.79 kg·hm-2)，T3處理的氨揮發(fā)損失最小(11.90 kg·hm-2)，T7處理的總的氮素損失最小(22.89 kg·hm-2)，T4處理產(chǎn)量最高(9 270.0 kg·hm-2)、T5處理的產(chǎn)量次之(9 150.0 kg·hm-2)。

從減少氮素損失和保證水稻產(chǎn)量的角度出發(fā)，在試驗設(shè)定的氮、磷、鉀用量和配施條件下，直播稻的氮運籌方案宜參照T2、T3、T4、T5處理。其中，優(yōu)先推薦采用T4、T5處理的方案，即基肥、分蘗肥、穗肥的比例為2∶6∶2或2∶4∶4。