洱海北部地區(qū)水稻氮肥投入閾值研究

施澤升，續(xù)勇波，雷寶坤，劉宏斌

(1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650201;2云南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，云南昆明650201;3云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南昆明650205;4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081)

我國從20世紀(jì)70年代初開始大量施用化肥，目前施入農(nóng)田中的氮肥被作物利用的僅占20%～40%，也有研究認(rèn)為在一些高產(chǎn)地區(qū)氮肥利用率可能會(huì)更低［1－2］，剩余的養(yǎng)分通過各種途徑進(jìn)入環(huán)境，造成環(huán)境污染，對此已有學(xué)者進(jìn)行研究報(bào)道［3－4］。近年來，洱海水質(zhì)日益下降，逐步由貧營養(yǎng)化過渡到中營養(yǎng)化，農(nóng)田面源污染是洱海富營養(yǎng)化的主要影響因素［5］。司友斌等［6］認(rèn)為農(nóng)田氮、磷的流失是引起水體富營養(yǎng)化的重要原因之一。洱海北部地區(qū)因地理位置特殊，地處洱海主要匯水區(qū)，也是洱海流域主要的糧食種植區(qū)，所以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對洱海水質(zhì)的影響不容忽視。程磊磊等［7］通過調(diào)查洱海北部地區(qū)的4個(gè)重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)污染來源后指出，4鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田純氮入湖量約占整個(gè)洱海流域的26%，純磷入湖量約占整個(gè)流域的18%。洱海北部地區(qū)氮、磷肥投入量普遍較高，尤其體現(xiàn)在主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)作物上，造成農(nóng)田養(yǎng)分盈余量偏高，最終影響土壤養(yǎng)分殘留量［8］。為了保證水稻高產(chǎn)及環(huán)境可承受，本研究通過連續(xù)兩年的田間定點(diǎn)試驗(yàn)，以肥料效應(yīng)為基礎(chǔ)，研究了洱海北部地區(qū)的水稻種植區(qū)不同施氮量對施肥后9d內(nèi)田面水可溶性總氮(DTN)、土壤氮素表觀盈余率、水稻產(chǎn)量及氮素利用率的影響，以期確定能使水稻高產(chǎn)、環(huán)境可承受的氮肥施用量，使水稻高效利用氮肥，減輕農(nóng)業(yè)施肥對環(huán)境造成的污染。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地位于洱海北部地區(qū)，屬典型的低緯高原中亞熱帶西南季風(fēng)氣候類型，具有干濕季分明、光照充足，立體氣候和區(qū)域性小氣候明顯等特點(diǎn)。年平均日照2061.0～2439.4 h，日照百分率55% ～57%，年平均氣溫為15.3℃，該地區(qū)雨量充沛，多年平均降水量為1048 mm，分布不均，85% ～96%的降水集中在5～10月的雨季。試驗(yàn)在云南省大理市洱源縣右所鎮(zhèn)的稻田中進(jìn)行，北緯26°01'56.7″，東經(jīng)100°03'47.6″，地下水位 0.65 m，海拔1934 m。試驗(yàn)地土壤為紅壤性水稻土，土壤質(zhì)地為粘土，耕層0—20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量80.02 g/kg、全氮4.54 g/kg、全磷1.56 g/kg、全鉀12.8 g/kg、速效磷50.46 mg/kg、速效鉀128.65 mg/kg、銨態(tài)氮10.8 mg/kg、硝態(tài)氮50.1 mg/kg、pH 7.46。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

氮的閾值試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，分別為施純氮0(N0);135(N1，75%N 優(yōu)化);180(N2，N 優(yōu)化);225(N3，125%N 優(yōu)化);270(N4，150%N 優(yōu)化);360(N5，200%N優(yōu)化)kg/hm2。氮肥為尿素，所有處理的磷、鉀用量相同，磷肥為普鈣，施用量為P2O575 kg/hm2，鉀肥為硫酸鉀，施用量為 K2O 90 kg/hm2;磷、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥分基肥(70%)、孕穗肥(30%)兩次施入。小區(qū)面積6.0 m×5.0 m，每處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。田間管理措施均一致。供試水稻品種為楚粳28。2011年度水稻前茬種植作物為當(dāng)?shù)卦缡煨Q豆品種，水稻于2011年04月10日種植，05月19日移栽，采用3本栽插，10月10日收獲。2011年05月19日施基肥，追肥日期為2011年07月26日。2012年水稻前茬種植作物為小麥，水稻種植日期為2012年04月16日，05月26日移栽，采用3本栽插，10月14日收獲，基肥于2012年05月26日施入，08月07日施追肥。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

田面水水樣在中午基肥及孕穗肥施入后第1、2、3、5、9 d的10:00～11:00采集。采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定水樣的可溶性總氮(DTN)。采用凱氏定氮法測定水稻植株全氮含量。土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法—外加熱法;土壤全氮用H2SO4消煮—半微量開氏法;土壤全磷用NaOH熔融—鉬銻鈧比色法;土壤全鉀用NaOH熔融—火焰光度法測定;土壤銨態(tài)氮用氯化鉀浸提(液∶土=5∶1)—靛酚藍(lán)比色法;土壤硝態(tài)氮用氯化鉀浸提(液∶土=5∶1)紫外分光光度法;土壤速效磷用 NaHCO3浸提—鉬藍(lán)比色法;土壤速效鉀用NH4OAc浸提—火焰光度法測定。土壤pH用電位法(液∶土=5∶1)測定。作物收獲后分別采集、制備籽粒和秸稈樣品;每個(gè)小區(qū)采集10穴水稻作考種，實(shí)收籽粒，秸稈風(fēng)干測產(chǎn)作為水稻實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算及數(shù)據(jù)處理

植株氮素積累量(plant nitrogen accumulation，PNA)=籽粒氮素積累量(grainnitrogen accumulation，GNA)+秸稈氮素積累量(straw nitrogen accumulation，SNA)

氮素收獲指數(shù)(%)(nitrogen harvest index，NHI)=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量×100

土壤氮素表觀盈余率(%)(soil nitrogen apparent surplus rate，SNASR)=(施氮量－植株氮素積累量)/植株氮素積累量×100

氮肥吸收利用率(%)(nitrogenapparent recovery efficiency，NARE)=(施氮區(qū)植株氮素積累量－空白區(qū)植株氮素積累量)/施氮量×100

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg)(nitrogen agronomy utilization efficiency，NAUE)=(施氮區(qū)水稻產(chǎn)量－空白區(qū)水稻產(chǎn)量)/施氮量

氮肥生理利用率(kg/kg)(nitrogen physiology utilization efficiency，NPUE)=(施氮區(qū)水稻產(chǎn)量－空白區(qū)水稻產(chǎn)量)/(施氮區(qū)植株氮素積累量－空白區(qū)植株氮素積累量)

氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity，PFP)=施氮區(qū)水稻產(chǎn)量/施氮量

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2003和SPSS Statistics 15.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同施氮處理對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成的影響

表1表明，通過兩年的試驗(yàn)表明，不同施氮處理間水稻產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，當(dāng)施氮量達(dá)到270 kg/hm2(N4)時(shí)，水稻產(chǎn)量最高，分別為10167 kg/hm2和10644 kg/hm2，之后隨施氮量繼續(xù)增加，水稻產(chǎn)量有下降趨勢。從表1還可以看出，隨著施氮量的增加，水稻單位面積的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)及癟粒率都有增加趨勢，千粒重則顯著減小。2011年N1處理的水稻單位面積的有效穗與其他施氮處理差異不顯著(N5除外)，但2012年N1處理的水稻單位面積的有效穗數(shù)年顯著低于其他施氮處理(N2～N5)，說明水稻施肥中持續(xù)投入較少的氮肥難以保證水稻獲得較高的單位面積的有效穗，致使水稻產(chǎn)量顯著低于其他施氮處理(N2～N5)(表1)。總的來看，施用氮肥后，水稻產(chǎn)量的增加主要是由于水稻單位面積有效穗數(shù)的增加和實(shí)粒數(shù)能維持在適宜的水平，過多施入氮肥(N 360 kg/hm2)反而導(dǎo)致水稻癟粒率增加及千粒重下降， 使水稻產(chǎn)量也有所下降。

表1 不同施氮處理對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成的影響Table 1 Effects of different nitrogen application rates on rice yield and yield components

2.2 不同施氮處理對水稻氮素積累量及氮素利用率的影響

施氮肥能促進(jìn)水稻對氮素的吸收，水稻中的氮素主要集中于籽粒和秸稈中(表2)。相關(guān)分析結(jié)果表明，施氮量與水稻籽粒氮素積累量、秸稈氮素積累量、植株氮素積累量呈極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)在0.872以上)，氮素積累量也都是隨著施氮量的增加而增加。從表2還可以看出，不同年份水稻氮素收獲指數(shù)(NHI)有所差異，2011年水稻 NHI與施氮量顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為－0.403)，N0～N4處理間無顯著差異;但2012年水稻 NHI與施氮量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為－0.928)，N1～N5處理的NHI顯著高于N0水平，這種差異主要是因?yàn)镹0處理的土壤通過兩年的耗竭試驗(yàn)養(yǎng)分含量下降，水稻秸稈的氮積累量下降的幅度(減少了20.58 kg/hm2左右)大于水稻籽粒氮積累量下降的幅度(減少了16.09 kg/hm2左右)?？偟膩砜矗?NHI隨施氮量的增加而減小，表明施氮可降低氮素在籽粒中的比例，提高其在秸稈中的比例。土壤氮素表觀盈余率(SNASR)是指施氮量與植株氮素積累量的差與植株氮素積累量的比值，可以在一定程度上反映土壤氮素盈余及作物氮素吸收利用情況。表3顯示，SNASR隨施氮量的增加而顯著增加，當(dāng)施氮量為 360 kg/hm2(N5)時(shí)，SNASR在 99.75% ～101.49%之間，土壤持續(xù)較高的SNASR最終將提高土壤氮素的殘留量。從表3還可以看出，2012年相同處理的水稻氮肥吸收利用率(NARE)和農(nóng)學(xué)利用率(NAUE)高于2011年，分別增加了10.35% ～16.71%、5.95～11.22%;相同年份不同處理的水稻NARE無顯著差異，但水稻偏生產(chǎn)力(PFP)隨施氮量的增加而顯著降低。2011和2012年水稻植株氮素積累量在施氮量為N 360 kg/hm2(N5)時(shí)最高，分別為179.69 kg/hm2和180.28 kg/hm2，而 NAUE最低為7.16%和13.11%，在該施氮水平時(shí)，氮肥生理利用率(NPUE)、水稻氮肥吸收利用率(NARE)也最低，分別為 34.28%和 41.65%、21.06%和31.41%，說明增加施氮量，提高了水稻氮素的累積量，而沒有獲得產(chǎn)量的同步增加，氮素利用效率低(表2、表3)。

表2 不同施氮處理對水稻氮素積累量及分配的影響Table 2 Effects of different nitrogen application rates on N accumulation and distribution in rice

表3 不同施氮處理對水稻氮素利用率的影響Table 3 N nutrition balance and N fertilizer efficiency in rice

2.3 不同施氮處理對田面水可溶性總氮(DTN)濃度的影響

有研究表明［9］水稻田氮肥通過氨揮發(fā)、徑流、淋溶以及硝化—反硝化等損失可高達(dá)30%～70%。尿素施入水田后，經(jīng)尿酶水解為各種形態(tài)的水溶性氮，因此，DTN的變化一定程度可以反映出氮肥投入是否合理。從表4可以看出，不同年份在施入基肥、施入孕穗肥后的9 d內(nèi)，施氮量都與每日田面水DTN濃度呈極顯著正相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)在0.609以上);不同年份間田面水DTN濃度有所差異，年N1～N5處理的田面水DTN濃度在施入基肥后的2～5 d內(nèi)低于2011年相同處理的田面水DTN濃度，這主要由于2012年在該段時(shí)間內(nèi)有降雨發(fā)生，降雨在一定程度上稀釋了田面水的DTN濃度。與不施氮處理(N0)相比，不同年份在施入基肥和孕穗肥后的3 d內(nèi)，施氮處理能顯著提高田面水DTN濃度;在施入基肥9 d后，2011年N3、N5處理的DTN濃度顯著高于其他處理，而2012年N0～N4處理間則無顯著差異，但N5處理的田面水DTN濃度顯著高于N0處理(表4)。在施入孕穗肥后的9 d后，不同年份間DTN濃度變化相同，施肥處理N0～N3的田面水DTN濃度無顯著差異，只有施氮量在270 kg/hm2(N4)水平以上才能顯著增加田面水DTN濃度(表4)。在兩年的所有施氮處理(N1～N5)中，施入基肥后第9 d的田面水DTN濃度與第1 d相比減少了5.45～13.66倍，而施入孕穗肥后第9 d的田面水DTN濃度與第一天相比則減少了8.42～23.87倍。因此，施肥處理9 d內(nèi)是防止田面水DTN損失的關(guān)鍵時(shí)期，田面水DTN施肥后9 d內(nèi)的濃度變化可以作為環(huán)境指標(biāo)而確定氮肥投入閾值。

2.4 不同氮肥投入對水稻產(chǎn)量及環(huán)境指標(biāo)的影響

通過兩年的田間定位試驗(yàn)，本試驗(yàn)條件下水稻產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系可用以下二次曲線方程進(jìn)行擬合，y= －0.042089x2+25.618857x+6313.947033，r=0.831。通過計(jì)算，當(dāng)水稻籽粒產(chǎn)量最高(10212.39 kg/hm2)時(shí)的施肥量為304.34 kg/hm2;當(dāng)以最高產(chǎn)量的95%為相對產(chǎn)量計(jì)算可得到，當(dāng)相對產(chǎn)量為9701.77 kg/hm2，對應(yīng)的施肥為 414.49 kg/hm2(舍去)和 194.20 kg/hm2，194.20 kg/hm2為環(huán)境友好的推薦施氮量。同理，可以得出田面水可溶性總氮(DTN)濃度(基肥和孕穗肥施入后9 d內(nèi)各時(shí)期平均值之和)隨施氮量的變化曲線為:y=0.000236 x2+0.271011x+4.243089，r=0.912;SNASR隨施氮量的變化曲線為:y=－0.000845x2+0.839024x－97.434136，r=0.968。本研究以氮肥效應(yīng)為基礎(chǔ)，以水稻籽粒產(chǎn)量和環(huán)境指標(biāo)(田面水DTN、SNASR)作為確定氮肥投入閾值的約束條件，按0到最高產(chǎn)量的95%時(shí)對應(yīng)的施氮量(環(huán)境友好的推薦施氮量)、環(huán)境友好的推薦施氮量到達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)氮肥投入量的75%、達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)氮肥投入量的75%到達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)的氮肥投入量、達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)的氮肥投入量到達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)的氮肥投入量的125%、大于達(dá)到最高產(chǎn)量時(shí)的氮肥投入量的125%計(jì)算，可以得出本試驗(yàn)的氮肥投入閾值分為五種情況(圖1):1)當(dāng)施肥量為0～194.20 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量范圍在 6313.95～9701.78 kg/hm2，SNASR 在 －97.43% ～33.63%間，田面水DTN 9 d內(nèi)的平均濃度在4.24～65.77 mg/L之間，水稻因施氮量較少將減產(chǎn)，但不會(huì)對環(huán)境造成污染。2)當(dāng)施肥量為 194.20～228.26 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量范圍在 9701.78～9968.73 kg/hm2間，SNASR為 33.63% ～50.05%，田面水DTN 9 d內(nèi)的平均濃度在65.77～78.40 mg/L間，減量施氮難以使水稻獲高產(chǎn)，對環(huán)境造成污染的機(jī)會(huì)較小。3)當(dāng)施肥量在228.26～304.34 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量范圍在9968.73～10212.39 kg/hm2，SNASR在50.05% ～79.65%之間，田面水 DTN 9 d內(nèi)的平均濃度在78.40 mg/L～108.58 mg/L間，水稻在正常的環(huán)境條件下能持續(xù)高產(chǎn)，水田生態(tài)系統(tǒng)通過自身調(diào)節(jié)能使環(huán)境可承受。4)當(dāng)施肥量在304.34～380.43 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量在10212.39～9968.73 kg/hm2之間，能保證較高的水稻產(chǎn)量;但由于施肥量加大，使 SNASR在79.65% ～99.46%之間，田面水 DTN 9 d內(nèi)的平均濃度在108.58～141.50 mg/L之間，土壤、水體環(huán)境面臨污染壓力，有環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。5)當(dāng)施肥量大于380.43 kg/hm2后，水稻產(chǎn)量小于9968.73 kg/hm2，SNASR在99.46%以上，田面水DTN在9 d內(nèi)的平均濃度在141.50 mg/L以上，將造成水稻減產(chǎn)、環(huán)境受污染的不利局面。

表4 施肥量對田面水可溶性總氮濃度的影響(mg/L)Table 4 The dissolved total nitrogen(DTN)concentration in the surface water under different N rates

圖1 施氮量與產(chǎn)量及環(huán)境指標(biāo)的擬合曲線Fig．1 The relationship between the yield，the N environmental indicators and the N rates

3 討論與結(jié)論

土壤供氮不足時(shí)，水稻缺少氮的吸收，其生長發(fā)育則緩慢或停滯;當(dāng)土壤氮素供應(yīng)與氮肥投入超過作物的需求時(shí)，土壤剖面氮素積累與環(huán)境壓力則顯著增加［10－11］。所以尋找合適的氮肥投入閾值對挖掘水稻的產(chǎn)量潛力，減少農(nóng)田氮素面源污染都至關(guān)重要。水稻的種植在國內(nèi)很廣泛，由于不同地區(qū)的土壤和環(huán)境條件差異較大，水稻對不同施肥措施和不同的生長季節(jié)響應(yīng)也不盡一致，因此不同地區(qū)水稻產(chǎn)量及氮肥投入往往有所差異。有專家學(xué)者［12－13］認(rèn)為，通過施氮量－產(chǎn)量模型確定最高產(chǎn)量及水稻經(jīng)濟(jì)適宜施氮量是有效的方法之一。有研究表明在水稻季減量施肥不會(huì)降低土壤后續(xù)生產(chǎn)力［14］，輪作模式中的氮素表觀損失主要發(fā)生在水稻季，減氮處理能減少氮素表觀損失［15］。也有學(xué)者［16－17］認(rèn)為，水稻種植應(yīng)兼顧生產(chǎn)、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)三效益，并引用了環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)Coase原理和農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)的邊際收益分析原理，求得在富陽地區(qū)適宜施氮量應(yīng)為 195～232 kg/hm2，相應(yīng)的產(chǎn)量為8336.13 kg/hm2;而在蘇南太湖流域合理的水稻施肥量為221.15～261.14 kg/hm2。同許多試驗(yàn)研究結(jié)果［18－21］一樣，當(dāng)施氮量達(dá)到 304.34 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最大，隨后增加氮肥投入只會(huì)使水稻產(chǎn)量下降。本研究獲得水稻最高產(chǎn)量時(shí)的施氮量略高于國內(nèi)研究結(jié)果，這可能與水稻品種需肥特性有關(guān)。該區(qū)農(nóng)戶水稻施肥更多是以廄肥為基肥，在返青期及孕穗期追施尿素，而在前茬作物種植中，農(nóng)戶受經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)，不同作物類型的肥料施用量差異較大，經(jīng)濟(jì)作物(如大蒜、洋蔥)的氮、磷施用量大于大田作物的施用量(如蠶豆、大麥、小麥)，土壤養(yǎng)分殘留偏高［22］，因此不同輪作模式條件下應(yīng)適當(dāng)調(diào)整水稻的施氮量。本試驗(yàn)采用水稻品種楚粳28，因其具有抗病性強(qiáng)的特性和適宜在高海拔地區(qū)種植的優(yōu)點(diǎn)是該地區(qū)主要推廣的水稻品種，但該品種獲得高產(chǎn)往往需要投入較高的氮肥，這為氮素的高損失創(chuàng)造了有利條件。因此必須充分挖掘不同水稻品種的增產(chǎn)潛力，這與水稻栽培過程中氮肥的適時(shí)、平衡施用是密不可分的，今后仍需加強(qiáng)這方面的研究，以實(shí)現(xiàn)水稻的高產(chǎn)，減少水稻施肥中的氮素?fù)p失。本試驗(yàn)的氮肥效應(yīng)模擬結(jié)果能代表并預(yù)測該區(qū)水稻土投入氮肥后的產(chǎn)量、相關(guān)環(huán)境指標(biāo)的變化，可為該區(qū)水稻的種植提供最佳的施氮量。本試驗(yàn)結(jié)果表明:水稻施氮量為304.34 kg/hm2時(shí)，水稻產(chǎn)量達(dá)到最高(10212.39 kg/hm2)。當(dāng)施肥量在228.26～304.34 kg/hm2時(shí)，水稻的產(chǎn)量范圍為9968.73～10212.39 kg/hm2，土壤氮素表觀盈余率(SNASR)在50.05%～79.65%之間，田面水可溶性總氮(DTN)9 d內(nèi)的平均濃度在78.40 mg/L～108.58 mg/L之間。因此在當(dāng)前生產(chǎn)條件下，推薦水稻施氮量為228.26～304.34 kg/hm2時(shí)可保證水稻穩(wěn)定高產(chǎn)并且環(huán)境可承受。

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