吳 萌，李委濤，劉 佳，劉 明，江春玉，李忠佩,2*

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紅壤水稻土上雙季稻氮素減施增效方法比較①

吳 萌1，李委濤1，劉 佳1，劉 明1，江春玉1，李忠佩1,2*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

目前我國(guó)正在大力推進(jìn)化肥零增長(zhǎng)戰(zhàn)略，各種減肥增效措施的實(shí)際應(yīng)用效果越來(lái)越受到關(guān)注。本文通過(guò)連續(xù)3年的田間定位試驗(yàn)，探索在紅壤地區(qū)雙季稻種植模式下減氮增效的方法。在江西省典型的紅壤水稻土上，設(shè)置不施氮肥(CK)、常規(guī)施氮量下的農(nóng)民習(xí)慣施氮(C1)、減氮30 kg/hm2下分次施氮(C2)、減氮30 kg/hm2下20% 緩釋尿素一次施用(H1)、減氮30 kg/hm2下50% 緩釋尿素一次施用(H2)和減氮30 kg/hm2下80% 緩釋尿素一次施用(H3)共6個(gè)處理。結(jié)果表明：C2、H1、H2和H3處理在早晚稻上比C1處理減施氮素30 kg/hm2的情況下，產(chǎn)量、秸稈生物量、有效穗數(shù)、千粒重、籽粒和秸稈的養(yǎng)分含量沒(méi)有顯著性差異(>0.05)；同樣除CK外，其他處理植株吸氮總量和氮收獲指數(shù)也沒(méi)有顯著差異(>0.05)；試驗(yàn)3年后各處理的土壤全氮和速效養(yǎng)分也沒(méi)有顯著性差異(>0.05)。但是C2、H1、H2和H3處理的氮肥偏肥生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率都顯著高于C1處理(<0.05)，其中C2、H1、H2和H3處理的氮肥偏生產(chǎn)力6季平均分別提升了19.0%、17.8%、19.9% 和24.5%，而氮肥吸收利用率6季平均分別提升了61.7%、44.9%、57.3% 和72.3%。而C2處理的氮肥偏肥生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率與H1、H2和H3處理之間無(wú)顯著差異(>0.05)。分次施氮和施用緩釋尿素兩種方法均是紅壤水稻土上減氮增效的有效方法。減氮30 kg/hm2下，普通尿素配合施用20% 比例的緩釋尿素可以滿(mǎn)足水稻生長(zhǎng)的需求，而施用更高比例的緩釋尿素(50% 和80%)并不會(huì)提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用率。綜合考慮成本，一次性施用20% 的緩釋尿素是更為切實(shí)可行的減氮增效方法。

減氮增效；緩釋尿素；水稻產(chǎn)量；氮肥利用率

氮肥在作物生產(chǎn)中具有十分重要的作用，占世界化肥總量中的一半以上。氮肥也是我國(guó)消費(fèi)量最大的化學(xué)肥料，約占化肥總量的2/3。我國(guó)單位面積氮肥用量遠(yuǎn)高于世界平均水平，各地區(qū)水稻施氮量普遍偏高。我國(guó)稻田單季氮肥用量平均為180 kg/hm2，比世界平均用量高75% 左右[1]。過(guò)高的氮肥用量和不合理的施用方法導(dǎo)致氮肥利用率下降，損失的氮素大部分進(jìn)入大氣或水體中，從而加劇大氣中氮氧化物的積累，流入江河及湖泊中加劇了地表水的富營(yíng)養(yǎng)化及地下水硝酸鹽的污染[2-3]，目前已成為污染環(huán)境最重要的氮源。因此，如何提高氮肥利用率是提高化肥利用率和解決農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的一個(gè)核心問(wèn)題。

目前我國(guó)正在大力推進(jìn)化肥減施增效計(jì)劃，農(nóng)業(yè)部制定了《到2020 年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，可見(jiàn)減肥增效已經(jīng)得到了很高的重視，其中氮素的減施尤其重要。目前在水稻上減少氮肥投入的措施有測(cè)土配方施肥[4]，加強(qiáng)田間管理如以控肥、控苗、控病蟲(chóng)為核心的水稻“三控”施肥技術(shù)[5]，施用緩釋氮肥減少氮肥流失[6]等幾個(gè)方面。在生產(chǎn)實(shí)踐中，目前水稻常采用氮肥撒施的方法，施肥過(guò)程中稻田表面水體中銨態(tài)氮濃度增加，導(dǎo)致大量的氨揮發(fā)損失[7-8]。農(nóng)民通常在水稻移栽后很快將大部分氮肥施下，而此時(shí)正值水稻幼苗返青和分蘗初期，吸氮量很小，因淋失和揮發(fā)會(huì)造成大量氮素?fù)p失，而中后期正值水稻吸氮最多的時(shí)期往往氮素供應(yīng)不足[9]。為了解決這一矛盾，可以選擇氮肥分次施用，或是使用緩釋氮肥，從而保證在水稻整個(gè)生育期都有足夠的氮素供應(yīng)。目前關(guān)于增加施肥次數(shù)和施用緩釋肥的方法均有報(bào)道[10-12]，然而對(duì)紅壤區(qū)雙季稻上關(guān)于兩種方法應(yīng)用效果的對(duì)比非常少見(jiàn)，本文通過(guò)大田試驗(yàn)，探討氮肥分次施用和施用不同比例緩釋氮肥在減施氮素條件下對(duì)紅壤地區(qū)雙季稻產(chǎn)量及氮肥利用率的影響，以期為該地區(qū)雙季稻減氮增效提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年4月—2015年10月在江西省上高縣泗溪鎮(zhèn)(115°09′32″ E，28°32′29″ N)進(jìn)行。該地區(qū)為典型的季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫17.6 ℃，年均無(wú)霜期276 d，年均降雨量1 700 mm。本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以雙季稻為主。供試土壤類(lèi)型為紅壤性水稻土，基本理化性質(zhì)：pH 4.96，有機(jī)質(zhì)20.5 g/kg，全氮1.75 g/kg，全磷0.65 g/kg, 全鉀27.7 g/kg, 堿解氮191 mg/kg, 有效磷42.6 mg/kg, 速效鉀92.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試早稻品種為中嘉早17，每年4月底移栽插秧，7月底收獲；晚稻品種為五豐優(yōu)T025，每年晚稻在早稻收獲后立刻移栽，11月份收獲。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，分別為：①不施氮肥 (CK)；②常規(guī)施氮量下農(nóng)民習(xí)慣施氮(C1)；③減氮30 kg/hm2下分次施氮(C2)；④減氮30 kg/hm2下20% 緩釋尿素一次施用(H1)；⑤減氮30 kg/hm2下50% 緩釋尿素一次施用(H2)；⑥減氮30 kg/hm2下80% 緩釋尿素一次施用(H3)。各處理早晚稻均施P2O590 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2，肥料品種分別為鈣鎂磷肥(含P2O5120 g/kg)和氯化鉀(含K2O 600 g/kg)。各處理施用的普通氮肥為尿素(含N460 g/kg)、H1、H2和H3處理施用自制包膜緩釋尿素(含N417 g/kg，緩釋期為90 d)，氮肥施用量和施用方法如表1所示。插秧時(shí)穴距約為20 cm，水稻種植密度約為19萬(wàn)穴/hm2，各處理重復(fù)4次，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積為42 m2(6 m ×7 m)。小區(qū)間用寬40 cm、高40 cm的土埂隔開(kāi)，并上覆蓋薄膜，防止串水串肥。

表1 不同處理的氮肥用量及施用方法

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

每季水稻收獲期在每個(gè)小區(qū)選取5蔸水稻進(jìn)行考種，包括有效穗數(shù)以及千粒重?？挤N后籽粒和秸稈分別烘干、粉碎、過(guò)篩待測(cè)養(yǎng)分含量。各小區(qū)單打單收測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量。 2015年晚稻季收獲后在每個(gè)小區(qū)取0 ~ 20 cm耕層土壤，按對(duì)角線法取5個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)混合樣品，風(fēng)干，挑去細(xì)根后過(guò)2 mm篩，用于土壤養(yǎng)分測(cè)定。養(yǎng)分指標(biāo)分析按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[13]進(jìn)行，全氮用自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定，堿解氮用擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷用0.5 mol/L的NaHCO3浸提測(cè)定，速效鉀用1.0 mol/L的NH4Ac浸提測(cè)定。

本文肥料利用率的計(jì)算方法[14]：

氮素積累量(kg) = 谷粒產(chǎn)量× 谷粒氮素含量 +秸稈生物量× 秸稈氮素含量

氮收獲指數(shù)(%) = 籽粒氮積累量/植株總氮積累量× 100%

氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg) = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(kg/kg) = (施氮區(qū)產(chǎn)量?空白區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮肥吸收利用率(%) = (施氮區(qū)地上部分含氮量?空白區(qū)地上部含氮量)/施氮量× 100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2013進(jìn)行處理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析和Duncan顯著性檢驗(yàn)，比較不同處理間在＜0.05水平上的顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量及秸稈生物量的影響

相比于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施氮處理(C1)，分次施用氮肥(C2)和一次施用緩釋氮肥(H1、H2、H3)的處理，早晚稻施氮量均減少了30 kg/hm2的用量，相當(dāng)于早稻減施氮肥18.2%，晚稻減施氮肥15.4%。3年的田間小區(qū)定位試驗(yàn)結(jié)果表明，各處理早晚稻產(chǎn)量、秸稈生物量和收獲指數(shù)在試驗(yàn)過(guò)程中的變化的規(guī)律是一致的。C2和C1處理的產(chǎn)量結(jié)果非常相近，說(shuō)明減氮30 kg/hm2下采取分次施氮的方式也可以保持相同的產(chǎn)量水平。H1、H2、H3三個(gè)處理6季的產(chǎn)量規(guī)律均是隨緩釋肥比例的增大而升高，并且第一年的早晚稻產(chǎn)量H1、H2、H3處理均高于C1和C2處理，而且H3處理的產(chǎn)量在6季中均是最高的，這均說(shuō)明緩釋氮肥對(duì)提高水稻產(chǎn)量有效。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，除CK處理顯著較低外，C2、H1、H2和H3處理的產(chǎn)量、秸稈生物量和收獲指數(shù)與C1處理間差異不顯著 (> 0.05，表2)，說(shuō)明在減氮30 kg/hm2下，采用分次施氮或施用20% ~ 80%比例的緩釋氮肥，均可以維持水稻產(chǎn)量不變，也不會(huì)影響光合產(chǎn)物在谷粒和秸稈中的分配。水稻有效穗數(shù)和千粒重的結(jié)果表明，除CK處理外，其他處理的有效穗數(shù)和千粒重差異不顯著 (>0.05) (圖1)。

表2 不同氮肥處理措施對(duì)水稻產(chǎn)量及氮素含量的影響

注：表中同列不同小寫(xiě)字母表示同一年份下不同處理間差異顯著(<0.05)，下同。

2.2 不同處理對(duì)水稻養(yǎng)分含量和氮肥利用率的影響

為了計(jì)算不同處理的氮肥利用率，對(duì)每一季谷粒和秸稈的氮素含量進(jìn)行了測(cè)定，同時(shí)還在第三年晚稻季測(cè)定了谷粒和秸稈的全磷和全鉀含量(圖2)，結(jié)果表明各處理的養(yǎng)分含量均沒(méi)有顯著差異(>0.05)，這說(shuō)明各施氮處理并不會(huì)影響水稻的品質(zhì)。本文采用了多種指標(biāo)來(lái)表征不同處理間氮肥利用率的差異。由表3的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，C2、H1、H2和H3處理植株吸氮總量均大于C1處理，然而除了CK處理外，其他處理植株吸氮總量和氮收獲指數(shù)均沒(méi)有顯著差異(>0.05)，這說(shuō)明各種施肥處理下，氮素進(jìn)入水稻的總量和在植株中的分配都沒(méi)有顯著差異。而氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率兩個(gè)指標(biāo)在2013年到2015年間的6季的結(jié)果基本一致，均是C1處理顯著低于C2、H1、H2和H3處理(<0.05)。和C1處理相比，C2、H1、H2和H3處理的氮肥偏生產(chǎn)力6季平均提升了19.0%、17.8%、19.9% 和24.5%，而氮肥吸收利用率6季平均提升了61.7%、44.9%、57.3% 和72.3%。而比較分次施氮和施用緩釋肥的處理，發(fā)現(xiàn)C2處理與H1、H2和H3處理的氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率并沒(méi)有顯著差異(> 0.05)。對(duì)于農(nóng)學(xué)利用率，第一年早晚稻結(jié)果顯示，C2、H1、H2和H3處理顯著高于C1處理，而第二年和第三年的各施氮處理的差異并不顯著(>0.05)，但是變化規(guī)律仍然是C2、H1、H2和H3處理高于C1處理。

2.3 不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

為了研究不同施氮處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，在3年試驗(yàn)后晚稻收獲時(shí)，采集土壤樣品，分析全氮和速效養(yǎng)分含量。結(jié)果表明，各處理間土壤的全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均沒(méi)有顯著差異(>0.05)，說(shuō)明各個(gè)施氮處理在田間進(jìn)行3年后不會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分含量造成影響。

3 討論

當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥量是農(nóng)民經(jīng)過(guò)多年的施肥嘗試優(yōu)化而形成的，如果為了提高氮肥利用率，簡(jiǎn)單地減少氮肥的施用量，會(huì)造成產(chǎn)量的下降。因此，在減施氮肥的前提下要通過(guò)改變施肥管理方式或是改變肥料種類(lèi)才能保證產(chǎn)量不會(huì)降低。從目前的研究成果來(lái)看，氮肥后移和施用緩釋肥是兩個(gè)有效的途徑。如單玉華等[15]通過(guò)15N微區(qū)法發(fā)現(xiàn)水稻含氮率隨氮肥施用時(shí)期推遲有提高的趨勢(shì)；王維金[16]的研究表明幼穗分化始期和孕穗期施肥，氮素利用率要顯著高于基肥和分蘗肥；劉汝亮等[17]在減氮20% 的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一次施肥次數(shù)，使氮肥后移，顯著提高了黃灌區(qū)水稻的氮肥利用率。研究也表明水稻生育中、后期氮肥需求量增大，氮肥后移能有效降低稻田的氨揮發(fā)，從而提高水稻的氮肥利用率[18-19]。關(guān)于緩釋氮肥在小麥、玉米、水稻和蔬菜種植中應(yīng)用的報(bào)道有很多[20-22]，目前發(fā)現(xiàn)有很多緩釋氮肥，如亞丁烯二脲(CDU)、亞異丁基二脲(IBDU)、草酰胺(OM)、硫酸脒基脲(GUS)等可以提高水稻產(chǎn)量和氮素利用率，如IBDU(氮源)作為水稻基肥一次施用，比施用尿素增產(chǎn)6.24%，氮素利用率提高了14.62%[23]。然而這些特殊的緩釋氮肥由于成本太高，無(wú)法真正應(yīng)用于水稻田間生產(chǎn)。而對(duì)常規(guī)尿素水溶性進(jìn)行控制，有效地延緩或控制尿素氮的釋放，以使肥料養(yǎng)分釋放時(shí)間與作物養(yǎng)分吸收規(guī)律相吻合[24-25]，由此得到的緩釋尿素成本較低，才可能有實(shí)際的應(yīng)用前景。很多研究也表明緩釋尿素可以大大提高氮素的利用率[26-27]。有些田間試驗(yàn)證明施用緩釋尿素可以提高水稻產(chǎn)量[28]，但是也有些田間示范試驗(yàn)表明緩釋尿素對(duì)水稻增產(chǎn)效果并不顯著[29]，具體增產(chǎn)效果與當(dāng)?shù)氐臍夂?，土壤條件和當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥水平息息相關(guān)。

本研究通過(guò)紅壤地區(qū)3年6季的雙季稻田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加一次孕穗期施肥或是一次性配施20% ~ 80% 比例的緩釋尿素，在早稻和晚稻減氮30 kg/hm2的情況下，均可以保證產(chǎn)量不下降，甚至略有增長(zhǎng)，但統(tǒng)計(jì)分析顯示差異并不顯著。相比于習(xí)慣施氮處理，分次施氮和施用緩控肥的處理并不會(huì)顯著影響植株的有效穗數(shù)和谷粒的千粒重，也不會(huì)顯著影響谷粒和秸稈的養(yǎng)分含量，對(duì)土壤的全量和速效養(yǎng)分也不會(huì)造成顯著影響，然而由于施氮量的降低，這兩種減肥方法的氮肥偏肥生產(chǎn)力和氮肥吸收利用率都顯著高于習(xí)慣施氮方式，農(nóng)學(xué)利用率也是高于習(xí)慣施氮方式。本研究還表明分次施氮處理與3個(gè)比例的緩釋尿素處理的各種水稻養(yǎng)分指標(biāo)和土壤養(yǎng)分指標(biāo)均沒(méi)有顯著差異。在如今農(nóng)村勞動(dòng)力越來(lái)越少的背景下，施肥次數(shù)增多會(huì)造成費(fèi)工費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)生產(chǎn)效率降低等問(wèn)題，很難吸引更多農(nóng)民來(lái)進(jìn)行分次施肥。因此，相比于增加施氮次數(shù)，使用一定比例的緩釋尿素作為基肥一次施用更容易得到農(nóng)民的認(rèn)可。本研究還表明20%、50%和80% 比例的緩釋尿素的施用，雖然水稻產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)利用率及氮肥吸收利用率均隨著緩釋尿素比例的增大而呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但是統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)3種比例緩釋尿素對(duì)水稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響沒(méi)有顯著差異，而考慮到緩釋肥較高的價(jià)格，因此20% 的緩釋尿素一次性基施處理更符合現(xiàn)實(shí)狀況，更容易被農(nóng)民接受，可以作為減氮增效的措施進(jìn)行推廣。

表3 不同氮肥處理措施對(duì)氮肥利用率的影響

續(xù)表

表4 施肥3年后土壤養(yǎng)分狀況

4 結(jié)論

在我國(guó)紅壤地區(qū)雙季稻種植模式下，相比于習(xí)慣施氮處理，分次施氮和施用緩釋尿素兩種方法均可以顯著提高氮肥利用率，均是紅壤水稻土上減氮增效的有效方法。綜合考慮勞動(dòng)力成本和緩釋尿素價(jià)格，一次性施用20% 的緩釋尿素是更為切實(shí)可行的減氮增效方法。

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Comparison of Nitrogen Fertilizer Reduction with Efficiency Increase Methods in Double-rice System in Reddish Paddy Soil

WU Meng1, LI Weitao1, LIU Jia1, LIU Ming1, JIANG Chunyu1, LI Zhongpei1,2*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

For now, China gives great impetus to the strategy of fertilizer zero growth. The actual application effects of many fertilizer reduction with efficiency increase methods have attracted more and more attentions. In this study, the nitrogen fertilizer reduction with efficiency increase methods in double-rice system in red soil region of South China were explored through field experiments carried out in a typical reddish paddy soil in Jiangxi Province. Six treatments were designed, including none N fertilizer control (CK), conventional N application rate(C1), N application with more times with 30 kg/hm2N reduction(C2), 20% slow-release urea application at one time with 30 kg/hm2N reduction (H1), 50% slow-release urea application at one time (H2) with 30 kg/hm2N reduction and 80% slow-release urea application at one time with 30 kg/hm2N reduction (H3). The results showed that C2, H1, H2, H3 with 30 kg/hm2nitrogen reduction had no significant difference in rice yields, effective panicle numbers, thousand-grain mass, nutrient contents in grains and straws, soil total and available nutrients compared with C1 (>0.05). The total N absorption and N harvest index of C1, C2, H1, H2 and H3 also showed no significant differences (>0.05). However, C2, H1, H2 and H3 displayed significant higher nitrogen partial factor productivity and nitrogen recovery efficiency than C1 (<0.05). Compared with C1, the nitrogen partial factor productivity of C2, H1, H2 and H3 averagely increased by 19.0%, 17.8%, 19.9% and 24.5% and the nitrogen recovery efficiency of C2, H1, H2 and H3 averagely increased by 61.7%, 44.9%, 57.3% and 72.3% in three years, respectively. While there were no significant differences in nitrogen partial factor productivity and nitrogen recovery efficiency among H1, H2, H3 and C2 (>0.05). According to this study, applying nitrogen fertilizer for more times and applying a proportion of slow-release urea at one time increase the nitrogen use efficiency in the same degree and are both effective nitrogen fertilizer reduction methods. Considering the high labor cost and the expensive slow-release urea, application 20% slow-release urea at one time is more operable nitrogen fertilizer reduction method. In the circumstances of 30 kg/hm2reduction, ordinary urea applied with 20% slow-release urea can meet the needs of rice growth, and more percentage of slow-release urea (50% and 80%) cannot further increase rice yield and nitrogen use efficiency.

Nitrogen reduction with efficiency increase; Slow-release urea; Rice yield; Nitrogen use efficiency

10.13758/j.cnki.tr.2017.04.007

S147.3；S511

A

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目 (2013CB127401)、江蘇省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20131044)和國(guó)家青年基金項(xiàng)目(41401258)資助。

(zhpli@issas.ac.cn)

吳萌(1985—)，男，山東曲阜人，博士，助理研究員，主要從事土壤有機(jī)質(zhì)研究。E-mail：mwu@issas.ac.cn