宮亮 金丹丹 牛世偉 王娜 徐嘉翼 隋世江

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，沈陽 110161；第一作者：gongliang1900@sina.com）

化肥在保障糧食增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用，但過量施用也造成了一系列的環(huán)境問題[1-4]。1980年起至今的40年間，我國糧食產(chǎn)量增長了近85%，但化肥施用量卻增長了4.5倍[5]，化肥對糧食增長的貢獻(xiàn)率下降到10%左右[6]，嚴(yán)重威脅到我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。水稻占中國糧食總產(chǎn)量的1/3，對保障口糧安全起著重要作用。氮肥對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率高達(dá)40%[7]，是影響作物產(chǎn)量的主要因子之一，水稻氮肥消費量占我國氮肥總消費量的30%以上[8]，但當(dāng)季回收利用率和農(nóng)學(xué)效率僅分別為27.3%和11.3 kg/kg，分別比同期世界平均水平低20%和10%左右[5]。如何科學(xué)減少氮肥施用量、有效提高氮肥利用效率，一直受到科技生產(chǎn)人員高度關(guān)注。已有研究結(jié)果表明，機插秧同步側(cè)深施肥能夠減少氮肥損失，從而提高氮肥利用率和稻谷產(chǎn)量[9-11]；緩／控釋肥由于氮素釋放特征契合水稻生長規(guī)律，對氮素吸收、運轉(zhuǎn)表現(xiàn)出一定的補償和促進(jìn)作用[12]，同時避免了氮素大量富集于土壤中，有效減少了入滲和淋溶[13]，因此能夠提高氮肥利用率；秸稈還田能促進(jìn)成熟期植株對氮素吸收，有利于灌漿期稻株氮素的代謝，顯著提高氮肥農(nóng)學(xué)利用率和生理利用率[14-15]；施用有機肥能夠增加土壤微生物活性，使在水稻生長發(fā)育前期被固持保存的化肥氮在水稻生長發(fā)育后期大量釋放，利于水稻對氮素的吸收利用，提高氮肥利用率作用明顯[16-17]。

在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的大背景下，我國于2016年首次實現(xiàn)了化肥用量負(fù)增長，并在2017年和2018年持續(xù)下降，提前實現(xiàn)“到2020年化肥使用零增長”的目標(biāo)[18]。降低肥料用量，實現(xiàn)養(yǎng)分總量控制與優(yōu)化管理，是提高肥料利用率的有效途徑之一[5，19]。但過量減少肥料則會顯著降低水稻產(chǎn)量，減少氮素的吸收利用[20-21]。以往研究多未進(jìn)行長期定位試驗。因此，本文基于8年的定位試驗，分析長期減施氮肥對水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分利用的影響，以明確水稻減施氮肥的空間，為水稻生產(chǎn)科學(xué)減肥，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

遼河三角洲稻區(qū)是北方單季粳稻主產(chǎn)區(qū)之一，水稻常年種植面積在15.4萬hm2左右，產(chǎn)量最高可達(dá)12750 kg/hm2，但氮肥投入量較大，農(nóng)民習(xí)慣施用量可達(dá)260~300 kg/hm2（純N）。本試驗于2011—2018年在遼寧省盤錦市盤山縣墻子鎮(zhèn)航呈農(nóng)場進(jìn)行，該地點位于遼河三角洲中心地帶，屬溫帶半濕潤季風(fēng)氣候類型，年均降雨量650 mm，年均氣溫8℃~9℃，無霜期165~170 d。供試土壤為鹽堿性水稻土，0~20 cm土壤理化性質(zhì)為：pH值8.2，有機質(zhì)22.57 g/kg，全氮1.42 g/kg，堿解氮105.24 mg/kg，有效磷21.61 mg/kg，速效鉀164.22 mg/kg，容重1.39 g/cm3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個氮肥（純N）水平：N0，不施氮；N160，160 kg/hm2；N210，210 kg/hm2；N260，260 kg/hm2（當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量）；N315，315 kg/hm2。小區(qū)面積50 m2，3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列。氮肥為尿素（含N 46%），基肥、分蘗肥、穗粒肥施用比例為40%、30%、30%。各處理磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為90 kg/hm2，磷肥為磷酸二銨（含P2O546%、N 18%）和過磷酸鈣（含P2O518%），鉀肥為氯化鉀（K2O60%），全部基施。各小區(qū)之間用PVC板分隔并筑埂，PVC板埋深30 cm，以減少小區(qū)間肥水滲透。各小區(qū)單排單灌。供試水稻品種為鹽豐47，插秧規(guī)格為30.0 cm×16.5 cm。每年5月下旬插秧，10月上旬收獲，田間管理措施按當(dāng)?shù)亓?xí)慣統(tǒng)一進(jìn)行管理。

1.3 調(diào)查項目及方法

水稻成熟后，各處理隨機選3塊樣方測定水稻產(chǎn)量，每塊樣方6 m2，將樣方產(chǎn)量折算成公頃產(chǎn)量。各處理隨機取10叢水稻，按莖、葉和籽粒分別測定全氮含量，測定方法為H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。差異顯著性用最小顯著差異法（LSD）分析。

植株吸氮量=籽粒含氮量×籽粒產(chǎn)量+秸稈含氮量×秸稈產(chǎn)量；氮肥回收利用率（%）=（施氮區(qū)植株氮素積累量-不施氮區(qū)植株氮素積累量）/施氮量×100%；氮素收獲指數(shù)（%）=籽粒氮素積累量/植株氮素積累總量×100%；氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮區(qū)產(chǎn)量/氮肥施用量；氮肥農(nóng)學(xué)利用率（kg/kg）=（施氮區(qū)水稻籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)水稻籽粒產(chǎn)量）/施氮量；氮素生理利用率（kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量）/（施氮區(qū)地上部氮累積量-空白區(qū)地上部氮累積量）；土壤氮素依存率（%）=不施氮區(qū)地上部吸氮量/施氮區(qū)地上部吸氮量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量處理對水稻產(chǎn)量的影響

從圖1可見，N0和N160處理產(chǎn)量顯著低于N260處理，且呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢；N210處理產(chǎn)量較N260處理低0.69%~1.34%，但差異未達(dá)到顯著水平；N315處理產(chǎn)量較N260處理增加0.23%~0.26%或降低0.05%~1.92%，差異未達(dá)到顯著水平。N210、N260和N315 3個處理產(chǎn)量年際間無明顯變化規(guī)律。

圖1 不同年份間不同施肥處理水稻產(chǎn)量表現(xiàn)

2.2 施氮量對水稻植株吸收氮量的影響

從圖2a可見，水稻籽粒吸氮量隨著施氮量的增加呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，兩者符合線性加平臺相關(guān)性，當(dāng)施氮量為237.39 kg/hm2時，籽粒吸氮量最高，達(dá)到140.18 kg/hm2；水稻秸稈吸氮量隨著施氮量的增加呈逐漸增加趨勢，兩者呈線性正相關(guān)。從圖2b可見，氮素收獲指數(shù)與施氮量符合平臺加直線的相關(guān)性，施氮量低于232.64 kg/hm2時，氮素收獲指數(shù)保持在70.31%，高于此施氮量，氮素收獲指數(shù)開始下降，水稻植株吸收氮素比例增加。這表明，籽粒吸氮量最高，并不代表收獲指數(shù)最高，因此需要協(xié)調(diào)籽粒吸氮量和秸稈吸氮量，從而減少氮素的奢侈吸收。N260處理氮收獲指數(shù)為69.41%，較N210處理下降0.90個百分點。

圖2 植株吸氮量、氮收獲指數(shù)與施氮量的關(guān)系（2011—2018）

2.3 施氮量對氮肥利用率的影響

從圖3可見，當(dāng)季氮肥回收利用率、農(nóng)學(xué)效率均隨施氮量增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，兩者回歸方程分別為y=-0.0013x2+0.5999x-30.318，R2=0.6119（圖3a）和y=-0.0004x2+0.1821x-5.1657，R2=0.6022（圖3b），當(dāng)施氮量分別為230.73 kg/hm2和227.63 kg/hm2時，氮肥當(dāng)季回收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)效率達(dá)到最高，分別為38.89%和15.56 kg/kg。氮肥偏生產(chǎn)力、生理利用率均隨施氮量的增加而降低，兩者回歸方程分別為y=-0.1638x+82.171，R2=0.9869（圖3c）和y=-0.0752x+53.913，R2=0.651（圖3d）。N260和N210處理的偏生產(chǎn)力分別為39.58 kg/kg和47.77 kg/kg，生理利用率分別為34.36 kg/kg和38.12 kg/kg。

圖3 施氮量對水稻氮肥利用率的影響

2.4 施氮量對土壤氮素依存率的影響

從圖4可見，在一定范圍內(nèi)，土壤氮素依存率隨著施氮量的增加而降低，當(dāng)?shù)适┯昧繛?60 kg/hm2和210 kg/hm2時，土壤氮素依存率分別為69.06%和57.16%；當(dāng)施氮量高于225.95 kg/hm2時，土壤氮素依存率保持在53.36%，不再顯著下降。

圖4 土壤氮素依存率與施氮量的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

施用氮肥是提高水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵。在一定范圍內(nèi)，增施氮肥促進(jìn)水稻有效分蘗增多，顯著提高產(chǎn)量；而氮肥用量不足，雖氮肥利用率較高但產(chǎn)量下降；過量施氮，水稻產(chǎn)量和氮素利用效率均降低。因此，協(xié)調(diào)作物產(chǎn)量和氮肥利用率的關(guān)系，是確定氮肥適宜用量的基礎(chǔ)。汪峰等[22]研究表明，在中等肥力和高肥力土壤上減氮20%，水稻分別減產(chǎn)5.4%~7.3%和3.4%~4.1%，并存在消耗地力的風(fēng)險，而采用側(cè)深施肥技術(shù)則可增產(chǎn)3.0%~8.2%。姜彩霞等[23]研究認(rèn)為，基于中等肥力水平的稻田減氮15%以上時水稻產(chǎn)量顯著下降，而使用緩控肥減量處理的肥料效率則提高5.09%。葛超楠等[24]研究發(fā)現(xiàn)，長期減量施氮會導(dǎo)致土壤基礎(chǔ)地力快速消耗。本研究結(jié)果表明，N160處理產(chǎn)量顯著低于N260處理，且呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，N210處理較N260處理年均產(chǎn)量降低0.69%~1.34%，這主要是因為N210和N160兩個處理氮肥減施比例高于宮亮和李波等[25-26]研究認(rèn)為該地區(qū)適宜的推薦施氮量，并且本研究選用的氮肥為常規(guī)尿素，不具有緩釋長效功能，因此產(chǎn)量降低。但由于優(yōu)化了氮肥在水稻生育期的運籌，有利于水稻生長后期旺盛生長，增加水稻對養(yǎng)分的吸收利用和成熟期氮素向籽粒的運轉(zhuǎn)[27-28]，因此，N210處理雖減產(chǎn)但差異未達(dá)顯著水平。N315處理一些年份產(chǎn)量較N260處理降低0.05%~1.92%。N260和N315處理雖然也采用了同樣的氮肥運籌模式，但氮肥用量較高，大量的基肥和分蘗肥投入，降低了肥料氮素在籽粒中的積累，提高了氮素在稻草中的比例，氮素收獲指數(shù)下降，出現(xiàn)“奢侈”耗氮現(xiàn)象[29-30]。

化肥利用效率問題一直倍受學(xué)者關(guān)注，主要從減少氮素?fù)p失[31]和促進(jìn)作物對氮素吸收[32-33]兩方面開展研究。評價作物氮肥利用效率的指標(biāo)有氮吸收效率（當(dāng)季回收利用效率）和氮利用效率（農(nóng)學(xué)效率和生理效率）兩類[34-35]。氮肥回收利用率反映了作物對化肥養(yǎng)分的吸收狀況，與氮素?fù)p失為競爭關(guān)系，氮素利用率較高，則減少浪費和流失風(fēng)險，其隨施氮量的增加一般呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律[36]，本研究也得到相同的結(jié)論，當(dāng)施氮量為230.73 kg/hm2時，氮肥當(dāng)季回收利用率最高為38.89%。氮肥農(nóng)學(xué)效率是評價肥料增產(chǎn)效應(yīng)的指標(biāo)，受施肥量和土壤肥力的雙重影響而發(fā)生變化，土壤肥力低，施肥量少，農(nóng)學(xué)效率就高，但水稻產(chǎn)量則下降；土壤肥力高，施肥量低，農(nóng)學(xué)效率則較高，且水稻產(chǎn)量較高[37]。本研究中氮肥農(nóng)學(xué)效率隨施氮量增加呈先增后減的趨勢，當(dāng)施氮量為227.63 kg/hm2時，氮肥農(nóng)學(xué)效率最高為15.56%。氮肥偏生產(chǎn)力是評價肥料效應(yīng)的適宜指標(biāo)，反映了作物吸收肥料氮和土壤氮后所產(chǎn)生的邊際效應(yīng)，當(dāng)?shù)视昧枯^低時，其主要反映了水稻從土壤及灌溉、大氣干濕沉降中吸收的氮素對稻谷生產(chǎn)的貢獻(xiàn)，與氮肥施用量呈負(fù)相關(guān)[38]，本文也得到相同結(jié)論。氮素生理利用率反映了作物對所吸收的肥料在作物體內(nèi)的利用效率，比較穩(wěn)定，受水稻產(chǎn)量的影響較小，當(dāng)?shù)蔬^量施用時，因造成水稻對氮的“奢侈”吸收而急劇下降[39]。這表明在施氮量較高的情況下，氮素吸收率較高，但分配到莖和葉中氮素的比例增加，氮素被“奢侈”吸收利用[29]，轉(zhuǎn)化率則降低。土壤氮素依存率反映了土壤氮對作物氮營養(yǎng)的貢獻(xiàn)，作物吸收的氮素大部分來自土壤[40-41]，因此，土壤肥力不降低，是合理施用化肥、提高肥料利用效率的根本。本研究表明，在一定范圍內(nèi)，作物對土壤氮素依存率隨著施氮量的增加而降低，對化肥氮的依賴性增加，當(dāng)施氮量高于225.95 kg/hm2時，土壤氮素依存率不再顯著下降，這與王秀斌等[42]研究結(jié)論相近。當(dāng)?shù)适┯昧繛?60 kg/hm2時，土壤氮素依存率為69.06%，施氮量為225.95 kg/hm2時，土壤氮素依存率降為53.36%，說明氮肥用量不足時，作物吸收的氮素主要來源于土壤，存在土壤氮庫耗竭的風(fēng)險。

DOBERMANN等[43]研究認(rèn)為，糧食作物氮肥偏生產(chǎn)力為40~70 kg/kg，氮肥農(nóng)學(xué)效率為10~30 kg/kg，氮肥利用率為30%~50%，氮肥生理利用率為30~60 kg/kg較為合理。張福鎖等[40]研究認(rèn)為，我國水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和回收利用率平均值分別為10.4 kg/kg和28.3%。本試驗條件下，合理的施氮量下水稻的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和回收利用率分別達(dá)到15.56 kg/kg和38.89%，明顯高于全國平均水平，但仍低于發(fā)達(dá)國家的氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率[44]。過量施肥仍是我國肥料利用效率低的最主要原因[45]，在高產(chǎn)地區(qū)尤為明顯。因此，控制氮肥施用量是合理施用氮肥的首要問題。但影響作物產(chǎn)量的因素很多，即使是對同一田塊來說，從某一年份的試驗得出的適宜施氮量及有關(guān)參數(shù)，也不一定能準(zhǔn)確應(yīng)用于其他年份[39]。本研究結(jié)果表明，降低氮肥用量雖然能有效提高氮肥利用率，但過量減施后，水稻產(chǎn)量下降，土壤氮庫存在下降的風(fēng)險，綜合考慮產(chǎn)量和多年平均肥料利用率等因素，試驗地適宜的氮肥用量為225.95~232.64 kg/hm2，可以兼顧產(chǎn)量、土壤肥力和氮肥利用率，實現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)增效。