化肥減量與有機肥替代對水稻產量與養分利用率的影響

何 欣，榮湘民,2，謝 勇，石敦杰，唐 麗

（1. 湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2. 土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室，農田污染控制與農業資源利用湖南省重點實驗室，植物營養湖南省普通高等學校重點實驗室，湖南 長沙 410128）

化肥減量與有機肥替代對水稻產量與養分利用率的影響

何 欣1，榮湘民1,2，謝 勇1，石敦杰1，唐 麗1

（1. 湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2. 土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室，農田污染控制與農業資源利用湖南省重點實驗室，植物營養湖南省普通高等學校重點實驗室，湖南 長沙 410128）

通過田間小區試驗，研究了減氮施肥與有機無機配施對水稻產量與養分利用率及其徑流損失的影響。結果表明：施用氮肥可以顯著增加早稻的單位有效穗數、每穗實粒數、株高和穗長，但對早稻千粒重及結實率無明顯影響。各減氮施肥處理雖然相比于常規施肥處理早稻產量有所下降，但是氮肥利用率均高于常規施肥處理，提高了 6.18～15.9 個百分點。有機肥替代 20% 化肥處理的早稻產量較常規施肥處理增加了 1.58%，且氮肥利用率提高了 7.84 個百分點。控釋氮肥處理稻田田面水總氮、可溶性氮、銨態氮濃度均于施肥后緩慢升高，而其他施氮處理的于施肥后第1天達到最高峰，然后濃度迅速下降，其中減氮施肥處理的均明顯低于常規施肥處理。由于減氮處理稻田田面水氮素含量較低，因此當暴雨等因素而產生徑流時可有效降低稻田氮素流失的風險。

氮肥；水稻產量；氮肥利用率；氮素損失

隨著我國人口的快速增長，糧食需求量不斷擴大。水稻是我國最重要的糧食作物之一，其產量占全國谷物總產量的 40% 以上[1]。氮素是限制水稻生長發育的重要養分因子，施用氮肥是提高水稻產量的關鍵[2-4]。在一定的控制范圍內，增施氮肥能夠提高水稻產量，然而超過一定的施氮量后，水稻產量和氮素利用效率將不再隨氮肥地增施而提高[5-7]。我國普遍存在氮肥施用過量的情況，據統計，我國單季水稻氮肥平均用量為 180 kg/hm2，單位面積氮肥施用量比世界平均水平高出約 75%[8]。有研究表明，中國稻田氮肥吸收利用率不超過 35%[9]，這意味著超過 50% 以上的氮素通過地表徑流、大氣揮發、滲漏流失等途徑損失[10]，直接或間接地加重了地表水富營養化、地下水和蔬菜中的NO3--N 含量超標、大氣中 NO2排放量增加等一系列的環境污染問題[11]。因此，在提高水稻產量的同時，如何提高氮肥利用率，減少氮素損失，從源頭上遏制水體富營養化，保護水體環境，從而控制農業面源污染已成為急需解決的問題。

研究表明，減少氮肥施用量能有效提高氮肥利用率。與普通氮肥相比，緩控釋肥具有根據作物生長需求，緩慢或控制養分釋放速度與作物養分吸收同步等優點，目前已成為國內外研究熱點，并已證實，控釋氮肥能夠提高氮肥利用率，減少氮肥施用量[12]。同時，為了保障糧食安全和農業生產的可持續發展，國家非常重視通過有機肥的利用來改善土壤質量，有機無機肥配合施用既可以促進作物增產又可以改善土壤質量，從而被廣泛采用[13-15]。試驗采用田間試驗結合室內分析方法，研究農藝措施對水稻產量和養分徑流損失的影響，旨在為水稻安全清潔生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于 2015 年在湖南省瀏陽市永和鎮湖南農業大 學 長 期 定 點 試 驗 基 地（113°49′E，28°19′N） 進 行。該地區屬于丘陵山地、亞熱帶季風濕潤氣候區，供試土壤為河流沖積物發育的河潮泥。供試土壤的基本農化性狀 ：有機質 13.58 g/kg，全氮 3.42 g/kg，全磷 0.61 g/kg， 全 鉀 13.19 g/kg， 堿 解 氮 48.71 mg/kg， 有 效 磷13.21 mg/kg，速效鉀 151.33 mg/kg，pH 值 5.77。供試水稻品種 ：陵兩優 268，秈型兩系雜交水稻，全生育期平均 112.2 d，于長江中下游做雙季早稻種植。供試肥料 ：普通尿素（N 46%）、控釋尿素（N 42%，控釋期3個月）、穩定性氮肥、堿性緩釋氮肥、強湘牌精制有機肥、過磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）。

1.2 試驗設計

采用田間小區試驗，共設6個處理：CK不施氮肥處理；C1常規施肥處理；C2控釋尿素減氮 20%處理；C3 穩定性氮肥減氮 20% 處理 ；C4 堿性緩釋氮肥減氮20% 處理 ；C5 有機肥替代 20% 總氮處理。試驗小區采用隨機區組排列，重復 3 次。小區面積為 30 m2（內徑 5 m×6 m），各小區間用田埂隔開，并在小區四周設置寬度不小于 2 m 的稻田保護區。早稻種植株行距為 16.7 cm×20.0 cm，每穴 2～3 苗。各處理早稻 N 施用量（按純 N 計）分別為 ：0，150，120，120，120，150 kg/hm2，常規施肥處理施氮量為當地常規施氮水平。各處理早稻 P2O5、K2O 施用量相同，分別為 72和 90 kg/hm2（有機肥替代 20% 總氮處理中有機氮占全氮20%，磷鉀折算補充不足部分）。所有處理有機肥、磷肥作基肥一次性施用，氮、鉀肥 60% 做基肥，40%做分蘗肥。早稻于4月29日施基肥后移栽，5月8日追肥，7月16日收獲，整個生育期內常規田間管理。

1.3 樣品采集

1.3.1 土 樣 取原始土樣（耕層混合樣 1 個），測定其土壤 pH 值、有機質、全氮磷鉀和速效氮磷鉀含量。

1.3.2 水 樣 水稻施基肥和追肥后第 1、2、3、5、7、9天取表層水測定水樣的全氮磷鉀和銨態氮、硝態氮、水溶態氮含量。

1.3.3 植株樣 水稻收割前每小區隨機取 5 蔸考種，考種指標包括株高、穗長、每蔸有效穗數、每穗實粒數和癟粒數、結實率、千粒重。水稻按小區單打單收，分別計稻谷和秸稈產量，并取樣測定稻谷和秸稈水分含量及其全氮磷鉀含量。

1.4 測定方法

1.4.1 水 樣 總氮 ：堿性過硫酸鉀消解，紫外分光光度發測定；總磷：堿性過硫酸鉀消解，鉬銻抗比色法；總鉀 ：火焰光度法 ；可溶性氮 ：水樣經 0.45 μm 微孔濾膜過濾后，測定方法與總氮相同；可溶性磷：水樣經 0.45 μm 微孔濾膜過濾后，測定方法與總磷相同；硝、銨態氮 ：水樣經 0.45 μm 微孔濾膜過濾后，連續流動分析儀測定。

1.4.2 植 株 樣 植 株 樣 品 烘 干、 稱 重、 粉 碎 后， 用H2SO4-H2O2消煮，連續流動分析儀測定植株氮含量，釩鉬黃比色法測定植株磷含量，火焰光度計測定植株鉀含量。

1.5 數據處理

數據采用 Excel 2003 軟件進行處理分析，處理間差異顯著性分析采用 LSD 檢驗法。氮素吸收量 = 單位面積植株地上部干物重×植株含氮量；肥料利用率（%）=（施氮處理地上部吸氮量-空白處理地上部吸氮量）/施氮量 ×100。

2 結果與分析

2.1 早稻氮肥減量與有機肥替代施肥對水稻性狀及產量的影響

2.1.1 對水稻性狀的影響 由表1 可以看出，施用氮肥可以顯著增加早稻的單位有效穗數、每穗實粒數、株高、穗長。早稻中各施肥處理每蔸有效穗數均明顯大于不施肥處理，其中有機肥替代處理早稻的單位有效穗數最多，其次是處理 C4、C3、C1 和 C2。各施用氮肥處理每穗實粒數差異不顯著，其中C2處理最高，其后依次是處理 C5、C1、C3 和 C4。各處理早稻千粒重與結實率均無明顯差異，說明氮肥的施用對早稻千粒重及結實率無明顯影響。

表1 不同氮肥施用對早稻產量構成因素的影響

2.1.2 對水稻產量的影響 由表2 可以看出，施用氮肥各處理早稻稻草產量、稻草含氮量、稻草吸氮量、籽粒產量、籽粒含氮量和籽粒吸氮量等指標均顯著高于不施氮處理（CK）。減氮施肥各處理（C2、C3、C4）的稻草氮含量和吸氮量差異不顯著，且都高于常規施肥處理（C1）。有機肥替代處理（C5）稻草氮含量和吸氮量均高于其他處理。早稻籽粒氮含量除C4處理外各處理之間差異不顯著。早稻各氮肥減量處理 籽 粒 產 量 均 低 于 C1 處 理，C2、C3 和 C4 處 理 早稻 籽 粒 產 量 分 別 比 C1 處 理 降 低 了 1.77%（P>0.05）、10.06%（P<0.05） 和 9.79%（P<0.05），C5 處 理 產 量較 C2 處理增加了 1.58%（P>0.05）。各減氮施肥處理及有機肥替代處理氮肥利用率均明顯高于常規施肥處理，C2、C3、C4 和 C5 氮肥利用率較 C1 分別高出了15.9、6.79、6.18 和 7.84 個百分點。

表2 控釋氮肥減量施用對早稻產量與氮肥利用率的影響

2.2 不同施肥水平下稻田田面水中氮素的動態變化

2.2.1 總氮的動態變化 由圖 1、圖2 可以看出，稻田田面水中的氮主要以可溶性氮的形式存在。除CK和C2處理外，其余施氮處理稻田田面水總氮與可溶性氮濃度均于施肥后第 1 天達到峰值，C1、C3、C4和C5處理施用基肥后田面水總氮峰值濃度分別為59.07、43.64、35.61 和 56.83 μg/mL， 可 溶 性 氮 峰 值濃 度 分 別 為 46.54、36.48、32.70 和 44.53 μg/mL， 施用追肥后田面水總氮峰值濃度分別為 64.40、46.03、35.88 和 57.98 μg/mL， 可 溶 性 氮 峰 值 濃 度 分 別 為52.32、39.65、31.03 和 47.76 μg/mL，隨后總氮與可溶性氮濃度均迅速降低，而C2處理施肥后稻田田面水總氮濃度緩慢增高。C1處理稻田田面水總氮與可溶性氮濃度均最高，其次從高到低依次為 C5、C3、C4和 C2處理。C1至C5處理稻田田面水總氮平均濃度 分 別 為 35.33、3.87、25.69、22.42 和 32.36 μg/mL，其中減氮處理總氮平均濃度為常規施肥處理的11.04%～73.38%；可溶性氮平均濃度分別為 25.69、3.70、19.70、17.89 和 24.05 μg/mL，其中減氮處理可溶性氮平均濃度為常規施肥處理的 15.77%～83.91%。因此，與常規施肥處理相比，減氮 20% 施肥能夠有效地降低稻田田面水中的氮素濃度，從而降低氮素的流失風險。

2.2.2 銨態氮及硝態氮的動態變化 由圖 3、圖4 可以看出，稻田田面水中的可溶性氮主要是以銨態氮的形式存在，同一時期稻田田面水中銨態氮含量要遠遠高于硝態氮含量，這是因為在高溫條件下向農田施入尿素后，田面水中的氮會迅速轉化為無機態的銨態氮。除C2處理外其余施氮處理稻田田面水銨態氮氮濃度均于施肥后第一天達到峰值，C1、C3、C4 和C5處理施用基肥后田面水銨態氮峰值濃度分別為 38.47、30.20、28.50 和 35.91 μg/mL，施用追肥后田面水銨態氮峰值濃度分別為 41.27、36.44、28.36 和 40.19 μg/mL，隨后濃度逐漸降低，而C2處理施肥后稻田田面水銨態氮氮濃度緩慢增高。C1處理稻田田面水銨態氮氮濃度最高，其次從高到低依次為 C5、C3、C4 和 C2處理。C1至C5處理稻田田面水銨態氮平均濃度分別為 22.43、2.55、17.14、15.74 和 20.41 μg/mL。田面水中的硝態氮由于含量太低，各處理未表現出明顯的變化規律。

圖1 稻田田面水總氮濃度變化趨勢

圖2 稻田田面水可溶性氮濃度變化趨勢

圖3 稻田田面水銨態氮濃度變化趨勢

圖4 稻田田面水硝態氮濃度變化趨勢

3 結 論

（1）相比常規施氮，控釋氮肥減氮 20% 施肥可以提高氮肥的肥料利用率，且早稻產量并未出現明顯減少。因此，在種植早稻的過程中，施用控釋氮肥可減少氮肥的施用量，從而減少氮素污染。

（2）相比常規施肥，有機肥替代 20% 總氮施肥不僅可以提高早稻產量，還能提高氮肥的肥料利用率，從而減少農田系統中氮素的流失。

（3）控釋氮肥處理稻田田面水總氮、可溶性氮、銨態氮濃度均于施肥后緩慢升高，其他施氮處理稻田田面水總氮、可溶性氮、銨態氮濃度于施肥后第1天達到最高峰，然后濃度迅速下降。其中減氮施肥處理稻田田面水總氮、可溶性氮、銨態氮濃度均明顯低于全氮處理。由于減氮處理稻田田面水氮素含量較低，因此當暴雨等因素而產生徑流時可有效降低稻田氮素流失的風險。

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（責任編輯：肖彥資）

Effects of Fertilization Reduction and Organic Fertilizer Replacement on Rice Yield and Nutrient Utilization

HE Xin1，RONG Xiang-min1,2，XIE Yong1，SHI Dun-jie1，TANG Li1
（1. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC; 2. National Engineering Laboratory of Resources Efficient Utilization on Soil and Fertilizer, Hunan Key Laboratory of Farmland Pollution Control and Agricultural Resources Use, Hunan Key Laboratory of Plant Nutrition in Common University, Changsha 410128, PRC）

The fi eld experiment was conducted to study the effects of nitrogen fertilization reduction and organic and inorganic fertilizer application on rice yield, nutrient utilization efficiency and nutrient runoff loss. The results showed that: nitrogen application can signifi cantly increase the effective panicle number per unit, Number of grains per panicle, plant height and stem length, but had no effect on 1000 grain weight and seed setting rate of the early rice. Compared with the conventional fertilization treatment, the rice yield of nitrogen fertilizer reduction treatment was slightly decreased but the nitrogen use efficiency was higher than that of conventional fertilization, which increased by 6.18-15.9 percentage prints. Compared with conventional fertilization, the yield of organic fertilizer replaced 20% fertilizer treatment was increased 1.58%, and nitrogen use effi ciency increased by 7.84 percentage prints. Total nitrogen, soluble nitrogen, ammonium nitrogen concentration in surface water of paddy fi eld of controlled release nitrogen fertilization treatment increased slightly after fertilization, while which reached the top and then declined rapidly of other nitrogen fertilization treatment, the nitrogen fertilizer conduction treatments were significantly lower than the conventional fertilization treatment. Because nitrogen concentration was low in surface water of paddy field of nitrogen reduction fertilization treatment, the risk of loss of nitrogen in paddy field can be reduced effectively when runoff is produced by storm and other factors.

nitrogenous fertilizer; rice yield; nitrogen use effi ciency; loss of nitrogen

S511

A

1006-060X（2017）03-0031-04

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.003.010

2016-11-28

國家科技支撐計劃項目（2014BAC09B01)；湖南省教育廳平臺項目（15K056）

何 欣（1991-），男，湖南岳陽市人，碩士研究生，主要從事植物生理與生態方面的研究。

榮湘民