太湖地區高產高效措施下水稻氮淋溶和徑流損失的研究①

張 敏，趙 淼，田玉華，尹 斌*，朱兆良

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太湖地區高產高效措施下水稻氮淋溶和徑流損失的研究①

張 敏1,2，趙 淼3，田玉華1，尹 斌1*，朱兆良1

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學院大學，北京 100049； 3成都信息工程大學資源環境學院，成都 610225)

在太湖地區，采用田間小區試驗，研究了高產高效措施對水稻季氮素淋溶和徑流損失的影響。結果發現，水稻季總氮(TN)和可溶性有機氮(DON)淋溶隨土壤深度的增加而降低，不同深度下氮淋溶形態不同。60 cm處DON濃度要高于硝氮(NO– 3-N)和銨氮(NH4+-N)，占TN的40.5% ~ 58.9%；80 cm處NO– 3-N的濃度要高于DON和NH4+-N，占TN的52.3% ~ 60.7%。相比當地常規處理，高產高效處理的NO– 3-N淋溶減少了51.7% ~ 54.7%，僅占施肥的0.5% ~ 0.9%。在氮的徑流損失中，NH4+-N占TN的48.1% ~ 56.4%，而NO– 3-N占TN的36% ~ 53%。試驗中氮素通過徑流途徑的損失量很低，僅占施肥的0.34% ~ 0.59%。高產高效處理的氮淋溶和徑流損失之和分別為10.59 kg/hm2和10.18 kg/hm2，低于常規處理(13.41 kg/hm2)。除此之外，高產高效措施的作物產量(11.14 ~ 12.22 t/hm2)和農學利用率(11.8 ~ 12.5 kg/kg)均顯著高于當地常規處理。水稻收獲后，高產高效處理的土壤TN相比常規處理提高了6.8% ~ 8.1%，有機質含量提高了8.6% ~ 9.2%。綜上，高產高效措施不僅有利于作物產量和氮素利用率的提高，還削弱了氮在土-水界面的遷移，是作物增產且環境友好型的有效措施。

水稻；氮素利用率；淋溶；徑流；高產高效

我國人多地少、農業資源短缺，如何提高作物產量一直是人們研究的重點。水稻是我國最重要的糧食作物，其種植面積占中國谷物播種面積的26.6%，稻谷總產占糧食總產的43.6%[1]。但是我國水稻產量的提高主要是依靠加大氮肥的投入量，2013年，我國氮肥用量約為3.36 Mt，占世界總投入的33% (FAO，2013)。然而我國氮肥利用率較低，有研究表明，我國稻田氮肥利用率僅為30% ~ 35%，在部分高產和高投入區域，氮肥利用效率則更低，過量氮肥的投入、低的利用率不僅是對資源的浪費，同時也對環境造成危害[2]。其中氮肥以淋洗和徑流的方式進入水體，對水體的污染越來越引起人們的重視[3-6]。氮肥以淋洗的方式向下滲漏，可能會導致地下水的污染，許多資料指出，飲用水硝酸鹽濃度超過N 10 mg/L就會給人和牲畜帶來危害[7]。熊正琴等[8]對浙、蘇、滬16個縣76個飲用井水質的調查表明, NO– 3-N超標率達38.2%。而氮肥以徑流的方式進入地表水，可能會造成水體富營養化，對地表水造成污染[9-12]。

太湖地區地處長江三角洲中心，素有“魚米之鄉”的美稱，是我國重要的糧食產地，從20世紀90年代起，為了提高作物產量，該地區氮肥用量日益增多，據調查，該地區水稻作物常規施肥為300 kg/hm2，部分農戶可高達360 kg/hm2[13-14]。近年來，盡管加大了氮肥投入，該地區作物產量卻少有增加或增產很小。為了滿足人們的糧食需求，我國出現了許多超高產研究，其中通過結合肥料、水分以及栽培管理的綜合措施可以顯著地提高作物產量[15]，但是關于該綜合措施下氮素淋溶和徑流損失的研究還鮮有報告，因此本研究在田間試驗下，定期采集水樣，探討高產高效綜合措施下田間氮素淋溶與徑流損失規律，為該地區制定合理的施肥方式提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與土壤基本性狀

試驗在中國科學院常熟生態農業實驗站(31°32′93″N，120°41′88″E)進行。該站位于太湖地區，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.5 ℃，降水量1 038 mm。供試土壤為湖積物發育的潛育型水稻土(烏柵土)，其基本性質見表1。

表1 供試土壤基本性質

1.2 試驗設計

試驗開始于2013年稻季，設有4個處理(之前已連續進行4年)，分別為：①對照(CK)；②常規施肥(CT)；③高產高效栽培1(IT1)；④高產高效栽培2(IT2)。氮肥以尿素(含N 46%)形式施入，對照不施氮肥，高產高效栽培處理除無機肥外還增施菜籽餅肥。磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)，磷肥、鉀肥和菜籽餅肥均作為基肥一次性施入，具體施肥見表2。用于試驗的有機肥為腐熟的菜籽餅肥(菜子餅與水混合，厭氧發酵30 d)，含全氮60.40 g/kg，全磷8.73 g/kg，全鉀8.30 g/kg。

表2 稻季不同處理的施肥量(kg/hm2)

注 ：總用量中M指菜籽餅肥。

試驗采用的水稻為雜交粳稻常優3號，對照與常規處理栽插株行距為20 cm × 20 cm，而高產高效處理均為20 cm × 15 cm，移栽時每穴秧苗2 ~ 3個。關于田間水分管理，對照與常規處理除生育中期排水擱田外，其余時期保持3 ~ 5 cm水層至收獲前一周斷水。高效和高產處理則為節水管理，具體措施為：從移栽至返青建立淺水層；返青至有效分蘗臨界葉齡期(N-n)前2個葉齡期(N-n-2)進行間隙濕潤灌溉，低限土壤水勢為–10 kPa；N-n-1葉齡期至N-n葉齡期進行排水擱田，低限土壤水勢為–20 kPa，并保持1個葉齡期；N-n＋1葉齡期至二次枝梗分化期初(倒三葉開始抽出)進行干濕交替灌溉，低限土壤水勢為–25 kPa；二次枝梗分化期(倒三葉抽出期)至出穗后10 d 進行間隙濕潤灌溉，低限土壤水勢為–10 kPa；抽穗后11 ~ 45 d 進行干濕交替灌溉，低限土壤水勢為–15 kPa。各生育時期達到上述指標后即灌2 ~ 3 cm 淺層水，用水分張力計監測土壤水勢。

試驗小區面積為42 m2(6 m × 7 m)，隨機區組排列，重復3次，小區之間設有田埂并用塑料薄膜包被，各小區設置獨立的排灌溝，以防止串水、串肥。2013年水稻于6月18日移栽，有機肥提前3 d施入，并用拖拉機機械混勻，6月17日下午施基肥，6月26日施分蘗肥，7月29日施促花肥，8月18日施保花肥，10月30日收獲。

1.3 水樣采集、分析與數據處理

每個小區分別埋設60 cm和80 cm深的帶陶土頭PVC滲漏管(直徑2 cm)，管中插入抽取水樣的塑料軟管，PVC管與土壤間灌入泥漿，以保證無縫隙。水稻生長期間，定期采集60 cm和80 cm深處的滲漏水樣。小區安裝有徑流收集口，徑流口垂直于地面相對高度為7 cm，并通過管道連接相應的徑流池，沒有徑流的時候徑流口用橡皮塞塞住(圖1)。所有水樣都帶回實驗室于4 ℃貯存，水樣中NH4+- N采用靛酚藍-紫外分光光度計法測定，NO– 3- N采用紫外分光光度法直接分析，總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定。

土壤水溶液的氮素淋溶損失按照80 cm深度計算，氮淋溶損失為滲漏水氮濃度與滲漏水體積的乘積。滲漏水體積并不容易獲取，但可以進行估計，在淹水條件下，試驗區烏柵土土壤水分垂直滲漏速率平均為5 mm/d[16]，試驗期間記錄不同處理的淹水天數(田間達到最大持水量時土壤水勢為–10 kpa，低于該值時認為沒有滲漏發生)，CK和CT的淹水天數為115 d，IT1和IT2為102 d，則氮素滲漏量計算公式為：

圖1 徑流收集實驗設計裝置

=××5×10–2(1)

式中：為氮素淋失損失量(kg/hm2)，為80 cm處氮素淋失的平均濃度(mg/L)，為水稻移栽至收獲之間的淹水天數(d)。

水稻成熟后，人工收割6 m2用以計產；另取一份考種樣，烘至恒重后粉碎，測定其總氮含量。植株吸氮量(PNU)為植株干重與總氮(TN)之積。土壤樣品(0 ~ 20 cm)采用隨機多點混合采樣，每個小區用土鉆采5點混合，于–20 ℃冷凍儲存。KCl浸提后，測土壤NH4+-N(靛酚藍-分光光度計)和NO– 3-N(紫外分光光度計)含量。土樣風干磨細過100目，進行土壤總氮(凱氏氮法)和有機質含量(重鉻酸鉀容量法)的測定。

養分的利用率采用氮收獲指數、氮回收利用率(NRE)和氮農學利用率(ANE)來計算：

氮收獲指數= 籽粒吸氮量/植株總吸氮量

氮回收利用率(%)=(施氮區作物吸氮量-氮空白區吸氮量)/總施氮量×100%；

氮農學利用率(kg/kg)=(施氮區產量-氮空白區產量)/總施氮量×100%。

數據使用SPSS19.0和Microsoft Excel 2013分析，Origin 9.1 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥以及不同深度下氮淋溶損失

試驗期間收集了兩種深度的土壤水溶液，即60 cm和80 cm，土壤水溶液中NO– 3-N和TN均在稻秧移栽初期較高，而在水稻生育中后期較低(圖2)。這可能是因為基肥施入時，稻秧處于移栽初期，對氮的吸收能力不強，而且土壤對NO– 3- N吸附作用較弱，小麥生育末期積累在土壤中的NO– 3- N在泡田之后，易隨滲漏水向下遷移，這與這一地區以前研究的結果基本一致[6]。試驗一共收集了15次淋溶水，不同深度的氮淋溶濃度結果見表3。與前人研究類似，60 cm處TN濃度高于80 cm處，表明TN淋溶隨土壤深度的增加而減少。與TN類似，DON也隨土壤深度的增加而減少。然而不同于TN和DON的結果，不同處理的NH4+-N和NO– 3-N隨著深度的增加并沒有降低，反而呈現出增加的趨勢，推測是土壤礦化導致的。不過對于IT2處理，60 cm和80 cm處的NH4+-N和NO– 3-N濃度變化很小，這可能是因為該處理提高了氮肥投入，而且加施了有機肥，進而提高了微生物活性，增強了土壤對氮素的固持。兩種深度下，NO– 3-N的濃度均高于NH4+-N，80 cm處NO– 3-N占TN的52.28% ~ 60.7%，而60 cm處DON濃度要高于NO– 3- N，占TN的40.5% ~ 58.9%。

圖2 稻季不同處理60 cm和80 cm處的氮淋溶

表3 不同處理不同深度處淋溶水的氮平均濃度

注： 表中同列數據小寫字母不同表示同一深度不同處理間差異達到<0.05顯著水平，下同。

在整個水稻季，不同處理氮淋溶損失存在顯著差異(<0.05)。IT2處理的NH4+-N淋溶損失顯著低于CT和IT1處理，這是因為該處理的NH4+-N濃度較低。至于NO– 3-N損失，高產高效措施顯著低于常規處理，前者比后者低了51.7% ~ 54.7%(表4)。IT1和IT2處理氮淋溶損失分別為7.48和6.59 kg/hm2，占總施肥量的0.5% ~ 0.9%；CT處理氮淋溶損失為11.02 kg/hm2，占總施肥的2.1%。這表明高產高效措施可以有效地降低氮淋溶損失，可能是因為高產高效措施一方面提高了植株對氮的吸收，降低了淋溶水中的氮濃度，另一方面節水管理減小了向下滲漏的淋溶水體積，從而降低了氮淋溶損失。

表4 稻季不同處理氮淋溶損失量

2.2 不同處理的氮徑流損失

氮通過徑流進入周圍水體是稻田氮損失的一個重要途徑，同時也容易對周圍水環境造成污染。研究表明氮徑流損失主要與降雨、灌溉以及田面水氮濃度有關，但是前人的研究表明氮通過徑流產生的損失差異較大，為0 ~ 51%[11-12]。施肥之后若有大雨發生，很容易產生徑流，大量的氮也隨之流失；但是如果徑流發生在施肥7 d后，此時田面水氮濃度很低，一般不會造成氮的大量損失[4-11]。因此為了減少氮的徑流損失，本試驗中的施肥和灌水都盡量避開暴雨天氣。試驗過程中一共發生4次徑流，分別發生于6月26日、7月7日、8月30日以及10月8日，均在施肥7 d之后(圖3)。從圖3可知，降雨是發生徑流的最主要的原因，降雨體積越大，徑流損失體積也越大。

(箭頭表示施肥)

不同處理的徑流損失氮濃度結果見圖4，由圖4可知，徑流水中的NH4+-N濃度在水稻生長初期最高，孕穗后期急劇減少。移栽初期水稻對氮的吸收能力較弱，徑流發生時(施肥10 d后)田面水仍然有一定濃度的氨氮，故此時徑流中NH4+-N濃度較高。而生育后期植株對氮的吸收能力增加，徑流發生時田面水NH4+-N濃度很低。而在整個稻季，徑流水中的NO– 3-N濃度一直較低且變化不大，各個處理之間濃度差異很小，這是因為田面水中NO– 3-N濃度一直保持在一個較低的濃度。至于TN，其變化趨勢與NH4+-N類似，也是在移栽初期濃度最高，之后降低。

徑流損失結果見表5，結果可知，NH4+-N是徑流損失的主要形式，占TN的48% ~ 56%。除去空白處理外，不同處理的徑流NH4+-N損失沒有差異。對于施肥處理，徑流中NO– 3-N損失僅占TN的36% ~ 42%。整個稻季中氮通過徑流途徑的損失并不顯著，僅占施肥的0.3% ~ 0.6%，這主要是因為每次徑流產生時間與施肥時間的間隔較長，田面水氮濃度較低，因此通過徑流損失的氮較小。不同施肥處理之間氮徑流損失并沒有顯著差異(>0.05)，不過IT1和IT2處理的氮徑流損失要略高于常規CT處理，這是因為加施菜籽餅肥帶來了額外的氮，提高了田面水氮濃度。

圖4 不同處理徑流NH4+-N、NO– 3-N和TN濃度(mg/L)

表5 2013年水稻氮徑流損失量

2.3 作物產量及氮利用率

相比當地常規處理，高產高效栽培增產效果穩定，兩年間CT、IT1和IT2處理水稻平均產量分別為8.6、11.0和12.2 t/hm2，相比CT處理，高產高效處理提高了28% ~ 42%。總穎花數的增加是其產量增加的主要原因(表6)。高產高效處理也顯著提高了作物吸氮量(表7)，IT1和IT2處理的兩季平均吸氮量分別為230.3和312.2 kg/hm2，比CT處理高了25% ~ 69%。但是IT2處理的氮收獲指數顯著低于其他處理，表明它吸收的氮素更多集中于稻草中，造成水稻對氮素的奢侈吸收。

表6 2012年與2013年水稻季作物產量和其構成因素

表7 不同處理水稻的吸氮量、氮收獲指數和氮肥利用率

把有機肥帶來的氮考慮進去，CT、IT1和IT2處理的兩季平均農學利用率分別為9.2、12.0和12.4 kg/kg，氮回收利用率分別為33.3%、33.6% 和44.3%(表7)。高產高效處理的農學利用率顯著高于常規處理；IT2處理的氮回收利用率顯著高于CT處理，但是IT1處理和CT處理之間并沒有顯著差異。有機肥在當季水稻并不能利用完全，它不僅提高土壤有機質含量，并且對下一季作物存在后續影響，例如，Mohanty等[17]和Singh等[18]的研究表明，稻季配施的有機肥可以顯著提高下一季作物的產量和氮素利用率。因此本文單純地將有機氮全部考慮進入，可能導致高產高效處理的氮利用率被低估。

2.4 土壤氮以及有機質含量

水稻收獲后，表層土無機氮、總氮和有機質含量結果見表8。不同處理的土壤NH4+-N含量并沒有差異；除去空白處理，常規和高產高效處理之間的NO– 3-N含量也沒有顯著差異，不過高產高效處理的NH4+-N和NO– 3-N含量有高于常規處理的趨勢。對于土壤TN，施肥處理要顯著高于空白處理(<0.05)，其中IT1和IT2處理的TN含量要明顯高于CT處理，前者比后者高了6.8% ~ 8.1%。這表明高產高效措施可以有效地提高土壤氮含量。對于土壤有機質含量，高產高效處理顯著高于常規以及空白處理，相比常規處理，高產高效處理土壤有機質提高了8.6% ~ 9.2%。總之，高產高效措施有效地提高了土壤肥力。

表8 表層土(0 ~ 20 cm)中NH4+-N、NO– 3-N以及有機質含量

3 討論

試驗中隨著土層深度的增加，淋溶水TN和DON濃度隨之削減，這與其他一些研究結果類似[11]。但土壤水溶液中的NH4+-N和NO– 3-N濃度卻并沒有降低的趨勢，反而出現升高的趨勢。該地區的水稻土持永久負電荷，對NH4+-N吸附能力很強，上層NH4+-N向下的滲漏能力很弱，因此試驗中80 cm NH4+-N濃度的升高，應該是土壤礦化導致的。此外，前人研究表明，淋溶水中30% ~ 48% 的NO– 3-N是來自土壤殘留無機氮和有機質的礦化[19-20]，因此試驗中80 cm處NH4+-N和NO– 3-N濃度的提高應該是土壤殘留氮礦化導致的，這表明減小氮淋溶損失不僅要從減少肥料氮損失出發，還要降低土壤礦化作用的強度。

試驗中NO– 3-N淋溶損失為3.88 ~ 5.39 kg/hm2，這與該地區Cao等[6]的研究類似。IT1和IT2處理的NO– 3-N淋溶要顯著低于CT處理，表明高產高效措施可以有效地降低NO– 3-N淋溶損失，這是因為該措施增加了分次施肥的次數，并提高了作物移栽密度，有利于土壤和植株對氮的吸收，降低了淋溶水的氮濃度。此外，配施有機肥可以提高土壤有機質含量，增強土壤對氮的固持，從而降低氮淋溶(表8)，這與前人研究類似[21-22]。例如，張玉平等[22]研究表明相比無機肥，配施有機肥可以降低18% ~ 38% 淋溶水NO– 3- N濃度。除此之外，節水管理可以明顯地減少滲漏水體積，高產高效措施的滲漏水體積比常規處理減少了11%。在先前研究里，相比淹水管理，節水管理可以減少20% ~ 30% 土壤水溶液體積[23]。對于徑流氮損失，不同處理之間并沒有顯著的差異(>0.05)，僅占施肥的0.3% ~ 0.6%，低于該地區前人研究的0.3% ~ 7.2%[9-11]。這是因為試驗的施肥和灌水盡可能避開了暴雨天氣，所有的徑流均發生在7 d后，此時田面水濃度較低，這表明合理施肥和灌水是降低稻田徑流的有效措施。總體上，IT1和IT2處理的氮淋溶和徑流損失之和分別為10.59 kg/hm2和10.18 kg/hm2，低于常規CT處理(13.41 kg/hm2)。這表明高產高效措施可以有效地削弱氮在土-水界面的遷移，減少氮素損失。

試驗中高產高效措施的作物產量和農學利用率顯著高于常規處理，這是改進的田間管理措施的聯合結果。同前人研究一致，配施有機肥可以更好地提供水稻生長所需的養分，提高土壤氮的供給，促進植物對氮的吸收并且增加水稻分蘗和穗數，一直以來它都是農業中提高作物產量的一項有效措施[13-24]。研究也表明分次施肥可以更好地維持土壤供氮與作物需求之間的關系，從而提高植株的吸氮量和氮素利用率[25]。除此之外，節水管理和增施磷、鉀肥有助于促進根長以及增強作物莖粗[16]，從而有助于作物的增產。因此高產高效措施的水稻產量得到了很大的提高。盡管IT2處理氮素利用率很高，但是氮收獲指數很低，表明該處理奢侈吸氮現象較為嚴重，因此IT1處理更適合于實際的應用生產。

4 結論

相比當地常規處理，高產高效措施的氮素淋溶和徑流損失減少了21% ~ 24%，水稻產量提高了28.7% ~ 42.7%。該措施還顯著提高了土壤總氮以及有機質含量。這表明高產高效措施可削弱氮在土-水界面的遷移，減少氮素損失，并且提高作物產量，是作物增產且環境友好型的農田管理措施。

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Study on N Leaching and Runoff Under Integrated High Yield and High Efficiency Practices in Paddy Fields of Taihu Lake Region

ZHANG Min1,2, ZHAO Miao3, TIAN Yuhua1, YIN Bin1*, ZHU Zhaoliang1

(1State 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; 3 College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

The influences of integrated practices for high yield and high efficiency on nitrogen (N) leaching and runoff under rice-wheat rotation system were studied with field plot experiment in the Taihu Lake Region. It was found that the leaching of total nitrogen (TN) and organic N (DON) declined with the increase of soil depth and the forms of N leaching changed with soil depth. DON in the percolation water in 60 cm depth, which accounting for 40.5%–58.9% of TN, was higher than NO– 3-N and NH4+-N. NO– 3-N in the percolation water in 80 cm was higher than DON and NH4+-N and accounted for 51.7%–54.7% of TN. NH4+-N loss was the main form of N runoff, and accounted for 48.1%–56.4% of TN. However, N losses via runoff were indistinctive, only accounting for 0.3%–0.6% of fertilizer application. The total loss of N leaching and runoff in the high yield an high efficiency treatments were 10.59 and 10.18 kg/hm2, which were lower than in the current treatment with a value of 13.41 kg/hm2. The rice yield in high yield and high efficiency treatments was 11.14–12.22 t/hm2, and the agronomic efficiency reached 11.8–12.5 kg/kg, which were significantly higher than those of the traditional treatment. After harvest, soil TN content increased by 6.8%–8.1% and soil organic matter by 8.6%–9.2% in high yield and high efficiency treatments compared to traditional treatment. In short, high yield and high efficiency practices can increase crop yield and N use efficiency, weaken the migration of N through water to soil and thus is beneficial to both crop yield and environment.

Rice; N use efficiency; N leaching; Runoff; High efficiency and high yield

農業部公益性行業科研專項(201003014)和國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2013CB127400)資助。

(byin@issas.ac.cn)

張敏(1990—)，女，河南周口人，博士研究生，主要從事土壤氮素轉化與損失機理及其環境污染控制技術的研究。E-mail: mzhang@issas.ac.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.005

S143.1；S153.5

A