種植方式變化下雙季稻田氮素平衡及環境效應研究進展

才碩 時紅 時元智 徐濤

摘要?隨著農村勞動力轉移以及水稻栽插機械化的發展，傳統的手工插秧方式正在被直播、拋秧和機械化插秧所替代，種植方式的變化導致了水稻水肥需求與利用發生明顯改變。為了深入研究不同種植方式對雙季稻田氮素平衡及環境效應的影響，在前人研究基礎上，闡述了不同水稻種植方式的技術特點以及稻田氮素輸移、流失規律、平衡特征與環境效應等方面研究，以期為南方雙季稻高效穩產栽培與可持續發展提供理論依據。

關鍵詞?種植方式;氮素平衡;環境效應;雙季稻田

中圖分類號?S181.3??文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）17-0001-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.001

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress on Nitrogen Balance and Environmental Impact under the Change Planting Patterns in Doublecropping Paddy Fields

CAI Shuo1，SHI Hong1，2，SHI Yuanzhi3 et al

（1.Jiangxi Key Laboratory of Agricultural Efficient Watersaving and Nonpoint Source Pollution Preventing，Jiangxi Central Station of Irrigation Experiment，Nanchang，Jiangxi 330201;2.East China University of Technology，Nanchang，Jiangxi 330013;3.State Key Laboratory of Hydrologywater Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210029）

Abstract?With the transfer of rural labor force to cities and the development of mechanization of rice planting， the traditional artificial transplanting seedlings are being replaced by direct seeding， throwing seedlings and mechanical transplanting， changes in planting patterns have led to significant changes in waterfertilizer demand and utilization of rice. In order to deeply study the influence of different planting patterns on the nitrogen balance and environmental effects in doublecropping paddy fields， based on previous studies， the technical characteristics of different rice planting methods， as well as studies on nitrogen transport， loss， balance characteristics， and environmental effects of paddy fields were comprehensively described.It is hoped to provide a certain theoretical basis for efficient and stable yield cultivation and sustainable development of doubleseason rice in the south.

Key words?Planting pattern;Nitrogen balance;Environmental effect;Doublecropping paddy fields

雙季稻是我國南方地區重要的農業生產模式，種植“一年兩熟”的雙季稻對保障我國糧食安全、促進國民經濟可持續發展具有重要作用。然而，雙季稻種植多采用“水肥高投入、糧食高產出”的管理模式，用水用肥量大，氮素利用率低且流失嚴重，致使稻田在保障糧食產量的同時也造成氮素地表徑流與淋失[1]、溫室氣體排放[2]及生態環境惡化等問題。

近年來，隨著農村勞動力向城市轉移、土地流轉以及農業機械化的發展，水稻的種植方式發生了深刻變革，傳統的手工插秧正在被水稻直播、拋秧和機械化插秧所替代[3]。長期以來，水肥調控以及耕作措施影響作物產量和養分吸收的研究主要是在手工插秧的稻田環境下建立的。然而，隨著拋秧、直播和機械插秧等簡化栽培技術普遍應用，稻田的水肥管理方式也隨之發生變化，導致雙季稻田氮素輸入、輸出和遷移轉化特征存在差異性、復雜性和多變性。已有基于稻田手工插秧的研究成果，已不能完全滿足雙季稻生產實際與技術要求，急需對不同種植方式下稻田氮素農學效應和環境效應進行評價分析，以確保雙季稻生產的持續協調穩定發展。因此，筆者探討種植方式變化下雙季稻田氮素輸移、損失和平衡特征的研究進展，以期為雙季稻生產的可持續發展提供理論依據。

1?水稻種植方式研究現狀

手工插秧、拋秧、直播和機械插秧是目前雙季稻生產的主要種植方式。直播稻是將干種子或催芽后的種子通過手工或機械的方式直接播種于本田當中的水稻種植技術，與傳統移栽稻相比，省去了育秧與秧田管理、移栽與移栽前泡田等生產環節，可大幅減少勞動力和生產成本，直播稻省工、省力 、簡化且發展較為迅速[4]，但本田生長期延長，且水肥管理方式與移栽稻差異較大。手工插秧、拋秧和機械插秧均需要育秧移栽，育秧能夠縮短本田生育期，提高復種指數，但移栽對育秧方法和栽插質量具有特定要求。不同種植方式有其特定的水分管理特性，直播稻播種時可采用水直播，也可旱直播，播種后則需要保持田面無水以確保出苗，收割前則需要提早斷水防止倒伏;拋秧和機械插秧在移栽時均要求田面保持淺水層以避免秧苗漂浮，機械插秧后干濕交替促早發，拋秧移栽后需淺水灌溉以利于水稻立苗;手工插秧則要求淺水插秧，深水活棵。可見，不同種植方式具有各自的技術特點和技術效果，不同的水分管理方式也導致了肥料吸收利用與流失的時空差異。

水稻種植方式的變革引起了眾多學者的密切關注，針對水稻不同種植方式進行了大量研究和評價，但研究主要集中在水稻生長發育[5]、產量及經濟效益[6]、微生物種群[7]以及病蟲草害發生特點[8-9]等方面。上述研究普遍認為，不同種植方式水稻生育期不同，水稻所處的溫光環境條件各異，從而使水稻生長發育、產量水平存在一定差異。但對不同種植方式下稻田養分，特別是氮素遷移轉化規律的研究相對較少，且僅局限于氮素利用效率[10]與溫室氣體排放[11-14]。目前，對于不同種植方式下稻田氮素輸移、流失問題缺少系統性研究。因此，開展不同水稻種植方式下稻田氮素利用與流失特征差異及評價研究，闡明氮素的平衡特征，對評價雙季稻不同種植方式的環境效應具有重要價值。

2?不同種植方式下稻田氮素平衡研究

氮是水稻最重要的營養元素之一，稻田氮素循環是農田生態系統中養分循環的一個重要組成部分。氮素在稻田系統循環過程中存在動態的交換和轉移，氮素輸移變化對系統氮素循環和平衡產生極大的影響[15-16]。氮素平衡是指在一定系統內氮素輸入和輸出之間的轉化和平衡，稻田生態系統中氮的輸入主要包括氮肥投入、生物固氮、灌溉水帶入、大氣干濕沉降氮等，氮的輸出主要包括作物吸收、淋失與徑流損失以及氣態損失。稻田系統氮素在轉化過程的各個環節，隨時通過各種途徑逃逸系統，發生損失。一般認為，稻田氮素損失過程主要包括通過地表徑流和滲漏水攜帶土壤中的溶解態氮移出稻田，土壤氨揮發和反硝化作用以及作物生長過程中向大氣釋放的各種含氮氣態化合物。不同形式的氮素損失造成了土壤、大氣、湖泊富營養化以及地下水污染等環境污染問題。

稻田氮素平衡受到施肥和耕作等農事活動的影響。不同的種植方式需要不同的水肥管理方式，可以形成不同的環境條件，不同的種植方式水稻生育期也不同，導致水稻的氮素循環和平衡也可能存在差異。在傳統手工插秧方式下，李慶逵[17]研究認為，氮素投入稻田后，水稻回收20.9%～280%，土壤殘留占11.2%～29.5%，各類損失占27%～677%;汪慶兵等[18]研究發現，水稻吸收的僅為25%～50%，土壤殘留的10%～35%，剩余的部分則隨氨揮發、淋失或反硝化損失到環境中。在拋秧方式下，王淳等[19]研究表明，早晚稻氮素回收率為34.3%～47.6%，土壤殘留率為9.1%～355%，土壤的表觀回收率為35.4%～58.6%，表觀損失率為32.3%～49.2%，氨揮發的損失率為29.3%～52.3%，N2O損失率為03%～1.0%。拋秧模式下水稻的氮素利用率比手工插秧模式有較大幅度的提高?？梢?，通過栽培措施來調節稻田氮素循環過程以及氮素收支平衡狀況，對于提高水稻對氮素的回收率、減少氮素損失、減輕環境壓力、保障農業可持續發展具有重要意義。然而，目前還缺少對直播和機械插秧方式下雙季稻田氮素循環的系統研究，且不同種植方式下稻田氮素循環是否存在差異，不同移栽（手工插秧、機械插秧、拋秧）方式下秧田期間氮素利用與損失情況，這些都值得深入研究。

3?不同種植方式下稻田氮素環境效應

3.1?不同種植方式下稻田氮素吸收利用

氮素吸收利用不僅決定水稻的生長發育和產量形成，還直接影響稻田周邊的生態環境。目前，部分發達國家稻田氮素吸收利用率可達50%以上，而我國水稻生產中氮肥平均利用率為30%～35%[20]。不同種植方式因水分管理、氮肥運籌、栽培方式等不同，水稻氮素吸收利用效率也不同。厲波等[21]研究表明，不同種植方式下水稻植株氮累積量表現為直播>機械插秧>手工插秧，劉利等[22]研究認為拔節期氮素積累量直播低于機械插秧和手工插秧，抽穗期則為機械插秧<直播<手工插秧，成熟期表現為直播顯著高于機械插秧和手工插秧，而霍中洋等[10]和王春雨等[23]研究則認為，抽穗期和成熟期水稻植株氮素積累量均以手工插秧最高，機械插秧次之，直播最低。劉利等[22]研究發現，水稻氮稻谷生產效率和氮收獲指數表現為機械插秧>手栽>直播，而王春雨等[23]則認為水稻氮素農藝利用率和氮收獲指數以手工插秧最高，而氮稻谷生產效率表現為機械插秧優于直播和手工插秧，霍中洋等[10]研究表明，手工插秧、機械插秧和直播3種種植方式水稻的氮素吸收利用率分別為44.49%、39.00%和31.41%。可見，關于水稻不同種植方式氮素吸收與利用的相關研究存在一定差異，特別是多元化種植下雙季稻氮素吸收與利用還有待進一步研究，以期實現氮肥合理施用提高氮素利用率，從而為雙季稻的高產高效栽培提供理論和實踐依據。

3.2?不同種植方式下稻田氮素損失

3.2.1?不同種植方式下稻田徑流與淋溶損失。

農田地表徑流流失和淋溶損失是導致農業面源污染的主要原因。農業種植活動導致氮素隨地表徑流流失以及從土壤剖面上淋失，成為地表水富營養化以及地下水污染的主要原因[24-25]。稻田環境有其自身的特殊性，即土壤表面存在動態蓄水層，而土壤表層下存在穩定的犁底層，稻田田面水的多變性和犁底層的低滲透性對水和溶質的運動有一定的影響[26-27]。研究表明，農田氮素流失與作物種類、種植方式密切相關[28]，原因可能是對水分需求和根系發育的不同造成的[29-30]。基于稻田半自然半人工干預（烤田）和干濕交替條件，不同的水稻種植方式也可能會造成不同的氮素流失特性[31]。陸敏[32]研究表明，直播稻氮素徑流流失量占施肥量的0.19%～0.34%，淋溶流失量僅占當季施肥量的0.12%～0.69%，而黃沈發等[33]則認為直播稻田氮素總流失量占稻季化肥用量的13.23%;張岳芳等[34]研究認為，直播稻氮素地表徑流量明顯高于手工插秧，而機械插秧比直播更有利于控制稻田氮素徑流流失，Zhang等[35]研究認為直播較手工插秧和機械插秧增加了氮素的徑流損失量。綜合前人的研究可知，已有研究多以單季稻為主，且研究結果也存在一定差異，有必要進一步研究，特別是基于不同種植方式下雙季稻田氮素徑流和淋溶的變化規律有待深入探討。

3.2.2?不同種植方式下稻田氨揮發。

氨揮發是農田氮素氣態損失的主要途徑之一。我國稻田氨揮發損失占施氮量的9%～40%[36]，南方雙季稻田氨揮發損失高達43.7%[37]，稻田揮發氨通過大氣干濕沉降進入地表水體，加劇水體富營養化，對生態環境造成一定的影響。氮肥種類、氮肥運籌方式、田間溫度、灌溉排水等均是農田氨揮發的影響因素，但目前研究主要集中在施肥因素[38-39]和耕作制度[40]方面，且針對雙季稻田氨揮發損失的研究結果差異較大。吳萍萍等[41]研究表明，傳統手工插秧方式下雙季早、晚稻稻田氨揮發損失率分別為4.5%～15.3%、16.9%～32.8%。李菊梅等[42]在單施尿素條件下進行的雙季稻田氨揮發試驗表明，早、晚氨揮發損失率分別為41.4%和39.9%。朱堅等[37]針對典型雙季稻田基施碳酸氫銨和尿素的氨揮發損失進行了試驗，結果認為早、晚稻氨揮發損失率分別為39.8%和46.9%?？梢姡咎锇睋]發逐漸成為研究熱點，而基于不同種植方式下雙季稻田氨揮發研究鮮有報道。

3.2.3?不同種植方式下稻田N2O排放。

土壤氮素通過硝化-反硝化作用產生的N2O是導致全球變暖的三大溫室氣體之一，其單分子全球增溫潛勢是CO2的296倍。大氣中90%的N2O來自地表生物源，農田土壤是全球最主要的N2O排放源，我國農業土壤每年由于過分依賴化學氮肥構成了農田N2O排放量占排放總量的40%，其中稻田排放的N2O占農田總排放量的7%～11%。因此研究稻田N2O排放對減少農田溫室氣體排放和減緩全球氣候變暖具有重要意義。

作物種類、種植方式、水分管理、氮肥運籌等農藝措施是影響稻田N2O排放的重要因素[43-45]，而水氮管理在調控稻田N2O排放過程中起關鍵作用。水稻不同種植方式由于水分管理和氮肥運籌不同，其對稻田N2O排放的影響可能存在差異。馬永躍[46]和林芳等[11]研究表明，不同水稻種植方式下雙季稻田N2O排放通量為手工插秧<機械插秧<拋秧<直播。上述研究雖然對不同種植方式下雙季稻田N2O的排放通量進行了比較，但直播稻與移栽稻的差異有多大，產生差異的機理是什么，以及不同生育階段對全生育期的貢獻情況等一系列問題有待闡明。因此，探明稻田生態系統的氮平衡及其變化規律和調控機制對提高和改善科學種植方式具有重要的指導意義。

4?結論與展望

當前，我國水稻生產正處于轉型時期，面對農村有效勞動力短缺、水稻生產成本不斷增加、全球氣候變暖、水資源短缺等問題，通過轉變水稻種植方式、提高復種指數來提高水稻生產效益，由“向單季要產量”轉為“向系統要產量”，更有利于減少對生態環境的影響[47-48]。以往的研究不能全面揭示雙季稻田氮素循環特性因種植方式改變而發生的變化，無法準確闡明不同種植方式所產生的環境效應。

（1）雙季稻田農學效應與環境效應評價。目前針對雙季稻種植方式的研究主要集中在高產栽培技術及其氮素利用效率方面，而對手工插秧、拋秧、直播和機械插秧等不同種植方式下稻田氮素遷移轉化規律的研究相對較少，有必要深入研究現狀水肥管理條件下不同種植方式對雙季稻產量形成的氮素基礎及其農學效應和環境效應，這對科學評價不同水稻種植方式的經濟效益和環境效益具有重要意義。

（2）雙季稻田氮素輸移規律與平衡特征。15N示蹤技術已在氮素吸收、分配以及氮肥去向等方面得到廣泛應用，可利用15N同位素示蹤法及農田系統氮素質量平衡法等研究稻田生態系統中氮素輸移過程，分析種植方式對雙季稻植株體氮素吸收利用以及種植季稻田土壤氮素殘留、地表徑流和淋溶、NH3揮發和N2O排放的影響，明確不同種植方式下雙季稻不同生育期稻田系統氮素在土壤-作物-水體-大氣中輸移規律，探明肥料15N各主要輸出途徑間的耦合關系，闡明不同種植方式下雙季稻種植季稻田的氮素輸移規律與平衡特征，以便掌握稻田氮素利用與損失的重要途徑以及防治氮素流失的關鍵時期。

（3）稻田氮損失與環境效應的協同機制及其調控。研究雙季稻秧苗期和大田期不同的水分管理對不同種植方式雙季稻田氮素輸移特征的影響，明確關鍵時期和主要氮素損失途徑的水-種植方式-氮素特征的協同效應，探明不同種植方式稻田氮素減排的環境調控機制，探索出針對不同種植方式氮素農學效應和環境效應協調促進的水分調控措施，有利于減輕雙季稻種植所產生的面源污染和溫室效應等環境風險。

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