廣州市郊稻田氮肥減施的產量和氮肥利用效率分析

黃巧義，黃 旭，唐拴虎，杜建軍，張 木，李 蘋，付弘婷

（1.廣東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部南方植物營養與肥料重點實驗室/廣東省養分資源循環利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640； 2.仲愷農業工程學院新型肥料研究中心/廣東省農業產地環境污染防控工程技術研究中心，廣東 廣州 510225）

【研究意義】化肥為我國和世界糧食安全發揮了不可替代的作用，也是我國退耕還林等生態工程得以實施的重要基石［1-2］。另一方面，農田化肥大量施用引起的農業面源污染，導致了一系列的負面效應［3］。為了提高化肥施用效率，實現糧食高產與美麗鄉村的雙重目標，農業農村部于2015年印發了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》［4］。水稻為我國主要糧食作物，在保障我國糧食安全中具有重要的地位和作用。氮素是影響水稻產量的最主要營養元素，也是構成農業面源污染的主要成分［5］，因此，氮肥減量施用技術是實現水稻化肥使用零增長的關鍵技術措施。【前人研究進展】為提高水稻的氮肥利用效率，我國先后提出了一次性施肥技術等多種施肥技術措施［6-8］，并研發了脲甲醛、包膜尿素、腐殖酸尿素等多種緩/控釋氮肥［9-11］；同時，推行有機氮替代部分無機氮肥的有機替代措施［12-13］。另外，隨著我國農村勞動力不斷減少，水稻生產迫切需要輕簡化施肥技術［14］。我們前期探討了水稻一次性施肥技術的機理和增產效果，證明緩/控釋肥一次性基施可以基本滿足水稻整個生育期的養分需求［15-16］。研究發現，采用緩/控釋肥一次性施肥技術可以提高氮肥利用效率［15-16］，具有氮肥減施的潛力。【本研究切入點】目前水稻一次性施肥技術的氮肥用量與常規施肥用量水平一致，能否進一步減少氮肥用量實現水稻穩產并降低面源污染發生風險尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本研究在前期研究工作基礎上，探討減氮條件下不同氮肥利用措施對水稻產量、田面水氮含量和氮肥施用效率的影響，從而為水稻氮肥減施提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年8月至2018年8月在廣東省廣州市南沙區新村開展田間試驗。供試土壤為砂壤土，0～20 cm土層的基本理化性質為：pH值 6.46，有機質含量 20.10 g/kg，堿解氮含量 95.01 mg/kg，有效磷含量11.44 mg/kg，速效鉀含量56.50 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗采用田間小區方式進行，小區土壤先整理平整，然后灌溉使水層高度約為 3 cm，再均勻撒施肥料，將肥料混入土壤。設不施氮（CK）、常規分次施肥（CF）、緩釋肥減氮25%分次施用（SFT）、緩釋肥減氮25%一次施用（SFB）、緩釋肥減氮25%一次施用且20%氮肥采用有機替代（SFB+OS）5個處理，每個處理4次重復，小區面積為20 m2，隨機區組排列。CF處理的氮、磷、鉀施用量分別為N 180 kg/hm2、P2O545 kg/hm2和K2O 114 kg/hm2，氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀，分基肥、返青肥、幼穗分化肥3次施用，施用比例為0.6∶0.15∶0.25；CK的磷、鉀用量與CF相同，在秧苗移栽前1 d作基肥一次性施入。SFT、SFB和SFB+OS處理的氮肥采用穩定性氮肥，由廣州新農科肥業科技有限公司提供，氮肥用量均為N 135 kg/hm2，磷、鉀用量與CF處理一致；SFT處理氮肥分基肥和幼穗分化肥兩次施用，施用比例為0.75∶0.25；SFB和SFB+OS處理的氮磷鉀施用量同SFT，所有肥料均在秧苗移栽前1 d作基肥一次性施入。

各試驗小區通過5 cm高的土埂分隔，并在土埂上裹一層塑料薄膜。各小區設置單獨的進出水口，實行單獨排灌，保持各小區水層高度一致，在分蘗前期保持田間水層3～5 cm，分蘗后期適當曬田，幼穗分化期和揚花期保持田間水層6～8 cm，灌漿乳熟期保持土壤濕潤。供試水稻為常規稻品種廣豐香8號，采用人工插秧，栽種規格為 20 cm ×20 cm。2017年晚造8月18日施底肥，8月19日插秧，11月30日收獲；2018年早造4月25日施底肥，4月26日插秧，7月31日收獲。

1.3 調查項目及方法

水稻收獲前，每小區采集5株具有代表性的谷穗樣品，帶回實驗室進行考種。同時，每個小區采集代表性植株2株用于生物量及植株氮含量的測定。水稻收獲時各小區通過人工單獨收割，并采用小型脫粒機進行脫粒，測產。

田間試驗開始前采集0～20 cm耕層土樣，用于測定pH、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀；水稻成熟期采集各小區耕層土樣，用于全氮和堿解氮測定。2018年早造在水稻移栽后1、3、5、7、10、12、14、25、27、29、31、45 d 分別采集各小區的田面水樣至50 mL塑料瓶中，-4 ℃冰箱保存備用，用于氮養分含量測定，取樣前控制田間水層在4 cm。

生物量測定：水稻植株樣品緊貼田面采集，用塑料袋裝好后帶回實驗室，將稻谷和稻草分開，然后沖洗、擦干，在烘箱中105 ℃殺青30 min，再75 ℃烘干至恒重。

植株含氮量測定：將各小區的稻谷和稻草樣品烘干后，粉碎過0.5 mm篩，采用H2SO4-H2O2消煮，AA3 型自動分析儀測定。

土壤樣品帶回實驗室，攤開風干后研磨過篩，然后采用常規土壤農化分析方法進行理化分析［17］。土壤pH（2.5∶1）用酸度計電位法，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法，土壤堿解氮含量采用堿解擴散法，有效磷含量采用Olsen 法，速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定。

水樣分析時從冰箱取出樣品，先用濾紙過濾，然后采用過硫酸鉀消解-碳氮分析儀測定總氮含量。

計算水稻氮素吸收量及氮素利用效率，計算方法參照文獻［18］。

試驗數據采用 MS Excel 2007 進行整理，采用R軟件的agricolae包進行方差分析，采用R軟件的ggplot2包制圖。各處理之間的單因素分析比較采用LSD-test法。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產量的影響

從表1可以看出，施氮處理的水稻籽粒產量顯著高于不施氮對照，早、晚稻平均產量增幅分別為122.21%、40.11%，表明氮肥是影響水稻產量的關鍵因素；不同施氮處理的水稻籽粒產量也存在一定差異，與CF處理相比，SFB+OS和SFT處理的籽粒產量稍有提高，SFB處理的籽粒產量有所降低，以2017年晚稻降幅較大；而不同減量施肥處理的早、晚稻籽粒產量均與常規施肥處理差異不顯著，表明適當的氮肥減施措施對早、晚稻產量不會造成顯著減產。

表1 不同施肥處理對水稻產量的影響Table 1 Effects of different fertilization treatments on rice yields

2.2 不同施肥處理對水稻產量構成因素的影響

從表2可以看出，施氮處理的水稻有效穗數和實粒數均顯著高于不施氮對照；減氮施肥處理的水稻有效穗數低于常規施肥處理，而每穗實粒數則高于常規施肥處理，但兩者間差異不顯著。其中，2017年晚造，常規施肥處理的水稻結實率顯著低于減氮施肥處理和不施氮對照；2018年早造，不施氮對照的水稻結實率顯著降低。不同施肥處理對水稻千粒重沒有顯著影響，表明氮肥減施影響水稻早期的分蘗動態，而有助于促進籽粒灌漿，提高結實率。

表2 不同施肥處理的水稻產量構成因素Table 2 Yield components of rice under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理對田面水養分含量的影響

由圖1可知，施氮處理的田面水總氮含量顯著高于不施氮對照。施氮處理的田面水氮含量在水稻移栽后2 d出現一個高峰，其中SFB處理的田面水氮含量稍高于CF處理，SFT和SFB+OS處理與CF處理基本一致；施氮處理的田面水氮含量在移栽后3 d大幅度下降，而不同施氮對照趨于一致；移栽后7 d，CF處理因追施了返青肥，田面水氮含量出現一個小高峰，顯著高于其他施氮處理，此時施氮處理的田面水氮含量仍顯著高于不施氮對照；移栽后10 d，施氮處理的田面水氮含量降低至與不施氮對照相同；移栽后25 d，CF處理和SFT處理追施了分化肥，田面水氮含量又大幅度提高，但SFT處理的田面水氮含量低于常規分次施肥處理。由此可見，稻田田面水氮含量主要受氮肥施用影響，常規多次施肥方式使田面水氮含量呈現出多個高峰，減少氮肥施用次數可以有效減少田面水氮含量的高峰，從而降低氮肥流失風險，有助于提高氮肥利用率。

圖1 不同施肥處理對稻田田面水總氮含量的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on total nitrogen content in surface water of paddy field

2.4 不同施肥處理對水稻氮含量的影響

從表3可以看出，與CK相比，施氮處理顯著提高了水稻秸稈和籽粒的氮含量，不同施氮處理之間的水稻秸稈和籽粒氮含量無顯著差異。施氮處理中，CF處理的秸稈和籽粒氮含量最高，其次是SFT和SFB處理，SFB+OS處理的水稻植株氮含量最低，表明通過適當的氮肥減施措施對水稻植株的氮含量沒有顯著影響。

表3 不同施肥處理對水稻氮含量的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on nitrogen content of rice （mg/kg）

2.5 不同施肥處理的氮肥利用效率

從表4可以看出，不同施肥處理的氮肥吸收利用率沒有顯著差異，其中SFT處理的氮肥吸收利用率最高，較CF處理提高了5.13個百分點，SFB和SFB+OS處理與CF處理基本一致。

表4 不同施肥處理的氮肥利用率Table 4 Nitrogen utilization efficiency under different fertilization treatments

3 討論

基于緩/控釋肥的一次性施肥技術被認為可以實現水稻穩產增產，且能降低氮素揮發、淋溶、流失損失［14］。王強等［19］多地試驗結果也表明，采用穩定性肥料的一次性施肥技術在減氮條件下，水稻產量稍低于尿素分次施肥處理，但差異不顯著。本試驗中，SFB處理的水稻籽粒產量稍低于CF處理，2017年晚稻降幅更大，這可能是由于2017年晚稻施肥插秧后，連續遭遇兩次強臺風暴雨影響，而SFB處理的田間水氮含量在移栽后6 d都較高，強降雨導致肥料流失，造成水稻減產。這說明采用緩釋氮肥一次性施肥技術在降低氮肥用量的情況下，水稻產量可能存在減產風險，尤其是砂性土壤［20］。SFT處理將緩釋氮肥分基肥和幼穗分化肥兩次施用，其氮肥用量較CF降低了25%，而水稻產量仍保持在CF處理之上。李錄久等［21］研究表明，適當分配一部分氮肥用于分蘗期和抽穗期可有效提高水稻籽粒產量，與本試驗結果基本一致。SFB+OS處理在緩釋氮肥一次性基施的基礎上配合有機替代技術，其氮肥總用量較CF處理降低了25%，而水稻籽粒產量稍高于CF處理。崔月貞等［12］研究表明，20%無機氮采用有機肥替代處理可優化水稻產量構成因素，因此水稻籽粒產量較高。長期定位施肥試驗結果表明，等氮條件下，30%無機氮采用有機肥替代處理可提高水稻葉片的光合作用，從而提高水稻籽粒產量［13］。本試驗中，SFT和SFB+OS處理的水稻每穗實粒數高于CF處理。已有研究結果表明，優化氮肥分配和有機替代可以提高水稻的結實率［12-13］。

本試驗中，每次氮肥施用后，稻田田間水的氮含量快速提高，并在肥料施用后3 d又快速下降，這與侯鵬福等［10］的研究結果一致。在移栽后2 d，SFB處理的田間水氮含量高于CF處理，這可能是SFB處理將全部氮肥做基肥一次性施用，其化學氮肥施用量高于CF處理所致。氮肥用量是影響田面水氮含量的主要因素，相似的研究結果也表明，穩定性氮肥一次性施用增加了田面水銨態氮含量［22］。但是，SFB處理的田面水氮含量在移栽后5 d下降至較低水平，并保持低氮含量水平，因此，控制水稻移栽后1周內稻田氮素流失是緩釋氮肥一次性基施技術的關鍵。SFT處理的田面水氮含量在移栽后2～7 d大幅上升，但與CF處理基本相同，且在追施分化肥后也低于CF處理。SFT處理的氮肥總施用量低于CF處理，且分兩次施用，兩次施肥后的田間水氮含量峰值均低于CF處理，可以減輕氮素流失風險。研究表明，適當的調整氮肥施用時間，可以減輕水稻生育前期地表徑流的氮素流失風險［23］。本試驗中，SFB+OS的氮肥用量低于CF處理，且有20%氮肥采用有機肥進行替代，進一步降低了化學氮肥的施用量。魏靜等［24］研究表明，有機無機配施能顯著降低田面水氮素濃度。本試驗中SFB+OS處理的田面水氮含量在整個取樣期間都低于CF處理。由此可見，SFT和SFB+OS處理有助于降低田間水氮素含量，從而減少稻田氮素流失風險。

4 結論

本試驗結果表明，緩釋氮肥減氮一次性施肥可以提高氮肥施用效率，但前期田間水含量較高，氮素流失風險高，且產量穩定性相對較低。緩釋氮肥減氮分兩次施用能夠有效降低田面水氮含量，且氮肥施用效率最高，水稻產量略高于常規施肥處理。緩釋氮肥減氮一次性施用結合有機替代處理的水稻籽粒產量最高，且其田面水氮含量低于常規施肥處理，氮肥施用效率較高。綜上所述，在本試驗條件下，緩釋氮肥分次施用和緩釋氮肥一次施用結合有機替代措施能在氮肥減施條件下實現水稻穩產高產，提高氮肥施用效率。