稻－麥輪作條件下不同施肥模式土壤水溶性氮的變化與籽粒產量的關系

左 婷，王新霞，侯 瓊，倪 亮，倪玥敏，王 劍，倪吾鐘*

（1．浙江大學環境與資源學院，浙江省農業資源與環境重點實驗室，浙江 杭州 310058；2．浙江大學農業試驗站，浙江 杭州 310058）

有機肥部分替代化肥是循環利用有機物料資源的主要途徑，也是我國實現化肥零增長目標的重要措施。以有機肥料養分部分替代化肥養分、以較小的環境代價獲得作物高產穩產已成為我國生態農業技術發展的主要方向。在作物種植過程中常因施肥不當導致化肥大量損失，肥料利用率和經濟效益顯著降低，從目前已有的研究報道來看，有機肥部分替代化肥不僅能夠提高作物產量和品質，同時還能夠提高肥料利用效率和改善土壤環境等［1-3］。溫延臣等［4］對華北平原冬小麥-夏玉米的研究結果表明，商品有機肥部分替代化肥能保證作物穩產、高產，并且能夠培肥地力。哈麗哈什·依巴提等［5］發現在施氮量減少5%～10%的情況下，采用有機肥與化肥配施的施肥方式能滿足蘇南地區水稻的生產需求。沈冰濤等［6］的試驗結果表明，有機肥替代20%化肥與單施化肥處理相比，小麥產量提高1.86%。稻-麥輪作是長江中下游地區典型的集約化糧食作物種植體系，探究稻-麥輪作條件下合理的施肥措施對提升土壤質量和促進糧食生產可持續發展具有重要意義。

氮素是植物生長需要的重要元素之一，也是影響水稻、小麥生長發育和產量的敏感因素。水溶性氮是土壤氮素最為活躍的組成部分，可以直接或間接地被植物吸收和利用，但因其具有比較強的遷移性，很容易隨水分運移而發生徑流或淋溶損失，對水環境造成污染［7-8］。目前，國內外學者對不同生態系統土壤水溶性氮素的遷移、轉化等方面開展了大量的研究工作［9-10］，但更多的是關注土壤水溶性氮對氮素流失風險的影響，而關于土壤水溶性氮含量的變化對作物生長影響的研究比較少。本研究以浙江大學農業試驗站長興分站所在地長興縣農業生產實際情況為基礎，采用田間定位試驗研究稻-麥輪作條件下不同施肥模式土壤水溶性氮的變化與籽粒產量的關系，探索穩定稻麥產量并能提高土壤水溶性氮含量的化肥減施增效優化方案，以期為當地水稻、小麥生產合理施肥和生態環境保護提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為紅壤性水稻土，其肥力性狀為：有機質含量28.5 g/kg，全氮含量1.58 g/kg，全磷含量0.68 g/kg，全鉀含量23.3 g/kg，堿解氮含量138.2 mg/kg，有效磷含量20.4 mg/kg，速效鉀含量75.2 mg/kg，緩效鉀含量414.2 mg/kg，pH 5.68。供試化肥為尿素（N 46%）、鈣鎂磷肥（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）；供試有機肥料為商品有機肥、水稻秸稈、小麥秸稈，各種有機肥料的養分含量見表1。

表1 供試有機肥料的養分含量 （%）

1.2 試驗設計

田間試驗于2017年6月至2018年6月在浙江省湖州市長興縣泗安鎮浙江大學農業試驗站長興分站進行（30°53′11″ N，119°37′26″ E），試驗采用隨機區組設計，設5個處理：對照CK（不施肥）、習慣施肥FP（當地化肥常規施用量）、推薦施肥LRF（在FP基礎上減施氮肥10%、減施磷肥20%）、商品有機肥部分替代化肥RF-OM（在FP基礎上減施氮肥25%、減施磷肥30%、水稻增施鉀肥16.7%、小麥增施鉀肥33.3%，同時以商品有機肥氮替代化肥氮施用量的25%）、秸稈部分替代化肥RF-S（施用秸稈有機C 1500 kg/hm2，氮磷鉀施用量與RF-OM處理相同），每個處理重復4次，共20個小區，小區面積42 m2。化肥和商品有機肥均勻撒施，其他田間管理與當地一致。各處理養分投入量見表2，RF-S處理種植水稻時施用小麥秸稈，種植小麥時施用水稻秸稈，秸稈還田方式為切碎后（長度為10 cm左右）翻耕還田，與生產上秸稈還田的相符。

表2 各處理養分投入量 （kg/hm2）

供試水稻品種為‘嘉禾218’，有機肥和磷肥作基肥一次性均勻撒施，氮肥和鉀肥分3次施用，氮肥按基肥、分蘗肥和穗粒肥比例為50%、30%和20%施用，鉀肥按基肥、分蘗肥和穗粒肥比例為40%、30%和30%施用。供試小麥品種為‘揚麥12’，磷肥及鉀肥用作基肥一次性施用，氮肥分4次施用，氮肥基肥、返青肥、拔節肥和孕穗肥配施比例為25%、10%、50%和15%。

1.3 測定項目及方法

水稻、小麥收獲期各小區單獨收割記產，水稻和小麥主要生育期測定土壤水溶性總氮、銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）含量，測定方法如表3所示，土壤基本理化性質的測定用常規方法［11-12］。

表3 土壤水溶性氮的測定方法

1.4 數據處理及統計分析

采用Excel 2003進行數據處理并繪制圖表，采用SPSS 20.0進行方差分析和多重比較（鄧肯新復極差法），同時統計分析水稻和小麥籽粒產量與主要生育期土壤水溶性氮含量的相關性。

2 結果與分析

2.1 水稻和小麥主要生育期土壤水溶性氮含量

從表4可以看出，水稻返青期有機肥部分替代化肥處理（RF-OM和RF-S）土壤水溶性總氮、NH4+-N和NO3--N含量略低于FP和LRF處理，差異不顯著。幼穗分化期RF-OM和RF-S處理土壤水溶性總氮、NO3--N含量顯著高于LRF處理（P<0.05），與FP處理相當，各施肥處理土壤水溶性NH4+-N含量無顯著差異。水稻返青期和幼穗分化期各施肥處理土壤水溶性總氮、NH4+-N、NO3--N含量均顯著高于CK處理（P<0.05）。

表4 水稻主要生育期土壤水溶性氮含量 （mg/kg）

小麥主要生育期（越冬期、拔節期、齊穗期）土壤水溶性氮含量見表5。小麥越冬期RF-OM處理土壤水溶性總氮、NO3--N含量與FP處理無顯著差異，RF-S處理土壤水溶性總氮、NO3--N含量與LRF處理也無顯著差異，FP處理土壤水溶性總氮、NO3--N含量則顯著高于LRF和RF-S處理，各施肥處理土壤水溶性NH4+-N含量差異不大。小麥拔節期RF-OM處理土壤水溶性總氮、NO3--N含量顯著高于其他處理（P<0.05），RF-S處理土壤水溶性總氮、NO3--N含量與FP處理無顯著差異，兩者均顯著高于LRF處理（P<0.05），而各施肥處理的土壤水溶性NH4+-N含量差異不顯著。小麥齊穗期RF-OM處理土壤水溶性總氮含量為23.59 mg/kg，顯 著 高 于LRF和RF-S處 理（P<0.05），與FP處理差異不大，RF-S處理土壤水溶性總氮含量顯著高于LRF處理（P<0.05）；RF-OM和RF-S處理土壤水溶性NH4+-N含量與FP、LRF處理差異不顯著，土壤NO3--N含量與FP處理無顯著差異，但均顯著高于LRF處理（P<0.05）。小麥主要生育期各施肥處理土壤水溶性氮 （總氮、NH4+-N、NO3--N） 含量均顯著高于CK處理（P<0.05）。

表5 小麥主要生育期土壤水溶性氮含量 （mg/kg）

2.2 不同施肥模式對水稻、小麥籽粒產量的影響

從圖1可以得出，不同處理水稻籽粒產量分別為CK 3796.2 kg/hm2、FP 7210.1 kg/hm2、LRF 7096.4 kg/hm2、RF-OM 7290.0 kg/hm2和RF-S 7156.5 kg/hm2，RF-OM處理水稻籽粒產量顯著高于LRF處理（P<0.05），與FP和RF-S處理差異均不顯著，RF-S處理水稻籽粒產量與FP和LRF處理差異均不顯著。不同處理小麥籽粒產量分別為CK 2716.1 kg/hm2、FP 4574.0 kg/hm2、LRF 4501.9 kg/hm2、RFOM 4514.3 kg/hm2和RF-S 4487.6 kg/hm2，FP處理小麥籽粒產量顯著高于其他處理（P<0.05），RF-OM和RF-S處理小麥籽粒產量與LRF處理無顯著差異。在減氮減磷增鉀條件下，有機肥部分替代化肥能顯著提高或保持水稻籽粒產量水平，與習慣施肥和推薦施肥處理相比，商品有機肥部分替代化肥處理水稻籽粒增產分別為1.1%和2.7%；與推薦施肥處理相比，秸稈部分替代化肥處理水稻籽粒增產0.85%。與推薦施肥相比，商品有機肥部分替代化肥能夠促進小麥生長，籽粒增產0.3%，而秸稈部分替代化肥小麥籽粒產量降低0.3%。

2.3 水稻和小麥籽粒產量與主要生育期土壤水溶性氮含量的相關性

水稻籽粒產量與主要生育期土壤水溶性氮含量的相關性如表6所示，水稻籽粒產量與返青期土壤水溶性總氮、NH4+-N含量均呈極顯著正相關（P<0.01），相關系數分別為0.932和0.974，與返青期土壤NO3--N含量無顯著相關性。水稻籽粒產量與幼穗分化期土壤水溶性總氮、NH4+-N、NO3--N含量均呈極顯著正相關（P<0.01），相關系數分別為0.888、0.961和0.776。從表6中還可以看出，水稻籽粒產量與2個主要生育期土壤水溶性NH4+-N含量的相關性最大，其次是水溶性總氮含量，可見土壤水溶性總氮對水稻籽粒產量的影響是不能忽視的。

表6 水稻籽粒產量與其主要生育期土壤水溶性氮含量的相關性

如表7所示，小麥籽粒產量與主要生育期土壤水溶性NH4+-N、NO3--N、總氮含量均呈極顯著正相關（P<0.01），小麥籽粒產量與越冬期和齊穗期土壤水溶性總氮含量的相關性最大，相關系數分別為0.951和0.960；拔節期土壤水溶性NH4+-N濃度與籽粒產量的相關性最大，相關系數為0.968，與土壤水溶性總氮含量的相關性次之，相關系數為0.928。總體上，小麥各生育期土壤水溶性總氮對籽粒產量的影響要大于單一的水溶性無機氮（水溶性NH4+-N、NO3--N）。

表7 小麥籽粒產量與其主要生育期土壤水溶性氮含量的相關性

3 討論

3.1 不同施肥處理對作物主要生育期土壤水溶性氮含量動態變化的影響

氮素是作物生長所必需的營養元素，作物根系既能從土壤溶液吸收NO3--N又能吸收NH4+-N，因此土壤水溶性氮含量的豐缺及供給狀況變化可以直接影響作物的生長發育［13］。丁少男等［14］的研究結果表明，長期施用有機肥，可顯著提高土壤中水溶性氮的含量。王海候等［15］的試驗結果表明，施用有機肥料可以提高種植水稻后土壤的氮素含量，與不施有機肥處理相比，施用商品有機肥料對土壤水溶性氮含量的增加幅度為22.77%。張玉平等［16］研究結果表明，有機肥與化肥配施有利于降低稻田滲漏液中總氮、NH4+-N、NO3--N的濃度，促進水稻養分吸收與利用。本試驗中水稻返青期有機肥部分替代化肥處理（RF-OM和RF-S）土壤水溶性NH4+-N、總氮和NO3--N含量稍低于習慣施肥處理，這可能是因為有機肥部分替代化肥處理氮素施用總量比習慣施肥少，從而導致其中的化學肥料提供速效養分量少于習慣施肥處理，同時還因為秸稈和商品有機肥施入土壤時間較短，分解緩慢，從而對水溶性氮素的供應產生影響。水稻幼穗分化期有機肥部分替代化肥處理土壤水溶性總氮、NO3--N含量顯著高于推薦施肥處理，與習慣施肥處理相當。李樹山等［17］通過小麥盆栽試驗研究得出，與只施化肥處理相比，有機無機肥配施處理土壤全氮含量顯著提高10.5%（P<0.05），其中NH4+-N和NO3--N分別增加20.0%和81.6%。本試驗中小麥拔節期商品有機肥部分替代化肥土壤水溶性總氮含量顯著高于習慣施肥（P<0.05），秸稈部分替代化肥土壤水溶性總氮、NO3--N含量顯著高于推薦施肥（P<0.05），與習慣施肥相比差異不顯著，這主要得益于土壤水溶性NO3--N含量的增加。小麥齊穗期商品有機肥部分替代化肥土壤水溶性總氮含量與習慣施肥相比并無顯著差異，高于推薦施肥但未達到顯著水平，秸稈部分替代化肥小麥齊穗

期土壤水溶性總氮含量比推薦施肥高但比習慣施肥低。這可能是因為秸稈直接還田存在腐解速率慢、養分釋放延遲等問題，商品有機肥在生產過程中經過腐熟階段，水溶性養分含量較高。

3.2 不同施肥處理對水稻、小麥籽粒產量的影響

施肥是農業生態系統中提高作物產量的重要措施，作物產量是衡量施肥效果的重要指標［18-19］。祝英等［20］的研究結果表明有機肥替代30%化肥能顯著提高玉米的株高、雙穗率和產量。武星魁等［21］對包心菜和小青菜進行等氮水平下不同比例有機肥替代化肥處理的研究，結果表明有機肥替代25%化肥處理下包心菜和小青菜產量均達最高，且與純化肥處理相比包心菜和小青菜的產量分別增加15.0%（P<0.05）和16.3%（P<0.05）。孟琳等［22］研究了有機肥料氮替代部分化肥氮對稻谷產量的影響及替代率，發現有機肥料氮的替代率在10%～20%時能獲得較平穩的氮素供應過程，并能獲得較高的稻谷產量。杜加銀等［23］的研究結果表明，減氮控磷穩鉀處理（N 225 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2）與常規施肥處理（N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2）相比能明顯提高水稻千粒重和籽粒產量。本試驗中商品有機肥部分替代化肥水稻籽粒產量高于習慣施肥，顯著高于推薦施肥（P<0.05），秸稈部分替代化肥水稻籽粒產量低于習慣施肥，高于推薦施肥。這說明短期內在習慣施肥基礎上減少10%～25%氮肥施用可以保證水稻產量，有機肥部分替代化肥施肥模式中施用的有機肥料可以有效地持續向水稻提供所需養分，更有利于水稻植株養分積累與轉移，從而保證籽粒產量，這和以往的研究結果［24-25］基本一致。張長春等［26］研究了商品有機肥部分替代化肥對小麥產量和氮肥利用率的影響，結果表明，有機氮∶化肥氮為2∶8時小麥產量為5628.2 kg/hm2，僅次于配方施肥處理（5753.2 kg/hm2）且差異不顯著，說明有機肥料氮可以在一定范圍內替代化肥氮。邢鵬飛等［27］研究結果表明有機肥替代30%無機肥小麥4年累計產量比全量無機肥處理提高5.95%。本試驗中與推薦施肥處理相比，商品有機肥部分替代化肥小麥籽粒產量較高，秸稈部分替代化肥小麥籽粒產量有所降低，但差異均未達到顯著水平。這說明在減氮減磷增鉀條件下，有機肥部分替代化肥能顯著提高或保持水稻和小麥的籽粒產量水平，有機肥部分替代化肥對水稻的增產效果優于小麥，可能是因為水稻季溫度較高，有機肥料易礦化而釋放養分，有利于水稻各生育階段對養分的吸收，滿足水稻生長需求從而保持產量。而小麥季土壤溫度較低，在一定程度上限制了微生物與酶活性，有機肥礦化速度減慢而不能充分滿足冬小麥需肥高峰期的需求。

3.3 作物籽粒產量與各生育期土壤水溶性氮含量的相關性分析

氮素是植物必需營養元素中對作物生長、產量和品質形成作用最為突出的元素，土壤中生物有效態氮主要包括土壤NH4+-N、NO3--N、易水解的有機態氮。NH4+-N和NO3--N是植物可直接吸收利用的主要氮素形態，有機肥部分替代化肥能夠有效地調控土壤的供氮水平和氮素的轉化遷移，對作物生長發育起到很好的促進作用。劉春增等［28］研究了種植翻壓紫云英配施化肥稻田土壤活性有機氮與水稻產量、土壤養分的相關性，結果表明，土壤水溶性有機氮含量與水稻平均產量呈顯著正相關（P<0.05），水稻產量與土壤NH4+-N含量呈極顯著正相關（P<0.01）。在水稻生長初期，細胞色素氧化酶活性強，以吸收NH4+為主，拔節期后黃酶占優勢，以吸收NO3-為主。本試驗得出水稻籽粒產量與返青期土壤水溶性總氮、NH4+-N含量均呈極顯著正相關（P<0.01），與NO3--N含量無顯著相關性，水稻籽粒產量與幼穗分化期土壤水溶性總氮、NH4+-N、NO3--N含量均呈極顯著正相關（P<0.01），可見土壤水溶性總氮含量對水稻籽粒產量的影響是十分明顯的。劉海［29］的試驗結果表明，小麥拔節期是氮素營養的強度期，化肥配施有機肥使土壤NH4+-N和NO3--N變化與作物需求協調，有機肥供肥平緩持續。本試驗中，小麥拔節期籽粒產量與土壤水溶性NH4+-N含量相關系數最大，與水溶性NO3--N含量相關系數也較大，這可能是獲得作物增產的原因之一。水溶性NO3--N和NH4+-N可被小麥直接吸收，2種形態的氮為小麥不同生育期的生長提供了良好的營養，本試驗得出小麥籽粒產量與其各生育期土壤水溶性總氮、NH4+-N、NO3--N含量均呈極顯著正相關（P<0.01），總體上，小麥各生育期土壤水溶性總氮水平對籽粒產量的影響要大于單一的水溶性無機氮（NH4+-N、NO3--N），因此生產上更應注重土壤水溶性總氮含量的變化。

4 結論

在減少施氮量的條件下，有機肥部分替代化肥能夠滿足水稻、小麥生長過程中對養分的需求，顯著提高或保持水稻和小麥主要生育期土壤水溶性氮水平及籽粒產量。通過對作物籽粒產量與其主要生育期土壤水溶性氮含量的相關性分析可知，水稻籽粒產量與返青期土壤水溶性總氮和NH4+-N含量及幼穗分化期土壤水溶性氮含量（總氮、NH4+-N和NO3--N）均呈極顯著正相關（P<0.01）；小麥籽粒產量與各生育期土壤水溶性氮含量也均呈極顯著正相關（P<0.01），其中土壤水溶性總氮水平對小麥籽粒產量的影響更大。本試驗明確了稻-麥輪作條件下不同有機肥料種類及養分投入量下土壤水溶性氮的變化與作物籽粒產量的關系，提出了減氮減磷增鉀條件下有機肥部分替代化肥改善土壤有效養分狀況，保持或增加稻麥籽粒產量的施肥技術，對促進糧食生產具有實際指導意義，其中土壤水溶性總氮供應對水稻-小麥籽粒產量的影響尤為值得關注。