施氮水平對水稻氮肥利用率和徑流負荷的影響①

曹彥圣，付子軾，孫會峰，陳桂發，周 勝，宋祥甫

（上海市農業科學院生態環境保護研究所，上海 201403）

施氮水平對水稻氮肥利用率和徑流負荷的影響①

曹彥圣，付子軾，孫會峰，陳桂發，周 勝*，宋祥甫

（上海市農業科學院生態環境保護研究所，上海 201403）

氮肥的過量施用導致顯著的氮素損失，降低了環境質量。減少氮肥投入使其與作物需求相匹配對于保持農業生產的可持續發展具有至關重要的作用。為了評估不同施氮水平對水稻生產過程中的氮肥利用率和徑流負荷的影響，利用長期實驗基地開展了相關研究，實驗共設置了4個施氮水平，即0、100、200和300 kg/hm2。結果顯示，隨著施氮量的增加，糧食產量顯著提高，而農學效率和偏肥生產力卻呈相反趨勢。作物地上部氮肥回收率則呈先增加后減少的趨勢，并在200 kg/hm2時達到峰值；氮素徑流損失隨施氮量的增加而增加。

施氮量；水稻產量；氮肥利用率；地表徑流

華東地區是一個重要的糧食產區。冬小麥夏水稻輪作是這一地區最常見的輪作模式。為了確定水稻生產過程中的最佳施氮量，本研究利用稻田長期實驗基地，設置4個施氮水平，研究不同施氮水平條件下作物的氮肥利用率，并采用氮素徑流損失作為評價施氮量對環境影響的直接指標。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

田間試驗在上海市莊行農業綜合試驗站內進行。站內年平均氣溫為15.8℃，年平均降雨量為1 178 mm。土壤類型為溝干泥（潴育型水稻土），土質為黏壤土。0 ～ 20 cm土壤的pH為7.63，土壤有機質含量23.7 g/kg，總氮含量1.44 g/kg，水解性氮含量106 mg/kg，總磷含量0.82 g/kg，有效磷含量15.9 mg/kg，速效鉀含量為159 mg/kg，CEC為17.5 cmol/kg。

1.2 試驗設計和農業管理措施

研究采用長期定位試驗，從2011年開始，試驗周期為50年。本研究主要集中在2013和2014年兩個水稻生育期。試驗設置了4個處理，分別為N0（對照）、CF100、CF200和CF300。除了施氮量外，各處理其余的管理措施均一致。每個處理重復3次，采用完全隨機區塊設計，共設置12個小區。小區長為8.0 m，寬為7.0 m，每兩個小區間埋設防滲膜以防止側滲。

稻秧移栽日期分別為2013年6月18日和2014年6月19日。小區水稻株行距為20 cm × 25 cm。分別在2013年10月30日和2014年10月31日收獲。處理CF100、CF200和CF300的氮肥（尿素）施用量分別為100、200和300 kg/hm2。各處理磷肥（過磷酸鈣）的施用量均為100 kg/hm2，鉀肥（氯化鉀）的施用量均為225 kg/hm2。氮肥分3次施用，基肥占50%，分蘗肥占30%，穗肥占20%。磷肥僅作為基肥施用。鉀肥分兩次施用，基肥占44%，穗肥占56%。基肥在稻秧移栽當日均勻混入表層土壤，在2013年6月29日和2014年6月30日表施分蘗肥，在2013年7月29日和2014年7月30日表施穗肥。各處理殺蟲劑和除草劑等農藥的施用均一致。除了分蘗末期排水烤田和季末排水外，田面水基本維持在5 cm的深度。

1.3 植株樣品的采集和分析

在作物成熟后，采集作物的地上部。脫粒、稱重。分取部分樣品在80°C下烘干、稱重。分取部分烘干樣品，粉碎，利用元素分析儀測定總氮含量。作物氮肥利用率指標分為地上部氮肥回收率（RE）、農學效率（AE）和偏肥生產力（PFP），按如下公式計算［9］：

江陰水利信息化一期工程建設1個市防汛防旱會商中心、3個局屬單位防汛防旱會商分中心，分別是白屈港水利樞紐工程管理處會商分中心、江港堤閘管理處會商分中心和月城水利管理服務站會商分中心。

式中：U和U0分別指收獲時施氮和對照小區作物地上部氮素吸收量（kg/hm2）；F指氮肥施用量（kg/hm2）；Y和Y0分別指施氮和對照小區水稻產量（kg/hm2）。

1.4 地表徑流的收集和分析

在開展長期試驗之前，我們在小區安裝了徑流收集口，并安裝了地下管道，用于把產生的徑流排至收集池。每次徑流產生后，記錄徑流量，收集徑流樣品。利用離子色譜測定徑流中NH4+-N和NO3--N的含量，利用堿式過硫酸鉀紫外分光光度法測定徑流中總氮的含量。徑流量為小區（面積為56 m2）徑流總量。氮素徑流損失量為徑流量與徑流中氮素濃度的乘積。

2 結果與分析

2.1 水稻產量與氮肥利用率

如表1所示，氮肥施用顯著影響作物地上部的生物量。2013年稻季，施用氮肥使秸稈和籽粒的產量分別增加39% ～ 88% 和76% ～ 157%。2014年稻季，氮肥的增產效應更為明顯，與不施氮的對照相比，施氮處理秸稈和籽粒分別增產71% ～ 118% 和80% ～180%。而且，在這兩個稻季，秸稈和籽粒的生物量均隨施氮量的增加而增加。然而，農學效率和偏肥生產力卻呈完全相反的趨勢。農學效率用以表征氮肥的增產效應，而偏肥生產力是一個反映體系內各氮源總產出的指標［10-11］。降低的農學效率和偏肥生產力表明氮肥收益隨施氮量的增加而減少。這表明，進一步增加氮肥投入并不能有效增加糧食產量。究其原因可能與華東地區土壤氮素肥力較高有關。在最近十幾年，當地氮肥投入一直高于作物氮素需求。通過大氣沉降和灌溉輸入作物體系的氮素也維持在較高的水平。例如，Ju等［1］發現，這部分氮素每年可能高達89 kg/hm2。在氮素供應充足的條件下，氮素以外的其他因素可能已成為了產量限制因子［12］。這也表明，不能通過繼續增加氮肥投入來提高糧食產量。

表1 2013和2014年稻季作物地上部生物量及氮肥利用率Table1 Aboveground biomasses and N use efficiency in the 2013 and 2014 rice seasons

當施氮量從100 kg/hm2增加至300 kg/hm2時，作物地上部氮肥回收率呈先增加后減少的趨勢，施氮量為200 kg/hm2時出現最大值。本研究的結果與Qiao等［10］的研究結果基本一致。他們發現，施氮量為232 ～ 257 kg/hm2時，水稻產量最高，為了提高氮肥利用率減少氮素損失，應該在此基礎上削減施氮量。Ju等［1］也認為，這一地區稻季最適施氮量可以減少至200 kg/hm2。

2.2 地表徑流

2013和2014年稻季，降雨分別引起了3次和6次地表徑流（圖1）。2013年，單次地表徑流量介于1 067 ～ 10 967 L；2014年，單次地表徑流量介于100 ～5 500 L。

圖1 2013（左）和2014（右）年稻季地表徑流量及徑流中-N、-N和總氮含量Fig. 1 Amount of drainage and the concentrations ofN，N and total N in surface runoff in the 2013 （left） and 2014 （right） rice seasons

2013年的第一次徑流及2014年的第一次和第二次徑流均發生在氮肥施用后不久。這幾次徑流中-N和總氮的濃度均顯著較高（圖1）。Gao等［13］在氮肥施用后不久產生的徑流中也觀測到較高濃度的-N。與這幾次徑流相比，在這兩個稻季的其余幾次徑流中，-N和總氮的濃度均較低。N的濃度一般不足1 mg/L，而總氮一般低于2 mg/L。2013年的第一次及2014年的第一次和第二次徑流中，-N和總氮的濃度一般按照CF300、CF200、CF100和N0的順序逐漸降低。在其余幾次徑流中，各處理間一般不存在顯著差異。Eghball等［14］觀測到了類似的結果。他們的研究結果顯示，長期施肥并不影響徑流中N的含量，但是在施肥后不久產生徑流時，徑流中N的濃度將隨施氮量的增加而增加［14］。徑流中N的濃度一直維持在較低的水平。而且，各處理間N濃度的差異幾乎可以忽略。徑流中的氮素主要以N的形式存在。

表2 2013和2014年稻季氮素徑流損失Table2 Nrunoff losses in the 2013 and 2014 rice seasons

2013和2014年稻季氮素徑流損失列于表2。氮素徑流損失取決于兩個因素：徑流量與徑流中氮素的濃度［15］。在2013和2014年水稻生育初期，徑流量較大且徑流中氮素濃度較高，從而導致了較高的徑流損失，這與以前的研究結果一致［16-17］。這些研究顯示，氮肥施用后不久產生的高于正常量的降雨可能引起顯著的徑流損失。2013和2014年稻季施氮處理-N和總氮徑流損失分別介于1.55 ～ 7.62 kg/hm2和1.53 ～ 10.7 kg/hm2（表2），這與以前報道的結果相近［18］。Zhang等人［18］測定了華東地區嘉興、永康和余杭3地稻田的氮素徑流損失，結果顯示，常規措施下-N徑流損失介于1.30 ～ 1.99 kg/hm2，總氮介于2.46 ～7.98 kg/hm2。氮素徑流損失隨施氮量的增加而增加。管理措施是影響氮素徑流損失的主要因素［19］。氮肥施用水平影響田面水中-N濃度，從而可能影響氮素徑流損失［17，20］。

2.3 經濟效益最佳施氮量

對本研究及本地區其他關于施氮量和糧食產量的研究進行綜合分析［21］，結果顯示，水稻產量與施氮量密切相關（圖2）。對數據進行曲線擬合，可得出糧食產量（Y）隨施氮量（N）變化的方程為：

如果水稻的價格以2.5元/kg計，化肥的價格以氮5.4元/kg計，假設環境成本等同于施肥成本，那么水稻生產的邊際收益（B）和邊際成本（C）分別為：

當邊際收益和邊際成本相等時，水稻生產的經濟效益最高。此時的施氮量為228 kg/hm2，糧食產量為7 753 kg/hm2。

圖2 華東地區施氮量與糧食產量的相關性Fig. 2 Relationship between N application rate and grain yield in East China

3 結論

優化施氮量以同時增產增效在保持我國農業生產的可持續發展方面起著至關重要的作用。本研究的目的在于評估不同施氮水平對水稻的氮肥利用率和徑流負荷的影響，確定最佳施氮量。結果表明，水稻產量隨施氮量的增加而增加，而農學效率和偏肥生產力卻呈逐漸下降的趨勢。水稻地上部氮肥回收率在施氮量從100增加至300 kg/hm2時呈先增加后減少的趨勢，并在200 kg/hm2時達到峰值。氮素徑流損失隨施氮量的增加而增加。對本研究和本地區其他研究進行綜合分析，可以得出，在華東地區，施氮量為228 kg/hm2時經濟效益最佳。

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Effects of N Application Rates on N Use Efficiency by Rice and N Runoff Loss

CAO Yansheng， FU Zishi， SUN Huifeng， CHEN Guifa， ZHOU Sheng*， SONG Xiangfu
（Eco-Environmental Protection Research Institute， Shanghai Academy of Agricultural Sciences， Shanghai 201403， China）

Over-application of N fertilizers resulted in significant N loss and degradation in environmental quality. Reducing N inputs and increasing N use efficiency are crucial for the sustainable development of agricultural production. A long-term field experiment was conducted to investigate the effects of N application rates on N use efficiency by rice plants and N runoff loss. There are four N application rates， i.e. 0， 100， 200， and 300 kg/hm2. The results showed that rice yields increased significantly with increasing N inputs， while N use efficiency as agronomic efficiency and partial fertilizer productivity followed the opposite trend. N recovery efficiency increased first and then decreased from 100 kg/hm2to 300 kg/hm2and reached the peak at 200 kg/hm2. N losses through runoff increased with increasing N inputs.

N application rate； Rice yield； N use efficiency； Surface runoff

S19

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.005

上海市科委基礎研究重點項目（12JC1407900）和上海市農委科技興農推廣項目［滬農科推字（2013）第1-1號］資助。

*通訊作者（zhous@263.net）

曹彥圣（1981—），男，山西應縣人，博士，主要從事土壤氮循環研究。E-mail： huda_128@163.com