太湖地區集約化農田氮素減排增效技術實踐

閔 炬，孫海軍，陳 貴，姜振萃，陸扣萍，紀榮婷，施衛明*

（1.中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，南京 210008；2.南京林業大學林學院，南京 210037；3.嘉興市農業科學研究院，浙江 嘉興 314016；4.浙江農林大學環境與資源學院，浙江 臨安 311300）

太湖地區地處長江三角洲中心，以平原為主，水網交錯，氣候溫暖多雨，年均降雨量1177 mm，且多集中在夏季[1]，該地區也是我國經濟最發達、大中城市最密集的地區之一，其地理和戰略優勢突出。但近年來逐漸加重的全球性湖泊富營養化問題，給湖泊生態功能的發揮帶來了前所未有的挑戰[2]。我國農業面源污染對水環境污染的貢獻率年趨增大，污染源普查公報顯示，農業面源污染成為我國水環境污染大戶，其中的總氮（TN）、總磷（TP）排放量已分別占其排放總量的57.2%和67.4%[3]。據報道，太湖營養鹽濃度呈明顯的季節變化，湖體TN、TP濃度峰值出現在7月，可達4.13 mg·L-1和0.26 mg·L-1[2]。

太湖地區耕地總面積約為151×104hm2，農田集約化程度高，是我國三大糧食生產基地之一。截止2015年，區域內稻田種植面積1.24×106hm2，菜地面積占該區域旱地面積的20.2%[4]。20世紀90年代起，太湖地區糧食作物年施氮（N）量已高達500～600 kg N·hm-2，蔬菜作物更是高達 1000 kg N·hm-2以上[5-6]。朱兆良[7]報道，中國稻田碳銨的N肥表觀利用率低于30%，尿素為30%～40%。對太湖地區的研究表明，集約化水稻的N肥利用率僅為19.9%[8]，顯著低于全國平均水平。在集約化蔬菜栽培上，為提高產量而盲目、高量施肥（尤其是N肥）現象比較普遍。然而，N肥表觀利用率不足10%[9]，土壤及蔬菜中硝酸鹽累積，在0～100 cm土壤剖面發生明顯的淋洗[10]，對周邊水環境造成嚴重威脅。

氮肥過量施用不僅造成農業生產成本增加，N肥利用率下降，作物產量、品質下降，而且會破壞生態環境，危害人類健康，對農業經濟的可持續發展產生巨大障礙。太湖地區是我國化肥用量較高的地區之一，也是我國地表水體富營養化和農業面源污染較嚴重的區域之一[11]。迄今為止，太湖地區農業面源污染治理研究雖已開展較多的工作，有相對較好的基礎，研發的技術包括稻季優化施肥技術、種植制度優化調整、農田生態攔截溝渠等，建立了低濃度污水的人工濕地處理工程、稻/菜的面源污染三級防控示范工程等[12-15]。但現有的農業面源污染防控技術多基于維持產量基礎上最大化的進行減排，在增產增效上關注較少。此外，利于技術推廣的適地性研發尚缺乏，技術落地的經濟效益分析尚不足。為此，針對太湖地區稻田和菜地集約化程度高、N肥投入量大、區域降水集中、面源污染嚴重等問題，本文總結了近年來開展的一系列減排增效技術研究成果，為太湖地區集約化農田減施-增效-減排技術的示范推廣提供樣板。

1 太湖地區集約化稻田

1.1 基于氮高效水稻品種的氮肥減施增效減排技術

為了提高水稻產量，提高單位面積耕地的水稻產量刻不容緩。傳統的措施是增加化肥投入，特別是N肥。研究表明，1977—2005年，我國的年糧食產量從2.83億t增加到4.84億t，增長比例為71%，單位土地面積的谷物產量從2348 t增加到4642 t，增加比例為98%，然而在此期間化肥N的施用量從707萬t增加2621萬t，增加比例超過稻谷的增加比例，達271%，導致施入N肥的偏生產力從55 kg·kg-1下降至20 kg·kg-1[16-18]。與此同時，農田中化肥N的損失量卻增加了約2倍[7]。僅通過增施N肥來增加水稻單位土地面積的產量是不可行的。從環境和糧食安全角度出發，近年來，N高效水稻逐漸受到廣泛關注。很多研究者認為N高效水稻不僅具有高產的特性，而且能夠高效利用N素，有益于生態環境的可持續健康發展[19-23]。隨著糧食需求量的不斷增加，以及人們對環境保護意識的增強，從N高效水稻品種入手，開展農田面源污染防控技術研發無疑是一種有利選擇。

1.1.1 技術原理

N高效水稻是指在供N水平相等條件下，同一生育期的水稻稻谷產量高的水稻品種。因N高效水稻品種的N利用率高，減施N肥后仍能維持較高產量。因此，利用N高效水稻品種配合N肥減施，一方面降低肥料成本，另一方面減少N素損失。

1.1.2 技術參數優化

以太湖地區武運粳23號（W23）和鎮稻11號（Z11）為供試N高效水稻品種，以太湖地區早期普栽品種武育粳3號（W3）為對照。設置3個施N水平分別為 0（N0），200 kg N·hm-2（N200）和 270 kg N·hm-2（N270）。NH3揮發測定采用連續抽氣-密閉室法，分別在基肥、分蘗肥、穗肥施用后的第1 d開始，連續采集直至施N處理吸收液顏色與不施N處理之間無明顯差異為止。土壤滲漏液通過多孔滲漏管法收集，徑流液通過采集中期、后期烤田產生的水樣并采集由于降雨而引起的徑流水樣，通過電子流量計計算流量。滲漏水和徑流水樣品中TN濃度通過流動分析儀分析測定。待水稻成熟后各小區采集4 m2水稻籽粒（避免邊際效應），脫粒后曬干，測定籽粒質量并計算產量。

1.1.3 技術效果

隨施N量增加，稻田NH3揮發量也增加，且揮發量占施N量比例也呈增加趨勢。當以生產單位產量谷物計算時，第一年稻季N高效水稻W23和Z11與W3相比在N200下稻田NH3揮發損失量下降比例分別為21.6%和18.0%，N270處理下分別下降17.4%和19.8%；第二年稻季W23、Z11與W3相比在N200和N270下NH3揮發量的下降比例分別為27.3%、21.3%和23.0%、22.2%，且均達顯著差異水平（表1）。N高效水稻W23、Z11在N200下的稻田TN滲漏量要低于W3對照。稻田TN徑流損失量亦隨N肥施用量增加而增大。但不同N效率水稻W23、Z11和W3在N200或N270下的稻田TN徑流損失量之間無一致趨勢。當以生產單位產量谷物計算稻田TN滲漏、徑流損失量時，N高效水稻W23、Z11與N低效水稻W3相比，在N200下稻田TN滲漏損失量下降比例更大，而且在N270下稻田TN滲漏損失也低于W3。對于稻田TN徑流損失而言，W23和Z11在N200和N270下均低于W3（表1）。

1.2 生物炭應用增效減排技術

在面源污染治理過程中，源頭減量技術至關重要。包括減少化肥投入量，施用肥料增效劑、土壤改良劑等增加土壤對養分的固持，從而從源頭上減少養分流失[24]。近年來，低成本土壤改良劑的研究開發，尤其是將農林廢棄物及其改性產品作為土壤改良劑，已經引起了許多科技工作者的廣泛關注[25]。其中生物炭作為一種環境友好、低成本、具有優異表面特性的炭基材料，得到了廣泛的研究[26]。李飛躍等[27]以稻殼生物質為原材料在350℃和500℃溫度條件下制備生物炭，其對氨氮的最大吸附量分別為5.82 mg·g-1和6.51 mg·g-1，表現出良好的吸附效果。另有研究表明，施用生物炭能夠有效降低土壤中TN與TP的淋失風險，是控制菜地土壤中氮磷養分淋溶損失的有效措施[28]。由此可見，將生物炭施用于高施氮的集約化農田土壤，可以利用其對不同形態氮磷等養分的吸附性能，減少其面源污染發生風險，實現減排增效。

1.2.1 技術原理

生物炭是生物有機物料（生物質）在缺氧或絕氧環境中，經高溫熱裂解后生成的固態產物。生物炭具有豐富的孔隙結構，比表面積大，吸附能力強，將生物炭施用于土壤后，能夠改善土壤理化性質，為微生物提供良好的生存空間，從而吸附土壤中N、P等養分離子，減少其淋溶損失等，并能提高養分利用效率，增加作物產量。

表1 生產單位產量谷物時不同N效水稻的NH3揮發量、TN滲漏和徑流損失[23]Table1 Nitrogen losses through NH3volatilization，N leaching，N runoff on a unit rice grain basis from the paddy f i eld

1.2.2 技術參數優化

試驗生物炭以鋸末為制備原料（Sawdust biochar：SDB），設置不同熱解溫度（500℃和700℃）和施用量（0.5%和3%，炭土比）作為處理，同時布置不施氮肥對照（CK）和施尿素氮肥對照處理（CKU）。共計6個處理分別標記為：CK、CKU、SDB500-0.5%，SDB500-3%、SDB700-0.5%和SDB700-3%，每個處理設置3次重復。供試土壤為太湖地區典型水稻土，N肥施用量為240 kg N·hm-2，分基肥（BF，40%）、蘗肥（SF1，40%）和穗肥（SF2，20%）3次施用[29]。在N肥施用后一周，采用改進的連續動力抽氣-密閉室法開展NH3揮發監測[24]。同時每天采集田面水，在每次施肥后一周和水稻收獲期，采集表層（0～15 cm）土壤樣品，分析田面水與土壤樣品的及TN濃度。土壤樣品用3 mol·L-1KCl溶液浸提后，與田面水樣一起，用流動注射分析儀測定其及TN濃度。試驗結果表明：與對照處理（不添加生物炭）相比，生物炭施用可以有效降低水稻生長季3次N肥施用后田面水的濃度及TN濃度。降低濃度比例為 7.3%～35.2%、16.3%～32.4% 和 12.2%～28.1%；降低TN濃度比例為11.8%～27.1%、14.3%～36.5%和3.0%～19.6%。同時，生物炭施用可以提高表層（0～15 cm）土壤含量。考慮到生物炭施用在一定程度上增加了氨揮發，建議以較低比例（0.5%）施用低溫制備（500℃）的生物炭，此為最優選擇。

圖1 生物炭施用對稻季田面水及TN濃度的影響Figure1 Effects of biochar application on the and TN concentrations of surface floodwater of rice growth season

1.2.3 技術效果

稻季基肥（BF）、蘗肥（SF1）和穗肥（SF2）施用后一周內，田面水平均及TN濃度如圖1所示。顯然，化肥N的施用顯著提高了田面水不同形態的N濃度。在基肥和蘗肥施用后，CKU處理的濃度分別為27.6 mg·L-1和28.9 mg·L-1，生物炭的施用可將其降至20.1～24.4 mg·L-1和17.8～24.7 mg·L-1。這主要是因為生物炭具有對的良好吸附效果。而且，3%生物炭處理的平均濃度要比0.5%生物炭處理的分別低2.7～4.2 mg·L-1和3.4～6.9 mg·L-1。穗肥施用后，田面水濃度為7.6～9.4 mg·L-1，低于基肥和蘗肥階段。在穗肥階段，生物炭施用處理依然能有效降低3%～19.7%的濃度。

與CKU處理相比，生物炭處理在基肥和蘗肥階段的TN濃度分別降低7.3%～35.2%和16.4%～32.4%（圖2）。在穗肥階段，生物炭處理田面水的平均TN濃度比CKU處理依然降低2.2～5.0 mg·L-1。結果表明，生物炭處理能夠顯著降低稻季N肥施用后隨徑流損失的風險，利于面源污染控制。

本研究中，稻季全生育期累積NH3揮發損失為14.9～21.6 kg N·hm-2，占肥料N投入的5.6%～8.0%。其中，NH3揮發主要發生于基肥階段（4.1～10.3 kg N·hm-2）和蘗肥階段（8.4～10.5 kg N·hm-2）。不利的一方面是生物炭施用會導致NH3揮發增加26.7%～43.2%。這主要是由于生物炭施加導致田面水和表層土壤pH增加。一般而言，合理的生物炭添加可以增加水稻產量，從糧食安全和環境保護雙角度考慮，本研究計算了單位產量所付出的NH3揮發代價（Yield-scale NH3losses）（表2）。結果表明，以較低施用量（0.5%）添加低溫（500℃）制備的生物炭，可以實現在增加水稻產量的同時不以NH3揮發急劇增加為代價。

綜上，在土壤中施用0.5%（表層土壤質量百分比）的低溫（500oC）制備生物炭是最優選擇，該生物炭施用技術不但減少了土壤N素的徑流損失，而且使土壤維持較高的含N量（相比單施尿素處理），保證水稻高產的同時不以NH3增加為代價。因此，該研究證明適宜的生物炭添加可有效減少農田N素損失，提高N肥利用率。

圖2 生物炭施用對稻季不同生育期表層（0～15 cm）土壤中及TN濃度的影響Figure2 Effects of biochar application on the and TN concentrations of surface（0～15 cm）soil of rice growth season

2 太湖地區集約化菜地

2.1 基于固氮作物養分減投的輪作制度調整技術

截止目前，太湖地區蔬菜地面積為5.53萬hm2，占該區域旱地面積的20.2%。大多數新增的菜地由幾十年種植歷史的稻田改種而來，種植模式多以番茄-萵苣-芹菜輪作為主。太湖地區集約化菜地一年三季作物TN（以純N計）投入達到900～1300 kg·hm-2，遠遠超出蔬菜作物的需求，造成土壤剖面的過量累積，加之集約化菜地的分布區大多靠近河道水體，氮污染物進入水體的路徑較短，由此引起的氮污染風險可能更為嚴重。由于不同作物在養分吸收利用上存在差異，通過合理配置輪作作物有利于控制集約化菜地土壤氮素淋失[30]。

2.1.1 技術原理

金花菜及豆科植物主要分布于地處太湖地區的江浙滬一帶，需肥量少且經濟價值較高。豆科作物固氮能力強，種植豆科作物可培肥土壤、減少氮肥投入。

2.1.2 技術參數優化

以太湖地區的設施蔬菜試驗點為研究平臺，設置兩種輪作制度：農民傳統輪作模式（芹菜-番茄-萵苣）和優化輪作模式（金花菜-番茄-萵苣）。每種輪作模式下設置兩種施氮處理：N1為農民習慣施氮處理，根據試驗所在地農戶的平均施氮水平確定，芹菜、金花菜、番茄、萵苣施氮量分別為620、190、370、490 kg·hm-2；N2為優化施氮處理，芹菜、金花菜、番茄、萵苣施氮量分別為500、150、280、420 kg·hm-2。淋洗液的收集與測定見陸扣萍等[29]。

2.1.3 技術效果[30]

周年三季作物收獲后，無論是傳統輪作模式還是優化輪作模式，習慣施氮處理（N1）下TN淋失量均顯著高于優化施氮處理（N2），N2處理可分別減少傳統輪作模式、優化輪作模式全年TN淋失量23.4%和19.3%（表3）。不同蔬菜生長期均以傳統輪作下N1處理的TN淋失量達到最高，分別為38.1、42.3、52.4 kg·hm-2。從時間上看，一年三季作物生長期TN淋失量表現為第三茬（秋季）＞第二茬（春季）＞第一茬（冬季），其中以萵苣季TN淋失量達到最高，分別占全年淋失量的39.5%、39.6%、46.9%和49.0%。與傳統輪作模式相比，優化輪作模式可分別減少N1和N2處理下全年TN淋失量41%和38%。與減量施氮措施相比，改變輪作模式對TN淋失量的阻控效果更加顯著。

與N1處理相比，N2處理可顯著提高農民傳統輪作模式下一年三季作物產量，增產幅度分別為10.4%、9.6%和3.6%；優化輪作模式下也表現出同樣的增產趨勢，三季作物可分別增產13.5%、3.2%和5.5%（表4）。從全年經濟效益來看，在相同施氮處理下，優化輪作模式的經濟效益顯著高于傳統輪作模式，其中以優化輪作模式+減量施氮處理最高，達5.19×105元·hm-2，與傳統輪作模式+習慣施氮處理相比，可直接增加經濟效益1.17×105元·hm-2，最大經濟效益提高29%。

表2 生物炭施用對稻季不同肥期及全生育期氨揮發累積損失量的影響Table2 Effects of biochar application on the NH3volatilization and yield-scale NH3losses from rice paddy soils

表3 不同輪作模式下各生長期總氮淋失量變化Table3 The total N leaching loss at the different vegetable growth season

2.2 機械起壟側條施肥技術

蔬菜產業高投入高產出的密集型生產特點，導致蔬菜生產過程中需要大量的肥料和勞動力投入。太湖地區菜地每季蔬菜作物N肥施用量為600～750 kg N·hm-2[31]，周年施氮量高達1800～2250 kg N·hm-2，是該地區稻麥輪作體系 500～600 kg N·hm-2下的 3～4倍[32]。施入土壤中的化肥N僅10%～18%被蔬菜作物吸收利用，45%～50%流失進入環境，對環境造成嚴重威脅[33]。有研究表明N肥起壟條施可提高肥料利用率，增加水稻、小麥、夏玉米、油菜等大田作物產量，減少氨揮發，且不同壟寬對作物產量也有顯著影響[34-35]。N肥起壟條施管理措施在露天菜地化肥減施增效上應用潛力巨大，但對勞動力需求增多，與農村勞動力日益匱乏的現狀相沖突。在日本等農業發達國家，農業機械化高度發展，而國內適用于蔬菜作物的機械化技術相對短缺。為發展資源節約、環境友好的現代農業，我國農業部提出推廣機械深施等技術。然而，該技術在我國蔬菜生產體系應用的適地性、經濟和環境效應如何尚不清楚。為此，以我國大面積栽培的蔬菜品種大白菜為供試蔬菜作物，通過連續兩年的田間試驗，研究機械起壟側條施肥技術在太湖地區大白菜生產中合適的壟寬和該壟寬下對大白菜產量、經濟效益和氨揮發的影響[36]。

2.2.1 技術原理

用側條施肥機械將肥料一次集中施于作物根系一側5～8 cm深處，使肥料呈條狀集中而不分散，形成一個貯肥庫逐漸釋放供給作物生育需求。

2.2.2 技術參數優化[36]

表4 不同輪作模式下蔬菜產量和年經濟效益Table4 Vegetable yields and economic benefit at the different growth season

2015年田間試驗設置4個處理：習慣施氮量下，人工起寬壟撒施處理（N480+HW）；習慣施氮量下，機械起寬壟側條施處理（N480+MW）；減氮處理下，機械起寬壟側條施處理（N340+MW）；減氮處理下，機械起窄壟側條施處理（N340+MN）；其中，習慣施氮量和減氮處理的施氮量分別為340 kg N·hm-2和480 kg N·hm-2；寬壟和窄壟的壟寬設置分別為55 cm和35 cm。2016年田間試驗設置了4個處理：不施化肥氮(N0+HW)；習慣施氮處理（N480+HW）；減氮處理（N340+HW）和機械起壟側條施+減氮處理（N340+MW）。每個處理3次重復，隨機區組排列。兩年的基施氮肥均為復合肥（N-P2O5-K2O含量為10%-10%-10%），各處理有機肥、磷和鉀肥用量相同，起壟前按腐熟雞糞（含N 2.2%）120 kg N·hm-2、280 kg P2O5·hm-2（鈣鎂磷肥）和280 kg K2O·hm-2（硫酸鉀）作基肥一次性施入，大白菜蓮座期各小區人工追施1次尿素，用量為200 kg N·hm-2。收獲時大白菜每小區全部稱重計產，采用PVC管雙層海綿吸收-通氣法測定土壤氨揮發[14]。

2.2.3 技術效果[36]

3組55 cm寬壟處理（N480+HW、N480+MW和N340+MW）的產量都顯著高于35 cm窄壟處理N340+HW，同等施肥量條件下55 cm寬壟種植模式可以顯著提高大白菜產量15.4%（圖3）。與農戶傳統習慣施肥處理N480+HW相比，機械起壟側條施肥處理N340+MW可以在減少30%化肥氮的基礎上保證大白菜產量。綜合以上結果可以初步判定機械起壟側條施肥技術適用于太湖地區露天大白菜生產，55 cm壟寬為當地最適生產參數。

與不施化肥氮對照處理相比，施用化肥氮處理的土壤氨揮發累積量顯著增加15.4～86.9 kg N·hm-2，農民傳統施肥方式N480+HW處理，氨揮發損失量為101.5 kg N·hm-2，占總施氮量的16.9%。N340+HW處理的氨揮發損失為61.3 kg N·hm-2，比農民傳統施肥方式減少氨揮發損失40.2 kg·hm-2，表明減少施肥量可顯著降低太湖地區蔬菜體系的氨揮發損失。N340+MW處理氨揮發較N480+HW和N340+HW處理分別降低了70.5%和51.1%，表明機械起壟側條施技術可顯著降低太湖地區蔬菜體系的氨揮發損失（圖4）。

圖3 不同處理下大白菜的產量Figure3 Yield of Chinese cabbage in different treatments

圖4 不同處理氨揮發Figure4 Ammonia volatilization in different treatments

2.2.4 經濟效益

在大規模種植條件下，與傳統人工種植方式相比，機械起壟側條施肥可顯著降低生產成本（表5），與農戶傳統施肥處理N480+HW相比，N340+MW處理減少30%化肥氮使用，每公頃減少肥料成本投入3594元，每公頃減少勞動力成本投入1600元。在降低生產成本的同時，N340+MW處理獲得最大商品產量，產值最高。與傳統種植方式N480+HW相比，機械起壟側條施肥N340+MW處理純利潤增加58.3%，實現了太湖地區露天大白菜生產體系的氮肥減施減排增效。

表5 不同處理的經濟效益比較Table5 Economic profit comparisons in different treatments