不同供氮量對水稻土壤無機氮殘留、氮平衡及產(chǎn)量的影響

張彬,魏文武

不同供氮量對水稻土壤無機氮殘留、氮平衡及產(chǎn)量的影響

張彬,魏文武

眉山職業(yè)技術學院, 四川 眉山 620010

本文以不施肥試驗地設置供氮梯度試驗（CK），研究了不同供氮量（N1 40 kg·hm-2、N2 80 kg·hm-2、N3 1200 kg·hm-2、N4 160 kg·hm-2、N5 200 kg·hm-2、N6 240 kg·hm-2）對水稻地上部生物量累積、氮素吸收、土壤無機氮殘留和土壤氮素平衡的影響，可為集約化農(nóng)田最大化發(fā)揮化肥生態(tài)效應和優(yōu)化氮素管理提供理論依據(jù)和技術參考。結果表明：施氮對水稻生物量積累和氮素吸收利用有明顯的影響，與不施氮對照相比，施氮處理顯著增加了水稻生物量、氮濃度、吸氮量增幅分別為31.69%~109.83%、15.08%~103.17%和54.18%~395.24%，其中N4水平增加量最大，之后有所降低；氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力氮濃度隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢。整體上，土壤剖面無機氮含量自上而下呈現(xiàn)由高到低的變化，不同施氮處理間的差異主要體現(xiàn)在10 cm；0~50 cm剖面無機氮含量隨施氮量增加顯著增加，其中施氮量在240 kg·hm-2間增加緩慢，施氮量高于160 kg·hm-2后快速增加。從氮素主要的輸入輸出項來看，不同處理均有不同程度的盈余，大部分盈余氮素均在土壤0~50 cm剖面出現(xiàn)不同程度的累積。水稻土壤無機氮吸收量隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大，水稻土壤無機氮殘留量呈相反的變化趨勢。水稻有效穗、單株穗、結實率、產(chǎn)量和收獲指數(shù)均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大，之后有所降低。以上結果說明氮素對水稻生物量累積和氮素吸收利用起到一定的促進作用，但在施氮量高于160 kg·hm-2后促進作用有所降低。綜合考慮綠肥的農(nóng)學和環(huán)境效應，水稻種植體系中土壤供氮量應控制在160 kg·hm-2左右。

供氮量; 水稻; 無機氮; 氮平衡; 產(chǎn)量

工業(yè)革命在推動社會生產(chǎn)效率提升方面產(chǎn)生了無可替代的作用，隨著人類資源利用方式的增多，多種礦物燃料等投入使用[1,2]，但是由于不合理的開發(fā)利用及燃料利用水平等原因制約，在此過程中不少環(huán)境問題難以避免地產(chǎn)生了[3]，尤其是水、大氣污染方面的問題，這對于人類的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴重制約。尤其是燃料在燃燒過程中難以避免地產(chǎn)生或多或少的氮成分[4,5]，這是大氣中氮含量的主要來源之一，此外，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用了不少化肥，在此過程中將會產(chǎn)生大量的含氮化合物[6]，這些都明顯地增加了大氣氮沉降。目前，該問題已成為全球性環(huán)境問題之一，歐洲、美國及中國成為氮沉降問題突出的國家[7,8]，較高含量的氮成分會加劇土壤的礦化速率，長期以來將會加劇土壤酸化；對于植物生長而言，氮是其必需元素之一，對于調(diào)節(jié)土壤起著重要作用，能夠較為有效地調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)，進而對作物生長產(chǎn)生較大影響[9]。

自古以來我國就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，在近代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中化肥逐漸出現(xiàn)，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用，一定程度上在增產(chǎn)增收方面作用顯著[10-12]，對于肥力較差土壤的肥力提升起著重要促進作用。施用氮肥作為培肥的重要手段，能夠?qū)⑼寥烙袡C質(zhì)含量予以提升，促進微生物新陳代謝，很大程度上能夠保持土壤活力[13]，因此使用較為廣泛。對于水稻生產(chǎn)而言，其對氮素的需求較為明顯，土壤無機氮能夠為之提供較充分的氮含量，此外，綠肥礦化氮也為之提供了較多氮素，通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，我國農(nóng)田施肥明顯存在過量的問題，在作物收割以后，土壤中依然存在較大的氮留存，尤其是無機氮，這是主要的氮源之一[14,15]，當?shù)仉y以充分滿足作物所需的時候，作物生長受限，且不利于土壤肥力及活性的保持，土壤生物量也將下降[16,17]，但是氮素含量過大的情況下土壤氮含量超標問題突出，因此保持土壤氮含量平衡能夠促進作物生長的同時促進土壤肥力和活性的保持。基于此，本研究將從不同氮含量稻田來探究其對土壤及作物的影響，為了強化對照效果，將不施用氮肥樣地作為對照組CK，供氮量40 kg·hm-2作為低氮區(qū)N1，并在此基礎上成倍數(shù)遞增，分別設置為樣地N2、N3、N4、N5、N6，其中N6的供氮量達到240 kg·hm-2，然后分別探討其對生物量及土壤氮素平衡的影響，進而為農(nóng)田的集約化經(jīng)營提供有益參考，進一步發(fā)揮氮肥的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本實驗選擇在四川農(nóng)業(yè)大學進行，并從2015年開始進行連續(xù)三年的實地研究，該實驗區(qū)域呈現(xiàn)明顯的溫帶大陸性氣候特點，其年均氣溫近12 ℃，擁有長達2600 h的日照時數(shù)，其降雨主要集中在夏季三個月，由于其光照充足，其無霜期超過了290 d。本研究區(qū)域為稻田，以潮土為主，從地表向下50 cm深度呈現(xiàn)典型的壤土特點，其pH值達到6.3，有機質(zhì)、全氮含量分別12.1、1.5 g·kg-1，而堿解氮、速效磷及鉀分別為8.2、15.9、65.1 mg·kg-1。

為了比較不同氮含量的影響，特設置對照組CK，供氮量40 kg·hm-2作為低氮區(qū)N1，并在此基礎上成倍數(shù)遞增，分別設置為樣地N2、N3、N4、N5、N6，其中N6的供氮量達到240 kg·hm-2，要求樣地的長、寬均為2 m，并在各樣地之間間隔 1 m以區(qū)分，為了提升實驗準確性，特進行3次重復，各樣地的磷、鉀使用分別為150、125 kg·hm-2，在進行播種之前進行土壤旋耕處理，施用的底肥為尿素及硫酸鉀；正式的播種日期為2015年9月15日，行距要求不低于15 cm，最后進行平耙處理，采取大田管理模式。

1.2 測定方法

1.2.1 植株生物量和吸氮量對生物量的測定選擇在盛花期，各樣地收獲后進行測產(chǎn)，首先將樣地的植株全部貼地刈割后稱重，做好記錄；接下來要隨機選擇一部分進行稱鮮重，然后需要將其烘干，要求溫度達到70 ℃，待其達到恒重狀態(tài)后再次稱量，接下來進行粉碎處理后進行氮素指標測定，具體借助于消煮法。生物量鮮重可以在鮮重和面積的基礎上計算得到，干重可由鮮重的基礎上去除水分含量得到，吸氮量的計算建立在氮含量及生物量的基礎上。

1.2.2 氮素利用效率計算對氮素利用相關的效率計算如下[18]：氮吸收效率=吸氮量差/施氮量×100%；

氮利用效率=產(chǎn)量差/施氮量；氮偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

1.2.3 土壤無機氮含量為了對土壤有機氮進行相應的測定，在不同土壤深度進行土樣采集，過篩后混合，并從中取樣30 g進行水分測定，具體采取烘干法；取樣10 g進行無機氮測定，具體采用浸提法，并借助于流動分析儀開展具體指標測定。

1.2.4 氮平衡計算對氮平衡的計算如下[19,20]：氮平衡等于氮素投入與產(chǎn)出之差；氮素投入等于施氮量加上播種前的無機氮含量；氮素產(chǎn)出等于地上部吸氮量加上收獲后的氮含量；氮盈余等于施氮量與地上部吸氮量之差。

首先對所獲取的數(shù)據(jù)進行整理，之后借助于SPSS 21.0開展相應的分析檢驗，檢驗水平為0.05。

采用Excel 2007.00和SPSS 15.00數(shù)據(jù)統(tǒng)計和單因素方差分析（One-way ANOVA），多重比較法檢驗各處理間差異顯著（置信水平設置為95%，<0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同供氮量對水稻生物量累積和氮素吸收利用的影響

由表1可知，施氮對水稻生物量積累和氮素吸收利用有明顯的影響。與不施氮對照相比，施氮處理顯著增加了水稻生物量、氮濃度、吸氮量增幅分別為31.69%~109.83%、15.08%~103.17%和54.18%~395.24%，其中N4水平增加量最大，之后有所降低；氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力氮濃度隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢，其中N4水平增加量最大，之后有所降低，氮素吸收率變化范圍在18.98%~36.02%，氮素利用率變化范圍在32.49%~53.06%，氮素偏生產(chǎn)力變化范圍在9.48%~28.19%。以上結果說明氮素對水稻生物量累積和氮素吸收利用起到一定的促進作用，但在施氮量高于160 kg·hm-2后促進作用有所降低，而且將顯著降低氮素利用效率。

表 1 不同供氮量對水稻生物量累積和氮素吸收利用的影響

2.2 不同供氮量對土壤無機氮含量和分布的影響

圖 1 不同供氮量對土壤無機氮含量和分布的影響

由圖1可知，施氮對水稻土壤無機氮含量及其剖面分布有顯著影響。整體上，土壤剖面無機氮含量自上而下呈現(xiàn)由高到低的變化，不同施氮處理間的差異主要體現(xiàn)在10 cm，尤以10 cm差異明顯，50 cm無機氮含量趨于一致，說明在本研究中不同供氮量對深層土壤無機氮淋洗發(fā)生較少；0~50 cm剖面無機氮含量隨施氮量增加顯著增加，其中施氮量在240 kg·hm-2間增加緩慢，施氮量高于160 kg·hm-2后快速增加。

2.3 不同供氮量對水稻氮素平衡的影響

本研究中土壤為多年不施肥土壤，氮素供應較低，不同施氮處理能較好地反映土壤的供氮不同水平。水稻生長季不同供氮量下氮素平衡計算結果表明（表2），受基礎地力和綠肥生長季環(huán)境條件的影響，土壤礦化來源氮素較低，僅為9.87 kg·hm-2；盡管氮濃度逐漸增加趨勢，但至80 kg·hm-2施氮量后氮平衡保持穩(wěn)定，從氮素主要的輸入輸出項來看，不同處理均有不同程度的盈余，大部分盈余氮素均在土壤0~50 cm剖面出現(xiàn)不同程度的累積；包含土壤無機氮含量在內(nèi)的氮素整體平衡呈現(xiàn)虧缺-基本平衡-盈余的階段特征。以上結果整體上說明，在施氮量低于80 kg·hm-2時，吸氮量較低，整體氮素平衡為負值，消耗土壤氮庫；在施氮量高于80 kg·hm-2時，吸氮量變化不大，整體氮素平衡為正值，補充土壤氮庫，在80~160 kg·hm-2土壤氮素基本平衡，但氮素表觀損失量在施氮量高于160 kg·hm-2后迅速增加。

表 2 不同供氮量對水稻氮素平衡的影響

2.4 不同供氮量對無機氮吸收量和殘留量影響

由圖2可知，水稻土壤無機氮吸收量隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大，之后有所降低，呈倒V型變化規(guī)律，水稻土壤無機氮殘留量隨著氮濃度的增加呈先降低后增加趨勢，呈V型變化規(guī)律，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最低。

圖 2 不同供氮量對無機氮吸收量和殘留量影響

2.5 不同供氮量對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響

表3可知，水稻有效穗隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大（367.02），之后有所降低，其變化范圍在342.11~367.02×104hm-2之間；水稻單株穗隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大，之后有所降低，其變化范圍在98.03~105.42之間；結實率隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大，之后有所降低，其變化范圍在71.53~79.02%之間；千粒重隨著氮濃度沒有明顯的變化趨勢，其變化范圍在24.01~24.97 g之間；產(chǎn)量隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大，之后有所降低，其變化范圍在6023.58~6519.41 kg·hm-2之間；收獲指數(shù)隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢，在氮濃度達到160 kg·hm-2時達到最大，之后有所降低，其變化范圍在0.49~0.53之間。

表 3 不同供氮量對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響

3 討論

通過研究發(fā)現(xiàn)，在施氮影響之下水稻的生物積累量明顯提升，其最大增幅接近于109%，而其最小增幅也超過了31%，其中N4處理下達到最大增幅，之后呈下降趨勢；另外，在施氮影響之下，水稻氮吸收能力也受到了明顯影響，吸氮量的最大增幅達到了395%，而其最小增幅也超過了54%，且在N4達到最大增幅；此外，氮濃度也受到明顯的影響，其最大增幅達到了103%；整體來說，在施氮量不斷提升的情況下，氮素的吸收及利用率先升后降，氮濃度的變化趨勢亦是如此。在氮供應明顯增多的情況下，生物量并不會隨之呈現(xiàn)上升，而是在上升到一定程度后出現(xiàn)下降，主要原因在于氮供應過量的情況下群體競爭將會加劇，對于光合效應具有制約作用。對于稻田土壤無機氮而言，其吸收量在氮濃度不斷增加的情況下也是呈現(xiàn)先升后降的發(fā)展趨勢，且在N4處理下達到最高水平，整體來說呈現(xiàn)倒V型變化。氮殘留的變化趨勢則剛好與之相反，其變化走勢為先降后升，且依然是在N4處理下達到最高水平。

較高含量的氮成分會加劇土壤的礦化速率，長期以來將會加劇土壤酸化；對于植物生長而言，氮是其必需元素之一，對于調(diào)節(jié)土壤起著重要作用，能夠較為有效地調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)，進而對作物生長產(chǎn)生較大影響。通過連續(xù)三年的觀測研究發(fā)現(xiàn)，在氮供應量不同的情況下，土壤特性也發(fā)生了較大變化，尤其是其理化特征及養(yǎng)分方面[21,22]，同時水稻的干物質(zhì)積累也受到了明顯影響，稻產(chǎn)最終也受到了影響[16-18]。在氮濃度不斷上升的情況下，水稻穗的有效率和結實率軍事先升后降，且在N4處理下達到最高水平，之后出現(xiàn)明顯的降低，其產(chǎn)量變化亦是如此，主要原因在于適度的氮供應能夠改善土壤結構，利于土壤肥力和活性保持，增加土壤有機質(zhì)等含量，促進土壤養(yǎng)分積累，從而增加了水稻對營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率，促進水稻光合作用以獲取更多的能量，因此能夠促進水稻產(chǎn)量的提升，但是當?shù)窟^大的情況下，土壤氮含量超標問題突出，最終受損的是土壤結構及養(yǎng)分保持，最終制約水稻產(chǎn)量的提高。綜合來看，對于水稻種植而言，其土壤供氮量在160 kg·hm-2的水平時能夠促進水稻生產(chǎn)。

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Effects of Different Nitrogen Supply Levels on Soil Inorganic Nitrogen Residue, Nitrogen Balance and Yield of Rice

ZHANG Bin, WEI Wen-wu

620010,

With no fertilizer testbed Settings for nitrogen gradient test (CK), was studied for different nitrogen (N1 40 kg·hm-2, N2 80 kg·hm-2, N3 1200 kg·hm-2, N4 160 kg·hm-2, N5 200 kg·hm-2, N6 240 kg·hm-2) accumulation of above ground biomass, n uptake of rice and soil inorganic nitrogen residue and soil nitrogen balance, for maximum intensive farmland exert the ecological effect of fertilizer and optimized nitrogen management to provide theoretical basis and technical reference. The results showed that nitrogen application had a significant impact on the biomass accumulation and nitrogen absorption and utilization of rice. Compared with the control group without nitrogen application, nitrogen application significantly increased the biomass, nitrogen concentration and nitrogen uptake of rice by 31.69%, 15.08%, 103.17% and 54.18%, respectively.The nitrogen absorption rate, nitrogen utilization rate and nitrogen partial productivity concentration increased first and then decreased with the increase of nitrogen application.On the whole, inorganic nitrogen content in soil profile changed from high to low from top to bottom.The inorganic nitrogen content in the 0-50 cm profile increased significantly with the increase of nitrogen application, in which the nitrogen application increased slowly between 240 kg·hm-2and rapidly after the nitrogen application was higher than 160 kg·hm-2. From the perspective of the main input and output terms of nitrogen, different treatments had different degrees of surplus, and most of the surplus nitrogen showed different degrees of accumulation in the 0-50 cm section of soil.The inorganic nitrogen absorption in rice soil first increased and then decreased with the increase of nitrogen concentration, and reached the maximum when the nitrogen concentration reached 160 kg·hm-2, and the inorganic nitrogen residue in rice soil showed an opposite change trend. Rice effective panicle, panicle per plant, seed setting rate, yield and harvest index all increased first and then decreased with the increase of nitrogen concentration, and reached the maximum when the nitrogen concentration reached 160 kg·hm-2, and then decreased.The above results indicated that nitrogen promoted the biomass accumulation and nitrogen absorption and utilization of rice to a certain extent, but the promotion decreased after the nitrogen application amount was higher than 160 kg·hm-2. Considering the agronomic and environmental effects of green manure, soil nitrogen supply should be controlled around 160 kg·hm-2in the rice planting system.

Nitrogen supply levels; rice; soil inorganic nitrogen residue; nitrogen balance; yield

S665.1

A

1000-2324(2019)04-0566-05

2018-04-12

2018-05-28

眉山職業(yè)技術學院2015年科研課題:東坡區(qū)耕地重金屬污染調(diào)查研究(15KY10)

張彬(1974-),女,碩士,講師,研究方向:土壤與肥料. E-mail:zb123196@163.com