淹水條件硝態氮和銨態氮配施對水稻生長與土壤養分的影響①

王曉琪，姚媛媛，陳寶成*，楊越超，劉之廣，朱家輝，周華敏，梁 海，夏秋升，陳劍秋

(1 山東農業大學資源與環境學院，土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018；2 養分資源高效開發與綜合利用國家重點實驗室，山東臨沭 276000)

在我國糧食生產中，水稻占了極其重要的地位。2015 年和2016 年，我國水稻年平均播種面積為3.02×107hm2，占糧食播種面積的27%，平均總產為 2.08×108t，占糧食總產的34%。水稻負擔了我國60%以上人口的主食，并且這一數字還將呈進一步上升趨勢，因此，水稻安全對于維護國家經濟發展和社會穩定有著重要的戰略意義[1-2]。氮是水稻生長和產量形成最重要的營養元素，對產量和品質起著關鍵作用[3]。明確水稻需氮類型、掌握水稻施氮比例，對于氮肥合理施用、水稻提質增量有著重要的現實意義。

水稻利用氮的形態主要有銨態氮和硝態氮，氮素形態很大程度上影響水稻的生長和對氮的吸收，合理施用氮肥對提高水稻產量十分重要[4-5]。以往的研究普遍認為水稻為喜銨作物，對于銨態氮的需求高于硝態氮[6-11]，但也有研究表明，雖然稻田土體中的無機氮以銨態氮為主，但水稻根系實際上是一直處于一種硝態氮、銨態氮混合營養之中，水稻根系的泌氧作用，使得水稻根際土壤存在較強的硝化作用[12]，銨態氮在根表或根際一旦氧化為硝態氮就會被水稻根系吸收進去[13]。不僅如此，大量的溶液培養試驗表明，水稻在硝態氮、銨態氮1：1 的營養液中生長狀況最好，增硝營養效果明顯[14-16]。

前人對水稻氮素形態的研究大多集中于實驗室培養，硝態氮、銨態氮摻混比例也多為單一梯度。為進一步研究不同氮素形態在淹水條件下對水稻生長的影響，試驗采用大田栽培的方式，通過單獨施用硝態氮、銨態氮以及硝態氮、銨態氮按1︰3、2︰2、3︰1比例摻混的方式，探究不同氮素形態配施對水稻生長發育和土壤養分含量的影響，以期探明硝態氮、銨態氮在水稻施肥上的最佳配比，為農民科學施肥、減少氮素損失提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2014 年在濟南市濟陽縣水稻科技示范基地進行(36°98′N，117°22′E)，屬于暖溫帶大陸性季風氣候。水稻種植的5—10 月期間平均氣溫為26 ℃，平均降雨量為600 mm，試驗用地毗鄰黃河，灌溉充足，也是“黃河大米”的主要產區。供試土壤類型為黏壤質水稻土，其基本理化性狀如下：pH 6.99(水土比5︰1)，有機質含量11.86 g/kg，全氮含量1.24 g/kg，有效磷含量24.30 mg/kg，速效鉀含量80.57 mg/kg。供試水稻品種選用‘圣稻13’，屬中晚熟常規粳稻，生育期為156 d。試驗中的硝態氮全部由硝酸鈣(N 15.5%)提供，銨態氮全部由氯化銨(N 25%)提供，其他供試肥料分別為普通尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O515.5%)、氯化鉀(K2O 60%)。所有肥料均來自金正大生態工程集團股份有限公司。

1.2 試驗設計

試驗為大田小區試驗，小區長為8 m，寬為2 m，小區內部劃分為收產區和取樣區兩個子區。為保證各試驗處理單獨排灌，在各試驗小區之間筑起寬30 cm、高30 cm 的土埂，并在施肥前用塑料薄膜包裹嚴密，邊緣深埋入土壤40 cm。試驗共設7 個處理(表1)，重復3次，總計21 個小區，各小區隨機排列。6 月25 日撒施基肥，基肥施用方式為撒施后翻耕15 cm 入土。施肥后進行灌溉，平整土地后插秧，水稻行距30 cm，株距16 cm，每墩4 株水稻苗。整個生育期內水稻的灌溉、除草、病蟲害防治等按常規高產栽培模式進行管理。各小區保持長期淹水狀態，在水稻收獲前15 d 停止灌溉。

表1 試驗處理及肥料施用情況Table 1 Fertilization under different treatments

1.3 樣品采集及測定

分別于7 月11 日(苗期)、8 月12 日(拔節期)、9月7 日(灌漿期)和10 月6 日(完熟期)進行樣品的采集，土樣和植株樣的取樣方法為三點取樣法，并在完熟期進行產量的測定。11 月、12 月對土壤和植株各項指標進行分析化驗。

測定指標和方法為：土壤pH：5：1 水土比，pH計測定；土壤硝態氮與銨態氮：0.01 mol/L 氯化鈣浸提，AA3 流動注射分析儀測定；土壤有機質：重鉻酸鉀-硫酸加熱氧化，硫酸亞鐵滴定；土壤全氮：濃硫酸消煮，Smartchem 200 連續流動注射分析儀測定；土壤有效磷：0.5 mol/L 碳酸氫鈉(pH 8.5)浸提，Smartchem 200 連續流動注射分析儀測定；土壤速效鉀：1 mol/L 醋酸銨(pH 7)浸提，火焰光度計測定；植株全氮：H2SO4-H2O2聯合消化，凱氏定氮法測定；植株葉片SPAD 值：SPAD-502 葉綠素儀(由日本Minolta 公司生產)測定；株高：直尺測量；產量：實打實收、稱重測產。

氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮區作物籽粒產量-對照區作物籽粒產量)/施氮量；氮肥生理效率(kg/kg)=(施氮區作物籽粒產量-對照區作物籽粒產量)/(施氮區地上部分吸氮量-對照區地上部分吸氮量)；氮肥利用率(%)=(施氮區地上部分吸氮量-對照區地上部分吸氮量)/施氮量×100；增產幅度(%) = (施氮區作物籽粒產量-對照區作物籽粒產量) /對照區作物籽粒產量[17-18]。

1.4 數據分析

相關數據處理采用Excel 2016 和SAS 8.0 軟件進行處理和統計分析，通過ANOVA 進行方差分析，不同處理之間采用Duncan’s Multiple Range Test 方法檢驗各處理平均數在P＜0.05 水平的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤硝態氮含量的影響

水稻整個生育期內土壤中的硝態氮含量呈現先降低后升高的趨勢(圖1)。苗期各處理土壤中硝態氮含量與肥料中的硝態氮添加比例呈正相關，其含量高低為處理N ＞ U ＞ N3A1 ＞ N2A2 ＞ N1A3 ＞ A ＞ CK。水稻幼苗根系缺少硝酸還原酶[19]，生育初期吸收硝態氮的速率較低，土壤中大量硝態氮并不能很好地被水稻吸收，容易造成氮素的浪費；拔節期，A 處理有較高的硝態氮供應水平，但其他施肥處理差異不顯著；待完熟期，土壤中硝態氮含量為處理A ＞ N1A3 ＞N2A2 ＞ N3A1 ＞ U ＞ N ＞ CK，能夠發現，硝態氮、銨態氮配施后隨著銨態氮添加比例的增加，土壤中硝態氮含量卻逐漸增加，說明前期施用的大量銨態氮會導致水稻中后期土壤硝態氮含量升高；而前期硝態氮施用量的增加并不會導致后期土壤中硝態氮水平的提高。隨著水稻的生長發育，水稻體內硝酸還原酶活性會提高，水稻對硝態氮的吸收速率也會逐漸加快[19]，對硝態氮的需求也會增加，由于施用銨態氮比硝態氮更能提高中后期土壤硝態氮含量，因此，銨態氮肥比硝態氮肥更能滿足水稻對硝態氮的需求。整個生育期A 處理的硝態氮供應水平都高于U 處理。

圖1 水稻不同生育期土壤硝態氮含量Fig.1 Soil NO-N contents in different growth stages of rice

圖2 水稻不同生育期土壤銨態氮含量Fig. 2 Soil NH-N contents in different growth stages

2.2 不同施肥處理對土壤銨態氮含量的影響

水稻整個生育期內土壤中的銨態氮呈現先降低、后升高、再降低的趨勢(圖2)，苗期土壤銨態氮含量為處理U ＞ A ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞ N3A1 ＞ N ＞ CK，隨著銨態氮肥施用量的增加，苗期土壤中銨態氮含量也逐漸增加。水稻苗期根部細胞色素氧化酶占優勢，對銨態氮的需求較多[20]，銨態氮的吸收效率也高于硝態氮，因此，銨態氮是水稻苗期最需要的氮素類型[21]。U 處理和A 處理能夠為水稻幼苗提供更充足的氮素供應，為水稻后期的生長打下基礎。至水稻灌漿期，土壤銨態氮含量為處理A ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞ N3A1 ＞U ＞ CK ＞N，說明前期銨態氮肥施用量的增加會提高中后期土壤銨態氮的含量，并維持整個水稻生育期土壤中銨態氮含量在較高水平；而肥料配施后硝態氮肥添加比例的增加自始至終沒有提高土壤中銨態氮的含量。除苗期外，A 處理的銨態氮供應水平都高于U處理。綜合水稻整個生育期銨態氮供用情況，A 處理效果最好。

2.3 不同施肥處理對土壤堿解氮含量的影響

堿解氮包括硝態氮、銨態氮及易水解的有機態氮，它能夠反映土壤近期的氮素總體供應情況，也是作物氮素營養的主要來源[22-23]。整個水稻生育期土壤中的堿解氮含量呈現先降低后趨于穩定的趨勢(圖3)。苗期U 處理堿解氮含量最高，顯著高于其他處理，其次為A 處理，在施氮量相同的條件下A 處理較N處理土壤堿解氮顯著增加了22.22%，因此，施用普通尿素和單施銨態氮較單施硝態氮都能減少施肥后氮素的損失。灌漿期是水稻需肥的關鍵時期，充足的肥料供應是提高水稻產量的重要保證。至灌漿期和完熟期，A 處理土壤堿解氮含量顯著高于CK 處理、U處理、N 處理和N3A1 處理，且兩種肥料配施后，隨著銨態氮添加比例的增加，土壤中堿解氮含量也逐漸增加。綜合水稻的整個生育期，銨態氮施用量大的處理，在水稻中后期土壤堿解氮都能維持在一個較高且相對穩定的水平，比U 處理、N 處理更有利于滿足水稻中后期生長對土壤氮素的需求。

圖3 水稻不同生育期土壤堿解氮含量Fig. 3 Soil alkali-hydrolyzable nitrogen contents in different growth stages

2.4 不同施肥處理對灌漿期水稻功能葉SPAD 值的影響

SPAD 值是反映葉片光合能力的重要指標，水稻灌漿期所需的物質中有 60% ～ 80% 來自光合作用，此時功能葉光合作用的強弱對水稻產量等影響極大[24]。對灌漿期水稻功能葉SPAD 值進行測定(圖4)，N 處理功能葉SPAD 值最低，A 處理較N 處理功能葉SPAD 值顯著提高了6.76%，且兩種肥料配施后隨著銨態氮施用比例的增加，功能葉SPAD 值也逐漸升高。A 處理、N1A3 處理和U 處理功能葉SPAD 值都顯著高于N 處理，說明硝態氮施用量過高會導致葉片光合性能下降，降低功能葉光合能力，不利于水稻后期干物質積累。

圖4 灌漿期水稻功能葉SPAD 值Fig. 4 SPAD values of functional leaves in filling stage

2.5 不同施肥處理對水稻產量及產量因子的影響

收獲后對水稻產量和產量構成因素進行分析(表2)。結果顯示U 處理和A 處理水稻產量效果最好。隨著銨態氮施用比例的增加、硝態氮施用比例的減少，水稻產量呈現逐漸升高的趨勢。水稻產量提高的原因主要為銨態氮提高了水稻的有效分蘗，從而提高了水稻的有效穗數。當銨態氮添加比例由25% 提高至100% 的過程中，N3A1 處理、N2A2 處理、N1A3處理和A 處理較N 處理水稻每公頃有效穗數分別增加了3.28%，16.15%，38.09% 和52.31%；水稻產量分別提高了10.38%，23.50%，49.21% 和60.11%。A處理與U 處理水稻有效穗數和水稻產量沒有顯著差異，施肥后各處理之間穗粒數差異不顯著，但都顯著高于CK 處理。A 處理和N1A3 處理水稻千粒重顯著高于其他處理，這說明充足的銨態氮供應還能使水稻籽粒飽滿。

2.6 不同施肥處理對水稻農學效率、氮肥生理效率及氮素利用率影響

通過計算得出不同施肥處理水稻農學效率、氮肥生理效率和氮素利用率(表3)，結果顯示氮肥農學效率和生理效率的高低都為處理U ＞ A ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞N3A1 ＞ N，農民習慣性施肥情況下氮肥農學效率和氮肥生理效率都最高。氮肥利用率方面，處理A＞ U ＞N1A3 ＞ N2A2 ＞ N3A1 ＞ N，肥料配施后隨著銨態氮施用比例的增加，氮肥利用率也逐漸增加。N 處理氮素利用率為16.14%，遠低于我國水稻平均氮素利用率(28% ～ 41%)，超過80% 的氮素未被水稻吸收而損失；在銨態氮添加比例由25% 提高至100% 的過程中，N3A1 處理、N2A2 處理、N1A3 處理和A 處理較N 處理水稻氮素利用率分別提高了54.55%，70.83%，126.66% 和171.31%。因此得出，相較于硝態氮，水田中單獨施用銨態氮或采用基施+追施的方式施用尿素都能夠減少氮素損失，降低對環境的污染。

表2 水稻產量及產量構成因素Table 2 Rice yields and yield components

表3 不同施肥處理氮素利用率Table 3 Nitrogen utilization rates of different treatments

2.7 不同施肥處理經濟效益

試驗所用肥料的當年價格為：硝酸鈣2 000 元/t、氯化銨800 元/t、普通尿素2 000 元/t。按照該價格計算了各處理產生的經濟效益(表4)，每公頃純收入為處理A ＞ U ＞ N1A3 ＞ N2A2 ＞ CK ＞ N3A1 ＞ N。A 處理純收入最高，為19 745.76 元/hm2，每公頃較CK 處理增收7 546.43 元，較N 處理增收10 952.12 元。因為氯化銨肥料價格較低，A 處理在產量低于U 處理情況下，減少了肥料成本，從而提高每公頃水稻的純收入，最終比U 處理還增收522.91元。N 處理和N3A1 處理不僅沒有顯著提高水稻產量，反而增加了肥料成本，因此經濟效益都低于CK 處理。

表4 不同施肥處理經濟效益Table 4 Economic benefits of different treatments

2.8 水稻產量與硝態氮、銨態氮施用量的關系

通過產量的響應，發現氮素形態在很大程度上影響水稻對氮的吸收和水稻的生長。在0 ～ 180 kg/hm2的氮肥施用量范圍內，將水稻產量、硝態氮施用量、銨態氮施用量通過方程進行擬合(表5)，發現水稻產量(y)與硝態氮施用量(x1)無顯著關系，而與銨態氮施用量(x2)呈極顯著線性關系，水稻產量與銨態氮施用量的相互關系為y= 18.044x2+ 4943.4(R2 = 0.975 3)。這說明隨著銨態氮施用量的增加，水稻產量也隨之增加。

圖5 水稻產量與銨態氮施用量的關系Fig.5Relationshipbetween riceyieldand NH-Namount

3 討論

為研究肥料配施后在土壤中的運移、損失和利用程度。我們模擬了3 種供試肥料施入稻田后主要的轉化過程(圖 6)。硝態氮施入土壤后，由于NO–3帶有負電荷，無法被同樣帶有負電荷的土壤膠粒吸附[25]，因此大多存在于土壤溶液中，并隨土壤水分運動而移動。在長期淹水的環境下，極易被淋洗沖刷到土壤深層，無法被作物吸收利用。除此之外，淹水條件下反硝化作用也經常發生[26]，引起NO–3形成各種不能被作物利用的氮氣或氮氧化物氣體而脫氮損失，從而造成肥料的嚴重浪費，最終導致水稻因缺氮而減產。試驗中單施硝態氮處理中極低的硝態氮、銨態氮含量和水稻產量也證實了這兩方面的原因。

圖6 淹水條件下3 種氮肥在土壤中的主要轉化及損失過程Fig. 6 Main transformation and loss process of three nitrogen fertilizers in soil under flooding condition

淹水條件抑制了硝化細菌的活動，因此，當銨態氮施入土壤后，只有極少部分會轉化為硝態氮。NH4+可以被水稻直接吸收，而剩余的NH4+一部分會被帶負電荷的土壤膠體吸附，另外少部分會在2：1 型黏粒礦物的膨脹性晶格中取代層間的陽離子(如Ca2+、Mg2+、Na+、K+等)，從而固定在土壤中，并隨著時間的推移緩慢地釋放。兩者共同作用減少了氮素的損失與肥料的浪費，因此，銨態氮在氮素供應方面較硝態氮更有長效性，這也與土壤中的硝態氮、銨態氮結果相一致。除此之外，土壤中的銨(NH4+)與氨(NH3)也存在一個不斷相互轉化的過程，二者之間保持著以下平衡：NH4+? NH3+ H+，土壤的pH 決定了反應的平衡方向，在pH = 7 時，NH3約占6%[27]。供試土壤的pH為6.99，可以推斷不會有大量的NH3揮發從而造成環境污染。

尿素很難被水稻根系直接吸收利用。尿素施入土壤后，小部分尿素以分子形態溶于土壤溶液中，并通過氫鍵的作用被土壤吸附，而大部分的尿素都在脲酶的作用下水解成為NH4HCO3和NH4OH[28]，進而以NH4+的形式被水稻吸收或被土壤膠體吸附固定。尿素在20 ℃ 的條件下，只需4 ～ 5 d 便能完全轉化為銨態氮[29]。施肥后至苗期土壤樣品采集之間15 d 的當地平均氣溫為23 ℃，施用于土壤中的尿素在該溫度和淹水條件下轉化速度極快，幾乎全部轉化成為銨態氮。這也揭示了試驗中苗期U 處理和A 處理土壤中銨態氮含量無明顯差異的原因。

張亞麗等[16]研究發現不同形態氮素對水稻生長影響差異顯著，水稻在NH4+：NO–3為50：50 的營養液中生長狀況最好，植株總干重、分蘗數、N 素積累量均最高。段英華等[15]通過液培試驗，研究了增硝營養對常規秈稻、常規粳稻、雜交秈稻、雜交粳稻4種不同基因型的水稻苗期生長和氮素吸收同化的影響。結果表明，增硝態氮營養可以增加水稻葉片的光合速率，促進水稻對氮素的吸收，提高氮素利用率，進而促進水稻生長。大田試驗中，銨態氮在水稻整個生育期內對水稻的生長都起著主要作用，試驗結果存在的差異可能由以下原因造成：大田試驗與液培試驗水稻所處的生長條件不同，且大田中復雜的養分固定機制與微生物活動也與營養液環境存在差異，因此試驗結果也存在差別。

追肥能夠為水稻需氮關鍵時期提供及時的氮素供應。雖然不同類型的水稻品種對氮素的吸收與利用存在差異，但研究者大都認為分蘗期與孕穗期是水稻需氮的最關鍵時期[30]。試驗為系統研究硝態氮、銨態氮及二者按不同比例配施后對水稻整個生育期土壤養分含量變化的影響，除農民習慣性施肥處理外，其他配施處理的肥料施用方式均設置為一次性基施且不再追肥，但這與實際生產中水稻的需肥規律不完全相符，在水稻需肥的關鍵時期可能存在氮素供應緊張、水稻后勁不足的情況。本試驗條件中，在無需追肥的情況下，單獨施用銨態氮的處理水稻產量就與農民習慣性施肥處理持平，并因為其肥料價格低廉、減少追肥次數從而提高了純收入。可以推斷，如果與農民習慣性施肥方式一致，銨態氮也采用基施+追施的施肥方式，產量與經濟效益還會有進一步的提升，但仍需要進一步試驗來確定該推斷增產潛力如何。

4 結論

銨態氮對整個生育期內水稻的生長起著主要作用，單施銨態氮土壤氮素供應狀況好于其他施肥處理，在整個水稻生育期特別是中后期能為水稻提供充足的氮素來源，使土壤硝態氮、銨態氮和堿解氮含量都維持在較高水平。當銨態氮的配施比例由25% 增加到75% 的過程中，水稻的產量提高了35.18%，氮素利用率提高了46.67%，每公頃產生的經濟收益增加了6 820.15 元。單施銨態氮處理較單施硝態氮處理每公頃增產3 068.71 kg，增收10 952.12 元，并因肥料價格低，減少了追肥次數，較農民習慣性施肥處理每公頃還能額外增收522.91 元。

水稻產量(y)與硝態氮的施用量無相關性，與銨態氮施用量(x2)呈顯著正相關，二者之間函數關系為y= 18.044x2+4 943.4(R2= 0.975 3)，銨態氮提高水稻產量的方式主要是提高了水稻有效分蘗和氮素利用率。本試驗條件下，綜合水稻長勢、產量、氮素利用率和純收入各項指標，淹水條件下建議單獨施用氯化銨肥料，但同時也須兼顧肥料施用與肥料運輸、氨揮發損失以及堿性土壤鹽漬化加劇之間的平衡。