長江流域水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效綜合調控

李小坤，任濤，魯劍巍

華中農業大學資源與環境學院/農業農村部長江中下游耕地保育重點實驗室/國家環境保護土壤健康診斷與綠色修復重點實驗室/華中農業大學微量元素研究中心，武漢 430070

水稻是我國主要糧食作物之一，約占糧食總產量的40%。稻米是人們賴以生存的主食。水稻生產的可持續發展不僅擔負著確保國家糧食安全的重任，而且肩負著實現種糧增產增效、農民增收和全面推進新農村建設的重大使命[1]。我國水稻種植分布在長江流域、東北平原和東南沿海等區域，其中長江流域是最大的水稻生產區[2]。中國農村統計年鑒數據顯示，長江流域水稻播種面積約2 000萬hm2，總產量1.38億t，均占全國總量的2/3左右[3]。促進長江流域水稻產業的可持續發展，對提升水稻產業技術進步，保障國家糧食安全具有重要作用[2]。增加稻田復種指數和科學施肥是提高稻田生產力的重要措施[4]。

水旱輪作是增加稻田復種指數的基本方法[5]。根據旱地作物的不同，水旱輪作的主要種植方式包括油菜-水稻、小麥-水稻、綠肥-水稻等[6]。水旱輪作體系的典型特點是作物系統的水旱交替導致了土壤系統在不同作物間的干濕變化，直接影響著土壤養分的遷移、形態轉化和積累，進而決定著養分資源的吸收利用，構成獨特的土壤肥力和生態環境[7-8]。由于集約化程度高，在功能上無論是物質循環還是能量轉化強度都高于旱地和濕地[9]。施肥是維持和提升稻田系統生產力的物質基礎[10]。近幾十年來，我國水稻產量的不斷增加得益于化肥，尤其是氮肥的施用。調查分析結果顯示，我國水稻氮肥的平均施用量為180 kg/hm2，比世界平均用量高75%左右[11]。氮肥的施用顯著提高了稻田生產力，但是過量和不合理的施用不僅造成氮肥利用率低、作物品質和經濟效益差，而且導致養分在環境中不斷累積，影響大氣、水體質量和人畜健康[5]。減少農業生產中氮肥等養分資源的過量投入并持續提高作物的產量，保障國家糧食安全是未來實現農業綠色發展面臨的重大挑戰[12]。

長江流域也是我國油菜主產區，該區油菜種植面積600多萬hm2，占全國油菜面積的80%左右。油菜與水稻實行復種輪作便于利用土地，合理安排作物布局，發展糧食和油料生產[13]。由于氮素管理方面過度依賴于對化肥氮本身的調控，水稻-油菜輪作體系仍然存在氮素投入高、利用率低、損失嚴重等問題。本文以筆者所在團隊多年的研究結果為主并結合相關文獻資料，對土壤無機氮庫調控、土壤有機碳庫調控、高產高效栽培技術等協同優化建立綜合調控模式進行總結，以期為水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效提供理論與技術支撐。

1 水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效主要限制因子

1.1 耕層土壤有機碳/氮含量低

土壤有機質和土壤全氮是反映土壤肥力的重要指標[14]。有機質除了改善土壤物理性質、化學性質和生物性質，如土壤緩沖性能，吸附、離子交換性能和絡合能力等作用外，還含有作物生長發育所需要的多種養分，是包含氮素在內的許多營養元素的主要場地。土壤表層中約有80%～97%的氮存在于土壤有機質中。土壤全氮由有機氮和無機氮組成，在一定程度上可以代表土壤的供氮水平。土壤全氮含量相對穩定，但也處于動態變化之中。20世紀60年代，長江流域土壤有機質和全氮平均含量分別為18.3、1.2 g/kg；21世紀初，有機質和全氮平均含量分別為26.1、1.5 g/kg，均有增加的趨勢[15]；2018年，430個土壤樣本分析結果顯示，有機質和全氮平均含量分別為25.9、1.47 g/kg，近20年來無顯著變化[16]。長江流域水旱輪作區耕層土壤有機質和全氮含量低，在長期水稻-油菜輪作種植下不能連續提供足量的養分[17]。

1.2 秸稈還田增碳與溫室氣體增排的矛盾突出

水稻-油菜輪作體系油菜季土壤氮殘留較多[18]，干濕交替導致累積氮的大量損失[19]。秸稈還田可顯著降低油菜收獲后的土壤硝態氮殘留，提高作物產量和含氮量，增強土壤微生物氮素固持能力，有效降低土壤氮素流失風險[20]。秸稈還田是水稻生產中普遍采用的一項措施，具有固碳和促進養分元素循環、減少生產中的化肥施用等生態環境功能，但亦存在溫室氣體排放問題。逯非等[21]研究發現由于秸稈還田增加排放的CH4所導致的全球增溫潛勢平均為土壤固碳減排潛勢的2.18倍，而在湖南和江西等亞熱帶雙季稻區的結果顯示這個比值達3.50～5.24。可見，秸稈還田增碳與溫室氣體排放加劇的矛盾突出。如何做到既增碳又減少CH4和NO2的排放呢？或者如何實現提高稻田土壤有機質含量進而達到土壤固碳減排增匯和增產的作用？有待進一步研究[22]。

1.3 氮肥施用不合理

調查分析發現，長江流域油菜生產中的氮肥用量<150 kg/hm2和>270 kg/hm2的農戶比例分別為47.4%和15.8%，施用過量和不足的現象均非常普遍；而且氮肥品種(養分形態)、施肥方式、施用時期等也存在一些問題，如施用最普遍的氮肥品種是尿素和復合肥，硼肥的施用比例較低；施肥方式多采用撒施；氮與磷、鉀養分比例不協調；普遍追肥1次，氮肥的基施比例不合理等，限制了產業的發展[23]。密度是影響作物產量的重要因素，歐洲、加拿大和澳大利亞適宜的油菜種植密度為50～80 株/m2，而長江流域密度則僅為30～59 株/m2[24]。水稻種植逐漸向機械化和規模化方向發展，而機械化種植和耕作技術的結合不夠緊密，稻田機械平地質量較差，從而造成機插效果不佳[25]。水稻的氮肥利用率相對較低，其主要原因可能與氮肥施用量較高(與生產水平相當的國家相比高30%～50%)而產量相對較低，過量的氮肥投入導致大量的氮素通過氨揮發、反硝化、徑流和淋溶等途徑損失。另外，氮肥運籌不合理(前重后輕)、中期曬田(氮素損失加劇)、高產水稻品種的推廣應用(耐肥性強)等也是導致水稻氮肥利用率低的重要原因[26]。可見，改進水稻-油菜輪作體系氮肥施用技術和優化栽培管理措施對實現作物的高產和高效同樣重要。

2 水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效調控途徑

2.1 周年養分運籌

1)水稻季氮素總量控制、分期調控。根據目標產量和不同產量水平下單位產量水稻吸氮量確定全生育期施氮量，即總量控制。根據關鍵生育期水稻長勢調整追肥用量，進行分期調控。研究結果表明，與習慣施肥處理相比，水稻季氮素總量控制、分期調控處理增產142.2～415.1 kg/hm2；氮肥利用率、肥料偏生產力均有一定程度的提高[27]。利用氮肥總量控制、分期調控技術和有機肥適量替代化肥的優化管理措施可以在減少氮肥用量的基礎上，實現養分供應與氮素需求的同步，促進水稻對氮素的吸收、積累和轉運，有利于干物質的積累，最終協同提高水稻產量和氮肥利用率[28]。

2)油菜季根層氮素養分管理。不同生長發育階段，氮素的推薦用量由氮素目標供應值扣除施氮前根區土壤無機氮(Nmin)供應值后確定。準確的氮素供應目標值就顯得非常重要，這是基于土壤Nmin測試進行氮肥推薦的前提條件。研究表明[29]，油菜越冬期、蕾薹期、花期和成熟期前的土壤Nmin分別為63～71、47～51、72～75和54～56 kg/hm2。與習慣施肥(編號FN)處理相比，2011-2012年，在產量無顯著差異的條件下，目標氮素(編號SN)處理氮肥投入量減少了42.2%；2012-2013年，SN處理的氮肥用量增加了53 kg/hm2，但產量增加了11.9%(P<0.05)。兩季平均結果顯示，SN處理可以在穩產的條件下(與FN處理相比無顯著差異)減少氮肥用量6.1%。與SN處理相比，提高氮素供應目標值(SN1.25)增加了氮肥投入量，但并無顯著增產效果；而如果降低氮素供應目標值(SN0.75)，雖然減少了氮肥投入量但也顯著降低了油菜籽產量。2011-2012年，SN處理的氮肥利用率顯著高于FN處理，為63.5%；2012-2013年，SN處理氮肥利用率與FN處理相比差異不顯著，為40.2%。如果提高氮素供應目標值，會降低氮肥利用率。整體來看，兩季SN處理氮肥利用率顯著高于FN處理，為51.9%。

2.2 增加土壤碳庫，碳氮協同調控

秸稈還田通過活性碳的輸入，增加土壤微生物量碳庫，調控微生物量碳氮比，增加土壤微生物碳氮流通量，提高土壤碳氮的儲存及氮素供應能力。筆者所在課題組2015-2019年期間多點田間試驗結果表明，與常規施肥(NPK)處理相比，湖北武穴、武漢和沙洋試驗點秸稈還田處理(NPK+St)油菜氮吸收量分別增加7.7%、17.3%和1.6%；水稻氮吸收量分別增加9.6%、9.2%和4.0%。氮肥的投入與作物吸收是影響氮平衡的主要因素，不施氮(PK)處理均出現氮虧缺，NPK和NPK+St處理均出現氮盈余，秸稈還田分別增加作物對氮的吸收和土壤氮盈余量。氮肥的施用對土壤可溶性有機碳(DOC)含量無明顯影響，武漢和沙洋試驗點秸稈還田明顯增加油菜及水稻季土壤DOC含量，武穴點秸稈還田僅在水稻季增加土壤DOC含量。施肥和秸稈還田均明顯增加土壤可溶性有機氮(DON)含量。與NPK處理相比，NPK+St處理微生物C含量分別增加4.9%、20.1%和15.2%，秸稈還田為微生物提供直接碳源，增加了微生物對碳的同化量。土壤微生物量N對環境條件非常敏感，施肥及秸稈還田措施都會影響土壤微生物氮的含量。與NPK處理相比，NPK+St處理平均微生物量氮分別增加14.7%、12.8%和11.7%。可見，施氮可一定程度地提高微生物氮含量，秸稈還田與氮肥配施對微生物量氮的提升幅度更加顯著。土壤微生物碳氮比(MBC/MBN)反映了土壤微生物對氮素有效性的調節作用潛力。MBC/MBN小說明微生物在礦化土壤有機質中釋放氮的潛力較大，土壤MBN對土壤有效N庫有補充作用；MBC/MBN大則說明土壤微生物對土壤氮素有同化趨勢，易出現微生物與作物競爭性吸收土壤活性氮的現象，具有較強固氮潛力。NPK處理土壤平均MBC/MBN為11.7，而NPK+St處理平均10.8，說明秸稈還田有利于增加土壤供N潛力。MBC/MBN范圍為7.8～8.6時屬于微生物活動的合適范圍，MBC/MBN小于此范圍時，施肥或秸稈還田提高其比值，MBC/MBN大于此范圍時，施肥或秸稈還田降低其比值。

秸稈還田具有固碳和增加氮素供應的能力，但水稻季秸稈直接還田與溫室氣體排放矛盾加劇。水稻季采用生物炭還田、油菜季采用秸稈覆蓋還田，可以在減少氮肥用量的條件下維持作物產量，同時減少氨揮發和N2O排放造成的氮損失，減少了農田溫室氣體排放造成的環境污染。研究結果表明[30]，與單施化肥(N)處理相比，氮肥減施15%+水稻季生物質炭還田/油菜季稻草覆蓋處理(85%N+B/S)作物產量與N處理相比無顯著差異，說明綜合調控模式可以適當減少氮肥用量。與N處理相比，85%N+B/S處理水稻和油菜的平均氮肥利用率和氮肥農學利用率顯著提高，平均氮肥利用率與N處理相比增加10.8%和5.5%；平均氮肥農學利用率與N處理相比增加6.6、2.3 kg/kg。說明碳氮協同調控能夠在適當減施氮肥條件下既增加作物產量，又提高氮肥利用率。水稻季施氮后氨揮發損失較高，基肥和追肥都會產生大量的氨揮發損失。秸稈粉碎還田處理加劇水稻季施肥后的氨揮發損失，氨揮發累積量為21.86 kg/hm2，與N處理相比增加12.8%；85%N+B/S處理對氨揮發損失無顯著影響；油菜季追施薹肥的結果與越冬肥后結果大致相同，秸稈覆蓋還田處理氨揮發累積量為0.99～1.30 kg/hm2，與N處理相比增加21.8%～58.9%，生物炭還田后氨揮發累積量為0.53 kg/hm2，與N處理相比降低34.7%；不同的是85%N+B/S處理氨揮發累積量為0.68 kg/hm2與N處理相比降低16.6%。全生育期，秸稈覆蓋還田加劇了油菜季氨揮發損失，增幅70.1%～87.6%；生物炭還田降低了氨揮發損失，降幅28.9%。N處理水稻季N2O排放累積量最高，為3.53 kg/hm2，顯著高于其他處理。秸稈還田能夠降低水稻季施氮后N2O排放，排放累積量為1.91 kg/hm2，與N處理相比降低45.8%；85%N+B/S處理N2O排放累積量為2.04 kg/hm2，與N處理相比增加7.5%。

2.3 緩控釋肥料施用對氮損失的阻控

廣義上講，緩控釋肥料是指養分釋放緩慢、釋放期較長、在整個生育期均可滿足作物養分需求的肥料。緩控釋尿素可以減緩或控制肥料中氮素的釋放速率或其在土壤中的轉化速率，以實現氮素供應與作物需求同步，從而實現提高氮肥利用率和減少環境污染的目的。水稻和油菜分別采用聚氨酯包膜控釋尿素和抑制劑型緩釋肥料實現輪作體系作物穩產高產，并顯著降低氨揮發和溫室氣體排放。與習慣施肥(FFP)處理相比，不同施氮處理在減少氮肥投入21.4%的條件下，氨揮發累積損失量和損失率均顯著降低，其中控釋尿素(CRU)處理的降幅最大，在水稻季和油菜季降幅分別為71.8%～84.5%和75.8%～80.6%。與普通尿素一次施用處理相比，普通尿素分次施用處理水稻季氨揮發減幅為18.6%～32.8%；而油菜季則增加了排放，增幅為25.7%～46.6%。與普通尿素處理相比，控釋尿素可以減少周年氨揮發累積損失率58.5%～78.6%[31]。緩控釋尿素可以顯著降低N2O累積排放量，與FFP處理相比，早稻季CRU處理N2O累積排放量減少0.12～0.52 kg/hm2，減幅為7.7%～28.9%；晚稻季減少0.86～1.01 kg/hm2，減幅為35.5%～61.2%。

2.4 施肥方法

氮肥集中施用是減少氮素損失、提高化肥利用率、節省成本、增加效益的重要技術途徑。水稻機插秧同步側深施肥可以顯著提高產量、養分吸收和肥料利用率。2020年度筆者團隊多點田間試驗結果顯示：與不施肥處理相比，不同試驗點機插秧同步側深施肥處理平均增產3 581.8 kg/hm2，增產率為52.7%；與常規施肥處理相比，平均增產831.8 kg/hm2，增產率為8.7%。養分吸收結果顯示，與常規施肥處理相比，不同試驗點機插秧同步側深施肥處理地上部氮、磷和鉀養分積累量平均分別增加9.8%、7.3%和8.8%。不同試驗點機插秧同步側深施肥處理的肥料生理利用率、農學利用率、肥料貢獻率和肥料偏生產力平均分別為19.9 kg/kg、11.2 kg/kg、32.1%和31.9 kg/kg，與常規施肥處理相比，平均分別增加9.5%、32.2%、26.6%和10.5%。不同施肥方法在油菜季的研究結果顯示，與表施處理相比，移栽和直播2種栽培方式下氮肥集中施用處理的產量平均增幅分別為18.2%和23.8%[29]。氮肥的集中施用可顯著增加油菜干物質積累量，特別是增加了開花后油菜地下部和地上部干物質的同步累積，從而提高產量。所以，實際生產中移栽油菜應采取穴施、直播油菜可采用條施的氮肥集中施用技術。特別在土壤氮素供應能力較低的條件下，氮肥集中施用可以減少氮肥損失、保證土壤氮素供應，獲得高產。

2.5 高產高效栽培技術

1)水分管理與氮肥。水分和養分對水稻的影響是相互的。水分一方面可以促進氮素的轉化，另一方面也促進作物根系對氮素的吸收；同時氮素通過影響根系形態、結構和功能等調控水稻的吸水性能。與常規灌溉(W2)處理相比，浸潤式灌溉(W1)處理水稻產量平均增加18.5%，淹水灌溉(W3)處理則無顯著差異。與N0處理相比，各施氮處理的水稻產量均顯著增加，平均增幅為88.0%。灌溉模式與施氮量對根系形態、根系活力、氮素吸收以及氮素干物質生產效率具有明顯的促進作用，對總根長、根體積、根尖數、根系傷流速度以及根、莖、葉、穗各器官生物量、群體生長速率等影響存在顯著交互作用。試驗條件下，浸潤式灌溉模式下施用165 kg/hm2氮肥可在獲得較高產量的同時提高水分和氮肥利用效率并改善稻米品質[32]。水分管理在油菜生產上同樣重要。苗期漬水，油菜的生長發育受抑制，與正常水分處理相比，葉片數、葉面積和葉綠素含量均有不同程度減少，進而降低干物質積累量，影響氮素的吸收和利用，對油菜生長造成不可恢復的影響[29]。試驗結果顯示，與正常水分管理處理相比，苗期漬水處理油菜籽產量顯著降低23.6%，主要原因是成苗密度和單株角果數下降，與正常水分處理相比，分別降低了7.6%和20.4%。施氮則明顯促進了油菜生長發育，改善了群體質量，可以緩解苗期漬水引起的產量損失。合理施用氮肥對苗期漬水油菜生長的恢復具有良好的補償效應，說明二者存在互作效應。研究結果還顯示，與漬水處理相比，在保證產量不降低的情況下，正常水分管理處理可節省氮肥59.2 kg/hm2。

2)密度與氮肥用量。作物產量是群體產量，群體結構合理與否與最終產量關系密切。栽培密度和施氮量均是影響群體結構的重要因素。優化油菜栽培密度是獲得高產的前提，高密栽培時，植株個體的干物質積累量和單株角果數均顯著減少；合適施用氮肥則可以增加單株角果數進而提高油菜籽產量[25]。栽培密度較低時，油菜籽產量隨著氮肥用量的增加而顯著增加；密度較高時，隨著氮肥用量的增加并不能持續提高產量。當栽培密度較高時，油菜籽粒、莖稈和角殼氮素累積量隨產量增加呈指數增長；高量的氮肥投入雖能提高該種植密度下植株的氮素吸收，但對籽粒產量無顯著影響。當目標產量為3 000 kg/hm2時，適宜密度為9.0×104株/hm2，施氮量為163.7 kg/hm2。密度不同，氮肥管理策略也不同。低密條件下(7.0×104～8.0×104株/hm2)，增加氮肥用量(增幅13.9%～34.8%)可以增加單株角果數，從而提高產量；高密條件下(10.0×104～12.0×104株/hm2)可以減少氮肥投入(減幅10.3%～23.7%)從而優化群體結構。水稻氮密互作試驗結果表明[33]，作為個體，水稻的有效穗數隨著氮肥用量的增加而顯著提高，而隨著插秧密度的增加而降低。作為群體，單位面積的有效穗數均隨著氮肥用量和插秧密度的增加而顯著提高。與不施氮處理相比，2014年和2015年施氮處理單位面積的平均有效穗數每公頃分別增加了39.0×104和31.9×104，增幅分別為22.9%和29.6%。插秧密度越大，單位面積的有效穗數越多。然而，過高的插秧密度不利于成穗。栽培密度27×104穴/hm2處理下的有效穗數要顯著高于栽培密度33×104穴/hm2處理。同樣，穗粒數也隨著氮肥用量的增加而增加，隨著插秧密度的增加而降低。氮肥用量和插秧密度對結實率和千粒重的影響相似，都隨著氮肥用量和插秧密度的增加而降低。交互作用分析結果表明氮肥用量顯著影響著4個產量構成因子，而插秧密度只顯著影響了穗粒數和結實率。當氮肥用量為165 kg/hm2，栽培密度為24×104～27×104穴/hm2時，可以獲得較高產量和氮肥利用率。

3 水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效綜合調控與展望

集成單項調控途徑建立長江流域水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效綜合調控模式，其核心內容為“兩擴兩調一減”(圖1)。即：秸稈還田有機擴庫、深耕擴容；周年養分運籌和作物專用緩/控釋肥料調控、高產高效栽培技術調控；減少水稻-油菜輪作體系氮素盈余。水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效綜合調控模式已在湖北、湖南、安徽、江西、江蘇等區域應用。與習慣用量施肥處理相比，水稻可平均增產7.8%，減少1～2次施肥，省工0.3個/667 m2，氮肥的農學效率提高8.8%，氮肥利用率增加7.5個百分點；油菜平均增產3.9%，每667 m2減少追肥用工量0.5個，增收節支67.5元/667 m2，氮肥利用率提高到48%。長江流域水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效綜合調控模式在水稻、油菜生產中的增產、增效，減少氮素損失等方面發揮了重要作用。

圖1 長江流域水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效綜合調控模式核心技術Fig.1 Core techniques of the comprehensive regulation model of N fertilizer for increasingyield and efficiency of rice-oilseed rape rotation system in the Yangtze River Basin

隨著經濟的發展和社會的不斷進步，包括長江在內的主要河流和湖泊面臨著嚴峻的氮污染形勢，引起水體富營養化、低氧和有毒藻類等水生態系統問題，且有進一步惡化的可能。為了應對這些挑戰，綠色發展的概念應運而生。我國在2015年提出農業要優先實現綠色發展。氮素作為維持農業生產的基礎，在農業綠色發展中發揮著不可替代的作用。張建杰等[34]構建的農業綠色發展指標體系中，與氮相關的指標占到1/3 以上。可見，農業和食物系統氮素行為特征已經成為農業發展的重要衡量指標。集成建立的長江流域水稻-油菜輪作體系氮肥增產增效綜合調控模式實現了作物的高產、氮肥的高效，但對于氮去向的研究僅涉及到NH3揮發、N2O排放和氮素徑流損失，而未能定量化硝酸鹽的淋洗量、土壤NO和N2的排放損失量等。以后的研究中需要借助15N標記技術、Robot自動培養系統等手段更加全面地評價水稻-油菜輪作體系中的氮去向。同時，需要進一步優化、完善氮肥增產增效單項技術，并開展大面積試驗示范和推廣應用，從而實現長江流域水稻-油菜輪作體系氮肥綠色增產增效。