成都平原水旱輪作體系穩產減氮潛力初探

董瑜皎，袁 江，母 煒，呂世華

(四川省農業科學院土壤肥料研究所/農業農村部西南山地農業環境重點實驗室，四川 成都 610066)

【研究意義】現代農業體系消耗能源嚴重，近20年來我國農業生產中大量使用化肥、農藥、生長調節劑等，以高投入換高產出，在解決了饑餓問題的同時，不僅造成土壤肥力和質量下降，引起水體富營養化，地下水被污染，導致嚴重的面源污染，還加劇了全球性自然資源耗竭、生態環境惡化、糧食安全問題等一系列危機[1-8]。在這樣的大背景下，2015年中央一號文件強調要保障我國農產品有效供給和質量安全、提升農業可持續發展能力，農業部也制定了化肥農藥零增長的方案，以大力推進化肥減量提效、農藥減量控害[9]。位于四川盆地西部邊緣的成都平原，地勢平坦，水系縱橫，土壤優沃，土地墾殖率高[10]，是我國糧油的重要生產基地[11]。種植模式以水稻-油菜和水稻-小麥輪作為代表的水旱輪作為主。水旱輪作區域施肥差異較大，施用量不足和施用過量并存[12]，水稻季施氮量在50～280 kg/hm2，平均180 kg/hm2左右，小麥季平均施氮量為135 kg/hm2，油菜季平均施氮量為150 kg/hm2[10,12-14]。【前人研究進展】Zhang 等[15]研究指出，目前我國氮肥的投入遠遠超過了作物的需求，降低氮肥投入并不會降低作物產量。2005—2010年國家測土配方施肥項目在四川省成都平原區布置的49個水稻田間試驗數據中，成都平原水稻種植區域土壤全氮含量為(2.9 ± 5.0 )g/kg，堿解氮含量為(167 ± 48 )mg/kg[16]。按照全國第二次普查養分分級標準和耕地地力評價指南[17]，土壤全氮和堿解氮含量均為一級，即很豐富，這部分氮可以直接或通過礦化后供作物利用[18]。【本研究切入點】成都平原水旱輪作區具有減肥不減產的潛力。目前對該區域周年養分統籌管理的研究還較少。【擬解決的關鍵問題】本研究主要圍繞成都平原水旱輪作區域氮肥減施潛力進行研究。通過研究成都平原區水稻-油菜，水稻—小麥輪作體系穩產減氮潛力，建立以氮素調控為核心的周年養分管理技術，在提高作物產量的同時推進化肥減量提效，達到兼顧農業可持續發展和環境友好的目的。

1 材料與方法

1.1 田間試驗概況

試驗于2018—2020年在成都平原四川省新都區新繁鎮進行。全年平均降水量為1250.3 mm，全年平均氣溫為16.7 ℃，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候[19]。

水稻-小麥輪作試驗處理設計為：將成都平原水旱輪作水稻季平均施氮量180 kg/hm2[10,12-14]設為D100，設置減氮 15%(D85)和30%(D70)處理，即設180、153、126 kg/hm23種水平。氮肥的底肥、分蘗肥、穗肥分配比例為6∶2∶2。磷肥和鉀肥施用量一致，分別施磷肥54 kg/hm2[過磷酸鈣(含12% P2O5)]和鉀肥70 kg/hm2[氯化鉀(含60% K2O)]。設當地小麥季平均施氮量135 kg/hm2為M100，設置減氮 15%(M85)和30%(M70)處理，即設施氮135.0、114.8、94.5 kg/hm23種水平。氮肥底肥和拔節期的分配比例是6∶4。分別施磷肥72 kg/hm2和鉀肥70 kg/hm2。

水稻季供試品種為荃優絲苗；小麥季供試品種為川麥104。

水稻-油菜輪作試驗處理設計為：水稻施肥方式同水稻-小麥輪作處理。設當地油菜季平均施氮量150 kg/hm2為Y100，設置減氮 15%(Y85)和30%(Y70)處理，即設150.0、127.5、105.0 kg/hm23種水平。氮肥的底肥、苔肥分配比例為5∶5。分別施磷肥90 kg/hm2和鉀肥75 kg/hm2。水稻季供試品種為荃優絲苗；油菜季供試品種為油雜猛。水稻-油菜、水稻-小麥輪作均各設10個處理，3次重復，隨機排列設計。各處理的施氮量如表1所示。

試驗前(2018年)水稻-油菜，水稻-小麥田土壤基礎化學養分如表2所示。

待水稻、小麥和油菜成熟后，各小區測產，并收集9株植株樣品，用水沖洗后105 ℃殺青30 min，75 ℃下烘干至恒重，然后將植株樣品分秸稈和籽粒過1 mm篩，加入濃硫酸和銅催化劑片后進行消化，用流動注射分析儀(FIAstar 5000,FOSS,America)測定全氮含量。水稻收獲后將土壤分0～20，20～40,40～60 cm 3層取樣，新鮮土壤樣品用流動注射分析儀(FIAstar 5000,FOSS,America)測定硝態氮和銨態氮含量。

1.2 氮肥利用率計算方法

氮肥利用率(NUE，%)用差減法計算(式1)，具體計算方法是：用施肥區作物吸收氮量減去不施肥區作物吸收氮量后除以施氮量。

NUE=(NuptakeN+-NuptakeN0)÷Nfert

(1)

其中，NuptakeN+表示施氮區作物地上部分總吸氮量(kg/hm2)，NuptakeN0表示不施氮區作物地上部分總吸氮量(kg/hm2)，Nfert表示氮肥投入量(kg/hm2)。

表1 水稻-油菜、水稻-小麥輪作試驗各處理施N量

表2 2018年水稻-油菜、水稻-小麥輪作土壤基礎化學養分

2 結果與分析

2.1 氮肥減施對稻麥輪作體系生產力的影響

由表3可知，水稻季減量施氮對水稻籽粒產量影響顯著(P<0.001)。2018年和2019年水稻籽粒產量以D85水平與D100水平相當，并高于其余兩個水平。與D100水平相比，2018年和2019年D70水平的水稻籽粒產量分別降低了6.3%和9.2%，差異達顯著水平。2018—2019年，2019—2020年小麥籽粒產量均顯著受小麥季氮水平的影響(P<0.001)，具體表現為以M100水平下籽粒產量最高，M85次之，兩者之間無顯著差異，2018—2019，2019—2020年M100水平小麥籽粒產量均顯著高于M70和M0，2019—2020年M85與M70間無顯著差異。

2018—2019年稻麥系統籽粒產量顯著受水稻季氮水平(P<0.01)和小麥季氮水平(P<0.001)的影響，表現為水稻季各施N水平籽粒產量顯著高于不施氮，不同施氮水平間無顯著差異，小麥季M100與M85水平之間無顯著差異，均顯著高于M70；2019—2020年系統籽粒產量不僅受水稻季和小麥季氮水平(P<0.01)的影響，還顯著受它們交互作用的影響，均表現為以各施氮水平籽粒產量顯著高于不施氮水平。

2.2 氮肥減施對稻油輪作體系生產力的影響

2018年水稻籽粒產量顯著受水稻季N水平的影響(P<0.01，表4)，以D85水平下水稻籽粒產量最高，顯著高于D0，D100和D70水平次之，與D0之間無顯著差異；2019年水稻籽粒產量也顯著受水稻季N水平(P<0.05)的影響，具體表現為以D100水平水稻籽粒產量最高，D85水平次之，D100水平水稻籽粒產量顯著高于D70和D0，D85與D100、D70均無顯著差異。

2018—2019年，2019—2020年油菜籽粒產量均顯著受油菜季N水平的影響(P<0.001)，具體表現為以Y100水平下籽粒產量最高，Y85和Y70次之(兩者之間無顯著差異)，不同的是，2018—2019年Y100與Y85水平間油菜籽粒產量無顯著差異，2019—2020年差異顯著。

2018—2019年稻油輪作系統籽粒產量顯著受油菜季氮水平(P<0.01)的影響，表現為油菜季各施N水平籽粒產量顯著高于不施氮，不同施氮水平間無顯著差異；2019—2020系統籽粒產量顯著受水稻季氮水平(P<0.01)和小麥季氮水平(P<0.05)的影響，表現為以D100水平籽粒產量最高，D85次之，D100顯著高于D70，而D85與D70、D100均無顯著差異，3個氮水平籽粒產量均顯著高于D0，油菜季不同氮水平下籽粒產量變化趨勢與水稻季一致。

表3 不同施氮水平下水稻和小麥籽粒產量及方差分析

表4 不同施氮水平下水稻和油菜籽粒產量及方差分析

2.3 氮肥減施對稻麥輪作系統N肥利用率的影響

在水稻季不同施氮水平間，水稻季2018、2019年的NUE、系統2018—2019，2019—2020年的NUE均無顯著差異(表5)；小麥季不同施氮水平間，小麥季2018、2019年的NUE、系統2018—2019，2019—2020年的NUE亦無顯著差異。

通過方差分析可知，水稻季施氮水平、小麥季施氮水平，及其交互作用均對稻麥系統單季和周年NUE無顯著影響。

2.4 氮肥減施對稻油輪作系統N肥利用率的影響

2018年水稻季，Y100水平NUE顯著高于Y70水平(表6)，2018—2019年油菜季不同施氮水平間NUE無顯著差異，2018—2019年系統周年NUE表現為Y100和Y85之間無顯著差異，均顯著高于Y70。而2019年水稻季NUE、2019—2020年油菜季NUE，2019—2020年稻油系統周年NUE，在水稻季不同施氮水平間，油菜季不同施氮水平間均無顯著差異。

通過方差分析得知，除2018年水稻季NUE顯著受油菜季施氮水平的影響外，其余年份稻油系統單季和周年NUE受水稻季施氮水平、油菜季施氮水平，及其交互作用的影響不顯著。

2.5 氮肥減施對水稻收獲后土壤無機氮含量的影響

水稻-小麥輪作田，2018年水稻收獲后不同土層土壤4個氮水平間土壤銨態氮含量無顯著差異(圖1)，且同一氮水平在不同土層銨態氮的平均含量差異也不顯著。2019年水稻收獲后土壤銨態氮含量相對于2018年在0～20和40～60 cm土層含量稍高且水稻季不同氮水平間差異較大，且顯著受水稻季氮水平的影響(P<0.05)。

表6 不同施氮水平對水稻和油菜氮肥利用率的影響

圖1 2018和2019年稻麥、稻油輪作水稻收獲后土壤銨態氮含量Fig.1 Soil ammonium nitrogen content after rice harvest in rice-wheat and rice-rape seed rotation in 2018 and 2019

水稻-油菜輪作田，2018年水稻收獲后土壤銨態氮含量顯著受水稻季氮水平的影響(P<0.05)。隨著施氮量的增加，0～20 cm土層的銨態氮含量顯著降低，從3.3 mg/kg (D0) 顯著降低到1.4 mg/kg(D100)；20～40 cm土層不同氮水平間無顯著差異，且該層銨態氮含量最低；40～60 cm土層銨態氮含量最高，與0～20 cm土層呈相同趨勢。2019年水稻收獲后土壤銨態氮含量在不同土層相對于2018年均有所降低，且與2018年不同的是，以20～40 cm土層的銨態氮含量最低，不同氮水平間差異不大。

2018和2019年水稻-小麥，水稻-油菜輪作田水稻收獲后，土壤硝態氮含量均顯著受土層的影響(P<0.001)。水稻-油菜輪作田表現為隨著土層的加深含量降低，0～20 cm土層顯著高于20～40 cm 和40～60 cm土層，且2019年土壤硝態氮含量顯著高于2018年(圖2)。水稻-小麥輪作田，不同土層硝態氮含量趨勢與與稻-油輪作田一致，即隨著土層的加深土壤硝態氮含量降低，但各土層含量均較稻油輪作田稍低。

3 討 論

成都平原位于四川盆地西部，占成都市總面積的40%[20]，是我國糧、棉、油的重要生產基地[10]。水稻-油菜、水稻-小麥輪作模式是成都平原最傳統的種植模式，但是該模式的綜合效率不高。一方面，目前的氮肥投入遠遠超過了作物的需求，并未提高作物產量，還加重了環境壓力[14-15]，另一方面，水旱輪作系統的氮肥施用時期不合理，沒有考慮作物生長發育規律和作物對氮素的需求規律，水稻季大部分氮肥施用都是基肥加分蘗肥，沒有考慮到水稻氮素吸收高峰出現在幼穗分化期[12]。可見尋找更好地解決資源高效利用、作物高產和環境風險之間矛盾的途徑是水旱輪作系統可持續發展的關鍵。

而建立以養分管理為核心，氮素調控為重點的養分資源綜合管理技術是解決這一矛盾的有效途徑之一。本試驗選擇了成都平原典型的稻油、稻麥輪作田，根據全國第二次普查養分分級標準和耕地地力評價指南[17]，供試田的有機質含量均達到二級，即高水平，全氮和堿解氮含量均達到一級，即非常高水平。稻油輪作土壤有效磷含量達到四級(中下)，稻麥輪作土壤有效磷含量達到五級(低)。速效鉀含量均為二級，屬于很高的水平。該試驗點土壤養分與2005—2010年國家測土配方施肥項目在四川省成都平原區布置的49個水稻田間試驗數據平均值基本吻合[16-17]，具有很好的代表性。而這樣的地力條件下，土壤養分可直接或間接供作物吸收利用[18]，是具備穩產減氮潛力的。

圖2 2018和2019年稻麥、稻油輪作水稻收獲后土壤硝態氮含量Fig.2 Soil nitrate nitrogen content after rice harvest in rice-what and rice-rape seed rotation in 2018 and 2019

本研究在該區域水稻季(180 kg/hm2)、小麥季(135 kg/hm2)和油菜季(150 kg/hm2)的平均施氮量基礎上[10,12-14]，設置了減氮15%和減氮30%處理，并按照作物生長發育規律和作物對氮素的需求，設置了基追比。通過2年的田間試驗，發現在水稻-小麥輪作體系下，水稻季減氮15%小麥季減氮15%并不會顯著降低水稻籽粒產量、小麥籽粒產量及系統周年籽粒產量，同時水稻季、小麥季和系統周年的氮肥利用率也并未受到影響。而在水稻-油菜輪作體系下，水稻季減氮15%并未顯著影響水稻籽粒產量和系統周年籽粒產量，但是油菜季減氮15%雖沒有顯著降低系統周年籽粒產量，卻顯著降低了第二年的油菜籽粒產量，兩季減氮15%均未顯著影響水稻季、油菜季和系統周年氮肥利用率。

Li 等[21]提出減少所有地區的氮肥可能不利于糧食安全，建議以氮盈余作為環境評價指標，并估算水稻的平均臨界氮盈余為70 kg/hm2。巨曉棠等[22]提出60 kg/hm2作為中國水稻單季現有產量(4000～10 000 kg/hm2)和管理水平(當季供氮96～240 kg/hm2)下的氮素盈余參考指標。Li等[21]研究顯示目前全國水稻的平均氮盈余為116 kg/hm2，西南地區水稻的平均施氮量為182 kg/hm2，平均氮盈余為85 kg/hm2。Dong 等[23]對西南丘陵區水稻傳統栽培的研究表明施氮180 kg/hm2下土壤界面氮盈余為145 kg/hm2。可見雖然目前還缺乏對成都平原水旱輪作氮盈余的研究，但已有研究結果表明我國農田目前處于氮盈余狀態。而當氮素大量盈余時，氮素損失量大量增加，會增加環境風險[24-25]。

朱蕓等[14]研究表明長江流域，稻油輪作體系、稻麥輪作體系周年氮肥損失量分別為96.7、88.8 kg/hm2，其中水稻季損失量分別為62.2、59.0 kg/hm2，約為油菜季或小麥季的1.7～2.1倍。氮損失中以氨揮發損失所占的比例最大，占各季施氮量約為7.2%～18.2%。即使水稻臨界氮盈余為70 kg/hm2的情況下，氨揮發估計也可達35 kg/hm2[21]。而氨揮發不僅直接形成PM2.5，還加速了霧霾的形成[15]。本研究中，試驗地土壤呈酸性，理論上，自養硝化作用很弱，土壤無機氮以銨態氮為主。但是稻麥、稻油輪作體系在水稻收獲后，0～60 cm土壤的銨態氮含量低，且顯著受水稻季施氮水平的影響(P<0.05)，尤以2018年稻油輪作田土壤銨態氮含量隨著施氮水平的提高顯著降低。可見成都平原水旱輪作稻田的氨揮發不容忽視。而在氮肥調控的同時，還應配以施肥、栽培等技術的綜合管理，將肥料撒施改為深施或精準噴施，便是控氨的直接辦法[15]。

本試驗中，稻麥、稻油輪作體系在水稻收獲后，0～60 cm土壤中存留的無機氮以硝態氮為主，硝態氮含量顯著受土層的影響(P<0.001)，均以0～20 cm表層含量最高。而水旱輪作中小麥和油菜屬于喜硝作物，故而水稻季土壤中殘留的硝態氮可以留作后茬作物利用，這也可以為小麥和油菜季氮肥減施提供依據，但要注意兩季作物交替間土壤硝態氮淋溶和徑流損失。

4 結 論

建立以養分管理為核心，氮素調控為重點的養分資源綜合管理技術是成都平原水旱輪作系統兼具資源高效利用、作物高產和降低環境風險的有效途徑。而成都平原地力條件較好，土壤全氮和堿解氮含量豐富，具備了減氮同時穩產的潛力。本試驗選取成都平原典型的稻油、稻麥輪作田，經過2年的田間試驗，發現在稻麥輪作體系穩產的前提下，水稻季和小麥季分別在平均施氮量(180、135 kg/hm2)的基礎上有減氮15%的空間；而稻油輪作體系在穩產前提下，水稻季在平均施氮量(180 kg/hm2)的基礎上可以減氮15%，油菜季在平均施氮量(150 kg/hm2)基礎上減氮15%于第二年顯著降低了油菜籽粒產量，即油菜季的減氮范圍還有待更長期的試驗提供依據。同時，在成都平原稻麥輪作、稻油輪作體系，水稻季土壤殘留的硝態氮可以供后茬小麥和油菜利用，但要注意水稻季的氨揮發損失。