長期定位氮肥減施對水稻產量和氮素吸收利用的影響

宮亮 金丹丹 牛世偉 王娜 徐嘉翼 隋世江

（遼寧省農業科學院 植物營養與環境資源研究所，沈陽 110161；第一作者：gongliang1900@sina.com）

化肥在保障糧食增產和農業發展中發揮了巨大作用，但過量施用也造成了一系列的環境問題[1-4]。1980年起至今的40年間，我國糧食產量增長了近85%，但化肥施用量卻增長了4.5倍[5]，化肥對糧食增長的貢獻率下降到10%左右[6]，嚴重威脅到我國農業的可持續發展。水稻占中國糧食總產量的1/3，對保障口糧安全起著重要作用。氮肥對糧食增產的貢獻率高達40%[7]，是影響作物產量的主要因子之一，水稻氮肥消費量占我國氮肥總消費量的30%以上[8]，但當季回收利用率和農學效率僅分別為27.3%和11.3 kg/kg，分別比同期世界平均水平低20%和10%左右[5]。如何科學減少氮肥施用量、有效提高氮肥利用效率，一直受到科技生產人員高度關注。已有研究結果表明，機插秧同步側深施肥能夠減少氮肥損失，從而提高氮肥利用率和稻谷產量[9-11]；緩／控釋肥由于氮素釋放特征契合水稻生長規律，對氮素吸收、運轉表現出一定的補償和促進作用[12]，同時避免了氮素大量富集于土壤中，有效減少了入滲和淋溶[13]，因此能夠提高氮肥利用率；秸稈還田能促進成熟期植株對氮素吸收，有利于灌漿期稻株氮素的代謝，顯著提高氮肥農學利用率和生理利用率[14-15]；施用有機肥能夠增加土壤微生物活性，使在水稻生長發育前期被固持保存的化肥氮在水稻生長發育后期大量釋放，利于水稻對氮素的吸收利用，提高氮肥利用率作用明顯[16-17]。

在農業綠色發展的大背景下，我國于2016年首次實現了化肥用量負增長，并在2017年和2018年持續下降，提前實現“到2020年化肥使用零增長”的目標[18]。降低肥料用量，實現養分總量控制與優化管理，是提高肥料利用率的有效途徑之一[5，19]。但過量減少肥料則會顯著降低水稻產量，減少氮素的吸收利用[20-21]。以往研究多未進行長期定位試驗。因此，本文基于8年的定位試驗，分析長期減施氮肥對水稻產量和養分利用的影響，以明確水稻減施氮肥的空間，為水稻生產科學減肥，實現綠色可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

遼河三角洲稻區是北方單季粳稻主產區之一，水稻常年種植面積在15.4萬hm2左右，產量最高可達12750 kg/hm2，但氮肥投入量較大，農民習慣施用量可達260~300 kg/hm2（純N）。本試驗于2011—2018年在遼寧省盤錦市盤山縣墻子鎮航呈農場進行，該地點位于遼河三角洲中心地帶，屬溫帶半濕潤季風氣候類型，年均降雨量650 mm，年均氣溫8℃~9℃，無霜期165~170 d。供試土壤為鹽堿性水稻土，0~20 cm土壤理化性質為：pH值8.2，有機質22.57 g/kg，全氮1.42 g/kg，堿解氮105.24 mg/kg，有效磷21.61 mg/kg，速效鉀164.22 mg/kg，容重1.39 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗設置5個氮肥（純N）水平：N0，不施氮；N160，160 kg/hm2；N210，210 kg/hm2；N260，260 kg/hm2（當地農民習慣施肥量）；N315，315 kg/hm2。小區面積50 m2，3次重復，隨機區組排列。氮肥為尿素（含N 46%），基肥、分蘗肥、穗粒肥施用比例為40%、30%、30%。各處理磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為90 kg/hm2，磷肥為磷酸二銨（含P2O546%、N 18%）和過磷酸鈣（含P2O518%），鉀肥為氯化鉀（K2O60%），全部基施。各小區之間用PVC板分隔并筑埂，PVC板埋深30 cm，以減少小區間肥水滲透。各小區單排單灌。供試水稻品種為鹽豐47，插秧規格為30.0 cm×16.5 cm。每年5月下旬插秧，10月上旬收獲，田間管理措施按當地習慣統一進行管理。

1.3 調查項目及方法

水稻成熟后，各處理隨機選3塊樣方測定水稻產量，每塊樣方6 m2，將樣方產量折算成公頃產量。各處理隨機取10叢水稻，按莖、葉和籽粒分別測定全氮含量，測定方法為H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法。

1.4 數據處理

試驗數據均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行統計分析。差異顯著性用最小顯著差異法（LSD）分析。

植株吸氮量=籽粒含氮量×籽粒產量+秸稈含氮量×秸稈產量；氮肥回收利用率（%）=（施氮區植株氮素積累量-不施氮區植株氮素積累量）/施氮量×100%；氮素收獲指數（%）=籽粒氮素積累量/植株氮素積累總量×100%；氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮區產量/氮肥施用量；氮肥農學利用率（kg/kg）=（施氮區水稻籽粒產量-不施氮區水稻籽粒產量）/施氮量；氮素生理利用率（kg/kg）=（施氮區產量-空白區產量）/（施氮區地上部氮累積量-空白區地上部氮累積量）；土壤氮素依存率（%）=不施氮區地上部吸氮量/施氮區地上部吸氮量×100%。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量處理對水稻產量的影響

從圖1可見，N0和N160處理產量顯著低于N260處理，且呈現出逐年下降的趨勢；N210處理產量較N260處理低0.69%~1.34%，但差異未達到顯著水平；N315處理產量較N260處理增加0.23%~0.26%或降低0.05%~1.92%，差異未達到顯著水平。N210、N260和N315 3個處理產量年際間無明顯變化規律。

圖1 不同年份間不同施肥處理水稻產量表現

2.2 施氮量對水稻植株吸收氮量的影響

從圖2a可見，水稻籽粒吸氮量隨著施氮量的增加呈先增加后趨于穩定的趨勢，兩者符合線性加平臺相關性，當施氮量為237.39 kg/hm2時，籽粒吸氮量最高，達到140.18 kg/hm2；水稻秸稈吸氮量隨著施氮量的增加呈逐漸增加趨勢，兩者呈線性正相關。從圖2b可見，氮素收獲指數與施氮量符合平臺加直線的相關性，施氮量低于232.64 kg/hm2時，氮素收獲指數保持在70.31%，高于此施氮量，氮素收獲指數開始下降，水稻植株吸收氮素比例增加。這表明，籽粒吸氮量最高，并不代表收獲指數最高，因此需要協調籽粒吸氮量和秸稈吸氮量，從而減少氮素的奢侈吸收。N260處理氮收獲指數為69.41%，較N210處理下降0.90個百分點。

圖2 植株吸氮量、氮收獲指數與施氮量的關系（2011—2018）

2.3 施氮量對氮肥利用率的影響

從圖3可見，當季氮肥回收利用率、農學效率均隨施氮量增加呈現出先增加后降低的趨勢，兩者回歸方程分別為y=-0.0013x2+0.5999x-30.318，R2=0.6119（圖3a）和y=-0.0004x2+0.1821x-5.1657，R2=0.6022（圖3b），當施氮量分別為230.73 kg/hm2和227.63 kg/hm2時，氮肥當季回收利用率和氮肥農學效率達到最高，分別為38.89%和15.56 kg/kg。氮肥偏生產力、生理利用率均隨施氮量的增加而降低，兩者回歸方程分別為y=-0.1638x+82.171，R2=0.9869（圖3c）和y=-0.0752x+53.913，R2=0.651（圖3d）。N260和N210處理的偏生產力分別為39.58 kg/kg和47.77 kg/kg，生理利用率分別為34.36 kg/kg和38.12 kg/kg。

圖3 施氮量對水稻氮肥利用率的影響

2.4 施氮量對土壤氮素依存率的影響

從圖4可見，在一定范圍內，土壤氮素依存率隨著施氮量的增加而降低，當氮肥施用量為160 kg/hm2和210 kg/hm2時，土壤氮素依存率分別為69.06%和57.16%；當施氮量高于225.95 kg/hm2時，土壤氮素依存率保持在53.36%，不再顯著下降。

圖4 土壤氮素依存率與施氮量的關系

3 討論與結論

施用氮肥是提高水稻產量的關鍵。在一定范圍內，增施氮肥促進水稻有效分蘗增多，顯著提高產量；而氮肥用量不足，雖氮肥利用率較高但產量下降；過量施氮，水稻產量和氮素利用效率均降低。因此，協調作物產量和氮肥利用率的關系，是確定氮肥適宜用量的基礎。汪峰等[22]研究表明，在中等肥力和高肥力土壤上減氮20%，水稻分別減產5.4%~7.3%和3.4%~4.1%，并存在消耗地力的風險，而采用側深施肥技術則可增產3.0%~8.2%。姜彩霞等[23]研究認為，基于中等肥力水平的稻田減氮15%以上時水稻產量顯著下降，而使用緩控肥減量處理的肥料效率則提高5.09%。葛超楠等[24]研究發現，長期減量施氮會導致土壤基礎地力快速消耗。本研究結果表明，N160處理產量顯著低于N260處理，且呈現出逐年下降的趨勢，N210處理較N260處理年均產量降低0.69%~1.34%，這主要是因為N210和N160兩個處理氮肥減施比例高于宮亮和李波等[25-26]研究認為該地區適宜的推薦施氮量，并且本研究選用的氮肥為常規尿素，不具有緩釋長效功能，因此產量降低。但由于優化了氮肥在水稻生育期的運籌，有利于水稻生長后期旺盛生長，增加水稻對養分的吸收利用和成熟期氮素向籽粒的運轉[27-28]，因此，N210處理雖減產但差異未達顯著水平。N315處理一些年份產量較N260處理降低0.05%~1.92%。N260和N315處理雖然也采用了同樣的氮肥運籌模式，但氮肥用量較高，大量的基肥和分蘗肥投入，降低了肥料氮素在籽粒中的積累，提高了氮素在稻草中的比例，氮素收獲指數下降，出現“奢侈”耗氮現象[29-30]。

化肥利用效率問題一直倍受學者關注，主要從減少氮素損失[31]和促進作物對氮素吸收[32-33]兩方面開展研究。評價作物氮肥利用效率的指標有氮吸收效率（當季回收利用效率）和氮利用效率（農學效率和生理效率）兩類[34-35]。氮肥回收利用率反映了作物對化肥養分的吸收狀況，與氮素損失為競爭關系，氮素利用率較高，則減少浪費和流失風險，其隨施氮量的增加一般呈現先增加后減小的變化規律[36]，本研究也得到相同的結論，當施氮量為230.73 kg/hm2時，氮肥當季回收利用率最高為38.89%。氮肥農學效率是評價肥料增產效應的指標，受施肥量和土壤肥力的雙重影響而發生變化，土壤肥力低，施肥量少，農學效率就高，但水稻產量則下降；土壤肥力高，施肥量低，農學效率則較高，且水稻產量較高[37]。本研究中氮肥農學效率隨施氮量增加呈先增后減的趨勢，當施氮量為227.63 kg/hm2時，氮肥農學效率最高為15.56%。氮肥偏生產力是評價肥料效應的適宜指標，反映了作物吸收肥料氮和土壤氮后所產生的邊際效應，當氮肥用量較低時，其主要反映了水稻從土壤及灌溉、大氣干濕沉降中吸收的氮素對稻谷生產的貢獻，與氮肥施用量呈負相關[38]，本文也得到相同結論。氮素生理利用率反映了作物對所吸收的肥料在作物體內的利用效率，比較穩定，受水稻產量的影響較小，當氮肥過量施用時，因造成水稻對氮的“奢侈”吸收而急劇下降[39]。這表明在施氮量較高的情況下，氮素吸收率較高，但分配到莖和葉中氮素的比例增加，氮素被“奢侈”吸收利用[29]，轉化率則降低。土壤氮素依存率反映了土壤氮對作物氮營養的貢獻，作物吸收的氮素大部分來自土壤[40-41]，因此，土壤肥力不降低，是合理施用化肥、提高肥料利用效率的根本。本研究表明，在一定范圍內，作物對土壤氮素依存率隨著施氮量的增加而降低，對化肥氮的依賴性增加，當施氮量高于225.95 kg/hm2時，土壤氮素依存率不再顯著下降，這與王秀斌等[42]研究結論相近。當氮肥施用量為160 kg/hm2時，土壤氮素依存率為69.06%，施氮量為225.95 kg/hm2時，土壤氮素依存率降為53.36%，說明氮肥用量不足時，作物吸收的氮素主要來源于土壤，存在土壤氮庫耗竭的風險。

DOBERMANN等[43]研究認為，糧食作物氮肥偏生產力為40~70 kg/kg，氮肥農學效率為10~30 kg/kg，氮肥利用率為30%~50%，氮肥生理利用率為30~60 kg/kg較為合理。張福鎖等[40]研究認為，我國水稻的氮肥農學利用率和回收利用率平均值分別為10.4 kg/kg和28.3%。本試驗條件下，合理的施氮量下水稻的氮肥農學利用率和回收利用率分別達到15.56 kg/kg和38.89%，明顯高于全國平均水平，但仍低于發達國家的氮肥農學效率和氮肥利用率[44]。過量施肥仍是我國肥料利用效率低的最主要原因[45]，在高產地區尤為明顯。因此，控制氮肥施用量是合理施用氮肥的首要問題。但影響作物產量的因素很多，即使是對同一田塊來說，從某一年份的試驗得出的適宜施氮量及有關參數，也不一定能準確應用于其他年份[39]。本研究結果表明，降低氮肥用量雖然能有效提高氮肥利用率，但過量減施后，水稻產量下降，土壤氮庫存在下降的風險，綜合考慮產量和多年平均肥料利用率等因素，試驗地適宜的氮肥用量為225.95~232.64 kg/hm2，可以兼顧產量、土壤肥力和氮肥利用率，實現長期穩產增效。