遼河三角洲稻區緩釋肥施用下氮肥減施潛力研究

彭曉宗，翟麗梅*，王洪媛，宮 亮，武淑霞，劉宏斌

（1．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部面源污染控制重點實驗室，北京 100081； 2．遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所，遼寧 沈陽 110161）

化肥對作物生長和提高產量具有重要作用[1］， 中國是世界上最大的化肥生產和消費國，1965～ 2018年，中國農用化肥用量從1.94×109kg增加到56.53×109kg，增幅2913%，同時期糧食產量從1.95×1011kg增加到6.58×1011kg，增幅為337%[2］， 化肥消耗量增幅遠超過糧食產量增幅，化肥施用過量狀況嚴重。我國每年氮肥的施用量達3360萬t，占全球氮肥消耗量的33%，導致農田氮素盈余量達175 kg·hm-2[3］。氮肥無節制的施用會造成土壤氮素盈余，不僅浪費資源，也對大氣和水體造成污 染[4］。

遼河三角洲稻區位于遼寧省遼河平原地帶，以遼河流域下游為中心，包括盤錦市、錦州市和營口市，水稻種植面積約18萬hm2，種植模式為單季稻。該地區水熱條件充足，水稻產量高、品質佳，已成為北方單季稻區的典型代表[5］，但該地區農民氮肥施用量較大，氮素投入量可達300 kg·hm-2以上，氮肥利用率低下，環境污染風險高[6］。有研究指出，在高化肥投入的稻田，適當的減施氮肥不會影響作物產量[7］，且能顯著減少溫室氣體排放和土壤氮盈余[8］。且氮肥投入量如果超過產量閾值施氮量或經濟最佳施氮量，會造成倒伏或病蟲害增加，進而導致產量下降[9］。易瓊等[10］研究表明，在長江中下游施氮過量地區，減氮20%～30%不會降低水稻產量和作物氮素吸收量，提高了氮肥利用率。另外，緩釋肥料作為環境友好且高效的肥料，能通過減緩或控制養分在土壤中的釋放速率和轉化過程，以達到養分釋放與作物需求基本同步的效果，實現高產高效的目的[11-12］。緩控釋肥能夠促進水稻中后期根系發育[13］、提高秸稈抗倒伏能力[14］、增強體內氮代謝相關酶的活性[15］。李世發等[16］研究表明，等氮量投入條件下，緩釋肥料替代化肥水稻增產了3.7%～11.8%。

追求環境效益的同時，施肥需要保證我國糧食安全和資源的可持續利用。巨曉棠等[17］綜合目標產量、品質、經濟效益和土壤肥力，提出了合理施氮的原則與指標。朱兆良等[11］強調，合理施肥應當把區域用量控制與田塊微調相結合，形成分區養分管理和精準施肥技術體系。Peng等[18］、彭顯龍 等[19］通過實地調研與多年試驗，確定了黑龍江寒地稻區適宜施氮量為105～150 kg·hm-2，節肥潛力達20%。目前對于遼河三角洲稻區的研究大多只是單獨研究肥料減量或施氮對環境的影響，還缺乏區域施氮現狀與化肥減施田間效果相結合的區域減肥潛力研究。為此，本研究通過將區域施肥現狀和田間定位試驗研究相結合的方法，研究不同緩釋肥料減氮施用對單季稻產量、氮素吸收利用和流失風險的影響，以明確遼河三角洲典型單季稻區氮肥減施潛力，為稻區內化肥減施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 區域施肥調查

2017年在遼寧省遼河三角洲稻區進行了施肥調研，調查區縣包括盤錦市的大洼區、盤山縣、雙臺子區、興隆臺區，營口市的老邊區和大石橋市，錦州市的北海市和凌海市。不同調研點的水稻耕地面積來自《遼寧統計年鑒-2016》[20］，以此用來在各調研點之間合理地分配問卷。對于人均耕地面積大、農場規模大的區縣，可以適當減少問卷數量。每個調研點包含了所有具有代表性的鄉鎮，每個鄉鎮至少包含一個村，每村調研5戶。根據此分配原則，共收集問卷515份，覆蓋遼河三角洲至少3492 hm2的水稻耕地。詳細信息包括耕地面積、產量、施肥時間、施肥方式、肥料用量、肥料類型及其氮磷鉀養分含量，通過將肥料用量乘以其養分含量來計算氮磷鉀養分投入。巨曉棠[21］提出常規管理條件下作物需氮量等于地上部攜出量，課題組在本區域之前多年試驗中，采用當地代表性粳稻品種鹽豐47，常規施肥處理水稻籽粒平均含氮量為12.3 g·kg-1，秸稈平均含氮量為6.7 g·kg-1，以此計算區域適宜施肥量。

1.2 田間試驗設計

田間試驗位于遼寧省盤錦市盤山縣壩墻子鎮姜家村（41°9′31″N，122°14′17″E），氣候類型為溫帶半濕潤季風氣候，年平均降水量650 mm，年平均氣溫8～9 ℃，無霜期165～170 d。土壤類型為鹽堿水稻土，土壤容重1.39 g·cm-3，pH 7.57，有機質 30.8 g·kg-1，全氮1.67 g·kg-1，堿解氮100.1 mg·kg-1，有效磷34.1 mg·kg-1，速效鉀264.0 mg·kg-1。供試水稻品種為中晚熟粳稻鹽豐47。

試驗于2018～2019年進行，根據農戶實地調研計算得出的水稻需氮量以及所用肥料品類的推薦用量，設置7個處理：（1）CK（不施氮肥，P2O5和K2O施用量均為90 kg·hm-2）；（2）NPK（常規化肥，供試肥料為46%尿素、12%過磷酸鈣和60%氯化鉀，N素施用量為試驗地當地習慣施用量260 kg·hm-2，P2O5和K2O施用量均為90 kg·hm-2）；（3）CRT（炭基肥，復合肥料中添加生物炭，沈陽農業大學研制，N∶P2O5∶K2O=24∶8∶10，肥 料施用量750 kg·hm-2）；（4）CRW（穩定性復合 肥，復合肥料中添加硝化抑制劑和脲酶抑制劑，中國科學院沈陽應用生態研究所研制，N∶P2O5∶K2O=26∶10∶12，肥料施用量750 kg·hm-2）； （5）CRK（控失肥，復合肥料中添加控失劑，河南心連心化肥有限公司生產，N∶P2O5∶K2O=26∶10∶12，肥料施用量750 kg·hm-2）；（6）CRU（控失尿素，尿素中添加控失劑，河南心連心化肥有限公司生產，N 46%，N施用量210 kg·hm-2）；（7）CRJ（聚天尿素，中鹽安徽紅四方肥業股份有限公司生產，N 46%，N施用量210 kg·hm-2，改性聚天門冬氨酸含量0.3%）。NPK處理氮肥40%做基肥，剩余氮肥在分蘗期和孕穗期分別追施30%；過磷酸鈣和氯化鉀和各緩釋肥均作基肥一次性施入土壤。各處理具體施肥量見表1。2018年試驗于4月16日育苗，5月13日施基肥，5月25日移栽，6月6日施分蘗肥，7月26日施孕穗肥，10月5日收獲。2019年試驗于4月18日育苗，5月26日移栽，10月9日收獲。采用完全隨機試驗設計，每個處理設3個重復，小區面積200 m2（10 m×20 m），各小區之間建梗分隔，單獨灌排。每穴3株秧苗，行穴距為30 cm×16.7 cm，田間管理措施與當地常規水稻生產方式一致。

表1 不同處理具體施肥量

1.3 樣品采集與測定

2018年5～10月水稻生育期間采集田面水，按照在各處理施肥后2周內每天取田面水1次，之后5 d取樣1次。采樣時利用50 mL醫用注射器，在不擾動水土交界面的情況下，隨機采集小區內3個點位上層田面水樣，混入250 mL塑料瓶中，隨即分裝過濾，帶回實驗室放入-20℃冰箱保存。每年10月水稻收獲時每個小區隨機取3點采集一定面積植株樣品，風干、脫粒，測定籽粒和秸稈養分含量。每年在水稻收獲后，用直徑5 mm的土鉆在每個小區以“X”形五點取樣法采集0～20 cm土樣混勻，用于進一步分析。

田面水的總氮和可溶性總氮的濃度用TOC總有機碳分析儀測定，硝態氮和銨態氮的濃度用AA3連續流動分析儀測定，計算各施肥期不同氮素形態的加權平均濃度。作物收獲后，用H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮儀測定水稻籽粒和秸稈中全氮含量，計算水稻氮素吸收量和氮肥吸收利用率。土壤全氮用凱氏定氮儀測定，土壤有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測定[22］。

區域適宜施氮量=區域作物需氮量=（1±5）%×（區域籽粒產量×籽粒含氮量+區域秸稈產量×秸稈含氮量）。

水稻氮素吸收量（kg·hm-2）=籽粒產量（kg· hm-2）×籽粒含氮量（%）+秸稈產量（kg·hm-2）× 秸稈含氮量（%）。

氮肥吸收利用率（%）=（施氮處理氮素吸收量-不施氮處理氮素吸收量）/施氮量×100。

氮素加權平均濃度（mg·L-1）=∑[樣品濃度（mg·L-1）×采樣時間間隔（d）］ /總采樣時間（d）[23］。

經濟效益（元·hm-2）=產出-投入=當年糧食價格（元·kg-1）×產量（kg·hm-2）-[田間基本管理費（種子+機械作業+灌排+農藥）+肥料費+人工費］[24］。

計算經濟效益的公式中，當年糧食價格為2.91 元·kg-1，投入的種子費、機械作業費、灌排費、農藥 費分別為436.65、4000.65、1513.5和745.20 元·hm-2， 雇工費為每次200 元·hm-2，尿素、過磷酸鈣、氯化鉀、碳基肥、穩定性復合肥、控失肥、控失尿素 和聚天尿素分別為2.2、0.6、4.0、3.5、2.8、3.25、2.75 和2.3 元·kg-1，以上數據來自當地實際情況及《全國農產品成本收益匯編（2019版）》[25］。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2019和Origin 2017 Pro進行數據統計、處理和繪圖；采用SPSS 24.0單因素方差分析進行顯著性檢驗（P＜0.05），LSD法進行均值比較，本文樣本均值數據均用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 區域施氮現狀

區域施肥情況調研結果顯示，遼河三角洲稻區的施氮量分布在0～784.5 kg·hm-2之間（圖1a），其中有75%的種植戶施氮量在200～350 kg·hm-2之間，15%的種植戶施氮量高于350 kg·hm-2，區域內施氮變異系數較大，施氮量均值 為（294.5±85.8）kg·hm-2。近60%的種植戶水稻 生育期內施2～3次氮肥（圖1b），僅有2.92%的種植戶在基肥期一次性施氮，另有超過20%的種植戶施氮次數多于4次，區域內氮肥施用次數較多，占用勞動力成本較大。基肥期約有56%的種植戶選用復合肥作為氮素的主要來源基施入田（圖1c），有25.71%的種植戶采用尿素、磷酸二銨、硫酸銨等單質氮肥或二元肥料作氮肥，另有10.89%的基施氮肥為復合肥，僅有7.41%的種植戶選用了緩釋肥料。追肥期氮素則主要來自尿素和硫酸銨等單質氮肥（圖1d）。

圖1 遼河三角洲水稻施氮現狀

2.2 區域水稻需氮量

區域調研數據顯示，遼河三角洲水稻籽粒產量為（10479.9±1084.8）kg·hm-2（圖2），秸稈產量為（9467.8±1390.5）kg·hm-2，不同種植戶間水稻籽粒產量相差近4000 kg·hm-2。根據對水稻氮素吸收量的核算結果表明，遼河三角洲水稻地上部吸氮量為（191.5±25.5）kg·hm-2。當目標產量上下變化幅度為5%時，遼河三角洲適宜施氮量為182～202 kg·hm-2。這一范圍與區域內目前實際施氮范圍相比，有30.5%～38.3%的減氮 空間。

圖2 遼河三角洲水稻產量現狀

2.3 減氮對水稻產量和氮素吸收的影響

本研究田間試驗結果（圖3）表明，化肥氮用量為260 kg·hm-2的條件下，水稻產量可達10820 kg·hm-2，這一產量與調查結果中區域平均產量的差異不顯著（P＞0.05），因此在本研究中這一施肥條件下的NPK處理作為常規化肥處理。選用炭基肥、穩定性復合肥、控釋肥和控釋尿素等緩釋肥料，減氮量在19.2%～30.8%時，各處理產量分布在10918～12619 kg·hm-2之間。與常規化肥相比，CRT、CRW、CRK、CRU和CRJ處理產量均有所上升，其中CRJ處理顯著增加了16.6%的產量（P＜0.05）。由此可見，適當減氮的條件下施用緩釋肥可以維持甚至提高水稻產量。與常規化肥處理（NPK）相比（圖4），緩釋肥減氮處理并未降低籽粒和秸稈的氮吸收，有效保證了作物的 供氮。

圖3 不同年份各處理水稻籽粒產量

圖4 不同年份各處理水稻吸氮量

2.4 減氮對氮利用率的影響

與NPK處理相比，各緩釋肥減氮處理的氮肥吸收利用率提高了1.80%～14.89%（圖5），CRJ處理氮肥吸收利用率最高達51.26%。因此，適當減施氮條件下施用緩釋肥可以維持水稻氮吸收量，進而提高氮肥利用率。

圖5 不同年份各處理水稻氮肥吸收利用率

2.5 減氮對土壤養分的影響

2年試驗中，各緩釋肥減氮處理基本都能維持水稻收獲后土壤全氮、有效磷和全鉀含量（表2）。與NPK處理相比，除2019年CRJ處理土壤TN含量顯著降低外（P＜0.05），CRT、CRW、CRK和CRU處理土壤TN含量都有所提高，但均無顯著差異。各處理土壤有效磷含量在2年試驗中變化幅度較大，但各緩釋肥減氮處理均高于NPK處理，其中2019年增加了1.3%～24.8%；CRJ處理兩年中有效磷含量均最高，分別為44.4和28.7 mg·kg-1。與NPK處理相比，2年試驗中各緩釋肥減氮處理的土壤全鉀含量變化幅度分別為-7.7%～-0.4%和-7.6%～0.8%，但彼此間均無顯著差異（P＞0.05）。

表2 不同年份各處理水稻收獲后土壤全氮、有效磷和全鉀含量

2.6 減氮對田面水中氮的影響

不同處理田面水總氮、銨態氮和硝態氮濃度均在基肥施入后第1～2 d達到峰值（圖6），隨著時間的推移各處理氮素含量均迅速降低，并在施肥7 d后趨于平穩。與NPK處理相比，各緩釋肥減氮處理田面水總氮、銨態氮和硝態氮峰值濃度分別降低了68.3%～88.8%、82.2%～87.4%和64.2%～87.6%。蘗肥和穗肥施入后NPK處理田面水總氮濃度變化與基肥期變化趨勢相似，其余處理由于沒有追施氮肥，田面水氮素濃度一直處于較低水平。

圖6 不同處理田面水不同形態氮素濃度變化

不同處理在施肥期田面水TN、NH4+-N、NO3--N 加權平均濃度如表3所示。與NPK處理相比，基肥期各緩釋肥減氮處理的TN、NH4+-N、NO3--N加權平均濃度分別顯著降低了68.4%～79.6%、78.2%～87.9%、69.3%～81.6%，緩釋肥減氮投入可以有效降低施肥期田面水氮素濃度。由于蘗肥期和穗肥期除NPK處理外其他處理均無氮肥投入，所以田面水中TN、NH4+-N、NO3--N加權平均濃度均處在較低水平。

表3 不同施肥期田面水TN、NH4+-N、NO3--N加權平均濃度（N mg·L-1）

2.7 減氮的成本收益

不同處理的成本收益情況如表4所示。相較于NPK處理，各緩釋肥減氮處理提高了285.4～ 5223.1 元·hm-2的經濟產出。CRT、CRK和CRU處理的肥料投入成本較高，但在田間基本管理相同的條件下，各緩釋肥處理由于減少追肥次數，降低了人工成本，總投入均低于NPK處理。各緩釋肥減氮處理較常規化肥處理均增加了經濟效益，其中CRJ處理顯著提高，達5816.6 元·hm-2。

表4 不同施氮處理水稻經濟效益（兩年平均）

3 討論

3.1 遼河三角洲氮肥施用現狀與問題

氮素是水稻產量主要的限制因子[26］。本研究在區域實地調研中發現，遼河三角洲稻區平均施氮量為294.5 kg·hm-2，變異系數較大，宮亮 等[27］施用尿素氮的研究結果表明，遼河三角洲水稻氮肥施用閾值為210 kg·hm-2，與施肥現狀相比還有較大的減氮空間。目前，在區域內平均經濟產量約為10480 kg·hm-2的前提下，依據作物需氮量理論[21］，本研究確定的遼河三角洲適宜施氮量范圍為182～202 kg·hm-2。這一結果與區域實際施肥情況對比發現，目前遼河三角洲稻區僅有約4%的種植戶施氮量比較合理，由此可見，區域內絕大部分種植戶氮肥用量偏高。并且通過調查種植戶施肥時間發現，種植戶基肥施用時間主要集中在5月中上旬，基肥多在春季旋耕時施入土壤，隨后多在5月下旬進行插秧，這種基肥的施用方式也會大大增加泡田期肥料損失的風險[28-29］。

3.2 緩釋肥減氮施用對水稻生產和環境的影響

本研究田間試驗結果表明，與區域常規化肥處理相比，減氮19.2%～30.8%的條件下能維持甚至提高水稻產量，這表明施氮盈余量較高的區域，在理論施氮量的范圍內進行合理減氮可以保證作物產量。施用緩釋肥料也是實現水稻減肥增效的重要途徑[11-12］，本研究中各緩釋肥減氮處理在降低氮素投入的條件下維持了作物吸氮量，有效提高了氮素吸收利用率，這是由于緩釋肥料可以控制養分釋放期，使肥料養分供給與水稻吸收相匹配，從而實現氮素高效利用[30-31］。在理論施氮量范圍內進行緩釋肥減氮施用不會造成土壤地力的損耗，2年試驗中各減氮處理基本都能維持甚至提高土壤TN、Olsen-P和TK含量，僅有CRJ處理在2019年土壤TN含量有所下降，這可能是由于CRJ處理當年產量顯著高于其他處理以及區域調研平均產量，施氮量無法完全滿足作物吸氮需求，這進一步驗證了在當前區域產量下本研究所得理論施氮量的合理性。各緩釋肥減氮處理可以有效降低田面水中氮的含量，且氮肥在基肥期全量施用避免了后期追施，水稻生育中后期的田面水氮素濃度一直處于較低水平，有效降低了氮素流失[32］以及氨揮發的 風險[33］。

3.3 緩釋肥減氮的經濟效益

實現區域內的化肥減施增效，除了考慮作物產量和肥料利用率，技術的實施成本也是限制應用的一個重要因素。水稻種植成本主要是田間基本管理費（種子、農藥、灌排水、機械等）、肥料費以及人工費3部分，雖然緩釋肥料的價格較高，但由于肥料投入量減少，且不需要追肥，降低了人力成本，各緩釋肥減氮處理的生長季總投入反而比常規化肥處理低。因此，各緩釋肥減氮處理憑借較高的經濟產出和較低的成本投入，實現了節本增效[34］。本研究中各緩釋肥減氮處理采用基肥期一次性全量施用的方式，而區域內施用常規化肥種植水稻追肥次數最高可達5次，因此可以減少追肥次數，降低勞動力投入。在目前農村勞動力不足和主推輕簡化施肥的背景下[35］，緩釋肥減量替代常規化肥既能維持產量穩定，又能降低環境污染風險，增加經濟效益，未來可以在集約化較高的地區結合側深施肥機械[36-37］，進一步減少肥料投入和人力成本，是一種值得推廣的水稻施肥模式。但目前我國緩釋肥料受生產技術和成本的制約以及存在推廣力度不足等問題[38］，在實際生產中仍未廣泛應用，我國緩釋肥料年消耗量僅占化肥年總消耗量的1%左 右[39］，本研究農戶調研中也僅有7.41%的種植戶選擇緩釋肥料作基肥，未來需要進一步研究 推廣。

4 結論

本研究通過區域施肥調研與田間試驗相結合，明確遼河三角洲單季稻區施肥現狀，研究區域氮肥減施潛力。結果表明，遼河三角洲稻區當前區域施氮量高達294.5 kg·hm-2，種植戶盲目施肥現象突出，區域內減氮潛力較高。選擇適宜的緩釋肥料替代常規化肥氮，遼河三角洲稻區能夠減少19.2%～30.8%的氮素投入，在保證作物產量的條件下，提高了氮肥利用率，維持了土壤養分含量，降低了氮素損失風險。施用緩釋肥還能減少施肥次數，降低人工成本，實現節本增效。本研究中雖然考慮了作物需氮量對區域適宜施氮量的影響，但在實際減肥過程中，還應考慮當地土壤肥力等因素，在保證作物產量的前提下，因地制宜地降低肥料 投入。