重慶稻油輪作區氮素利用及氮肥投入閾值研究

方藝， 委亞慶， 張世浩， 李澤慧， 習向銀，3

1. 西南大學 資源環境學院，重慶 400715；2. 海南熱帶海洋學院 旅游學院，海南 三亞 572022；3. 土肥資源高效利用重慶市重點實驗室，重慶 400715

目前, 我國農田氮肥利用率遠低于發達國家水平, 僅為30%～35%[1]． 大量未被利用的氮肥導致了一系列問題, 如土壤肥力不斷升高, 肥料的增產效應逐漸降低, 單位面積氮肥殘留量增加等[2-4]． 這已成為我國水環境和大氣環境污染的重要原因之一, 對我國農業的可持續發展以及人類的生存環境構成了威脅[5-7]． 長江上游是我國重要的農業生態功能區和生態脆弱區, 水稻油菜輪作是長江流域最具代表性和分布最廣泛的耕作制度之一． 合理施肥是農作物增產的關鍵環節, 然而農業生產中盲目施用化肥的現象非常普遍[8-10]． 最新研究表明, 長江流域作物生產總共向水體流入約為6 Tg的氮素, 其中油菜約占7.95%, 水稻更是達到22.31%, 可見, 水稻和油菜是水體氮素負荷的主要貢獻者之一[11]． 確定重慶地區水稻油菜輪作化學氮肥投入閾值非常必要, 以期能達到作物高產、 環境友好及農業可持續發展的目的． 朱兆良[12]在總結國內土壤氮素研究結果的基礎上, 對中國農田中化肥氮的去向進行了初步估計, 認為通過氨揮發、 表觀硝化-反硝化、 淋溶、 徑流等途徑損失的氮量約為52%, 印證了中國主要糧食產區氮肥利用率低、 損失率高的事實． 有研究表明[13-17], 合理施用氮肥在水稻、 油菜生產中可提高氮肥利用率及偏生產力, 也可明顯提高土壤肥力、 作物產量及經濟效益． 因地形、 氣候、 土壤肥力等因素的影響, 不同地方油菜和水稻的適宜施氮量不同． 洞庭湖平原油菜施氮量為180 kg/hm2時油菜的產量和氮肥利用效率最佳[18], 湖北省油菜適宜施氮量為150 kg/hm2[19], 江浙油菜主產區冬油菜的氮肥適宜用量在180～270 kg/hm2之間[20]． 宮亮等[21]確定遼河三角洲地區水稻氮肥施用閾值為210～245 kg/hm2． 施澤升等[22]認為洱海北部地區推薦水稻施氮量為228.26～304.34 kg/hm2． 蘇南太湖流域目前生產條件下, 兼顧生產、 生態和經濟比較合理的水稻施肥量為221.5～261.4 kg/hm2[23]． 水稻油菜輪作是水作和旱作交替下進行種植, 這種土壤干濕交替變化會引起土壤物理、 化學和生物特性的變化, 進而對土壤養分循環和土壤肥效產生深刻影響[24]． 目前關于氮肥投入閾值研究多數集中于單季作物水稻或者油菜上, 而關于水稻油菜輪作的氮肥投入閾值研究尚未見報道． 本文在重慶永川采用田間隨機區組法研究不同氮肥用量對水稻油菜輪作作物產量、 氮肥利用、 經濟效益及氮素平衡的影響, 以期為重慶地區水稻油菜輪作氮肥合理施用提供理論依據． 這對實現糧油作物綠色高產高效與農業可持續發展以及保障農業環境安全具有重要意義．

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2018年10月至2019年8月在重慶市永川區來蘇鎮水磨灘村三元壩3社(29°16′N, 105°48′E)進行． 該區域海拔282 m, 年平均氣溫17.6 ℃, 年平均降水量801.1 mm． 供試土壤類型為水稻土, 土壤有機質19.3 g/kg, 全氮1.70 g/kg, 堿解氮184.35 mg/kg, 有效磷4.74 mg/kg, 速效鉀133 mg/kg, pH值5.64, 有效硼0.396 mg/kg． 試驗期間日均溫及日降雨量的動態變化見圖1．

1.2 供試材料

供試水稻品種為晶兩優534, 生育期約為126.8 d; 供試油菜品種為寶油早12, 生育期約為190 d． 尿素(N, 46.4%), 過磷酸鈣(P2O5, 12%), 硫酸鉀(K2O, 52.0%), 硼砂(B, 11%)．

1.3 試驗設計

試驗設置5個氮肥處理(表1), 3次重復, 隨機區組排列, 共15個小區． 每個試驗小區面積為20 m2． 油菜季氮肥的基肥、 越冬肥和薹肥施用比例為60%, 20%和20%． 水稻季氮肥的基肥、 分蘗肥和穗肥施用比例為50%, 35%和15%． 各個小區磷肥、 鉀肥和硼肥全部基施, 施肥方法均為撒施． 油菜于2018年10月23日直播, 播種量為3 kg/hm2, 2019年4月25日收獲． 水稻于2019年5月29日移栽, 密度為15萬窩/hm2, 每窩2株, 移栽株行距為21 cm×30 cm, 2019年8月28日收獲． 為防止各處理間水、 肥串灌和被雨水淋垮, 小區間用泥土筑埂并用塑料薄膜包裹隔開． 除施肥外, 各小區其他田間管理措施相同．

表1 各處理肥料用量情況 /(kg·hm-2)

1.4 測定項目與測定方法

1.4.1 土壤樣品采集及測定

施肥前采集試驗地耕層土樣并進行理化性質分析． 以整個試驗田塊為采樣單元, 采用S形取樣方法在試驗田塊內采集15個土壤樣品進行混勻, 作為基礎土壤樣品, 風干過篩, 供土壤基礎理化性質分析用． 土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定; 全氮采用濃H2SO4消化-流動注射分析儀測定; 有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定; 速效鉀采用1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度法測定; pH值按照水土比2.5∶1采用pH計測定[25]．

在作物播種前和收獲后, 每小區采用S形5點法采樣, 采樣深度0～60 cm, 每20 cm 為1個混合樣． 鮮土樣約500 g冷藏保存, 分析硝態氮、 銨態氮、 質量含水量(土壤中水分的質量與干土質量的比值)． 用烘干法測定新鮮土壤水分質量分數, 用KCL浸提法使用吉田流動注射分析儀(德國AutoAnalyzer)測定新鮮土壤樣本中的硝態氮和銨態氮質量分數．

1.4.2 植物樣品采集及測定

成熟期各處理采集代表性植株5株, 在105 ℃下殺青30 min, 而后在75 ℃烘干, 植株全氮測定采用濃H2SO4-H2O2消煮-凱氏定氮法．

1.4.3 計產

每季作物成熟時每小區隨機取樣10株考種, 并測量生物產量、 籽粒產量, 各小區單收單打．

1.5 計算公式

本文中計算公式參考文獻[26-28]．

氮素積累量(N):

N=W×ωN

氮肥偏生產力(PFPN, 以NPFP表示):

NPFP=Y/F

氮肥農學利用率(AEN, 以NAE表示):

隨著國家“健康中國”戰略的實施，健康管理已經上升到非常重要的高度。對于從事健康管理的人員而言，如何正確認識健康管理的核心內涵及在實踐中成功的實施至關重要。這就需要我們深入地思考健康管理的合理化模式，并在實踐中不斷地加以修正。

NAE=(Y-Y0)/F

氮肥表觀利用率(REN, 以NRE表示):

NRE=(Nx-N0)/F×100

氮肥生理利用率(PEN, 以NPE表示):

NPE=(Y-Y0)/(N-N0)

式中,W為干物質量,ωN為氮質量分數,Y為施氮區作物籽粒產量,F為施氮量,Y0為未施氮區作物籽粒產量,Nx為施氮區植株氮積累量,N0為未施氮區植株氮積累量．

根據氮素平衡模型計算氮的表觀損失量． 把化肥施用氮素和土壤礦化氮作為氮素輸入來源, 不考慮額外的氮素輸入, 且不考慮氮肥激發效應, 假設各處理間土壤氮礦化量相同; 氮肥輸出僅考慮作物吸收氮素, 不考慮揮發和淋溶等因素損失的氮素．

土壤剖面中各土層礦化氮累積量(NMIN):

NMIN=d×ρb×C×0.1

土壤礦化氮量(∑NMIN):

∑NMIN=N0+RNMIN-BNMIN

氮表觀損失量(Nal):

Nal=(F+BNMIN+∑NMIN)-(Nx+RNMIN)

式中,d為土層厚度(cm);ρb為土壤容重(g/cm3);C為土壤中礦化氮質量分數(mg/kg);RNMIN為不施氮區土壤殘留NMIN;BNMIN為不施氮區土壤起始NMIN．

1.6 統計分析

2 結果與分析

2.1 施氮水平對稻油輪作產量及氮肥利用率的影響

由表2可以看出, 施氮處理能顯著提高油菜季產量和成熟期氮素積累量(p<0.05), 增加幅度分別為73.31%～125.75%和94.86%～187.29%, 且N300處理增產效果最佳． 與不施氮處理相比, N300處理使油菜季產量增產1 335.00 kg/hm2, 油菜季成熟期氮素積累量增加77.67 kg/hm2． 油菜季氮肥偏生產力、 氮肥農學利用率、 氮肥表觀利用率隨施氮量增加均顯著下降, 由小到大依次為N300,N225,N150,N75． 與低氮處理(N75)相比, 中高氮處理(N300, N225, N150)的氮肥偏生產力、 氮肥農學利用率和氮肥表觀利用率降幅范圍分別為40.70%～50.65%, 44.52%～67.43%, 37.09%～57.13%． 油菜季氮肥生理利用率各個施氮處理之間差異無統計學意義(p<0.05)．

表2 施氮水平對水稻油菜輪作產量和氮肥利用率的影響

水稻季各施氮處理具有顯著的增產效果(p<0.05), 產量較不施氮處理提高了15.28%～37.74%, 其中 N225處理效果最佳, 增產3 528.57 kg/hm2． 水稻季成熟期氮素積累量增加幅度為25.12%～111.66%, 以N300處理效果最佳, 增加138.87 kg/hm2． 水稻季氮肥偏生產力和氮肥農學利用率隨施氮量增加的變化規律與油菜季相似, 較N75處理分別下降了45.57%～71.39%, 10.87%～44.78%． 水稻季氮肥表觀利用率各個施氮處理之間差異無統計學意義(p<0.05)． 水稻季氮肥生理利用率變化動態由小到大依次為N75,N150,N300,N225． 相對于N75處理, 其他施氮處理氮肥生理利用率增加幅度為78.29%～146.99%, 其中N225處理增幅最大, 達到了67.22 kg/kg．

2.2 施氮水平對稻油輪作土壤剖面無機氮分布的影響

油菜收獲后耕層0～60 cm土壤剖面中礦質氮質量分數分布見圖2． 由圖2可知, 施氮顯著提高了油菜季耕層0～20 cm土壤銨態氮和硝態氮的質量分數(p<0.05), 而且均有隨施氮量增加而增加的趨勢． 油菜季耕層20～40 cm土壤中N0, N75和N150處理銨態氮質量分數分別高于耕層0～20 cm, 但在耕層20～40 cm各處理之間差異無統計學意義． 這可能是因為施肥和礦化等導致耕層20～40 cm土壤銨態氮質量分數增加且容易被土壤膠體吸附所致． 油菜季耕層40～60 cm各施氮處理土壤銨態氮質量分數也保持較高的水平但處理間差異無統計學意義． 油菜季耕層0～40 cm 硝態氮質量分數隨土層深度增加而明顯減少, 同層硝態氮質量分數有隨施氮量增加而增加的趨勢． 油菜季耕層40～60 cm各處理土壤硝態氮質量分數略低于耕層20～40 cm(N300除外), 且N225處理和N300處理土壤硝態氮質量分數顯著高于其他處理(p<0.05)．

圖2 油菜和水稻收獲時0～60 cm土壤剖面中銨態氮和硝態氮分布

水稻收獲后耕層0～60 cm土壤剖面中礦質氮質量分數分布見圖2． 與N0處理相比, 施氮顯著提高了水稻季耕層0～60 cm土壤銨態氮和硝態氮質量分數(p<0.05), 且無機氮質量分數隨土層深度增加而減少, 耕層0～20 cm土壤無機氮質量分數隨施氮量增加而增加． 水稻季耕層20～40 cm的土壤N150, N225, N300處理銨態氮質量分數顯著高于N0和N75處理, 40～60 cm 的土壤N300處理銨態氮質量分數最高且顯著高于其他處理(p<0.05)．

2.3 油菜水稻輪作作物產量與施氮量的關系

目前常采用一元二次方程或線性加平臺方程擬合作物產量和施氮量的關系[2, 13]． 圖3中, 在中低施氮量時, 產量與施氮量表現為線性正相關(油菜:y=6.533x+1 157.8, 0≤x≤183.38,R2=0.913; 水稻:y=16.982x+9 401.67, 0≤x≤193.82,R2=0.913)． 在施氮量中等或較高時產量基本保持恒定(油菜:y=2 355.82,x>183.38; 水稻:y=12 692.86,x>193.82)． 油菜最高產量為2 355.82 kg/hm2, 對應施氮量為183.38 kg/hm2, 水稻最高產量為12 692.86 kg/hm2, 對應施氮量為193.82 kg/hm2． 超過該值, 油菜和水稻的籽粒產量增加不再顯著, 氮肥利用率則下降, 肥料對產量的邊際收益降低． 總之, 該范圍對應推薦施氮量既保證了油菜和水稻獲得高產又降低了農民的成本投入, 減少了氮素的流失．

圖3 施氮量與油菜和水稻產量的關系擬合

2.4 油菜水稻輪作作物經濟效益與施氮量的關系

水稻和油菜經濟效益是指水稻和油菜收獲銷售后, 除去糧食生產總成本所獲得的收益． 根據當地市場銷售的肥料價格折純后N, P2O5, K2O, B 價格分別為5.16, 5.28, 8.00, 7.58元/kg, 油菜、 水稻價格分別按照近3年均價6.00元/kg, 2.52元/kg計算． 由圖4可知, 油菜和水稻的經濟效益隨著施氮量增加呈現出先增后減的趨勢, 油菜的最佳經濟施氮量為249.30 kg/hm2, 此時農民經濟效益為11 907.60元/hm2; 水稻的最佳經濟施氮量為246.61 kg/hm2, 此時農民經濟效益為29 706.62元/hm2．

圖4 油菜和水稻經濟效益與施氮量間關系擬合

2.5 油菜水稻輪作作物吸氮量、 土壤氮素表觀損失量和施氮量的關系

施氮量和作物吸氮量、 氮素表觀損失量關系如圖5． 油菜季施氮量和作物吸氮量呈現線性加平臺的關系． 當施氮量x≤218.57 kg/hm2時, 油菜吸氮量隨施氮量增加而提高, 其線性回歸方程為y=0.297x+47.564,R2=0.895; 當施氮量x>218.57 kg/hm2時, 油菜吸氮量隨著施氮量增加而保持恒定, 其回歸方程為y=112.48． 油菜季施氮量和氮素表觀損失量呈線性關系, 其回歸方程為y=0.402 2x-33.427,R2=0.860． 水稻季吸氮量與施氮量呈現線性加平臺的關系． 當施氮量x≤245.32 kg/hm2時, 水稻施氮量和吸氮量呈線性相關關系, 其線性回歸方程為y=0.59x+119.032,R2=0.879; 當施氮量x>245.32 kg/hm2時, 水稻吸氮量隨著施氮量增加而保持恒定, 其回歸方程為y=263.77． 水稻季施氮量和氮素表觀損失量呈線性關系, 其回歸方程為y=0.707 9x-110.06,R2=0.925． 當油菜季和水稻季化學氮肥投入量分別為83.11 kg/hm2和155.47 kg/hm2時, 氮素表觀損失量為0; 當油菜和水稻化學氮肥投入量小于該值時, 氮素表觀損失量為負值; 當油菜季化學氮肥投入量為 83.11～218.57 kg/hm2, 水稻季化學氮肥投入量為155.47～245.32 kg/hm2時, 氮素處于最大作物吸氮量和最小氮素表觀損失量之間, 既滿足了作物的生長, 又使氮素損失較少, 可作為平衡作物吸氮量和環境友好的合理投入閾值．

圖5 表觀損失量與施氮量之間關系擬合

3 討論

作物高產與農戶增收是合理施肥的重要目的, 也是科學施肥技術得以應用的重要保障[29]． 我們在選取不同的肥效效應函數擬合經濟閾值和產量閾值時, 首先應該考慮到函數的擬合程度和閾值對應氮肥投入量的節省情況[30]． 本試驗采用線性加平臺函數對作物產量和施氮量進行擬合, 以作物最高產量的95%和最高產量為置信區間, 有效降低了施氮量, 并保證作物高產[31-32]． 結果表明, 重慶地區油菜水稻輪作系統中油菜的產量閾值為2 238.03～2 355.82 kg/hm2, 對應化學氮肥投入量為165.35～183.38 kg/hm2; 水稻的產量閾值為12 058.50～12 692.86 kg/hm2, 對應化學氮肥投入量為156.45～193.82 kg/hm2． 本文利用一元二次函數對經濟效益和施氮量進行擬合, 在不顯著降低農戶收益的情況下, 分別得出油菜季經濟閾值為11 312.18～11 907.60元/hm2, 對應施氮量為172.41～249.30 kg/hm2; 水稻季經濟閾值為28 221.34～29 706.62元/hm2, 對應施氮量為135.17～246.61 kg/hm2． 由于農民對經濟效益最大化的追求往往會導致氮肥的浪費, 進而導致環境污染, 所以最佳經濟施氮量通常可作為氮肥閾值的上限, 這與宮亮等[21]的研究方法相同．

氮素是農業生產中作物高產的重要保障, 但是一味追求高產而過量施肥會降低氮肥利用率, 并產生水體富營養化、 氨揮發和硝酸鹽污染的環境問題[33-36]． 根據朱兆良[37]對中國大量施肥田間試驗的統計顯示, 在目前生產水平下, 施氮量為150～180 kg/hm2時, 大田作物已經可以達到較高的產量． 但為滿足我國人口增長和生活改善的國情, 農民們增加了化學氮肥投入, 但過量氮肥投入必然導致氮肥利用率下降和氮素流失所引發的一系列問題． 朱兆良[38]認為, 我國農田中當季氮肥利用率僅為30%～35%, 高產區更是低于30%． 張福鎖等[39]、 巨曉棠等[40]認為, 我國主要糧食作物的氮肥利用率僅為27.5%, 比發達國家低 10%～20%． 有研究認為, 氮肥施用30年后仍會在土壤中殘留12%～15%的氮素, 土壤殘留氮的后效更是在50年之上[41]． 目前使用差減法得到的氮肥利用率并沒有考慮肥料的后效, 我們應該從土壤氮庫的供氮能力出發, 尋找氮素殘留和消耗氮庫之間的平衡, 從而達到作物高產和環境友好的目的． 有研究表明, 在農業生產中約有5%～10%的氮素以氣態形式揮發, 約20%～25%的氮素以徑流和滲漏形式損失, 剩余大部分以無機氮的形態殘留于土壤剖面中[42]． 土壤無機氮質量分數代表了土壤供氮的狀況[43], 因此, 本文根據氮素平衡模型計算氮素的表觀損失量, 最后綜合考慮土壤氮素表觀損失量和植株吸氮量, 得出重慶地區稻油輪作中油菜季氮肥環境閾值為83.11～218.57 kg/hm2, 土壤氮素表觀損失量為0～54.48 kg/hm2; 水稻季氮肥環境閾值為155.47～245.32 kg/hm2, 土壤氮素表觀損失量為0～63.60 kg/hm2． 這維持了土壤供氮和植物需氮趨于平衡, 土壤供氮能力和產量得以維持, 農業生產得以可持續發展． 本文確定的化學氮肥投入閾值可作為區域氮肥施用的參考值, 后期可通過進一步試驗加以驗證和修正．

4 結論

施氮量在0～225 kg/hm2范圍內能顯著提高重慶地區水稻油菜輪作的作物產量和氮素積累量． 油菜季氮肥偏生產力(PFPN)、 氮肥農學利用率(AEN)、 氮肥表觀利用率(REN)及水稻季PFPN和AEN均隨氮肥增加呈現下降趨勢, 水稻季REN則呈先增加后下降的趨勢．

在重慶地區稻油輪作系統中, 氮肥用量與油菜和水稻產量(油菜季R2=0.913, 水稻季R2=0.913)以及作物吸氮量(油菜季R2=0.895, 水稻季R2=0.879)均呈線性加平臺關系, 與油菜和水稻經濟效益(油菜季R2=0.914, 水稻季R2=0.898)均呈二次曲線關系, 與土壤氮素表觀損失量(油菜季R2=0.860, 水稻季R2=0.925)均呈線性關系．

綜合考慮稻油輪作系統中目標產量、 經濟效益以及環境因素, 重慶地區稻油輪作區油菜季化學氮肥投入閾值應為172.41～183.38 kg/hm2, 目標產量為2 284.15～2 355.82 kg/hm2, 土壤氮素表觀損失量為35.92～40.33 kg/hm2, 農民收益為11 312.18～11 469.95元/hm2; 水稻季化學氮肥投入閾值為156.45～193.82 kg/hm2, 目標產量為12 058.50～12 692.86 kg/hm2, 土壤氮素表觀損失量為0.69～27.15 kg/hm2, 農民收益為28 734.43～29 373.33元/hm2．