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长期氮肥减量深施对双季稻产量和土壤肥力的影响

彭术 王华 张文钊 侯海军 陈安磊 魏文学 万勇军 袁辉忠

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长期氮肥减量深施对双季稻产量和土壤肥力的影响

    作者简介: 彭术E-mail:652625488@qq.com;
    通讯作者: 张文钊, E-mail:wzhzh@isa.ac.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2016YFD0200307,2017YFD0301504,2018YFC0213302);中央引导地方科技发展专项(2017CT5010)。

Effect of long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer on rice yield and soil fertility in a double rice cropping system

    Corresponding author: ZHANG Wen-zhao, E-mail:wzhzh@isa.ac.cn ;
  • 摘要:   【目的】  合理减少氮肥用量是解决我国当前稻田生态系统氮素损失量大、氮肥利用率低等问题的重要途径。然而,长期减少氮肥投入能否维持水稻产量和稻田土壤肥力还不清楚。以我国南方典型红壤双季稻田为研究对象,系统分析连续7年化肥深施结合不同氮肥用量措施下双季稻产量、氮肥偏生产力、根际土壤速效养分含量和土壤肥力的差异特征,探讨长期氮肥减量的可行性,为制定适宜的双季稻田氮肥管理措施提供科学依据。  【方法】  于2012年,在中国科学院桃源农业生态试验站开始设置氮肥减量深施长期定位试验,以常规施氮 (CF,早、晚稻施氮量均为N 150 kg/hm2,基追肥均为表层撒施) 为对照,基于化肥深施,设置3个氮肥水平 (N1,减氮30%;N2,减氮23%;N3,减氮16%)。每年早、晚稻收获计产,并于2018年早、晚稻分蘖期、拔节期和成熟期采集水稻根际土壤,测定土壤无机氮、有效磷和速效钾含量,同时测定晚稻成熟期根际土壤pH、有机碳和全量养分含量,研究长期氮肥减量深施对双季稻产量和稻田土壤肥力的影响。  【结果】  与CF处理相比,深施条件下,减氮16%~30%处理早、晚稻分蘖期根际土壤无机氮和速效钾含量无显著变化,但减氮23%和30%处理早稻分蘖期根际土壤有效磷含量显著降低;拔节期和成熟期根际土壤NH4+-N和NO3-N含量分别提高了4.26%~109.00%和2.56%~65.50%,有效磷和速效钾含量分别提高了3.10%~32.60%和5.94%~42.40%,保证了双季稻生育中后期氮磷钾养分的稳定供应。在化肥深施基础上,连续7年减少16%~30%氮肥用量提高了氮肥偏生产力,早晚稻增产4.37%~32.70%,并维持土壤有机质和全量养分含量的稳定。  【结论】  结合化肥深施,在常规氮肥用量(150 kg/hm2)基础上减少30%氮肥投入,双季稻根际土壤速效养分含量不会降低,甚至高于撒施。因此,长期减施氮肥结合深施可以维持双季稻的产量和稻田土壤肥力的稳定,显著提高氮肥偏生产力。
  • 图 1  化肥深施点示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of deep application site of chemical fertilizers

    图 2  2012―2018年氮肥减量深施处理早稻和晚稻产量

    Figure 2.  Grain yield of early and late rice under long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer during 2012–2018

    图 3  长期氮肥减量深施对双季稻根际土壤NH4+-N和NO3-N含量的影响

    Figure 3.  Effects of long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer on the contents of NH4+-N and NO3-N in rhizosphere soil of double cropping rice

    图 4  长期氮肥减量深施对双季稻根际土壤有效磷和速效钾含量的影响

    Figure 4.  Effects of long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer on the contents of available phosphorus and potassium in rhizosphere soil of double cropping rice

    表 1  长期氮肥减量深施处理双季稻产量变异系数和氮肥偏生产力

    Table 1.  Coefficient of variation of yield and partial factor productivity of applied N under long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer

    处理
    Treatment
    产量变异系数Variable coefficient of yield (%)氮肥偏生产力Partial factor productivity of applied N (kg/kg)
    早稻Early rice晚稻Late rice早稻Early rice晚稻Late rice
    CF20.6 a16.5 a29.8 c33.4 c
    N120.5 a14.1 a45.7 a52.3 a
    N219.3 a14.7 a 43.0 ab 46.1 ab
    N319.9 a14.3 a 39.0 bc40.3 b
    注(Note):CF—表面撒施 N 150 kg/hm2 Broadcasting N 150 kg/hm2; N1—深施 N 105 kg/hm2 Deep applying N 105 kg/hm2; N2—深施 N 115.5 kg/hm2 Deep applying N 115.5 kg/hm2; N3—深施 N 126 kg/hm2 Deep applying N 126 kg/hm2. 同列数据后不同小写字母代表处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 2  长期氮肥减量深施处理双季稻田氮素的表观平衡 (kg/hm2)

    Table 2.  Apparent balance of soil nitrogen in double cropping rice field under long-term reduction and deepplacement of nitrogen fertilizer

    处理
    Treatment
    早稻季Early rice season晚稻季Late rice season年表观平衡
    Annual apparent balance
    氮输入
    N input
    氮输出
    N output
    表观平衡
    Apparent balance
    氮输入
    N input
    氮输出
    N output
    表观平衡
    Apparent balance
    CF150.088.46 ± 5.26 a61.54 a150.0114.3 ± 3.28 a35.66 a97.20 a
    N1105.082.79 ± 4.50 a22.21 b105.0111.5 ± 5.06 a–6.470 b15.74 b
    N2115.5 85.29 ± 11.41 a30.21 b115.5109.9 ± 9.16 a 5.560 b35.77 b
    N3126.093.44 ± 9.07 a32.56 b126.0119.0 ± 5.68 a 6.980 b39.54 b
    注(Note):CF—表面撒施 N 150 kg/hm2 Broadcasting N 150 kg/hm2; N1—深施 N 105 kg/hm2 Deep applying N 105 kg/hm2; N2—深施 N 115.5 kg/hm2 Deep applying N 115.5 kg/hm2; N3—深施 N 126 kg/hm2 Deep applying N 126 kg/hm2. 氮输入为施肥量,输出为作物带走 The input and output of N indicate fertilizer amount and crop removal. 同列数据后不同小写字母代表处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments ( P < 0.05).
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    表 3  长期氮肥减量深施处理双季稻田土壤基础肥力

    Table 3.  Basic soil fertility of double cropping rice field under long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer

    处理Treatment有机质(g/kg)
    Organic matter
    pH全氮 (g/kg)
    Total N
    全磷 (g/kg)
    Total P
    全钾 (g/kg)
    Total K
    CF37.0 ± 0.16 a4.56 ± 0.02 a2.30 ± 0.05 a0.75 ± 0.02 a12.5 ± 0.17 a
    N137.5 ± 1.33 a4.59 ± 0.08 a2.37 ± 0.06 a0.77 ± 0.01 a12.9 ± 0.14 a
    N237.4 ± 0.19 a4.57 ± 0.04 a2.41 ± 0.01 a0.78 ± 0.00 a12.6 ± 0.14 a
    N337.2 ± 0.59 a4.53 ± 0.02 a2.38 ± 0.06 a0.76 ± 0.00 a12.9 ± 0.34 a
    注(Note):CF—表面撒施 N 150 kg/hm2 Broadcasting N 150 kg/hm2;N1—深施 N 105 kg/hm2 Deep applying N 105 kg/hm2;N2—深施 N 115.5 kg/hm2 Deep applying N 115.5 kg/hm2;N3—深施 N 126 kg/hm2 Deep applying N 126 kg/hm2. 同列数据后不同小写字母代表处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-11
  • 网络出版日期:  2020-08-06
  • 刊出日期:  2020-06-01

长期氮肥减量深施对双季稻产量和土壤肥力的影响

    作者简介:彭术E-mail:652625488@qq.com
    通讯作者: 张文钊, wzhzh@isa.ac.cn
  • 1. 中国科学院亚热带农业生态研究所/亚热带农业生态过程重点实验室/中国科学院桃源农业生态试验站,湖南长沙 410125
  • 2. 湖南农业大学资源环境学院,湖南长沙 410128
  • 3. 桃源县农业技术推广中心木塘垸站,湖南常德 415700
  • 4. 桃源县农业技术推广中心三阳港镇站,湖南常德 415700
  • 基金项目: 国家重点研发计划课题(2016YFD0200307,2017YFD0301504,2018YFC0213302);中央引导地方科技发展专项(2017CT5010)。
  • 摘要:   【目的】  合理减少氮肥用量是解决我国当前稻田生态系统氮素损失量大、氮肥利用率低等问题的重要途径。然而,长期减少氮肥投入能否维持水稻产量和稻田土壤肥力还不清楚。以我国南方典型红壤双季稻田为研究对象,系统分析连续7年化肥深施结合不同氮肥用量措施下双季稻产量、氮肥偏生产力、根际土壤速效养分含量和土壤肥力的差异特征,探讨长期氮肥减量的可行性,为制定适宜的双季稻田氮肥管理措施提供科学依据。  【方法】  于2012年,在中国科学院桃源农业生态试验站开始设置氮肥减量深施长期定位试验,以常规施氮 (CF,早、晚稻施氮量均为N 150 kg/hm2,基追肥均为表层撒施) 为对照,基于化肥深施,设置3个氮肥水平 (N1,减氮30%;N2,减氮23%;N3,减氮16%)。每年早、晚稻收获计产,并于2018年早、晚稻分蘖期、拔节期和成熟期采集水稻根际土壤,测定土壤无机氮、有效磷和速效钾含量,同时测定晚稻成熟期根际土壤pH、有机碳和全量养分含量,研究长期氮肥减量深施对双季稻产量和稻田土壤肥力的影响。  【结果】  与CF处理相比,深施条件下,减氮16%~30%处理早、晚稻分蘖期根际土壤无机氮和速效钾含量无显著变化,但减氮23%和30%处理早稻分蘖期根际土壤有效磷含量显著降低;拔节期和成熟期根际土壤NH4+-N和NO3-N含量分别提高了4.26%~109.00%和2.56%~65.50%,有效磷和速效钾含量分别提高了3.10%~32.60%和5.94%~42.40%,保证了双季稻生育中后期氮磷钾养分的稳定供应。在化肥深施基础上,连续7年减少16%~30%氮肥用量提高了氮肥偏生产力,早晚稻增产4.37%~32.70%,并维持土壤有机质和全量养分含量的稳定。  【结论】  结合化肥深施,在常规氮肥用量(150 kg/hm2)基础上减少30%氮肥投入,双季稻根际土壤速效养分含量不会降低,甚至高于撒施。因此,长期减施氮肥结合深施可以维持双季稻的产量和稻田土壤肥力的稳定,显著提高氮肥偏生产力。

    English Abstract

    • 水稻是我国主要粮食作物之一,常年种植面积在3000万hm2左右,稻谷产量占我国粮食总产量的1/3以上[1],其生产状况直接影响到国家的粮食安全。施用氮肥是实现水稻高产稳产的重要途径。为获取较高的水稻产量,农民常常过量施用氮肥。大量氮肥投入不仅导致氮肥利用效率下降,还会造成土壤质量退化、农业面源污染加重、温室气体排放加剧等一系列生态环境问题[2-5]。因此,合理减少氮肥投入对于维持稻田生态系统可持续发展具有重要意义。

      前人研究结果表明,适当减少氮肥用量可有效降低氮肥损失、提高氮肥利用率和维持水稻产量稳定[6-9]。例如,Qiao等[7]在太湖流域的稻麦轮作试验结果表明,减少10%~50%氮肥用量均可维持水稻产量稳定和提高氮肥利用率,过量施氮则显著降低氮肥利用率。还有研究指出,与常规施氮相比,减少30%氮肥用量不仅可以确保水稻产量稳定,还可显著降低肥料氮的气态损失[6]。然而,关于氮肥减施维持作物高产和提高氮肥效率等方面的研究大多来自1~3年的短期田间试验结果,由于部分地区稻田较高的养分供应水平以及大气沉降、灌溉等形式的氮素投入可能会掩盖氮肥减量造成的产量和土壤氮库下降,长期减施氮肥能否维持水稻产量稳定还需要进一步验证。土壤背景氮是土壤肥力的一个重要参数,长期施用大量氮肥和有机肥料导致我国稻田土壤背景氮普遍偏高[10]。在土壤背景氮较高的情况下,适当降低氮肥用量不仅不会减产,甚至还有可能增产[11]。这可能也是目前多数研究指出减少氮肥用量仍能保证作物高产和兼顾环境友好的重要原因。有研究指出,减少氮肥用量可明显降低农田土壤中氮素残留量[12]。据此,我们推测若长期减少氮肥用量可能会导致土壤肥力尤其是土壤氮库的下降,但有关这方面的研究还未见报道。

      目前,表面撒施和分次追肥仍是我国水稻生产中普遍采用的施肥方式。这种施肥方式常导致施入稻田的氮肥通过地表径流、氨挥发或反硝化等途径大量损失[3,13-14]。与传统的表面撒施相比,氮肥深施则可显著提高氮肥利用效率和降低氮肥损失,被认为是提高稻田氮肥利用率的最有效途径[15-16]。氮肥深施是否可以改善氮肥减量对水稻产量和稻田土壤肥力的影响还少见报道。本研究主要依托于2012年建立的氮肥减量深施定位试验,调查分析了连续多年氮肥减量结合深施下双季稻产量和土壤肥力的变化,探明长期减少氮肥用量的可行性,为合理制定双季稻田氮肥管理措施提供科学依据和数据支撑。

      • 试验地位于湖南省桃源县漳江镇中国科学院桃源农业生态试验站 (111°26'E、28°55'N),属武陵山区向洞庭湖平原过渡的丘岗地带。年均气温16.5℃,年均降水量1440 mm,日照时数1520 h。土壤类型为第四纪红色黏土发育的水稻土。氮肥减量深施定位试验始于2012年,试验开始时耕层 (0—20 cm) 土壤基本化学性质为:全氮2.29 g/kg、全磷0.73 g/kg、全钾10.9 g/kg、有机碳21.3 g/kg、pH 4.84。

      • 采用随机区组设计,设置4个处理:常规施氮 (150 kg/hm2,CF)、减氮30% +深施 (N1)、减氮23% +深施 (N2)、减氮16% +深施 (N3)。每个处理3次重复,小区面积为48 m2 (6 m × 8 m),水稻种植密度为20 cm × 20 cm。供试氮磷钾肥分别为硫酸铵、磷酸二氢铵和氯化钾。各处理磷钾肥用量一致。常规施氮处理早、晚稻氮肥 (纯N) 用量均为150 kg/hm2,分次施用,按基肥∶分蘖肥4∶6施用;磷肥用量早稻为P2O5 90 kg/hm2,晚稻为P2O5 30 kg/hm2;钾肥用量均为K2O 90 kg/hm2,磷、钾肥均作为基肥一次施用,施用方式均为撒施。减氮深施处理的早稻施氮量与晚稻相同。N1、N2和N3处理的早、晚稻施氮 (纯N) 量分别为105.0、115.5和126.0 kg/hm2,其氮磷钾肥均作为基肥分别在插秧前1天和插秧后当天施入。早稻插秧前施入的化肥为氮肥和磷肥,其用量分别为N 30 kg/hm2和P2O5 45 kg/hm2。晚稻插秧前施入的化肥为氮肥,其用量为N 30 kg/hm2。其余氮肥均制作成肥球,在水稻移栽后隔行人工点状深施 (图1),施肥深度为7 cm左右。肥球制作过程如下:先将确定施肥量的氮、磷和钾肥充分混匀,再加入过2~3 mm筛的红色粘土,肥料与粘土的比例为2∶1,充分混匀为混合肥料,喷水至混合肥料用手可以捏成团为止,放置10~15 min后用手捏成直径为1~1.5 cm的肥球,放入到烘箱中30℃烘干即可。稻田田间管理采用当地常规管理方式,早、晚稻生育期间田间保持5 cm左右水层,早、晚稻均在蜡熟期排水。早、晚稻收获后水稻秸秆全部移出稻田,各处理田间管理一致。

        图  1  化肥深施点示意图

        Figure 1.  Schematic diagram of deep application site of chemical fertilizers

      • 分别于2018年早、晚稻分蘖期 (追肥后10天)、拔节期和成熟期采集土壤样品。每次采集样品时各小区随机选取3穴水稻,采用抖落法[17]采集水稻根际土壤样品,带回实验室用于测定铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量。另外,成熟期部分土壤样品自然风干后用于土壤pH、有机质和全量养分含量测定。土壤常规理化指标分析参考《土壤农业化学分析方法》[18]

      • 在早、晚稻成熟期,随机选取3穴水稻植株样,植株鲜样于105℃下杀青30 min,然后在70℃下烘干至恒重,称重。称重后的植株样品粉碎过筛后用于全氮含量的测定,测定方法参考《土壤农业化学分析方法》[18]。另在早、晚稻成熟期各小区采取单打单晒,实收测产。

      • 水稻产量变异系数 (%) = 年际间水稻产量标准误差/水稻产量平均值 × 100

        氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区产量/施氮量

        氮素表观平衡 (kg/hm2) = 施氮量−水稻植株地上部吸氮量

        采用Microsoft Excel 2016处理分析数据,采用Origin 8.0软件进行绘图,应用IBM SPSS Statistic 20 软件进行方差分析 (ANOVA),差异显著性水平采用最小显著差异法 (LSD) 进行检验。所有数据均采用3次重复平均值。

      • 图2显示,连续7年进行氮肥减量深施,与常规施氮 (CF) 相比,减氮16% (N3)、23% (N2) 和30% (N1),除2012年早稻和晚稻的N3处理和2017年N3处理的早稻产量略有降低外,其它年份早、晚稻产量均有不同程度增加,增产幅度为4.37%~32.70%。2015年N2和N3处理的早稻产量显著高于CF (P < 0.05)。N1、N2和N3之间早、晚稻产量差异都不显著。

        图  2  2012―2018年氮肥减量深施处理早稻和晚稻产量

        Figure 2.  Grain yield of early and late rice under long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer during 2012–2018

        表1可见,3个氮肥减量处理的水稻产量变异系数与对照CF 没有显著差异,但除N3处理早稻外显著提高了早稻和晚稻季的氮肥偏生产力 (P < 0.05)。早稻、晚稻氮肥偏生产力均以N1处理最高,比CF分别提高了54.6%、56.5%,N1与N2处理差异不显著,但N1显著高于N3和CF处理;其次为N2处理,与CF相比,早晚稻氮肥偏生产力分别提高了38.2%、37.9%,与N3差异不显著,但显著高于CF;N3处理的早晚稻氮肥偏生产力与CF处理相比,分别提高了25.4%和20.7%。

        表 1  长期氮肥减量深施处理双季稻产量变异系数和氮肥偏生产力

        Table 1.  Coefficient of variation of yield and partial factor productivity of applied N under long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer

        处理
        Treatment
        产量变异系数Variable coefficient of yield (%)氮肥偏生产力Partial factor productivity of applied N (kg/kg)
        早稻Early rice晚稻Late rice早稻Early rice晚稻Late rice
        CF20.6 a16.5 a29.8 c33.4 c
        N120.5 a14.1 a45.7 a52.3 a
        N219.3 a14.7 a 43.0 ab 46.1 ab
        N319.9 a14.3 a 39.0 bc40.3 b
        注(Note):CF—表面撒施 N 150 kg/hm2 Broadcasting N 150 kg/hm2; N1—深施 N 105 kg/hm2 Deep applying N 105 kg/hm2; N2—深施 N 115.5 kg/hm2 Deep applying N 115.5 kg/hm2; N3—深施 N 126 kg/hm2 Deep applying N 126 kg/hm2. 同列数据后不同小写字母代表处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 早、晚稻季根际土壤NH4+-N含量随水稻生育期推进均表现为“低–高–低”的变化趋势 (图3)。在早稻季分蘖期、拔节期和成熟期,氮肥减量深施处理的根际土壤NH4+-N含量均高于CF处理,提高幅度为4.26%~50.70%,但差异不显著。在晚稻季拔节期,N3处理的根际土壤NH4+-N含量显著高于CF处理,提高了109.00%;N1和N2处理的根际土壤NH4+-N含量与CF处理的差异不显著,但均高于CF处理。在晚稻季分蘖期和成熟期,氮肥减量深施处理的根际土壤NH4+-N含量与CF处理的差异不显著。除了晚稻季拔节期N3处理根际土壤NH4+-N含量显著高于N1和N2处理外,其余早、晚稻生育期各氮肥减量深施处理间NH4+-N含量均无显著差异。

        图  3  长期氮肥减量深施对双季稻根际土壤NH4+-N和NO3-N含量的影响

        Figure 3.  Effects of long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer on the contents of NH4+-N and NO3-N in rhizosphere soil of double cropping rice

        各处理早、晚稻根际土壤硝态氮含量均以收获期为最高,分别为3.48~5.11和53.0~63.8 mg/kg;在早、晚稻分蘖期和拔节期硝态氮含量基本在1 mg/kg左右 (图3)。在早、晚稻季分蘖期,氮肥减量深施处理根际土壤硝态氮含量略低于CF处理,但差异不显著。在早、晚稻季拔节和成熟期,氮肥减量深施处理提高了根际土壤硝态氮含量,分别比CF处理提高了3.47%~65.5%和2.56%~18.30%,但与CF处理的差异不显著。各氮肥减量深施处理间硝态氮含量无显著差异。

      • 早、晚稻季各处理不同生育期根际土壤有效磷含量变化范围为18.0~36.2 mg/kg (图4)。早稻季根际土壤有效磷含量随生育期呈先增加后降低的趋势,晚稻季根际土壤有效磷含量从分蘖期到拔节期表现为增加,而后到收获期则无明显变化。在早、晚稻季分蘖期氮肥减量深施处理根际土壤有效磷含量明显低于CF处理,其中在早稻季N1和N2处理的有效磷含量与CF处理的差异达到了显著水平 (P < 0.05)。在早、晚稻季拔节期和成熟期氮肥减量深施处理提高了根际土壤有效磷含量,分别比CF处理提高3.10%~23.5%和9.67%~32.6%,但与CF处理的差异未达到0.05显著水平。

        图  4  长期氮肥减量深施对双季稻根际土壤有效磷和速效钾含量的影响

        Figure 4.  Effects of long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer on the contents of available phosphorus and potassium in rhizosphere soil of double cropping rice

        图4显示,早、晚稻季各处理根际土壤速效钾含量总体上从分蘖期到成熟期呈逐渐降低趋势,变化范围为34.7~67.7mg/kg。在早稻季分蘖期,与CF处理相比,氮肥减量深施处理的根际土壤速效钾含量相对较低,但差异未达到0.05显著水平。在晚稻季分蘖期,N2处理的根际土壤速效钾含量低于CF处理,而N1和N3处理的根际土壤速效钾含量略高于CF处理,但各处理间差异不显著。在早、晚稻的拔节期和成熟期,与CF处理相比,各氮肥减量深施处理分别提高了21.90%~42.40%和5.94%~31.10%,但差异未达到0.05显著水平。

      • 本研究仅考虑肥料投入和作物带走两部分养分的简单平衡,对长期氮肥减量深施下双季稻田土壤氮素平衡进行了估算 (表2)。结果表明,早稻和晚稻季氮素的表观平衡量对照处理均显著高于减氮深施处理,即对照比减氮深施处理显著增加了氮素的剩余。而早稻、晚稻季以及年度氮素表观平衡量,3个减氮深施处理之间差异均未达显著水平,即氮肥减量深施处理间的氮素盈余量无显著差异。值得注意的是,晚稻减氮30%的N1处理表观平衡量出现了负值。各处理晚稻季的氮素输出明显高于早稻季。

        表 2  长期氮肥减量深施处理双季稻田氮素的表观平衡 (kg/hm2)

        Table 2.  Apparent balance of soil nitrogen in double cropping rice field under long-term reduction and deepplacement of nitrogen fertilizer

        处理
        Treatment
        早稻季Early rice season晚稻季Late rice season年表观平衡
        Annual apparent balance
        氮输入
        N input
        氮输出
        N output
        表观平衡
        Apparent balance
        氮输入
        N input
        氮输出
        N output
        表观平衡
        Apparent balance
        CF150.088.46 ± 5.26 a61.54 a150.0114.3 ± 3.28 a35.66 a97.20 a
        N1105.082.79 ± 4.50 a22.21 b105.0111.5 ± 5.06 a–6.470 b15.74 b
        N2115.5 85.29 ± 11.41 a30.21 b115.5109.9 ± 9.16 a 5.560 b35.77 b
        N3126.093.44 ± 9.07 a32.56 b126.0119.0 ± 5.68 a 6.980 b39.54 b
        注(Note):CF—表面撒施 N 150 kg/hm2 Broadcasting N 150 kg/hm2; N1—深施 N 105 kg/hm2 Deep applying N 105 kg/hm2; N2—深施 N 115.5 kg/hm2 Deep applying N 115.5 kg/hm2; N3—深施 N 126 kg/hm2 Deep applying N 126 kg/hm2. 氮输入为施肥量,输出为作物带走 The input and output of N indicate fertilizer amount and crop removal. 同列数据后不同小写字母代表处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments ( P < 0.05).

        连续7年氮肥减量深施处理双季稻田土壤肥力结果(表3)显示,3个氮肥减量深施处理之间及其与CF相比,土壤pH、有机质、全氮、全磷和全钾含量差异均不显著。

        表 3  长期氮肥减量深施处理双季稻田土壤基础肥力

        Table 3.  Basic soil fertility of double cropping rice field under long-term reduction and deep placement of nitrogen fertilizer

        处理Treatment有机质(g/kg)
        Organic matter
        pH全氮 (g/kg)
        Total N
        全磷 (g/kg)
        Total P
        全钾 (g/kg)
        Total K
        CF37.0 ± 0.16 a4.56 ± 0.02 a2.30 ± 0.05 a0.75 ± 0.02 a12.5 ± 0.17 a
        N137.5 ± 1.33 a4.59 ± 0.08 a2.37 ± 0.06 a0.77 ± 0.01 a12.9 ± 0.14 a
        N237.4 ± 0.19 a4.57 ± 0.04 a2.41 ± 0.01 a0.78 ± 0.00 a12.6 ± 0.14 a
        N337.2 ± 0.59 a4.53 ± 0.02 a2.38 ± 0.06 a0.76 ± 0.00 a12.9 ± 0.34 a
        注(Note):CF—表面撒施 N 150 kg/hm2 Broadcasting N 150 kg/hm2;N1—深施 N 105 kg/hm2 Deep applying N 105 kg/hm2;N2—深施 N 115.5 kg/hm2 Deep applying N 115.5 kg/hm2;N3—深施 N 126 kg/hm2 Deep applying N 126 kg/hm2. 同列数据后不同小写字母代表处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 适当减少氮肥用量是解决我国农业生产中氮肥过量施用带来一系列生态环境问题的主要途径。多数研究指出,合理减少氮肥投入可有效提高氮肥利用率,减少氮肥损失和维持作物产量的稳定[6-9]。本研究连续7年的试验结果也表明,在施用N 150 kg/hm2的基础上早稻和晚稻分别减少16%~30%氮肥用量,结合氮肥深施可以维持双季稻产量的稳定,提高氮肥偏生产力。其原因主要是深施可以在水稻需肥关键期维持较高的根际无机氮含量 (图3)。在本研究中,早、晚稻分蘖期根际土壤NH4+-N含量明显低于拔节期,不同于常规施肥下的水稻生育期土壤无机氮动态变化的结果[19-21]。分蘖期根系体积较小,对氮素的绝对需求量不高,因此,分蘖期较低的根际无机氮含量对水稻后期生长和养分需求影响不明显。拔节期水稻根系活力增强,体积加大,对氮素的吸收强度和数量要求高,之后的养分需求也十分旺盛,各氮肥减量深施处理的根际NH4+-N和NO3-N含量均高于常规施氮处理,说明通过氮肥深施,增强了化肥氮素对拔节期养分的供应能力。3个不同比例的氮肥减施处理间,根际土壤铵态氮和硝态氮含量没有显著差异,这也是3个处理间产量没有显著差异的主要原因。除2013年外,其余年份减少30%氮肥用量的晚稻增产效果好于减氮16%和23%的水稻。此外,试验过程中我们也观察到,减氮16%处理 (N3) 的晚稻在成熟期存在较为明显的贪青晚熟现象,可能与其根际外土壤中的氮素较多,对根际氮素的补充更快有关。依据土壤氮素表观平衡的研究结果 (表2) 可知,3个减氮处理的早稻、晚稻当季氮素表观平衡量,或者说氮素剩余量均显著低于常规施肥 (CF),但是年度表观平衡均为正值 (剩余),这也是连续多年减施氮肥土壤肥力和产量没有降低的重要原因。虽然3个减氮深施处理在水稻收获后的氮素当季剩余量和年度剩余量间差异不显著,但是,减氮23%和16%的N2和N3处理的剩余量几乎是N3 (减氮30%) 的一倍,在水稻生长过程中,由于氮素在土壤中十分活跃,不能排除N2和N3存在氮素供应过量的可能。

        在深施条件下,即使减少了16%~23%的氮肥用量,仍存在氮肥过量施用问题,说明氮肥深施可以较大程度的减少氮素损失,使肥料氮存留在土壤中供水稻吸收利用[22]。有研究指出,在当地常规施氮基础上,连续2年减少20%氮肥投入量可显著降低稻田土壤氮素残留量[12]。与文献报道的直接减少氮肥用量不同,本研究在减少氮肥施用的同时,采用了化肥一次点状深施的施肥方式,这种施肥方式已被证明是目前能够减少化肥损失和提高肥料利用率的最有效途径[14-16]。另外,巨晓棠[23]研究指出,在秸秆不还田情况下,作物地上部吸氮量基本上可作为该作物一定目标产量的理论施氮量。本研究通过氮素表观平衡估算发现N1处理的氮盈余维持在N 15 kg/hm2左右,基本上实现了施氮量约等于作物地上部吸氮量。这说明在本试验条件下,在当地习惯施氮量的基础上减少30%氮肥用量是合理的,既可以维持作物高产,又能维持土壤氮素平衡,还能最大限度降低环境污染风险。在本研究中,常规施肥处理的氮盈余显著高于氮肥减量深施处理,但其土壤全氮含量与氮肥减量深施处理无显著差异,说明常规施肥存在氮肥过量施用问题,氮素损失量也会随之增加[24]。与本研究地点相同的另一田间试验结果显示,常规施肥处理的早晚稻季氨挥发平均损失率分别达到了23.6%和20.3%[25]。结合前人在亚热带区关于红壤稻田N2O排放、氮素地表径流损失和淋溶损失等方面的研究结果[26-28],可推算出该区域常规施肥情况下,以氨挥发、N2O排放、地表径流和淋溶等途径损失的氮素约占施氮量的25%~28%,这还不包括反硝化过程中以N2形式损失的氮素。因此,从氮素损失角度也可印证本研究在常规施肥基础上减少30%氮肥用量是合理的。当然,这并未把氮肥点状深施的氮素损失率考虑在内。尽管多数研究已经证实氮肥深施可有效降低肥料氮经地表径流、氨挥发或硝化反硝化过程损失,但在本试验条件下,这种点状深施的施肥方式降低肥料氮素损失的程度究竟有多大,以及土壤氮库的稳定是与深施氮肥的高残留量有直接关系,还是与较高的作物产量带来根系高残留量有较大关系等还需要进一步验证。

      • 连续7年试验表明,通过将传统的氮肥表面撒施改为点状深施 (7 cm),在常规氮肥用量 (150 kg/hm2) 基础上减施16%~30%,双季稻生育期根际土壤NH4+-N、NO3-N、速效钾和有效磷含量没有显著变化,可满足水稻对氮磷钾养分的需求,并可显著降低土壤氮素当季和年度残余量,保持正的氮素表观平衡,不会对基本土壤肥力产生不良影响。综合考虑氮素偏生产力和产量及环境效应,采用点状深施方法,在常规氮肥用量 (150 kg/hm2)基础上减施 30%的氮肥用量效果最佳。

    参考文献 (28)

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