优化氮肥用量和基追比例提高红壤性水稻土肥力和双季稻氮素的农学效应

张雪凌，姜慧敏，刘晓，郭康莉，杨俊诚，邓仕槐*，张建峰*

（1 四川农业大学环境学院，成都 611130；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

优化氮肥用量和基追比例提高红壤性水稻土肥力和双季稻氮素的农学效应

张雪凌1，姜慧敏2，刘晓2，郭康莉2，杨俊诚2，邓仕槐1*，张建峰2*

（1 四川农业大学环境学院，成都 611130；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

【目的】优化氮肥用量和基追比例是实现氮肥减施和提高肥料利用率的重要途径。本研究在南方典型双季稻种植区进行定位试验，通过对土壤肥力与氮素农学效益进行综合评价，以期提出适合当地土壤和水稻种植条件的氮肥减施模式。 【方法】以南方典型红壤区双季稻种植体系为研究对象，于 2014～2015 连续进行了 4季大田定位试验，设处理:1) 不施氮肥 (T1)；2) 当地农民习惯施氮 (T2)，早稻、晚稻各施 N 165 和 195 kg/hm2，基 肥 ∶ 蘖 肥 ∶ 穗 肥 比 分 别 为 60∶40∶0、40∶30∶30；3) 在 T2 处 理 基 础 上 减 施 氮 肥 20% (T3)， 即 早 稻 施N 135 kg/hm2，晚稻施 N 165 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比均为 40∶30∶30，并以 20% 有机氮代替普通化肥氮。分析了成熟期水稻产量和植物样氮素含量，测定了 0—20 cm土壤微生物量碳、氮含量，土壤 pH、有机质、全氮、速效钾和有效磷等理化指标，计算了累计氮肥利用率和氮肥农学效率，分别利用内梅罗指数法和灰色关联度法综合评价了土壤肥力效应以及各施肥模式的综合效益。 【结果】 1) 各处理土壤综合肥力指数 (IFI)值由高到低为 T3 ＞ T2 ＞ T1；与 T2 处理相比，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理 IFI 值提高 2.34%，土壤微生物量碳含量提高了 4.37%～25.39%，土壤微生物量氮含量提高了 17.85%～29.24% (P ＜ 0.05)。2) 与 T2 处理相比，2014-2015 年 T3 处理累计氮肥农学效率显著提高了 29.66% (P ＜ 0.05)，累计氮肥表观利用率显著提高了28.82% (P ＜ 0.05)；2014 年 各 处 理 水 稻 总 产 量 无 显 著 差 异 ， 2015 年 水 稻 总 产 量 T3 处 理 比 T2 处 理 提 高 了5.26%，两年水稻总产量，T3 处理提高了 2.38%。3) 对土壤养分指标、土壤微生物指标和氮素农学效率指标进行关联度分析，2014～2015 年 T3 处理关联度最大，分别为 0.9999 和 1.0000，在土壤肥力和氮肥农学效应综合评价中最优，表明优化氮肥用量和基追比例能够实现氮肥减施以及肥料利用率的提高。 【结论】在当地农民习惯施氮的基础上减施 20% 化肥氮，以有机氮替代，并适当提高化肥氮在抽穗期的比例，能够保证土壤综合肥力的可持续性、氮素养分持续高效利用和水稻持续稳产。

土壤肥力；土壤微生物量碳、氮；氮素农学效率；氮素表观利用率；土壤肥力综合指数

在影响水稻生长的各种因素中，氮素是重要的养分因子，合理施氮能够有效促进水稻生长发育，提高水稻产量，并显著提高水稻对氮素的吸收利用[1]。长期以来，我国农民普遍通过大量施用氮肥来提高水稻产量，但生产实践表明，氮肥利用率很低。我国稻田氮肥消费量占全国氮肥总消费量的 30% 以上，而氮素利用率仅为 30% 左右，未被利用的氮素进 入 水 体 和 大 气 环 境 ， 引 发 一 系 列 的 环 境 问 题[2-3]。因此，氮肥高效利用以及保证农业可持续发展，已成为国内外研究的热点。

研究发现，施用有机肥能够提高水稻产量和氮肥利用率，且在一定范围内用有机肥部分替代化肥氮可以使氮肥利用率达到最高[4-7]。王姗娜等[8]利用长期定位试验对红壤性水稻土的研究发现，与单施氮磷钾化肥相比，氮磷钾配施有机肥处理早稻和晚稻产量分别增加 19.0% 和 21.7%，并显著提高氮肥回收率。柳影等[9]研究发现长期不施肥或单施化肥土壤有机质含量呈下降趋势，30 年下降幅度为 2.1%～7.9%，而施用常量和高量有机肥土壤有机质含量呈增加趋势，30 年有机质累积分别增加 42.2%～50.0% 和81.5%～94.7%。但是，以农民习惯施氮为对照，减少氮肥用量并采用有机氮替代，以田间定位开展双季稻氮素养分高效利用以及土壤肥力可持续性发展的研究仍较少。

江西省是我国主要的粮食生产基地，水稻是其主栽作物，据统计其双季稻播种面积占全国双季稻种植面积的 1/4，位居全国第二。但是该地区农业生产过程中同样存在氮肥施用过量、氮肥利用率低（30%～40%）、氮肥损失严重（60%～70%）等问题[10-11]。鉴于此，我们在前期 5 年田间定位试验提出的减施20% 化学氮肥模式的基础上，以当地农民习惯施氮为对照，进一步研究减施化学氮肥并结合有机氮替代对土壤肥力效应和氮素农学效应的影响，以期提出双季稻区作物持续高产、氮素养分持续高效利用和土壤肥力可持续发展的优化模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于江西省宜春市高安县渡埠农场 (N 28°15′26.0″，E 115°07′32.7″)，是典型双季稻种植区。该地海拔高度为 7 米，属于亚热带季风性湿润气候，年平均降水量为 1680.2 mm，降水主要分布在4～6 月份，累计年平均气温 17.2℃。供试土壤属红壤性水稻土，试验布置前耕层 (0—20 cm) 土壤基本理化性状:pH 5.28、全氮 1.69 g/kg、碱解氮 184.31 mg/kg、有机质 23.62 g/kg、速效钾 178.33 mg/kg、有效磷44.54 mg/kg。

1.2 试验材料

供试作物:早稻为中嘉早 17 号，晚稻为五丰优T025，均为当地主栽品种。

供试肥料:氮肥为普通尿素 (含 N 46%)；磷肥为过磷酸钙 (含 P2O512%)；钾肥为氯化钾 (含 K2O 60%)；有机肥为商品有机肥 (水分含量 30.1%、有机质 47.8%、N 1.86%、P2O53.11%、K2O 0.85%，江苏田娘农业科技有限公司提供)；水稻秸秆全量还田。

1.3 试验设计

田间定位试验开始于 2014 年 4 月，于 2015 年11 月结束，早稻插秧时间为 4 月 25 日～5 月 1 日，晚稻插秧时间为 7 月 31～8 月 2 日。试验设处理: 1) 不施氮肥(T1)；2) 农民习惯施氮 (T2)，基于江西省南昌县、进贤县、丰城市、鄱阳县等具有代表性的 102 户农户水稻施肥情况走访调查结果的统计均值；3) 在 T2 基础上减氮 20%，并以 20% 有机氮代替化肥氮 (T3)。每个处理 4 次重复，采用随机区组排列。T2 处理施氮量为早稻 N 165 kg/hm2，晚稻N 195 kg/hm2；T3 处理施氮量为早稻 N 135 kg/hm2，晚稻 N 165 kg/hm2。各处理磷肥 (P2O5) 和钾肥 (K2O)施用量相等，分别为 90 和 150 kg/hm2，包括化学磷、钾肥和有机肥带入的磷、钾肥。除尿素外其余肥料均基施，T2 处理早稻尿素基肥蘖肥∶穗肥为60∶40∶0，晚稻尿素基肥∶蘖肥∶穗肥均为40∶30∶30；T3 处理早稻和晚稻氮肥基肥∶蘖肥∶穗肥比均为 40∶30∶30。小区面积 42 m2，小区之间用塑料薄膜覆泥作梗隔开，每个小区独立排灌，其它管理措施同当地农民习惯施氮处理。

1.4 样品采集及测定

1.4.1样品的采集 分别在早稻和晚稻成熟期采集土壤和植株样品。土壤样品，各小区按“蛇形”采样法，随机取 5 个点，每点取 0—20 cm 土层样品并混合为 2 份，一份土样保存于冰盒中带回，于 -20℃冰箱中保存，用于土壤微生物量碳、氮的测定；另一份土样经过自然风干后，用于 pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾等养分含量的测定。植株样品测定籽粒和秸秆氮素养分含量，各小区单打单晒，测定稻谷产量。

1.4.2测定方法 土壤 pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾等养分含量采用土壤农化分析常规方法进行测定[12]；土壤微生物量碳含量 (SMBC) 和土壤微生物量氮含量 (SMBN) 采用氯仿熏蒸培养法测定[13]，土壤微生物量碳、氮校正系数分别为 0.38、0.45；植物样全氮采用 H2SO4-H2O2消煮法测定[12]。

1.5 土壤综合肥力评价方法

土壤肥力是土壤质量的核心，也是影响土壤生产力的主要因素。采用内梅罗指数法[14]，对各处理进行土壤肥力质量评价，土壤 pH、有机质、全氮、有效磷和速效钾分肥力系数 IFIi的计算公式如下:

式中，IFIi为养分肥力系数，x 为该属性测定值，xa与 xp为分级标准下、上限，xc为介于分级标准上、下限间；属性值分级标准 (xa、xc、xp) 主要参考第二次全国土壤普查标准 (表 1)。

表1 土壤各属性分级标准Table 1 The grading standards of soil properties

再利用修正的内梅罗公式计算土壤综合肥力:

式 中 ，IFI 为 土 壤 综 合 肥 力 ，IFIi平均与 IFIi最小为 土壤各属性分肥力均值与最小值；n 为评价指标个数。

1.6 灰色关联度分析法

采用灰色关联度分析法[15]，对不同施肥模式进行综合评价，计算步骤如下:

1) 确定参考序列

将所有施肥模式看作是一个灰色系统，不同施肥模式为系统中的一个因素，以最优指标集的各指标构成参考序列，各施肥模式的指标作为比较序列。最优指标集是依据所有施肥模式中各指标最优来建立的，其中氮肥农学效应和土壤肥力效应指标数值越大越好，以比其指标最大值稍大的值为最优值，最优值一般设置尾数 0 或 5 的数值。

2) 数据无纲量化

用各指标最优值去除对应序列的原始数据，各指标的最优值均为 1。

3) 计算关联系数

计算公式为:

其中，ξi(K) 为 k 序列的第 i 个评价指标与最优参考序列的关联度；minΔi(min) 为第 i 个被评价指标序列与参考序列绝对差值的最小值；maxΔi(max) 为第 i个被评价指标序列与参考序列绝对差值的最大值；ρ 为分辨系数，在 0 到 1 之间选取，通常取 0.5。

4) 计算关联度，排出关联序列

取某序列各指标的关联系数的平均值，即为该序列与参考序列的关联度，关联度越高，该序列越接近于最优序列，进而排出关联序列进行比较。

1.7 数据处理

采用 Microsoft Office Excel 2010、SPSS 19.0 和Origin 9.0 分析软件对数据进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 不同施氮模式对土壤肥力效应的影响

2.1.1土壤养分指标评价 土壤养分是土壤肥力的核心部分，在农业生产过程中通常选用有机质、氮、磷、钾等养分指标来综合衡量土壤肥力高低。本研究选取了 2 年 4 季定位连续监测的土壤 pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾等 5 个指标作为参评指标，综合评价土壤肥力状况。利用内梅罗指数法计算各处理土壤综合肥力指数 (IFI)，结果发现 (图 1)，各施肥处理土壤肥力综合指数 (IFI) 由高到低的顺序为 T3 ＞T2 ＞ T1，不施氮肥 T1 处理与 T3 处理差异显著 (P ＜0.05)；与农民习惯施氮 T2 处理相比，优化施氮量和基追比例的 T3 处理 IFI 值提高了 2.34%。由此可知，在当地农民习惯施氮基础上减施化学氮肥 20%并结合有机氮替代处理，合理氮肥运筹，能够有效维持土壤肥力，为作物生长提供充足的养分。

图1 不同施氮模式对土壤综合肥力指数的影响Fig. 1 Effects of different nitrogen fertilization on integrated fertility index (IFI) values[注（Note）:T1—不施氮肥 No nitrogen fertilizer; T2—早稻施氮量 165 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比例为 60∶40∶0，晚稻施氮量 195 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比例为 40∶30∶30N input in early and late rice was 165 kg/hm2and 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; T3—早稻施氮量 135 kg/hm2，晚稻施氮量 165 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比均为 40∶30∶30，20% 氮肥由有机肥替代普通化肥氮 The N input in early and late rice was 135 and 165 kg/hm2, and 20% organic N instead of chemical N fertilizer, the application ratio was all 40∶30∶30; 方柱上不同字母表示处理间差异达 0.05 显著水平 Different letters above the bars indicate significant difference anong treatments at the 0.05 level.]

2.1.2土壤生物学指标评价 土壤微生物量碳是土壤有机碳的灵敏指示因子，土壤微生物量氮是土壤氮素矿化势的重要组成部分，它们都可以表征土壤肥力状况。从图 2 可以看出，与农民习惯施氮 T2 处理相比，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理 2014 年早稻季土壤微生物量碳含量显著提高了 15.63% (P ＜ 0.05)，2014 年 晚 稻 季 显 著 提 高 了 25.39% (P ＜ 0.05)，2015 早稻季提高了 4.37%，2015 年晚稻季提高了 5.27%。不施氮肥的 T1 处理土壤微生物量氮含量最低，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理最高。与农民习惯施氮 T2 处理相比，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理土壤微生物量氮含量 2014 年早 、 晚 稻 季 分 别 显 著 提 高 了19.62% 和29.24% (P ＜ 0.05)，2015 年早稻季提高了 17.85%，2015 年晚稻季显著提高了 19.87% (P ＜ 0.05)。以上结果表明，在当地农民习惯施氮基础上减施化学氮肥 20% 并结合有机氮替代处理，合理氮肥运筹，能够有效提高土壤微生物量碳、氮含量，提高土壤微生物活性。

图2 不同施氮模式对土壤微生物量碳、氮的影响Fig. 2 Effects of different nitrogen fertilization on SMBC and SMBN contents[注（Note）:T1—不施氮肥 No nitrogen fertilizer；T2—早稻施氮量 165 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比例为 60∶40∶0，晚稻施氮量 195 kg/hm2， 基 肥 ∶ 蘖 肥 ∶ 穗 肥 比 例 为 40 ∶30 ∶ 30N input in early and late rice was 165 kg/hm2and 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; T3—早稻施氮量 135 kg/hm2，晚稻施氮量 165 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比均为 40∶30∶30，20% 氮肥由有机肥替代普通化肥氮 The N input in early and late rice was 135 and 165 kg/hm2, and 20% organic N instead of chemical N fertilizer, the application ratio was all 40∶30∶30; 柱上不同字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著 Different letters above the bars indicate significant among treatments difference at the 5% level.]

2.2 不同施氮模式对氮肥农学效应的影响

2.2.1产量 图 3表明，T2、T3 处理 2014 年早稻季水稻产量分别为 7035.8 和 7012.0 kg/hm2，晚稻季水稻产量分别为 8678.9 和 8679.2 kg/hm2，全年水稻总产量分别为 15714.7 和 15691.2 kg/hm2，处理间差异均不显著。与农民习惯施氮 T2 处理相比，2015 年优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理水稻产量早稻季提高了 5.19%，晚稻季提高了 5.33%，全年水稻产量提高了 5.26%。各处理两年水稻总产量由高到低的顺序为 T3 ＞ T2 ＞ T1，优化氮肥用量和基追比例的 T3处 理 水 稻 总 产 量 比 农 民 习 惯 施 氮 T2 处 理 提 高 了2.38%。由此可知，随着种植时间的延长，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理水稻产量逐渐高于农民习惯施氮 T2 处理，说明在当地农民习惯施氮基础上减施化学氮肥 20% 并结合有机氮替代处理，合理氮肥运筹，能够保障甚至提高水稻产量。

图3 不同施氮模式对水稻产量的影响Fig. 3 Effects of different nitrogen fertilization on rice yields[注（Note）:T1—不施氮肥 No nitrogen fertilizer；T2—早稻施氮量 165 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比例为 60∶40∶0，晚稻施氮量 195 kg/hm2， 基 肥 ∶ 蘖 肥 ∶ 穗 肥 比 例 为 40∶30∶30N input in early and late rice was 165 kg/hm2and 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; T3—早稻施氮量 135 kg/hm2，晚稻施氮量 165 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥比均为 40∶30∶30，20% 氮肥由有机肥替代普通化肥氮 The N input in early and late rice was 135 and 165 kg/hm2, and 20% organic N instead of chemical N fertilizer, the application ratio was all 40∶30∶30; 柱上不同字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著 Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 5% level.]

2.2.2氮肥利用率 由表 2 可知，农民习惯施氮 T2 处理累计氮肥农学效率和氮肥表观利用率在试验第二年降低，而优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理则增加。与农民习惯施氮 T2 处理相比，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理累计氮肥农学效率 2014 年显著提高了 19.41% (P ＜ 0.05)，2015 年显著提高了 29.66% (P ＜ 0.05)；累计氮肥表观利用率 2014 年显著提高了23.29% (P ＜ 0.05)，2015 年显著提高了 28.82% (P ＜ 0.05)。

表2 2014～2015 年不同处理氮素吸收量和年累计氮肥利用率Table 2 Nitrogen accumulation and annual nitrogen fertilizer use efficiency of different treatments in 2014 and 2015

2.3 综合效应分析

采用灰色关联度分析法，以土壤养分指标 (有机质、全氮、有效磷、速效钾)，土壤微生物指标 (土壤微生物量碳、土壤微生物量氮) 和农学效应指标(产量、氮肥农学效率、氮肥累积利用率) 为评价对象，对 T2 和 T3 两种施氮模式进行综合评价。由表 3分析可知，2014 年，T2 和 T3 处理关联度分别为0.9304 和 0.9999，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理在综合评价中优于农民习惯施氮 T2 处理；2015年，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理关联度达到1.0000，在综合评价中最优，而农民习惯施氮 T2 处理关联度为 0.9209。由此可知，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理在氮肥农学效应和土壤肥力效应综合评价中更优。

表3 2014～2015 年不同施肥处理综合评价的关联度及关联序Table 3 Correlation degrees and ranks of comprehensive evaluation of different fertilizer treatments in 2014 and 2015

3 讨论

3.1 不同施氮模式对土壤肥力效应的影响

施肥是影响土壤肥力及其可持续利用的重要农业措施之一，而有机肥与无机肥配施对提高土壤肥力、改善土壤质量具有重要影响[16-18]。有机肥在改善土壤理化性状，平衡土壤养分，提高肥料利用率，增加作物产量等方面具有重要作用，但是由于其养分含量低，肥效缓慢，在作物生长旺盛、需肥量大的时期，有机肥不能及时满足作物对养分的需求[19]，而有机肥与无机肥配施处理，既能满足作物对养分的需求，又能维持和提高土壤肥力[20]。

土壤微生物生物量是反映土壤微生物活性的重要指标，有机肥与无机肥配施能够增加土壤微生物量碳、氮的含量[21-24]。本研究中，优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理土壤微生物量碳、氮含量均高于农民习惯施氮 T2 处理，表明有机肥与无机肥配施处理为土壤微生物生长繁殖提供了丰富的碳源与氮源，提高了土壤微生物活性，为后期的养分供应提供了保障。本研究各处理土壤肥力综合指数由大到小的顺序为 T3 ＞ T2 ＞ T1，说明在当地农民习惯施氮基础上减施化学氮肥 20% 并结合有机氮替代，合理氮肥运筹，能够有效保障甚至提高土壤养分含量。

3.2 不同施氮模式对氮肥农学效应的影响

有机肥与无机肥配施能够有效地改善土壤的供氮特性，促进氮素的吸收利用，提高水稻产量，减少氮素的损失[25-26]。阮新民等[27]研究发现有机肥配施有利于植株各器官氮素的积累，显著提高氮肥利用率，比不施有机肥处理的氮肥利用率提高 10% 左右。管建新等[28]通过对不同施肥处理下水稻氮肥利用率的研究发现，单施化肥处理氮肥利用率仅为 25.7%，化肥与有机肥配施处理氮肥利用率为 35.1%。本研究中，与农民习惯施氮 T2 处理相比，2014～2015 年优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理累计氮肥农学效率分别显著提高了 19.41% 和 29.66%，氮肥表观利用率分别显著提高了 23.29% 和 28.82%。另外，有机肥与无机肥配施比例对水稻产量及氮素利用率具有显著影响，单施化学氮肥水稻干物质的积累与养分的吸收主要集中在分蘖和孕穗的前中期，而有机无机配施处理水稻干物质积累与养分吸收主要集中在水稻抽穗至成熟的中后期，更符合水稻养分吸收的需要，从而有利于提高水稻产量[29]。侯红乾等[30]经过25 年长期定位试验，以无机肥∶有机肥比例为 3∶7时，水稻产量最高，高量有机肥更有利于稻田持续增产和土壤培肥；另有研究发现，当有机肥料氮替代率在 10%～30% 时，可以获得平稳的氮素供应，改善土壤的供氮能力，提高作物产量[31-32]。

水稻穗肥期氮素的吸收量对水稻产量产生较大影响，随着穗肥期施氮比例的降低，水稻产量及氮肥利用率下降，因此，合理改变氮肥运筹能够有效提高氮素的利用率[33]。胡雅杰等[34]对水稻的研究发现当氮肥基肥∶蘖肥∶穗肥比例为 4∶3∶3 时，能够促进水稻干物质的积累，有效提高氮肥利用率；而陈军等[35]研究发现适当地前氮后移，采用基蘖肥∶穗粒肥 = 6∶4 的施肥模式，能够有效减少无效分蘖，提高水稻的成穗率，增加氮素的累积量，从而提高水稻产量和氮素利用率。在秸秆覆盖条件下，严奉君等[36]研究发现基蘖穗肥比例为 3∶3∶4 时，能够有效促进干物质的积累与转运率，提高水稻产量和氮肥利用率，但当氮肥后移比例过高时，则会限制齐穗期根系的生长，使得水稻产量和氮肥利用率降低；而李录久等[37]研究发现氮素后移能够有效提高水稻籽粒和秸秆的含氮量，增加氮素吸收，以基蘖穗肥运筹比例为 6∶2∶2 最宜。本研究中，早稻季农民习惯施氮 T2 处理氮肥基肥∶蘖肥∶穗肥施用比例为 60∶40∶0，而优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理氮肥基肥∶蘖肥∶穗肥施用比例为 40∶30∶30，T3 处理在穗肥期追施氮肥，合理氮肥运筹比例，对水稻增产及提高氮肥利用率有一定的促进作用。

3.3 综合评价分析

内梅罗指数法能够消除土壤肥力各参数之间的量纲差别，具有可比性高、简单易行、灵敏度高等优点，同时当测定值超过上限值时，分肥力系数不再提高，能够较好地反映出作物对土壤养分的需求不是越高越好的实际情况，因此，内梅罗指数法已成为评价土壤肥力状况的主要方法之一，较广泛地运用于土壤肥力综合评价中[14]。本研究中，利用内梅罗指数法，进行土壤肥力综合评价，研究发现各处理土壤综合肥力指数由高到低为 T3 ＞ T2 ＞ T1，说明优化氮肥用量和基追比例的 T3 处理能够更好地维持土壤肥力和土壤养分含量，为作物生长提供充足的养分。

目前，灰色关联度分析法已经被广泛地运用到了农业生态系统的研究中，该方法能够较好地反映各个因素之间的相对重要程度，较全面地分析各指标的关联性，具有所需数据量小、计算量小、简单易行等优点，同时也具有较强的可靠性，是多因素决策分析的一种简便有效的实用方法[15]。本研究中，将土壤养分指标、土壤微生物指标和氮肥农学效应指标三者相结合，并进行排序分析，从定量的角度对不同施氮模式进行综合评价。根据研究结果可以看出 2014～2015 年，优化氮肥用量和基追比例的 T3处理关联度分别为 0.9999 和 1.000，均高于农民习惯施氮 T2 处理，说明优化氮肥用量和基追比例的 T3处理在土壤肥力和氮肥农学效应综合评价中最优，可为南方双季稻种植体系优化施氮模式提供科学依据。

4 结论

在当地农民习惯施氮的基础上，减施化肥氮20%，以 20% 有机氮替代化肥氮，并适当增加氮肥在抽穗期的比例，土壤微生物量碳含量增加 4.37%～25.39%，土壤微生物量氮含量增加 17.85%～29.24%，累计氮素农学效率显著增加 19.41%～29.67%，累计表观利用率显著增加 23.29%～28.82%，水稻 2 年累计产量增加 2.38%。综合效应分析表明，优化氮肥用量和基追比例能够有效提高土壤综合肥力、氮素利用率和水稻产量。

[1]侯云鹏, 韩立国, 孔丽丽, 等. 不同施氮水平下水稻的养分吸收、运转及土壤氮素平衡[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(4)： 836-845. Hou Y P, Han L G, Kong L L, et al. Nutrient absorption, translocation in rice and soil nitrogen equilibrium under different nitrogen application doses[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(4)： 836-845.

[2]巨晓棠. 氮肥有 效率的概念及意义-兼论对 传统氮肥利用率的理解误区[J]. 土壤学报, 2014, 51(5)： 921-933. Ju X T. The concept and meanings of nitrogen fertilizer availability ratio -discussing misunderstanding of traditional nitrogen use efficiency [J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(5)： 921-933.

[3]张卫峰, 马林, 黄高强, 等. 中国氮肥发展 、贡献和挑 战[J]. 中 国农业科学, 2013, 46(15)： 3161-3171. Zhang W F, Ma L, Huang G Q, et al. The development and contribution of nitrogenous fertilizer in China and challenges faced by the country [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(15)：3161-3171.

[4]刘 益仁, 李想, 郁洁, 等. 有 机无机肥配施提高 麦-稻轮作 系 统中水稻氮肥利用率的机制[J]. 应用生态学报, 2012, (1)： 81-86. Liu Y R, Li X, Yu J, et al. Mechanisms for the increased fertilizer nitrogen use efficiency of rice in wheat-rice rotation system under combined application of inorganic and organic fertilizers[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012 , (1)： 81-86.

[5]Wyngaard N, Echeverria H E, Sainz Rozas H R , et al. Fertilization and tillage effects on soil properties and maize yield in a Southern Pampas Argiudoll [J]. Soil & Tillage Research, 2012, 119： 22-30.

[6]Liu T Q, Fan D J, Zhang X X, et al. Deep placement of nitrogen fertilization reduces ammonia volatilization and increases nitrogen utilization efficiency in no tillage paddy fields in central China [J]. Field Crops Research, 2015, 184： 80-90.

[7]Radicetti E, Mancinelli R, Moscetti R, et al. Management of winter cover crop residues under different tillage conditions affects nitrogen utilization efficiency and yield of eggplant (Solanum melanogena L.) in Mediterranean environment[J]. Soil and Tillage Research, 2016, 155： 329-338.

[8]王姗娜, 黄庆海, 徐明岗, 等. 长期不同施肥条件下红壤性水稻土双季稻氮肥回收率的变化特征[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(2)：297-303. Wang S N, Huang Q H, Xu M G, et al. The inter-annual characteristics of nitrogen recovery efficiency of double cropping rice system on paddy soil under long-term fertilization[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2)： 297-303.

[9]柳影, 彭畅, 张会民, 等. 长期不同施肥条件下黑土的有机质含量变化特征[J]. 中国土壤与肥料, 2011, (5)： 7-11. Liu Y, Peng C, Zhang H M, et al. Dynamic change of organic matter in the black soil under long-term fertilization[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2011, (5)： 7-11.

[10]刘增兵, 束爱萍, 刘光荣, 等. 江西省双季稻氮肥用量研究[J]. 江西农业科学, 2015, 27(6)： 102-105. Liu Z B, Shu A P, Liu G R, et al. Study on application rate of nitrogen fertilization for double cropping rice in Jiangxi Province[J]. Acta Agriculturae Jiangxi, 2015, 27(6)： 102-105.

[11]刘宝林, 邹小云, 宋来强, 等. 氮肥用量对稻田迟直播油菜产量、效益及氮素吸收和利用的影响[J]. 江西农业大学学报, 2015, 37(3)：417-422. Liu B L, Zou X Y, Song L Q, et al. Effects of nitrogen application rate on yield, profit and nitrogen absorption and utilization of rapeseed under delayed sowing condition in Jiangxi Province[J]. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis, 2015, 37(3)： 417-422.

[12]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社, 2000. Lu R K. Methods of agricultural chemical analysis [M]. Beijing：China Agricultural Science and Technology Press, 2000.

[13]Saarsalmi A, Smolander A, Kukkola M, et al. 30-year effects of wood ash and nitrogen fertilization on soil chemical properties, soil microbial processes and stand growth in a scots pine stand [J]. Forest Ecology and Management, 2012, 278： 63-70.

[14]包耀贤, 徐明岗, 吕粉桃, 等. 长期施肥下土壤肥力变化的评价方法[J]. 中国农业科学, 2012, 45(20)： 4197-4204. Bao Y X, Xu M G, LÜ F T, et al. Evaluation method on soil fertility under long-term fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(20)： 4197-4204.

[15]林英华, 张夫道, 杨学云, 等. 陕西农田土壤动物群落与长期施肥环境 的 灰 色 关 联 度 分 析[J]. 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 , 2005, 11(5)：609-614. Lin Y H, Zhang F D, Yang X Y, et al. Grey relationship between cropland soil fauna community and the environment factors in Shanxi[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2005, 11(5)：609-614.

[16]Maltas A, Charles R, Jeangros B, et al. Effect of organic fertilizers and reduced-tillage on soil properties, crop nitrogen response and crop yield： Results of a 12-year experiment in Changins, Switzerland[J]. Soil & Tillage Research, 2013, 126： 11-18.

[17]罗璐, 周萍, 董成立, 等. 长期施肥措施下稻田土壤有机质稳定性研究[J]. 环境科学, 2013, 34(2)： 692-697. Luo L, Zhou P, Dong C L, et al. Study on mechanism of SOM stabilization of paddy soils under long-term fertilizations[J]. Environmental Science, 2013, 34(2)： 692-697.

[18]Malhi S S, Nyborg M, Sollbergc E D, et al. Improving crop yield and N uptake with long-term straw retention in two contrasting soil types[J]. Field Crops Research, 2011, 124： 378-391.

[19]高菊生, 黄晶, 董春华, 等. 长期有机无机肥配施对水稻产量及土壤有效养分影响[J]. 土壤学报, 2014, 51(2)： 314-324. Gao J S, Huang J, Dong C H, et al. Effects of long-term combined application of organic and chemical fertilizers on rice yield and soil available nutrients[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(2)： 314-324.

[20]宇万太, 姜子绍, 马强, 周桦. 施用有机肥对土壤肥力的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(5)： 1057-1064. Yu W T, Jiang Z S, Ma Q, Zhou H. Effects of application of manure on soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(5)：1057-1064.

[21]Liliensiek A, Thakuria D, Clipson N. Influences of plant species composition, fertilisation and Lolium perenne ingression on soil microbial community structure in three Irish grasslands[J]. Microbial Ecology, 2012, 63(3)： 509-521.

[22]陶磊, 褚贵新, 刘涛, 等. 有机肥替代部分化肥对长期连作棉田产量、土壤微生物数量及酶活性的影响[J]. 生态学报, 2014, 34(21)：6137-6146. Tao L, Chu G X, Liu T, et al. Impacts of organic manure partial substitution for chemical fertilizer on cotton yield, soil microbial community and enzyme activities in mono-cropping system in drip irrigation condition[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(21)：6137-6146.

[23]马晓霞, 王莲莲, 黎青慧, 等. 长期施肥对玉米生育期土壤微生物量碳氮及酶活性的影响[J]. 生态学报, 2012, 32(17)： 5502-5511. Ma X X, Wang L L, Li Q H, et al. Effects of long-term fertilization on soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activities during maize growing season[J]. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(17)： 5502-5511.

[24]刘金山, 戴健, 刘洋, 等. 过量施氮对旱地土壤碳、氮及供氮能力的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1)： 112-120. Liu J S, Dai J, Liu Y, et al. Effects of excessive nitrogen fertilization on soil organic carbon and nitrogen and nitrogen supply capacity in dryland[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1)：112-120.

[25]孟琳, 张小莉, 蒋小芳, 等. 有机肥料氮替代部分化肥氮对稻谷产量的影响及替代率[J]. 中国农业科学, 2009, 42(2)： 532-542. Meng L, Zhang X L, Jiang X F, et al. Effects of partial mineral nitrogen substitution by organic fertilizer nitrogen on the yields of rice grains and their proper substitution rate[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(2)： 532-542.

[26]董春华, 高菊生, 曾希柏, 等. 长期有机无机肥配施下红壤性稻田水稻产量及土壤有机碳变化特征[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(2)： 336-345. Dong C H, Gao J S, Zeng X B, et al. Effects of long-term organic manure and inorganic fertilizer combined application on rice yield and soil organic carbon content in reddish paddy fields[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(2)： 336-345.

[27]阮新民, 施伏芝, 倪金龙, 等. 肥料配施对杂交中稻氮素积累与分配及氮肥利用率的影响[J]. 水土保持学报, 2010, 24(1)： 163-166. Ruan X M, Shi F Z, Ni J L, et al. Effects of organic manure application combined with chemical fertilizers on rice nutrient uptake and distribution and nitrogen use efficiency[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2010, 24(1)： 163-166.

[28]管建新, 王伯仁, 李冬初. 化肥有机肥配合对水稻产量和氮素利用率的影响[J]. 中国农学通报, 2009, 25(11)： 88-92. Guan J X, Wang B R, Li D C. Effect of chemical fertilizer applied combining with organic manure on yield of rice and nitrogen using efficiency [J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(11)：88-92.

[29]徐明岗, 李冬初, 李菊梅, 等. 化肥有机肥配施对水稻养分吸收和产量的影响[J]. 中国农业科学, 2008, 41(10)： 3133-3139. Xu M G, Li D C, Li J M, et al. Effects of organic manure application combined with chemical fertilizers on nutrients absorption and yield of rice in Hunan of China [J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(10)： 3133-3139.

[30]侯红乾, 刘秀梅, 刘光荣, 等. 有机无机肥配施比例对红壤性稻田水稻产量和土壤肥力的影响[J].中国农业科学, 2011, 44(3)： 516-523. Hou H Q, Liu X M, Liu G R, et al. Effect of long-term located organic-inorganic fertilizer application on rice yield and soil fertility in red soil area of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011,44(3)：516-523.

[31]孟琳, 张小莉, 蒋小芳, 等. 有机肥料氮替代部分无机氮对水稻产量的 影 响 及 替 代 率 研 究 [J].植 物 营 养 与 肥 料 学 报, 2009,15(2)：290-296. Meng L, Zhang X L, Jiang X F, et al. Effects of partial mineral nitrogen substitution by organic fertilizer nitrogen on the yields of grains and its proper substitution rate[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009,15(2)： 290-296.

[32]周江明. 有机-无机肥配施对水稻产量、品质及氮素吸收的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(1)： 234-240. Zhou J M. Effect of combined application of organic and mineral fertilizers on yield, quality and nitrogen uptake of rice [J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012,18(1)： 234-240.

[33]何虎, 吴建富, 曾研华, 等. 稻草全量还田下氮肥运筹对双季稻晚稻产量及其氮素吸收利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(4)： 811-820. He H, Wu J F, Zeng Y H, et al. Effects of nitrogen management on yield and nitrogen utilization of double cropping late rice under total rice straw incorporation[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2014, 20(4)： 811-820.

[34]胡雅杰, 朱大伟, 邢志鹏, 等. 改进施氮运筹对水稻产量和氮素吸收利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1)： 12-22. Hu Y J, Zhu D W, Xing Z P, et al. Modifying nitrogen fertilization ratio to increase the yield and nitrogen uptake of super japonica rice[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1)： 12-22.

[35]陈军, 叶荣榕, 李程勋, 等. 不同氮肥运筹方式对水稻氮素利用率及产量的影响[J]. 福建农业学报, 2012, 27(7)：759-763. Chen J, Ye R R, Li C X, et al. Effects of nitrogen fertilizer management on rice yield and nitrogen utilization efficiency[J]. Fujian Journal of Agricultural Science, 2012, 27(7)： 759-763.

[36]严奉君, 孙永健, 马均, 等. 秸秆覆盖与氮肥运筹对杂交稻根系生长及氮素利用率的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1)： 23-25. Yan F J, Sun Y J, Ma J, et al. Effects of straw mulch and nitrogen management on root growth and nitrogen utilization characteristics of hybrid rice[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1)：23-35.

[37]李录久, 王家嘉, 吴萍萍, 等. 秸秆还田下氮肥运筹对白土田水稻产量和氮吸收利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(1)：254-262. Li L J, Wang J J, Wu P P, et al. Effect of different nitrogen application on rice yield and N uptake of white soil under wheat straw turnover [J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(1)： 254-262.

Optimization of nitrogen rate and base and topdressing ratio to improve agronomic soil fertility and use efficiency of nitrogen in rice

ZHANG Xue-ling1, JIANG Hui-min2, LIU Xiao2, GUO Kang-li2, YANG Jun-cheng2, DENG Shi-huai1*, ZHANG Jian-feng2*
( 1 College of Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, CAAS/ National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China )

【Objectives】Optimizing nitrogen fertilizer and topdressing ratio is an important way to reduce nitrogen fertilizer application and increase fertilizer use efficiency. In this paper, effects of different nitrogen fertilization treatments on soil fertility and nitrogen agronomic efficiency in the typical southern red paddy soil of double cropping rice system were investigated to provide a theoretical basis for sustainable and effective use of nitrogen fertilizers through a comprehensive evaluation. 【Methods】A 4-season and 2-year field experimentwas conducted in the double cropping rice system with the typical southern red paddy soil of China from 2014 to 2015. All treatments were designed as follows： 1) No N fertilizer： T1 treatment; 2) the farmers practice,T2 treatment： N input in early and late rice was N 165 kg/hm2and N 195 kg/hm2, the ratio of N in basal∶tillering∶heading stage was 60∶40∶0 and 40∶30∶30 respectively; 3) T3 treatment： the N input in early and late rice was N 135 and 165 kg/hm2, the ratio of N in basal-tillering-heading stage was all 40∶30∶30, and 20% of chemical N was replaced by organic N. We measured the rice yield, rice nitrogen content, and the soil microbial biomass carbon and nitrogen，soil pH, organic matter, total N, readily available K and available phosphorus in 0-20 cm soil, calculated the cumulative nitrogen use efficiency and the agronomic efficiency of nitrogen fertilizer, and evaluated the soil fertility and fertilization modes by Nemero index and grey relational grade, respectively.【Results】1) The soil fertility results showed that the sequence from high to low of the integrated fertility indexes (IFI) values was T3 ＞ T2 ＞ T1, and the IFI value of the T3 treatment was 2.34% higher than that of T2 treatment. Compared with the T2 treatment，the contents of soil microbial biomass carbon and soil microbial biomass nitrogen in T3 treatment were enhanced by 4.37%-25.39% and 17.85%-29.24% separately. 2) The results of nitrogen agronomic efficiency showed that the nitrogen agronomic efficiency and apparent utilization of the T3 treatment from 2014 to 2015 were increased significantly by 29.66% and 28.82% (P ＜ 0.05), compared with the T2 treatment. The annual rice yield of T2 and T3 treatments had no significant difference in 2014, while that of T3 treatment was improved significantly by 5.26% (P ＜ 0.05) in 2015. The total rice yield of the T3 treatment from 2014 to 2015 was increased by 2.38% compared with the T2 treatment. 3) Based on the correlation degree analysis of the soil nutrient index, soil microbial index and nitrogen agronomy effect index, the correlation degrees of the T3 treatment in 2014 and 2015 were 0.9999 and 1.0000 respectively, which were the highest and indicated it was the best in the comprehensive evaluation of the agronomic effects on nitrogen fertilizer and the effect on soil fertility. The result showed that optimized nitrogen application rate and topdressing ratio could improve nitrogen fertilizer application and fertilizer utilization efficiency. 【Conclusions】The results of the 4-season and 2-year field experiment showed that 20% chemical nitrogen fertilizer less than local farmers practice and 20% nitrogen of the organic manure replaced the chemical nitrogen fertilizer and increasing the proportion of nitrogen fertilizer in heading stage could ensure the sustainability of soil fertility, nitrogen utilization efficiency and rice yield effectively.

soil fertility; soil microbial biomass carbon and nitrogen; nitrogen agronomic efficiency; nitrogen apparent use efficiency; integrated soil fertility index

2016-06-14 接受日期：2016-12-19

国家重点基础研究发展计划（973项目）课题（2013CB127406）；国家自然科学基金（21577172，41501322）；国家国际科技合作专项（2015DFA20790）；中央级公益性科研院所资金项目（IARRP-2015-21）资助。

张雪凌（1992—），女，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事土壤培肥与环境研究。E-mail:zorezhang08@163.com

* 通信作者 E-mail:shdeng8888@163.com；E-mail:zhangjianfeng@cass.cn