化肥减量与有机肥替代对水稻产量与养分利用率的影响

何 欣，荣湘民,2，谢 勇，石敦杰，唐 丽

（1. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2. 土壤肥料资源高效利用国家工程实验室，农田污染控制与农业资源利用湖南省重点实验室，植物营养湖南省普通高等学校重点实验室，湖南 长沙 410128）

化肥减量与有机肥替代对水稻产量与养分利用率的影响

何 欣1，荣湘民1,2，谢 勇1，石敦杰1，唐 丽1

（1. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128；2. 土壤肥料资源高效利用国家工程实验室，农田污染控制与农业资源利用湖南省重点实验室，植物营养湖南省普通高等学校重点实验室，湖南 长沙 410128）

通过田间小区试验，研究了减氮施肥与有机无机配施对水稻产量与养分利用率及其径流损失的影响。结果表明：施用氮肥可以显著增加早稻的单位有效穗数、每穗实粒数、株高和穗长，但对早稻千粒重及结实率无明显影响。各减氮施肥处理虽然相比于常规施肥处理早稻产量有所下降，但是氮肥利用率均高于常规施肥处理，提高了 6.18～15.9 个百分点。有机肥替代 20% 化肥处理的早稻产量较常规施肥处理增加了 1.58%，且氮肥利用率提高了 7.84 个百分点。控释氮肥处理稻田田面水总氮、可溶性氮、铵态氮浓度均于施肥后缓慢升高，而其他施氮处理的于施肥后第1天达到最高峰，然后浓度迅速下降，其中减氮施肥处理的均明显低于常规施肥处理。由于减氮处理稻田田面水氮素含量较低，因此当暴雨等因素而产生径流时可有效降低稻田氮素流失的风险。

氮肥；水稻产量；氮肥利用率；氮素损失

随着我国人口的快速增长，粮食需求量不断扩大。水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量占全国谷物总产量的 40% 以上[1]。氮素是限制水稻生长发育的重要养分因子，施用氮肥是提高水稻产量的关键[2-4]。在一定的控制范围内，增施氮肥能够提高水稻产量，然而超过一定的施氮量后，水稻产量和氮素利用效率将不再随氮肥地增施而提高[5-7]。我国普遍存在氮肥施用过量的情况，据统计，我国单季水稻氮肥平均用量为 180 kg/hm2，单位面积氮肥施用量比世界平均水平高出约 75%[8]。有研究表明，中国稻田氮肥吸收利用率不超过 35%[9]，这意味着超过 50% 以上的氮素通过地表径流、大气挥发、渗漏流失等途径损失[10]，直接或间接地加重了地表水富营养化、地下水和蔬菜中的NO3--N 含量超标、大气中 NO2排放量增加等一系列的环境污染问题[11]。因此，在提高水稻产量的同时，如何提高氮肥利用率，减少氮素损失，从源头上遏制水体富营养化，保护水体环境，从而控制农业面源污染已成为急需解决的问题。

研究表明，减少氮肥施用量能有效提高氮肥利用率。与普通氮肥相比，缓控释肥具有根据作物生长需求，缓慢或控制养分释放速度与作物养分吸收同步等优点，目前已成为国内外研究热点，并已证实，控释氮肥能够提高氮肥利用率，减少氮肥施用量[12]。同时，为了保障粮食安全和农业生产的可持续发展，国家非常重视通过有机肥的利用来改善土壤质量，有机无机肥配合施用既可以促进作物增产又可以改善土壤质量，从而被广泛采用[13-15]。试验采用田间试验结合室内分析方法，研究农艺措施对水稻产量和养分径流损失的影响，旨在为水稻安全清洁生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于 2015 年在湖南省浏阳市永和镇湖南农业大 学 长 期 定 点 试 验 基 地（113°49′E，28°19′N） 进 行。该地区属于丘陵山地、亚热带季风湿润气候区，供试土壤为河流冲积物发育的河潮泥。供试土壤的基本农化性状 ：有机质 13.58 g/kg，全氮 3.42 g/kg，全磷 0.61 g/kg， 全 钾 13.19 g/kg， 碱 解 氮 48.71 mg/kg， 有 效 磷13.21 mg/kg，速效钾 151.33 mg/kg，pH 值 5.77。供试水稻品种 ：陵两优 268，籼型两系杂交水稻，全生育期平均 112.2 d，于长江中下游做双季早稻种植。供试肥料 ：普通尿素（N 46%）、控释尿素（N 42%，控释期3个月）、稳定性氮肥、碱性缓释氮肥、强湘牌精制有机肥、过磷酸钙（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）。

1.2 试验设计

采用田间小区试验，共设6个处理：CK不施氮肥处理；C1常规施肥处理；C2控释尿素减氮 20%处理；C3 稳定性氮肥减氮 20% 处理 ；C4 碱性缓释氮肥减氮20% 处理 ；C5 有机肥替代 20% 总氮处理。试验小区采用随机区组排列，重复 3 次。小区面积为 30 m2（内径 5 m×6 m），各小区间用田埂隔开，并在小区四周设置宽度不小于 2 m 的稻田保护区。早稻种植株行距为 16.7 cm×20.0 cm，每穴 2～3 苗。各处理早稻 N 施用量（按纯 N 计）分别为 ：0，150，120，120，120，150 kg/hm2，常规施肥处理施氮量为当地常规施氮水平。各处理早稻 P2O5、K2O 施用量相同，分别为 72和 90 kg/hm2（有机肥替代 20% 总氮处理中有机氮占全氮20%，磷钾折算补充不足部分）。所有处理有机肥、磷肥作基肥一次性施用，氮、钾肥 60% 做基肥，40%做分蘖肥。早稻于4月29日施基肥后移栽，5月8日追肥，7月16日收获，整个生育期内常规田间管理。

1.3 样品采集

1.3.1 土 样 取原始土样（耕层混合样 1 个），测定其土壤 pH 值、有机质、全氮磷钾和速效氮磷钾含量。

1.3.2 水 样 水稻施基肥和追肥后第 1、2、3、5、7、9天取表层水测定水样的全氮磷钾和铵态氮、硝态氮、水溶态氮含量。

1.3.3 植株样 水稻收割前每小区随机取 5 蔸考种，考种指标包括株高、穗长、每蔸有效穗数、每穗实粒数和瘪粒数、结实率、千粒重。水稻按小区单打单收，分别计稻谷和秸秆产量，并取样测定稻谷和秸秆水分含量及其全氮磷钾含量。

1.4 测定方法

1.4.1 水 样 总氮 ：碱性过硫酸钾消解，紫外分光光度发测定；总磷：碱性过硫酸钾消解，钼锑抗比色法；总钾 ：火焰光度法 ；可溶性氮 ：水样经 0.45 μm 微孔滤膜过滤后，测定方法与总氮相同；可溶性磷：水样经 0.45 μm 微孔滤膜过滤后，测定方法与总磷相同；硝、铵态氮 ：水样经 0.45 μm 微孔滤膜过滤后，连续流动分析仪测定。

1.4.2 植 株 样 植 株 样 品 烘 干、 称 重、 粉 碎 后， 用H2SO4-H2O2消煮，连续流动分析仪测定植株氮含量，钒钼黄比色法测定植株磷含量，火焰光度计测定植株钾含量。

1.5 数据处理

数据采用 Excel 2003 软件进行处理分析，处理间差异显著性分析采用 LSD 检验法。氮素吸收量 = 单位面积植株地上部干物重×植株含氮量；肥料利用率（%）=（施氮处理地上部吸氮量-空白处理地上部吸氮量）/施氮量 ×100。

2 结果与分析

2.1 早稻氮肥减量与有机肥替代施肥对水稻性状及产量的影响

2.1.1 对水稻性状的影响 由表1 可以看出，施用氮肥可以显著增加早稻的单位有效穗数、每穗实粒数、株高、穗长。早稻中各施肥处理每蔸有效穗数均明显大于不施肥处理，其中有机肥替代处理早稻的单位有效穗数最多，其次是处理 C4、C3、C1 和 C2。各施用氮肥处理每穗实粒数差异不显著，其中C2处理最高，其后依次是处理 C5、C1、C3 和 C4。各处理早稻千粒重与结实率均无明显差异，说明氮肥的施用对早稻千粒重及结实率无明显影响。

表1 不同氮肥施用对早稻产量构成因素的影响

2.1.2 对水稻产量的影响 由表2 可以看出，施用氮肥各处理早稻稻草产量、稻草含氮量、稻草吸氮量、籽粒产量、籽粒含氮量和籽粒吸氮量等指标均显著高于不施氮处理（CK）。减氮施肥各处理（C2、C3、C4）的稻草氮含量和吸氮量差异不显著，且都高于常规施肥处理（C1）。有机肥替代处理（C5）稻草氮含量和吸氮量均高于其他处理。早稻籽粒氮含量除C4处理外各处理之间差异不显著。早稻各氮肥减量处理 籽 粒 产 量 均 低 于 C1 处 理，C2、C3 和 C4 处 理 早稻 籽 粒 产 量 分 别 比 C1 处 理 降 低 了 1.77%（P>0.05）、10.06%（P<0.05） 和 9.79%（P<0.05），C5 处 理 产 量较 C2 处理增加了 1.58%（P>0.05）。各减氮施肥处理及有机肥替代处理氮肥利用率均明显高于常规施肥处理，C2、C3、C4 和 C5 氮肥利用率较 C1 分别高出了15.9、6.79、6.18 和 7.84 个百分点。

表2 控释氮肥减量施用对早稻产量与氮肥利用率的影响

2.2 不同施肥水平下稻田田面水中氮素的动态变化

2.2.1 总氮的动态变化 由图 1、图2 可以看出，稻田田面水中的氮主要以可溶性氮的形式存在。除CK和C2处理外，其余施氮处理稻田田面水总氮与可溶性氮浓度均于施肥后第 1 天达到峰值，C1、C3、C4和C5处理施用基肥后田面水总氮峰值浓度分别为59.07、43.64、35.61 和 56.83 μg/mL， 可 溶 性 氮 峰 值浓 度 分 别 为 46.54、36.48、32.70 和 44.53 μg/mL， 施用追肥后田面水总氮峰值浓度分别为 64.40、46.03、35.88 和 57.98 μg/mL， 可 溶 性 氮 峰 值 浓 度 分 别 为52.32、39.65、31.03 和 47.76 μg/mL，随后总氮与可溶性氮浓度均迅速降低，而C2处理施肥后稻田田面水总氮浓度缓慢增高。C1处理稻田田面水总氮与可溶性氮浓度均最高，其次从高到低依次为 C5、C3、C4和 C2处理。C1至C5处理稻田田面水总氮平均浓度 分 别 为 35.33、3.87、25.69、22.42 和 32.36 μg/mL，其中减氮处理总氮平均浓度为常规施肥处理的11.04%～73.38%；可溶性氮平均浓度分别为 25.69、3.70、19.70、17.89 和 24.05 μg/mL，其中减氮处理可溶性氮平均浓度为常规施肥处理的 15.77%～83.91%。因此，与常规施肥处理相比，减氮 20% 施肥能够有效地降低稻田田面水中的氮素浓度，从而降低氮素的流失风险。

2.2.2 铵态氮及硝态氮的动态变化 由图 3、图4 可以看出，稻田田面水中的可溶性氮主要是以铵态氮的形式存在，同一时期稻田田面水中铵态氮含量要远远高于硝态氮含量，这是因为在高温条件下向农田施入尿素后，田面水中的氮会迅速转化为无机态的铵态氮。除C2处理外其余施氮处理稻田田面水铵态氮氮浓度均于施肥后第一天达到峰值，C1、C3、C4 和C5处理施用基肥后田面水铵态氮峰值浓度分别为 38.47、30.20、28.50 和 35.91 μg/mL，施用追肥后田面水铵态氮峰值浓度分别为 41.27、36.44、28.36 和 40.19 μg/mL，随后浓度逐渐降低，而C2处理施肥后稻田田面水铵态氮氮浓度缓慢增高。C1处理稻田田面水铵态氮氮浓度最高，其次从高到低依次为 C5、C3、C4 和 C2处理。C1至C5处理稻田田面水铵态氮平均浓度分别为 22.43、2.55、17.14、15.74 和 20.41 μg/mL。田面水中的硝态氮由于含量太低，各处理未表现出明显的变化规律。

图1 稻田田面水总氮浓度变化趋势

图2 稻田田面水可溶性氮浓度变化趋势

图3 稻田田面水铵态氮浓度变化趋势

图4 稻田田面水硝态氮浓度变化趋势

3 结 论

（1）相比常规施氮，控释氮肥减氮 20% 施肥可以提高氮肥的肥料利用率，且早稻产量并未出现明显减少。因此，在种植早稻的过程中，施用控释氮肥可减少氮肥的施用量，从而减少氮素污染。

（2）相比常规施肥，有机肥替代 20% 总氮施肥不仅可以提高早稻产量，还能提高氮肥的肥料利用率，从而减少农田系统中氮素的流失。

（3）控释氮肥处理稻田田面水总氮、可溶性氮、铵态氮浓度均于施肥后缓慢升高，其他施氮处理稻田田面水总氮、可溶性氮、铵态氮浓度于施肥后第1天达到最高峰，然后浓度迅速下降。其中减氮施肥处理稻田田面水总氮、可溶性氮、铵态氮浓度均明显低于全氮处理。由于减氮处理稻田田面水氮素含量较低，因此当暴雨等因素而产生径流时可有效降低稻田氮素流失的风险。

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（责任编辑：肖彦资）

Effects of Fertilization Reduction and Organic Fertilizer Replacement on Rice Yield and Nutrient Utilization

HE Xin1，RONG Xiang-min1,2，XIE Yong1，SHI Dun-jie1，TANG Li1
（1. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC; 2. National Engineering Laboratory of Resources Efficient Utilization on Soil and Fertilizer, Hunan Key Laboratory of Farmland Pollution Control and Agricultural Resources Use, Hunan Key Laboratory of Plant Nutrition in Common University, Changsha 410128, PRC）

The fi eld experiment was conducted to study the effects of nitrogen fertilization reduction and organic and inorganic fertilizer application on rice yield, nutrient utilization efficiency and nutrient runoff loss. The results showed that: nitrogen application can signifi cantly increase the effective panicle number per unit, Number of grains per panicle, plant height and stem length, but had no effect on 1000 grain weight and seed setting rate of the early rice. Compared with the conventional fertilization treatment, the rice yield of nitrogen fertilizer reduction treatment was slightly decreased but the nitrogen use efficiency was higher than that of conventional fertilization, which increased by 6.18-15.9 percentage prints. Compared with conventional fertilization, the yield of organic fertilizer replaced 20% fertilizer treatment was increased 1.58%, and nitrogen use effi ciency increased by 7.84 percentage prints. Total nitrogen, soluble nitrogen, ammonium nitrogen concentration in surface water of paddy fi eld of controlled release nitrogen fertilization treatment increased slightly after fertilization, while which reached the top and then declined rapidly of other nitrogen fertilization treatment, the nitrogen fertilizer conduction treatments were significantly lower than the conventional fertilization treatment. Because nitrogen concentration was low in surface water of paddy field of nitrogen reduction fertilization treatment, the risk of loss of nitrogen in paddy field can be reduced effectively when runoff is produced by storm and other factors.

nitrogenous fertilizer; rice yield; nitrogen use effi ciency; loss of nitrogen

S511

A

1006-060X（2017）03-0031-04

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.003.010

2016-11-28

国家科技支撑计划项目（2014BAC09B01)；湖南省教育厅平台项目（15K056）

何 欣（1991-），男，湖南岳阳市人，硕士研究生，主要从事植物生理与生态方面的研究。

荣湘民