水稻长期氮肥效率和土壤氮素平衡

许海敏，王顺法，冯敏谢，唐旭

(1.台州市椒江区农业技术推广中心，浙江 台州 318000； 2.台州市椒江区三甲街道办事处，浙江 台州 318013；3.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

氮是植物生长的必须营养元素之一，植物对氮素的需求量也相对较高。而且在农业生产中，与其他营养元素(如磷钾)不同的是氮肥不是是否施用，而是必须施用。因此，氮肥经常是限制农业生产的一个至关重要的元素，外源氮肥的投入就成为必然。而一味追求更高产量，忽视土壤和环境本身养分供应能力以及氮肥效率，过量施用氮肥，不但造成低资源利用率，还带来高环境风险[1-5]。18年长期试验结果表明，土壤对水稻产量的地力贡献率可达75%～81%，肥料的增产贡献率为19%～25%，可维持生产水稻6～7 t·hm-2[6]。另一个10年的长期田间试验结果表明，紫色土对水稻产量的地力贡献率平均为58%，肥料的增产贡献率可达42～49%[7]。可见，由于土壤类型及养分供应能力不同，土壤对水稻产量和肥料的增产贡献影响存在很大差异。为此，本试验选择有机质、有效氮和速效钾含量较高的水稻土，通过8年长期定位试验，利用水稻施肥量、地上部生物量及其含氮量，研究稻田土壤生产力、氮素供氮能力及其效率，以期达到水稻持续高产和生态安全的目的。

1 材料与方法

1.1 土壤监测点概况

水稻长期定位试验开始于2011年6月，试验地点位于浙江省台州市椒江区三甲街道坚决村(121°29′260″E，28°26′251″N)，海拔3～4 m，年平均气温16～17 ℃，年活动积温5 200～5 300 ℃，年降水量1 500～1 600 mm，年日照总时数1 500～1 600 h，无霜期260～270 d。供试土壤属于水稻土类，渗育型水稻土亚类，淡涂泥田土属。母质为浅海相沉积物，地形属滨海平原。

试验地剖面结构为A-AP-P(0～100 cm)，耕层土壤(0～20 cm)基本理化性状：pH 6.28，有机质41.3 g·kg-1，有效氮212.2 mg·kg-1，有效磷6.6 mg·kg-1，速效钾119.0 mg·kg-1，阳离子交换量18.4 cmol·kg-1。小区面积66.7 m2，各小区间用60 cm深的水泥板隔开，肥、水互不侧渗，且能独立排灌(各小区内设置进水口和出水口各1个)。2013和2014年采用自来水灌溉，其他年份采用河水灌溉。

1.2 处理设计

试验设4个处理：1)CK(不施肥)；2)NP(氮磷肥配施)；3)NPK(平衡施肥)；4)MNPK(有机肥配施无机肥)。每年种植1季水稻，N、P2O5、K2O平均每年施肥量156、43、32 kg·hm-2。试验期间氮肥以含量17%的碳铵做基肥，含量46%的尿素做追肥；磷肥用过磷酸钙(P2O512%)；钾肥用氯化钾(K2O 60%)；有机肥主要原料为猪粪，年施用量4 500 kg·hm-2，其主要成分为有机质≥45%，N、P2O5、K2O分别为2.4%、3.0%、1.4%。以全部有机肥、磷肥及60%的氮、钾肥作基肥，于移栽前随整地施入，40%的钾和30%的氮肥做分蘖肥；10%的氮肥为穗肥。

田间管理按当地常规栽培措施进行。水稻于每年5月中旬播种，6月上中旬移栽，10月下旬收获。2011年水稻品种为甬优12号，2012—2018年为甬优538号。

1.3 取样与分析

采用手工收获，将地上部生物量全部移除，田间清理干净，只留下不到3 cm的作物茬子，籽粒和秸秆产量来源于整个小区。收获的同时取植株样品，经烘干、粉碎后用于植株养分分析。

土壤、植株中各养分含量都按土壤农化常规分析方法测定[8]。其中，有机质采用重铬酸钾容量法，有效氮采用碱解扩散法，有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法，阳离子交换量采用EDTA-乙酸铵盐交换法，pH值采用电位法(水土比例1∶2.5)；植株经硫酸-过氧化氢消煮，分别采用半微量蒸馏法测氮、钒钼酸比色法测磷、火焰光度法测钾。

计算氮肥偏生产力[9-10]、氮素内部利用率[11]和氮素累积回收率[12]。将不同年份作为试验重复，试验数据采用Excel软件进行整理，并采用SAS统计软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 肥料增产贡献率

图1显示，CK的水稻地上部总生物量为13.6～19.6 t·hm-2，8年平均产量为16.3 t·hm-2，相当于平衡施肥区(NPK)的78.4%。CK的水稻籽粒产量平均为9.42 t·hm-2，占NPK处理产量的77.5%，可见肥料的增产贡献率为22.5%。而在2013和2014年由于用自来水灌溉，肥料的增产贡献率分别高达32.7%和33.1%，其他年份肥料增产贡献率平均仅有21.5%。

图1 水稻生物量及产量变化

2.2 籽粒和秸秆中氮含量

由表1可知，水稻籽粒和秸秆中氮含量分别在10.2～11.9 g·kg-1和4.9～5.8 g·kg-1，平均分别为11.1和5.4 g·kg-1。所有处理中，CK氮含量均最低。与CK相比，NP、NPK和MNPK处理的籽粒和秸秆中氮含量均有不同程度的提高，但施肥处理间籽粒和秸秆中氮含量均无显著差异。

表1 水稻地上部氮含量、吸氮量及氮肥利用效率

注：同列数据后无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。

2.3 籽粒和秸秆吸氮量

由表1可知，籽粒吸氮量为98.0～148.9 kg·hm-2，平均为129.8 kg·hm-2。施氮肥显著提高籽粒吸氮量，NP、NPK和MNPK处理的吸氮量分别比CK提高35.1%、42.7%和52.0%。尽管NP和NPK处理间籽粒吸氮量无显著差异，但MNPK显著高于NP 12.5%。籽粒吸氮量占地上部吸氮量的66.7%～78.0%，平均为74.5%，说明水稻地上部吸收的氮素绝大部分被储存在籽粒中。

秸秆吸氮量为33.5～51.0 kg·hm-2，平均为43.5 kg·hm-2。施氮肥也显著提高了秸秆吸氮量，施氮处理比CK高32.2%～52.2%。与籽粒吸氮量相似，NP和NPK处理间秸秆吸氮量也没有显著差异，但MNPK比NP显著提高12.6%。

2.4 氮肥偏生产力

由表1可知，氮素偏生产力范围在55.5～61.4 kg·kg-1，平均为59.3 kg·kg-1。在3个施氮肥处理中，NP的氮素偏生产力最低；NPK和MNPK均显著高于NP，分别提高10.1%和10.6%，但NPK和MNPK处理间无显著差异。

2.5 氮素内部利用率

由表1可知，氮素内部利用率在62.8～73.3 kg·kg-1，平均67.8 kg·kg-1。在所有处理中，CK的氮素内部利用率最高，比NPK和MNPK显著提高10.9%和16.8%。

2.6 氮素养分平衡

由表2可知，长期种植水稻造成不施肥土壤(CK)中氮素8年间平均每年亏缺131.4 kg·hm-2。NP处理可使土壤每年氮素出现盈余362.1 kg·hm-2，但NPK处理的土壤氮素盈余量出现下降，尤其MNPK处理的土壤氮素盈余量比NP降低85.8%。连续氮磷配施，8年氮素累积回收率可达81.3%，而且在平衡施肥和增施有机肥条件下，氮素累积回收率分别提高13.4%和19.6%。

表2 氮素表观平衡和累积利用率

3 小结与讨论

本研究中连续8年不施肥的水稻每年平均产量为9.42 t·hm-2，占平衡施肥水稻产量的77.5%，肥料的增产贡献率仅为22.5%。这主要是由于土壤本身肥力较高，试验前土壤有机质、有效氮和速效钾含量分别为41.3 g·kg-1、212.2 mg·kg-1和119 mg·kg-1。这种肥力水平较高，养分供应能力较强的土壤，自然对肥料的依赖性相对较弱。尽管在此土壤上合理施用氮肥也能提高水稻产量，但氮肥过多施用对产量可能无意义。在2013和2014年由于采用自来水灌溉，肥料的增产贡献率分别为32.7%和33.1%，其他年份肥料增产贡献率平均仅有21.5%，说明来源于灌溉水的养分对水稻增产贡献率可达10%以上。王定勇[7]的研究也表明，每年通过降水和灌溉水带入的氮和钾量可达55.21和18.10 kg·hm-2。随着我国经济快速增长、畜牧业的发展及氮肥用量的增加，通过大气干湿沉降、灌溉水等途径进入农田生态系统的环境养分数量也越来越大，已成为稻田营养的重要补充。

张福锁等[10]对2001—2005年全国1 333个试验数据进行分析表明，在施氮量150 kg·hm2的条件下，水稻氮肥偏生产力平均为54.2 kg·kg-1。而笔者研究结果表明，3个施肥处理平均为59.3 kg·kg-1，略高于全国平均水平，这主要是因为本研究中尽管水稻施肥量略高，但产量更高，施氮水稻平均每年产量都在12.3 t·hm2以上。

在18年稻麦轮作系统中，平衡施肥的早稻、晚稻和单季稻内部利用率分别为37.2、36.7和45.1 kg·kg-1[6]，低于国外平均水平68 kg·kg-1[11]。而在本研究中，平衡施肥的水稻每吸收1 kg氮素可生产66.1 kg籽粒，接近国外平均水平，说明管理水平与国外相当。

大麦19年的氮累积回收率为80.9%[13]，类似地，在玉米-冬小麦轮作系统中，氮的累积回收率为69%[10]。而在本研究中，平衡施肥水稻8年的氮素累积回收率可达92.2%。养分累积回收率清楚地表明了养分投入与产出的关系，是反应作物实际对养分吸收状况的一个重要参数，可作为水稻生产中肥料合理施用的一个主要指标。