化肥配施有机肥对早稻产量及稻田氮素归趋的影响

朱文博 ，刘鸣达 ，肖 珣 ，何 娜 ，杨 丹 ，谢桂先

（1.沈阳农业大学 土地与环境学院，沈阳 110161；2.湖南农业大学 资源与环境学院，长沙410128）

氮是水稻生长必需的养分，施用氮肥在水稻增产中具有重要的作用。我国单季稻氮肥施用量平均为180kgN·hm-2，部分地区如湖南稻区单位面积施氮量已达到375kgN·hm-2，远高于国际安全施肥标准225kgN·hm-2，氮肥投入量虽高，但其利用率平均仅为30%～35%[1-3]。可见养分供应与作物需求之间严重失衡，氮等营养元素往往超出农田环境负荷，将造成负面环境影响。韩晓增等[4]通过2年微区试验得出稻田氨挥发损失量占施氮量的8.8%～17.2%，其他氮损失占比为31.2%；潘圣刚等[5]利用15N示踪技术研究指出氨挥发及淋溶等方式损失的肥料氮为48.5%～62.2%。过多的氮素通过地表径流、氨挥发、氮氧化物排放和土壤淋溶等方式损失，不仅降低了氮肥利用率，而且也威胁了生态安全。

我国有机肥料实物量约57亿t，包括禽畜粪便、秸秆、绿肥等农业废弃物，其折合氮量约3000万t，有机肥资源量大，养分含量全面，尤其是含有大量作物所需的微量元素[6]，但农村普遍存在农业废弃物弃置、焚烧、随意堆放所导致的环境问题，如何实现农业废弃物资源化利用，解决其潜在的环境风险，成为当前的研究热点。XIA等[7]通过meta分析总结发现禽畜粪便当量替代部分化肥作物产量可提高4.4%，而氨挥发、淋溶和径流氮素损失则分别降低26.8%、28.9%和26.2%。目前，在农业范畴内，有机肥还田替代部分化肥是实现减施增效、降低环境风险的重要举措。研究表明[8]，有机肥替代比例为20%时化肥效益最佳，若替代比例过高水稻会因养分不足而减产。另一方面，我国不同地区的土壤、气候和种植制度区域性特征明显，而且有机肥种类、来源和特性有很大差异，有机肥中氮在环境中的迁移转化表现各异[9]，因此，优选适宜当地农业生产的最佳施肥类型，明确施用有机肥后稻田氮素的归趋十分必要。

为此，本研究采取田间动态监测与室内化验分析相结合的方式，结合稻田氮素平衡研究不同有机肥配施化肥对稻田生态系统氮去向的影响，以期为农业生产清洁化、农业废弃物资源化和实现双减目标提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

小区试验于2018年在湖南农业大学浏阳试验基地（28°19′N，113°49′E）进行，土壤为河流冲积物发育的潮泥土，其 0～20cm 耕层土壤基本理化性质为：pH 值 5.61，有机质 16.62g·kg-1，全氮 1.21g·kg-1，全磷 0.54g·kg-1，全钾 11.51g·kg-1， 碱 解 氮 48.93mg·kg-1， 有 效 磷21.25mg·kg-1，速效钾 155.68mg·kg-1。

供试水稻（Oryzas ativa L.）品种为中早39。供试肥料鲜猪粪、沼渣沼液在就近收集；绿肥为冬季播种的紫云英（Astragalus sinicus L.）就地翻压；猪粪堆肥为强湘牌精制有机堆肥；化肥为尿素（N≥46.4%）、过磷酸钙（P2O5≥12.0%）和氯化钾（K2O≥60.0%），供试有机肥料养分含量如表1。

表1 供试有机肥料养分含量Table 1 Nutrient contents of the organic fertilizer

1.2 方法

试验共设置6个处理，分别为不施氮肥（NF）、单施化肥（CF）以及猪粪（PM）、沼渣沼液（BF）、猪粪堆肥(PC)和紫云英绿肥（GM）代替20%总氮4个配施有机肥处理。 其中 CF 处理 N、P2O5、K2O 用量分别为 120，72，90kg·hm-2；各配施有机肥处理化肥施氮量为 96kgN·hm-2，有机肥施氮量为24kgN·hm-2，磷、钾肥不足部分以过磷酸钙和氯化钾补齐。有机肥及化学磷肥作基肥全部施入；氮、钾肥以60%作基肥、40%作分蘖肥分别施入。3次重复，随机区组设计，小区面积为20m2。2018年4月25日插秧施肥，种植密度为23cm×24cm，每穴2～3株秧苗，5月7日追肥，7月9日收获。

1.2.1 土壤基本理化性质的测定 土壤基本理化性质的测定参照鲍士旦[10]的方法。

1.2.2 挥发态氮的测定 采用通气法，在施肥后的第1，2，3，5，7天采样，之后每7d为1个采样周期，把同样规格的两块海绵浸入20mL磷酸甘油后，分别放置在高20cm、直径15cm的PVC管中。上层海绵视其干湿情况不定时更换，次日取出下层海绵，浸泡在300mL 1mol·L-1KCl溶液中，浸提30min，浸提液中的铵态氮采用连续流动分析仪（Smart 200）测定[11]。

1.2.3 径流水中氮的测定与计算 小区一侧设有径流池，当降雨使田面水达到一定高度后，则产生地表径流进入径流池中。已知径流池面积为200cm×50cm，用钢尺测得其水深，计算其径流量；水样总氮（TN）、可溶性总氮（DTN）（经0.45μm滤膜过滤）采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定，可溶性无机氮（DMN）采用连续流动分析仪（Smart 200）测定，颗粒态氮（PN=TN-DTN）由计算得出[12-13]。

1.2.4 氧化亚氮的测定 采用静态箱-气相色谱法测定氧化亚氮。采样箱（55cm×55cm×100cm）外覆隔热板，配套底座设置于田中，采样时底座凹槽内用水密封。采样周期为施肥后的第1，2，3，5，7天上午，之后7d为1个周期，在安放好采样箱后的第0，10，20，30min收集气体于密封铝箔采样袋中保存待测。N2O浓度采用气相色谱（Clarus 580，ECD检测器）测定。气体的排放通量及累积排放通量的计算公式参照蔡祖聪[14]的方法。

1.2.5 植株全氮含量的测定 水稻收获时各小区随机采集植株样本5穴，在105℃下杀青30min，75℃烘干至恒重，样品粉碎过0.5mm筛，H2SO4-H2O2法消煮，凯氏定氮法分别测定籽粒与秸秆的全氮含量[10]。

1.2.6 土壤氮残留的计算 水稻种植前后分别采集0～20cm和20～40cm土壤，测定其铵态氮、硝态氮含量，不同层次土壤容重分别取 1.20g·cm-3和 1.36g·cm-3。

式中：10为单位换算系数。

1.2.7 稻田生态系统氮平衡的计算 氮输入包括起始无机氮、肥料氮和土壤矿化氮量，氮输出包括水稻地上部吸氮量、土壤残留无机氮和氮素表观损失（未考虑渗漏损失）。通常认为对照区（NF）全生育期水稻地上部吸氮量全部来自土壤，故本试验中根据NF处理水稻地上部吸氮量与试验前后土壤无机氮的净变化量确定土壤矿化氮量，本试验不考虑氮素的激发效应，认为施氮区土壤矿化氮量与对照区相同，即：

1.2.8 水稻产量的测定 水稻收获后，记录各小区水稻稻谷、秸秆鲜重，再根据各小区稻谷、秸秆的含水率折算稻谷产量及秸秆产量。

1.3 数据分析

运用Office 2016和Origin 2016进行数据处理及制图。采用SPSS 18.0进行单因素方差分析 （one-way ANOVA），同一指标多组间差异性比较选用Duncan检验。

2 结果与分析

2.1 有机肥配施化肥对稻田氨挥发的影响

由图1可知，氨挥发累积排放量为CF＞GM＞PM＞PC＞BF＞NF。各施氮肥处理均显著提高了氨挥发累积排放量（p＜0.05）；有机肥替代20%化肥较单施化肥，氨挥发累积排放量显著下降，降幅为18%～21%，但各有机肥处理间差异不显著。

2.2 有机肥配施化肥对稻田径流损失的影响

由图2可知，各处理TN径流损失量为CF＞PC＞GM＞PM＞BF＞NF，DMN 损失量为 CF＞GM＞PM＞BF＞PC＞NF。CF处理各形态氮素除PN外损失量均最高，NF处理各形态氮素损失量均最低。其中CF处理TN径流损失量为 28.06kgN·hm-2，PM、BF、PC、GM 处理相比 CF处理分别降低了29.21%、33.23%、1.10%和7.69%。

2.3 有机肥配施化肥对稻田N2O排放的影响

图1 稻田氨挥发累积排放量Figure 1 Cumulative emission of ammonia volatilization in paddy fields

各处理N2O累积排放量为 GM＞CF＞PC＞BF＞PM＞NF，施氮肥处理N2O累积排放量高于不施氮肥处理，除PM处理与NF处理间差异不显著外，其余处理均显著高于NF处理，与CF处理相比，PM、BF、PC处理N2O累积排放量均有所下降（图3）。

图2 稻田不同形态氮素径流损失量Figure 2 Runoff loss of different forms of nitrogen in paddy fields

图3 稻田N2O累积排放量Figure 3 Cumulative emission of N2O in paddy fields

2.4 有机肥配施化肥对稻田氮素平衡的影响

稻田生态系统氮素平衡如表2，氮输入项中施氮量占47%，起始无机氮及土壤矿化氮量之和占53%。氮输出项中，水稻吸收氮素占氮素输入量的47%～57%，各施氮肥处理差异不显著，其中CF处理水稻吸氮量最低，残留无机氮量最高；PC、GM处理残留无机氮较低，氮素表观损失量显著高于PM、BF处理。

用直接法计算出NF处理氮素表观损失量为26.9kgN·hm-2，依次计算出CF、PM、BF、PC、GM处理肥料氮的损失量分别为 29.5，18.1，18.3，27.8，27.9kgN·hm-2，其损失率分别为 24.7%、15.1%、15.3%、23.2%和 23.3%。 各处理氨挥发损失量占施氮量的4%～6%，各有机肥处理间差异不显著；各处理径流损失量占施氮量的16%～23%，其中PM、BF处理较CF处理分别降低33%、29%；各处理N2O累积排放量占施氮量的16%～20%，PM处理最低为 19.8kgN·hm-2。

表2 稻田生态系统氮素平衡Table 2 Nitrogen balance of paddy ecosystem

2.5 有机肥配施化肥对水稻产量和PFPN的影响

由图4可知，各施氮肥处理产量无显著差异，均显著高于NF处理。氮肥偏生产力（PFPN）为PM＞GM＞BF＞CF＞PC，PM、GM 和BF处理氮肥偏生产力相对于CF处理提高了8%、5%和1%，但效果不显著。

图4 不同施肥处理的水稻产量和氮肥偏生产力Figure 4 Rice yield and PFPN of different fertilizer treatments

3 讨论与结论

氨挥发是稻田氮素的主要损失途径之一，影响氨挥发排放的因素主要有肥料类型、温度、田面水及土壤pH等[16-17]。黄进宝等[18]研究表明在太湖流域稻田氨挥发损失占比3.7%～11.7%，田光明等[16]通过连续3年的定位试验发现镇江地区水稻土氨挥发量占施入氮量的0.63%～8.00%，本研究指出氨挥发量占施肥量的4%～

6%，与上述研究基本一致。尿素溶于水后快速释放出大量的NH4+-N，而配合有机肥施入后，一方面尿素氮释放数量相对减少，有效降低了田面水中的NH4+-N浓度；另外，有机肥分解后能产生有机酸，降低了土壤pH，同时促进土壤对NH4+的吸附[19-20]；鲜猪粪和沼液沼渣含水率较高，加快粪肥下渗到土壤深层，从而减少了田面水中NH4+-N含量。

稻田氮素通过水流冲刷作用进入地表径流中，有研究表明径流损失中水溶性氮约占总氮的78%～87%[21]，邱卫国[22]通过室内模拟降雨研究发现水溶性氮以NH4+-N为主，而梁新强等[23]则认为径流氮损失中NO3--N占TN的40%～80%，NH4+-N较少。本试验各处理水溶性氮损失量最高，有机肥处理径流水中水溶态氮损失有所下降，这是因为有机肥的施入促进了土壤微生物繁殖，有效氮被微生物固持和土壤胶体吸附固定，且有机肥肥效缓慢，降低了田面水中水溶态氮的含量。郭智等[24]通过田间试验表明施用猪粪有机肥在稳产高产的条件下还能减少径流总氮损失，姜利红等[25]在稻田径流氮磷流失特征的研究中指出施用有机肥能降低径流水中TN含量、NH4+-N含量、NO3--N含量和氮素径流负荷。由此可见，径流损失量与施氮量、降雨量及施肥类型有关，本试验中不同有机肥配施化肥能明显降低稻田不同形态氮素径流损失量，这与前人的研究结果一致[25]。

肥料投入和田间水分状况是影响N2O排放的主要影响因素，硝化作用和反硝化作用是N2O产生的两个同等重要的反应过程。N2O的产生过程受限于反应底物C、N的供应水平[26]，本试验各施肥处理为等N量处理，其产生主要受到外源C的制约。此外，土壤中N2O的产生与田间水分状况密切相关，稻田持续淹水形成了土壤厌氧环境，且施用有机肥后，微生物活动消耗了氧气，土壤Eh急剧下降，过度还原的环境使得反硝化速率加快，N2排放增加，这是本试验中有机肥处理N2O排放减少的另一原因；而施用化肥后，由于土壤Eh变化情况相反，故N2O排放增加[27-28]。

水稻生长受到养分供应状况的制约，施用化肥能在短期内快速补充水稻生长发育所需的氮素，有机肥则能在水稻生长后期提供养分。因此，有机无机配施是促进水稻高产稳产的科学施肥模式。适当的替代比例可以维持作物产量，若有机肥施用超过一定比例可能会降低水稻产量，孟琳等[29-30]研究表明，稻田有机肥最佳替代比例分别在15%～30%、20%～40%，本试验有机肥替代率为20%，鲜猪粪、沼液沼渣、绿肥处理氮肥偏生产力不下降，与单施化肥处理相比，鲜猪粪配施化肥处理产量最高，沼液沼渣处理和绿肥处理产量次之，这与李先等[31-32]的田间试验结果比较接近。

减氮条件下，有机肥配施化肥处理显著降低了稻田氨挥发累积排放量，减少了径流损失氮量，可有效抑制N2O排放。鲜猪粪处理氮素表观损失和氮盈余均最低，沼液沼渣处理次之。与单施化肥相比，有机肥配施化肥增加了水稻地上部吸氮量，有利于水稻增产稳产。因此，施氮量为120kg·hm-2时，鲜猪粪和沼液沼渣等有机肥处理兼顾了经济效益和环境效益，是有机肥替代20%化肥较为科学的施肥方式。