水炭运筹对寒地黑土区稻田土壤肥料氮素残留的影响

张作合 张忠学

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.绥化学院农业与水利工程学院， 绥化 152061；3.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

关于肥料氮素在稻田土壤中残留的相关研究国内已有一些报道[12-15]。林晶晶[12]研究表明，两年不同时期施用的肥料氮素在稻田土壤中残留率由大到小为基肥、蘖肥、穗肥。而张忠学等[13]研究发现，基肥、蘖肥和穗肥氮素在稻田土壤中的残留率分别为29.7%～32.7%、54.9%～57.3%和29.4%～35.4%。李鹏飞等[14]通过田间微区试验研究发现，水稻收获后控释尿素在土壤中的残留量随土层深度的增加而显著下降，肥料-15N总残留量约78%分布在0～20 cm土层中，19%左右分布在20～60 cm土层，而在60 cm以下土层中仅占不到4%。彭玉净等[15]也发现，水稻收获时土壤中不同追肥氮素的残留主要集中在0～20 cm土层中。综合来看，肥料氮素的残留受气候特征、土壤类型及肥力和田间管理方式等多种因素的影响，且存在不确定性。

许多专家学者[16-17]在研究土壤氮素残留时常采用差值法，这种方法无法准确定量地分析肥料氮素的残留状况。本文采用田间小区试验与微区试验相结合的方法，应用15N示踪技术，以传统淹水灌溉作为对比，研究不同水炭运筹模式下水稻收获后基肥、蘖肥、穗肥和肥料整体在稻田土壤中的残留情况，以及各阶段施用的肥料氮素残留在不同深度土层的分布规律，为水炭运筹管理在寒地黑土区稻田的应用提供理论依据和技术支撑，以期提高稻田土壤残留肥料氮素利用率和减少稻田土壤残留肥料氮素损失。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5月19日—9月21日，在黑龙江省庆安县和平灌区水稻灌溉试验站进行。试验站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于呼兰河流域中上游，属于寒地黑土区。气候特征属寒温带大陆性季风气候，第三积温带，全年无霜期128 d左右，多年平均降水量500～600 mm，平均气温为2～3℃，平均日照时数为2 600 h，为黑龙江省典型的水稻生产区。

1.2 试验材料

水稻秸秆生物炭，由辽宁金和福农业开发有限公司生产，在450℃高温无氧条件下裂解制备而成，每公顷稻草可制成直径2 mm颗粒形式的秸秆生物炭(去除灰分)约为2.5 t，pH值8.86，含碳质量分数42.72%，填充密度0.13 g/cm3，比表面积81.85 m2/g，总孔容积0.080 cm3/g，阳离子交换量(CEC)为44.7 cmol/kg。供试土壤为黑土，在泡田之前，对试验小区0～20 cm土层进行5点对角取样后混合，分析主要的土壤理化性质，pH值6.40，有机质质量比41.80 g/kg，全氮质量比1.51 g/kg，全磷质量比15.61 g/kg，全钾质量比19.86 g/kg，碱解氮质量比148.27 mg/kg，速效磷质量比24.22 mg/kg，速效钾质量比156.13 mg/kg。供试水稻品种为研究区大面积推广种植的绥粳18，插秧密度为25穴/m2。

1.3 试验设计

采用灌水方式和生物炭施用量二因素全面试验，设置浅湿干灌溉(Dry-wet-shallow irrigation，D)和传统淹水灌溉(Flooding irrigation，F)两种水分管理模式(表1)。水稻浅湿干灌溉模式各处理根据控制指标来确定灌水时间和灌水定额，当田面无水层后，每天08:00和18:00，用土壤水分测定仪(TPIME-PICO64/32型)分别测定各小区的土壤含水率，当土壤含水率接近或低于灌水下限时，灌水至上限，并记录各处理的灌水量；传统淹水灌溉模式各处理的试验小区田面无水层时，人工灌水至上限。秸秆生物炭每5年施用一次，施用量设4个水平，即0 t/hm2(B1)、2.5 t/hm2(1年还田量，B2)、12.5 t/hm2(5年还田量，B3)、25 t/hm2(10年还田量，B4)。共计8个处理，每个处理3次重复，共24个试验小区，方形小区面积100 m2，采用随机区组排列，各小区之间田埂向地下内嵌40 cm深的塑料板。秸秆生物炭在泡田前施入；按当地施肥标准施纯氮110 kg/hm2，基肥、蘖肥、穗肥按5∶2∶3分施；K2O施入量80 kg/hm2，基肥、穗肥按1∶1分施；P2O5施入量45 kg/hm2，作为基肥一次性施入。供试肥料选择尿素(含N质量分数46.4%)、过磷酸钙(含P2O5质量分数12%)、硫酸钾(含K2O质量分数52%)，并换算成实际化肥施入量。2018年5月5日施基肥，5月19日移栽水稻幼苗，株距13.32 cm，行距30 cm，每穴3株，9月21日收获。水稻生长期注意田间管理，严格控制病虫草害。

表1 稻田各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

注：θs为根层土壤饱和含水率。

为明确水炭运筹下不同阶段施用的氮肥在各层土壤中残留情况，在试验小区内设置了15N示踪微区，每个试验小区内设置1个微区试验，即同一处理下设置3个分处理：M1、M2、M3。各处理试验设置见表2，分处理1为仅基肥施用15N-尿素，蘖肥和穗肥施用未标记的普通尿素；分处理2为仅蘖肥施用15N-尿素，基肥和穗肥施用未标记的普通尿素；分处理3为仅穗肥施用15N-尿素，基肥和蘖肥施用未标记的普通尿素。稻田整地后立即在每个小区内埋设2 m×2 m×0.5 m的无底钢板矩形框，将微区埋30 cm深至犁底层下，施用上海化工研究院生产丰度为10.22%的15N标记尿素，深度与试验小区相同。微区内设置单独排灌系统，水稻的种植密度、肥料用量、生物炭施用量及灌水方式与所在的试验小区相同。

1.4 样品的采集与测定

各层土壤容重及全氮含量：水稻收获后采集土壤样品，每个处理微区内外分别用环刀(100 mL)按照“S”形分层取原状土和混合土样，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分层取样，每层取3个平行土样，原状土的环刀用胶带密封后，连同各层装袋的混合土样一起带回实验室，其中原状土105℃干燥至恒定质量，用来计算土壤容重；各处理的混合土样带回实验室后，剔除石块和残留的根，风干后将土样放入瓷研钵进行研磨，研磨后过80目筛，利用AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，德国)测定土壤全氮含量，将剩余土壤样品装袋密封保存，供稳定同位素测定时使用。

土壤15N原子百分比：稳定同位素测试在东北农业大学农业农村部水资源高效利用重点实验室完成，将粉碎过筛后的土壤样品带回实验室，采用同位素质谱仪(DELTA V Advantage，美国)和元素分析仪(Flash 2000 HT，美国)联用的方法测定土壤样品中15N的丰度。

气象数据由试验站DZZ2型自动气象站(天津气象仪器厂)自动记录(图1)。

1.5 计算方法和数据分析

水炭运筹下稻田各层土壤样品中基肥氮素的百分比AN(b)、蘖肥氮素的百分比AN(t)、穗肥氮素的百分比AN(p)计算公式为[13]

表2 试验处理设计Tab.2 Design of experimental treatments

注： *代表施用的是15N-尿素。

图1 2018年水稻生长期气温和降雨量日变化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation during paddy growth period in 2018

(1)

式中a——稻田微区内土壤样品15N丰度，%

b——稻田相同处理小区内的同一层土壤样品15N丰度，%

c——15N标记尿素中15N的丰度，%

d——自然15N丰度标准值，为0.366 3%

稻田各层土壤的氮素总量(kg/hm2)为

STN=ρVNS

(2)

式中ρ——稻田各层土壤容重，g/cm3

V——稻田各层土壤体积，m3

NS——稻田各层土壤的全氮含量，g/kg

不同阶段施用的肥料氮素在稻田土壤中的残留量(kg/hm2)为

RN(b,t,p)=STNAN(b,t,p)

(3)

肥料氮素在稻田土壤中的总残留量(kg/hm2)为

RN(total)=RN(b)+RN(t)+RN(p)

(4)

式中RN(b)、RN(t)、RN(p)——基肥、蘖肥、穗肥氮素在稻田各层土壤中的残留量，kg/hm2

稻田土壤中的基肥、蘖肥、穗肥和肥料总氮素残留率(%)为

(5)

式中FN(b,t,p,total)——基肥、蘖肥、穗肥、总施氮量(纯氮)，kg/hm2

稻田基肥、蘖肥和穗肥的损失率(%)为

FNL(b,t,p)=1-FNRE(b,t,p)-SFNR(b,t,p)

(6)

式中FNRE(b,t,p)——基肥、蘖肥、穗肥吸收利用率(前期试验数据)，%

数据分析和处理采用WPS 2019、SPSS 13.0，用Duncan进行处理间的多重比较，用WPS 2019和Origin 8.0软件作图。

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2 结果与分析

2.1 水炭运筹下肥料氮素在稻田土壤中的总残留

由图2a(图中不同小写字母表示相同处理在P<0.05水平差异显著，下同)可知，水炭运筹下施用的氮肥在稻田土壤中总残留量在27.24～37.86 kg/hm2范围内变化，当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，两种灌溉模式下施用的氮肥在稻田土壤中总残留量都随着生物炭施入量的增加而增大，且两种灌溉模式之间施用的氮肥在稻田土壤中总残留量差异显著(P<0.05)，与传统淹水灌溉相比，水稻收获后浅湿干灌溉模式在3个生物炭施用水平下肥料-15N在土壤中残留量较高，在相同生物炭施用水平下较传统淹水灌溉增加了13.73%、18.03%和20.50%，稻作浅湿干灌溉模式下稻田施用的肥料-15N有28.16%～34.42%残留在土壤中(图2b)，在相同生物炭施用水平下高于传统淹水灌溉。当生物炭施用量为25 t/hm2时，稻作传统淹水灌溉模式施用的氮肥在稻田土壤中总残留量高于浅湿干灌溉，但二者差异不显著(P>0.05)。研究结果表明，两种灌溉模式下施加一定量的生物炭能够增加肥料氮素在稻田土壤中的残留量；浅湿干灌溉模式虽然增加了氨挥发，但减少了氮素其他途径的损失，使肥料氮素在土壤中的残留量增加[18]。

由图2c、2d可知，比较不同土层深度中肥料-15N的残留量，发现两种灌溉模式不同生物炭施用水平下施用的肥料-15N在稻田0～20 cm的耕作层中残留最多，稻作浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下施用的肥料-15N在0～20 cm的耕作层中残留量占总残留量的53.78%～64.16%，在相同生物炭施用水平下较传统淹水灌溉增加了38.25%、45.59%、46.20%和5.34%；而相同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式40～60 cm土层的肥料-15N残留量较传统淹水灌溉分别降低23.83%、25.23%、27.30%和19.97%。当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，两种灌溉模式稻田施用的肥料-15N在耕作层中的残留量随着生物炭施入量的增加而增大。研究结果表明，稻作浅湿干灌溉模式下肥料-15N在0～20 cm的表层土壤中总残留量显著高于传统淹水灌溉，后季水稻理论上可利用肥料残余氮量增加，而传统淹水灌溉模式下40～60 cm土层残留较多，氮素极易发生淋溶而污染地下水。

图2 不同处理稻田土壤中施用肥料-15N的总残留量及残留率和各土层残留量占肥料-15N总残留量的百分比Fig.2 Retention amount for labeled-15N and retention rate for labeled-15N in paddy soil and percentage of residue of fertilizer-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

2.2 水炭运筹下基肥氮素在土壤中的残留

由图3a可知，不同水炭运筹下两种灌溉模式之间基肥-15N在稻田土壤中的总残留量差异显著(P<0.05)，当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，两种灌溉模式的基肥-15N在稻田土壤中的总残留量均随生物炭施入量的增加而增大，稻作浅湿干灌溉模式在不同生物炭施用水平下基肥-15N在0～60 cm土壤中残留的总量在15.14～22.74 kg/hm2范围内变化，相当于有27.53%～41.35%的基肥氮素残留在土壤中(图3b)；传统淹水灌溉模式在12.88～20.53 kg/hm2范围内变化，相当于有23.42%～37.33%的基肥氮素残留在土壤中。相同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式基肥-15N在稻田土壤中的总残留量较传统淹水灌溉增加17.55%、24.03%、27.25%和5.07%，稻田应用浅湿干灌溉模式能够提高基肥-15N在土壤中残留量。两种灌溉模式之间肥料氮素在土壤总残留量中基肥-15N的贡献率差异显著(图3c)，稻作浅湿干灌溉模式下肥料氮素总残留量中基肥的贡献率为48.87%～63.95%，高于传统淹水灌溉的47.28%～59.94%。

图3 不同处理稻田土壤中施用基肥-15N的总残留量及残留率、肥料氮素残留中基肥的贡献率和各土层残留量占基肥-15N总残留量的百分比Fig.3 Retention amount for basal-15N and retention rate for basal-15N in paddy soil, contribution rate of basal in fertilizer nitrogen residue and percentage of residue of basal-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

由图3d、3e可知，水炭运筹下仅基肥施用15N-尿素，水稻收获后浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下基肥施用总量的14.81%～26.78%残留在0～20 cm土层中；8.17%～10.50%残留在20～40 cm土层中；4.38%～4.84%残留在40～60 cm土层中，施加一定量的生物炭增加了0～20 cm土层基肥-15N的残留量，降低了40～60 cm土层基肥-15N残留量。两种灌溉模式之间相同土层深度的基肥-15N的残留量差异显著(P<0.05)，稻作浅湿干灌溉模式在相同生物炭施用水平下基肥-15N在0～20 cm的残留量较传统淹水灌溉增加了45.01%、57.05%、53.17%和12.63%；相同生物炭施用水平下40～60 cm的基肥-15N残留量较传统淹水灌溉降低了20.22%、22.33%、19.80%和11.55%。合理的水炭运筹模式能够有效地降低残留肥料氮素向下迁移而造成潜在的地下水污染的风险，同时保证了稻田耕层土壤肥力。

2.3 水炭运筹下蘖肥氮素在土壤中的残留

由图4a、4b可知，水炭运筹下两种灌溉模式之间蘖肥-15N在稻田土壤中的总残留量差异显著(P<0.05)，当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，两种灌溉模式的蘖肥-15N在稻田土壤中的总残留量均随生物炭施入量的增加而增大，稻作浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下蘖肥-15N在稻田土壤各层的残留总量在7.55～9.57 kg/hm2范围内变化，相当于有34.32%～43.50%的蘖肥氮素残留在土壤中。当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，与传统淹水灌溉模式相比，稻作浅湿干灌溉模式相同生物炭施用水平下蘖肥-15N在土壤中的残留总量增加14.05%、11.52%和12.32%，稻田应用浅湿干灌溉模式能够提高蘖肥-15N在土壤中残留量。当施加25 t/hm2生物炭时，稻作浅湿干灌溉模式的蘖肥-15N在土壤中的残留总量较传统淹水灌溉模式降低了11.56%。对比两种灌溉模式下肥料氮素在土壤总残留量中蘖肥-15N的贡献率可知(图4c)，当生物炭施用量在2.5～25 t/hm2时，两种灌溉模式之间肥料氮素在土壤总残留量中蘖肥-15N的贡献率差异显著(P<0.05)，稻作浅湿干灌溉模式下肥料氮素总残留量中蘖肥的贡献率为24.37%～25.28%，低于传统淹水灌溉。

由图4d、4e可知，水炭运筹下仅蘖肥施用15N-尿素，水稻收获后浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下蘖肥-15N在0～20 cm土层残留量为3.81～6.01 kg/hm2；20～40 cm土层残留量在2.57～2.64 kg/hm2范围内变化；40～60 cm土层残留量在0.92～1.16 kg/hm2范围内变化，施加一定量的生物炭增加了0～20 cm土层蘖肥-15N的残留量，降低了20～60 cm土层蘖肥-15N残留量。不同灌溉模式之间蘖肥-15N在不同深度土壤中的残留量差异显著(P<0.05)，当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，稻作浅湿干灌溉模式0～20 cm的蘖肥-15N残留量在相同生物炭施用水平下较传统淹水灌溉增加35.07%、35.35%和39.62%，相同生物炭施用水平下40～60 cm土层的蘖肥-15N残留量较传统淹水灌溉降低25.89%、30.48%和37.42%。当施加25 t/hm2生物炭时，稻作浅湿干灌溉模式蘖肥-15N在0～20 cm土层的残留量较传统淹水灌溉降低7.06%，40～60 cm土层的蘖肥-15N残留量较传统淹水灌溉降低34.13%。

图4 不同处理稻田土壤中施用蘖肥-15N的总残留量及残留率、肥料氮素残留中蘖肥的贡献率和各土层残留量占蘖肥-15N总残留量的百分比Fig.4 Retention amount for tillering-15N and retention rate for tillering-15N in paddy soil, contribution rate of tillering in fertilizer nitrogen residue and percentage of residue of tillering-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

图5 不同处理稻田土壤中施用穗肥-15N的总残留量及残留率、肥料氮素残留中穗肥的贡献率和各土层残留量占穗肥-15N总残留量的百分比Fig.5 Retention amount for panicle-15N and retention rate for panicle-15N in paddy soil, contribution rate of panicle in fertilizer nitrogen residue and percentage of residue of panicle-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

2.4 水炭运筹下穗肥氮素在土壤中的残留

由图5d、5e可知，水炭运筹下仅穗肥施用15N-尿素，水稻收获后浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下穗肥-15N在0～20 cm土层残留量为2.36～4.87 kg/hm2；20～40 cm土层残留量在1.14～2.75 kg/hm2范围内变化；40～60 cm土层残留量在0.32～0.88 kg/hm2范围内变化，施加一定量的生物炭降低了0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层穗肥-15N的残留量。不同灌溉模式之间穗肥-15N在不同深度土壤中的残留量差异显著(P<0.05)，当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，稻作浅湿干灌溉模式0～20 cm土层的穗肥-15N残留量在相同生物炭施用水平下较传统淹水灌溉增加30.28%、35.69%和31.86%，相同生物炭施用水平下40～60 cm土层的穗肥-15N残留量较传统淹水灌溉降低30.32%、25.75%和39.50%。当施加25 t/hm2生物炭时，稻作浅湿干灌溉模式穗肥-15N在0～20 cm土层的残留量较传统淹水灌溉降低3.10%，40～60 cm土层的穗肥-15N残留量较传统淹水灌溉降低30.78%。

图6 不同处理基肥、蘖肥和穗肥氮素残留率与损失率Fig.6 Nitrogen residues and losses in basal, tillering and panicle fertilizers under different treatments

2.5 水炭运筹下各阶段肥料氮素残留率相关性分析

统计分析结果表明(表3)，RN(total)与RN(b)和RN(t)均呈极显著正相关(P<0.01)，且与RN(b,0～20)、RN(t,0～20)和RN(p,0～20)呈显著正相关(P<0.05)，RN(b)、RN(t)和RN(p)均与稻田表层土壤(0～20 cm)中肥料氮素的残留量呈极显著正相关(P<0.01)，与40～60 cm土层的肥料氮素残留量相关性不显著(P>0.05)。

2.6 水炭运筹下各阶段肥料氮素的残留与损失

由图6可知，水炭运筹下随着生物炭施用量增加，两种灌溉模式的基肥、蘖肥和穗肥氮素残留与损失表现形式不同。稻作浅湿干灌溉模式下基肥氮素损失率在38.20%～56.93%范围内变化，且随着生物炭施用量增加先减小后增加，除施加12.5 t/hm2生物炭外，损失率均大于残留率(图6a)；而传统淹水灌溉模式不同生物炭施用水平下基肥氮素损失率均大于残留率，损失率随着生物炭施用量增加而减小(图6b)。稻作浅湿干灌溉模式下蘖肥氮素损失率在11.59%～29.59%范围内变化，且随着生物炭施用量增加先减小后增加，蘖肥损失率在相同生物炭施用水平下均小于残留率(图6c)；而传统淹水灌溉模式蘖肥氮素的损失率随着生物炭施用量增加而减小，当施加0～2.5 t/hm2生物炭时，蘖肥氮素的损失率大于残留率，而施加12.5 t/hm2以上生物炭时，损失率小于残留率(图6d)。稻作浅湿干灌溉模式下穗肥氮素损失率在12.00%～22.61%范围内变化，且随着生物炭施用量增加先减小后增加，除施加25 t/hm2生物炭外，蘖肥损失率在相同生物炭施用水平下均小于残留率(图6e)；而传统淹水灌溉模式穗肥氮素的损失率随着生物炭施用量增加而减小，且在相同生物炭施用水平下穗肥氮素的损失率均大于残留率(图6f)。

表3 各期肥料氮素在稻田土壤中残留量的相关系数Tab.3 Correlation coefficient of retention for 15N labeled fertilizer in different soil layers

注：*表示0.05水平显著，** 表示0.01水平极显著。RN(b,0～20)、RN(t,0～20)、RN(p,0～20)分别表示基肥、蘖肥、穗肥氮素在0～20 cm土层的残留量；RN(b,20～40)、RN(t,20～40)、RN(p,20～40)分别表示基肥、蘖肥、穗肥氮素在20～40 cm土层的残留量；RN(b,40～60)、RN(t,40～60)、RN(p,40～60)分别表示基肥、蘖肥和穗肥氮素在40～60 cm土层的残留量。

3 讨论

目前关于基肥、蘖肥和穗肥氮素各自在土壤中残留情况的研究较少，文献[13,29]研究黑土区节水灌溉对各期肥料氮素在土壤中残留的影响，发现基肥和穗肥氮素在土壤中的残留率较低，而蘖肥氮素的残留率较高。这与本试验研究结果不一致，这可能是由于其运筹模式和肥料分施比例(基肥、蘖肥、穗肥为4.5∶2∶3.5)都与本试验不同所导致的。本试验研究结果表明，浅湿干灌溉模式下基肥、蘖肥、穗肥氮素在稻田土壤中的残留率分别为27.53%～41.35%、34.32%～43.50%和11.58%～25.67%，这是由于浅湿干灌溉模式水稻植株后期生长补偿对穗肥氮素的吸收利用情况优于基肥和蘖肥[30]，且水稻从幼穗分化至抽穗期吸氮的高峰时段对穗肥氮素的吸收利用高于蘖肥[8]，因此导致穗肥-15N在稻田土壤中的残留率较低，而基肥和蘖肥-15N残留率较高。稻作水炭运筹下浅湿干灌溉模式不同阶段施用肥料氮素在稻田0～20 cm土层中的残留量显著高于传统淹水淹灌，而在40～60 cm土层中的残留量低于传统淹水淹灌，这与彭玉净等[15]的研究结果一致。合理的水炭运筹模式能够增加耕层土壤(0～20 cm)肥料氮素残留量，这对补充寒地黑土区稻田土壤肥力、维持土壤氮库稳定有着重要的作用[13，29]，但若由于土壤肥料氮素残留过多而被土壤固定，就会形成大量酸盐沉积，造成土壤板结；同时肥料氮素在稻田土壤中的残留形态多以硝态氮为主，极易发生渗漏、淋溶等现象，增加了污染源地下水的风险[31]。综合来看，应提倡在减氮条件下，通过合理的水炭运筹模式来增加耕层土壤(0～20 cm)肥料氮素残留量。

本试验阐述了水炭运筹模式当地施氮水平下各期肥料氮素在稻田土壤中的残留情况，但由于气候条件、土壤类型及肥力等差异，使研究结果具有一定的局限性，同时未对低氮和高氮水平下各期肥料氮素在土壤中残留情况进行研究。因此，水炭运筹对各期肥料氮素在土壤中残留的影响还需要长期的试验研究。

4 结论

(1)当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，水稻收获后两种灌溉模式下施用的氮肥在土壤中总残留量均随生物炭施入量的增加而增大，且两种灌溉模式之间施用的氮肥在土壤中总残留量差异显著(P<0.05)，不同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式施用的氮肥在土壤中的总残留量在30.98～37.86 kg/hm2范围内变化，施用的肥料-15N有28.16%～34.42%残留在土壤中，在相同生物炭施用水平下较传统淹水灌溉增加了13.73%、18.03%和20.50%；当施加生物炭的量在25 t/hm2时，传统淹水灌溉模式施用的氮肥在土壤中总残留量高于浅湿干灌溉，但二者差异不显著(P>0.05)。

(2)不同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式基肥-15N在稻田土壤中的残留率为27.53%～41.35%，蘖肥-15N的残留率为34.32%～43.50%，穗肥-15N的残留率为11.58%～25.67%。当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，两种灌溉模式的基肥-15N和蘖肥-15N在土壤中的残留量均随生物炭施入量的增加而增大，而穗肥-15N在土壤中的残留量随生物炭施入量的增加而减小，相同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式基肥-15N、蘖肥-15N和穗肥-15N在土壤中的残留量较传统淹水灌溉增加；施加25 t/hm2的生物炭对稻作浅湿干灌溉模式基肥-15N、蘖肥-15N和穗肥-15N在土壤中的残留量产生负效应。

(3)对不同深度土壤中肥料-15N的残留量分析可知，两种灌溉模式之间相同土层深度的肥料-15N的残留量差异显著(P<0.05)，当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，相同生物炭施用水平下稻作浅湿干灌溉模式各阶段肥料氮素在0～20 cm的残留量均高于传统淹水灌溉，与传统淹水灌溉相比，稻作浅湿干灌溉模式降低了各阶段施加的肥料-15N在40～60 cm土层的残留量。

(4)相关性分析结果表明，稻作浅湿干灌溉模式下各阶段氮肥的总残留量与基肥和蘖肥的总残留量呈极显著正相关(P<0.01)，同时还与基肥、蘖肥和穗肥氮素在0～20 cm土层的残留量呈显著正相关(P<0.05)，基肥、蘖肥和穗肥氮素在土壤中的总残留量与0～20 cm土壤的残留量呈极显著正相关(P<0.01)。

(5)水炭运筹下两种灌溉模式的基肥、蘖肥和穗肥氮素残留与损失表现形式不同，稻作浅湿干灌溉模式下基肥、蘖肥和穗肥氮素损失率随着生物炭施用量的增加先减小、后增加，而传统淹水灌溉模式不同生物炭施用水平下基肥、蘖肥和穗肥氮素损失率随着生物炭施用量的增加而减小。

(6)稻作浅湿干灌溉模式、施加12.5 t/hm2生物炭为最佳的水炭运筹模式，该模式能够增加耕层土壤(0～20 cm)肥料氮素残留量、抑制肥料氮素向深层土壤的运移、减少肥料氮素损失，兼顾经济成本，在实际应用时应采用耕作层分块还田模式。