增苗减氮对稻田氮素流失及利用效率的影响

谷学佳，王玉峰，孙 阳，周雪全，曾 媛，王 军，司 洋

（1黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/农业农村部东北平原农业环境重点实验室，哈尔滨150086；2黑龙江省农业对外经济合作中心，哈尔滨150008；3黑龙江省兴凯湖农场，黑龙江密山158325）

0 引言

东北平原是中国重要的粮食主产区，2018年黑龙江吉林辽宁水稻种植面积达511万hm2[1]，单纯的追求产量使化肥用量居高不下，由此造成的化肥投入过量，利用效率低下，带来的生态环境问题日益严重[2]。因此，在保障产量的前提下，减少肥料投入，降低氮磷流失，提高利用效率，对于保护生态环境，保障粮食安全具有重要意义。目前，东北地区水稻种植主要以旱育稀植为主，密度小导致产量潜力得不到充分发挥，同时氮肥施用量高，施入时期不合理，利用率低下[3]。有研究表明，黑龙江省水稻的基蘖肥占90%以上，氮肥利用效率低[4-6]。已有研究表明通过适当增加栽插密度及减少氮肥用量，既可以实现水稻高产又能提高氮素利用率[7]。章起明等[8]研究表明，增苗减氮是双季稻在保证高产条件下提高氮肥利用率的新型途径。段里成等[9]研究表明，适量减少氮肥施用量，增加种植密度，适当增加穗肥的比重等均可以有效的提高氮肥利用率。刘红江等[10]研究表明，适当降低水稻生育前期的施氮量，增加水稻生育中后期的氮肥运筹比例，可以提高水稻产量和氮素利用效率。前人研究表明，适当的减少氮肥用量以及前氮后移能够减少氮素流失。段小丽等[11]研究发现，整个基肥期、分蘖肥后20天内和穗肥后9天内是防止稻田氮素流失的关键期。杨坤宇等[12]研究发现，施肥后10天内稻田TN径流流失分别占总流失量的82.53%～97.66%，是稻田氮素径流流失风险窗口期。杨和川等[13]研究表明，降低稻季氮肥施用量能够显著降低稻季农田地表径流总氮流失量。目前针对水稻种植密度以及氮肥运筹的协同作用研究主要集中在产量和氮肥利用率方面，而针对氮素流失方面的研究尚少。对稻田氮磷流失的相关研究主要以华南双季稻区和华中单双季稻区数量居多，而东北稻区的研究相对较少[14]。该研究旨在通过增加水稻秧苗密度，减少基蘖肥、保障穗肥稳定，筛选出最佳组合，建立水稻增苗减氮技术模式，充分发挥秧苗密度与氮肥运筹的协同作用，在保障产量的前提下，提高氮肥利用效率，降低氮素流失量，以期为东北粮食主产区农业面源污染防控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5—10月进行，试验地点为北大荒农业股份有限公司兴凯湖分公司科技园区，2019年活动积温为2857℃，无霜期157天，初霜日9月30日，终霜日4月27日。试验区前茬为水稻，秋翻，春整地。土壤为沼泽草甸土，土壤养分状况为：有机质57.1 g/kg，速效氮240mg/kg，速效钾235mg/kg，速效磷62.7mg/kg，pH（水土比2.5:1）6.27。

1.2 试验设计

试验设置6个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，共18个小区，每个小区面积50 m2，处理间用塑料埂间隔开，单排单灌。通过提高每穴苗数来增加种植密度，通过减少基肥和分蘖肥来实现氮肥减量，穗肥用量不变（见表1）。各处理磷钾量与当地常规模式相同。3次施肥时间分别为5月2日、6月6日、6月18日。供试肥料为尿素(N≥46.0%)、重过磷酸钙(P2O5≥46.0%)、硫酸钾(K2O≥50%)，尿素按照表1折算施用，重过磷酸钙163.04 kg/hm2（100%基肥施入），硫酸钾174 kg/hm2（70%基肥施入，30%穗肥施入）。水稻品种为‘龙粳31’，种子处理统一浸种催芽，4月9日育秧播种，5月10日插秧，9月30日收获采样，其他农事操作同当地常规管理。

表1 不同处理秧苗数、施氮量及分配方式

1.3 样品采集及分析

1.3.1 水样 记录降雨量，采集降雨样品；记录灌溉量，采集灌溉样品；稻田每次排水时，通过测定排水前后水位差计算得出农田地表径流水量，并采集各处理水样，将上述样品带回实验室分析氮素含量，采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定总氮含量，用流动分析仪测定硝态氮和铵态氮含量。

1.3.2 植株 在水稻成熟期，选择有代表性的地块选5点，每点1 m2实收分别统计籽粒和秸秆产量并采集样品。采用硫酸双氧水消煮-凯氏定氮法测定籽粒和秸秆氮含量。

1.3.3 氮素输入 氮素输入来源主要包括肥料施用、降水输入和灌溉水输入。

式(1)中，L1为降水氮素带入量(kg/hm2)；ai为第i次降水的降水量(m3/hm2)；bi为第i次降水中氮素浓度(mg/L)。

式(2)中，L2为灌溉水氮素带入量(kg/hm2)；ci为第i次灌溉量(m3/hm2)；di为第i次灌溉水中氮素浓度(mg/L)。

1.3.4 氮素支出 主要包括作物携出（包括籽粒和秸秆）和地表径流。

式（3)中，L3为氮素地表径流流失量(kg/hm2)；ei为第i次径流量(m3/hm2)；fi为第i次径流水中氮素浓度(mg/L)。

L4=w1n1+w2n2……………………………… (4)

式(4)中，L4为作物氮素携出量(kg/hm2)；w1为籽粒产量干重(kg/hm2)；n1为籽粒含氮量(%)；w2为秸秆产量干重(kg/hm2)；n2为秸秆含氮量(%)。

1.3.5 氮素利用率及表观平衡

式(5)中，R为氮肥表观利用率(%)；g1施氮处理地上部吸氮量(kg/hm2)；g2为不施氮处理地上部吸氮量(kg/hm2)；h为施氮量(kg/hm2)。

式(6)中，A为氮肥农学效率(kg/kg)；y1为施氮区水稻籽粒产量(kg/hm2)；y2为不施氮处理水稻籽粒产量(kg/hm2)；h为施氮量(kg/hm2)。

式(7)中，P为氮肥偏生产力(kg/kg)；y1为施氮区水稻籽粒产量(kg/hm2)；h为施氮量(kg/hm2)。

式(8)中，B为氮素平衡盈余量(kg/hm2)；N1为氮素收入(kg/hm2)；N2为氮素支出(kg/hm2)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013进行数据处理和作图，SPSS 18.0进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 增苗减氮对水稻地表径流氮素浓度及流失量的影响

不同处理对地表径流氮素浓度的影响见图1，从总氮来看（图1a），5月9日插秧前排水总氮浓度高于后2次排水，3次排水中总氮浓度最高均为T2（施氮10 kg+3株苗）处理，达到了8.10 mg/L，3.78 mg/L，1.21 mg/L。与T2（施氮10 kg+3株苗）处理相比，5月9日T3～T6处理排水中总氮浓度分别降低12.71%、41.66%、48.18%和57.86%(P＜0.05)，6月30日T3～T6处理排水中总氮浓度分别降低7.26%、16.00%、19.62%和25.42%(P＜0.05)，8月19日T3～T6处理排水中总氮浓度分别降低19.02%、29.81%、39.28%和61.55%(P＜0.05)。总氮浓度随着施氮量的减少和秧苗数的增加而显著降低，插秧前排水主要是由于施氮量的差异造成的，后2次排水一方面是由于施氮量的差异，另外株数增加后，作物吸收造成了水中浓度的差异。说明増苗减氮能够减少排水中氮浓度，从而降低氮流失的风险。

图1 增苗减氮对水稻地表径流氮素浓度的影响

从排水中氮的形态来看主要为可溶性氮（图1b），并且主要以铵态氮的形式存在（图1d），硝态氮的浓度低于铵态氮的浓度（图1c），不同处理间各形态氮的浓度规律与总氮保持一致。

不同处理对地表径流氮素流失量的影响见图2，从3次排水来看，各个处理5月9日排水总氮流失量显著大于其他2次，T2～T6处理5月9日排水总氮流失量均占各自总流失量的60%以上，分别为64.11%、65.75%、60.22%、60.64%、62.61%。由于插秧前施肥造成了排水中氮素浓度高，因此插秧前排水是水田氮磷流失关键期，通过増苗减氮能够有效降低此次排水的氮素流失。

从水稻全生育期来看，T2（施氮10 kg+3株苗）处理总氮流失量最高达到11.80 kg/hm2，T3～T6处理，总氮流失量分别比T2降低13.42%、33.77%、41.58%和53.52%(P＜0.05)。氮素流失量随着施氮量的减少秧苗数的增加而显著降低，一方面是由于施氮量的降低另一方面是因为秧苗数的增加提高了作物的养分吸收量，有利于产量的形成并减少了流失。

从氮的流失形态来看主要为可溶性氮（图2b），并且主要以铵态氮的形式流失（图2d），硝态氮的流失量低于铵态氮的流失量（图2c）。

图2 增苗减氮对水稻地表径流氮素流失量的影响

2.2 增苗减氮对水稻氮素吸收量及利用效率的影响

通过对水稻产量进行统计见图3，不施氮处理(T1)产量最低5566.76 kg/hm2，其余处理产量显著高于不施氮处理。T2（施氮10 kg+3株苗）处理产量最高，为9051.84 kg/hm2；其次为T6（施氮8 kg+7株苗）处理，产量为9050.31 kg/hm2；T2～T6处理间产量差异不显著。说明在增加密度条件下，适当减少施氮量不会造成水稻明显减产，实现经济效益与环境效益双赢。

图3 增苗减氮对水稻产量的影响

水稻植株吸氮量随着施氮量的降低和秧苗数的增加呈现先降低后增加的趋势，分析氮密互作的综合效应，先是由于减氮造成了吸氮量的降低，然后随着秧苗数的增加能有效增加群体分蘖数以及地上部总生物产量，提高了水稻对氮素的吸收，从而提高了氮素利用率。除T4处理差异不显著外，T3、T5、T6处理氮肥表观利用率均显著高于T2处理，其中T6处理氮肥表观利用率显著高于其他处理，为53.5%。在本研究中，适当的增苗减氮大幅度降低了氮肥用量，产量差异不显著，因而显著提高了水稻氮肥农学效率和氮肥偏生力。与T2处理相比，T3～T6处理氮肥农学效率分别提高3.69%、2.86%、13.91%、28.99%，氮肥偏生产力分别提高3.40%、6.69%、14.83%、24.98%（表2）。

2.3 增苗减氮对氮素平衡的影响

2.3.1 氮素输入与支出 农田氮素主要收入项来自化肥投入、降雨输入和灌溉输入（见图4）。T2～T6处理中，氮素收入的最大来源为化肥投入，分别占各处理氮素收入的84.43%、83.73%、82.89%、82.31%和81.41%。降雨输入氮素量为19.86 kg/hm2，灌溉输入氮素量为7.53～8.01 kg/hm2。

图4 不同处理氮素输入与支出情况

本研究中，农田氮素主要支出包括径流流失和作物携出（籽粒和秸秆），未考虑淋溶和挥发等支出项。T1～T6处理氮素径流流失量分别为4.69、11.80、10.22、7.81、6.89、5.48 kg/hm2，随着施氮量的降低和秧苗数的增加而显著降低。虽然氮素径流流失量在农田氮素支出中占比较低，但足以造成资源的浪费和水环境的污染，因而适当的增苗减氮能够降低施氮带来的环境风险。虽然作物携出氮素占比较高，但随着秸秆综合利用的开展，通过秸秆还田和肥料化利用，大部分氮素可以回到农田，降低环境风险。

2.3.2 氮素表观平衡 由图5可知，在不施氮的条件下，氮素亏损量达到65.24 kg/hm2，T2处理氮素盈余量最高，随着施氮量的降低和秧苗数的增加氮素盈余量降低，T2～T5处理氮素盈余量分别为20.55、15.23、16.10、6.33 kg/hm2，T6处理氮素亏损量为10.62 kg/hm2。由于试验区实现了秸秆全量还田，因此在秸秆全量还田条件下，T2～T6处理氮素全部为盈余状态（见图6），盈余量分别为72.17、68.37、65.20、56.99、43.18 kg/hm2。

图5 不同处理氮素表观平衡

图6 秸秆还田条件下氮素表观平衡

3 讨论

本研究表明插秧前排水是水田氮磷流失关键期，排水中总氮浓度最高，总氮流失量最大，占全生育期总流失量的60%以上，与牛世伟等[15]研究结果一致。氮素流失量随着施氮量的减少秧苗数的增加而显著降低，一方面是由于施氮量的降低，尤其是基蘖肥的减少降低了关键期的流失量，另一方面是因为秧苗数的增加提高了作物的养分吸收量，有利于产量的形成并减少了流失。

本研究发现增苗减氮处理间产量差异不显著，氮肥表观利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生力均高于常规处理。说明在增加密度条件下，适当减少施氮量，不影响水稻产量，与前人研究结果保持一致。李思平等[16]研究表明，氮肥水平与栽植密度对水稻产量也有极显著的交互效应，且适宜的氮肥水平和种植密度组合有利于水稻获得高产。徐新鹏等[17]发现，在相同氮水平下，密植增加了单位穗数，提高了作物生物质量从而提高氮素的积累总量，增加了氮肥吸收量，减少氮素损失。朱相成等[3]研究表明，适度的增密减氮能获得较高的产量，大幅度提高氮肥利用效率，并显著降低稻田单位面积和单位产量的温室效应。

从氮素的平衡来看，随着施氮量的降低和秧苗数的增加氮素盈余量降低，直到T6处理氮素呈亏损状态，亏损量为10.62 kg/hm2，说明减氮过多，容易造成土壤氮素亏损。作物携出氮素占比较高，秸秆还田是一种有效的土壤扩容增氮的措施，有研究表明，秸秆还田能够使土壤全氮含量增加3.2%～11.2%[18-19]，秸秆还田还可以使早稻和晚稻径流中的总氮分别降低15%和7%[20]，本研究表明秸秆全量还田条件下可以有效补充土壤中氮素，秸秆还田对于本区域土壤氮素固持和氮素流失的影响需进一步研究。

品种、土壤、气候条件等对水稻的密度和施氮量影响较大，在推广和应用过程中需要进一步筛选研究，下一步将增加对氨挥发和温室气体排放的研究。可以将增苗减氮与有机肥替代、侧深施肥、生物炭等其他面源污染防控技术结合起来，建立综合技术模式，在保障产量的前提下，降低环境风险。

4 结论

插秧前排水总氮流失量占全生育期的60.22%～65.75%，控制插秧前排水量和降低排水中氮素浓度是控制水稻种植氮素流失的关键。适宜的增苗减氮措施在不影响产量的情况下可以减少氮素流失，提高氮肥表观利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生力。本区域以每穴4株～6株，肥料减少5%～15%为宜，氮素流失减少13.42%～41.58%，氮肥表观利用率提高1.59%～43.84%，氮肥农学效率提升2.86%～13.91%，氮肥偏生产力提高3.40%～14.83%。秸秆还田是保持氮素平衡的一个重要措施，秸秆全量还田可以为土壤提供33.4～55.8 kg/hm2的氮素，使土壤中氮素含量增加，为减少氮肥投入提供条件。