白菜施氮量对后茬水稻生物效应的影响

顾小凤，张 萌，芶久兰*，魏全全，陈 龙，何佳芳，胡华群

(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.贵州省贵阳市息烽县农业农村局，贵州 贵阳 551100)

0 引言

【研究意义】近年来，随着我国农业种植面积的不断扩大，对氮肥的需求开始日渐增多。2019年我国农作物总播种面积达1.66亿hm2，与之相对应的化肥施用量为5 403.6万t，其中氮肥施用量1 930.2万t，相比2018年有所减少[1]。氮肥是作物稳产增产的关键，过量施用氮肥时常发生，氮肥利用率未明显提升，且由于氮肥施用不当引发的环境问题也日渐突出[2-3]。因此，探明菜-稻轮作化肥减量施用技术，有利于提高氮肥的利用率，对生态环境保护具有重要意义。【前人研究进展】黄生斌等[4]研究表明，氮肥施入土壤后，除了被作物吸收利用外，一部分通过不同的机制和途径损失，其余则以不同形态残留于土壤中。朱兆良等[5]总结了我国农田化肥氮的主要去向，其中作物回收利用仅35%，无效养分达52%，其余13%则残留于土壤中。刘新宇等[6]研究发现，冬小麦收获后残留于土壤中的氮肥为26.7%～40.6%。潘家荣等[7]对华北平原冬小麦-夏玉米体系中化肥氮的去向研究表明，当季作物收获后0～100 cm土层氮的残留率为25%～45%。国内外大量研究[8-10]均表明，残留在土壤中的氮素对后季作物具有明显的后效作用。【研究切入点】已有研究大多是针对旱地轮作展开，鲜见针对水旱轮作中菜-稻轮作体系的研究报道。【拟解决的关键问题】以前作白菜和后茬水稻为研究对象，探明白菜施氮量对后茬水稻产量、干物质与氮素积累量、氮肥利用率及经济效益的影响，以期为菜-稻轮作下化肥减量增效技术的应用提论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在贵州省息烽县进行，2-4月为白菜季，5-9月为水稻季，该地区属北亚热带和南温带季风气候区，2019年平均气温为19.1℃，雨量充沛。供试土壤为黄壤，基本土壤理化性质：pH 5.95，有机质46.6 g/kg，全氮0.31 g/kg，有效磷32.1 mg/kg，速效钾108.5 mg/kg。

1.2 材料

1.2.1 品种 白菜品种为“春秋王”、水稻品种为“渝香203”，均购于息烽县城农资种子店。

1.2.2 肥料 尿素，贵州赤天化桐梓化工有限公司生厂；过磷酸钙，贵州黔天化生态肥业有限公司生厂；氯化钾，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司生厂。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 菜-稻轮作体系的前作为白菜，后茬为水稻。

1)前作白菜。施氮量共设4个处理：对照(CK)，不施氮肥；N1，施氮量为100 kg/hm2；N2：施氮量为200 kg/hm2；N3，施氮量为300 kg/hm2；同时，各处理均施用P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。

2)后茬水稻。白菜收获后将各小区翻耕后灌水泡田，然后种植水稻；为避免不同小区间串水串肥，每个小区均设单独排水口和进水口进行单排单灌。水稻采用育苗移栽方式进行，密度为22万株/hm2。水稻季不施用氮肥，磷、钾肥施用量分别为75 kg/hm2和120 kg/hm2。磷肥、钾肥全部作为基肥施入，于水稻移栽前1 d将其撒入田间并与土壤混匀后灌水。试验小区面积为30 m2(5 m×6 m)，3次重复，随机区组排列。

1.3.2 指标测定

1)试验地土壤的基础理化性质。于试验前在整个试验田均匀布设15个采样点，采集0～20 cm耕层土壤，经风干磨细过筛后，参照文献[11]的方法进行测定，按水土比2.5∶1采用 pH计测定pH，有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮含量采用H2SO4-H2O2联合消煮-凯氏定氮仪测定，有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾用1 mol/L乙酸铵浸提-火焰光度法测定。

2)水稻及其对氮肥利用各指标。水稻收获后，将水稻分成稻草和稻谷2个部分，于60℃烘干后磨细过筛测定各指标。主要有水稻生物量〔生物量均以干物质计(下同)，包括水稻产量谷及稻草生物量，kg/hm2〕、纯收入(元/hm2)、氮素积累量(kg/hm2)、氮肥表观利用率(%)、氮肥贡献率(%)和氮肥生理利用率(kg/kg)等，产量按照收获时各小区单打单收的实产计算得出。

氮肥表观利用率=(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)/白菜季氮肥施用量×100%

氮肥贡献率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮区产量×100%

氮肥生理利用率=(施氮区稻谷产量-不施氮区稻谷产量)/(施氮区植株总吸氮量-不施氮区植株总吸氮量)

纯收入=稻谷产量×稻谷价格-肥料成本

1.4 数据处理

采用Excel 2003、Origin 8.0和DPS 15.10分别进行数据处理、制图和单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对后茬水稻生物量的影响

从图1看出，随着前作白菜施氮量的增加，稻草生物量和稻谷产量均呈增加趋势，各施氮量处理稻草生物量较CK增加1 440～3 059 kg/hm2，依次为N3>N2>N1>CK，CK显著低于各施氮处理，N3显著高于N1和N2，N1与N2间差异不显著。各施氮量处理稻谷产量较CK增加793～2 318 kg/hm2，依次为N3>N2>N1>CK，各处理间差异显著。

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。Note:Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05 level.The same below.图1 白菜不同施氮水平下后茬水稻的生物量Fig.1 Effect of different nitrogen application rate in Chinese cabbage cultivation on biomass of rice in the vegetable-rice cropping system

2.2 不同处理对后茬水稻氮素积累量的影响

从图2可知，各施氮量处理稻草氮素积累量较CK增加6.43～12.64 kg/hm2，依次为N3>N2>N1>CK，CK显著低于各施氮量处理，N3显著高于N1，N1与N2间和N2与N3间差异不显著。各施氮量处理稻谷氮素积累量较不施氮处理增加7.29～27.92 kg/hm2，依次为N3>N2>N1>CK，除N1与CK差异不显著外，其余施氮均显著高于CK，N2与N3间差异不显著。各施氮量处理地上部(稻草+稻谷)氮素积累量较CK增加13.72～40.56 kg/hm2，依次为N3>N2>N1>CK，各处理间差异显著。

图2 白菜不同施氮水平下后茬水稻的氮素积累量Fig.2 Effect of different nitrogen application rate in Chinese cabbage cultivation on nitrogen accumulation of rice in the vegetable-rice cropping system

2.3 不同处理对后茬水稻氮肥利用效率的影响

从表1可知，随着前作白菜施氮量的增加，后茬水稻对氮肥的表观利用率变化不大，各施氮量处理为13.52%～14.88%，依次为N2>N1>N3，处理间差异不显著。随着前作白菜施氮量的增加后茬水稻对氮肥的生理利用率变化也不大，各施氮量处理为49.88%～58.79%，依次为N1>N3>N2，处理间差异不显著。氮肥对后茬水稻的贡献率随着前作白菜施氮量的增加而增大，各施氮量处理为12.46%～29.45%，依次为N3>N2>N1，处理间差异显著。

表1 白菜不同施氮水平下后茬水稻的氮肥利用效率Table 1 Effect of different nitrogen application rate in Chinese cabbage cultivation on nitrogen utilization efficiency of rice in the vegetable-rice cropping system

2.4 不同处理对后茬水稻经济效益的影响

从表2可知，不同处理后茬水稻的产值为8 298～11 775元/hm2，依次为N3>N2>N1>CK，CK显著低于除N1外的其余施氮处理，N3显著高于N1和N2，N1与N2间差异不显著。不同处理后茬水稻的纯收入为7 485～10 962元/hm2，依次为N3>N2>N1>CK，N1、N2和N3较CK分别增加1 190元/hm2、2 198元/hm2和3 477元/hm2，CK显著低于除N1外的其余施氮处理，N3显著高于N1和N2，N1与N2间差异不显著。

表2 白菜不同施氮水平下后茬水稻的经济效应Table 2 Effect of different nitrogen application rate in Chinese cabbage cultivation on economic benefit of rice in the vegetable-rice cropping system

3 讨论

近年来，随着高产品种的推广和作物复种指数的提高，作物从土壤中吸收的氮素也随之增加，导致农田氮肥投入逐渐增大，但氮肥的利用率并未随之升高，过多的氮肥投入反而导致一系列的环境问题[2-3]。因此，农田生态系统中氮素的去向问题已成为当前研究的热点。刘新宇等[6]研究发现，冬小麦或夏玉米当季氮肥的利用率为23.2%～45.3%，而残留在土壤中氮素却达20.9%～45.3%。许爱霞等[12]研究表明，黄土高原半干旱地区春小麦田施用氮素化肥具有明显的残留效应，稻谷平均增产率为25.4%。肥料利用率是衡量施肥效果的主要指标，根据2013年的《中国三大粮食作物肥料利用率研究报告》[13]指出，目前我国三大粮食作物氮肥当季利用率平均为33%，其中水稻、玉米、小麦分别为35%、32%和32%，与国外相比仍处于较低水平。田玉华等[14]研究发现，氮肥在下一季的利用率为4.2%～4.4%；石孝均[15]也指出水旱轮作体系中氮肥的后效利用率为2.4%～5.2%。芶久兰等[16]研究显示，菜-稻轮作氮肥分白菜季、水稻季施用，白菜氮肥的当季利用率平均为30.7%，若加上肥料后效作用，减少氮肥施用量，可提高菜-稻轮作周年内的氮肥累积利用率。可见，利用氮肥的后效作用，可明显提升氮肥的周年利用效率。研究结果表明，各施氮量处理稻草生物量较不施氮(CK)增加1 440～3 059 kg/hm2，稻谷产量较CK增加793～2 318 kg/hm2，稻草氮素积累量较CK增加6.43～12.64 kg/hm2，稻谷氮素积累量较CK增加7.29～27.92 kg/hm2，地上部(稻草+稻谷)氮素积累量较CK增加13.72～40.56 kg/hm2；随着前作白菜施氮量的增加，后茬水稻对氮肥的表观利用率、生理利用率和氮肥对水稻的贡献率分别为13.52%～14.88%、49.88%～58.79%和12.46%～29.45%，施氮量100 kg/hm2、200 kg/hm2和300 kg/hm2的纯收入分别较CK增加1 190元/hm2、2 198元/hm2和3 477元/hm2。可见，前作白菜施用氮肥的残留氮素可被后茬水稻吸收利用，提高了肥料的利用率。

4 结论

前作白菜施氮肥对后茬水稻产生明显影响，各施氮处理后茬水稻的稻草生物量、稻谷产量、稻草/稻谷/地上部氮素积累量均较不施氮处理增加，后茬水稻对氮肥的表观利用率、生理利用率和氮肥对水稻的贡献率分别为13.52%～14.88%、49.88%～58.79%和12.46%～29.45%，施氮量100 kg/hm2、200 kg/hm2和300 kg/hm2的纯收入分别较CK增加1 190元/hm2、2 198元/hm2和3 477元/hm2。