氮磷调控对土壤氮素分布及利用的影响

王汝丹，王学春，陈 虹，杨国涛，肖 瑶，赖 鹏，胡运高

(西南科技大学生命科学与工程学院，中国 绵阳 621010)

秸秆是水稻生产过程中的主要副产品，含有丰富的氮、磷、钾等多种植物生长所必需的营养物质和微量元素，秸秆还田对提高土壤肥力、改善土壤结构具有重大作用[1,2]。目前秸秆还田是秸秆的主要处理方式之一[3]。秸秆还田配施氮肥可以改善土壤养分含量、促进碳氮更新，提高土壤微生物活性，增加作物产量[4,5]。吴锋[6]通过对全国五大湖区22个典型湖泊评估，发现人类在土地利用过程中造成的污染会加大流域污染负荷比重。金赞芳[7]研究表明，地下水污染与农田用地紧密相关且氮肥在水田的淋溶远高于旱地。

土壤中氮素的淋溶以硝态氮为主，导致深层土壤硝态氮大量累积，污染浅层地下水，而铵态氮易被土壤吸附不易淋溶，在表层土壤更为集中[8]。氮素淋溶或径流受不同土壤类型、耕作方式以及施肥和降雨的影响，损失量有较大的变化幅度[9]。增施氮肥可使0～2 m硝态氮储量增加且向深层土下移明显[10]，增施磷肥对于径流水中氮素的浓度及损失量无明显的影响[11]，而水田施用磷肥可明显提升土壤氮库的活性和周转特性[12]。氮肥与磷钾肥合理配施能协调生育期间养分供应，改善植株中后期氮磷钾吸收；增施磷肥后土壤磷钾含量明显提高，但氮含量有所降低[13]。提高氮肥利用率不仅可以合理利用资源，减少环境污染，还能降低农业生产成本[14]。因此，通过各种措施提高氮肥利用率，降低氮素的损失对我国乃至世界都有重要的意义，亦已成为国内外研究的热点和难题。明确秸秆还田下氮磷调控对土壤氮素分布及利用对优化稻田氮磷调控机制具有重大意义。本试验以水稻为材料，在秸秆还田条件下，设置不同氮、磷肥施用量，研究不同施肥处理下土壤氮素含量、垂直分布特征、氮素淋溶及氮肥利用率，为进一步研究土壤中氮素运移规律提供理论依据，对研究地区农业生产及环境保护具有重要现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2018年在西南科技大学水稻研究所农园试验基地进行，该地区属于亚热带季风湿润气候，年平均降水量为963.2 mm，年平均气温约16.3 ℃，年日照时长约1 298.1 h，年无霜期约272 d。试验基地土壤为典型潮土，试验前对0～20 cm土壤取样并测定基础肥力：全氮质量比为1.98 mg·g-1，速效氮、速效磷和速效钾质量比分别为80.3 μg·g-1,43.3 μg·g-1和76.2 μg·g-1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，设计4个氮肥施用水平和4个磷肥施用水平，田间试验处理及处理水平见表1，共设计16个处理，试验田面积156 m2(12 m×13 m)。所有处理钾肥施用量为60 kg·hm-2，氮肥以7∶3作基肥和穗肥施入，磷肥和钾肥作为基肥一次性施入。不同处理田之间采用高50 cm厚30 cm水泥埂隔开防止串肥串水。水稻收获后，秸秆全量覆盖于田中。

表1 田间试验处理及处理水平Tab. 1 Field treatment and treatment level

供试品种为德优4727。供试肥料为普通尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。

1.3 取样与统计

1.3.1 样品采集 2017年5月和2018年5月秸秆覆盖还田前，在田间挖掘1 m深土壤剖面，分别取[0，10],(10，20],(20，40],(40，60],(60，80],(80，100] cm土层土样，每个土层3个重复，部分用于测定土壤容重，部分放入聚乙烯袋中自然阴干，杂质挑出后磨碎过0.178 mm筛，装入聚氯乙烯瓶备用。

成熟期每个处理田取6 m2(2 m×3 m)面积植株用于实际测产，按13%标准含水量折算实际产量；于成熟期取具代表性植株3株，去根后，于105 ℃杀青，65 ℃烘干至恒重，将茎、叶和穗分开称取质量并记录，剪裁为小段后磨粉，装于封口袋中置于储藏室保存，用于测定其全氮含量。

1.3.2 测定方法 全氮采用凯氏定氮法，硝态氮采用紫外分光光度法。土壤容重测定采用环刀法。

1.4 数据计算和统计分析

土壤氮素储量SNM按式(1)计算：

(1)

式中：n为土壤剖面分割的层数，SNi为第i层土壤氮质量比，Bi为i层土壤容重 (g·cm-3)，Hi为i层土层厚度(cm)。

植株氮素积累总量(mg·g-1)=植株总氮吸收量;氮肥偏生产力(kg·kg-1)=施氮区籽粒产量/氮肥施用量;氮肥农学利用率(kg·kg-1)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量;氮收获指数(%)=收获时籽粒氮积累量/植株氮素积累总量×100;氮素籽粒生产效率(kg·kg-1)=籽粒产量/氮素总积累量。

采用Microsoft Excel 2010计算数据和作图；采用DPS 13.01软件进行数据处理与统计分析，显著性水平设定为α=0.05；采用 SPSS 软件进行显著性检验(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 氮磷调控对土壤氮储量的影响

注：不同小写字母表示不同处理在 0.05 水平差异显著，下同。图1 不同施肥处理对土壤氮素储量的影响Fig. 1 Effects of different fertilization treatments on the soil nitrogen storages

如图1，P0和P1条件下，少量增施氮肥并不利于土壤氮素积累。P0条件下，氮肥施用对土壤氮素储量无显著影响；P1条件下，土壤氮素储量随氮肥施用量增加呈先增高后降低的趋势；P2和P3条件下，随着氮肥施用量增加，土壤氮素储量显著增加。在不同氮肥施用条件下，土壤氮素储量总体表现为随磷肥施用增加先减少后增加的趋势，N0，N1和N2条件下，土壤氮素储量皆在P2处理下最低，分别为9.15,8.71,10.34 t·hm-2；N3条件下，土壤氮素储量在P1处理下最低，为8.71 t·hm-2。

在高氮高磷条件下土壤氮素积累显著增加。N2P3处理下土壤氮素储量为12.61 t·hm-2，显著高于其他处理，其次是N3P3处理，为12.16 t·hm-2。

由图2可知，2018年土壤氮素储量低于2017年，整体比2017年下降了30.98 t·hm-2，降幅为15.7%。其中，2018年N2P3处理和N3P3处理下氮素储量较2017年分别增加了1.17 t·hm-2和0.47 t·hm-2，其余处理下全氮含量降低，N1P2处理下氮素储量下降值最多，下降了4.32 t·hm-2。表层土(0～20 cm)除N2P0,N0P1,N1P1,N2P1,N0P2及N1P2之外其他处理下土壤氮素较2017年增加了0.14～0.91 t·hm-2不等，共增加了4.15 t·hm-2，增幅为7.5%；中层土(20～60 cm)除了N2P3和N3P3两个处理外，其他处理下土壤氮素较2017年降低，整体降低了18.39 t·hm-2，降幅为21.5%；深层土(60～100 cm)土壤氮素在各个处理下都比2017年低，整体下降了16.74 t·hm-2，降幅为29.8%。

除N0P0处理，其余各处理下2018年土壤硝态氮储量高于2017年，整体比2017年增加了379.50 kg·hm-2，增幅为34.06%(图2)。其中，浅层土壤(0～20 cm)较2017年增加了5.52 kg·hm-2，增幅为11.99%；中层土壤(20～60 cm)较2017年增加了131.80 kg·hm-2，增幅为31.46%；深层土壤(60～100 cm)较2017年增加了242.19 kg·hm-2，增幅为102.98%。P2条件下，氮肥投入增多会加剧硝态氮的淋溶。N2条件下土壤硝态氮储量比少施氮肥条件下高26.25 kg·hm-2，比不施氮肥时高39.45 kg·hm-2。

图2 不同施肥处理下土壤氮素储量变化Fig. 2 Changes of soil nitrogen storages under different fertilization treatments

2.2 氮磷调控对土壤氮素分布的影响

如图3，土壤全氮质量比随土壤深度增加而降低，在0～60 cm土层随土壤深度下降幅度较大，60～100 cm土层下降幅度变缓。在不同磷肥施用条件下，随着氮肥施用量增加，各土层全氮质量比大体呈现增加的趋势。其中，深层土壤(60～100 cm)全氮质量比在P0条件下随氮肥施用量增加显著降低，与N0P0相比，N3P0处理60～100 cm土壤全氮质量比降低了0.18 mg·g-1；P1条件下，氮肥投入加大后，深层土壤(60～100 cm)全氮质量比随土壤深度先降低后增加，60～80 cm土层N3P1处理的土壤全氮质量比为0.27 mg·g-1，显著低于N0P1处理，而80～100 cm土层N3P1处理显著高于N0P1处理；P2和P3条件下，氮肥投入的增多导致深层土壤(60～100 cm)全氮质量比显著增加，与N0P2相比，N3P2处理60～100 cm土壤全氮质量比增加了0.16 mg·g-1，N3P3处理60～100 cm土壤全氮质量比比N0P3高0.21 mg·g-1。

图3 不同施肥处理下土壤全氮质量比剖面图Fig. 3 Soil total nitrogen profiles under different treatments

磷肥施用量的增加导致深层土壤全氮质量比显著增加。在N0条件下，深层土壤(60～100 cm)全氮质量比随磷肥施用量增加而降低，但无显著差异；N1条件下，不同磷肥处理对深层土全氮质量比影响不显著；N2和N3条件下，深层土全氮质量比随磷肥施用量增加而显著增加，与N2P0相比，N2P3处理60～100cm土壤全氮质量比增加了0.16 mg·g-1，N3P3处理下60～100 cm土壤全氮质量比比N3P0处理增加了0.30 mg·g-1。

如图4，土壤硝态氮质量比在0～60 cm随土层深度逐渐降低，在60～80 cm升高，在80～100 cm又降低。增施氮肥会显著提高深层土(60～100 cm)硝态氮质量比，P0条件下，随着氮肥施用量增多，深层土壤硝态氮质量比显著增加，N3P0处理下60～100 cm深层土壤硝态氮质量比为10.09 μg·g-1，显著高于N0P0处理的7.88 μg·g-1；P1条件下，各施氮处理间深层土壤硝态氮质量比差异不显著；P2和P3条件下，深层土壤硝态氮质量比随氮肥施用量增高而增高但无显著差异，N3P2处理60～100 cm的土壤硝态氮质量比比N0P2处理高1.55 μg·g-1，N3P3处理比N0P3处理高1.81 μg·g-1。

图4 不同处理下土壤硝态氮剖面图Fig. 4 Profiles of soil nitrate nitrogen under different treatments

适当增加磷肥投入能有效减少硝态氮在深层土壤(60～100 cm)的积累，不同氮肥施用条件下，土壤硝态氮质量比皆表现为随着磷肥施用量增加显著降低，其中，60～80 cm土层较80～100 cm土层差异更为显著。N0条件下，P3处理深层土壤硝态氮质量比最低，仅为6.61 μg·g-1；N1条件下，P3处理深层土壤硝态氮质量比仅高于P2处理，为8.03 μg·g-1，P2处理下为6.85 μg·g-1；N2条件下，P3处理60～100 cm的土壤硝态氮质量比比P0处理低4.99 μg·g-1，比P1处理低2.37 μg·g-1，比P2处理低2.36 μg·g-1；N3条件下，P0处理60～100 cm的土壤硝态氮质量比为10.10 μg·g-1，比P1处理高0.81 μg·g-1，比P2处理高1.28 μg·g-1，比P3处理高1.69 μg·g-1。

2.3 氮磷调控对作物产量的影响

由不同处理水稻产量(图5)可知，在不同磷肥施用条件下，杂交水稻产量总体随着氮肥施用量增加而显著提高。但在P2条件下，N3处理下的水稻产量较N2处理虽有增加但不显著。2017年杂交水稻在N3P0和N3P1处理下产量最高，分别为10.46和9.92 t·hm-2；N0P1和N0P2处理下最低，仅有5.35和5.60 t·hm-2，且显著低于除N0P3及N0P0之外的其他处理。2018年各处理下，德优4727在N3P1，N3P2及N3P3产量最高，为9.54，9.53及9.42 t·hm-2，N0P0和N0P1最低，仅有5.91和5.99 t·hm-2，与N1P1，N0P2及N0P3差异不显著。两年试验结果皆表明，氮肥施用量极显著影响杂交水稻产量，2017年结果显示磷肥施用量显著影响杂交水稻产量，但2018年结果显示磷肥施用量对杂交水稻产量无显著影响。

图5 不同施肥处理对水稻产量的影响Fig. 5 Effects of different fertilization treatments on the rice yields

2.4 氮磷调控对氮肥利用率的影响

不同处理下杂交水稻氮肥利用率见表2，可以看出，随着氮肥施用量的增加，杂交水稻氮素积累总量显著增加。P0和P3条件下，氮素籽粒生产效率随氮肥施用量增加呈现先增加后降低趋势；P1条件下，氮素籽粒生产效率随氮肥施用量增加显著增加；P2条件下，氮素籽粒生产效率随氮肥施用量增加而降低，除了P1处理，氮素籽粒生产效率在N3处理下显著低于其他处理。不同磷肥施用条件下，氮收获指数随氮肥施用量增加先增高后降低，N3P2处理下最低，为62.15%，N2P1处理下最高，为77.95%。氮肥偏生产力随氮肥施用量增加显著降低，不同磷处理间无显著差异，N1P0处理下最高，为82.89 kg·kg-1，N3P0处理下最低，为30.33 kg·kg-1。氮肥农学利用率随氮肥施用量增加先增加后降低，在N2处理下最高。在N2和N3条件下，磷肥对氮肥农学利用率影响不显著，但在N1条件下，P0处理的氮肥农学利用率为17.26 kg·kg-1，显著高于其他3个处理。

表2 不同施肥处理下氮肥利用情况Tab. 2 Nitrogen utilization under different fertilization treatments

3 讨论

3.1 氮磷调控对土壤氮储量的影响

施入土壤中的氮肥，除了被土壤吸收利用外，还会通过氨挥发、硝化-反硝化、淋溶和径流等方式进入环境，造成大气、土层和水体污染[15，16]。史桂清研究发现，增施磷肥后土壤氮质量比下降[13]。本研究发现，在秸秆还田条件下，在P0条件下，随氮肥施用量的增加，土壤全氮储量无显著差异；而其他磷肥处理下土壤全氮储量整体表现为随氮肥施用量增加而呈先减少后增加的趋势，表明适量施用磷肥会降低土壤全氮储量，但磷肥投入较多后反而增加土壤全氮储量。

淋溶会造成土壤和地下水污染，而硝态氮是土壤各形态氮中最难被吸附的，所以硝态氮是农田土壤氮素淋溶的主要部分[17]。2018年与2017年土壤氮素储量比较，硝态氮储量显著提高，深层土增幅多达一倍，说明秸秆还田后，氮肥投入增多会加剧土壤硝态氮的淋溶，造成硝态氮在深层土壤大量累积；而全氮储量除表层土外有所下降，可能与2018年降雨较多有关。降雨是土壤氮素流失发生的动力，通过引起土壤氮素径流造成氮素大量流失[18]。

3.2 氮磷调控对土壤氮素分布的影响

土壤中硝态氮的淋溶随施肥量、肥料种类、施肥和耕作方式的不同有较大差异，并且消化抑制剂、田间水分、秸秆覆盖等也对硝态氮的淋溶有影响[19]。研究表明，土壤中硝态氮质量比随着氮肥施用量增加而增加，秸秆还田也能增加土壤硝态氮的含量[14，20]。本研究在秸秆全量还田条件下，土壤硝态氮含量随氮肥施用量增加而增加，深层土壤尤为明显。四川地下水埋深丰水期一般在1～3 m，最小埋深仅为0.2 m[21]，硝态氮在深层土壤的大量累积极易污染当地地下水。

秸秆还田对水稻上层根系生长有抑制作用，而对中下层根系生长有促进作用[22]。适当的磷肥能促进水稻根系的生长，并能提高水稻根系活力[23]。本研究通过在秸秆还田下不同施肥处理的土壤氮素分布情况发现，适当的增加磷肥投入能有效降低硝态氮在深层土壤的淋溶，但全氮含量会升高。氮素增加能促进水稻叶绿素的合成，氮肥施用量增加促进水稻对养分的吸收[24]。低氮条件下，水稻植株受氮肥限制长势较差，造成水稻根系较浅，增施磷肥对深层土壤硝态氮和全氮影响皆不显著；高氮条件下，水稻植株生长良好，磷肥投入有利于水稻根系的生长，根系下扎吸收中层土壤及深层土壤硝态氮，深层土壤硝态氮累积量降低。

3.3 氮磷调控对水稻氮肥利用的影响

氮素是影响水稻产量的重要因素，水稻氮素营养状况与水稻产量、氮素吸收利用等有密切联系[25，26]。本试验表明施氮能显著提高水稻产量，且磷肥对水稻产量影响小于氮肥。过多的氮肥投入是降低氮肥利用率的主要原因之一，合理施用氮肥能提高氮肥利用率，减少氮肥损失，降低对土壤、湖泊、大气等的污染[14]。在本研究中，P0和P3条件下，氮素籽粒生产效率随氮肥施用量增加呈现先增加后降低趋势；P1条件下，氮素籽粒生产效率随氮肥施用量增加显著增加；P2条件下，氮素籽粒生产效率随氮肥施用量增加而降低。不同磷肥施用条件下，氮收获指数和氮肥农学利用率随氮肥施用量增多先增加后降低。氮肥偏生产力随氮肥施用量增加显著降低。已有大量研究显示[27，28]，氮肥农学利用率、收获指数、偏生产力随施氮量的增加而降低。但王春雨[29]在研究播栽方式与施氮量对杂交籼稻氮肥利用特征及产量的影响时指出，在增施氮肥后氮素积累量没有显著增加且氮素在籽粒中的分配比例下降的情况下，氮素农学利用率和氮素回收利用率才会降低，所以在合理施肥范围内增施氮肥并不一定会导致水稻氮素利用率降低。在N2和N3条件下，磷肥对氮肥农学利用率影响不显著，但在N1条件下，P0处理的氮肥农学利用率显著高于其他3个处理，且N1条件下，P0处理的氮素籽粒生产效率也显著高于其他3个处理，说明氮肥投入较低时，磷肥的施用抑制了水稻生殖器官所得氮素量，从而导致产量和氮肥农学利用率的降低。高氮条件下，氮肥施用量超过了水稻植株最大吸氮量，导致氮肥流失并可能抑制水稻生长，从而造成氮肥利用率的降低。

4 结论

土壤氮素储量随着氮肥施用的增加而增加，随着磷肥施用量增加先增加后降低。氮肥投入的增加加剧了硝态氮在深层土壤的淋溶，磷肥适当施用能减少深层土壤中硝态氮的累积。氮肥施用增加了水稻产量，在氮肥施用量为150 kg·hm-2、磷肥施用量为30 kg·hm-2时，水稻产量和氮肥利用情况皆处在较高的水平。综合考虑，建议绵阳地区在现有土壤秸秆还田条件下氮肥施用量以150 kg·hm-2为宜，磷肥施用量以30 kg·hm-2为宜。