长期定位氮肥减施对水稻产量和氮素吸收利用的影响

宫亮 金丹丹 牛世伟 王娜 徐嘉翼 隋世江

（辽宁省农业科学院 植物营养与环境资源研究所，沈阳 110161；第一作者：gongliang1900@sina.com）

化肥在保障粮食增产和农业发展中发挥了巨大作用，但过量施用也造成了一系列的环境问题[1-4]。1980年起至今的40年间，我国粮食产量增长了近85%，但化肥施用量却增长了4.5倍[5]，化肥对粮食增长的贡献率下降到10%左右[6]，严重威胁到我国农业的可持续发展。水稻占中国粮食总产量的1/3，对保障口粮安全起着重要作用。氮肥对粮食增产的贡献率高达40%[7]，是影响作物产量的主要因子之一，水稻氮肥消费量占我国氮肥总消费量的30%以上[8]，但当季回收利用率和农学效率仅分别为27.3%和11.3 kg/kg，分别比同期世界平均水平低20%和10%左右[5]。如何科学减少氮肥施用量、有效提高氮肥利用效率，一直受到科技生产人员高度关注。已有研究结果表明，机插秧同步侧深施肥能够减少氮肥损失，从而提高氮肥利用率和稻谷产量[9-11]；缓／控释肥由于氮素释放特征契合水稻生长规律，对氮素吸收、运转表现出一定的补偿和促进作用[12]，同时避免了氮素大量富集于土壤中，有效减少了入渗和淋溶[13]，因此能够提高氮肥利用率；秸秆还田能促进成熟期植株对氮素吸收，有利于灌浆期稻株氮素的代谢，显著提高氮肥农学利用率和生理利用率[14-15]；施用有机肥能够增加土壤微生物活性，使在水稻生长发育前期被固持保存的化肥氮在水稻生长发育后期大量释放，利于水稻对氮素的吸收利用，提高氮肥利用率作用明显[16-17]。

在农业绿色发展的大背景下，我国于2016年首次实现了化肥用量负增长，并在2017年和2018年持续下降，提前实现“到2020年化肥使用零增长”的目标[18]。降低肥料用量，实现养分总量控制与优化管理，是提高肥料利用率的有效途径之一[5，19]。但过量减少肥料则会显著降低水稻产量，减少氮素的吸收利用[20-21]。以往研究多未进行长期定位试验。因此，本文基于8年的定位试验，分析长期减施氮肥对水稻产量和养分利用的影响，以明确水稻减施氮肥的空间，为水稻生产科学减肥，实现绿色可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

辽河三角洲稻区是北方单季粳稻主产区之一，水稻常年种植面积在15.4万hm2左右，产量最高可达12750 kg/hm2，但氮肥投入量较大，农民习惯施用量可达260~300 kg/hm2（纯N）。本试验于2011—2018年在辽宁省盘锦市盘山县墙子镇航呈农场进行，该地点位于辽河三角洲中心地带，属温带半湿润季风气候类型，年均降雨量650 mm，年均气温8℃~9℃，无霜期165~170 d。供试土壤为盐碱性水稻土，0~20 cm土壤理化性质为：pH值8.2，有机质22.57 g/kg，全氮1.42 g/kg，碱解氮105.24 mg/kg，有效磷21.61 mg/kg，速效钾164.22 mg/kg，容重1.39 g/cm3。

1.2 试验设计

试验设置5个氮肥（纯N）水平：N0，不施氮；N160，160 kg/hm2；N210，210 kg/hm2；N260，260 kg/hm2（当地农民习惯施肥量）；N315，315 kg/hm2。小区面积50 m2，3次重复，随机区组排列。氮肥为尿素（含N 46%），基肥、分蘖肥、穗粒肥施用比例为40%、30%、30%。各处理磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量均为90 kg/hm2，磷肥为磷酸二铵（含P2O546%、N 18%）和过磷酸钙（含P2O518%），钾肥为氯化钾（K2O60%），全部基施。各小区之间用PVC板分隔并筑埂，PVC板埋深30 cm，以减少小区间肥水渗透。各小区单排单灌。供试水稻品种为盐丰47，插秧规格为30.0 cm×16.5 cm。每年5月下旬插秧，10月上旬收获，田间管理措施按当地习惯统一进行管理。

1.3 调查项目及方法

水稻成熟后，各处理随机选3块样方测定水稻产量，每块样方6 m2，将样方产量折算成公顷产量。各处理随机取10丛水稻，按茎、叶和籽粒分别测定全氮含量，测定方法为H2SO4-H2O2消煮-凯氏定氮法。

1.4 数据处理

试验数据均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0软件进行统计分析。差异显著性用最小显著差异法（LSD）分析。

植株吸氮量=籽粒含氮量×籽粒产量+秸秆含氮量×秸秆产量；氮肥回收利用率（%）=（施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量）/施氮量×100%；氮素收获指数（%）=籽粒氮素积累量/植株氮素积累总量×100%；氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区产量/氮肥施用量；氮肥农学利用率（kg/kg）=（施氮区水稻籽粒产量-不施氮区水稻籽粒产量）/施氮量；氮素生理利用率（kg/kg）=（施氮区产量-空白区产量）/（施氮区地上部氮累积量-空白区地上部氮累积量）；土壤氮素依存率（%）=不施氮区地上部吸氮量/施氮区地上部吸氮量×100%。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量处理对水稻产量的影响

从图1可见，N0和N160处理产量显著低于N260处理，且呈现出逐年下降的趋势；N210处理产量较N260处理低0.69%~1.34%，但差异未达到显著水平；N315处理产量较N260处理增加0.23%~0.26%或降低0.05%~1.92%，差异未达到显著水平。N210、N260和N315 3个处理产量年际间无明显变化规律。

图1 不同年份间不同施肥处理水稻产量表现

2.2 施氮量对水稻植株吸收氮量的影响

从图2a可见，水稻籽粒吸氮量随着施氮量的增加呈先增加后趋于稳定的趋势，两者符合线性加平台相关性，当施氮量为237.39 kg/hm2时，籽粒吸氮量最高，达到140.18 kg/hm2；水稻秸秆吸氮量随着施氮量的增加呈逐渐增加趋势，两者呈线性正相关。从图2b可见，氮素收获指数与施氮量符合平台加直线的相关性，施氮量低于232.64 kg/hm2时，氮素收获指数保持在70.31%，高于此施氮量，氮素收获指数开始下降，水稻植株吸收氮素比例增加。这表明，籽粒吸氮量最高，并不代表收获指数最高，因此需要协调籽粒吸氮量和秸秆吸氮量，从而减少氮素的奢侈吸收。N260处理氮收获指数为69.41%，较N210处理下降0.90个百分点。

图2 植株吸氮量、氮收获指数与施氮量的关系（2011—2018）

2.3 施氮量对氮肥利用率的影响

从图3可见，当季氮肥回收利用率、农学效率均随施氮量增加呈现出先增加后降低的趋势，两者回归方程分别为y=-0.0013x2+0.5999x-30.318，R2=0.6119（图3a）和y=-0.0004x2+0.1821x-5.1657，R2=0.6022（图3b），当施氮量分别为230.73 kg/hm2和227.63 kg/hm2时，氮肥当季回收利用率和氮肥农学效率达到最高，分别为38.89%和15.56 kg/kg。氮肥偏生产力、生理利用率均随施氮量的增加而降低，两者回归方程分别为y=-0.1638x+82.171，R2=0.9869（图3c）和y=-0.0752x+53.913，R2=0.651（图3d）。N260和N210处理的偏生产力分别为39.58 kg/kg和47.77 kg/kg，生理利用率分别为34.36 kg/kg和38.12 kg/kg。

图3 施氮量对水稻氮肥利用率的影响

2.4 施氮量对土壤氮素依存率的影响

从图4可见，在一定范围内，土壤氮素依存率随着施氮量的增加而降低，当氮肥施用量为160 kg/hm2和210 kg/hm2时，土壤氮素依存率分别为69.06%和57.16%；当施氮量高于225.95 kg/hm2时，土壤氮素依存率保持在53.36%，不再显著下降。

图4 土壤氮素依存率与施氮量的关系

3 讨论与结论

施用氮肥是提高水稻产量的关键。在一定范围内，增施氮肥促进水稻有效分蘖增多，显著提高产量；而氮肥用量不足，虽氮肥利用率较高但产量下降；过量施氮，水稻产量和氮素利用效率均降低。因此，协调作物产量和氮肥利用率的关系，是确定氮肥适宜用量的基础。汪峰等[22]研究表明，在中等肥力和高肥力土壤上减氮20%，水稻分别减产5.4%~7.3%和3.4%~4.1%，并存在消耗地力的风险，而采用侧深施肥技术则可增产3.0%~8.2%。姜彩霞等[23]研究认为，基于中等肥力水平的稻田减氮15%以上时水稻产量显著下降，而使用缓控肥减量处理的肥料效率则提高5.09%。葛超楠等[24]研究发现，长期减量施氮会导致土壤基础地力快速消耗。本研究结果表明，N160处理产量显著低于N260处理，且呈现出逐年下降的趋势，N210处理较N260处理年均产量降低0.69%~1.34%，这主要是因为N210和N160两个处理氮肥减施比例高于宫亮和李波等[25-26]研究认为该地区适宜的推荐施氮量，并且本研究选用的氮肥为常规尿素，不具有缓释长效功能，因此产量降低。但由于优化了氮肥在水稻生育期的运筹，有利于水稻生长后期旺盛生长，增加水稻对养分的吸收利用和成熟期氮素向籽粒的运转[27-28]，因此，N210处理虽减产但差异未达显著水平。N315处理一些年份产量较N260处理降低0.05%~1.92%。N260和N315处理虽然也采用了同样的氮肥运筹模式，但氮肥用量较高，大量的基肥和分蘖肥投入，降低了肥料氮素在籽粒中的积累，提高了氮素在稻草中的比例，氮素收获指数下降，出现“奢侈”耗氮现象[29-30]。

化肥利用效率问题一直倍受学者关注，主要从减少氮素损失[31]和促进作物对氮素吸收[32-33]两方面开展研究。评价作物氮肥利用效率的指标有氮吸收效率（当季回收利用效率）和氮利用效率（农学效率和生理效率）两类[34-35]。氮肥回收利用率反映了作物对化肥养分的吸收状况，与氮素损失为竞争关系，氮素利用率较高，则减少浪费和流失风险，其随施氮量的增加一般呈现先增加后减小的变化规律[36]，本研究也得到相同的结论，当施氮量为230.73 kg/hm2时，氮肥当季回收利用率最高为38.89%。氮肥农学效率是评价肥料增产效应的指标，受施肥量和土壤肥力的双重影响而发生变化，土壤肥力低，施肥量少，农学效率就高，但水稻产量则下降；土壤肥力高，施肥量低，农学效率则较高，且水稻产量较高[37]。本研究中氮肥农学效率随施氮量增加呈先增后减的趋势，当施氮量为227.63 kg/hm2时，氮肥农学效率最高为15.56%。氮肥偏生产力是评价肥料效应的适宜指标，反映了作物吸收肥料氮和土壤氮后所产生的边际效应，当氮肥用量较低时，其主要反映了水稻从土壤及灌溉、大气干湿沉降中吸收的氮素对稻谷生产的贡献，与氮肥施用量呈负相关[38]，本文也得到相同结论。氮素生理利用率反映了作物对所吸收的肥料在作物体内的利用效率，比较稳定，受水稻产量的影响较小，当氮肥过量施用时，因造成水稻对氮的“奢侈”吸收而急剧下降[39]。这表明在施氮量较高的情况下，氮素吸收率较高，但分配到茎和叶中氮素的比例增加，氮素被“奢侈”吸收利用[29]，转化率则降低。土壤氮素依存率反映了土壤氮对作物氮营养的贡献，作物吸收的氮素大部分来自土壤[40-41]，因此，土壤肥力不降低，是合理施用化肥、提高肥料利用效率的根本。本研究表明，在一定范围内，作物对土壤氮素依存率随着施氮量的增加而降低，对化肥氮的依赖性增加，当施氮量高于225.95 kg/hm2时，土壤氮素依存率不再显著下降，这与王秀斌等[42]研究结论相近。当氮肥施用量为160 kg/hm2时，土壤氮素依存率为69.06%，施氮量为225.95 kg/hm2时，土壤氮素依存率降为53.36%，说明氮肥用量不足时，作物吸收的氮素主要来源于土壤，存在土壤氮库耗竭的风险。

DOBERMANN等[43]研究认为，粮食作物氮肥偏生产力为40~70 kg/kg，氮肥农学效率为10~30 kg/kg，氮肥利用率为30%~50%，氮肥生理利用率为30~60 kg/kg较为合理。张福锁等[40]研究认为，我国水稻的氮肥农学利用率和回收利用率平均值分别为10.4 kg/kg和28.3%。本试验条件下，合理的施氮量下水稻的氮肥农学利用率和回收利用率分别达到15.56 kg/kg和38.89%，明显高于全国平均水平，但仍低于发达国家的氮肥农学效率和氮肥利用率[44]。过量施肥仍是我国肥料利用效率低的最主要原因[45]，在高产地区尤为明显。因此，控制氮肥施用量是合理施用氮肥的首要问题。但影响作物产量的因素很多，即使是对同一田块来说，从某一年份的试验得出的适宜施氮量及有关参数，也不一定能准确应用于其他年份[39]。本研究结果表明，降低氮肥用量虽然能有效提高氮肥利用率，但过量减施后，水稻产量下降，土壤氮库存在下降的风险，综合考虑产量和多年平均肥料利用率等因素，试验地适宜的氮肥用量为225.95~232.64 kg/hm2，可以兼顾产量、土壤肥力和氮肥利用率，实现长期稳产增效。