辽河三角洲稻区缓释肥施用下氮肥减施潜力研究

彭晓宗，翟丽梅*，王洪媛，宫 亮，武淑霞，刘宏斌

（1．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室，北京 100081； 2．辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，辽宁 沈阳 110161）

化肥对作物生长和提高产量具有重要作用[1］， 中国是世界上最大的化肥生产和消费国，1965～ 2018年，中国农用化肥用量从1.94×109kg增加到56.53×109kg，增幅2913%，同时期粮食产量从1.95×1011kg增加到6.58×1011kg，增幅为337%[2］， 化肥消耗量增幅远超过粮食产量增幅，化肥施用过量状况严重。我国每年氮肥的施用量达3360万t，占全球氮肥消耗量的33%，导致农田氮素盈余量达175 kg·hm-2[3］。氮肥无节制的施用会造成土壤氮素盈余，不仅浪费资源，也对大气和水体造成污 染[4］。

辽河三角洲稻区位于辽宁省辽河平原地带，以辽河流域下游为中心，包括盘锦市、锦州市和营口市，水稻种植面积约18万hm2，种植模式为单季稻。该地区水热条件充足，水稻产量高、品质佳，已成为北方单季稻区的典型代表[5］，但该地区农民氮肥施用量较大，氮素投入量可达300 kg·hm-2以上，氮肥利用率低下，环境污染风险高[6］。有研究指出，在高化肥投入的稻田，适当的减施氮肥不会影响作物产量[7］，且能显著减少温室气体排放和土壤氮盈余[8］。且氮肥投入量如果超过产量阈值施氮量或经济最佳施氮量，会造成倒伏或病虫害增加，进而导致产量下降[9］。易琼等[10］研究表明，在长江中下游施氮过量地区，减氮20%～30%不会降低水稻产量和作物氮素吸收量，提高了氮肥利用率。另外，缓释肥料作为环境友好且高效的肥料，能通过减缓或控制养分在土壤中的释放速率和转化过程，以达到养分释放与作物需求基本同步的效果，实现高产高效的目的[11-12］。缓控释肥能够促进水稻中后期根系发育[13］、提高秸秆抗倒伏能力[14］、增强体内氮代谢相关酶的活性[15］。李世发等[16］研究表明，等氮量投入条件下，缓释肥料替代化肥水稻增产了3.7%～11.8%。

追求环境效益的同时，施肥需要保证我国粮食安全和资源的可持续利用。巨晓棠等[17］综合目标产量、品质、经济效益和土壤肥力，提出了合理施氮的原则与指标。朱兆良等[11］强调，合理施肥应当把区域用量控制与田块微调相结合，形成分区养分管理和精准施肥技术体系。Peng等[18］、彭显龙 等[19］通过实地调研与多年试验，确定了黑龙江寒地稻区适宜施氮量为105～150 kg·hm-2，节肥潜力达20%。目前对于辽河三角洲稻区的研究大多只是单独研究肥料减量或施氮对环境的影响，还缺乏区域施氮现状与化肥减施田间效果相结合的区域减肥潜力研究。为此，本研究通过将区域施肥现状和田间定位试验研究相结合的方法，研究不同缓释肥料减氮施用对单季稻产量、氮素吸收利用和流失风险的影响，以明确辽河三角洲典型单季稻区氮肥减施潜力，为稻区内化肥减施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 区域施肥调查

2017年在辽宁省辽河三角洲稻区进行了施肥调研，调查区县包括盘锦市的大洼区、盘山县、双台子区、兴隆台区，营口市的老边区和大石桥市，锦州市的北海市和凌海市。不同调研点的水稻耕地面积来自《辽宁统计年鉴-2016》[20］，以此用来在各调研点之间合理地分配问卷。对于人均耕地面积大、农场规模大的区县，可以适当减少问卷数量。每个调研点包含了所有具有代表性的乡镇，每个乡镇至少包含一个村，每村调研5户。根据此分配原则，共收集问卷515份，覆盖辽河三角洲至少3492 hm2的水稻耕地。详细信息包括耕地面积、产量、施肥时间、施肥方式、肥料用量、肥料类型及其氮磷钾养分含量，通过将肥料用量乘以其养分含量来计算氮磷钾养分投入。巨晓棠[21］提出常规管理条件下作物需氮量等于地上部携出量，课题组在本区域之前多年试验中，采用当地代表性粳稻品种盐丰47，常规施肥处理水稻籽粒平均含氮量为12.3 g·kg-1，秸秆平均含氮量为6.7 g·kg-1，以此计算区域适宜施肥量。

1.2 田间试验设计

田间试验位于辽宁省盘锦市盘山县坝墙子镇姜家村（41°9′31″N，122°14′17″E），气候类型为温带半湿润季风气候，年平均降水量650 mm，年平均气温8～9 ℃，无霜期165～170 d。土壤类型为盐碱水稻土，土壤容重1.39 g·cm-3，pH 7.57，有机质 30.8 g·kg-1，全氮1.67 g·kg-1，碱解氮100.1 mg·kg-1，有效磷34.1 mg·kg-1，速效钾264.0 mg·kg-1。供试水稻品种为中晚熟粳稻盐丰47。

试验于2018～2019年进行，根据农户实地调研计算得出的水稻需氮量以及所用肥料品类的推荐用量，设置7个处理：（1）CK（不施氮肥，P2O5和K2O施用量均为90 kg·hm-2）；（2）NPK（常规化肥，供试肥料为46%尿素、12%过磷酸钙和60%氯化钾，N素施用量为试验地当地习惯施用量260 kg·hm-2，P2O5和K2O施用量均为90 kg·hm-2）；（3）CRT（炭基肥，复合肥料中添加生物炭，沈阳农业大学研制，N∶P2O5∶K2O=24∶8∶10，肥 料施用量750 kg·hm-2）；（4）CRW（稳定性复合 肥，复合肥料中添加硝化抑制剂和脲酶抑制剂，中国科学院沈阳应用生态研究所研制，N∶P2O5∶K2O=26∶10∶12，肥料施用量750 kg·hm-2）； （5）CRK（控失肥，复合肥料中添加控失剂，河南心连心化肥有限公司生产，N∶P2O5∶K2O=26∶10∶12，肥料施用量750 kg·hm-2）；（6）CRU（控失尿素，尿素中添加控失剂，河南心连心化肥有限公司生产，N 46%，N施用量210 kg·hm-2）；（7）CRJ（聚天尿素，中盐安徽红四方肥业股份有限公司生产，N 46%，N施用量210 kg·hm-2，改性聚天门冬氨酸含量0.3%）。NPK处理氮肥40%做基肥，剩余氮肥在分蘖期和孕穗期分别追施30%；过磷酸钙和氯化钾和各缓释肥均作基肥一次性施入土壤。各处理具体施肥量见表1。2018年试验于4月16日育苗，5月13日施基肥，5月25日移栽，6月6日施分蘖肥，7月26日施孕穗肥，10月5日收获。2019年试验于4月18日育苗，5月26日移栽，10月9日收获。采用完全随机试验设计，每个处理设3个重复，小区面积200 m2（10 m×20 m），各小区之间建梗分隔，单独灌排。每穴3株秧苗，行穴距为30 cm×16.7 cm，田间管理措施与当地常规水稻生产方式一致。

表1 不同处理具体施肥量

1.3 样品采集与测定

2018年5～10月水稻生育期间采集田面水，按照在各处理施肥后2周内每天取田面水1次，之后5 d取样1次。采样时利用50 mL医用注射器，在不扰动水土交界面的情况下，随机采集小区内3个点位上层田面水样，混入250 mL塑料瓶中，随即分装过滤，带回实验室放入-20℃冰箱保存。每年10月水稻收获时每个小区随机取3点采集一定面积植株样品，风干、脱粒，测定籽粒和秸秆养分含量。每年在水稻收获后，用直径5 mm的土钻在每个小区以“X”形五点取样法采集0～20 cm土样混匀，用于进一步分析。

田面水的总氮和可溶性总氮的浓度用TOC总有机碳分析仪测定，硝态氮和铵态氮的浓度用AA3连续流动分析仪测定，计算各施肥期不同氮素形态的加权平均浓度。作物收获后，用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮仪测定水稻籽粒和秸秆中全氮含量，计算水稻氮素吸收量和氮肥吸收利用率。土壤全氮用凯氏定氮仪测定，土壤有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定，土壤全钾采用NaOH熔融-火焰光度法测定[22］。

区域适宜施氮量=区域作物需氮量=（1±5）%×（区域籽粒产量×籽粒含氮量+区域秸秆产量×秸秆含氮量）。

水稻氮素吸收量（kg·hm-2）=籽粒产量（kg· hm-2）×籽粒含氮量（%）+秸秆产量（kg·hm-2）× 秸秆含氮量（%）。

氮肥吸收利用率（%）=（施氮处理氮素吸收量-不施氮处理氮素吸收量）/施氮量×100。

氮素加权平均浓度（mg·L-1）=∑[样品浓度（mg·L-1）×采样时间间隔（d）］ /总采样时间（d）[23］。

经济效益（元·hm-2）=产出-投入=当年粮食价格（元·kg-1）×产量（kg·hm-2）-[田间基本管理费（种子+机械作业+灌排+农药）+肥料费+人工费］[24］。

计算经济效益的公式中，当年粮食价格为2.91 元·kg-1，投入的种子费、机械作业费、灌排费、农药 费分别为436.65、4000.65、1513.5和745.20 元·hm-2， 雇工费为每次200 元·hm-2，尿素、过磷酸钙、氯化钾、碳基肥、稳定性复合肥、控失肥、控失尿素 和聚天尿素分别为2.2、0.6、4.0、3.5、2.8、3.25、2.75 和2.3 元·kg-1，以上数据来自当地实际情况及《全国农产品成本收益汇编（2019版）》[25］。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2019和Origin 2017 Pro进行数据统计、处理和绘图；采用SPSS 24.0单因素方差分析进行显著性检验（P＜0.05），LSD法进行均值比较，本文样本均值数据均用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 区域施氮现状

区域施肥情况调研结果显示，辽河三角洲稻区的施氮量分布在0～784.5 kg·hm-2之间（图1a），其中有75%的种植户施氮量在200～350 kg·hm-2之间，15%的种植户施氮量高于350 kg·hm-2，区域内施氮变异系数较大，施氮量均值 为（294.5±85.8）kg·hm-2。近60%的种植户水稻 生育期内施2～3次氮肥（图1b），仅有2.92%的种植户在基肥期一次性施氮，另有超过20%的种植户施氮次数多于4次，区域内氮肥施用次数较多，占用劳动力成本较大。基肥期约有56%的种植户选用复合肥作为氮素的主要来源基施入田（图1c），有25.71%的种植户采用尿素、磷酸二铵、硫酸铵等单质氮肥或二元肥料作氮肥，另有10.89%的基施氮肥为复合肥，仅有7.41%的种植户选用了缓释肥料。追肥期氮素则主要来自尿素和硫酸铵等单质氮肥（图1d）。

图1 辽河三角洲水稻施氮现状

2.2 区域水稻需氮量

区域调研数据显示，辽河三角洲水稻籽粒产量为（10479.9±1084.8）kg·hm-2（图2），秸秆产量为（9467.8±1390.5）kg·hm-2，不同种植户间水稻籽粒产量相差近4000 kg·hm-2。根据对水稻氮素吸收量的核算结果表明，辽河三角洲水稻地上部吸氮量为（191.5±25.5）kg·hm-2。当目标产量上下变化幅度为5%时，辽河三角洲适宜施氮量为182～202 kg·hm-2。这一范围与区域内目前实际施氮范围相比，有30.5%～38.3%的减氮 空间。

图2 辽河三角洲水稻产量现状

2.3 减氮对水稻产量和氮素吸收的影响

本研究田间试验结果（图3）表明，化肥氮用量为260 kg·hm-2的条件下，水稻产量可达10820 kg·hm-2，这一产量与调查结果中区域平均产量的差异不显著（P＞0.05），因此在本研究中这一施肥条件下的NPK处理作为常规化肥处理。选用炭基肥、稳定性复合肥、控释肥和控释尿素等缓释肥料，减氮量在19.2%～30.8%时，各处理产量分布在10918～12619 kg·hm-2之间。与常规化肥相比，CRT、CRW、CRK、CRU和CRJ处理产量均有所上升，其中CRJ处理显著增加了16.6%的产量（P＜0.05）。由此可见，适当减氮的条件下施用缓释肥可以维持甚至提高水稻产量。与常规化肥处理（NPK）相比（图4），缓释肥减氮处理并未降低籽粒和秸秆的氮吸收，有效保证了作物的 供氮。

图3 不同年份各处理水稻籽粒产量

图4 不同年份各处理水稻吸氮量

2.4 减氮对氮利用率的影响

与NPK处理相比，各缓释肥减氮处理的氮肥吸收利用率提高了1.80%～14.89%（图5），CRJ处理氮肥吸收利用率最高达51.26%。因此，适当减施氮条件下施用缓释肥可以维持水稻氮吸收量，进而提高氮肥利用率。

图5 不同年份各处理水稻氮肥吸收利用率

2.5 减氮对土壤养分的影响

2年试验中，各缓释肥减氮处理基本都能维持水稻收获后土壤全氮、有效磷和全钾含量（表2）。与NPK处理相比，除2019年CRJ处理土壤TN含量显著降低外（P＜0.05），CRT、CRW、CRK和CRU处理土壤TN含量都有所提高，但均无显著差异。各处理土壤有效磷含量在2年试验中变化幅度较大，但各缓释肥减氮处理均高于NPK处理，其中2019年增加了1.3%～24.8%；CRJ处理两年中有效磷含量均最高，分别为44.4和28.7 mg·kg-1。与NPK处理相比，2年试验中各缓释肥减氮处理的土壤全钾含量变化幅度分别为-7.7%～-0.4%和-7.6%～0.8%，但彼此间均无显著差异（P＞0.05）。

表2 不同年份各处理水稻收获后土壤全氮、有效磷和全钾含量

2.6 减氮对田面水中氮的影响

不同处理田面水总氮、铵态氮和硝态氮浓度均在基肥施入后第1～2 d达到峰值（图6），随着时间的推移各处理氮素含量均迅速降低，并在施肥7 d后趋于平稳。与NPK处理相比，各缓释肥减氮处理田面水总氮、铵态氮和硝态氮峰值浓度分别降低了68.3%～88.8%、82.2%～87.4%和64.2%～87.6%。蘖肥和穗肥施入后NPK处理田面水总氮浓度变化与基肥期变化趋势相似，其余处理由于没有追施氮肥，田面水氮素浓度一直处于较低水平。

图6 不同处理田面水不同形态氮素浓度变化

不同处理在施肥期田面水TN、NH4+-N、NO3--N 加权平均浓度如表3所示。与NPK处理相比，基肥期各缓释肥减氮处理的TN、NH4+-N、NO3--N加权平均浓度分别显著降低了68.4%～79.6%、78.2%～87.9%、69.3%～81.6%，缓释肥减氮投入可以有效降低施肥期田面水氮素浓度。由于蘖肥期和穗肥期除NPK处理外其他处理均无氮肥投入，所以田面水中TN、NH4+-N、NO3--N加权平均浓度均处在较低水平。

表3 不同施肥期田面水TN、NH4+-N、NO3--N加权平均浓度（N mg·L-1）

2.7 减氮的成本收益

不同处理的成本收益情况如表4所示。相较于NPK处理，各缓释肥减氮处理提高了285.4～ 5223.1 元·hm-2的经济产出。CRT、CRK和CRU处理的肥料投入成本较高，但在田间基本管理相同的条件下，各缓释肥处理由于减少追肥次数，降低了人工成本，总投入均低于NPK处理。各缓释肥减氮处理较常规化肥处理均增加了经济效益，其中CRJ处理显著提高，达5816.6 元·hm-2。

表4 不同施氮处理水稻经济效益（两年平均）

3 讨论

3.1 辽河三角洲氮肥施用现状与问题

氮素是水稻产量主要的限制因子[26］。本研究在区域实地调研中发现，辽河三角洲稻区平均施氮量为294.5 kg·hm-2，变异系数较大，宫亮 等[27］施用尿素氮的研究结果表明，辽河三角洲水稻氮肥施用阈值为210 kg·hm-2，与施肥现状相比还有较大的减氮空间。目前，在区域内平均经济产量约为10480 kg·hm-2的前提下，依据作物需氮量理论[21］，本研究确定的辽河三角洲适宜施氮量范围为182～202 kg·hm-2。这一结果与区域实际施肥情况对比发现，目前辽河三角洲稻区仅有约4%的种植户施氮量比较合理，由此可见，区域内绝大部分种植户氮肥用量偏高。并且通过调查种植户施肥时间发现，种植户基肥施用时间主要集中在5月中上旬，基肥多在春季旋耕时施入土壤，随后多在5月下旬进行插秧，这种基肥的施用方式也会大大增加泡田期肥料损失的风险[28-29］。

3.2 缓释肥减氮施用对水稻生产和环境的影响

本研究田间试验结果表明，与区域常规化肥处理相比，减氮19.2%～30.8%的条件下能维持甚至提高水稻产量，这表明施氮盈余量较高的区域，在理论施氮量的范围内进行合理减氮可以保证作物产量。施用缓释肥料也是实现水稻减肥增效的重要途径[11-12］，本研究中各缓释肥减氮处理在降低氮素投入的条件下维持了作物吸氮量，有效提高了氮素吸收利用率，这是由于缓释肥料可以控制养分释放期，使肥料养分供给与水稻吸收相匹配，从而实现氮素高效利用[30-31］。在理论施氮量范围内进行缓释肥减氮施用不会造成土壤地力的损耗，2年试验中各减氮处理基本都能维持甚至提高土壤TN、Olsen-P和TK含量，仅有CRJ处理在2019年土壤TN含量有所下降，这可能是由于CRJ处理当年产量显著高于其他处理以及区域调研平均产量，施氮量无法完全满足作物吸氮需求，这进一步验证了在当前区域产量下本研究所得理论施氮量的合理性。各缓释肥减氮处理可以有效降低田面水中氮的含量，且氮肥在基肥期全量施用避免了后期追施，水稻生育中后期的田面水氮素浓度一直处于较低水平，有效降低了氮素流失[32］以及氨挥发的 风险[33］。

3.3 缓释肥减氮的经济效益

实现区域内的化肥减施增效，除了考虑作物产量和肥料利用率，技术的实施成本也是限制应用的一个重要因素。水稻种植成本主要是田间基本管理费（种子、农药、灌排水、机械等）、肥料费以及人工费3部分，虽然缓释肥料的价格较高，但由于肥料投入量减少，且不需要追肥，降低了人力成本，各缓释肥减氮处理的生长季总投入反而比常规化肥处理低。因此，各缓释肥减氮处理凭借较高的经济产出和较低的成本投入，实现了节本增效[34］。本研究中各缓释肥减氮处理采用基肥期一次性全量施用的方式，而区域内施用常规化肥种植水稻追肥次数最高可达5次，因此可以减少追肥次数，降低劳动力投入。在目前农村劳动力不足和主推轻简化施肥的背景下[35］，缓释肥减量替代常规化肥既能维持产量稳定，又能降低环境污染风险，增加经济效益，未来可以在集约化较高的地区结合侧深施肥机械[36-37］，进一步减少肥料投入和人力成本，是一种值得推广的水稻施肥模式。但目前我国缓释肥料受生产技术和成本的制约以及存在推广力度不足等问题[38］，在实际生产中仍未广泛应用，我国缓释肥料年消耗量仅占化肥年总消耗量的1%左 右[39］，本研究农户调研中也仅有7.41%的种植户选择缓释肥料作基肥，未来需要进一步研究 推广。

4 结论

本研究通过区域施肥调研与田间试验相结合，明确辽河三角洲单季稻区施肥现状，研究区域氮肥减施潜力。结果表明，辽河三角洲稻区当前区域施氮量高达294.5 kg·hm-2，种植户盲目施肥现象突出，区域内减氮潜力较高。选择适宜的缓释肥料替代常规化肥氮，辽河三角洲稻区能够减少19.2%～30.8%的氮素投入，在保证作物产量的条件下，提高了氮肥利用率，维持了土壤养分含量，降低了氮素损失风险。施用缓释肥还能减少施肥次数，降低人工成本，实现节本增效。本研究中虽然考虑了作物需氮量对区域适宜施氮量的影响，但在实际减肥过程中，还应考虑当地土壤肥力等因素，在保证作物产量的前提下，因地制宜地降低肥料 投入。