调整氮肥基追比减少稻田氮素损失和保证直播稻产量

夏苏敬，乔 月，朱建强

(长江大学 农学院，湖北 荆州 434025)

氮素是影响水稻生长和产量的最重要的营养元素之一。据报道，我国稻田氮肥用量约占全球的37%[1-2]，而氮肥利用率仅为30%～35%[3-5]。在水稻生产中，很多地方的农民都有重施基肥的习惯，通常将氮肥总量的55%～85%作为基肥和追肥施用[4]。研究和实践表明，过量和不合理施用氮肥不仅不利于水稻产量和氮肥利用率的提高，而且还会引发诸如湖泊水体富营养化、地下水硝酸盐污染等问题[6-8]。研究表明，对于机插秧水稻，适当“前氮后移”(即减少生长前期的施氮量，重点施于旺盛生长期)是减轻稻田氮素流失的有效途径，且不会造成水稻减产[9-13]。

近年来，直播稻因省工节本且便于机械化推广而备受青睐，在长江中下游平原地区发展迅速[14-16]。据报道，湖北省水稻种植面积239万 hm2，其中，直播稻面积达120万 hm2[17]，直播稻已经成为湖北省最为典型的水稻栽培方式。通常，直播稻在播种前和播种后的一段时间需要维持田间湿润无水层状态，以确保种子正常萌发，促进根系生长，这就要求在遇到中大雨时必须及时排除田间积水[18]，但这样一来，水稻直播后基肥氮素田间流失的风险变大了。显然，在保证直播稻产量的前提下尽量提高氮肥利用率、降低环境风险，是当前农业生产中迫切需要解决的实际问题。为此，特在直播稻上开展氮肥不同基追比的田间试验，旨在探索既能保证水稻产量、又可降低氮素径流流失风险的直播稻氮肥施用方案，为直播稻氮肥的合理施用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年在长江大学农学院基地(30°21′N，112°09′E)标准径流小区进行。2020年，水稻生育期(5月26日—9月25日)的平均气温为26.36 ℃，降水量为800.20 mm。试验地耕作层(0～20 cm)土壤基本性状如下：pH值7.47，有机质含量21.32 g·kg-1，全氮含量2.13 g·kg-1，全磷含量0.38 g·kg-1，全钾含量13.68 g·kg-1，碱解氮含量113.22 mg·kg-1，速效磷含量11.90 mg·kg-1，有效钾含量204.05 mg·kg-1。

1.2 试验设计

按照当地稻田耕作习惯，冬前进行翻耕，在水稻栽种前进行泡田、旋耕。种植的水稻品种为杂交稻鹏优国泰，该品种在江汉平原作一季中稻种植，全生育期123 d左右，株高130 cm左右，5月26日播种，8月下旬孕穗，9月中下旬成熟。

1.2.1 施肥处理

各处理使用的肥料种类相同，N、P2O5、K2O用量分别为180、75、105 kg·hm-2。其中：氮肥作为基肥和追肥(含分蘖肥和穗肥)分次施入田间，磷肥和钾肥作为基肥施入。每处理重复3次。

以江汉平原稻田氮肥(折纯)习惯施用比例(基肥、分蘖肥、穗肥的比例为6∶4∶0)为对照(CK)，另设7个不同氮肥基追比的处理：T1，基肥、分蘖肥、穗肥的比例为4∶6∶0；T2，基肥、分蘖肥、穗肥的比例为4∶4∶2；T3，基肥、分蘖肥、穗肥的比例为4∶2∶4；T4，基肥、分蘖肥、穗肥的比例为2∶6∶2；T5，基肥、分蘖肥、穗肥的比例为2∶4∶4；T6，基肥、分蘖肥、穗肥的比例为0∶8∶2；T7，基肥、分蘖肥、穗肥的比例为0∶6∶4。为评估氮肥不同基追比下的田间氮素流失率和氨挥发损失率，另设一个不施氮肥的对照CK0，磷、钾肥用量及施入方法同其他处理。

1.2.2 田间小区设置

根据施肥处理，在试验稻田内布设27个小区，每小区面积45 m2(15 m×3 m)。小区之间用土埂隔开，在土埂上铺设塑料薄膜并使薄膜伸入田面30 cm以下，以防止小区间串水串肥。每小区均有独立的灌溉系统和径流收集筒，能根据试验需要按小区进行灌、排水计量和水质取样检测。

1.2.3 水稻种植与田间管理

2020年5月24日泡田后，在1～2 cm浅水条件下撒施基肥。施基肥后人工耙平，并将小区整成沟厢模式(小区中间开沟)，厢宽1.5 m，沟宽0.3 m，沟深0.1～0.2 m。5月26日在水稻播种前排除田间雨水，使田间处于湿润无水层状态，人工均匀撒播，播种量为22.5 kg·hm-2。播种前对种子进行浸泡和催芽，当芽长为3 mm左右时适当摊开晾干。播种后3 d内进行化学除草。在播种—三叶一心期(约10 d)，采用厢面无水、厢沟有水的水分管理模式，若遇强降水则及时排除田面积水。6月5日向田间灌水2～3 cm，6月10日撒施分蘖肥，8月9日撒施穗肥。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 径流水采集与测定

根据直播稻的特点进行田间水分管理。遇到降水需要进行田间排水时，用径流筒收集各小区排水，取混合样装入聚乙烯塑料瓶，带回实验室进行预处理和测定。在试验过程中，共收集到5月26日、6月8日、6月22日和7月9日4次径流。

总氮(TN)含量采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定(所用仪器为UV-6100型紫外可见分光光度计，上海元析仪器有限公司)。水样先经0.45 μm微孔滤膜真空泵抽滤后，再用Futura II连续流动分析仪(法国Alliance)测定铵态氮和硝态氮含量[19]。

1.3.2 田面水采集与测定

于每次施肥后1～7 d采集田面水水样，多点取得田面水样品，混合后装入聚乙烯塑料瓶中，带回实验室，-26 ℃冰箱保存，用于分析测定。同1.3.1.节方法测定总氮、铵态氮、硝态氮含量。

1.3.3 氨挥发采集与测定

氨挥发与田面水的采集时间一致。氨挥发通量采用通气法测定[20]。用连续流动分析仪测定浸提液的铵态氮含量。

1.3.4 产量与产量构成因素的测定

于成熟期在每小区随机选取6株具有代表性的水稻植株进行考种，测定有效穗数、穗长、每穗总粒数、结实率和千粒重。各小区实收3 m2测产，脱粒、晒干，风选清除杂质和瘪粒，称量风干实粒总质量[19]。

1.4 数据分析

分别计算氮径流流失量(LN，kg·hm-2)和氮径流流失率(RN，%)。

LN=(c×V×103/10-6)×104/A；

(1)

RN=(PN-P0)/AN×100。

(2)

式(1)、(2)中：c为小区径流水中氮素的质量浓度，mg·L-1；V为径流流失体积，m3；A为小区面积，m2；PN和P0分别为施氮区和不施氮区的氮素流失量(kg·hm-2)；AN为施氮区的施氮量(kg·hm-2)。

分别计算氨挥发通量(VA，kg·hm-2·d-1)和氨挥发损失率(RA，%)。

VA=B×10-6/(J×D×10-4)；

(3)

RA=∑(LA-L0)/AN×100。

(4)

式(3)、(4)中：B为通气法单个装置每次测得的铵态氮量，mg；J为捕获装置的横截面积，m2；D为每次连续捕获的时间，d；LA为施氮区累积氨挥发量(即各测定时期的氨挥发通量VA之和[15])，kg·hm-2；L0为不施氮区的氨累积挥发量，kg·hm-2。

用单位面积产量与单位面积施氮量之比测算氮肥偏生产力(NPFP，kg·kg-1)。

用Microsoft Excel 2010软件处理数据，使用DPS v18.1数据处理系统进行单因素方差分析，对有显著差异的，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 氮肥不同基追比下稻田氮素径流流失

试验期间共产生4次径流，其中，5月26日(基肥后2 d)系播种需要排水，6月8日(基肥后15 d)、6月22日(分蘖肥后12 d)和7月9日(分蘖肥后29 d)均系雨后防涝排水。这4次径流下，各处理的平均排水量分别为200、260、1 500、1 500 m3·hm-2。

基肥施入后2 d(5月26日)排水，CK和T1、T2、T3、T4、T5处理下，随田间排水流失的径流氮占基肥施氮量的19.67%～24.42%，T6、T7处理虽然在基肥中不施氮，但也有部分径流氮流失(表1)。基肥施入后15 d(6月8日)，随径流流失的氮占基肥施氮量的比例较小，最多的不超过4.75%。分蘖肥后12天(6月22日)和29天(7月9日)，随径流流失的氮分别占分蘖肥施氮量的3.06%～9.78%和1.18%～4.33%。以上结果说明，若施肥后不久就因作物生长需要而排除田间雨水，会造成大量的径流氮损失。根据天气状况和作物生长需要，错雨施肥显得尤为重要。

表1 不同处理的氮素径流流失

表2 各处理下不同形态氮的径流流失

2.2 氮肥不同基追比下稻田氨挥发损失

与CK相比，7个处理调减基肥施氮量会显著(P<0.05)降低基肥—分蘖肥前的田间氨挥发损失(表3)，其中，基肥施氮量占总施氮量40%(T1、T2、T3)、20%(T4、T5)和基肥不施氮的处理(T6、T7)，其在基肥—分蘖肥前的田间氨挥发损失量分别较CK显著(P<0.05)减少41.58%～42.77%、60.69%～61.05%和87.81%。与CK相比，调加分蘖肥施氮量的处理(T1、T4、T6、T7)显著(P<0.05)增加了分蘖肥—穗肥前的田间氨挥发损失，增幅在31.95%～64.63%。与穗肥不施氮的处理(CK、T1)相比，其他处理在穗肥后的氨挥发损失均显著(P<0.05)增加，但与前2个时期相比，这一时期各处理的氨挥发损失量均较小(0.82～2.02 kg·hm-2)。综全水稻全生育期，调减基肥中的施氮量，会显著(P<0.05)减少水稻全生育期的氨挥发损失，降幅在4.86%～31.96%，其中，以T3处理的氨挥发损失量(11.90 kg·hm-2)和损失率(3.76%)最小。

表3 不同处理下氨挥发损失量

2.3 氮肥不同基追比下稻田氮素损失与直播稻产量

在分析田间径流氮流失、氨挥发损失的基础上，综合测算水稻全生育期的氮素损失，并结合水稻产量，计算氮肥偏生产力(表4)。不难看出，在总施氮量一定的条件下，调减基肥施氮量、增加追肥施氮量，可降低氮素损失，与CK相比，各处理的氮素损失量减少了12.65%～50.75%；同时，T4、T5处理的水稻产量还较CK显著(P<0.05)增加了9.36%～10.80%，而其他处理的水稻产量与CK无显著变化。此外，与CK相比，7个处理的氮肥偏生产力提高。从减少田间氮素损失的角度看，T7(不基施氮)处理的氮素损失率仅为5.02%，远小于CK的18.12%，氮素损失量也较CK减少50.75%。从水稻产量和氮肥偏生产力看，T4处理(基施氮20%，分蘖肥施氮60%，穗肥施氮20%)的效果最好。综合考虑氮素损失和水稻产量，在试验条件下，直播稻田的氮肥基追比宜采用T2、T3、T4、T5处理的方案，优先推荐T4和T5处理的方案。

表4 不同处理下的氮素损失、直播稻产量与氮肥偏生产力(NPFP)

3 讨论

稻田氮素径流损失主要受施肥和降雨因素的影响[21-24]。本试验观察到，直播稻稻田在基肥施入后2 d因抢时播种和基肥施入后15 d遇中到大雨而田间排水，其中，基肥后2 d的排水中氮径流流失量在8.45～21.24 kg·hm-2(不考虑基肥不施氮的处理)，而在基肥施入后15 d，这些处理经田间排水的氮径流流失量只有1.24～1.81 kg·hm-2。这充分说明，施肥和降雨的时间间隔是影响稻田氮径流流失的主要因素之一[23]。研究表明，在施肥后3 d内排除强降水产生的田间涝水，会造成稻田氮素的大量流失[25-28]。显然，调减基肥施氮量会减少这一过程中的氮素径流损失。本试验表明，对于直播稻稻田，与CK相比，当基肥施氮量占总施氮量的比例下降到60%、40%、20%时，总的氮素径流流失量可分别减少17.35%～24.56%、45.33%～48.26%、66.95%～69.68%。这主要是因为，当氮肥大量作为基肥施用时，由播种前和水稻生长初期田间排水导致的氮素径流损失量较大，而将氮肥适当后移至穗肥，可大幅减少其流失风险[29]。

在江汉平原稻作区，一般采用“重施基肥、早施分蘖肥”的肥料运筹方式以促进水稻早分蘖，通过增加有效穗数来提高水稻产量[38]。但是，对于直播稻，这种施肥方式将大量的氮肥集中于水稻生长初期，而该时期田间不宜蓄雨，要求及时排除田间涝水，这无疑增加了氮素经径流流失的风险[39]。本试验通过调减直播稻的氮肥基追比，减少了氮素流失，直播稻的产量不仅没有减少，部分处理下还有显著增加，与文献[40]的研究结论基本一致。

由本试验结果可知，在直播中稻N、P2O5、K2O施用量分别为180、75、105 kg·hm-2，磷、钾肥一次性基施的前提下，适当调减基肥中氮肥的施用比例，可减少田间氮素径流流失和氨挥发损失，同时，能够保证水稻有较高的产量。各处理中，T7处理总氮径流流失最小(8.79 kg·hm-2)，T3处理的氨挥发损失最小(11.90 kg·hm-2)，T7处理的总的氮素损失最小(22.89 kg·hm-2)，T4处理产量最高(9 270.0 kg·hm-2)、T5处理的产量次之(9 150.0 kg·hm-2)。

从减少氮素损失和保证水稻产量的角度出发，在试验设定的氮、磷、钾用量和配施条件下，直播稻的氮运筹方案宜参照T2、T3、T4、T5处理。其中，优先推荐采用T4、T5处理的方案，即基肥、分蘖肥、穗肥的比例为2∶6∶2或2∶4∶4。