侧深施肥条件下不同施氮模式对稻田氮素流失和产量的影响

2024-05-27赵婷婷李鹏李德萍姜虹贺丹代红喜

北方水稻 2024年2期

赵婷婷李鹏李德萍姜虹贺丹代红喜

摘要：為探究侧深施肥条件下不同施氮模式对稻田氮素流失和产量的影响，设置8个处理：常规施肥处理、速效氮肥处理、缓释氮肥低剂量处理、缓释氮肥高剂量处理、水稻侧深专用肥处理、无肥处理、秧盘带肥低剂量处理和秧盘带肥高剂量处理。结果表明：水稻生长季渗漏损失主要受施氮量的影响，渗漏液中硝态氮、铵态氮和总氮浓度随土壤深度增加呈降低的趋势；与常规施肥处理相比较，速效氮肥、缓释氮肥低剂量、缓释氮肥高剂量以及秧盘带肥低剂量、秧盘带肥高剂量处理增产6.2%、18.3%、12.2%、0.6%和9.1%，而侧深专用肥处理和无肥处理对水稻的有效穗、着粒数、结实率影响较小。综合考虑，在农业生产节本增效和环境效益的前提下，采用缓释氮肥减量处理和秧盘带肥低剂量处理是可供选择的环境友好型施肥模式。

关键词：水稻；施肥模式；淋溶；氮素流失；产量

中图分类号：Ｓ511.062 文献标志码：A文章编号：1673－6737（２０24）02－００22－０7

Effects of Different Nitrogen Application Models on Nitrogen Loss and Yield in Paddy Field under the Condition of Side-deep Fertilization

ZHAO Ting-ting ， LI Peng ， LI De-ping ， JIANG Hong ， HE Dan ， DAI Hong-xi

（Institute of Agricultural Resources and Environment， Heilongjiang Academy of Agricultural

Reclamation Sciences， Harbin 150038， China）

Abstract： In order to investigate the effects of different nitrogen application patterns on nitrogen loss and yield in paddy fields under the condition of side-deep fertilization， eight treatments were set up： conventional fertilization， quick-acting nitrogen fertilizer， slow-release nitrogen fertilizer with low dose， slow-release nitrogen fertilizer with high dose， special fertilizer for rice lateral deep fertilization， no fertilizer treatment， low-dose fertilizer with seedling tray and high-dose fertilizer with seedling tray. The results showed that the leakage loss of rice in growing season was mainly affected by nitrogen application rate， and the concentrations of nitrate nitrogen， ammonium nitrogen and total nitrogen in leakage solution basically decreased with the increase of soil depth; Compared with conventional fertilization treatments， the yield increased by 6.2%， 18.3%， 12.2%， 0.6% and 9.1% in the treatments of quick-available nitrogen fertilizer， slow-release nitrogen fertilizer with low dosage， slow-release nitrogen fertilizer with high dosage and seedling tray with high dosage， while the effect of side-deep special fertilizer treatment and no fertilizer treatment on effective panicle， grain number and seed setting rate of rice was little. Considering comprehensively， under the premise of saving cost and increasing efficiency in agricultural production and environmental benefits， the application of slow-release nitrogen fertilizer reduction treatment and seedling tray fertilizer low-dose treatment are the optional environment-friendly fertilization modes.

Key words： Rice; Fertilization mode; Leaching; Nitrogen loss; Yield

氮素是稻田作物生长必不可少缺的大量营养元素之一，也是直接影响稻田作物的产量的关键肥料，为提高稻田中的氮素水平，人们在稻田生产中采用施用大量的氮素肥料[1-2]。目前我国是世界上氮肥生产和消费的超级大国，但是氮肥的利用率却非常低，根据调查我国氮肥利用率30%左右，相比其他发达国家氮肥利用率低20个百分点。如美国的小麦、玉米的平均施氮150 kg·hm-2左右，氮肥利用率稳定在65%，法国的小麦、玉米的平均施氮量在120 kg·hm-2左右，氮肥利用率为60%～70%，虽然在一定范围内增加施氮量提高了作物产量，然而当氮肥超过一定量时，持续增加氮肥施用量并不能提高作物的产量，反而导致作物氮肥利用效率下降，过量的氮肥和磷肥施用对作物无显著增产作用[3-6]。近十年的时间，我国化肥施用量每年以3%的速度持续增加，而我国东北寒地稻米的产量却停滞不前[7]。由于不合理的施肥和灌溉，对于我国的稻田地下水造成的污染影响显著高于旱地，氮素在土壤中通过淋溶和径流两种方式流失，淋溶和径流程度随化肥投入量、作物栽培方法、土壤性质不同有较大变化[8]。大量的氮不能完全被作物吸收，氮素以硝态氮和氮氧化物的形式随水进入土壤、地下水以及大气中，对于水体富营养化、温室气体产生都有影响，我国农田氮肥损失中氨挥发约占11%，而在有利于氨挥发的条件下，氮肥的氨挥发损失率可高达40%～50%[9-10]。Freney等[11]研究表明，脉酶抑制剂的使用能有效减少尿素在土壤中的水解速率，从而抑制土壤氨挥发损失。李晓欣等[12]研究发现，减少施氮量能显著降低氮素累积量。赵影星等[13]通过分析新型的轮作模式发现冬小麦-夏花生、冬小麦-夏玉米模式1 m以下的土壤中的无机氮、总磷和总钾浓度均较高，对地下水存在污染的风险，另一种模式即冬小麦、春小麦-夏玉米模式的养分淋失量也较大。杜建军等[14]通过“静态吸收法”和“土柱淋溶法”两种室内模拟实验，发现缓/控释肥较尿素施入土壤中不仅氨挥发减少，氮素淋溶量也显著降低。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稻田土壤作物系统中氮损失途径进行系统的研究，对今后在农业生产中合理施用氮肥、提高氮肥利用率、减少氮肥损失、保护人类的生存环境等都具有重要的意义。本文选黑龙江省哈尔滨市闫家岗农场试验基地作为试验点进行试验，分析侧深施肥条件下不同施氮模式对稻田氮素流失及水稻产量的影响，探究有效减少稻田氮素淋溶流失的施肥处理，以期为黑龙江地区水稻种植氮素减排提供数据依据和实践指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

田间小区试验位于黑龙江省哈尔滨市闫家岗农场试验基地。供试土壤类型为盐碱土，基本理化性质如下：全氮含量2.16 g·kg-1，全磷含量0.97 g·kg-1，全钾134.7 mg·kg-1，有机质含量17.3 g·kg-1，pH值8.17，碱解氮含量101.50 mg·kg-1，速效磷含量18.51 mg·kg-1，速效钾含量113.10 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试品种：龙粳31，黑龙江省农业科学院选育，主茎11片叶，需≥10 ℃活动积温2 350 ℃左右，黑龙江省农垦区第二积温带主栽品种之一。

供试肥料：尿素（N≥46%，南宁市广肥农资有限公司提供），大颗粒尿素（N≥46%，南宁市广肥农资有限公司提供），缓释尿素（N≥44%，山东丰乐生物科技有限公司提供），磷酸二铵（N≥18%，P≥46%，南宁市广肥农资有限公司提供），硫酸钾（K≥50%，南宁市广肥農资有限公司提供）。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，共8个处理，为防止发生测渗和水灌，各小区之间均用水泥浇灌了宽30 cm、深40 cm的水泥田埂。每个小区均配备一个单独的排水口和田间径流池以采集径流水。试验的8个处理如下：处理1常规施肥，处理2侧深施氮肥（速效），处理3侧深施缓释氮肥（速效+缓释）低剂量，处理4侧深施缓释氮肥（速效+缓释）高剂量，处理5水稻侧深专用肥，处理6无肥处理，处理7秧盘带肥低剂量，处理8秧盘带肥高剂量。在水稻种植前，每块试验田均在距离田埂3 m处并排安装自行设计的渗漏管。PVC管渗漏计管径长40 cm和60 cm，底部封闭，并在距底部20 cm处从下而上10 cm内均匀打3排孔径为5 mm的渗水小孔，其外用塑料纱网紧贴管壁将渗水小孔包住，以阻隔淤泥进入管中；为防止田间表层水溶液沿管壁下渗，沿管外壁四周，紧贴管壁缠上一片塑料薄膜，并使薄膜水平向外延伸约20 cm，然后在其上回垫原层次土。PVC 管管口高于土壤表面20 cm，以免田面水过多时，管口被淹没[15-16]。为防止不同深度渗漏水互相串流，各田块田埂有特别的隔离处理。插秧规格30 cm×12 cm，每个处理80 m2，3次重复，田间管理同当地常规生产。水稻插秧机由河北德科机械科技有限公司提供；侧深施肥机由龙舟侧深施肥机厂家提供。不同施肥用量情况如表1。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 水样采集及测定于5月30日、6月1日、6月2日、6月3日、6月6日、6月11日、6月18日、6月20日、6月27日、7月3日、7月10日、7月17日、7月24日、8月1日、8月8日、8月15日、8月21日、8月28日、9月4日共采集田面水样品19次。用250 ml 的医用注射器接 110 cm 长的细塑料管，先将积存在管中的水抽出放掉，待15 min 后，将刚刚渗入到管中的水抽出作为样品，注入贮样瓶，如果不是当天进行水样分析，立即将水样冷冻保存。测定方法：总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、铵态氮采用纳氏试剂分光光度法，硝态氮采用紫外分光光度法[17-19]。

氮素淋溶量计算公式如下：

式中P为氮素淋溶量（kg·hm－2）；Pi为第i次淋溶水中氮的浓度（mg·L－1）；V为水稻季淋溶液平均体积（m3·hm－2）。

1.4.2 产量及产量构成测定于成熟期收获，每个处理选取有带表性的植株10穴，置于阴凉处至安全水分时测产量。同时考察穗重、穗长、穗数。样品脱粒后用FJ-I型种子风选净度仪定时、定风量分离实粒与空秕粒，分别调查穗粒数、结实率、千粒重，记录并计算产量。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2007和DPS7.05统计软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对稻田水氮素浓度的影响

不同施肥模式对稻田水的氮素浓度的影响如图1所示，氮素浓度主要呈现的是在返青期低进入分蘖期升高然后在穗期逐步下降的这一过程，其中处理5的数值最大，在分蘖期达到10.40 mg·L-1，处理3次之，在穗期各处理的氮素浓度明显低于处理5，整体处于较低的浓度，处理1常规处理前期浓度高，后期浓度逐步降低。

2.2 不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失量的影响

40 cm和60 cm深度稻田氮素淋溶流失量如表2。

40 cm深度稻田淋溶液总氮流失量在5.07～11.9 kg·hm－2，依次为：处理5>处理4>处理1>常规施肥>处理8>处理2>处理7>处理3>处理6，处理1常规施肥处理40 cm深度稻田淋溶液总氮流失量为8.33 kg·hm－2，侧深专用肥处理在40 cm深度稻田淋溶总氮流失量比常规增加42.8%，这与当地施肥习惯有关，水稻整个生长周期用侧深专用肥不能减少氮素的流失量，与常规施肥处理相比较，处理3侧深施缓释肥+速效肥低剂量降低40 cm淋溶液总氮流失量31.8%，处理2侧深速效肥、处理7秧盘带肥低剂量、处理8秧盘带肥高剂量分别降低40 cm淋溶液总氮流失量3.6%、17.6%、0.9%。40 cm深度铵态氮流失量在1.76～4.75 kg·hm－2，依次为：处理5>处理4>处理8>处理1>处理2>处理7>处理3>处理6，铵态氮流失量占总氮流失量的34.7%～49.2%。40 cm深度硝态氮流失量在1.11～1.50 kg·hm－2，依次为：处理1>处理2>处理8>处理4>处理5>处理7>处理3>处理6，硝态氮流失量占总氮流失量的10.7%～21.8%。

60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量在6.87～9.89 kg·hm－2，依次为：处理1>处理>5处理>2处理4>处理8>处理7>处理3>处理6。处理1常规施肥处理60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量为9.89 kg·hm－2，水稻整个生长周期各处理均较常规施肥处理氮素的流失量减少，其中处理3侧深施缓释肥+速效肥低剂量降低60 cm淋溶液总氮流失量16.1%，处理2侧深速效肥、处理4侧深施缓释肥+速效肥高剂量、处理7秧盘带肥低剂量、处理8秧盘带肥高剂量分别降低60 cm淋溶液总氮流失量3.7%、5.6%、13.4%、11.1%。60 cm深度铵态氮流失量在1.99～3.64 kg·hm－2，依次为：处理2>处理1>处理4>处理8>处理5>处理3>处理7>处理6，铵态氮流失量占总氮流失量的26.2%～38.1%；60 cm深度硝态氮流失量在0.87～1.48 kg·hm－2，依次为：处理1>处理2>处理7>处理5>处理8>处理4>处理6>处理3，硝态氮流失量占总氮流失量的10.5%～14.9%。

2.3 不同施肥模式對稻田产量及产量构成的影响

侧深施氮肥处理和常规处理进行理论测产。由表3可知，株高方面，各处理依次为处理1>处理3>处理2>处理8>处理5>处理4>处理7>处理6，其中处理3株高较常规施肥处理1低0.6 cm，差异不显著，其余各处理株高均小于常规处理，且差异显著；水稻的穗长方面，可以看出处理2>处理7>处理5>处理1>处理6>处理4>处理8>处理3，其中处理2穗长最长，与常规处理1相比多1.25 cm，差异达到显著水平，其余各处理间无明显差异；水稻有效穗数方面，各处理依次为处理3>处理4>处理8>处理2>处理1>处理5>处理7>处理6，其中处理3最多，处理4次之，分别较常规处理1增加8.1%、7.5%，处理3与常规处理1相比差异显著，处理6与常规处理相比差异显著，其余处理均无明显差异；着粒数方面，依次表现为处理7>处理2>处理8>处理4>处理3>处理1>处理6>处理5，其中处理7最多，其次是处理2，较处理1分别增加6粒/穗、2.9粒/穗，处理5和处理6着粒数最少，与常规处理1相比差异显著；结实率方面，依次为处理3>处理8>处理4>处理5>处理1>处理2>处理7>处理6，其中处理3最大，其次是处理8，处理4次之，与常规处理1相比增加3.5%、2.8%、2.4%，差异显著，处理6和处理7的结实率低于常规处理1且差异显著，其余各处理与常规处理1相比无明显差异；千粒重方面，依次为处理3>处理2>处理1>处理5>处理7=处理4>处理8>处理6，其中处理3、处理2较常规处理1分别增加0.9 g、0.8 g，差异显著，处理8与常规处理1差异不显著，其余各处理均与常规处理1相比差异显著；水稻理论产量方面，依次为处理3>处理4>处理8>处理2>处理7>处理1>处理5>处理6，其中处理3、处理4分别较常规处理增加18.3%、12.2%且差异显著，处理5和处理6比常规处理1产量低，表明侧深专用肥和无肥处理效果不如常规施肥处理，且差异显著。综上所述，轻简施氮肥模式对水稻产量具有一定的促进作用。

3 讨论

3.1 不同施肥模式对稻田水氮浓度的影响

氮素是水稻生殖生长和营养生长中需求量最大的营养元素之一，近些年来，化肥的施用量在不断地增加，增加的同时影响稻田中的铵态氮、硝态氮以及总氮浓度，加大了氮素淋溶流失的风险，也造成了空气、水体以及土壤的污染[20-21]。本试验研究结果表明，水稻整个生长期内，不同土壤层面的氮素含量存在高低差，不同施氮模式稻田水氮浓度呈：分蘖期＞返青期＞穗期，随着侧深施肥机的作业，水稻插秧后进入返青期，侧深专用肥处理5和秧盘带肥高剂量处理8在土壤中赋存的氮素在稻田水及淋溶水中，因此稻田的总氮浓度升高，这与姜海斌等[22]的研究结果一致。毛倩等[23]研究表明，基肥深施后各施肥处理在1 h后总氮浓度达到峰值，前期明显高于水稻生长后期，与本研究的结果一致，移栽本田的水稻前期根系不够发达，对土壤以及稻田水中氮素的吸收和固持能力较弱，部分的氮素也会以氨气的形式挥发到大气中，随着水稻进入分蘖期，水稻的根系更加发达，土壤和水中的大量氮素被水稻生长吸收，因此稻田后期氮素含量较低。基肥施用缓释肥氮素在被水稻吸收利用之前，需要微生物的降解过程，稻田淋溶液氮的浓度随之提高，与斯圆丽[24]、吴建富[25]、陈子薇[26]等的研究结果相一致。

3.2 不同施氮模式对稻田淋溶液氮素流失量的影响

稻田氮素流失因素诸多，例如降雨、施肥强度、施肥种类、农田灌溉、干湿沉降、土壤等因素，其中施肥对稻田氮素流失影响较深[27-28]。关于稻田渗漏液中主要无机氮素形态，目前尚无一致结果。有研究者认为稻田渗漏以硝态氮为主，也有人认为以铵态氮为主[29]。本研究结果表明，稻田40 cm和60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量分别在5.68～11.90 kg·hm－2和8.29～9.89 kg·hm－2，分别占常规施肥总量的1.8%～3.9%和2.7%～3.3%。轻减施氮肥处理以及秧盘带肥明显降低了稻田淋溶总氮流失量，都不同程度减少了稻田淋溶总氮流失量。俞映倞等[30]研究化肥减施对不同土壤同层次渗漏液浓度影响，结果表明，当氮肥用量由162 kg·hm- 2增加到214 kg·hm-2时，渗漏液中硝态氮和铵态氮浓度分别增加1.79、1.29倍，稻田淋溶以硝态氮为主，稻田的施肥时期以及施肥量之间均存在着相关关系，这与本试验的结果不尽一致，可能是由于稻田长期淹水的状态下，可供发生渗漏的硝态氮较少，另一个原因可能是施氮肥后高温促使脲酶活性增强，导致尿素很快分解，短时间内产生大量铵态氮，随着土壤深度增加，呈现降低的趋势[31]。本试验中，40 cm和60 cm渗漏液中常规处理1硝态氮的平均浓度均高于其他轻减施肥处理，说明轻减施氮肥可减少氮素的渗漏流失。

3.3 不同施氮肥模式对水稻理论产量的影响

稻米增产与化肥施用量有着密切的关系，同时也是衡量经济效益的重要指标，化肥对粮食产量的贡献率可达60%左右，尤其是氮肥施用更是呈现逐年递增的模式，肥料的利用效率以及作物产量不但没有提高反而下降，最终造成肥料的浪费，土壤板结、环境污染[32-33]。本研究结果表明，不同施肥模式下，速效氮肥处理、缓释肥的处理以及秧盘带肥的处理均较常规施肥产量高，分别增产6.2%、18.3%、12.2%、0.6%和9.1%，而侧深专用肥处理和无肥处理对水稻的有效穗、着粒数、结实率无明显的促进作用，因此产量表现不佳。本研究发现，秧盘带肥高剂量和低剂量均没有出现减产的现象，可以达到稳产效果。

4 结论

（1）侧深缓释氮肥处理可降低60 cm深度淋溶液总氮淋溶量，在秧盘带肥的基础上，缓释氮肥低剂量处理可降低40 cm和60 cm深度淋溶液总氮淋溶量，侧深专用肥处理只增加稻田40 cm深度淋溶液总氮淋溶量。

（2）在侧深施肥的条件下，速效肥处理、缓释氮肥处理和秧盘带肥处理对水稻着粒数有促进作用，而侧深专用肥处理对水稻着粒数无明显促进作用，速效肥处理、缓释氮肥处理和秧盘带肥处理增加水稻理论产量。

（3）综合考虑侧深施氮模式的农学效益和环境效益等因素，缓释氮肥减量处理和秧盘带肥低剂量处理是可供选择的环境友好型施肥模式。

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