減氮條件下不同施肥措施對(duì)雙季稻產(chǎn)量和N肥利用的影響

向璐，周萍,，盛良學(xué)，李巧云，馬蓓，吳金水,

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；3. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站，湖南 長沙 410125）

土壤有機(jī)碳積累與土壤碳輸入和輸出有關(guān)，不同的農(nóng)業(yè)管理措施（如施肥、秸稈還田）主要通過增加碳輸入來促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。過去30年來我國水稻土的固碳效應(yīng)明顯，固碳潛力較大[1-3]，其中以南方雙季稻種植區(qū)水稻土的固碳能力最強(qiáng)[4]。這主要?dú)w因于化肥投入不斷增加下水稻持續(xù)增產(chǎn)所帶來的有機(jī)殘?bào)w輸入量的增加所致[1-3]。但是，過量施用化肥導(dǎo)致的肥料利用率低、土壤養(yǎng)分失衡以及由此引起的水體富營養(yǎng)化等問題日趨嚴(yán)峻[5-7]。我國N肥利用率為35%左右，而雙季稻區(qū)的N肥利用率明顯低于全國平均水平[8]。因此，如何做到亞熱帶區(qū)稻田土壤固碳、增產(chǎn)與N肥高效利用的“共贏”對(duì)于提升亞熱帶區(qū)域土壤碳匯效應(yīng)和維持生態(tài)環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。

有機(jī)物料配合化肥施用在提升土壤有機(jī)碳水平與作物產(chǎn)量的同時(shí)，亦可提高農(nóng)作物對(duì)肥料氮素的利用效率，是減少化肥施用量、促進(jìn)土壤培肥增產(chǎn)的有效途徑[7,9-13]。我國有機(jī)肥與化肥配施下N肥的利用效率較單施化肥提升了32%～57%，從而保證了農(nóng)業(yè)土壤在糧食、氣候和人類安全中的綜合環(huán)境與生態(tài)功能[7,10]。亞熱帶區(qū)畜禽糞便、水稻秸稈等農(nóng)業(yè)有機(jī)物料資源豐富，通過與化肥配合或者替代部分化肥施用，不僅培肥土壤，提高N肥利用率，還可以促進(jìn)種養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用，從而保護(hù)農(nóng)業(yè)環(huán)境。目前，我國已有大量關(guān)于有機(jī)無機(jī)肥配施促進(jìn)稻田土壤培肥與增產(chǎn)的報(bào)道[9,14-16]。這些研究大多是等氮條件下有機(jī)肥替代部分化學(xué)N肥，或者在施用化學(xué)N肥的基礎(chǔ)上額外施用有機(jī)肥（可能導(dǎo)致肥料氮素施用過量）。而在高N肥投入的亞熱帶區(qū)，通過減少總氮輸入并配合有機(jī)物料氮替代部分化肥氮來維持雙季稻田固碳穩(wěn)產(chǎn)的研究還相對(duì)較少。

目前湖南省農(nóng)業(yè)有機(jī)物料的利用率持續(xù)偏低，導(dǎo)致化肥施用量居高不下、氮素利用率持續(xù)處于較低水平，僅為30%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年湖南省共有秸稈、畜禽糞便等有機(jī)資源1.1億t，僅有57.5%用于土壤培肥[8]。因此，本研究以位于湖南省典型雙季稻區(qū)的田間定位試驗(yàn)為研究對(duì)象，在減少總氮輸入的基礎(chǔ)上，分析當(dāng)?shù)厮窘斩捄图S肥替代部分N肥對(duì)雙季稻田培肥和肥料氮素利用的影響，為亞熱帶區(qū)合理的農(nóng)業(yè)管理措施下實(shí)現(xiàn)稻田培肥、化肥削減和有機(jī)廢棄物資源化利用的共贏提供理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

定位試驗(yàn)位于湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)的中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站（113°19′52″E，28°33′04″N），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為17.5 ℃，年均降雨量為1 330 mm。試驗(yàn)田土壤為麻砂泥，母質(zhì)為花崗巖風(fēng)化物。試驗(yàn)開始時(shí)耕層（0～20 cm）土壤有機(jī)碳含量為17.49 g/kg，全氮含量為1.86 g/kg，容重為1.30 g/cm3，pH值為5.06。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間小區(qū)試驗(yàn)開始于2013年，共設(shè)置 5個(gè)處理：1）對(duì)照（CK）：不施肥；2）常規(guī)N肥（CF）：N肥用量分別為早稻120 kg/hm2、晚稻150 kg/hm2；3）75% N肥（DF）：N肥用量為CF處理的75%；4）N肥配施稻草（RS）：稻草N與化肥N各占DF的50%；5）N肥配施糞肥（OM）：糞肥N與化肥N各占DF的50%。除CK外，其他處理P、K肥用量相同，分別為P 18 kg/hm2和K 80 kg/hm2，早、晚稻各占50%，其中有機(jī)肥的P、K含量抵消等量的化肥P、K用量。每個(gè)處理3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)面積為35 m2（5 m × 7 m）。小區(qū)之間用水泥埂隔開，以防小區(qū)間竄水竄肥，試驗(yàn)區(qū)外圍設(shè)保護(hù)行。試驗(yàn)所用N肥為尿素（含N 46%），P肥為過磷酸鈣（含P2O512%），K肥為氯化鉀（含K2O 60%），糞肥為當(dāng)?shù)嘏＜S。稻草、牛糞和磷、鉀肥均作為基肥一次性施入，尿素按基肥50%、分蘗肥30%和穗肥20%的比例分次施入。2016年所施稻草的有機(jī)碳含量為394 g/kg，全量N、P、K含量分別為8.19 g/kg、2.07 g/kg和19.50 g/kg；新鮮牛糞的有機(jī)碳含量為84.11 g/kg，全量N、P、K含量分別為3.16 g/kg、0.77 g/kg和1.94 g/kg。當(dāng)年早、晚稻季稻草的施用量分別為8 t/hm2和9 t/hm2，新鮮糞肥的施用量分別為14 t/hm2和18 t/hm2。

試驗(yàn)采用早稻—晚稻—冬季休閑的種植制度。早、晚稻均為當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)稻品種。早稻于4月下旬移栽秧苗，5月初追施分蘗肥，6月下旬追施穗肥，7月中旬收獲并測(cè)產(chǎn)；晚稻于早稻收獲后2～3 d移栽秧苗，7月底追施分蘗肥，9月上旬追施穗肥，10月下旬收獲并測(cè)產(chǎn)。小區(qū)田間管理按當(dāng)?shù)貙?shí)際管理措施進(jìn)行，病蟲害防治采用物理防治為主，不施化學(xué)農(nóng)藥。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于2016年早、晚稻收獲后分別按小區(qū)實(shí)測(cè)早、晚稻產(chǎn)量，實(shí)際產(chǎn)量用烘干法折算，以烘干重計(jì)產(chǎn)。各小區(qū)耕層（0～20 cm）土樣于11月初晚稻收獲后按“S”形隨機(jī)采集5點(diǎn)，混勻后根據(jù)四分法取土壤樣品 1 kg 左右，室內(nèi)風(fēng)干，磨細(xì)過1 mm和0.25 mm篩備用。

土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；土壤全氮（TN）采用硫酸-加速劑消煮，F(xiàn)IAstar5000流動(dòng)注射分析儀測(cè)定（瑞典福斯）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

肥料N素農(nóng)學(xué)利用效率（ANUE，kg/kg）計(jì)算方法[9]為：

ANUE = (Yf–Yc)/ (Nc+Ym×Nm)式中：Yf和Yc分別表示施肥和對(duì)照處理的水稻產(chǎn)量（kg/hm2），Nc表示化肥N的施入量（kg/hm2），Ym為稻草或糞肥的施用量（kg/hm2），Nm為稻草或糞肥的含N量。

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析用SPASS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)不同處理方式之間的差異進(jìn)行ANOVA分析，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理間雙季稻產(chǎn)量的差異

不同施肥處理間早、晚稻產(chǎn)量分別介于2.72～4.45 t/hm2和 2.85～4.19 t/hm2（圖 1）。與常規(guī) N 肥（CF）相比，75%N肥（DF）處理并未顯著影響早、晚稻產(chǎn)量。N肥配施稻草（RS）處理早稻產(chǎn)量顯著降低，降幅為28%，晚稻產(chǎn)量則顯著增加了25%（P＜0.05）；而N肥配施糞肥（OM）處理與CF相比，其早稻產(chǎn)量并無顯著差異，晚稻產(chǎn)量則增加了11%（P=0.05）。就維持水稻產(chǎn)量而言，75%的常規(guī)N肥用量基本能夠保證早、晚稻的產(chǎn)量，在此基礎(chǔ)上N肥配合糞肥施用能夠進(jìn)一步促進(jìn)晚稻產(chǎn)量的增加，但是N肥配合稻草施用僅對(duì)晚稻產(chǎn)量有促進(jìn)作用，而早稻則表現(xiàn)為減產(chǎn)趨勢(shì)。

CF、DF、RS和OM處理下全年水稻產(chǎn)量分別為7.60 t/hm2、7.83 t/hm2、7.26 t/hm2和 8.05 t/hm2。 與CF相比，DF處理下全年水稻產(chǎn)量略有增加，OM處理則增加顯著，而RS處理并未明顯改變?nèi)晁井a(chǎn)量，說明N肥配合糞肥施用能夠較常規(guī)施肥顯著增加全年水稻產(chǎn)量，而稻草施用的增產(chǎn)效果并不明顯。3種減量N肥處理中，以RS處理的水稻產(chǎn)量顯著低于OM和DF處理，而后兩者之間并無顯著差異（P＜0.05）。這表明與DF相比，減N條件下N肥配合糞肥施用能夠維持全年水稻產(chǎn)量，而N肥配合稻草施用下水稻產(chǎn)量有下降趨勢(shì)，也就是說，減N條件下施用稻草的穩(wěn)產(chǎn)效果并不如糞肥。

圖1 不同施肥處理的早、晚稻產(chǎn)量Fig. 1 Early and later rice yields between different fertilizations

2.2 不同施肥處理間N肥農(nóng)學(xué)利用效率的差異

N肥農(nóng)學(xué)利用效率（ANUE）除了RS處理下表現(xiàn)為早稻低于晚稻外，其它3種施肥處理均為早稻高于晚稻（圖2）。CF、DF、RS和OM處理下早稻的ANUE分別為13 kg/kg、19 kg/kg、4 kg/kg和18 kg/kg，以RS處理顯著最低，其次為CF處理，而DF和OM處理相對(duì)較高（P＜0.05）。晚稻的ANUE從大到小依次為RS（15 kg/kg）＞OM（10 kg/kg）＞DF（6 kg/kg）＞CF（4 kg/kg）（P＜0.05）。與CF處理相比，DF和OM處理均促進(jìn)了早稻和晚稻對(duì)肥料N素的吸收利用，而RS處理僅僅在晚稻季促進(jìn)肥料N素的利用，但在早稻季卻降低了N肥的農(nóng)學(xué)利用效率。

就全年ANUE來看，CF、DF、RS和OM處理分別為10 kg/kg、13 kg/kg、9 kg/kg和14 kg/kg，以DF和OM兩種處理相對(duì)較高（P＜0.05），而RS與CF處理之間并無顯著差異。減N條件下DF和OM處理的ANUE分別較CF提高了30%和40%，進(jìn)一步促進(jìn)了N肥的有效利用。相反，RS處理的ANUE與CF相當(dāng)，卻較DF處理降低了31%，說明減N條件下N肥與稻草配施并不利于肥料N素的利用。

圖2 不同施肥處理N肥農(nóng)學(xué)利用效率Fig. 2 Fertilizer N agronomic efficiency under different fertilizations

2.3 不同施肥處理間土壤有機(jī)碳含量與C/N的差異

試驗(yàn)第4年，CK、CF、DF、RS和OM處理0～20 cm耕層SOC含量分別為16.51 g/kg、18.06 g/kg、17.77 g/kg、21.13 g/kg和 19.49 g/kg（圖 3）。除了CK處理的SOC較試驗(yàn)開始時(shí)（17.49 g/kg）有明顯下降外，其余幾種施肥處理均較試驗(yàn)開始時(shí)有不同程度的增加，可見不同施肥均能促進(jìn)土壤SOC的積累。與CK相比，CF、DF、RS和OM處理的耕層SOC含量分別增加了9%、8%、28%和18%，以RS處理增加最多，其次為OM處理（圖3）。有機(jī)無機(jī)肥配施由于外源有機(jī)物質(zhì)的輸入其SOC積累相對(duì)較快，而單施化肥處理僅有根系分泌物和植物殘?bào)w等的輸入，其SOC的增加幅度相對(duì)較小。與CF相比，減N條件下DF處理的SOC含量能夠維持土壤SOC的積累，而RS和OM處理分別較CF增加了17%和8%。

與SOC的變化相反，CK、CF、DF、RS和OM處理0～20 cm耕層土壤全氮（TN）含量分別為1.54 g/kg、1.56 g/kg、1.64 g/kg、1.60 g/kg 和 1.64 g/kg，與試驗(yàn)前（1.86 g/kg）相比均有所下降，而各施肥處理之間并無明顯差異（圖3）。根據(jù)耕層土壤SOC和全N含量，計(jì)算出耕層土壤的碳氮比（C/N，圖4）。與CK相比，CF、RS和OM處理均顯著提高了耕層土壤C/N，以RS處理的土壤C/N最高（P＜0.05），而DF處理土壤C/N與CK相比并無顯著差異（P＞0.05）。與CF相比，減N條件下DF處理的C/N降低，這可能跟土壤全N含量的降低有關(guān)；而RS和OM處理由于有機(jī)物質(zhì)的輸入其C/N顯著增加，其中稻草自身較高的C/N也可能是導(dǎo)致RS處理C/N高于OM處理的原因之一。

圖3 不同施肥處理耕層土壤有機(jī)碳和全氮含量Fig. 3 Topsoil SOC and TN contents under different fertilizations

圖4 不同施肥處理耕層土壤碳氮比Fig. 4 Topsoil C/N ratio under different fertilizations

3 討論

3.1 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量與N肥利用的影響

施肥是保障作物高產(chǎn)的重要措施之一，其貢獻(xiàn)率可達(dá)30%～50%[9,15-19]。近年來，為了追求水稻高產(chǎn)，N肥施用量不斷增加，尤其是在亞熱帶地區(qū)N肥盈余現(xiàn)象更為嚴(yán)重[7]。過量的N肥施用不僅導(dǎo)致肥料利用效率下降，也造成一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（氮素盈余）。本文定位試驗(yàn)結(jié)果顯示，將N肥施用量從常規(guī)用量減少到75%并未明顯減少全年水稻產(chǎn)量。因此，在不降低水稻產(chǎn)量的前提下，亞熱帶雙季稻區(qū)75%的常規(guī)N肥用量能夠維持水稻產(chǎn)量，從而可以降低因化學(xué)N肥施用過量造成的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，并可有效保障亞熱帶地區(qū)的糧食安全。在75%N肥施用的基礎(chǔ)上，將化肥N與糞肥N或稻草N配合施用，不僅能夠進(jìn)一步減少化學(xué)N肥的施用，還能將農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物資源化。但是減N條件下化肥與糞肥或稻草配施的穩(wěn)產(chǎn)效果存在差異。化肥配施糞肥的全年水稻產(chǎn)量相比較于75%N肥處理略有上升，穩(wěn)產(chǎn)效果明顯；而化肥配施稻草的全年水稻產(chǎn)量卻顯著低于75%N肥處理，主要是早稻的減產(chǎn)所致。

我們前期整合分析了亞熱帶區(qū)28個(gè)雙季稻田長期定位試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)等N條件下有機(jī)無機(jī)肥配施能明顯增加水稻產(chǎn)量，提升SOC水平和N肥農(nóng)學(xué)利用效率，以化肥與糞肥配施的效果最為顯著，其次為稻草配施處理[9]。由此可見，無論是等N還是減N條件，化肥配合糞肥施用對(duì)雙季稻的增產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)效果均優(yōu)于稻草還田，等N條件下稻草還田由于其明顯的固碳與增產(chǎn)效應(yīng)（盡管增產(chǎn)幅度低于糞肥）可以作為亞熱帶區(qū)有機(jī)培肥的一項(xiàng)有效措施，但是減N條件下化肥配合稻草還田卻會(huì)導(dǎo)致早稻產(chǎn)量的下降，僅對(duì)晚稻有增產(chǎn)作用，需謹(jǐn)慎選擇稻草還田的時(shí)機(jī)。

本試驗(yàn)中不同施肥處理全年水稻產(chǎn)量的N肥農(nóng)學(xué)利用效率介于9～13 kg/kg，除了N肥配施稻草處理明顯低于常規(guī)N肥處理外，其余處理相互之間差異不大，均在Pan等[20]所報(bào)道的關(guān)于太湖地區(qū)水稻土N肥農(nóng)學(xué)利用效率的范圍（11.8～18.2 kg/kg）之內(nèi)。但是，本文中不同施肥處理下早稻和晚稻之間N肥農(nóng)學(xué)利用效率的差異較大?？偟膩碚f，常規(guī)N肥和75%N肥處理下早稻的N肥農(nóng)學(xué)利用效率均高于晚稻；N肥配施稻草處理正好相反，表現(xiàn)為晚稻遠(yuǎn)高于早稻；只有N肥配施糞肥處理下早、晚稻之間的N肥農(nóng)學(xué)利用效率差異不大。究其原因可能是N肥配施糞肥處理下糞肥的施用能夠維持比較穩(wěn)定的N素供應(yīng)水平，促進(jìn)土壤N素對(duì)于水稻生長的供應(yīng)能力[21-22]。而稻草由于自身C/N較高，加上早稻季施用稻草時(shí)（4月）氣溫并不高，稻草的腐解較困難，導(dǎo)致其土壤C/N也為最高，進(jìn)而可能導(dǎo)致肥料N素的固定，從而降低水稻生長過程中肥料N素的供應(yīng)能力；而晚稻季施用稻草時(shí)正值高溫天氣（7月），有利于稻草的腐解，對(duì)肥料N素的固定作用減弱[23]，這也是前述減N條件下N肥配施稻草處理早稻產(chǎn)量下降而晚稻產(chǎn)量增加的原因之一。因此，就N肥農(nóng)學(xué)利用效率而言，化肥配合糞肥施用的效果優(yōu)于稻草。

3.2 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

水稻土具有持續(xù)固碳的能力，肥料施用能明顯提升土壤有機(jī)碳水平，其中以化肥與有機(jī)肥或秸稈配施的效果最為顯著，最大固碳速率可達(dá)0.5 t/(hm2·a)[24-29]。我們前期關(guān)于亞熱帶雙季稻區(qū)28個(gè)不同年限定位試驗(yàn)的整合分析也表明，長期化肥配施豬糞或秸稈下土壤固碳速率為0.48～0.67 t/(hm2·a)，明顯高于單施化肥處理[9]。本研究中，不同施肥處理下土壤SOC含量均有不同程度的增加，其中常規(guī)N肥、75%N肥、N肥配施稻草和N肥配施糞肥處理分別較對(duì)照增加了9%、8%、28%和18%（圖3），以N肥配施稻草和糞肥處理下SOC的增幅明顯高于常規(guī)N肥和75%N肥處理，與前期研究結(jié)果的趨勢(shì)相一致。單施化肥可以增加水稻產(chǎn)量、促進(jìn)水稻秸稈和根系分泌物等向土壤的傳輸，從而利于SOC的積累[9]。但是，單施化肥同時(shí)也促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化損失，從而可能部分抵消了SOC的積累[6]。而N肥配合有機(jī)物料（稻草/糞肥）施用由于外源有機(jī)物質(zhì)（稻草/糞肥）的輸入貢獻(xiàn)，其SOC的增加幅度明顯高于常規(guī)N肥處理。

C/N作為有機(jī)物質(zhì)腐殖化程度的指標(biāo)，其比值越高，有機(jī)物質(zhì)的腐解程度越低[30]。本文中除了75% N肥處理外，其余幾種施肥處理均較對(duì)照顯著增加了土壤C/N，其中以N肥配施稻草處理的土壤C/N明顯最高，其次為糞肥配施化肥處理。稻草和糞肥施用下較高的土壤C/N可能跟外源碳的輸入有關(guān)。綜合考慮，減N條件下N肥與糞肥配合施用可能是亞熱帶區(qū)促進(jìn)水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、土壤固碳和N肥減施增效共贏的一種有效的施肥方式，而稻草施用需謹(jǐn)慎考慮水稻產(chǎn)量和肥料N素的農(nóng)學(xué)利用效率等問題。

4 結(jié)論

本文定位試驗(yàn)研究表明，75% 的N肥用量與常規(guī)N肥相比可以維持雙季稻產(chǎn)量與耕層土壤有機(jī)碳水平，并可提高N肥農(nóng)學(xué)利用效率。減N條件下N肥配合稻草施用能夠促進(jìn)晚稻增產(chǎn)，但卻在更大程度上導(dǎo)致早稻減產(chǎn)，從而降低了全年水稻產(chǎn)量與N肥農(nóng)學(xué)利用效率。而減N條件下N肥配合糞肥施用不僅能進(jìn)一步減少化學(xué)N肥的施用量，還可有效維持早、晚稻產(chǎn)量與N肥農(nóng)學(xué)利用效率，其效果優(yōu)于稻草。

由于本試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)晗掭^短（4年），尚需要進(jìn)一步試驗(yàn)分析減N條件下糞肥與稻草施用的長期效果。目前結(jié)果顯示減N條件下稻草還田導(dǎo)致早稻減產(chǎn)但卻促進(jìn)晚稻增產(chǎn)，下一步研究可以考慮僅晚稻季的稻草還田對(duì)土壤培肥與N肥利用的影響。

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