氮肥用量对四川紫色丘陵区水稻氮素吸收及土壤氮素表观平衡的影响

罗付香， 林超文，朱永群， 姚 莉， 张建华，王 谢

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)



氮肥用量对四川紫色丘陵区水稻氮素吸收及土壤氮素表观平衡的影响

罗付香， 林超文*，朱永群， 姚 莉， 张建华，王 谢

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

为全面掌握氮肥施用对紫色丘陵区稻麦轮作模式下水稻季氮素吸收积累及土壤氮素表观平衡的影响机理，本试验采用6水平氮肥(0～300 kg N/hm2)随机区组试验设计，研究氮肥用量对稻麦轮作模式下水稻产量、氮素吸收积累及土壤氮素表观平衡的影响。结果表明：随着氮肥用量的增加水稻籽粒产量先增加后趋于平稳，可以用二次方程模拟y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495，R2=0.998；氮肥用量与水稻氮素吸收量及土壤氮素表观平衡呈线性关系，线性方程分别为：y=0.27x+ 85.28，R2=0.990，y= 0.730x-85.32，R2=0.998。施氮量低于112.5 kg/hm2时，水稻产量较低，氮素表观盈余量为-3.23 kg/hm2，有耗竭土壤的风险；施氮量在112.5～187.5 kg/hm2时水稻产量稳定，氮素吸收量为135.77 kg/hm2，氮素表观盈余量为51.56 kg/hm2，水稻产量和氮素表观盈余维持在较为合理水平，土壤氮肥力和产量得以维持，农业生产可持续发展；施氮量在187.5～300 kg/hm2的时候，水稻产量趋于稳定， 而氮素表观盈余增加到133.68 kg/hm2，氮素表观盈余增加了159.27 %。过多的氮肥通过水体、大气或者其他渠道流失，引起环境污染。因此，从保证粮食安全和控制面源污染的角度出发，四川丘陵区稻麦轮作模式下水稻氮肥用量以187.5 kg/hm2最优。

水稻；氮素；吸收；氮素表观平衡

氮是植物生长所必需的营养元素，是决定土壤生产力的重要限制性因素，在排除了其他影响产量的主要限制因素后(如土壤障碍因子、水分、磷钾等) ，氮素在作物产量和品质形成中起着关键作用。合理施用氮肥(国际上称为“4R”技术，即 right amount，right time，right place，right type)是当今世界作物生产中获得较高目标产量的关键措施[1-3]。然而，近年来我国不合理施肥现象特别明显，主要表现在氮肥用量不合理施用方面。我国氮肥施用量迅速增长，已成为世界氮素化肥生产和消费大国，到2007 年高达3500 万吨(N) 单位面积使用量是世界平均水平的3倍[4-5]。氮肥施用量稳步增长, 但氮肥利用率却不断下降。 据研究，我国氮肥的利用率在9 %～72 %，平均为30 %～41 %[6-9]。

土壤-作物体系的氮素平衡是评价氮肥管理合理与否的关键。据报道，20世纪80年代以后，我国农田氮素开始盈余，并呈现增长趋势。90年代以后氮盈余量每年保持在360～546万吨，相当于N 24～35 kg/hm2[10-12]。氮素的大量盈余导致氮肥向水体的直接流失显著增加，据报道氮素的年流失量占施用量40 %左右，每年农用氮肥有60 %～70 %进入环境，导致生态恶化，危害人类健康[13]。目前，对氮的研究，一方面集中在氮肥施用方式对作物产量及养分吸收利用状况等的影响[14-17]；另一方面主要集中在氮肥施用对氮素流失通量及途径的影响方面[18-22]。将氮肥施用对作物产量，养分利用率及环境等系统的研究较为鲜见，为此本试验选择四川常规种植模式水稻-小麦轮作模式，通过田间试验，以肥料效应为基础，采用作物产量、养分吸收利用及土壤养分盈余作为确定氮肥投入阈值的约束条件，将作物-土壤-肥料系统作为研究对象，系统分析了氮投入与水稻产量、环境指标、作物氮利用情况和土壤表观盈余状况之间的关系，寻求作物高产与环境友好双赢的氮肥投入阈值，对该区的粮食安全和减少农田面源污染具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验点基本情况

本试验布设在长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩上段。属于四川省资阳市雁江区松涛镇的响水村、花椒村。地处东经104°34′12″～104°35′19″、北纬30°05′12″～30°06′44″，海拔395 m。多年(2011-2014年)年均降雨量为831.9 mm，主要(70 %)分布在6-9月间，最多年987.7 mm，最少年678 mm。年均温16.8 ℃，极端最低温-3.6 ℃，极端最高温36.5 ℃。供试土壤为遂宁组母质发育的紫色土，土壤质地轻，土壤有机质、全氮、有效磷含量偏低，土壤肥力不高。在试验实施时的土壤可溶性总氮4.17 mg·kg-1,硝态氮2.13 mg·kg-1,铵态氮2.03 mg·kg-1，铵态氮偏高的主要原因是我们选择的是水稻田，南方水稻田铵态氮含量一般较高。

1.2 试验设计

本试验选择四川常规种植模式小麦-水稻种植模式进行研究，以水稻作为研究材料，供试品种为川香优9838，试验时间为2013年3-9月，氮肥设以下6个处理，N0、N1、N2、N3、N4、N5，折合纯氮分别为：0、112.5、150、187.5、225、300 kg/hm2，每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积30 m2。水稻采取旱育秧的方式育苗，育苗时间3月26日，5月16日移栽，水稻株×行距20×24 cm，密度为20.83万株/公顷，磷肥选用过磷酸钙(P2O575 kg /hm2)，钾肥选用氯化钾(K2O 75 kg/hm2)，氮肥选用尿素，氮、磷和钾肥均在5月14日撒施在田里(一次施足)。灌溉方式为抽水漫灌，每次灌溉量为80 mm，病虫害按照大田常规防治，9月12日收获。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 植株样品采集与分析 水稻收获后实收测产，每个小区取有代表性的植株和籽粒样品100 g，测试指标均为全氮含量，全氮用硫酸双氧水消解——凯氏定氮法[23]。

1.3.2 土壤样品采集与分析 水稻收获后，每小区取0～20 cm土壤，冷冻保存，测定土壤的硝态氮、铵态氮、可溶性总氮及含水量，可溶性总氮用碱性过硫酸钾消解——紫外分光光度计比色法，铵态氮用靛酚蓝比色法，硝态氮用紫外分光光度计比色法[23]。

2 结果与分析

2.1 氮肥用量对水稻产量的影响

从表1可以看出，随着氮肥用量的增加，小麦-水稻轮作模式下的水稻籽粒和秸秆产量呈先增加后趋于平稳的趋势，当施肥量为从0 kg/hm2增加到300 kg/hm2时水稻籽粒产量增加4089.0 kg/hm2，增产62.87 %，当施肥量为从0 kg/hm2增加到187.5 kg/hm2时水稻籽粒产量增加3330.4 kg/hm2，增产51.20 %，而当施肥处理从187.5 kg/hm2增加到300 kg/hm2时水稻籽粒产量增加757.62 kg/hm2，仅增产7.72 %，说明增施氮肥能够一定程度提高水稻产量，但是当氮肥增加到一定程度以后施用的氮肥增产能力减弱。

2.2 氮肥用量对水稻养分吸收积累分配的影响

2.2.1 氮肥用量对水稻籽粒和秸秆氮素含量的影响 从表2中可以看出,籽粒氮含量在0.90～1.17g/kg，秸秆氮含量在0.44～0.61 g/kg，水稻籽粒氮含量大于秸秆氮含量，氮肥用量对水稻籽粒氮含量影响显著，对秸秆中氮含量影响不显著，随着氮肥用量增加，籽粒中的氮含量呈增加的趋势，当施肥量为从0 kg/hm2增加到300 kg/hm2时水稻籽粒氮素含量增加30.00 %，进一步相关分析发现，氮肥用量与水稻籽粒氮含量可以用线性方程模拟，线性方程为：y=0.00x+0.896，R2=0.944，说明增施氮肥能够一定程度提高作物籽粒氮素含量，提高蛋白质含量，改善水稻品质，但是对秸秆中氮含量影响不显著。

表1 氮肥用量对水稻产量的影响

注：不同小写字母表示5 %水平差异显著性，下同。

Note：Data behind lowercase letters are significantly different at 0.05 probability level. The same as below.

表2 氮肥用量对水稻氮含量的影响

图1 氮肥用量对水稻氮吸收量的关系Fig.1 Relationship between the nitrogen fertilizer amount and the rice nitrogen uptake

2.2.2 氮肥用量对水稻氮素吸收量的影响 籽粒和秸秆氮吸收量均随着氮肥用量的增加呈显著递增趋势(图1)，施氮量从0增加到300 kg N/hm2，籽粒氮吸收量从56.27 kg N/hm2增加到118.02 kg N/hm2，秸秆氮吸收量从29.64 kg N/hm2增加到51.53 kg/hm2，秸秆氮吸收量约为籽粒氮吸收量的1/2。进一步相关分析发现籽粒氮吸收量、植株氮吸收量与施氮量呈线性相关关系，线性方程为：y=0.204x+ 58.48 (R2=0.993)，y=0.27x+ 85.28 (R2=0.99)。秸秆吸氮量与施氮量之间的关系可分别用二次曲线模拟：y=0.000x2-0.024x+ 30.72 (R2=0.92)。

图2 施氮量与田面水总氮盈余的关系Fig.2 Relationship between the nitrogen fertilizer amount and the total nitrogen surplus of the surface water

图3 田面水总氮浓度随施肥后时间动态变化Fig.3 Dynamic of the total nitrogen concentration in surface water after the fertilization

2.3 氮肥用量对田面水总氮浓度的影响

2.3.1 氮肥用量与田面水总氮平均盈余的关系 当施氮量从0 kg /hm2增加到300 kg /hm2，施肥后几次田面水总氮取样的平均浓度从4.33 mg/L增加到128.59 mg/L，通过氮肥施用量与施肥后田面水总氮几次取样的平均浓度进行相关分析，发现田面水总氮几次取样的平均浓度随施氮量呈增加的趋势，可以用线性方程模拟，线性方程为：y= 0.396x+5.763，R2=0.986(图2)。

2.3.2 田面水总氮平均浓度随施肥后时间的动态变化 以不同氮肥处理在当天田面水浓度的平均值与时间变化作图(图3)，发现随着取样时间距施肥时间越久田面水总氮平均浓度呈降低的趋势，距离施肥时间越长田面水中总氮含量越低，其中施肥后第2天田面水总氮含量最高达141.45 mg/L，在施氮后的第4天田面水总氮含量就迅速下降，仅为第2天的30 %左右，而在施氮后的第9天最低，仅10.83 mg/L，说明氮肥施入土壤后释放挥发很快，田面水中总氮浓度的迅速降低，不应该是被植株吸收的结果，因为在短短的几天时间里植株不可能吸收那么多的养分，主要去向应该有3方面，一部分沉积到了土壤中供植株生长吸收，另一部分氮素通过氨挥发到空气中，还有一部分通过地表径流排到了水体中，造成氮肥浪费严重，对水体及大气环境污染严重。

2.4 氮肥用量与水稻产量及氮素表观盈余量的关系

以氮肥用量为横坐标，以水稻产量为纵坐标主柱，以氮素表观盈余量为纵坐标副柱得到水稻产量与氮素表观平衡的关系图，氮肥用量与水稻产量呈先增加后趋于平稳的趋势，可以用二次曲线模拟，二次曲线方程为y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495，R2=0.998，氮肥用量与土壤氮素表观平衡呈线性关系，线性方程分别为：y=0.731x-85.47，R2=0.998，根据方程可以得到，当氮肥用量低于112.5 kg/hm2时，水稻产量低于8733.75 kg/hm2，氮素表观盈余量为负值，小于-3.23 kg/hm2；当氮肥用量为187.5 kg/hm2时，氮素表观盈余量为51.56 kg/hm2，水稻产量为9776.25 kg/hm2；当氮肥用量为225 kg/hm2时；氮素表观盈余量为78.93 kg/hm2，水稻产量为10 162.50 kg/hm2；当氮肥用量为300 kg/hm2时，氮素表观盈余量为133.68 kg/hm2，水稻产量为 10 665 kg/hm2，此时增施的氮肥对水稻产量影响不大，而氮素流失风险却显著增加，说明当氮肥用量超过187.5 kg/hm2后，氮素表观盈余不断增加，过多的氮肥不仅没有带来增产，反而通过水体，大气或者其他渠道流失，引起环境污染。

图4 氮肥用量与水稻产量及氮素表观盈余量的关系Fig.4 Relationship between the nitrogen fertilizer amount, the rice yield and the apparent surplus of nitrogen

3 讨 论

施氮可以显著提高作物产量，然而当施氮量增加至一定程度时，产量不再继续增加，反而表现为下降的趋势。2009 年林治安等[24]在22 年的长期定位试验得到的结果与此一致，认为高量施氮无助于作物产量提高，2003 年巨晓棠等[25]研究也得到相似的结论。在本试验条件下随着氮肥用量增加水稻产量呈先增加后降低的趋势，可以用二次方程y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495模拟(R2=0.998)。

巨晓棠[3]提出氮肥管理的实质在于增加产量、维持地力、减少环境影响，在于通过系统研究氮肥-土壤氮-作物吸收氮“三氮”之间的关系，真正理解土壤-作物体系氮素主要流动过程，明确输入与输出氮素之间的差异，实质性降低氮肥损失量，将环境影响降低到最低限度，而不是简单地追求很高的传统氮肥利用率。本研究表明, 随着氮肥用量的增加，植物氮素吸收及土壤氮素表观盈余量呈增加的趋势，呈极显著的线性关系(R2=0.998)，与前人研究结果一致[26-27]。根据巨晓棠对氮素效率研究理论[28]，当氮肥用量低于112.5 kg/hm2时，水稻产量较低，水稻氮素吸收量为125.78 kg/hm2，氮素表观盈余量为负值，有耗竭土壤的风险，处于不可持续生产水平；当氮肥用量从112.5增加到187.5 kg/hm2时，水稻产量增加，氮素表观盈余量从-3.23增加到51.56 kg/hm2，此时土壤氮肥力和产量得以维持，农业生产可持续发展；当氮肥用量为从187.5 kg/hm2增加到300 kg/hm2时，水稻产量仅提高了8.49 %，氮素表观盈余量增加到133.68 kg/hm2，氮素表观盈余却增加了159.27 %，氮素流失风险显著增加，说明当氮肥用量超过187.5 kg/hm2后，氮素吸收量和水稻产量增加缓慢，但是氮素表观盈余增加迅速，过多的氮肥不仅没有带来增产，反而通过水体，大气或者其他渠道流失，引起环境污染，因此从保证粮食安全和控制面源污染的角度出发，水稻氮肥用量应该控制在187.5 kg/hm2上下范围内。

4 结 论

氮肥用量与水稻产量呈二次曲线关系，与土壤氮素表观盈余量呈极显著的线性关系，在氮肥用量低于112.5 kg/hm2时，水稻产量较低，氮素表观盈余呈负值，土壤耗竭严重，农业生产不可持续，氮肥用量在187.5～300 kg/hm2的时候，水稻产量变化较小，而氮素表观盈余增加了159.27 %，大量氮肥通过水体、大气或者其他渠道流失，引起环境污染，氮肥用量为187.5 kg/hm2时水稻产量稳定，氮素表观盈余维持在较为合理水平，土壤肥力得以维持，农业生产可持续发展。

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(责任编辑 陈 虹)

Effects of Nitrogen Fertilizer Amount on Rice Nitrogen Uptake and Soil Nitrogen Apparent Balance of Sichuan Purple Hilly Region

LUO Fu-xiang, LIN Chao-wen*, ZHU Yong-qun,YAO Li, ZHANG Jian-hua,WANG Xie

(Soil and Fertilizer Institute Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China)

In order to identify the effect of nitrogen fertilizer application on rice nitrogen uptake and soil nitrogen balance in purple hilly region under rice-wheat rotation system, the randomized blocks by 6 levels of nitrogen fertilizer (0-300 kg N/hm2) in this experiment were designed, and the effects of nitrogen fertilizer application rate on the rice yield, rice nitrogen uptake and distribution and soil apparent balance were investigated. The result showed that: the rice yield reached a peak first and then stablized with the increase of the nitrogen fertilizer, and their relationship was simulated to a quadratic equation:y=-0.032x2+ 23.50x+ 6495，R2=0.998; The rice nitrogen uptake and nitrogen apparent balance had a linear correlation with nitrogen fertilizer application, their linear equations were respectively:y=0.27x+ 85.28，R2=0.990，y= 0.730x-85.32，R2=0.998. When the nitrogen application rate was less than 112.5 kg/hm2, rice yield was low, nitrogen apparent surplus quantity was-3.23 kg/hm2, which had risks of exhausted soil; When the nitrogen fertilizer application rate was 112.5-187.5 kg/hm2, the nitrogen uptake was 135.77 kg/hm2, the nitrogen apparent surplus amount was 51.56 kg/hm2, the rice yield and nitrogen apparent surplus maintained were reasonable levels, soil nitrogen fertilizer and production was maintained, and the agricultural production was sustainable development; When the nitrogen fertilizer application rate was 187.5-300 kg/hm2, the rice yield was tended to be stable, but the nitrogen apparent surplus amount was 133.68 kg/hm2, and the nitrogen apparent surplus amount was increased by 159.27 %. Too much nitrogen was lost by water, air or other channel erosion, which caused environmental pollution. So a nitrogen fertilizer application rate of 187.5kg/hm2was recommended under rice-wheat rotation system in purple hilly region for food security and non-point source pollution prevention.

Rice; Nitrogen; Uptake; Nitrogen apparent balance

1001-4829(2016)08-1903-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.027

2015-07-10

国家科技支撑计划(2012BAD05B03-8)；国家公益性行业(农业)科研专项(201003014)；四川省公益性农业专项(2011NZ0094)；四川省公益性农业专项(2013NZ0028)；四川省创新能力提升工程专项(2016GYSH-023)

罗付香(1981-)，女，四川资阳人，硕士，助理研究员，主要从事植物营养学、农业生态及水土保持等方面研究工作，Tel：13540414071，传真：028-84796435，E-mail：luofx06@126.com,*为通讯作者。

S513

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