太湖地区高产高效措施下水稻氮淋溶和径流损失的研究①

张 敏，赵 淼，田玉华，尹 斌*，朱兆良



太湖地区高产高效措施下水稻氮淋溶和径流损失的研究①

张 敏1,2，赵 淼3，田玉华1，尹 斌1*，朱兆良1

(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；2中国科学院大学，北京 100049； 3成都信息工程大学资源环境学院，成都 610225)

在太湖地区，采用田间小区试验，研究了高产高效措施对水稻季氮素淋溶和径流损失的影响。结果发现，水稻季总氮(TN)和可溶性有机氮(DON)淋溶随土壤深度的增加而降低，不同深度下氮淋溶形态不同。60 cm处DON浓度要高于硝氮(NO– 3-N)和铵氮(NH4+-N)，占TN的40.5% ~ 58.9%；80 cm处NO– 3-N的浓度要高于DON和NH4+-N，占TN的52.3% ~ 60.7%。相比当地常规处理，高产高效处理的NO– 3-N淋溶减少了51.7% ~ 54.7%，仅占施肥的0.5% ~ 0.9%。在氮的径流损失中，NH4+-N占TN的48.1% ~ 56.4%，而NO– 3-N占TN的36% ~ 53%。试验中氮素通过径流途径的损失量很低，仅占施肥的0.34% ~ 0.59%。高产高效处理的氮淋溶和径流损失之和分别为10.59 kg/hm2和10.18 kg/hm2，低于常规处理(13.41 kg/hm2)。除此之外，高产高效措施的作物产量(11.14 ~ 12.22 t/hm2)和农学利用率(11.8 ~ 12.5 kg/kg)均显著高于当地常规处理。水稻收获后，高产高效处理的土壤TN相比常规处理提高了6.8% ~ 8.1%，有机质含量提高了8.6% ~ 9.2%。综上，高产高效措施不仅有利于作物产量和氮素利用率的提高，还削弱了氮在土-水界面的迁移，是作物增产且环境友好型的有效措施。

水稻；氮素利用率；淋溶；径流；高产高效

我国人多地少、农业资源短缺，如何提高作物产量一直是人们研究的重点。水稻是我国最重要的粮食作物，其种植面积占中国谷物播种面积的26.6%，稻谷总产占粮食总产的43.6%[1]。但是我国水稻产量的提高主要是依靠加大氮肥的投入量，2013年，我国氮肥用量约为3.36 Mt，占世界总投入的33% (FAO，2013)。然而我国氮肥利用率较低，有研究表明，我国稻田氮肥利用率仅为30% ~ 35%，在部分高产和高投入区域，氮肥利用效率则更低，过量氮肥的投入、低的利用率不仅是对资源的浪费，同时也对环境造成危害[2]。其中氮肥以淋洗和径流的方式进入水体，对水体的污染越来越引起人们的重视[3-6]。氮肥以淋洗的方式向下渗漏，可能会导致地下水的污染，许多资料指出，饮用水硝酸盐浓度超过N 10 mg/L就会给人和牲畜带来危害[7]。熊正琴等[8]对浙、苏、沪16个县76个饮用井水质的调查表明, NO– 3-N超标率达38.2%。而氮肥以径流的方式进入地表水，可能会造成水体富营养化，对地表水造成污染[9-12]。

太湖地区地处长江三角洲中心，素有“鱼米之乡”的美称，是我国重要的粮食产地，从20世纪90年代起，为了提高作物产量，该地区氮肥用量日益增多，据调查，该地区水稻作物常规施肥为300 kg/hm2，部分农户可高达360 kg/hm2[13-14]。近年来，尽管加大了氮肥投入，该地区作物产量却少有增加或增产很小。为了满足人们的粮食需求，我国出现了许多超高产研究，其中通过结合肥料、水分以及栽培管理的综合措施可以显著地提高作物产量[15]，但是关于该综合措施下氮素淋溶和径流损失的研究还鲜有报告，因此本研究在田间试验下，定期采集水样，探讨高产高效综合措施下田间氮素淋溶与径流损失规律，为该地区制定合理的施肥方式提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与土壤基本性状

试验在中国科学院常熟生态农业实验站(31°32′93″N，120°41′88″E)进行。该站位于太湖地区，属亚热带季风气候，年平均气温15.5 ℃，降水量1 038 mm。供试土壤为湖积物发育的潜育型水稻土(乌栅土)，其基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质

1.2 试验设计

试验开始于2013年稻季，设有4个处理(之前已连续进行4年)，分别为：①对照(CK)；②常规施肥(CT)；③高产高效栽培1(IT1)；④高产高效栽培2(IT2)。氮肥以尿素(含N 46%)形式施入，对照不施氮肥，高产高效栽培处理除无机肥外还增施菜籽饼肥。磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)，磷肥、钾肥和菜籽饼肥均作为基肥一次性施入，具体施肥见表2。用于试验的有机肥为腐熟的菜籽饼肥(菜子饼与水混合，厌氧发酵30 d)，含全氮60.40 g/kg，全磷8.73 g/kg，全钾8.30 g/kg。

表2 稻季不同处理的施肥量(kg/hm2)

注 ：总用量中M指菜籽饼肥。

试验采用的水稻为杂交粳稻常优3号，对照与常规处理栽插株行距为20 cm × 20 cm，而高产高效处理均为20 cm × 15 cm，移栽时每穴秧苗2 ~ 3个。关于田间水分管理，对照与常规处理除生育中期排水搁田外，其余时期保持3 ~ 5 cm水层至收获前一周断水。高效和高产处理则为节水管理，具体措施为：从移栽至返青建立浅水层；返青至有效分蘖临界叶龄期(N-n)前2个叶龄期(N-n-2)进行间隙湿润灌溉，低限土壤水势为–10 kPa；N-n-1叶龄期至N-n叶龄期进行排水搁田，低限土壤水势为–20 kPa，并保持1个叶龄期；N-n＋1叶龄期至二次枝梗分化期初(倒三叶开始抽出)进行干湿交替灌溉，低限土壤水势为–25 kPa；二次枝梗分化期(倒三叶抽出期)至出穗后10 d 进行间隙湿润灌溉，低限土壤水势为–10 kPa；抽穗后11 ~ 45 d 进行干湿交替灌溉，低限土壤水势为–15 kPa。各生育时期达到上述指标后即灌2 ~ 3 cm 浅层水，用水分张力计监测土壤水势。

试验小区面积为42 m2(6 m × 7 m)，随机区组排列，重复3次，小区之间设有田埂并用塑料薄膜包被，各小区设置独立的排灌沟，以防止串水、串肥。2013年水稻于6月18日移栽，有机肥提前3 d施入，并用拖拉机机械混匀，6月17日下午施基肥，6月26日施分蘖肥，7月29日施促花肥，8月18日施保花肥，10月30日收获。

1.3 水样采集、分析与数据处理

每个小区分别埋设60 cm和80 cm深的带陶土头PVC渗漏管(直径2 cm)，管中插入抽取水样的塑料软管，PVC管与土壤间灌入泥浆，以保证无缝隙。水稻生长期间，定期采集60 cm和80 cm深处的渗漏水样。小区安装有径流收集口，径流口垂直于地面相对高度为7 cm，并通过管道连接相应的径流池，没有径流的时候径流口用橡皮塞塞住(图1)。所有水样都带回实验室于4 ℃贮存，水样中NH4+- N采用靛酚蓝-紫外分光光度计法测定，NO– 3- N采用紫外分光光度法直接分析，总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定。

土壤水溶液的氮素淋溶损失按照80 cm深度计算，氮淋溶损失为渗漏水氮浓度与渗漏水体积的乘积。渗漏水体积并不容易获取，但可以进行估计，在淹水条件下，试验区乌栅土土壤水分垂直渗漏速率平均为5 mm/d[16]，试验期间记录不同处理的淹水天数(田间达到最大持水量时土壤水势为–10 kpa，低于该值时认为没有渗漏发生)，CK和CT的淹水天数为115 d，IT1和IT2为102 d，则氮素渗漏量计算公式为：

图1 径流收集实验设计装置

=××5×10–2(1)

式中：为氮素淋失损失量(kg/hm2)，为80 cm处氮素淋失的平均浓度(mg/L)，为水稻移栽至收获之间的淹水天数(d)。

水稻成熟后，人工收割6 m2用以计产；另取一份考种样，烘至恒重后粉碎，测定其总氮含量。植株吸氮量(PNU)为植株干重与总氮(TN)之积。土壤样品(0 ~ 20 cm)采用随机多点混合采样，每个小区用土钻采5点混合，于–20 ℃冷冻储存。KCl浸提后，测土壤NH4+-N(靛酚蓝-分光光度计)和NO– 3-N(紫外分光光度计)含量。土样风干磨细过100目，进行土壤总氮(凯氏氮法)和有机质含量(重铬酸钾容量法)的测定。

养分的利用率采用氮收获指数、氮回收利用率(NRE)和氮农学利用率(ANE)来计算：

氮收获指数= 籽粒吸氮量/植株总吸氮量

氮回收利用率(%)=(施氮区作物吸氮量-氮空白区吸氮量)/总施氮量×100%；

氮农学利用率(kg/kg)=(施氮区产量-氮空白区产量)/总施氮量×100%。

数据使用SPSS19.0和Microsoft Excel 2013分析，Origin 9.1 作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥以及不同深度下氮淋溶损失

试验期间收集了两种深度的土壤水溶液，即60 cm和80 cm，土壤水溶液中NO– 3-N和TN均在稻秧移栽初期较高，而在水稻生育中后期较低(图2)。这可能是因为基肥施入时，稻秧处于移栽初期，对氮的吸收能力不强，而且土壤对NO– 3- N吸附作用较弱，小麦生育末期积累在土壤中的NO– 3- N在泡田之后，易随渗漏水向下迁移，这与这一地区以前研究的结果基本一致[6]。试验一共收集了15次淋溶水，不同深度的氮淋溶浓度结果见表3。与前人研究类似，60 cm处TN浓度高于80 cm处，表明TN淋溶随土壤深度的增加而减少。与TN类似，DON也随土壤深度的增加而减少。然而不同于TN和DON的结果，不同处理的NH4+-N和NO– 3-N随着深度的增加并没有降低，反而呈现出增加的趋势，推测是土壤矿化导致的。不过对于IT2处理，60 cm和80 cm处的NH4+-N和NO– 3-N浓度变化很小，这可能是因为该处理提高了氮肥投入，而且加施了有机肥，进而提高了微生物活性，增强了土壤对氮素的固持。两种深度下，NO– 3-N的浓度均高于NH4+-N，80 cm处NO– 3-N占TN的52.28% ~ 60.7%，而60 cm处DON浓度要高于NO– 3- N，占TN的40.5% ~ 58.9%。

图2 稻季不同处理60 cm和80 cm处的氮淋溶

表3 不同处理不同深度处淋溶水的氮平均浓度

注： 表中同列数据小写字母不同表示同一深度不同处理间差异达到<0.05显著水平，下同。

在整个水稻季，不同处理氮淋溶损失存在显著差异(<0.05)。IT2处理的NH4+-N淋溶损失显著低于CT和IT1处理，这是因为该处理的NH4+-N浓度较低。至于NO– 3-N损失，高产高效措施显著低于常规处理，前者比后者低了51.7% ~ 54.7%(表4)。IT1和IT2处理氮淋溶损失分别为7.48和6.59 kg/hm2，占总施肥量的0.5% ~ 0.9%；CT处理氮淋溶损失为11.02 kg/hm2，占总施肥的2.1%。这表明高产高效措施可以有效地降低氮淋溶损失，可能是因为高产高效措施一方面提高了植株对氮的吸收，降低了淋溶水中的氮浓度，另一方面节水管理减小了向下渗漏的淋溶水体积，从而降低了氮淋溶损失。

表4 稻季不同处理氮淋溶损失量

2.2 不同处理的氮径流损失

氮通过径流进入周围水体是稻田氮损失的一个重要途径，同时也容易对周围水环境造成污染。研究表明氮径流损失主要与降雨、灌溉以及田面水氮浓度有关，但是前人的研究表明氮通过径流产生的损失差异较大，为0 ~ 51%[11-12]。施肥之后若有大雨发生，很容易产生径流，大量的氮也随之流失；但是如果径流发生在施肥7 d后，此时田面水氮浓度很低，一般不会造成氮的大量损失[4-11]。因此为了减少氮的径流损失，本试验中的施肥和灌水都尽量避开暴雨天气。试验过程中一共发生4次径流，分别发生于6月26日、7月7日、8月30日以及10月8日，均在施肥7 d之后(图3)。从图3可知，降雨是发生径流的最主要的原因，降雨体积越大，径流损失体积也越大。

(箭头表示施肥)

不同处理的径流损失氮浓度结果见图4，由图4可知，径流水中的NH4+-N浓度在水稻生长初期最高，孕穗后期急剧减少。移栽初期水稻对氮的吸收能力较弱，径流发生时(施肥10 d后)田面水仍然有一定浓度的氨氮，故此时径流中NH4+-N浓度较高。而生育后期植株对氮的吸收能力增加，径流发生时田面水NH4+-N浓度很低。而在整个稻季，径流水中的NO– 3-N浓度一直较低且变化不大，各个处理之间浓度差异很小，这是因为田面水中NO– 3-N浓度一直保持在一个较低的浓度。至于TN，其变化趋势与NH4+-N类似，也是在移栽初期浓度最高，之后降低。

径流损失结果见表5，结果可知，NH4+-N是径流损失的主要形式，占TN的48% ~ 56%。除去空白处理外，不同处理的径流NH4+-N损失没有差异。对于施肥处理，径流中NO– 3-N损失仅占TN的36% ~ 42%。整个稻季中氮通过径流途径的损失并不显著，仅占施肥的0.3% ~ 0.6%，这主要是因为每次径流产生时间与施肥时间的间隔较长，田面水氮浓度较低，因此通过径流损失的氮较小。不同施肥处理之间氮径流损失并没有显著差异(>0.05)，不过IT1和IT2处理的氮径流损失要略高于常规CT处理，这是因为加施菜籽饼肥带来了额外的氮，提高了田面水氮浓度。

图4 不同处理径流NH4+-N、NO– 3-N和TN浓度(mg/L)

表5 2013年水稻氮径流损失量

2.3 作物产量及氮利用率

相比当地常规处理，高产高效栽培增产效果稳定，两年间CT、IT1和IT2处理水稻平均产量分别为8.6、11.0和12.2 t/hm2，相比CT处理，高产高效处理提高了28% ~ 42%。总颖花数的增加是其产量增加的主要原因(表6)。高产高效处理也显著提高了作物吸氮量(表7)，IT1和IT2处理的两季平均吸氮量分别为230.3和312.2 kg/hm2，比CT处理高了25% ~ 69%。但是IT2处理的氮收获指数显著低于其他处理，表明它吸收的氮素更多集中于稻草中，造成水稻对氮素的奢侈吸收。

表6 2012年与2013年水稻季作物产量和其构成因素

表7 不同处理水稻的吸氮量、氮收获指数和氮肥利用率

把有机肥带来的氮考虑进去，CT、IT1和IT2处理的两季平均农学利用率分别为9.2、12.0和12.4 kg/kg，氮回收利用率分别为33.3%、33.6% 和44.3%(表7)。高产高效处理的农学利用率显著高于常规处理；IT2处理的氮回收利用率显著高于CT处理，但是IT1处理和CT处理之间并没有显著差异。有机肥在当季水稻并不能利用完全，它不仅提高土壤有机质含量，并且对下一季作物存在后续影响，例如，Mohanty等[17]和Singh等[18]的研究表明，稻季配施的有机肥可以显著提高下一季作物的产量和氮素利用率。因此本文单纯地将有机氮全部考虑进入，可能导致高产高效处理的氮利用率被低估。

2.4 土壤氮以及有机质含量

水稻收获后，表层土无机氮、总氮和有机质含量结果见表8。不同处理的土壤NH4+-N含量并没有差异；除去空白处理，常规和高产高效处理之间的NO– 3-N含量也没有显著差异，不过高产高效处理的NH4+-N和NO– 3-N含量有高于常规处理的趋势。对于土壤TN，施肥处理要显著高于空白处理(<0.05)，其中IT1和IT2处理的TN含量要明显高于CT处理，前者比后者高了6.8% ~ 8.1%。这表明高产高效措施可以有效地提高土壤氮含量。对于土壤有机质含量，高产高效处理显著高于常规以及空白处理，相比常规处理，高产高效处理土壤有机质提高了8.6% ~ 9.2%。总之，高产高效措施有效地提高了土壤肥力。

表8 表层土(0 ~ 20 cm)中NH4+-N、NO– 3-N以及有机质含量

3 讨论

试验中随着土层深度的增加，淋溶水TN和DON浓度随之削减，这与其他一些研究结果类似[11]。但土壤水溶液中的NH4+-N和NO– 3-N浓度却并没有降低的趋势，反而出现升高的趋势。该地区的水稻土持永久负电荷，对NH4+-N吸附能力很强，上层NH4+-N向下的渗漏能力很弱，因此试验中80 cm NH4+-N浓度的升高，应该是土壤矿化导致的。此外，前人研究表明，淋溶水中30% ~ 48% 的NO– 3-N是来自土壤残留无机氮和有机质的矿化[19-20]，因此试验中80 cm处NH4+-N和NO– 3-N浓度的提高应该是土壤残留氮矿化导致的，这表明减小氮淋溶损失不仅要从减少肥料氮损失出发，还要降低土壤矿化作用的强度。

试验中NO– 3-N淋溶损失为3.88 ~ 5.39 kg/hm2，这与该地区Cao等[6]的研究类似。IT1和IT2处理的NO– 3-N淋溶要显著低于CT处理，表明高产高效措施可以有效地降低NO– 3-N淋溶损失，这是因为该措施增加了分次施肥的次数，并提高了作物移栽密度，有利于土壤和植株对氮的吸收，降低了淋溶水的氮浓度。此外，配施有机肥可以提高土壤有机质含量，增强土壤对氮的固持，从而降低氮淋溶(表8)，这与前人研究类似[21-22]。例如，张玉平等[22]研究表明相比无机肥，配施有机肥可以降低18% ~ 38% 淋溶水NO– 3- N浓度。除此之外，节水管理可以明显地减少渗漏水体积，高产高效措施的渗漏水体积比常规处理减少了11%。在先前研究里，相比淹水管理，节水管理可以减少20% ~ 30% 土壤水溶液体积[23]。对于径流氮损失，不同处理之间并没有显著的差异(>0.05)，仅占施肥的0.3% ~ 0.6%，低于该地区前人研究的0.3% ~ 7.2%[9-11]。这是因为试验的施肥和灌水尽可能避开了暴雨天气，所有的径流均发生在7 d后，此时田面水浓度较低，这表明合理施肥和灌水是降低稻田径流的有效措施。总体上，IT1和IT2处理的氮淋溶和径流损失之和分别为10.59 kg/hm2和10.18 kg/hm2，低于常规CT处理(13.41 kg/hm2)。这表明高产高效措施可以有效地削弱氮在土-水界面的迁移，减少氮素损失。

试验中高产高效措施的作物产量和农学利用率显著高于常规处理，这是改进的田间管理措施的联合结果。同前人研究一致，配施有机肥可以更好地提供水稻生长所需的养分，提高土壤氮的供给，促进植物对氮的吸收并且增加水稻分蘖和穗数，一直以来它都是农业中提高作物产量的一项有效措施[13-24]。研究也表明分次施肥可以更好地维持土壤供氮与作物需求之间的关系，从而提高植株的吸氮量和氮素利用率[25]。除此之外，节水管理和增施磷、钾肥有助于促进根长以及增强作物茎粗[16]，从而有助于作物的增产。因此高产高效措施的水稻产量得到了很大的提高。尽管IT2处理氮素利用率很高，但是氮收获指数很低，表明该处理奢侈吸氮现象较为严重，因此IT1处理更适合于实际的应用生产。

4 结论

相比当地常规处理，高产高效措施的氮素淋溶和径流损失减少了21% ~ 24%，水稻产量提高了28.7% ~ 42.7%。该措施还显著提高了土壤总氮以及有机质含量。这表明高产高效措施可削弱氮在土-水界面的迁移，减少氮素损失，并且提高作物产量，是作物增产且环境友好型的农田管理措施。

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Study on N Leaching and Runoff Under Integrated High Yield and High Efficiency Practices in Paddy Fields of Taihu Lake Region

ZHANG Min1,2, ZHAO Miao3, TIAN Yuhua1, YIN Bin1*, ZHU Zhaoliang1

(1State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 College of Resources and Environment, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

The influences of integrated practices for high yield and high efficiency on nitrogen (N) leaching and runoff under rice-wheat rotation system were studied with field plot experiment in the Taihu Lake Region. It was found that the leaching of total nitrogen (TN) and organic N (DON) declined with the increase of soil depth and the forms of N leaching changed with soil depth. DON in the percolation water in 60 cm depth, which accounting for 40.5%–58.9% of TN, was higher than NO– 3-N and NH4+-N. NO– 3-N in the percolation water in 80 cm was higher than DON and NH4+-N and accounted for 51.7%–54.7% of TN. NH4+-N loss was the main form of N runoff, and accounted for 48.1%–56.4% of TN. However, N losses via runoff were indistinctive, only accounting for 0.3%–0.6% of fertilizer application. The total loss of N leaching and runoff in the high yield an high efficiency treatments were 10.59 and 10.18 kg/hm2, which were lower than in the current treatment with a value of 13.41 kg/hm2. The rice yield in high yield and high efficiency treatments was 11.14–12.22 t/hm2, and the agronomic efficiency reached 11.8–12.5 kg/kg, which were significantly higher than those of the traditional treatment. After harvest, soil TN content increased by 6.8%–8.1% and soil organic matter by 8.6%–9.2% in high yield and high efficiency treatments compared to traditional treatment. In short, high yield and high efficiency practices can increase crop yield and N use efficiency, weaken the migration of N through water to soil and thus is beneficial to both crop yield and environment.

Rice; N use efficiency; N leaching; Runoff; High efficiency and high yield

农业部公益性行业科研专项(201003014)和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB127400)资助。

(byin@issas.ac.cn)

张敏(1990—)，女，河南周口人，博士研究生，主要从事土壤氮素转化与损失机理及其环境污染控制技术的研究。E-mail: mzhang@issas.ac.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.005

S143.1；S153.5

A