土壤肥力对红壤性水稻土水稻产量和氮肥利用效率的影响

彭卫福，吕伟生，黄山，曾勇军，潘晓华，石庆华



土壤肥力对红壤性水稻土水稻产量和氮肥利用效率的影响

彭卫福1, 2，吕伟生3，黄山1，曾勇军1，潘晓华1，石庆华1

（1江西农业大学农学院/教育部作物生理生态与遗传育种重点实验室，南昌 330045；2江西农业大学生物科学与工程学院，南昌 330045；3江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心/农业部江西耕地保育科学观测实验站，南昌 331717）

【目的】土壤肥力是红壤性稻田水稻丰产的基础。明确不同肥力对红壤性水稻土作物产量和氮肥利用效率的影响，为红壤性稻田土壤培肥和合理施肥提供科学依据。【方法】选取质地相似的不同肥力水平的红壤性水稻土进行盆栽试验（以土壤有机质的高低代表土壤肥力的高低），利用15N同位素示踪技术研究不同肥力水平（FL、FM和FH分别代表低肥力、中肥力和高肥力，其低、中、高肥力土壤的有机质含量分别为19.9、29.6、38.9 g·kg-1）和氮肥水平（N0、N150和N225分别代表施氮量为0、150和225 kg·hm-2，共9个试验处理，分别为FLN0、FLN150、FLN225、FMN0、FMN150、FMN225、FHN0、FHN150和FHN225）对水稻产量及其构成、氮肥吸收及其去向的影响。【结果】提升土壤肥力和施氮均能显著提高水稻的有效穗数、产量和总吸氮量。与N0相比，FL、FM和FH在N150处理下的增产率分别为63%、40%、17%，而在N225处理下的增产率分别为89%、55%和23%。在中、低肥力土壤上，增施氮肥能显著提高水稻产量，而FHN150和FHN225处理之间产量无显著差异。15N示踪结果表明，相同施氮量条件下，水稻植株对肥料氮素和土壤氮素的吸收量均随土壤肥力的提高而增加。但是，水稻植株总吸氮量中来自土壤氮素的比例随土壤肥力的提高而增加，而来自肥料氮素的比例则随之降低。增施氮肥会增加水稻吸收肥料氮素的比例，降低其吸收土壤氮素的比例。FL、FM和FH土壤水稻的平均氮肥回收率分别为42%、48%和52%，平均氮肥残留率分别为20%、23%和28%，平均氮肥损失率分别为38%、29%和20%。FLN225氮肥回收率显著高于FLN150，FM两个施氮量氮肥回收率无显著差异，而FHN225的氮肥回收率显著低于FHN150。提升土壤肥力能显著提高土壤微生物量氮、铵态氮和固定态铵的含量。【结论】提升土壤肥力能显著提高红壤性水稻土的水稻产量以及化肥氮的回收率和残留率，而降低氮肥损失率。在低肥力土壤上适当增加施氮量有利于增加产量和氮肥回收率；而在高肥力土壤上适当降低施氮量在保证较高水稻产量的同时，能够提高氮肥回收率、降低氮肥损失。

土壤肥力；15N示踪；红壤性水稻土；氮肥利用效率；氮肥去向

0 引言

【研究意义】红壤性水稻土是我国南方最重要的土壤类型之一。红壤地区水热资源丰富，生产潜力大，水稻种植面积广，为我国粮食安全做出了重要贡献[1-2]。尽管红壤性水稻土耕作历史悠久，但是受成土母质、耕作方式和施肥措施不合理等因素的影响，中低产田的面积仍然占很大比例，土壤肥力水平总体偏低[3]。土壤肥力是水稻丰产的基础，大量研究表明，通过秸秆还田、种植绿肥和增施动物源有机肥等措施培肥土壤，不仅能够提高水稻产量，还能降低化肥的使用[4-7]。但是，不同肥力红壤性水稻土对水稻氮肥利用效率的影响尚不清楚。【前人研究进展】我国水稻氮肥回收率平均仅为30%[8-9]，比其他主要水稻种植国家低15%—20%[10]。为提高水稻氮肥利用效率，前人已经从水稻品种、氮肥类型、施肥技术和水分管理等多个角度进行了大量的研究[11-15]。但是，有关土壤肥力对水稻氮肥利用效率及其去向的影响研究仍然很少。PENG等[16]研究表明，低肥力、中肥力和高肥力湖泊冲积性水稻土的氮肥回收率分别为16%、18%和25%，而氮肥损失率分别为77%、72%和64%，这说明提升土壤肥力不仅能提高氮肥回收率，还能降低氮肥的损失率。NORMAN等[17]的研究表明，在34—101 kg·hm-2的施氮量条件下，高肥力土壤水稻的氮肥回收率显著高于低肥力土壤，而当施氮量为134—168 kg·hm-2时，不同肥力土壤氮肥回收率基本无差异。其原因是低肥力土壤自身土壤氮素较低，且氮肥回收率受施氮水平的影响。王秀斌等[18]的研究发现，不管施氮水平高低，水稻氮肥回收率均是低产田高于中产田，中产田高于高产田，作者认为可能与水稻品种的耐肥性有关。但是，范立慧等[19]试验表明，高地力土壤第一年水稻的氮肥回收率均高于低地力土壤，而第二年的结果却相反，表明气象因子也可能影响水稻氮肥利用对土壤肥力的响应。许多针对旱作土壤的研究也表明，土壤肥力显著影响氮肥回收率和去向[20-21]。【本研究切入点】前人关于稻田土壤肥力对氮肥利用效率的研究大部分是利用差减法计算氮肥回收率，无法解析氮肥的真实回收率及其去向，因此无法揭示土壤肥力对氮肥利用、残留和损失的影响。此外，氮肥回收率受气候条件、地形和水分管理等多个因素的综合影响[22]。因此，前人基于田间不同肥力地块的对比研究无法排除其他因素的干扰而单独揭示土壤肥力水平对水稻氮肥回收率的影响。【拟解决的关键问题】本研究通过选取不同肥力的土壤，利用15N同位素示踪技术，采用盆栽试验，揭示了不同肥力红壤性水稻土对水稻产量、氮肥利用效率及其去向的影响，为红壤性水稻土的土壤培肥和合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

2016年11月，在江西省红壤研究所内（江西省进贤县，28°15'30"N，116°20'24"E）广泛选取高、中、低不同产量水平的水稻田块，采集其耕层土壤样品（0—15 cm），并标记采样地点。土壤样品带回室内风干，分别测定pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾和土壤质地。以土壤有机质含量为筛选标准（土壤有机质含量相差10 g·kg-1左右），选取母质相同（第四纪红色黏土）、质地相似的高、中、低3种不同肥力的土壤，其基本理化性质见表1。2016年12月采集所选取田块的耕层土壤样品，风干后过2 mm筛，用于2017年的盆栽试验。盆栽试验在江西农业大学试验站网室内进行（江西南昌，28°46′17″N，115°49′52″E）。网室采用铁丝网建造，长宽高分别为12、5和8 m。网室主要是防止鸟害，其光照、温度和降水与外界环境一致。但是，为了防止溢水造成氮素流失，本试验在降雨时以雨棚遮盖，采用人工灌溉。试验站年平均温度17.5℃、年平均降水量1 600 mm。

表1 不同肥力红壤性水稻土的基本理化性质

1.2 试验设计

试验设3种肥力水平，分别为低肥力（FL）、中肥力（FM）和高肥力（FH），3种施氮水平，分别为0、0.10、0.15 g N·kg-1干土（对应大田施氮量为0、150和225 kg·hm-2，分别记作N0、N150和N225）。试验共9个处理，分别为FLN0、FLN150、FLN225、FMN0、FMN150、FMN225、FHN0、FHN150和FHN225，每个处理重复3次，采用完全随机设计。采用塑料桶进行盆栽试验，桶高21 cm，上部内径28 cm，底部内径20 cm，每盆装干土4 kg。

水稻于2017年4月20日播种，品种为Y两优5867（籼型两系杂交稻品种）。采用大田育秧，5月18日移栽，每盆2穴，每穴1苗。氮肥采用丰度为20.16%的15N同位素标记尿素（上海化工研究院）。氮肥按基肥﹕蘖肥﹕穗肥=5﹕2﹕3分3次施用。所有处理磷、钾肥施用量相同，每千克干土施P2O50.06 g，K2O 0.1 g。磷、钾肥一次性基施，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。整个水稻生长期保持2—3 cm淹水层，严控病、虫害和杂草。

1.3 样品采集与测定

水稻成熟后，将植株分为籽粒、茎叶和根系，于105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，并考察有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重。植株样品粉碎后测定氮素含量和15N丰度。同时，采集土壤样品，一部分风干后磨细用于测定土壤氮素含量及其15N丰度和固定态铵含量，另一部分鲜土4℃保存，48 h内测定微生物生物量氮、铵态氮和硝态氮。

土壤和植株各器官氮素含量采用凯氏定氮仪测定，15N同位素丰度采用Finnigan-MAT-251型质谱仪测定。微生物生物量氮采用适于淹水土壤的常压氯仿熏蒸-浸提法[23]测定，浸提液中的总氮采用凯氏定氮仪测定。土壤固定态铵采用KOBr-KOH法[24]测定。铵态氮和硝态氮采用2 mol·L-1KCl溶液浸提，连续流动分析仪（SKALAR SAN++，荷兰）测定。

1.4 数据处理与分析

基于15N示踪技术的植株氮素来源于土壤和肥料的比例根据Hauck和Bremner的方法[25]计算：

植株氮素来源于氮肥的比例（Ndff, %）=（施氮处理植株15N丰度-空白处理植株15N丰度）/（氮肥15N丰度-氮肥自然丰度）×100； （1）

植株氮素来源于土壤的比例（Ndfs, %）=100-Ndff； （2）

植株吸收的肥料氮（mg·pot-1）=Ndff×植株总吸氮量； （3）

氮肥回收率（%）=植株吸收的肥料氮/施氮量×100； （4）

氮肥残留率（%）=（施氮处理土壤15N丰度-空白处理土壤15N丰度）/（氮肥15N丰度-氮肥自然丰度）×土壤全氮含量/施氮量×100； （5）

氮肥损失率（%）=（施氮量-水稻吸收氮肥量-土壤残留氮肥量）/施氮量×100。 （6）

此外，本研究还采用传统的差减法计算了氮肥对

产量的贡献率（简称为氮肥贡献率）、土壤氮素依存率和氮肥的利用效率，计算方法见参考文献[29]。

采用DPS V7.05数据处理系统进行数据统计分析，采用最小显著性差异法（LSD）进行显著性检验（<0.05）。

2 结果

2.1 土壤肥力和施氮量对水稻产量及其构成的影响

土壤肥力对水稻产量有极显著的影响（表2）。在相同施氮量条件下，土壤肥力越高水稻产量越高，且均达到显著水平。施氮量对水稻产量也有极显著的影响，相同土壤肥力条件下，施氮量越多，水稻产量也越高，除FHN150和FHN225处理外，差异均达到显著水平。土壤肥力和施氮量对水稻产量具有极显著的互作效应。与N0相比，N150和N225在FL、FM和FH上的增产率分别为63%和89%、40%和55%、17%和23%。

土壤肥力和施氮量对有效穗数均有极显著的影响，且二者均有极显著的互作效应（表2）。相同施氮量条件下，有效穗数随土壤肥力的提升而增加。施氮肥对中、低肥力土壤的有效穗数有显著的增加作用，但在高肥力土壤上只有高施氮量（225 kg·hm-2）具有显著影响。土壤肥力对每穗粒数无显著影响，但呈增加趋势。施氮肥对每穗粒数亦无显著影响。土壤肥力对结实率和千粒重均有极显著影响，高肥力土壤的结实率和千粒重显著高于中、低肥力土壤。总体而言，水稻产量的增加主要是来自于有效穗数的提高。

表2 土壤肥力（F）和施氮量（N）对水稻产量及其构成的影响

FL、FM和FH分别代表低、中和高肥力土壤。N0、N150和N225分别代表施氮量为0、150和225 kg·hm-2。同一列中数据后不同字母表示处理间在<0.05水平上差异显著。表3同

FL, FM, and FHmean low, medium, and high fertility soils, respectively. N0, N150, and N225mean the N application rate at 0, 150, and 225 kg·hm-2, respectively. Different letters in the same column indicate significant difference at<0.05. The same as Table 3

土壤肥力和施氮量对水稻产量的氮肥贡献率和土壤氮素依存率均有极显著的影响（图1）。在N150施氮量下，氮肥对水稻产量的贡献率为15%—39%，而在N225施氮量下，氮肥贡献率为19%—47%。在N150施氮量下，土壤氮素依存率为61%—82%，而在N225施氮量下，土壤氮素依存率为52%—77%。在相同施氮量的条件下，土壤肥力越高，氮肥对水稻产量的贡献率越小，而水稻产量对土壤氮素的依存率越高。相同土壤肥力条件下，N225处理的氮肥贡献率显著高于N150处理，而土壤氮素依存率则低于N150处理。

2.2 土壤肥力和施氮量对水稻氮素吸收及其来源的影响

土壤肥力和施氮量对水稻总吸氮量均有极显著的影响（表3）。水稻植株总吸氮量随着土壤肥力的提升而显著增加，且施氮量越多吸氮量越高。土壤肥力和施氮量对水稻植株吸收的土壤氮素和肥料氮素的数量及其比例均有极显著的影响，且二者具有显著的互作效应。总体而言，植株吸氮量中来自肥料氮素的比例平均只有21%，而来自土壤氮素的比例达到79%。与总吸氮量变化一致，在相同施氮量的条件下，随着土壤肥力的提高，植株对土壤氮素和肥料氮素的吸收量均显著增加。在相同施氮量的条件下，随着土壤肥力的提高，植株吸氮量中来自肥料氮素的比例显著降低，而来自土壤氮素的比例显著提高。相同土壤肥力下，N225处理植株吸收肥料氮素的比例显著高于N150处理，而吸收土壤氮素的比例显著低于N150处理。

2.3 土壤肥力和施氮量对肥料氮去向的影响

土壤肥力对水稻氮肥回收率有极显著的影响，且与施氮量有极显著的互作效应（图2）。水稻对氮肥的回收率为41%—54%，氮肥残留率为18%—30%，氮肥损失率为16%—39%。土壤肥力越高，相同施氮量处理的氮肥回收率越高。在低肥力土壤上，与N150处理相比，N225处理显著提高了氮肥回收率，在中肥力土壤上，二者没有显著差异，而在高肥力土壤中，N225处理却显著降低了氮肥回收率。土壤肥力和施氮量均极显著地影响氮肥残留率。土壤肥力越高，相同施氮量处理的氮肥残留率越高，而N225处理的氮肥残留率显著低于N150处理。土壤肥力和施氮量均极显著地影响氮肥的损失率，且二者有极显著的互作效应。土壤肥力越高，氮肥的损失率越低，而增加施氮量会增加氮肥的损失率。在低肥力土壤上，增加施氮量对氮肥损失率影响不显著，而在中、高肥力土壤中，增加施氮量显著增加氮肥损失率。

FL、FM、FH分别代表低、中和高肥力土壤。N150和N225分别代表施氮量为150和225 kg·hm-2。图柱上不同字母表示处理间在P<0.05水平上差异显著。误差线表示标准差。下图同

表3 土壤肥力（F）和施氮量（N）对水稻吸氮量及其来源的影响

“-”表示未参与计算。Ndff和Ndfs分别表示来源于肥料和土壤的氮素比例

“ - ” means no data are available. Ndff and Ndfs mean N uptake derived from fertilizer and soil, respectively

图2 土壤肥力（F）和施氮量（N）对氮肥去向的影响

2.4 基于差减法计算的土壤肥力和施氮量对氮肥利用效率的影响

利用传统差减法计算氮肥的利用效率如图3。土壤肥力对氮肥的农学效率有极显著的影响。高肥力土壤的农学效率显著低于中、低肥力土壤。增加施氮量有降低氮肥农学效率的趋势，但未达到显著差异水平。氮肥表观回收率受土壤肥力的显著影响，且与施氮量有显著的互作效应。在N150处理下，氮肥表观回收率随土壤肥力的升高呈下降趋势，而在N225处理下，中肥力土壤上氮肥表观回收率最高。在中肥力土壤上，增加施氮量显著提高了氮肥表观回收率，而在其他两个肥力土壤没有显著差异，虽然呈略微降低趋势。土壤肥力和施氮量对氮肥偏生产力均有极显著的影响，且二者有极显著的互作效应。在相同施氮量条件下，随着土壤肥力的提升，氮肥偏生产力显著增加。在相同肥力土壤上，增加施氮量显著降低了氮肥偏生产力。随着土壤肥力的提升，氮肥偏生产力的下降速率增加，与N150处理相比，N225处理在FL、FM和FH土壤上的氮肥偏生产力分别下降了30%、35%和43%。相同施氮量条件下，提升土壤肥力能降低氮肥生理效率。在相同土壤肥力下，增加施氮量会降低氮肥生理效率。

2.5 土壤肥力和施氮量对水稻根系重量的影响

土壤肥力和施氮量对水稻根系干重均有极显著的影响，二者亦具有显著的互作效应（图4）。总体而言，根系干重占总生物量的比例很低，比例只有9%—17%。土壤肥力越高，相同施氮量条件下根系干重越大。施氮量对水稻根系干重有显著的影响，在中、低肥力土壤上，施氮量越高根系干重越大，而在高肥力土壤上，施氮肥处理降低了根系干重。

2.6 土壤肥力和施氮量对土壤活性氮素的影响

土壤肥力和施氮量对土壤微生物量氮、硝态氮、铵态氮的含量均有显著影响（图5）。在相同施氮量条件下，微生物量氮、铵态氮和矿质氮变化随土壤肥力的提高而增加，且差异达到显著水平。在相同肥力土壤上，增加施氮量能增加微生物生物量氮和铵态氮的含量。除低肥力土壤外，增加施氮量对硝态氮含量无显著影响。

图3 基于差减法计算的土壤肥力（F）和施氮量（N）对水稻氮肥利用效率的影响

图4 土壤肥力（F）和施氮量（N）对水稻根系干重的影响

2.7 土壤肥力和施氮量对土壤固定态铵的影响

土壤肥力对固定态铵的含量有极显著的影响（图6），在相同施氮量条件下，提升土壤肥力能显著增加固定态铵的含量。施氮量对固定态铵也有极显著的影响，在相同土壤肥力上，增加施氮量能增加固定态铵的含量，但N150和N225处理间差异不显著。土壤肥力和施氮量对固定态铵的含量有极显著的互作效应，即高肥力土壤增施氮肥对固定态铵含量的增加率显著低于中、低肥力土壤。

3 讨论

3.1 土壤肥力对水稻产量的影响

本研究表明，在不施氮肥的条件下，水稻基础产量的变化与土壤肥力的变化是一致的，这说明红壤性水稻土以土壤有机质为筛选指标来确定土壤肥力的高低是合理可行的。本研究表明，土壤肥力与施氮量对水稻产量具有显著的互作效应，增施氮肥均能增加水稻产量，但增产率随土壤肥力的升高而降低。这主要是因为土壤肥力越低，土壤供氮能力越弱（表3，图5），植株对氮肥的响应越敏感，因此，氮肥的增产效果越显著[26]。这表明低肥力土壤增施氮肥的增产作用显著，而高肥力土壤适当降低施氮量，也能获得较高产量[27-28]。因此，要根据土壤肥力水平来确定适宜的施氮量[19]。

3.2 基于差减法和示踪法的氮肥回收率的差异

本研究表明，传统差减法计算的氮肥回收率的变化趋势与示踪法计算的氮肥回收率的变化趋势不一致。主要原因是土壤肥力越高，水稻吸收更多的肥料氮，因此，在相同施氮量下，示踪法计算的氮肥回收率随土壤肥力的升高而升高（表3）[22]。在差减法中，决定氮肥回收率的是施氮处理与空白处理的吸氮量之差。而随着土壤肥力的提升，尽管施氮处理吸氮量和空白处理吸氮量均增加（表3），但是，空白处理增加的速率远大于施氮处理，导致两者的差值减小，因而，氮肥回收率呈降低趋势。而在同位素示踪法中，氮肥回收率只与植株吸收的氮肥多少有关，因此，土壤肥力越高，植株吸收的化学氮肥越多，氮肥回收率也越高。

图5 土壤肥力（F）和施氮量（N）对土壤微生物量氮、铵态氮和硝态氮含量的影响

从各处理吸收的土壤氮素（表3）可以看出，施氮刺激了植株吸收更多的土壤氮素，即氮肥的激发效应，例如FLN0处理的吸氮量为443.0 mg/pot，而示踪法计算的FLN150处理对土壤氮素的吸收量为560.0 mg/pot。因此，差减法高估了氮肥的贡献，掩盖了土壤肥力对氮肥吸收的影响，导致氮肥回收率远高于示踪法计算的氮肥回收率。而且，土壤肥力越低，氮肥的激发效应越强，导致相同施氮量下高肥力土壤的氮肥表观回收率低于低肥力土壤（图3）。同时，传统差减法计算的氮肥表观回收率没有将施氮量、作物吸氮量和土壤氮库变化联系起来，无法解析土壤残留氮肥对土壤氮库的补充作用，更不能反映氮肥在土壤-植物-大气系统中的损失情况[27]。因此，我们认为在研究氮肥的去向时，采用示踪法计算的氮肥回收率更为科学。此外，示踪法能够区分作物对化学氮肥的吸收率和残留率，有利于更为真实地认识目前我国的氮素利用效率[22]。

图6 土壤肥力（F）和施氮量（N）对土壤固定态铵含量的影响

此外，FMN225的氮肥回收率高于FMN150，而在高肥力土壤上则相反（图3）。这可能是由于225 kg·hm-2的施氮量在中肥力土壤上属于适宜的施氮量，而在高肥力土壤上，此施氮量超过了适宜用量，导致氮肥损失严重，因而，FHN225的氮肥回收率低于FHN150。因此，对于低肥力土壤不仅要适当增施氮肥，更要培肥土壤，提高基础地力；而对于高肥力土壤在保证较高产量目标的条件下，确定适宜的施氮量以降低氮肥损失和维持土壤氮库平衡，从而维持较高的土壤生产力[27]。

3.3 土壤肥力对水稻氮肥吸收及其去向的影响

本研究表明，植株当季吸收的氮素来源于土壤的比例为70%—85%，而来源于氮肥的比例为15%—30%。这说明植株当季吸收的氮素大多数来源于土壤[30-31]。本研究以土壤有机质划分土壤肥力的高低，而土壤有机质与土壤氮素含量高度相关。因此，土壤肥力越高，水稻植株总吸氮量中来自土壤氮的比例越大，而来自肥料氮的比例越小[20]。

土壤肥力是导致氮肥利用、残留和损失差异的重要因素[32]。本研究表明，提升土壤肥力能提高氮肥回收率和残留率，降低损失率（图2）。主要原因有：第一，高肥力土壤能供给更多更均衡的土壤养分，包括氮磷钾等大量元素和其他微量养分。而且，高肥力土壤具有良好的土壤结构（虽然盆栽试验破坏了耕层结构，但过2 mm筛的土壤依然体现了土壤团聚体、孔隙度等物理结构的差异）[33]，有利于根系的生长发育，扩大了根系的数量和吸收面积[34]。本研究中高肥力土壤供氮能力更强，即不施氮肥处理植株吸收的氮素更多（表3），根系生物量也更多（图4）。第二，高肥力土壤的缓冲能力、阳离子交换能力和养分固持能力更强。本结果也表明高肥力土壤的活性氮和固定态铵的含量最高（图5，图6）；第三，高肥力土壤具有更多的碳源来固持氮素，从而使土壤碳循环和氮循环过程耦合的更为紧密。这表现在高肥力土壤有机质含量高，提高了微生物的数量和活性，固持了更多的活性氮，有利于减少氮肥损失[20]。本研究也表明高肥力土壤微生物量氮库也最高（图5）；第四，有研究表明较高肥力土壤有利于土壤微生物量氮的保蓄[35]。施肥后，土壤微生物初期固持的氮素，在其死亡后又重新被植物吸收利用[36]。因此，高肥力土壤能够更好地协调土壤供氮与植株需氮之间的关系，从而提高氮肥回收率，减少氮肥损失[21]。

本结果表明增施氮肥对不同肥力土壤的水稻氮肥回收率影响不同。在低肥力土壤上，增施氮肥（150 kg·hm-2vs. 225 kg·hm-2）显著提高了氮肥回收率，在中肥力土壤上影响不显著，而在高肥力土壤上，增施氮肥显著降低了氮肥回收率（图2）。从表3可以看出，在低肥力土壤上，与施氮量150 kg·hm-2处理相比，225 kg·hm-2处理植株对肥料氮吸收量的增加率为60%，大于施氮量的增加率50%，因此氮肥回收率增加；在中肥力土壤上，增施氮肥后肥料氮吸收量的增加率为51%，与施氮量增加率接近，因此氮肥回收率差异不显著；而在高肥力土壤上，增施氮肥对肥料氮吸收量的增加率只有39%，远低于施氮量的增加率，因此氮肥回收率降低。而NORMAN等[17]研究发现，在34—168 kg·hm-2的施氮量范围内，高肥力土壤和低肥力土壤的氮肥回收率都持续增加。可能是因为其施氮量远低于本试验，且其土壤肥力水平也远低于本研究。因此，需要依据土壤肥力水平确定水稻适宜的施氮量。在低肥力土壤上适当增施氮肥既能增产又能提高氮肥回收率；而在高肥力土壤上则需要适当降低施氮量，在维持较高产量水平的条件下，既能增加氮肥回收率，又能降低氮肥损失[21]。

3.4 本研究的不足

本研究采用过筛后的土壤，并以土壤有机质为主的化学肥力指标作为土壤肥力的筛选标准，不能全面反应土壤结构、耕层特性等土壤物理肥力指标对水稻生长、氮素吸收的影响[37]。此外，盆栽试验与田间试验在耕层土壤属性、氮素损失途径、作物群体效应和微气象等方面差异较大，在田间条件下土壤肥力对水稻氮肥回收率的影响有待进一步研究。另外，不同水稻品种对氮素的吸收利用存在较大差异，是否存在品种与土壤肥力的互作效应还需要进一步研究[17]。如引言所述，以往对田间不同肥力地块的对比研究无法真正揭示土壤肥力水平对水稻氮肥回收率的影响，因此，我们建议可以利用现有长期施肥定位试验所形成的土壤肥力梯度，采用15N示踪技术阐明不同稻田肥力对水稻氮肥回收率及其去向的影响[20-21, 36]。最后，本研究仅采用了一种土壤类型和3个土壤肥力梯度，其他土壤类型和更多肥力水平土壤是否也表现出相同的规律还有待进一步研究。

4 结论

对红壤性水稻土的研究表明，提高土壤肥力能显著增加水稻的有效穗数、产量、总吸氮量以及对土壤氮素和肥料氮素的吸收量，提高氮肥回收率和残留率，降低氮肥损失。低肥力土壤上增加施氮量增加了氮肥回收率，而高肥力土壤上增加施氮量降低了氮肥回收率。因此，通过培肥土壤并根据土壤肥力合理施用氮肥，不仅能提高水稻产量和氮肥利用效率，还能减少氮肥损失，降低环境污染，从而实现水稻的可持续生产。

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（责任编辑 李云霞）

Effects of Soil Fertility on Rice Yield and Nitrogen Use Efficiency in a Red Paddy Soil

PENG WeiFu1, 2, LÜ WeiSheng3, HUANG Shan1, ZENG YongJun1, PAN XiaoHua1, SHI QingHua1

(1School of Agricultural Sciences, Jiangxi Agricultural University/ Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding(Jiangxi Agricultural University), Ministry of Education, Nanchang 330045;2College of Biology Science and Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045;3Jiangxi Institute of Red Soil / National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement/Scientific Observational and Experimental Station of Arable Land Conservation in Jiangxi, Ministry of Agriculture, Nanchang 331717)

【Objective】Soil fertility is the basis for high rice yield in the red paddy soil. It is critical to clarify the effects of different fertility levels on crop yield and nitrogen (N) use efficiency, thereby providing scientific evidence for soil fertility improvement and appropriate fertilizer management in red paddy soil. 【Method】A pot experiment was carried out on red paddy soils with similar texture and different fertility levels (The level of soil organic matter represented the level of soil fertility) with the15N isotopic tracer technique. The effects of soil fertility (FL, FM, and FHrepresent low, medium, and high fertility soils with a soil organic matter 19.9, 29.6, 38.9 g·kg-1, respectively) and N fertilizer rate (N0, N150, and N225represent the N application rate at 0, 150, and 225 kg·hm-2, respectively), with 9 treatments (FLN0, FLN150, FLN225, FMN0, FMN150, FMN225, FHN0, FHN150, and FHN225) on rice yield and its composition, N uptake and its fate were investigated. 【Result】Increasing soil fertility and N fertilization significantly increased the number of effective panicles, yield, and total N uptake of rice. Compared with N0, FL, FM, and FHincreased rice yield by 63%, 40% and 17% under N150treatment, respectively, with 89%, 55% and 23% under N225treatment, respectively. In medium and low fertility soils, increasing the N rate significantly increased rice yield, whereas no significant difference was found between the FHN150and FHN225treatments. Using the15N tracing technique, we found that the uptake of fertilizer N and soil N by rice plants increased with the increasing soil fertility under the same N application rate. However, the proportion of N derived from soil (Ndfs) increased with the increasing soil fertility, while the proportion of N derived from fertilizer (Ndff) showed the opposite trend. Increasing N fertilization rate led to an increase in Ndff, while reducing Ndfs. The average N recovery efficiency (NRE) of FL, FM, and FHwas 42%, 48% and 52%, respectively; with the average N fertilizer residue rate of 20%, 23% and 28%, and the average N fertilizer loss rate of 38%, 29% and 20%, respectively. The NRE of FLN225was significantly higher than FLN150with no significant difference with FMsoils, while the NRE of FHN225was significantly lower than FHN150. Increasing soil fertility significantly increased the contents of soil microbial biomass N, ammonium N, and fixed ammonium. 【Conclusion】These results indicated that the higher of the soil fertility, the higher of the rice yield, the NRE and the N residual rate in the red paddy soil were, and the lower of the N loss rate was. Therefore, increasing N application rate was effective to increase both rice yield and NRE in low fertility soils. In contrast, an appropriate reduction in N application rate might benefit rice NRE and reduce fertilizer N losses without compromising rice yield.

soil fertility;15N isotopic tracing; red paddy soil; nitrogen use efficiency; fertilizer N fate

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.18.017

2018-03-08；

2018-05-07

“十三五”国家重点研发计划（2016YFD0300903, 2017YFD0301605）、国家自然科学基金（31460336）

彭卫福，E-mail：pengwei_fu@126.com。通信作者黄山，E-mail：ecohs@126.com