控制灌溉氮肥减施对土壤氮素分布及氮素利用率的影响

张忠学，宋 健，齐智娟，张作合，黄 艳，王 柏

（1.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；2.农业农村部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 150030;3.绥化学院农业与水利工程学院，黑龙江 绥化 152061；4.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 100050）

黑土是肥力最高、最适宜农耕和最具生产力的土壤类别[1]。东北作为世界三大黑土区之一，普遍存在氮肥超量使用问题，肥料氮施入土壤后，其利用程度和损失取决于土壤氮转化特征及保持、供应过程，土壤氮仍是作物生长所需氮素重要来源[2]。氮肥过量抑制黑土供氮能力，氮利用率下降，造成土壤有机质逐年下降，肥沃黑土层不断“变薄变硬”[1]。适量减少施氮量有利于提高氮素利用率；但过度减施可能造成减产。因此在满足作物生长需求条件下减氮，保证作物稳产及增产，需配合田间管理措施。

灌溉作为一项重要田间管理措施，对稻田氮素利用具有重要影响。不合理灌溉造成的氮素淋溶损失已成为限制下调氮素供应量并提高氮肥利用率的瓶颈[3]。与常规淹灌相比，控制灌溉有效提高土壤氮素有效性，激发土壤供氮能力，提高水稻对土壤氮素吸收量，有效降低稻田氮素淋失风险[4]，弥补氮素减施所引起的减产风险。桂娟等研究表明，节水灌溉下，土壤缺少淹水层，有利于硝化作用，减少氮素淋溶损失[5]。尹海峰等研究表明相较于常规淹灌，控制灌溉下灌水量、渗漏水量较少，基质浓度偏高，在水肥耦合交互影响下，控制灌溉减氮施肥可有效降低渗漏中铵态氮浓度，减少氮肥无效损失，提高氮肥利用率[6]。李荣刚等研究表明，相较于常规淹灌，节水灌溉根系发育和植株生长更具明显优势，土壤中水、气、热状况调节合理，无毒害物质产生，可减少氮素渗漏量，提高氮肥当季利用率[7]。因此充分利用黑土高肥力优势探究节水灌溉下减施氮肥，在农业生产过程中提升水肥资源利用效率，对农业可持续发展具有重要意义。

本文以传统淹灌常规施氮量为对照，通过对比分析控制灌溉减施氮肥条件下稻田土壤剖面矿质氮、可溶性有机氮、微生物量氮累积量及氮肥利用率，筛选出维持土壤肥力、减少氮素流失的更适宜水肥管理模式，以期为东北黑土区水肥可持续利用提供参考和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年在庆安国家灌溉试验重点站开展，该站为典型寒地黑土区，多年平均温度为2.5℃，多年平均降雨量55 cm，多年平均水面蒸发量75 cm。作物生长期157~172 d，全年无霜期128d。试验地水稻种植已达20年以上，土壤耕层为11.3 cm，犁底层为10.5 cm，土壤容重1.21 g·cm-3。土壤基本理化性质为：pH 6.45，土壤基础肥力（均为质量比）：有机质41.8 g·kg-1、全氮1.51 g·kg-1、全磷15.23 g·kg-1、全钾20.11 g·kg-1、碱解氮198.29 mg·kg-1、有效磷36.22 mg·kg-1和速效钾112.06 mg·kg-1。

1.2 试验设计

以常规淹灌常规施氮（纯氮），即110 kg·hm-2作为对照，控制灌溉设置5个施氮水平（纯氮），即N1（常规施氮，110 kg·hm-2），N2（减氮10%，99 kg·hm-2）、N3（减氮20%，88 kg·hm-2）、N4（减氮30%，77 kg·hm-2）、N5（0），同时设置淹灌零氮N6（0）为空白对照。两种灌溉模式分蘖末期进行晒田，黄熟期自然落干。在控制灌溉模式下，返青期田面保持0~3 cm水层，其他生育阶段灌水上限为饱和含水率，在分蘖前、中、末期，拔节孕穗期，抽穗开花期以及乳熟期保持土壤含水率下限分别为饱和含水率85%、85%、60%、85%、85%、70%，传统淹灌其余生育期保持田面3~5 cm水层。21个试验小区随机排列，每个小区面积为100 m2，小区之间田埂向地下埋深40 cm塑料板防止水肥交换。试验水稻品种为绥粳18，种植密度25穴·m-2，各时期氮肥施加比例为基肥、蘖肥、穗肥等于5∶2∶3；钾肥（K2O）施入量为80 kg·hm-2，以基肥和穗肥比例1∶1施入；磷肥（P2O5）施入量为45 kg·hm-2，作为基肥一次性施入。

1.3 观测内容与方法

干物质量及植株氮含量：在成熟期选取不同处理中具有代表性植株样品3穴，冲洗干净切除根并分离器官，烘箱中105℃杀青30 min，然后调至80℃烘干至恒重，称量不同器官干物质量。然后粉碎处理，过筛（80目），混合均匀装入样品袋，测样品全氮含量利用H2SO4-H2O2消煮法作前处理，后用AA3型连续分析仪（Seal Analytical GmbH，德国，灵敏度0.001 AUFS）测定。

土壤氮素累积量：于水稻成熟期用100 mL环刀分层取土样，分别为0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm，每层3个平行土样，原状土样105℃干燥至质量恒定，测定土壤含水率。部分样品用1 mol·L-1KCl溶液震荡1 h浸提后过滤，使用AA3型连续流动分析仪（Seal Analytical GmbH，德国，灵敏度0.001 AUFS）测定硝态氮、铵态氮含量。采用K2S2O8氧化法在线氧化测定总可溶性氮（TSN）含量。微生物量氮采集三层新鲜土样，放入冰箱4℃冷藏。测定微生物量氮含量采用氯仿熏蒸-K2SO4方法。

不同土层铵态氮和硝态氮积累量（Nmin），根据公式计算，即：

式中，D-土层厚度（cm）；Pb-土壤容重（g·cm-3）；C-某土层无机氮质量比（mg·kg-1）。

土壤可溶性有机氮含量公式为：

式中，S-土壤可溶性有机氮含量（kg·hm-2）；T-土壤总可溶性氮含量（kg·hm-2）；Nmin-土壤微生物量氮含量（kg·hm-2）。

不同土层微生物量氮（MBN）积累量，根据公式计算，即：

式中，EN-从熏蒸土壤中提取的总N-从非熏蒸土壤中提取的总N；kN-转换系数，取0.54[8]。

氮素相关指标根据公式计算，即：

式中，NPEP-氮肥偏生产力（kg·kg-1）；NAE-氮肥农学效率（kg·kg-1）；NUE-氮肥表观利用率（%）；YN-施氮区籽粒产量（kg·hm-2）；Y0-不施氮区籽粒产量（kg·hm-2）；FN-施氮小区氮肥用量（kg·hm-2）；UN-施氮区氮素积累量（kg·hm-2）；U0-不施氮区氮素积累量（kg·hm-2）。

产量：水稻成熟期采用五点取样法，选取具有代表性水稻5穴，计算有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量，并折算成经济产量。

1.4 数据统计分析

数据分析采用Excel 2016，统计分析采用SPSS17.0，绘图采用Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 节水灌溉减施氮肥对土壤NH 4+-N累积量的影响

如图1所示，不同处理土壤0~20 cm土层NH4+-N积累量差异显著（P＜0.05）。NH4+-N积累量在控制灌溉模式下，随施氮量减少逐渐下降。相较于CK处理，N1、N2处理0~20 cm土层土壤NH4+-N累积量分别升高28.18%、21.71%，而N3、N4、N5、N6处理则分别降低8.40%、18.34%、30.77%、36.65%，表明控制灌溉适当减施氮肥显著增加土壤0~20 cm土层NH4+-N累积量，但过量则会导致NH4+-N累积量降低。相较于CK处理，控灌下20~40 cm土层随施氮量减少NH4+-N累积量分别下降27.26%、36.14%、40.15%、44.25%、53.36%，N6处理下降43.24%。控制灌溉下40~60 cm土层随施氮量减少，各施氮水平NH4+-N累积量较CK分别下降30.65%、39.75%、42.88%、48.29%、57.12%，N6处理下降45.73%，其中N3和N4施氮水平在深层NH4+-N累积量差异未达显著水平（P＞0.05）。

图1 不同处理下水稻生育期后土壤各剖面铵态氮累积量Fig.1 Accumulation of NH 4+-N in soil profile of each treatment after rice harvesting

两种灌溉模式NH4+-N累积量均随土层深度增加而逐渐减少，CK处理0~20 cm至20~40 cm土层降幅为6.24%。与CK处理相比，控制灌溉土层NH4+-N累积量下降幅度更显著，随施氮量减少0~20 cm和20~40 cm土层降幅分别为46.79%、50.81%、38.75%、35.99%、36.84%。CK处理20~40 cm至40~60 cm土层NH4+-N累积量降幅为18.61%。与CK处理相比，控制灌溉20~40 cm至40~60 cm土层NH4+-N累积量降幅为22.32%~25.17%。表明控制灌溉合理减施氮肥（N1、N2）0~20 cm土层NH4+-N累积量更高，保证作物根区黑土肥力且减少20~60 cm土层氮素向下层土壤运移。

2.2 节水灌溉减施氮肥对土壤NO3--N累积量的影响

如图2所示，控制灌溉0~20 cm土层随施氮量减少，NO3--N累积量较CK处理分别增加35.63%、26.76%、11.37%、4.88%。N5、N6处理分别降低7.08%、16.01%。控制灌溉下深层土壤随施氮量减少，NO3--N累积量逐渐降低。相较于CK，20~40 cm土层NO3--N累积量降低42.24%~52.23%，40~60 cm土层NO3--N累积量降低70.04%~78.66%。其中N3和N4施氮水平土壤深层NO3--N累积量差异不显著（P＞0.05）。

图2 不同处理水稻生育期后土壤各剖面硝态氮累积量Fig.2 Accumulation of NO3--N in soil profile of each treatment after riceharvesting

两种灌溉模式NO3--N累积量均随土层深度增加呈先增后降趋势，CK处理20~40 cm较0~20 cm土层NO3--N累积量增幅为187.45%。相较于CK，控灌下随施氮量减少，0~20 cm至20~40 cm土层NO3--N累积量增幅为22.42%~47.77%。CK处理20~40 cm至40~60 cm土层NO3--N累积量降幅为39.13%，控制灌溉随施氮量减少，20~40 cm至40~60 cm土层NO3--N累积量降幅为68.43%~72.81%。

2.3 节水灌溉减施氮肥对土壤SON累积量的影响

如图3所示，灌溉方式与施氮量对土壤0~60 cm土层SON累积量差异显著（P＜0.05）。相较于CK处理，控制灌溉合理减施氮肥增加土壤0~20 cm土层SON累积量，其中N1、N2、N3施氮水平分别增加14.44%、9.58%、0.5%，N4、N5、N6施氮水平分别下降6.27%、15.96%、20.36%。相较于CK处理，控制灌溉降低20~40 cm、40~60 cm土层SON累积量，且随施氮量减少SON累积量逐渐降低。其中相较于CK，控制灌溉20~40 cm土层随施氮量减少分别降低4.64%、7.89%、15.05%、19.44%、29.53%。N6处理下降12.97%。控制灌溉40~60 cm土层随施氮量减少较CK处理分别减少7.58%、11.26%、18.45%、23.74%、34.23%。N6处理下降16.57%。结果表明，常规淹灌SON累积量随土层深度增加呈先升后降趋势。CK处理0~20 cm至20~40 cm土层SON累积量上升幅度为10.77%，而20~40 cm和40~60 cm土层SON累积量变化幅度较小仅为2.16%，常规淹灌下SON已淋溶到深层土壤，易对地下水造成危害。而控制灌溉下SON累积量均随土层深度增加呈下降趋势，随施氮量减少0~20 cm至20~40 cm土层SON累积量降幅为4.79%~7.70%，20~40 cm至40~60 cm土层SON累积量降幅为5.17%~8.69%。

图3 不同处理水稻生育期后土壤各剖面可溶性有机氮累积量Fig.3 Accumulation of SON in soil profileof each treatment after riceharvesting

2.4 节水灌溉减施氮肥对土壤MBN累积量的影响

如图4所示，不同处理土壤表层MBN累积量差异显著（P＜0.05）。控灌合理减施氮肥相较于CK处理增加土壤0~20 cm土层MBN累积量，其中N1、N2、N3处理分别增加8.14%、6.02%、0.69%。N4、N5、N6处理则分别下降3.31%、7.35%、10.59%。控制灌溉各处理随施氮量减少20~40 cm土层MBN累积量较CK处理分别下降7.74%、15.30%、18.72%、20.41%、21.78%，40~60 cm土层MBN累积量较CK分别下降36.85%、52.79%、54.30%、55.04%、55.77%。过量减施氮肥（N3、N4）深层土壤MBN累积量无显著差异（P＞0.05）。控制灌溉减施氮肥使土壤0~20 cm土层MBN累积量提高，且20~60 cm土层MBN累积量下降。研究表明，MBN主要集中在0~20 cm土层。CK处理0~20 cm至20~40 cm MBN累积量降幅为59.17%，而控制灌溉随施氮量减少0~20 cm至20~40 cm MBN累积量降幅为65.17%~67.38%。常规淹灌20~40 cm至40~60 cm土层MBN累积量降幅为61.54%，而控灌随施氮量减少20~40cm至40~60 cm MBN累积量降幅为73.67%~78.57%。两种灌溉模式下MBN累积量均与土层深度呈负相关。相较于CK处理，控制灌溉随施氮量减少0~20 cm至20~40 cm土层下降幅度提高8.49%~20.74%，20~40 cm至40~60 cm土层下降幅度提高1.24%~10.45%。可见，与CK处理相比，控制灌溉（N1、N2）可弥补氮肥减施造成的MBN损失，同时更有利于保持黑土供氮能力，维持土壤氮库稳定。

图4 不同处理水稻生育期后土壤各剖面微生物氮累积量Fig.4 Accumulation of MBN in soil profileof each treatment after riceharvesting

2.5 不同灌溉模式下减施氮肥对产量及氮肥利用率的影响

如表1所示，相较于CK处理，控制灌溉模式适当减施氮肥使水稻经济产量、NPFP、NAE、NRE有所增加。其中N1、N2处理较CK处理水稻经济产量分别增加5.74%、2.09%，可弥补减氮造成的减产风险。过量减施氮肥（N3、N4）则无法满足作物正常生长需求，甚至引起产量下降。控制灌溉模式随施氮量减少氮肥偏生产力逐渐升高，与CK处理相比分别升高5.74%、14.33%、17.12%、21.07%；控制灌溉模式随施氮量减少氮肥农学效率呈先增后减趋势，其中N1、N2、N3处理与CK处理相比增幅分别为17.10%、20.69%、1.52%。N4处理则出现下降，N1与N2处理氮肥农学效率无显著差异（P＞0.05）。控灌下氮肥表观利用率随施氮量下降呈先增后降趋势，其中N1、N2、N3处理与CK处理相比增幅分别为13.42%、19.16%、2.57%，N4处理下降。过量减施氮肥导致减产，但氮肥农学效率、氮肥表观利用率未持续升高。

表1 不同处理的产量及氮肥利用率Table 1 Yield and nitrogen useefficiency of different treatments

3 讨论

矿质氮是植株氮素重要来源，可直接被吸收利用，水肥管理对矿质氮含量均有重要影响。与常规淹灌相比，控制灌溉提高土壤0~20 cm土层NH4+-N、NO3--N累积量，降低20~60 cm土层NH4+-N、NO3--N累积量。控制灌溉水分减少，脲酶活性提高，促进尿素分解生成铵态氮，从而提高矿质氮累积量[9]，控制灌溉的NH4+-N主要累积在表层，且随土层深度增加逐渐减小。可能是由于NH4+-N极易被带负电荷的土壤胶体所吸附，淋失能力减弱[10]。相较于CK处理，控制灌溉下减氮10%提高表层土壤NH4+-N积累量，有利于对土壤养分吸收利用。减氮超过20%降低NH4+-N含量，可能是因过量减氮无法满足作物所需氮素，大量消耗土壤氮素。

土壤可溶性有机氮是土壤氮库中最活跃的组分之一，其含量与土壤氮素矿化和土壤微生物量氮均呈显著正相关[11]。试验表明，相较于常规淹灌，控制灌溉提高0~20 cm土层SON累积量，可能是因施入土壤的化学氮素在生物因素和非生物因素[12-13]与非生物因素[14]作用下使无机氮素转化为有机氮的结果。Dail等研究结果表明，当硝态氮施入土壤后，仅5%转化为难溶性有机氮，绝大部分转化成为可溶性有机氮[15]。相较于常规淹灌，控制灌溉降低20~60 cm土层累积量。因为SON易随土壤水分运移造成淋溶损失，控制灌溉可降低SON向深层土壤运移，提高水稻土壤酶活性[16]，增强根活性，促进根系下扎，有利于截获淋融到土壤深层的氮素，降低深层氮素积累量，与董娴娴等研究结果一致[17-18]。其中控制灌溉减氮10%使可溶性有机氮处于较高水平，可能因黑土区土壤肥力较高，为微生物提供充足碳源，增加其活性所致[19]。

微生物氮是植物生长养分重要来源，反映土壤同化和矿化能力，与NH4+-N、SON累积量正相关，是土壤活性标志[20]。本研究中MBN主要集中于0~20 cm土层，相较于CK处理，N1、N2、N3处理可以提高土壤表层MBN累积量。说明控制灌溉有助于加快土壤有机质分解，改善土壤微生物区系结构，促进土壤腐殖质形成，最终有助于土壤矿质元素转化[9]。控制灌溉可形成土壤水分轻度亏缺，为生命提高必需水分，且有效改善土壤通气状况，为微生物创造良好生活环境。且常规淹灌降低土壤通透性[17]，限制土壤腐殖质分解和微生物繁殖。N4较CK处理出现下降，可能因施氮量较低，土壤养分不平衡，导致微生物活性降低。控制灌溉适宜的施氮量有利于土壤微生物活动与土壤健康，实现以肥调水，以水促肥。控制灌溉随施氮量减少MBN累积量逐渐下降，主要是由于氮肥对硝态氮异化还原成铵过程和反硝化过程中的某些酶起到激活作用，促进硝态氮异化还原成铵作用和反硝化作用[21]。但郝晓辉等研究表明单施化肥对MBN含量无显著影响[22]，与本研究存在差异，可能是由于土壤肥力、质地等因素不同而引起。因此，关于节水灌溉减施氮肥对微生物氮的影响机理，有待进一步研究。

氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥表观利用率均是反映作物氮肥吸收利用率常用指标[23]。本研究在节水灌溉条件下对减施氮肥土壤中氮素转化进行研究，结果表明，相较于CK处理，控制灌溉促进植株氮素积累，更有利于氮素向无机氮转化，提高氮肥利用率。控制灌溉模式有利于维持氮代谢酶活性，促进氮素累积与运转，提升氮素利用率。与王肖娟等研究结果一致[24]。由于黑土区肥力较高，减氮10%水平更利于土壤氮素转化，减少氮素淋失，保持水稻高产，显著增强氮肥利用率。而过量减氮20%、30%水平微生物量氮含量无显著差异（P＞0.05），甚至较CK处理下降，且产量降低，因MBN累积量反映土壤供氮能力，适量减氮可激发土壤供氮能力，过量减氮（N3、N4）则消耗土壤氮素，可能无法维持作物生长所必需氮素要求。

4 结论

a.N1、N2处理0~20 cm土层NH4+-N积累量大于CK处理，N3、N4处理累积量则小于CK处理。20~60 cm土层均小于CK处理。两种灌溉模式NO3--N随土层深度增加均呈先升后降趋势。

b.控制灌溉相较于常规淹灌提高土壤0~20 cm土层SON含量，而20~60 cm土层累积量则显著下降。随土层深度增加呈下降趋势，降低SON向深层土壤运移。

c.两种灌溉模式下，MBN累积量均与土层深度呈负相关。相较于CK处理，N1、N2处理0~20 cm土层MBN累积量分别增加8.14%、6.02%，保证作物根区土壤肥力，N4处理则下降。

d.相较于CK处理，控制灌溉下氮肥利用率提高5.74%~29.79%，控制灌溉模式下随施氮量减少氮肥农学效率、氮肥表观利用率呈先增再减趋势。综合考虑土壤氮素转化及氮肥利用率，控制灌溉减施10%水平氮肥为最优处理。