减氮条件下不同施肥措施对双季稻产量和N肥利用的影响

向璐，周萍,，盛良学，李巧云，马蓓，吴金水,

（1. 湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙 410125）

土壤有机碳积累与土壤碳输入和输出有关，不同的农业管理措施（如施肥、秸秆还田）主要通过增加碳输入来促进土壤有机碳的积累。过去30年来我国水稻土的固碳效应明显，固碳潜力较大[1-3]，其中以南方双季稻种植区水稻土的固碳能力最强[4]。这主要归因于化肥投入不断增加下水稻持续增产所带来的有机残体输入量的增加所致[1-3]。但是，过量施用化肥导致的肥料利用率低、土壤养分失衡以及由此引起的水体富营养化等问题日趋严峻[5-7]。我国N肥利用率为35%左右，而双季稻区的N肥利用率明显低于全国平均水平[8]。因此，如何做到亚热带区稻田土壤固碳、增产与N肥高效利用的“共赢”对于提升亚热带区域土壤碳汇效应和维持生态环境质量至关重要。

有机物料配合化肥施用在提升土壤有机碳水平与作物产量的同时，亦可提高农作物对肥料氮素的利用效率，是减少化肥施用量、促进土壤培肥增产的有效途径[7,9-13]。我国有机肥与化肥配施下N肥的利用效率较单施化肥提升了32%～57%，从而保证了农业土壤在粮食、气候和人类安全中的综合环境与生态功能[7,10]。亚热带区畜禽粪便、水稻秸秆等农业有机物料资源丰富，通过与化肥配合或者替代部分化肥施用，不仅培肥土壤，提高N肥利用率，还可以促进种养殖废弃物的资源化利用，从而保护农业环境。目前，我国已有大量关于有机无机肥配施促进稻田土壤培肥与增产的报道[9,14-16]。这些研究大多是等氮条件下有机肥替代部分化学N肥，或者在施用化学N肥的基础上额外施用有机肥（可能导致肥料氮素施用过量）。而在高N肥投入的亚热带区，通过减少总氮输入并配合有机物料氮替代部分化肥氮来维持双季稻田固碳稳产的研究还相对较少。

目前湖南省农业有机物料的利用率持续偏低，导致化肥施用量居高不下、氮素利用率持续处于较低水平，仅为30%。据统计，2013年湖南省共有秸秆、畜禽粪便等有机资源1.1亿t，仅有57.5%用于土壤培肥[8]。因此，本研究以位于湖南省典型双季稻区的田间定位试验为研究对象，在减少总氮输入的基础上，分析当地水稻秸秆和粪肥替代部分N肥对双季稻田培肥和肥料氮素利用的影响，为亚热带区合理的农业管理措施下实现稻田培肥、化肥削减和有机废弃物资源化利用的共赢提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

定位试验位于湖南省长沙县金井镇的中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站（113°19′52″E，28°33′04″N），属中亚热带季风气候，年均气温为17.5 ℃，年均降雨量为1 330 mm。试验田土壤为麻砂泥，母质为花岗岩风化物。试验开始时耕层（0～20 cm）土壤有机碳含量为17.49 g/kg，全氮含量为1.86 g/kg，容重为1.30 g/cm3，pH值为5.06。

1.2 试验设计

田间小区试验开始于2013年，共设置 5个处理：1）对照（CK）：不施肥；2）常规N肥（CF）：N肥用量分别为早稻120 kg/hm2、晚稻150 kg/hm2；3）75% N肥（DF）：N肥用量为CF处理的75%；4）N肥配施稻草（RS）：稻草N与化肥N各占DF的50%；5）N肥配施粪肥（OM）：粪肥N与化肥N各占DF的50%。除CK外，其他处理P、K肥用量相同，分别为P 18 kg/hm2和K 80 kg/hm2，早、晚稻各占50%，其中有机肥的P、K含量抵消等量的化肥P、K用量。每个处理3 次重复，随机区组排列，各小区面积为35 m2（5 m × 7 m）。小区之间用水泥埂隔开，以防小区间窜水窜肥，试验区外围设保护行。试验所用N肥为尿素（含N 46%），P肥为过磷酸钙（含P2O512%），K肥为氯化钾（含K2O 60%），粪肥为当地牛粪。稻草、牛粪和磷、钾肥均作为基肥一次性施入，尿素按基肥50%、分蘖肥30%和穗肥20%的比例分次施入。2016年所施稻草的有机碳含量为394 g/kg，全量N、P、K含量分别为8.19 g/kg、2.07 g/kg和19.50 g/kg；新鲜牛粪的有机碳含量为84.11 g/kg，全量N、P、K含量分别为3.16 g/kg、0.77 g/kg和1.94 g/kg。当年早、晚稻季稻草的施用量分别为8 t/hm2和9 t/hm2，新鲜粪肥的施用量分别为14 t/hm2和18 t/hm2。

试验采用早稻—晚稻—冬季休闲的种植制度。早、晚稻均为当地优质稻品种。早稻于4月下旬移栽秧苗，5月初追施分蘖肥，6月下旬追施穗肥，7月中旬收获并测产；晚稻于早稻收获后2～3 d移栽秧苗，7月底追施分蘖肥，9月上旬追施穗肥，10月下旬收获并测产。小区田间管理按当地实际管理措施进行，病虫害防治采用物理防治为主，不施化学农药。

1.3 样品采集与测定

于2016年早、晚稻收获后分别按小区实测早、晚稻产量，实际产量用烘干法折算，以烘干重计产。各小区耕层（0～20 cm）土样于11月初晚稻收获后按“S”形随机采集5点，混匀后根据四分法取土壤样品 1 kg 左右，室内风干，磨细过1 mm和0.25 mm筛备用。

土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮（TN）采用硫酸-加速剂消煮，FIAstar5000流动注射分析仪测定（瑞典福斯）。

1.4 数据处理与统计分析

肥料N素农学利用效率（ANUE，kg/kg）计算方法[9]为：

ANUE = (Yf–Yc)/ (Nc+Ym×Nm)式中：Yf和Yc分别表示施肥和对照处理的水稻产量（kg/hm2），Nc表示化肥N的施入量（kg/hm2），Ym为稻草或粪肥的施用量（kg/hm2），Nm为稻草或粪肥的含N量。

数据采用Microsoft Excel 2003进行处理，统计分析用SPASS 13.0统计软件对不同处理方式之间的差异进行ANOVA分析，LSD法进行差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理间双季稻产量的差异

不同施肥处理间早、晚稻产量分别介于2.72～4.45 t/hm2和 2.85～4.19 t/hm2（图 1）。与常规 N 肥（CF）相比，75%N肥（DF）处理并未显著影响早、晚稻产量。N肥配施稻草（RS）处理早稻产量显著降低，降幅为28%，晚稻产量则显著增加了25%（P＜0.05）；而N肥配施粪肥（OM）处理与CF相比，其早稻产量并无显著差异，晚稻产量则增加了11%（P=0.05）。就维持水稻产量而言，75%的常规N肥用量基本能够保证早、晚稻的产量，在此基础上N肥配合粪肥施用能够进一步促进晚稻产量的增加，但是N肥配合稻草施用仅对晚稻产量有促进作用，而早稻则表现为减产趋势。

CF、DF、RS和OM处理下全年水稻产量分别为7.60 t/hm2、7.83 t/hm2、7.26 t/hm2和 8.05 t/hm2。 与CF相比，DF处理下全年水稻产量略有增加，OM处理则增加显著，而RS处理并未明显改变全年水稻产量，说明N肥配合粪肥施用能够较常规施肥显著增加全年水稻产量，而稻草施用的增产效果并不明显。3种减量N肥处理中，以RS处理的水稻产量显著低于OM和DF处理，而后两者之间并无显著差异（P＜0.05）。这表明与DF相比，减N条件下N肥配合粪肥施用能够维持全年水稻产量，而N肥配合稻草施用下水稻产量有下降趋势，也就是说，减N条件下施用稻草的稳产效果并不如粪肥。

图1 不同施肥处理的早、晚稻产量Fig. 1 Early and later rice yields between different fertilizations

2.2 不同施肥处理间N肥农学利用效率的差异

N肥农学利用效率（ANUE）除了RS处理下表现为早稻低于晚稻外，其它3种施肥处理均为早稻高于晚稻（图2）。CF、DF、RS和OM处理下早稻的ANUE分别为13 kg/kg、19 kg/kg、4 kg/kg和18 kg/kg，以RS处理显著最低，其次为CF处理，而DF和OM处理相对较高（P＜0.05）。晚稻的ANUE从大到小依次为RS（15 kg/kg）＞OM（10 kg/kg）＞DF（6 kg/kg）＞CF（4 kg/kg）（P＜0.05）。与CF处理相比，DF和OM处理均促进了早稻和晚稻对肥料N素的吸收利用，而RS处理仅仅在晚稻季促进肥料N素的利用，但在早稻季却降低了N肥的农学利用效率。

就全年ANUE来看，CF、DF、RS和OM处理分别为10 kg/kg、13 kg/kg、9 kg/kg和14 kg/kg，以DF和OM两种处理相对较高（P＜0.05），而RS与CF处理之间并无显著差异。减N条件下DF和OM处理的ANUE分别较CF提高了30%和40%，进一步促进了N肥的有效利用。相反，RS处理的ANUE与CF相当，却较DF处理降低了31%，说明减N条件下N肥与稻草配施并不利于肥料N素的利用。

图2 不同施肥处理N肥农学利用效率Fig. 2 Fertilizer N agronomic efficiency under different fertilizations

2.3 不同施肥处理间土壤有机碳含量与C/N的差异

试验第4年，CK、CF、DF、RS和OM处理0～20 cm耕层SOC含量分别为16.51 g/kg、18.06 g/kg、17.77 g/kg、21.13 g/kg和 19.49 g/kg（图 3）。除了CK处理的SOC较试验开始时（17.49 g/kg）有明显下降外，其余几种施肥处理均较试验开始时有不同程度的增加，可见不同施肥均能促进土壤SOC的积累。与CK相比，CF、DF、RS和OM处理的耕层SOC含量分别增加了9%、8%、28%和18%，以RS处理增加最多，其次为OM处理（图3）。有机无机肥配施由于外源有机物质的输入其SOC积累相对较快，而单施化肥处理仅有根系分泌物和植物残体等的输入，其SOC的增加幅度相对较小。与CF相比，减N条件下DF处理的SOC含量能够维持土壤SOC的积累，而RS和OM处理分别较CF增加了17%和8%。

与SOC的变化相反，CK、CF、DF、RS和OM处理0～20 cm耕层土壤全氮（TN）含量分别为1.54 g/kg、1.56 g/kg、1.64 g/kg、1.60 g/kg 和 1.64 g/kg，与试验前（1.86 g/kg）相比均有所下降，而各施肥处理之间并无明显差异（图3）。根据耕层土壤SOC和全N含量，计算出耕层土壤的碳氮比（C/N，图4）。与CK相比，CF、RS和OM处理均显著提高了耕层土壤C/N，以RS处理的土壤C/N最高（P＜0.05），而DF处理土壤C/N与CK相比并无显著差异（P＞0.05）。与CF相比，减N条件下DF处理的C/N降低，这可能跟土壤全N含量的降低有关；而RS和OM处理由于有机物质的输入其C/N显著增加，其中稻草自身较高的C/N也可能是导致RS处理C/N高于OM处理的原因之一。

图3 不同施肥处理耕层土壤有机碳和全氮含量Fig. 3 Topsoil SOC and TN contents under different fertilizations

图4 不同施肥处理耕层土壤碳氮比Fig. 4 Topsoil C/N ratio under different fertilizations

3 讨论

3.1 不同施肥处理对水稻产量与N肥利用的影响

施肥是保障作物高产的重要措施之一，其贡献率可达30%～50%[9,15-19]。近年来，为了追求水稻高产，N肥施用量不断增加，尤其是在亚热带地区N肥盈余现象更为严重[7]。过量的N肥施用不仅导致肥料利用效率下降，也造成一定的环境风险（氮素盈余）。本文定位试验结果显示，将N肥施用量从常规用量减少到75%并未明显减少全年水稻产量。因此，在不降低水稻产量的前提下，亚热带双季稻区75%的常规N肥用量能够维持水稻产量，从而可以降低因化学N肥施用过量造成的潜在环境风险，并可有效保障亚热带地区的粮食安全。在75%N肥施用的基础上，将化肥N与粪肥N或稻草N配合施用，不仅能够进一步减少化学N肥的施用，还能将农业有机废弃物资源化。但是减N条件下化肥与粪肥或稻草配施的稳产效果存在差异。化肥配施粪肥的全年水稻产量相比较于75%N肥处理略有上升，稳产效果明显；而化肥配施稻草的全年水稻产量却显著低于75%N肥处理，主要是早稻的减产所致。

我们前期整合分析了亚热带区28个双季稻田长期定位试验的结果，发现等N条件下有机无机肥配施能明显增加水稻产量，提升SOC水平和N肥农学利用效率，以化肥与粪肥配施的效果最为显著，其次为稻草配施处理[9]。由此可见，无论是等N还是减N条件，化肥配合粪肥施用对双季稻的增产与稳产效果均优于稻草还田，等N条件下稻草还田由于其明显的固碳与增产效应（尽管增产幅度低于粪肥）可以作为亚热带区有机培肥的一项有效措施，但是减N条件下化肥配合稻草还田却会导致早稻产量的下降，仅对晚稻有增产作用，需谨慎选择稻草还田的时机。

本试验中不同施肥处理全年水稻产量的N肥农学利用效率介于9～13 kg/kg，除了N肥配施稻草处理明显低于常规N肥处理外，其余处理相互之间差异不大，均在Pan等[20]所报道的关于太湖地区水稻土N肥农学利用效率的范围（11.8～18.2 kg/kg）之内。但是，本文中不同施肥处理下早稻和晚稻之间N肥农学利用效率的差异较大。总的来说，常规N肥和75%N肥处理下早稻的N肥农学利用效率均高于晚稻；N肥配施稻草处理正好相反，表现为晚稻远高于早稻；只有N肥配施粪肥处理下早、晚稻之间的N肥农学利用效率差异不大。究其原因可能是N肥配施粪肥处理下粪肥的施用能够维持比较稳定的N素供应水平，促进土壤N素对于水稻生长的供应能力[21-22]。而稻草由于自身C/N较高，加上早稻季施用稻草时（4月）气温并不高，稻草的腐解较困难，导致其土壤C/N也为最高，进而可能导致肥料N素的固定，从而降低水稻生长过程中肥料N素的供应能力；而晚稻季施用稻草时正值高温天气（7月），有利于稻草的腐解，对肥料N素的固定作用减弱[23]，这也是前述减N条件下N肥配施稻草处理早稻产量下降而晚稻产量增加的原因之一。因此，就N肥农学利用效率而言，化肥配合粪肥施用的效果优于稻草。

3.2 不同施肥处理对土壤有机碳含量的影响

水稻土具有持续固碳的能力，肥料施用能明显提升土壤有机碳水平，其中以化肥与有机肥或秸秆配施的效果最为显著，最大固碳速率可达0.5 t/(hm2·a)[24-29]。我们前期关于亚热带双季稻区28个不同年限定位试验的整合分析也表明，长期化肥配施猪粪或秸秆下土壤固碳速率为0.48～0.67 t/(hm2·a)，明显高于单施化肥处理[9]。本研究中，不同施肥处理下土壤SOC含量均有不同程度的增加，其中常规N肥、75%N肥、N肥配施稻草和N肥配施粪肥处理分别较对照增加了9%、8%、28%和18%（图3），以N肥配施稻草和粪肥处理下SOC的增幅明显高于常规N肥和75%N肥处理，与前期研究结果的趋势相一致。单施化肥可以增加水稻产量、促进水稻秸秆和根系分泌物等向土壤的传输，从而利于SOC的积累[9]。但是，单施化肥同时也促进了土壤有机质的矿化损失，从而可能部分抵消了SOC的积累[6]。而N肥配合有机物料（稻草/粪肥）施用由于外源有机物质（稻草/粪肥）的输入贡献，其SOC的增加幅度明显高于常规N肥处理。

C/N作为有机物质腐殖化程度的指标，其比值越高，有机物质的腐解程度越低[30]。本文中除了75% N肥处理外，其余几种施肥处理均较对照显著增加了土壤C/N，其中以N肥配施稻草处理的土壤C/N明显最高，其次为粪肥配施化肥处理。稻草和粪肥施用下较高的土壤C/N可能跟外源碳的输入有关。综合考虑，减N条件下N肥与粪肥配合施用可能是亚热带区促进水稻增产稳产、土壤固碳和N肥减施增效共赢的一种有效的施肥方式，而稻草施用需谨慎考虑水稻产量和肥料N素的农学利用效率等问题。

4 结论

本文定位试验研究表明，75% 的N肥用量与常规N肥相比可以维持双季稻产量与耕层土壤有机碳水平，并可提高N肥农学利用效率。减N条件下N肥配合稻草施用能够促进晚稻增产，但却在更大程度上导致早稻减产，从而降低了全年水稻产量与N肥农学利用效率。而减N条件下N肥配合粪肥施用不仅能进一步减少化学N肥的施用量，还可有效维持早、晚稻产量与N肥农学利用效率，其效果优于稻草。

由于本试验的试验年限较短（4年），尚需要进一步试验分析减N条件下粪肥与稻草施用的长期效果。目前结果显示减N条件下稻草还田导致早稻减产但却促进晚稻增产，下一步研究可以考虑仅晚稻季的稻草还田对土壤培肥与N肥利用的影响。

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