秸秆还田水肥耦合对氮素利用的影响

何孝光，陈立冬，李志强，邓彬彬，杨传清

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.张家港市长江防洪工程管理处，江苏 苏州 215600)

农业生产中不合理的施肥是造成农业面源污染的重要原因之一。秸秆还田条件下的水肥耦合不仅解决了秸秆的资源化利用，减少因秸秆焚烧对环境的污染，同时可以减少总氮流失和提高氮素利用水平。现有研究基本探明了秸秆还田对作物生长、产量形成的影响[1- 3]以及改良土壤的重要作用[4- 5]，得到了秸秆还田结合实地氮肥管理可提高氮收获指数、氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥生产力的结论[6]，同时认为小麦秸秆还田可明显的减穗、改善稻米的蒸煮食味品质以及提高氮肥利用率，水稻氮肥的利用效率受不同灌溉模式及氮肥水平的影响较大[7- 9]，在优化肥料施用的处理下，可提高氮肥的偏生产力、利用率和农学效率等指标[10]。

本文通过盆栽试验，研究秸秆还田条件下水肥耦合对总氮流失和氮素利用的影响，寻找最佳的水肥耦合方案，为合理制定农业灌溉制度、施肥方案提供参考依据，进而达到节省水肥、减少农业活动对环境的污染、改善农业生态环境的目的。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

盆栽试验位于扬州大学农水试验场人工栽培室，试验场地属亚热带湿润气候区，多年平均温度为14.8℃、日照时数2140h、降水量1020mm、无霜期220d。试验土壤为沙壤土，其中土壤中有机质含量为1.12%，速效磷含量为8.513mg/kg，总磷含量为0.775g/kg，碱解氮含量为14.274mg/kg，总氮含量为0.526g/kg，土壤肥力中等，供试水稻品种为扬梗9538。

盆栽试验采用塑料圆桶，圆桶上口直径为35cm、桶底直径为25cm、桶高30cm。试验塑料桶底部安设16mm直径水平透水管道排水，排水管包裹透水土工布，上铺10～20mm厚细沙，装满试验土壤。排水出口固定于桶壁，并安装塑料球阀用于排水控制。

1.2 试验设计

试验设3个试验因子，分别为还田秸秆、土壤水分和施氮量。其中施N(纯氮)水平为324、270、216kg/hm2；秸秆还田量S水平为0、4200、6000kg/hm2；水分胁迫W水平为分蘖后期水分胁迫、分蘖后期和结实后期水分胁迫、正常水分处理。选用L9(34)正交组合，具体正交情况如下表1，共9个处理，各处理3次重复，对照1组。

试验管理措施除水分、养分、秸秆还田措施外，其它与普通大田农业管理保持一致。对照区不施肥，其他处理相同。6月中旬插秧，至10月上、中旬收割。

试验施肥比例采用基肥(40%)、分蘖肥(20%)、拔节肥(40%)，将土壤与基肥混匀后装入试验桶内，稍加压实；接着进行灌水泡土，持续时间为3d；然后按每盆3株，将秧田内秧苗移栽至试验桶内，所有处理根据实际要求，均用相同的磷、钾肥做底肥。运用快速测定仪在水稻生产期间测定土壤含水量，同时按照试验设计要求进行控制灌水。试验方案见表1。

表1 试验方案(盆栽)

1.3 测定内容与方法

为探明在秸秆还田条件下，水肥耦合对氮素利用和总氮流失的影响，本次试验主要针对秸秆总氮含量、试验后土壤总氮含量和水样总氮含量以及产量进行了测定。

其中秸秆总氮含量采用H2SO4-H2O2-靛酚蓝比色法测定，土壤总氮含量采用开氏消煮-靛酚蓝比色法测定，盆栽测桶排水总氮含量采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定(取样时间为8月15日、8月18日、8月25日、9月18日)。

2 结果分析

2.1 秸秆还田下水肥耦合对氮素利用的影响

2.1.1秸秆还田水肥耦合对氮素利用率的影响

(1)对植株氮素积累的影响

试验结果见表2，可以看出在施肥量和秸秆还田量保持不变的前提下，随着水分胁迫程度的增加，水稻单位植株总氮含量也随之增加(W2>W1>W3)，根据试验结果分析，轻微的水分胁迫有助于水稻植株氮素的积累，但是在灌水量过多时，可能会抑制水稻氮素的积累，主要原因是土壤水分较多时，不利于气体更新，抑制了水稻根呼吸，降低根系活性，抑制氮素的吸收。表2影响分析可以看出，施肥量的适度提高对水稻单位植株氮素积累有一定的促进作用，但是增幅效果不明显。根据试验结果显示，在组合S1N1W2情况下，水稻单位植株总氮含量达到最高。

通过方差分析见表3可知，水稻单位植株氮素积累量与秸秆还田量、施肥量和水分控制相关性不显著。

表2 不同因素对水稻单位植株总氮含量的影响

表3 不同因素对水稻单位植株总氮含量影响的方差分析

注：方差分析中P<0.05为显著水平、P>0.05为不显著水平、P<0.01为极显著水平，下同。

(2)对氮肥吸收利用率的影响

在合理的肥料施用范围内，随着氮肥施用量的增加，水稻氮素的吸收利用率呈现增加趋势，但当施肥量超过一定范围时(270kg/hm2)，水稻的氮素吸收利用率呈现出下降的趋势，由此可见，施肥量的适度增加有利于提高水稻氮素吸收利用率，见表4。秸秆还田对水稻氮素吸收利用有一定的促进作用，但当秸秆还田量超过4200kg/hm2后，水稻氮肥的吸收利用效率增长较慢，原因是过量秸秆还田后，在微生物作用下大量的氮素用于秸秆的腐解，导致土壤中氮素下降，从而降低水稻植株对氮素的吸收利用。可见秸秆还田技术有利于水稻氮素的积累，适当的秸秆还田量有利于提高生产效率。适度的水分胁迫对水稻氮肥吸收利用有提高作用，过度的水分胁迫则不利于水稻氮肥吸收利用率的提高。

表4 不同因素对水稻氮肥吸收利用率的影响

根据方差分析见表5，水稻的氮肥吸收利用率与秸秆还田量、施肥量呈极显著相关关系，与水分控制呈显著相关关系，由此可见，水稻氮素吸收利用率受秸秆还田量、施肥量和水分控制影响较大。在实际的农业生产中，合理有效的运用灌溉措施、耕作方式及植物营养措施可提高肥料的吸收利用。试验结果表明，水稻的氮肥吸收利用率在处理秸秆还田量(6000kg/hm2S3)、施肥量(270kg/hm2N2)、水分控制(分蘖后期水分胁迫W1)组合下达到最高。

表5 不同因素对氮肥吸收利用率影响的方差分析

2.1.2秸秆还田水肥耦合对氮素利用率的影响

根据影响分析见表6可知，水稻氮肥农学利用率在适度的水分胁迫下可提高，但是在水分胁迫严重时，则抑制氮肥农学利用率的提高。在适度的施肥范围内，随着施肥量的增加，水稻氮素的农学利用率呈增加趋势，但是当施纯氮超过一定范围时(270kg/hm2)，水稻氮肥的农学利用率出现下降，且幅度较大。适度的秸秆还田对水稻氮肥农学利用率的提高有促进作用，但是当秸秆还田量超过4200kg/hm2时，水稻氮肥的农学利用效率呈下降趋势，这是因还田秸秆量过大时，在秸秆腐殖质化过程中微生物需消耗过量氮素，产生“微生物掘氮效应”。试验结果表明，在组合S2N2W1条件下，氮肥的农学利用率比较高。各因素对氮肥农学利用率影响的方差分析结果表明见表7，施肥量、秸秆还田、水分控制对氮肥农学利用率作用显著。

表6 不同因素对氮肥农学利用率的影响

表7 不同因素对氮肥农学利用率影响的方差分析

2.1.3秸秆还田下水肥耦合对氮肥偏生产力的影响

根据影响分析结果见表8可知，氮肥偏生产力随着施肥量的增加呈现下降趋势，且施肥量越大，下降趋势越明显，呈现极显著水平，同时可以看出，适当的降低肥料的施用量，可以有效的提高产量与施肥的经济效益。另外，根据水分控制分析结果可以看出，水分胁迫程度降低，可提高氮肥的偏生产力，而秸秆还田与氮肥偏生产力的相关性不显著见表9。在S2N3W3处理下，氮肥偏生产力达到最高，且肥料投入和产出比达到最高。

表8 不同因素对氮肥偏生产力的影响

表9 不同因素对氮肥偏生产力影响的方差分析

2.1.4秸秆还田下水肥耦合对土壤总氮含量的影响

见表10氮肥施用量从216kg/hm2增加到324kg/hm2时，可有效提高土壤的总氮含量。土壤的总氮含量随秸秆还田量增加而提高，可是影响并不显著，但秸秆可通过腐烂、降解等方式，可以有效的提高农田土壤的有机质含量，提升了土壤的肥力。在合理的水分管理范围内，充分的灌溉条件下，有利于秸秆腐殖质化与土壤总氮含量的提高。通过方差分析见表11，土壤总氮含量与水分控制和施肥量相关性呈现显著水平，而与秸秆还田的相关性不显著。

在处理秸秆还田量(6000kg/hm2S3)、施肥量(324kg/hm2N1)、水分控制(正常处理W3)组合下，土壤中总氮含量最高，说明高量施肥、高量秸秆还、充分供水条件下，有利于土壤总氮的积累，从而提高土壤的肥力。

表10 不同因素对土壤总氮含量的影响

表11 不同因素对土壤总氮含量影响的方差分析

2.2 秸秆还田下水肥耦合对总氮流失的影响

对测桶排水定期取样的水质测定结果表明，不同因素水平对总氮流失影响排序为：施N量，N3>N1>N2；秸秆还田量，S1>S3>S2；水分控制，W3>W1>W2。在无秸秆还田条件下，土壤中总氮的排出量受植物吸收及植物固氮能力影响，肥料施用以后，土壤中总氮含量明显增加，依据前期排水测量结果显示，水体中总氮含量也随之增加，随着水稻生长的需要，土壤中氮素被植物吸收，排入水体中总氮含量也相应降低，在后期的排水总氮检测中，由于植物吸收氮素含量的减少，同时随着土壤总氮的释放，水体中总氮含量会出现一定程度的上升，最终水体中总氮含量将稳定在一定范围内。土壤总氮流失量变化呈先多后少的趋势，并逐渐趋于平稳。

根据影响分析见表12，在秸秆还田量(0kg/hm2S1)、施肥量(216kg/hm2N3)、水分控制(正常处理W3)组合下，试验水样总氮含量最高，而在处理秸秆还田量(4200kg/hm2S2)、施肥量(270kg/hm2N2)、水分控制(分蘖后期、结实后期水分胁迫W2)组合处理下，水样中总氮含量达到最低，分析认为在保持中等施肥量、部分秸秆还田以及分蘖后期、结实后期水分胁迫条件下，氮素的利用相对较高，且水体的总氮含量也相对较低。

表12 不同因素对水样总氮含量的影响

3 结论

(1)在合理的施肥范围内，水稻氮肥吸收利用率随着施肥量和秸秆还田量的增加而增加，同时轻度的水分胁迫有利用水稻氮肥吸收利用；在秸秆全量还田下，土壤总氮含量达到最高；中等秸秆还田量及施肥量水平、分蘖后期及结实后期适当水分胁迫有利于减少土壤总氮流失量。

(2)综合考虑氮肥利用率和土壤总氮流失，中等秸秆还田量、施肥量(270kg/hm2)和分蘖后期水分胁迫组合为秸秆还田下的水稻最佳水肥耦合方案。研究对从源头控制氮肥面源污染，实现水稻生产的高产、优质和区域水环境保护具有重要意义。

(3)由于本试验是属于盆栽试验，试验结论受空间和土壤类型的限制，具有一定的局限性，应进一步考虑在田间进行试验对比分析。