不同供氮量对水稻土壤无机氮残留、氮平衡及产量的影响

张彬,魏文武

不同供氮量对水稻土壤无机氮残留、氮平衡及产量的影响

张彬,魏文武

眉山职业技术学院, 四川 眉山 620010

本文以不施肥试验地设置供氮梯度试验（CK），研究了不同供氮量（N1 40 kg·hm-2、N2 80 kg·hm-2、N3 1200 kg·hm-2、N4 160 kg·hm-2、N5 200 kg·hm-2、N6 240 kg·hm-2）对水稻地上部生物量累积、氮素吸收、土壤无机氮残留和土壤氮素平衡的影响，可为集约化农田最大化发挥化肥生态效应和优化氮素管理提供理论依据和技术参考。结果表明：施氮对水稻生物量积累和氮素吸收利用有明显的影响，与不施氮对照相比，施氮处理显著增加了水稻生物量、氮浓度、吸氮量增幅分别为31.69%~109.83%、15.08%~103.17%和54.18%~395.24%，其中N4水平增加量最大，之后有所降低；氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生产力氮浓度随施氮量增加呈先增加后降低趋势。整体上，土壤剖面无机氮含量自上而下呈现由高到低的变化，不同施氮处理间的差异主要体现在10 cm；0~50 cm剖面无机氮含量随施氮量增加显著增加，其中施氮量在240 kg·hm-2间增加缓慢，施氮量高于160 kg·hm-2后快速增加。从氮素主要的输入输出项来看，不同处理均有不同程度的盈余，大部分盈余氮素均在土壤0~50 cm剖面出现不同程度的累积。水稻土壤无机氮吸收量随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大，水稻土壤无机氮残留量呈相反的变化趋势。水稻有效穗、单株穗、结实率、产量和收获指数均随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大，之后有所降低。以上结果说明氮素对水稻生物量累积和氮素吸收利用起到一定的促进作用，但在施氮量高于160 kg·hm-2后促进作用有所降低。综合考虑绿肥的农学和环境效应，水稻种植体系中土壤供氮量应控制在160 kg·hm-2左右。

供氮量; 水稻; 无机氮; 氮平衡; 产量

工业革命在推动社会生产效率提升方面产生了无可替代的作用，随着人类资源利用方式的增多，多种矿物燃料等投入使用[1,2]，但是由于不合理的开发利用及燃料利用水平等原因制约，在此过程中不少环境问题难以避免地产生了[3]，尤其是水、大气污染方面的问题，这对于人类的可持续发展产生了严重制约。尤其是燃料在燃烧过程中难以避免地产生或多或少的氮成分[4,5]，这是大气中氮含量的主要来源之一，此外，由于农业生产中施用了不少化肥，在此过程中将会产生大量的含氮化合物[6]，这些都明显地增加了大气氮沉降。目前，该问题已成为全球性环境问题之一，欧洲、美国及中国成为氮沉降问题突出的国家[7,8]，较高含量的氮成分会加剧土壤的矿化速率，长期以来将会加剧土壤酸化；对于植物生长而言，氮是其必需元素之一，对于调节土壤起着重要作用，能够较为有效地调控营养物质，进而对作物生长产生较大影响[9]。

自古以来我国就是农业生产大国，在近代农业发展过程中化肥逐渐出现，并在农业生产中大量使用，一定程度上在增产增收方面作用显著[10-12]，对于肥力较差土壤的肥力提升起着重要促进作用。施用氮肥作为培肥的重要手段，能够将土壤有机质含量予以提升，促进微生物新陈代谢，很大程度上能够保持土壤活力[13]，因此使用较为广泛。对于水稻生产而言，其对氮素的需求较为明显，土壤无机氮能够为之提供较充分的氮含量，此外，绿肥矿化氮也为之提供了较多氮素，通过大量的研究发现，我国农田施肥明显存在过量的问题，在作物收割以后，土壤中依然存在较大的氮留存，尤其是无机氮，这是主要的氮源之一[14,15]，当氮素难以充分满足作物所需的时候，作物生长受限，且不利于土壤肥力及活性的保持，土壤生物量也将下降[16,17]，但是氮素含量过大的情况下土壤氮含量超标问题突出，因此保持土壤氮含量平衡能够促进作物生长的同时促进土壤肥力和活性的保持。基于此，本研究将从不同氮含量稻田来探究其对土壤及作物的影响，为了强化对照效果，将不施用氮肥样地作为对照组CK，供氮量40 kg·hm-2作为低氮区N1，并在此基础上成倍数递增，分别设置为样地N2、N3、N4、N5、N6，其中N6的供氮量达到240 kg·hm-2，然后分别探讨其对生物量及土壤氮素平衡的影响，进而为农田的集约化经营提供有益参考，进一步发挥氮肥的作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本实验选择在四川农业大学进行，并从2015年开始进行连续三年的实地研究，该实验区域呈现明显的温带大陆性气候特点，其年均气温近12 ℃，拥有长达2600 h的日照时数，其降雨主要集中在夏季三个月，由于其光照充足，其无霜期超过了290 d。本研究区域为稻田，以潮土为主，从地表向下50 cm深度呈现典型的壤土特点，其pH值达到6.3，有机质、全氮含量分别12.1、1.5 g·kg-1，而碱解氮、速效磷及钾分别为8.2、15.9、65.1 mg·kg-1。

为了比较不同氮含量的影响，特设置对照组CK，供氮量40 kg·hm-2作为低氮区N1，并在此基础上成倍数递增，分别设置为样地N2、N3、N4、N5、N6，其中N6的供氮量达到240 kg·hm-2，要求样地的长、宽均为2 m，并在各样地之间间隔 1 m以区分，为了提升实验准确性，特进行3次重复，各样地的磷、钾使用分别为150、125 kg·hm-2，在进行播种之前进行土壤旋耕处理，施用的底肥为尿素及硫酸钾；正式的播种日期为2015年9月15日，行距要求不低于15 cm，最后进行平耙处理，采取大田管理模式。

1.2 测定方法

1.2.1 植株生物量和吸氮量对生物量的测定选择在盛花期，各样地收获后进行测产，首先将样地的植株全部贴地刈割后称重，做好记录；接下来要随机选择一部分进行称鲜重，然后需要将其烘干，要求温度达到70 ℃，待其达到恒重状态后再次称量，接下来进行粉碎处理后进行氮素指标测定，具体借助于消煮法。生物量鲜重可以在鲜重和面积的基础上计算得到，干重可由鲜重的基础上去除水分含量得到，吸氮量的计算建立在氮含量及生物量的基础上。

1.2.2 氮素利用效率计算对氮素利用相关的效率计算如下[18]：氮吸收效率=吸氮量差/施氮量×100%；

氮利用效率=产量差/施氮量；氮偏生产力=施氮区产量/施氮量

1.2.3 土壤无机氮含量为了对土壤有机氮进行相应的测定，在不同土壤深度进行土样采集，过筛后混合，并从中取样30 g进行水分测定，具体采取烘干法；取样10 g进行无机氮测定，具体采用浸提法，并借助于流动分析仪开展具体指标测定。

1.2.4 氮平衡计算对氮平衡的计算如下[19,20]：氮平衡等于氮素投入与产出之差；氮素投入等于施氮量加上播种前的无机氮含量；氮素产出等于地上部吸氮量加上收获后的氮含量；氮盈余等于施氮量与地上部吸氮量之差。

首先对所获取的数据进行整理，之后借助于SPSS 21.0开展相应的分析检验，检验水平为0.05。

采用Excel 2007.00和SPSS 15.00数据统计和单因素方差分析（One-way ANOVA），多重比较法检验各处理间差异显著（置信水平设置为95%，<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同供氮量对水稻生物量累积和氮素吸收利用的影响

由表1可知，施氮对水稻生物量积累和氮素吸收利用有明显的影响。与不施氮对照相比，施氮处理显著增加了水稻生物量、氮浓度、吸氮量增幅分别为31.69%~109.83%、15.08%~103.17%和54.18%~395.24%，其中N4水平增加量最大，之后有所降低；氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生产力氮浓度随施氮量增加呈先增加后降低趋势，其中N4水平增加量最大，之后有所降低，氮素吸收率变化范围在18.98%~36.02%，氮素利用率变化范围在32.49%~53.06%，氮素偏生产力变化范围在9.48%~28.19%。以上结果说明氮素对水稻生物量累积和氮素吸收利用起到一定的促进作用，但在施氮量高于160 kg·hm-2后促进作用有所降低，而且将显著降低氮素利用效率。

表 1 不同供氮量对水稻生物量累积和氮素吸收利用的影响

2.2 不同供氮量对土壤无机氮含量和分布的影响

图 1 不同供氮量对土壤无机氮含量和分布的影响

由图1可知，施氮对水稻土壤无机氮含量及其剖面分布有显著影响。整体上，土壤剖面无机氮含量自上而下呈现由高到低的变化，不同施氮处理间的差异主要体现在10 cm，尤以10 cm差异明显，50 cm无机氮含量趋于一致，说明在本研究中不同供氮量对深层土壤无机氮淋洗发生较少；0~50 cm剖面无机氮含量随施氮量增加显著增加，其中施氮量在240 kg·hm-2间增加缓慢，施氮量高于160 kg·hm-2后快速增加。

2.3 不同供氮量对水稻氮素平衡的影响

本研究中土壤为多年不施肥土壤，氮素供应较低，不同施氮处理能较好地反映土壤的供氮不同水平。水稻生长季不同供氮量下氮素平衡计算结果表明（表2），受基础地力和绿肥生长季环境条件的影响，土壤矿化来源氮素较低，仅为9.87 kg·hm-2；尽管氮浓度逐渐增加趋势，但至80 kg·hm-2施氮量后氮平衡保持稳定，从氮素主要的输入输出项来看，不同处理均有不同程度的盈余，大部分盈余氮素均在土壤0~50 cm剖面出现不同程度的累积；包含土壤无机氮含量在内的氮素整体平衡呈现亏缺-基本平衡-盈余的阶段特征。以上结果整体上说明，在施氮量低于80 kg·hm-2时，吸氮量较低，整体氮素平衡为负值，消耗土壤氮库；在施氮量高于80 kg·hm-2时，吸氮量变化不大，整体氮素平衡为正值，补充土壤氮库，在80~160 kg·hm-2土壤氮素基本平衡，但氮素表观损失量在施氮量高于160 kg·hm-2后迅速增加。

表 2 不同供氮量对水稻氮素平衡的影响

2.4 不同供氮量对无机氮吸收量和残留量影响

由图2可知，水稻土壤无机氮吸收量随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大，之后有所降低，呈倒V型变化规律，水稻土壤无机氮残留量随着氮浓度的增加呈先降低后增加趋势，呈V型变化规律，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最低。

图 2 不同供氮量对无机氮吸收量和残留量影响

2.5 不同供氮量对水稻产量及产量构成因素的影响

表3可知，水稻有效穗随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大（367.02），之后有所降低，其变化范围在342.11~367.02×104hm-2之间；水稻单株穗随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大，之后有所降低，其变化范围在98.03~105.42之间；结实率随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大，之后有所降低，其变化范围在71.53~79.02%之间；千粒重随着氮浓度没有明显的变化趋势，其变化范围在24.01~24.97 g之间；产量随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大，之后有所降低，其变化范围在6023.58~6519.41 kg·hm-2之间；收获指数随着氮浓度的增加呈先增加后降低趋势，在氮浓度达到160 kg·hm-2时达到最大，之后有所降低，其变化范围在0.49~0.53之间。

表 3 不同供氮量对水稻产量及产量构成因素的影响

3 讨论

通过研究发现，在施氮影响之下水稻的生物积累量明显提升，其最大增幅接近于109%，而其最小增幅也超过了31%，其中N4处理下达到最大增幅，之后呈下降趋势；另外，在施氮影响之下，水稻氮吸收能力也受到了明显影响，吸氮量的最大增幅达到了395%，而其最小增幅也超过了54%，且在N4达到最大增幅；此外，氮浓度也受到明显的影响，其最大增幅达到了103%；整体来说，在施氮量不断提升的情况下，氮素的吸收及利用率先升后降，氮浓度的变化趋势亦是如此。在氮供应明显增多的情况下，生物量并不会随之呈现上升，而是在上升到一定程度后出现下降，主要原因在于氮供应过量的情况下群体竞争将会加剧，对于光合效应具有制约作用。对于稻田土壤无机氮而言，其吸收量在氮浓度不断增加的情况下也是呈现先升后降的发展趋势，且在N4处理下达到最高水平，整体来说呈现倒V型变化。氮残留的变化趋势则刚好与之相反，其变化走势为先降后升，且依然是在N4处理下达到最高水平。

较高含量的氮成分会加剧土壤的矿化速率，长期以来将会加剧土壤酸化；对于植物生长而言，氮是其必需元素之一，对于调节土壤起着重要作用，能够较为有效地调控营养物质，进而对作物生长产生较大影响。通过连续三年的观测研究发现，在氮供应量不同的情况下，土壤特性也发生了较大变化，尤其是其理化特征及养分方面[21,22]，同时水稻的干物质积累也受到了明显影响，稻产最终也受到了影响[16-18]。在氮浓度不断上升的情况下，水稻穗的有效率和结实率军事先升后降，且在N4处理下达到最高水平，之后出现明显的降低，其产量变化亦是如此，主要原因在于适度的氮供应能够改善土壤结构，利于土壤肥力和活性保持，增加土壤有机质等含量，促进土壤养分积累，从而增加了水稻对营养物质的利用效率，促进水稻光合作用以获取更多的能量，因此能够促进水稻产量的提升，但是当氮供应量过大的情况下，土壤氮含量超标问题突出，最终受损的是土壤结构及养分保持，最终制约水稻产量的提高。综合来看，对于水稻种植而言，其土壤供氮量在160 kg·hm-2的水平时能够促进水稻生产。

[1] 江立庚,戴廷波,韦善清,等.南方水稻氮素吸收与利用效率的基因型差异及评价[J].植物生态学报,2015,27(4):466-471

[2] 王婷,王连峰.5种前期水分处理下黑土氮素矿化及硝化反硝化率的变化[J].大连交通大学学报,2017,38(3):68-71

[3] 徐国伟,王贺正,翟志华,等.不同水氮耦合对水稻根系形态生理,产量与氮素利用的影响[J].农业工程学报,2015,31(10):132-141

[4] 侯云鹏,韩立国,孔丽丽,等.不同施氮水平下水稻的养分吸收,转运及土壤氮素平衡[J].植物营养与肥料学报,2015,21(4): 836-845

[5] 王敬,程谊,蔡祖聪,等.长期施肥对农田土壤氮素关键转化过程的影响[J].土壤学报,2016(2):292-304

[6] 孙彩丽,肖列,李鹏,等.氮素添加和干旱胁迫下白羊草碳氮磷化学计量特征[J].植物营养与肥料学报,2017,23(4):1120-1127

[7] 王肖娟,危常州,张君,等.灌溉方式和施氮量对棉花生长及氮素利用效率的影响[J].棉花学报,2015,24(6):554-561

[8] 严奉君,孙永健,马均,等.秸秆覆盖与氮肥运筹对杂交稻根系生长及氮素利用的影响[J].植物营养与肥料学报,2015,21(1):23-35

[9] 俞映倞,薛利红,杨林章,等.生物炭添加对酸化土壤中小白菜氮素利用的影响[J].土壤学报,2015,52(4):759-767

[10] 孙泽东,梁晓芳,石屹,等.滴灌施氮对烤烟氮素吸收利用及土壤无机氮分布的影响[J].中国土壤与肥料,2018(5):46-51

[11] 陈佳悦,姚霞,黄芬,等.基于图像处理的冬小麦氮素监测模型[J].农业工程学报,2016,32(4):163-170

[12] 陈金,唐玉海,尹燕枰,等.秸秆还田条件下适量施氮对冬小麦氮素利用及产量的影响[J].作物学报,2015,41(1):160-167

[13] 刘鹏,董树亭,李少昆,等.高产玉米氮素高效利用[J].中国农业科学,2017,50(12):2232-2237

[14] 岳文俊,张富仓,李志军,等.水氮耦合对甜瓜氮素吸收与土壤硝态氮累积的影响[J].农业机械学报,2015,46(2):88-96

[15] 丁世杰,熊淑萍,马新明,等.耕作方式与施氮量对小麦-玉米复种系统玉米季土壤氮素转化及产量的影响[J].应用生态学报,2017,28(1):142-150

[16] 李鹏程,董合林,刘爱忠,等.施氮量对棉花功能叶片生理特性, 氮素利用效率及产量的影响[J].植物营养与肥料学报,2015,21(1):81-91

[17] 胡雅杰,朱大伟,邢志鹏,等.改进施氮运筹对水稻产量和氮素吸收利用的影响[J].植物营养与肥料学报,2015,21(1):12-22

[18] 王文岩,董文旭,陈素英,等.连续施用控释肥对小麦/玉米农田氮素平衡与利用率的影响[J].农业工程学报,2016(S2):135-141

[19] 马兴华,梁晓芳,刘光亮,等.氮肥用量及其基追施比例对烤烟氮素利用的影响[J].植物营养与肥料学报,2016,22(6):1655-1664

[20] 王子胜,徐敏,刘瑞显,等.施氮量对不同熟期棉花品种的生物量和氮素累积的影响[J].棉花学报,2015,23(6):537-544

[21] 孙永健,孙园园,蒋明金,等.施肥水平对不同氮效率水稻氮素利用特征及产量的影响[J].中国农业科学,2016,49(24):4745-4756

[22] 郭保卫,张洪程,朱大伟,等.有序摆抛栽水稻的氮素吸收,利用与分配特征[J].作物学报,2017,43(1):97-111

[23] 王迪,李红芳,刘锋,等.亚热带农区生态沟渠对农业径流中氮素迁移拦截效应研究[J].环境科学,2016,37(5):1717-1723

[24] 张振,于振文,张永丽,等.氮肥基追比例对测墒补灌小麦植株氮素利用及土壤氮素表观盈亏的影响[J].水土保持学报,2018,32(5):240-245

[25] 李灿东,郭泰,王志新,等.叶面不同施氮量对大豆氮素吸收与分配的影响[J].核农学报,2015,29(3):557-562

[26] 胡群,夏敏,张洪程,等.氮肥运筹对钵苗机插优质食味水稻产量及氮素吸收利用的影响[J].作物学报,2016,42(11):1666-1676

Effects of Different Nitrogen Supply Levels on Soil Inorganic Nitrogen Residue, Nitrogen Balance and Yield of Rice

ZHANG Bin, WEI Wen-wu

620010,

With no fertilizer testbed Settings for nitrogen gradient test (CK), was studied for different nitrogen (N1 40 kg·hm-2, N2 80 kg·hm-2, N3 1200 kg·hm-2, N4 160 kg·hm-2, N5 200 kg·hm-2, N6 240 kg·hm-2) accumulation of above ground biomass, n uptake of rice and soil inorganic nitrogen residue and soil nitrogen balance, for maximum intensive farmland exert the ecological effect of fertilizer and optimized nitrogen management to provide theoretical basis and technical reference. The results showed that nitrogen application had a significant impact on the biomass accumulation and nitrogen absorption and utilization of rice. Compared with the control group without nitrogen application, nitrogen application significantly increased the biomass, nitrogen concentration and nitrogen uptake of rice by 31.69%, 15.08%, 103.17% and 54.18%, respectively.The nitrogen absorption rate, nitrogen utilization rate and nitrogen partial productivity concentration increased first and then decreased with the increase of nitrogen application.On the whole, inorganic nitrogen content in soil profile changed from high to low from top to bottom.The inorganic nitrogen content in the 0-50 cm profile increased significantly with the increase of nitrogen application, in which the nitrogen application increased slowly between 240 kg·hm-2and rapidly after the nitrogen application was higher than 160 kg·hm-2. From the perspective of the main input and output terms of nitrogen, different treatments had different degrees of surplus, and most of the surplus nitrogen showed different degrees of accumulation in the 0-50 cm section of soil.The inorganic nitrogen absorption in rice soil first increased and then decreased with the increase of nitrogen concentration, and reached the maximum when the nitrogen concentration reached 160 kg·hm-2, and the inorganic nitrogen residue in rice soil showed an opposite change trend. Rice effective panicle, panicle per plant, seed setting rate, yield and harvest index all increased first and then decreased with the increase of nitrogen concentration, and reached the maximum when the nitrogen concentration reached 160 kg·hm-2, and then decreased.The above results indicated that nitrogen promoted the biomass accumulation and nitrogen absorption and utilization of rice to a certain extent, but the promotion decreased after the nitrogen application amount was higher than 160 kg·hm-2. Considering the agronomic and environmental effects of green manure, soil nitrogen supply should be controlled around 160 kg·hm-2in the rice planting system.

Nitrogen supply levels; rice; soil inorganic nitrogen residue; nitrogen balance; yield

S665.1

A

1000-2324(2019)04-0566-05

2018-04-12

2018-05-28

眉山职业技术学院2015年科研课题:东坡区耕地重金属污染调查研究(15KY10)

张彬(1974-),女,硕士,讲师,研究方向:土壤与肥料. E-mail:zb123196@163.com