成都平原水旱轮作体系稳产减氮潜力初探

董瑜皎，袁 江，母 炜，吕世华

(四川省农业科学院土壤肥料研究所/农业农村部西南山地农业环境重点实验室，四川 成都 610066)

【研究意义】现代农业体系消耗能源严重，近20年来我国农业生产中大量使用化肥、农药、生长调节剂等，以高投入换高产出，在解决了饥饿问题的同时，不仅造成土壤肥力和质量下降，引起水体富营养化，地下水被污染，导致严重的面源污染，还加剧了全球性自然资源耗竭、生态环境恶化、粮食安全问题等一系列危机[1-8]。在这样的大背景下，2015年中央一号文件强调要保障我国农产品有效供给和质量安全、提升农业可持续发展能力，农业部也制定了化肥农药零增长的方案，以大力推进化肥减量提效、农药减量控害[9]。位于四川盆地西部边缘的成都平原，地势平坦，水系纵横，土壤优沃，土地垦殖率高[10]，是我国粮油的重要生产基地[11]。种植模式以水稻-油菜和水稻-小麦轮作为代表的水旱轮作为主。水旱轮作区域施肥差异较大，施用量不足和施用过量并存[12]，水稻季施氮量在50～280 kg/hm2，平均180 kg/hm2左右，小麦季平均施氮量为135 kg/hm2，油菜季平均施氮量为150 kg/hm2[10,12-14]。【前人研究进展】Zhang 等[15]研究指出，目前我国氮肥的投入远远超过了作物的需求，降低氮肥投入并不会降低作物产量。2005—2010年国家测土配方施肥项目在四川省成都平原区布置的49个水稻田间试验数据中，成都平原水稻种植区域土壤全氮含量为(2.9 ± 5.0 )g/kg，碱解氮含量为(167 ± 48 )mg/kg[16]。按照全国第二次普查养分分级标准和耕地地力评价指南[17]，土壤全氮和碱解氮含量均为一级，即很丰富，这部分氮可以直接或通过矿化后供作物利用[18]。【本研究切入点】成都平原水旱轮作区具有减肥不减产的潜力。目前对该区域周年养分统筹管理的研究还较少。【拟解决的关键问题】本研究主要围绕成都平原水旱轮作区域氮肥减施潜力进行研究。通过研究成都平原区水稻-油菜，水稻—小麦轮作体系稳产减氮潜力，建立以氮素调控为核心的周年养分管理技术，在提高作物产量的同时推进化肥减量提效，达到兼顾农业可持续发展和环境友好的目的。

1 材料与方法

1.1 田间试验概况

试验于2018—2020年在成都平原四川省新都区新繁镇进行。全年平均降水量为1250.3 mm，全年平均气温为16.7 ℃，属于亚热带季风性湿润气候[19]。

水稻-小麦轮作试验处理设计为：将成都平原水旱轮作水稻季平均施氮量180 kg/hm2[10,12-14]设为D100，设置减氮 15%(D85)和30%(D70)处理，即设180、153、126 kg/hm23种水平。氮肥的底肥、分蘖肥、穗肥分配比例为6∶2∶2。磷肥和钾肥施用量一致，分别施磷肥54 kg/hm2[过磷酸钙(含12% P2O5)]和钾肥70 kg/hm2[氯化钾(含60% K2O)]。设当地小麦季平均施氮量135 kg/hm2为M100，设置减氮 15%(M85)和30%(M70)处理，即设施氮135.0、114.8、94.5 kg/hm23种水平。氮肥底肥和拔节期的分配比例是6∶4。分别施磷肥72 kg/hm2和钾肥70 kg/hm2。

水稻季供试品种为荃优丝苗；小麦季供试品种为川麦104。

水稻-油菜轮作试验处理设计为：水稻施肥方式同水稻-小麦轮作处理。设当地油菜季平均施氮量150 kg/hm2为Y100，设置减氮 15%(Y85)和30%(Y70)处理，即设150.0、127.5、105.0 kg/hm23种水平。氮肥的底肥、苔肥分配比例为5∶5。分别施磷肥90 kg/hm2和钾肥75 kg/hm2。水稻季供试品种为荃优丝苗；油菜季供试品种为油杂猛。水稻-油菜、水稻-小麦轮作均各设10个处理，3次重复，随机排列设计。各处理的施氮量如表1所示。

试验前(2018年)水稻-油菜，水稻-小麦田土壤基础化学养分如表2所示。

待水稻、小麦和油菜成熟后，各小区测产，并收集9株植株样品，用水冲洗后105 ℃杀青30 min，75 ℃下烘干至恒重，然后将植株样品分秸秆和籽粒过1 mm筛，加入浓硫酸和铜催化剂片后进行消化，用流动注射分析仪(FIAstar 5000,FOSS,America)测定全氮含量。水稻收获后将土壤分0～20，20～40,40～60 cm 3层取样，新鲜土壤样品用流动注射分析仪(FIAstar 5000,FOSS,America)测定硝态氮和铵态氮含量。

1.2 氮肥利用率计算方法

氮肥利用率(NUE，%)用差减法计算(式1)，具体计算方法是：用施肥区作物吸收氮量减去不施肥区作物吸收氮量后除以施氮量。

NUE=(NuptakeN+-NuptakeN0)÷Nfert

(1)

其中，NuptakeN+表示施氮区作物地上部分总吸氮量(kg/hm2)，NuptakeN0表示不施氮区作物地上部分总吸氮量(kg/hm2)，Nfert表示氮肥投入量(kg/hm2)。

表1 水稻-油菜、水稻-小麦轮作试验各处理施N量

表2 2018年水稻-油菜、水稻-小麦轮作土壤基础化学养分

2 结果与分析

2.1 氮肥减施对稻麦轮作体系生产力的影响

由表3可知，水稻季减量施氮对水稻籽粒产量影响显著(P<0.001)。2018年和2019年水稻籽粒产量以D85水平与D100水平相当，并高于其余两个水平。与D100水平相比，2018年和2019年D70水平的水稻籽粒产量分别降低了6.3%和9.2%，差异达显著水平。2018—2019年，2019—2020年小麦籽粒产量均显著受小麦季氮水平的影响(P<0.001)，具体表现为以M100水平下籽粒产量最高，M85次之，两者之间无显著差异，2018—2019，2019—2020年M100水平小麦籽粒产量均显著高于M70和M0，2019—2020年M85与M70间无显著差异。

2018—2019年稻麦系统籽粒产量显著受水稻季氮水平(P<0.01)和小麦季氮水平(P<0.001)的影响，表现为水稻季各施N水平籽粒产量显著高于不施氮，不同施氮水平间无显著差异，小麦季M100与M85水平之间无显著差异，均显著高于M70；2019—2020年系统籽粒产量不仅受水稻季和小麦季氮水平(P<0.01)的影响，还显著受它们交互作用的影响，均表现为以各施氮水平籽粒产量显著高于不施氮水平。

2.2 氮肥减施对稻油轮作体系生产力的影响

2018年水稻籽粒产量显著受水稻季N水平的影响(P<0.01，表4)，以D85水平下水稻籽粒产量最高，显著高于D0，D100和D70水平次之，与D0之间无显著差异；2019年水稻籽粒产量也显著受水稻季N水平(P<0.05)的影响，具体表现为以D100水平水稻籽粒产量最高，D85水平次之，D100水平水稻籽粒产量显著高于D70和D0，D85与D100、D70均无显著差异。

2018—2019年，2019—2020年油菜籽粒产量均显著受油菜季N水平的影响(P<0.001)，具体表现为以Y100水平下籽粒产量最高，Y85和Y70次之(两者之间无显著差异)，不同的是，2018—2019年Y100与Y85水平间油菜籽粒产量无显著差异，2019—2020年差异显著。

2018—2019年稻油轮作系统籽粒产量显著受油菜季氮水平(P<0.01)的影响，表现为油菜季各施N水平籽粒产量显著高于不施氮，不同施氮水平间无显著差异；2019—2020系统籽粒产量显著受水稻季氮水平(P<0.01)和小麦季氮水平(P<0.05)的影响，表现为以D100水平籽粒产量最高，D85次之，D100显著高于D70，而D85与D70、D100均无显著差异，3个氮水平籽粒产量均显著高于D0，油菜季不同氮水平下籽粒产量变化趋势与水稻季一致。

表3 不同施氮水平下水稻和小麦籽粒产量及方差分析

表4 不同施氮水平下水稻和油菜籽粒产量及方差分析

2.3 氮肥减施对稻麦轮作系统N肥利用率的影响

在水稻季不同施氮水平间，水稻季2018、2019年的NUE、系统2018—2019，2019—2020年的NUE均无显著差异(表5)；小麦季不同施氮水平间，小麦季2018、2019年的NUE、系统2018—2019，2019—2020年的NUE亦无显著差异。

通过方差分析可知，水稻季施氮水平、小麦季施氮水平，及其交互作用均对稻麦系统单季和周年NUE无显著影响。

2.4 氮肥减施对稻油轮作系统N肥利用率的影响

2018年水稻季，Y100水平NUE显著高于Y70水平(表6)，2018—2019年油菜季不同施氮水平间NUE无显著差异，2018—2019年系统周年NUE表现为Y100和Y85之间无显著差异，均显著高于Y70。而2019年水稻季NUE、2019—2020年油菜季NUE，2019—2020年稻油系统周年NUE，在水稻季不同施氮水平间，油菜季不同施氮水平间均无显著差异。

通过方差分析得知，除2018年水稻季NUE显著受油菜季施氮水平的影响外，其余年份稻油系统单季和周年NUE受水稻季施氮水平、油菜季施氮水平，及其交互作用的影响不显著。

2.5 氮肥减施对水稻收获后土壤无机氮含量的影响

水稻-小麦轮作田，2018年水稻收获后不同土层土壤4个氮水平间土壤铵态氮含量无显著差异(图1)，且同一氮水平在不同土层铵态氮的平均含量差异也不显著。2019年水稻收获后土壤铵态氮含量相对于2018年在0～20和40～60 cm土层含量稍高且水稻季不同氮水平间差异较大，且显著受水稻季氮水平的影响(P<0.05)。

表6 不同施氮水平对水稻和油菜氮肥利用率的影响

图1 2018和2019年稻麦、稻油轮作水稻收获后土壤铵态氮含量Fig.1 Soil ammonium nitrogen content after rice harvest in rice-wheat and rice-rape seed rotation in 2018 and 2019

水稻-油菜轮作田，2018年水稻收获后土壤铵态氮含量显著受水稻季氮水平的影响(P<0.05)。随着施氮量的增加，0～20 cm土层的铵态氮含量显著降低，从3.3 mg/kg (D0) 显著降低到1.4 mg/kg(D100)；20～40 cm土层不同氮水平间无显著差异，且该层铵态氮含量最低；40～60 cm土层铵态氮含量最高，与0～20 cm土层呈相同趋势。2019年水稻收获后土壤铵态氮含量在不同土层相对于2018年均有所降低，且与2018年不同的是，以20～40 cm土层的铵态氮含量最低，不同氮水平间差异不大。

2018和2019年水稻-小麦，水稻-油菜轮作田水稻收获后，土壤硝态氮含量均显著受土层的影响(P<0.001)。水稻-油菜轮作田表现为随着土层的加深含量降低，0～20 cm土层显著高于20～40 cm 和40～60 cm土层，且2019年土壤硝态氮含量显著高于2018年(图2)。水稻-小麦轮作田，不同土层硝态氮含量趋势与与稻-油轮作田一致，即随着土层的加深土壤硝态氮含量降低，但各土层含量均较稻油轮作田稍低。

3 讨 论

成都平原位于四川盆地西部，占成都市总面积的40%[20]，是我国粮、棉、油的重要生产基地[10]。水稻-油菜、水稻-小麦轮作模式是成都平原最传统的种植模式，但是该模式的综合效率不高。一方面，目前的氮肥投入远远超过了作物的需求，并未提高作物产量，还加重了环境压力[14-15]，另一方面，水旱轮作系统的氮肥施用时期不合理，没有考虑作物生长发育规律和作物对氮素的需求规律，水稻季大部分氮肥施用都是基肥加分蘖肥，没有考虑到水稻氮素吸收高峰出现在幼穗分化期[12]。可见寻找更好地解决资源高效利用、作物高产和环境风险之间矛盾的途径是水旱轮作系统可持续发展的关键。

而建立以养分管理为核心，氮素调控为重点的养分资源综合管理技术是解决这一矛盾的有效途径之一。本试验选择了成都平原典型的稻油、稻麦轮作田，根据全国第二次普查养分分级标准和耕地地力评价指南[17]，供试田的有机质含量均达到二级，即高水平，全氮和碱解氮含量均达到一级，即非常高水平。稻油轮作土壤有效磷含量达到四级(中下)，稻麦轮作土壤有效磷含量达到五级(低)。速效钾含量均为二级，属于很高的水平。该试验点土壤养分与2005—2010年国家测土配方施肥项目在四川省成都平原区布置的49个水稻田间试验数据平均值基本吻合[16-17]，具有很好的代表性。而这样的地力条件下，土壤养分可直接或间接供作物吸收利用[18]，是具备稳产减氮潜力的。

图2 2018和2019年稻麦、稻油轮作水稻收获后土壤硝态氮含量Fig.2 Soil nitrate nitrogen content after rice harvest in rice-what and rice-rape seed rotation in 2018 and 2019

本研究在该区域水稻季(180 kg/hm2)、小麦季(135 kg/hm2)和油菜季(150 kg/hm2)的平均施氮量基础上[10,12-14]，设置了减氮15%和减氮30%处理，并按照作物生长发育规律和作物对氮素的需求，设置了基追比。通过2年的田间试验，发现在水稻-小麦轮作体系下，水稻季减氮15%小麦季减氮15%并不会显著降低水稻籽粒产量、小麦籽粒产量及系统周年籽粒产量，同时水稻季、小麦季和系统周年的氮肥利用率也并未受到影响。而在水稻-油菜轮作体系下，水稻季减氮15%并未显著影响水稻籽粒产量和系统周年籽粒产量，但是油菜季减氮15%虽没有显著降低系统周年籽粒产量，却显著降低了第二年的油菜籽粒产量，两季减氮15%均未显著影响水稻季、油菜季和系统周年氮肥利用率。

Li 等[21]提出减少所有地区的氮肥可能不利于粮食安全，建议以氮盈余作为环境评价指标，并估算水稻的平均临界氮盈余为70 kg/hm2。巨晓棠等[22]提出60 kg/hm2作为中国水稻单季现有产量(4000～10 000 kg/hm2)和管理水平(当季供氮96～240 kg/hm2)下的氮素盈余参考指标。Li等[21]研究显示目前全国水稻的平均氮盈余为116 kg/hm2，西南地区水稻的平均施氮量为182 kg/hm2，平均氮盈余为85 kg/hm2。Dong 等[23]对西南丘陵区水稻传统栽培的研究表明施氮180 kg/hm2下土壤界面氮盈余为145 kg/hm2。可见虽然目前还缺乏对成都平原水旱轮作氮盈余的研究，但已有研究结果表明我国农田目前处于氮盈余状态。而当氮素大量盈余时，氮素损失量大量增加，会增加环境风险[24-25]。

朱芸等[14]研究表明长江流域，稻油轮作体系、稻麦轮作体系周年氮肥损失量分别为96.7、88.8 kg/hm2，其中水稻季损失量分别为62.2、59.0 kg/hm2，约为油菜季或小麦季的1.7～2.1倍。氮损失中以氨挥发损失所占的比例最大，占各季施氮量约为7.2%～18.2%。即使水稻临界氮盈余为70 kg/hm2的情况下，氨挥发估计也可达35 kg/hm2[21]。而氨挥发不仅直接形成PM2.5，还加速了雾霾的形成[15]。本研究中，试验地土壤呈酸性，理论上，自养硝化作用很弱，土壤无机氮以铵态氮为主。但是稻麦、稻油轮作体系在水稻收获后，0～60 cm土壤的铵态氮含量低，且显著受水稻季施氮水平的影响(P<0.05)，尤以2018年稻油轮作田土壤铵态氮含量随着施氮水平的提高显著降低。可见成都平原水旱轮作稻田的氨挥发不容忽视。而在氮肥调控的同时，还应配以施肥、栽培等技术的综合管理，将肥料撒施改为深施或精准喷施，便是控氨的直接办法[15]。

本试验中，稻麦、稻油轮作体系在水稻收获后，0～60 cm土壤中存留的无机氮以硝态氮为主，硝态氮含量显著受土层的影响(P<0.001)，均以0～20 cm表层含量最高。而水旱轮作中小麦和油菜属于喜硝作物，故而水稻季土壤中残留的硝态氮可以留作后茬作物利用，这也可以为小麦和油菜季氮肥减施提供依据，但要注意两季作物交替间土壤硝态氮淋溶和径流损失。

4 结 论

建立以养分管理为核心，氮素调控为重点的养分资源综合管理技术是成都平原水旱轮作系统兼具资源高效利用、作物高产和降低环境风险的有效途径。而成都平原地力条件较好，土壤全氮和碱解氮含量丰富，具备了减氮同时稳产的潜力。本试验选取成都平原典型的稻油、稻麦轮作田，经过2年的田间试验，发现在稻麦轮作体系稳产的前提下，水稻季和小麦季分别在平均施氮量(180、135 kg/hm2)的基础上有减氮15%的空间；而稻油轮作体系在稳产前提下，水稻季在平均施氮量(180 kg/hm2)的基础上可以减氮15%，油菜季在平均施氮量(150 kg/hm2)基础上减氮15%于第二年显著降低了油菜籽粒产量，即油菜季的减氮范围还有待更长期的试验提供依据。同时，在成都平原稻麦轮作、稻油轮作体系，水稻季土壤残留的硝态氮可以供后茬小麦和油菜利用，但要注意水稻季的氨挥发损失。