覆膜栽培显著提高水稻氮肥利用效率

董瑜皎 王昌桃 袁江 母炜 吕世华

摘要：四川盆地丘陵区受季节性干旱和低温的影响，水稻产量低而不稳，氮肥利用率低。采用水稻覆膜综合管理（IRM）能显著提高水稻产量，进一步探讨IRM对氮肥利用率的影响，可為该区域制定高产、资源高效利用的可持续水稻管理技术提供科学依据。基于对传统氮肥利用率（NUEtra）计算方法的质疑和讨论，国内外已有许多改进的氮肥利用率计算方法。结合15N同位素示踪方法，选择有广泛影响的氮肥有效率（NFAR）和肥料养分真实利用率计算方法，多维度地对四川盆地丘陵区采用IRM的水稻氮肥利用效率进行了探讨，为更科学地认识氮肥利用率、筛选出更能指示氮肥利用状况的指标提供依据。结果表明，采用IRM后，NUEtra、15N利用率（15Nuse）、NFAR、RNUE15N和RNUElong-term均显著提高，15N损失率（15Nloss）在相同施氮量下减少7.9～11.8百分点。相对于NUEtra，NFAR、RNUE15N和RNUElong-term综合考虑了土壤氮、肥料氮和作物吸收氮，更准确地反应了氮肥的实际利用效果。IRM显著提高水稻产量的同时，也显著提高了氮肥利用率，降低了氮肥对环境的潜在污染。通过不同氮肥利用率计算方法的综合比较，本研究认为在采用15N示踪法情况下，用RNUE15N计算方法更能准确反映出当季氮肥利用率;在未采用15N示踪法的情况下，用RNUElong-term计算方法更能指示多年累积施肥的氮肥利用率，但需要长期定位试验结果来准确定量土壤氮库的变化。

关键词：水稻覆膜栽培;氮肥利用率;氮肥有效率;肥料真实利用率;四川盆地丘陵区

中图分类号： S143.1;S511.06文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）05-0085-07

四川盆地丘陵区水稻产量不高且受气候环境影响波动较大，季节性干旱和生长前期低温是关键限制因子。水稻覆膜综合管理（integrated plastic mulch rice management，简称IRM）集旱育秧、起垄开厢、地膜覆盖和三角形栽培等为一体，相对于传统水稻管理（traditional rice management，TRM），能够增产达30%[3]。这和IRM能够合理地调节水稻生育期的水热状况密切相关[7]。IRM在提高水稻产量的同时，也进一步提高了氮肥利用率。以更低的资源环境代价来实现粮食安全至关重要。IRM能够不同程度地提高地温，加速土壤矿化促进养分释放，使得土壤速效氮含量显著高于TRM[13];还能增强水稻根系活力，促使水稻从土壤中吸收更多养分。可见IRM有提高氮肥利用率的潜力，但目前四川盆地丘陵区长期采用IRM对氮肥利用率影响的研究还处于空白。本研究基于田间定位试验，用氮肥利用率的不同计算方法多维度探讨了IRM对水稻氮肥吸收利用效率的影响，以期为四川盆地丘陵区制定高产、资源高效利用的可持续水稻管理技术提供科学依据。

通常用传统氮肥利用率（差减法，NUEtra）来评价氮肥利用情况，但其对氮肥实际利用效果的反映，受到越来越多的质疑。第一，NUEtra在作物吸收氮相同时，其大小取决于分母的不同，即当季施氮量的多少。差减法中被减部分受土壤基础肥力、作物生长情况等因素的影响，在作物吸收相同肥料氮的情况下，土壤基础肥力越高，被减部分值越大，而NUEtra越低;第二，NUEtra没有将肥料-作物-土壤中氮的途径和变化统一分析，没有反映出残留在土壤中那部分肥料氮的作用，而这部分肥料氮能够补偿作物所吸收带走的土壤氮，是对土壤氮库消耗的补偿[15];第三，NUEtra并不能准确反映出肥料养分的损失率，不能正确评价施肥措施的正确性。目前，国内外已有许多关于NUEtra改进的研究。沈善敏提出了比值法，认为作物吸氮量应该包括对土壤氮的吸收，用作物吸收氮量除以土壤有效养分和肥料养分之和[17]。Brentrup等提出了平衡法计算氮肥利用率，即用氮素输出与输入率来比较区域或国家尺度上的氮肥利用率[18]。田昌玉等认为NUEtra在施氮量小的情况下成立，在施氮量大的情况下，应乘以一个<1的系数[19]。王火焰等提出了肥料养分真实利用率（real nutrient use efficiency，RNUE），即肥料施入土壤后，直至被消耗完之前，被作物吸收利用的肥料养分量占被消耗的肥料养分量的比例[16]。巨晓棠提出了氮肥有效率（nitrogen fertilizer availability ratio，NFAR）的概念[15]，将氮肥施用后作物吸收的肥料氮以及肥料氮被微生物、土壤有机质或黏土矿物固定的部分视为有效肥料氮，将通过氨挥发、硝化-反硝化、淋洗和径流等脱离出主要作物根区的肥料氮视为无效肥料氮，计算氮肥被作物吸收量和在主要根区土壤中残留量之和占施入氮肥的百分比。对于上述不同氮肥利用率的计算方法，并非单纯比较数字的高低，而是在了解不同计算方法含义的基础上，结合田间具体情况，对结果进行正确的解析。

基于以上，本研究在四川盆地丘陵区水稻覆膜综合管理长期定位试验的基础上，结合15N同位素示踪方法，选择有广泛影响的RNUE和NFAR计算方法，多维度有针对性地对采用IRM后氮肥利用率进行比较和解析，以期促进四川盆地水稻高产高效技术体系的建立和农业可持续性发展，同时为筛选出更能准确指示水稻氮肥利用效率的指标提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 田间试验概况

试验地位于四川省资阳市雁江区雁江镇响水村柿子沟（104°34′ E，30°05′ N，平均海拔395 m），年平均气温16.8 ℃，全年平均降水量965.8 mm。2011—2015年开展了水稻覆膜综合管理（IRM）和传统水稻管理（TRM）对比试验。IRM 集旱育秧、起垄开厢、三角形栽培和地膜覆盖为一体，首先整田开厢，厢面宽度145 cm，两厢之间宽约20 cm，厢沟深约15 cm，保持厢面湿润，厢沟有水。将基肥施于厢面上，搁置2 d，待厢面水分较少时覆薄膜（膜宽1.8 m，厚0.004 mm），地膜紧贴土面。采用三角形稀植栽培，每3穴构成一个小三角形，每穴之间的距离为10～12 cm，每3个小三角形构成一个大三角形，大三角形之间相互距离为40 cm。TRM按照当地农民栽培方式进行，不开厢不覆膜，和IRM一样用旱育秧，不用三角型栽培，移栽密度和IRM一致，均为1.8×106株/hm2。2种栽培方式均在移栽期淹水，之后为雨养。供试水稻品种是四川省农业科学院作物所选育的优质杂交水稻 “川香8108”。

IRM下设置3个施氮水平：不施氮肥（IRM0），当地农户平均施氮量180 kg/hm2（IRM2）和减氮30%处理即120 kg/hm2（IRM1），氮肥均于水稻移栽前全部作為基肥混施入土壤。TRM下在当地农户平均施氮量上比较不同施肥方式的影响，设置了不施氮肥（TRM0）、基施180 kg/hm2（TRM2）和基施120 kg/hm2、分蘖期追施60 kg/hm2处理（TRM2+）。磷肥（过磷酸钙，12%P2O5）和钾肥（氯化钾，60%K2O）均按照当地农户常规用量 75 kg/hm2，作为基肥一次性施入。小区面积为 20 m2。2013年在施氮小区设置1 m2同位素微区，将不锈钢微区框（1 m×1 m×0.5 m）平整打入试验小区，每个微区框漏出地面0.2 m。微区框内施15N标记尿素（15N同位素丰度为5.14%，上海化工研究院），标记尿素与少量风干沙土混匀，均匀撒施于微区表层，框外施普通尿素，框内框外磷钾肥施用量、施肥频率和日常管理均一致。

水稻成熟后，在各小区收集框外9株水稻植株，框内所有水稻植株，将植株样品用水冲洗后105 ℃杀青30 min，然后75 ℃烘干至恒质量。微区框内土壤分0～20、20～40、40～60 cm等3层取样，土壤样品风干。然后将植株样品过1 mm筛，土壤样品过025 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（Nconc.）。将微区框内植物和土壤样品用球磨仪（MM2000，Retsch，Germany）研磨至粉末，粒径10 μm左右，过0.15 mm筛。称取样品3～4 μm，用微量天平（XP6，Mettler-Toledo，Switzerland）进行称量，精确至0.001 mg，用锡杯包好。用同位素质谱仪（Finnigan MAT-251，Finnigan Germann，America）测定样品的15N丰度（δ15N）。

1.2 不同氮肥利用率计算方法

根据下列公式计算氮肥利用率。

传统氮肥利用率（NUEtra，%）即使用差减法计算的氮素利用率，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。

NUEtra=（NuptakeN+-NuptakeN0）÷Nfert×100%。（1）

式中：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）。

15N利用率（15Nuse，%）、15N 土壤残留率（15Nres，%）和15N损失率（15Nloss，%），分别利用式（2）、式（3）、式（4）计算[20]：

15Nuse=Ndffplant÷Nfert×100%;（2）

15Nres=Ndffsoil÷Nfert×100%;（3）

15Nloss=（Nfert-Ndffplant-Ndffsoil）÷Nfert×100%。（4）

式中：Ndffplant表示籽粒和秸秆共同吸收的15N肥料量（kg/hm2），Ndffsoil表示0～60 cm 土层残留的15N肥料量（kg/hm2）[21]。

Ndffplant=mplant×Nconc.×（δ15Nsam-δ15Nb）÷（15Nfert-δ15Nb）;（5）

Ndffsoil=msoil×Nconc.×（δ15Nsam-δ15Nb）÷（15Nfert-δ15Nb）。（6）

式中：mplant表示植株质量（籽粒或秸秆）（kg/hm2），msoil表示不同土层土壤质量（kg/hm2），Nconc.表示植株或土壤样品的全氮含量（g/kg），δ15Nsam表示植株或土壤样品的15N同位素丰度（%），δ15Nfert表示15N标记尿素的15N同位素丰度（%），δ15Nb表示本底 15N标同位素丰度 （0.366 3%）。

在 15N 示踪法下肥料养分真实利用率（RNUE15N，%）的方法计算如式（7）所示[16]：

RNUE15N=Ndffplant÷（Nfert-Ndffsoil）×100%。（7）

按照王火焰等提出的长期定位试验肥料养分真实利用率（RNUElong-term，%）的方法[16]计算连续5年田间试验不同处理的肥料真实利用率。

RNUElong-term=Nuptake÷（Nfert+NsoilNother）×100%。（8）

式中：Nsoil表示连续n年试验后（本研究n=5）0～60 cm 土壤氮素养分相对于试验开始前（n=0）的差值（kg/hm2），若减少则是正值，若增加了则是负值。 Nother表示其他源养分量（kg/hm2），长期定位试验下用不施氮处理从其他途径获得的氮，可以用不施氮处理收获作物地上部分吸收的氮与不施氮处理土壤表层残留氮之和表示。

Nsoil=（msoil×Nconc.）n-（msoil×Nconc.0）;（9）

Nother=∑n1NuptakeN0+NsoilN0。（10）

式中：NsoilN0表示连续n年试验后对照处理即不施氮处理（N0）0～60 cm土壤氮素养分相对于试验开始前（n=0）的差值（kg/hm2），若减少则是正值，若增加了则是负值。

氮肥有效率（NFAR，%）计算方法如式（11）[15]，但氮肥有效率只能通过15N示踪法才能得到。

NFAR=（Ndffplant+Ndffsoil）÷Nfort×100%。（11）

2 结果与分析

2.1 水稻覆膜综合栽培下水稻籽粒产量、秸秆生物量及籽粒和秸秆的吸氮量

与TRM比较，IRM显著提高了5年试验期水稻籽粒的平均产量、秸秆平均生物量及籽粒和秸秆吸氮量，同时还缩小了它们在不同年份间的差异。如表1所示，5年水稻籽粒平均产量、秸秆生物量以及籽粒和秸秆吸氮量均以IRM1和IRM2处理最高，IRM0、TRM2和TRM2+处理次之，以TRM0处理最低。

2.2 水稻覆膜综合栽培下的传统氮肥利用率

图1是不同施氮处理2011—2015年的NUEtra。与TRM比较，IRM显著提高了NUEtra。IRM2处理的5年平均NUEtra是TRM2处理的2.1倍，是TRM2+的2.7倍。NUEtra并不随氮肥施用量的增加而提高，IRM1的NUEtra高于IRM2，5年平均高出8.7百分点（差异不显著），但显著高于TRM2和TRM2+。TRM2+和TRM2间NUEtra无显著差异，以TRM2稍高，5年平均高出1.0百分点。

2.3 水稻覆膜综合栽培下的15N利用率

15N同位素微区试验结果如表2所示。相对于TRM，IRM显著提高了当季15Nuse，IRM2的15Nuse是TRM2的1.5倍。相对于IRM2，IRM1显著减少了 15N 损失量，IRM1的15Nloss占IRM2的0.77。相对于TRM2和TRM2+，IRM1在提高15Nuse、减少15Nloss上优势显著。不同处理间0～60cm土层15N残留量和15Nres均无显著差异，以TRM2的土壤15N残留量稍高，IRM1的15Nres稍高（28.9%）。比较不同土层，以0～20 cm土层的15N残留量最多（数据未列出）。TRM2+和TRM2间15Nuse、15Nres和15Nloss均无显著差异。

2.4 水稻覆膜综合栽培下的当季氮肥有效率（NFAR）、15N示踪法肥料养分真实利用率（RNUE15N）和长期定位试验肥料养分真实利用率（RNUElong-term）

进一步计算了2013年当季NFAR[12]和RNUE15N[16]（表3）。2种氮肥利用率的变化趋势一致，但相同处理下RNUE15N低于NFAR，以TRM处理差异更大，TRM下NFAR约是RNUE15N的1.5倍，IRM下NFAR约是RNUE15N的1.3倍。相同施氮水平下，IRM的RNUE15N和NFAR均高于TRM，IRM2的RNUE15N和NFAR分别是TRM2的15倍和1.2倍。相对于TRM2和TRM2+，IRM1显著提高了2种氮肥利用率。IRM1与IRM2之间、TRM2+与TRM2之间以及IRM2、TRM2+与TRM2之间该2种氮肥利用率均无显著差异。

表4给出了各处理2011—2015年累积施肥下的RNUElong-term。IRM处理作物地上部5年累积吸氮量显著高于TRM， IRM2累积吸氮量是TRM2的1.4倍;IRM1的施氮量虽然减少了30%，但累积吸氮量亦是TRM2的1.3倍。试验开始5年后TRM处理土壤表层残留氮量显著高于IRM，以TRM2处理最高，TRM2与TRM2+之间、IRM1与IRM2之间无显著差异。最终，IRM1的RNUElong-term最高达67.0%，显著高于TRM的2个处理，与IRM2间无显著差异。与2013当季利用率相比（表3），不同处理变化趋势一致，但以RNUElong-term的值高于RNUE15N和NFAR。

3 讨论与结论

3.1 水稻覆膜综合栽培提高了氮肥利用效率，减小了氮肥损失率

四川盆地丘陵区是典型的季节性缺水和水稻生长前期热量不足区域，采用IRM后，显著提高了水稻籽粒产量和秸秆生物量，并缩小了年际间的产量变幅，起到了增产稳产的效果。而在提高产量的同时，需要进一步提高氮肥利用率，以更低的资源环境代价来保障粮食安全。本研究发现，采用IRM显著提高水稻产量的同时，也显著提高了水稻地上部氮吸收量[7]，同时显著提高了氮肥利用率。IRM2处理的NUEtra、15Nuse、NFAR、RNUE15N和RNUElong-term分别是TRM2的2.1、1.5、1.2、1.5、1.3倍。这与IRM的保水作用（降低了氮素淋洗和深层渗漏），以及IRM的增温作用（促进土壤氮素矿化，增加根系活力促进对氮素的吸收）密切相关。

我国水稻生产体系中氮肥损失率在60%左右[25]，若将尚未明确去向的13%氮肥视为残留率计入农业可利用部分，则氮肥损失率在52%左右[6]。在四川盆地紫色丘陵区，土层浅薄，土壤饱和渗透率大，氮损失风险较大。本研究中，用15N示踪法得到当季氮肥损失率：TRM处理为588%～62.7%，IRM处理为39.4%～50.9%，IRM处理的15Nloss较TRM 在相同施氮量下降低了7.9～118百分点。用RNUElong-term计算，TRM处理的5年累积氮肥损失率为56.4%～58.1%，IRM处理的5年累积氮肥损失率为33.0%～44.8%。2种计算方法得到的损失率接近，均表现为IRM不仅提高了氮利用率，而且显著降低了氮素损失造成的环境污染风险。

本研究在IRM下设置了2个施氮水平，施氮180 kg/hm2处理的15Nuse和15Nres均低于施氮 120 kg/hm2，IRM1的15Nuse最高达31.7%，0～60 cm 土层15Nres高达28.9%，15Nloss则降低到39.4%。因此，該地区在推广应用IRM技术时，在农户常规施氮水平上减少氮肥1/3不仅提高了氮肥的利用率，还减少了氮肥损失率。本研究在TRM下设置了2种施氮方式：TRM2+处理将氮肥分基肥和分蘖肥2次施用，与氮肥1次施用的TRM2处理比较，TRM2+ 的5年平均水稻籽粒产量与秸秆生物量均无显著增加，NUEtra、15Nuse和15Nloss、NFAR、RNUE15N和RNUElong-term也无显著差异。由于在氮肥运筹中氮素施入时期与作物对氮需求相匹配才能提高氮肥利用率，而水稻在分蘖期主要吸收土壤中的氮[29]，水稻吸收积累的肥料氮中以穗肥的利用率最高。因此，应深入讨论氮肥分次施用的时期（如将TRM2+处理的分蘖肥后移改为穗肥），为进一步提高氮肥利用和水稻产量提供理论依据。

3.2 不同氮肥利用率計算方法比较

本研究采用了多种氮肥利用率计算方法多维度地比较了采用IRM后水稻氮肥利用情况。不同氮肥利用率计算方法得到的值不同，需要根据不同计算方法的含义和田间实际情况，对结果进行比较和解析，对筛选更能够指示氮肥利用情况的指标具有理论和实践意义。

IRM2的地上部生物量和地上部氮吸收量稍高于IRM1，但IRM1处理的NUEtra高于IRM2处理。这是因为在NUEtra差减法中，IRM1处理氮肥投入量更低即分母更低（120 kg/hm2）所致，即NUEtra并不能很好地表达实际的氮肥利用效果。采用15N示踪法后，可以跟踪肥料氮对土壤氮消耗的补偿作用和氮肥的损失[32]。本研究关于15N示踪法的结果表明，IRM的15Nuse比TRM提高了10百分点。但由于加入氮交互效应[17]，部分15N肥料被土壤固持，部分土壤有效氮被作物利用，使得15Nuse结果偏低。NFAR[15]和RNUE15N[16]亦是基于15N示踪法的计算方法，IRM和TRM处理的NFAR为37.3%～606%，RNUE15N为24.6%～45.3%，均高于15Nuse和NUEtra，相应的由NFAR和RNUE15N计算得到的肥料损失率低于15Nloss。值得注意的是，NUEtra和15Nuse结果表明，IRM2显著高于TRM2和TRM2+，而NFAR和RNUE15N则表明IRM2与TRM2和TRM2+间，IRM2与IRM1间无显著差异，但 IRM1显著高于TRM2和TRM2+。结合田间水稻生长情况[7]和产量，在农户常规施氮180 kg/hm2基础上减氮1/3，能同时实现达到目标产量和提高氮肥利用率的目的。可见，采用NFAR和RNUE15N计算方法，相对于NUEtra，更为准确地反映了不同处理氮肥的实际利用效果，更有利于建立高效的施肥技术体系。

NFAR和RNUE15N的区别在于NFAR将残留在土壤中的氮肥作为有效部分加入计算[15]，而RNUE15N认为这部分氮肥既未损失又未消耗，将其排除在计算之外[16]。当肥料施用土壤后，残留在根层中的氮肥可以供下季作物吸收利用，或者补充土壤氮库后再通过矿化供作物利用或损失，这个过程可持续80年之久[35]。当施氮量、施氮时间和施氮方式合理情况下，这部分氮肥的损失量很低，可以完全视为有效部分[36]。而NFAR的计算方法正是建立在这种合理优化施氮前提下的，将残留在土壤根层的氮素全部视为有效部分[15]。但大部分施肥研究（包括本研究）是对合理优化施氮的探索试验，故而得到的值均高于RNUE15N。同时也说明对于不完善的氮肥管理措施，用NFAR求得的氮肥利用率可能会偏高。故而，用RNUE15N能更好地反应当季肥料的利用情况。

相对于RNUE15N，RNUElong-term是在不采用15N示踪法的情况下的计算方法[16]。在长期定位试验中，RNUElong-term可以计算多年累积施肥的养分真实利用率，即当季施入的肥料与之前多年或多季施肥累积在土壤中的肥料的总利用率[16]。本研究中，相对于TRM，IRM的5年累积施肥RNUElong-term显著更高（67.0%），不同处理间变化规律与RNUE15N和NFAR一致。由于RNUE15N和NFAR表示的是当季氮肥利用情况，而当季作物吸收的养分还有相当部分是来自于以前各个时期通过施肥进入到土壤中的养分[16]，故而RNUElong-term的值高于RNUE15N和NFAR。虽然RNUElong-term不基于15N示踪法，但该方法中土壤养分变化量非常关键，如何准确测定出土壤养分变化，是准确计算肥料真实利用率的基础，需要长期的数据支撑[33]。

适宜的氮肥利用率计算方法可以指示氮肥利用情况，但优良的氮素管理需要综合考虑作物-土壤-肥料之间的交互作用：要求在达到目标产量情况下，既维持土壤氮肥力，又达到体系氮输入与氮输出基本平衡，减少对环境的损失[36]。氮素平衡通过计算给定系统重要的氮输入与输出而得到，是衡量氮素投入生产力、环境影响和土壤肥力变化的最有效指标。其中土壤界面氮平衡将土壤作为一个黑箱，不考虑土壤中的转化过程，只记录土壤界面氮素输入（大气氮素沉降、化肥、粪肥、非共生固氮以及灌溉和种子氮）与输出（被作物吸收），可以反映土壤氮的净负荷[36]。董瑜皎详细计算了本研究的土壤界面氮平衡，发现各处理均处于氮素盈余状态，在68.9～146.4 kg/hm2范围内，IRM比TRM显著降低了土壤界面氮盈余，且以120kg/hm2水平下的氮素盈余量最低，接近巨晓棠等的研究结果[36]。可见IRM在提高产量和氮肥利用率的同时，还降低了对环境的潜在氮损失，是兼顾高产高效的技术。

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