有机无机配施对水稻产量及氮肥残效的影响

李文涛，于春晓，张丽莉，张伟明，杨立杰，杨恒哲，武开阔，李东坡，武志杰

（1.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016；2.中国科学院大学，北京 100049；3.辽宁省生物炭工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110866；4.沈阳化工研究院有限公司，辽宁 沈阳 110021；5.史丹利农业集团股份有限公司，山东 临沂 276700）

氮素是我国稻田土壤中影响产量的主要限制性因素，在我国水稻生产中，虽然多年不施氮肥条件下仍能维持一定产量，但连年水稻种植导致土壤肥力降低和减产［1］。为保证长期粮食生产的氮素供应，应采取更多的养分管理措施，以提高外源氮素保存和土壤氮素供应能力［2］。目前主要的养分管理方式为施用稳定性肥料和添加碳源（生物炭、秸秆、猪粪等），从而减少氮素损失，增加氮素固持。稳定性肥料添加延缓了尿素水解和硝化过程，增加了土壤中铵态氮的供应量，提高水稻对氮肥的利用效率。不同碳氮比碳源添加对微生物氮素固持的能力影响不同［3］。研究表明，高碳氮比秸秆中释放的氮素无法满足微生物生长的需要，导致微生物开始固持土壤中原有的矿质氮素，使得土壤矿质氮量在添加秸秆后迅速下降，微生物固持氮素增加［4］。Sugihara等［5］认为低碳氮比猪粪添加具有更高的微生物活性和碳氮转化相关酶的活性，增加物种的丰富度。在生产实践中，单一的氮肥或有机物料均无法使氮素的利用率和累积率达到最大。有机无机配施在一定程度上能提高土壤微生物对氮素的固持、后期的矿化释放，供作物吸收利用，进而达到提高肥料利用效率和培肥地力的目的［6］。探究在不同碳氮比有机物料添加及与氮肥配施条件下肥料氮的当季及次年利用状况及对土壤持续供氮能力的影响具有非常重要的意义。

选用15N同位素示踪技术更好地区分外源氮和土壤本源氮，了解肥料氮的当季及次年的转化过程及分配规律，目前，此类研究已有部分报道［7-10］。周瑞庆等［7］报道水稻地上部分吸收的氮素有至少1/3来源于当季施用的肥料。在水稻营养生长期，70%以上的肥料氮分布在茎叶上，至成熟期，约40%左右的氮分配在水稻籽粒中［8］。当季施入土壤中的肥料氮，一部分被作物吸收或损失，另一部分残留在土壤中，而当季氮肥在土壤中的残留量为30%～50%［9］，且残留的肥料氮在土壤中多以有机态氮的形态存在，约占施氮量的20%～50%［10］。肥料氮在土壤中的当季利用率及转化分配过程已有大量报道，而关于肥料氮在土壤中的残效，特别是不同类型有机无机配施对肥料氮残效的研究较少。本试验以前一年施用15N尿素种植过水稻的棕壤性水稻土为供试土壤，以普通尿素和稳定性尿素为供试氮肥，通过与秸秆、猪粪等不同有机物料配施来研究15N标记的残留氮肥在稻田土壤不同处理下的后期利用情况及对后茬水稻供氮的贡献，在更长时间尺度上探究氮肥的时效性；这也是对稳定性肥料的增效作用及有机物料调节固持作用很好的效果验证，为科学合理施肥提供借鉴，对稻田土壤培肥及农业可持续发展均具有非常重要的实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验地点

供试土壤为棕壤性水稻土，取自沈阳农业大学水稻研究所试验基地0～20 cm土层。土壤过5 mm筛，除去石头、作物残体和根系后备用。本试验为盆栽试验，于中国科学院沈阳国家农业生态系统野外观测研究站（41°31′N，123°24′E）网室内进行，该地属暖温带湿润半湿润大陆性季风气候，2019年均温7～8℃，＞10℃活动积温3300～3400℃，总太阳辐射量5400～5600 kJ·cm-2，年平均降水量约690 mm，无霜期146～166 d。耕作制度为一年一熟制。

1.2 试验设置

盆栽试验于2019年5～10月进行，采用2018年15N尿素盆栽试验水稻种植后土壤（15N丰度为10.02%），每盆称相当于干土重量的鲜土2 kg。试验设置7个处理，分别是空白（CK）、尿素（N）、秸秆+尿素（NS）、猪粪+尿素（NM）、稳定性尿素（NI）、秸秆+稳定性尿素（NIS）、猪粪+稳定性尿素（NIM）。每个处理9盆，分3次重复和3次取样，共设63盆，随机排列。种植水稻品种为“美锋9”，每盆3穴，每穴2株。氮肥为普通尿素和稳定性尿素，基肥、返青肥和分蘖肥按4∶3∶3的比例分3次施用（总N量150 mg·kg-1），氯化钾和过磷酸钙作为底肥一次性施入。稳定性尿素由1%苯基磷酰二胺（PPD）+1%N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）+1% 3，4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）+100%尿素制得，抑制剂添加量均按尿素纯N量的百分比添加。供试秸秆碳氮比为64.07，添加量为5 g·kg-1，相当于添加纯N 29.5 mg·kg-1。猪粪碳氮比为10.04，添加量为5.94 g·kg-1，相当于添加纯N 171.67 mg·kg-1。供试土壤、秸秆和猪粪的基本理化指标如表1所示。

水稻于2019年6月2日定植，分别于返青期（6月8日）、分蘖期（7月2日）和成熟期（9月26日）进行破坏性取样，每个处理各取3盆。返青期和分蘖期取样分别在施肥后7 d进行。土壤样品选用五点取样法采集，除去水稻根系后充分混匀待测。收获水稻地上部分样品（茎叶和穗）。测定返青期、分蘖期和成熟期时土壤铵态氮、硝态氮、微生物生物量碳和氮、土壤及植株中同位素15N丰度、水稻地上部分生物量、吸氮量等。

1.3 指标测定

土壤基本理化指标参照鲁如坤［11］的方法进行测定。采用100 mL 2 mol·L-1的KCl溶液浸提10 g鲜土，25℃ 220 rm·min-1震荡1 h后过滤，用流动分析仪AA3分别在波长660和540 nm时测定土壤铵态氮和硝态氮含量［12］。土壤微生物生物量氮（MBN）用氯仿熏蒸法测定，称取20 g新鲜水稻土壤2份，一份在黑暗处熏蒸24 h，一份不熏蒸，熏蒸与未熏蒸的样品均加入80 mL 0.5 mol·L-1K2SO4中浸提（土∶浸提液=1∶4），用TOC分析仪（Vario TOC Cube，Elementar，Germany）测定熏蒸和未熏蒸浸提样品，微生物生物量碳（MBC）的熏蒸系数0.45［13］，微生物生物量氮（MBN）的熏蒸系数为0.54［14］。水稻植株采样后洗净，于烘箱中85℃杀青1 h后，65℃烘至恒重测定地上部生物量。烘干的水稻植株样品和风干的土壤样品用球磨仪粉碎后，用元素分析仪（Vario Macro，Elementar，Germany）测定全氮含量，15N丰度采用同位素比例质谱仪（253 MAT，Thermo Finnigan，Germany）进行检测。

1.4 数据统计

统计分析采用Excel 2013和SPSS 16.0进行，用单因素方差分析（One-way ANOVA，Duncan）比较不同处理间参数的差异显著性，采用Origin 8.0作图。

土壤中肥料氮含量=土壤中全氮含量×土壤中氮的原子百分超/尿素中原子百分超

植株中肥料氮含量=植株中氮含量×植株中氮的原子百分超/尿素中原子百分超

植株中15N回收率（%）=植株吸收15N/植株总吸氮量×100

收获指数=籽粒产量/地上部分生物量

氮素回收利用率（%）=（TN-TN0）/FN×100式中：TN、TN0分别为施氮及不施氮地上部氮累积量，g·盆-1；FN为氮素投入量，g·盆-1。

2 结果与分析

2.1 土壤全氮及肥料氮在土壤中的保存

与CK相比，无机氮肥的施入对收获后土壤全氮及肥料氮在土壤中保存的短期影响差异不显著（P ＞ 0.05）。秸秆及猪粪的添加显著提高了收获后土壤全氮含量（P ＜ 0.05），表现为猪粪＞秸秆＞氮肥（图1a）。相比于N，NS处理显著提高了种植前和收获后土壤中肥料氮的残留（图1b），NIS处理显著降低了种植前肥料氮残留，却显著提高了收获后肥料氮的残留量，此研究表明，秸秆添加有利于肥料氮在土壤中的储存。与N相比，NIM处理显著增加了种植前肥料氮的残留，而与NM处理差异不显著（P ＞ 0.05），两者在收获后差异亦不显著（P ＞ 0.05）。NIM与NM在肥料氮保存方面未达到显著性差异（P ＞ 0.05）。

图1 种植前和收获后土壤中全氮和肥料氮在土壤中的残留量

2.2 有机无机配施对土壤铵态氮、硝态氮含量的影响

土壤铵态氮是评价土壤供氮能力的重要指标之一。如图2所示，相比于CK，氮肥、秸秆和猪粪的添加均提高了整个水稻生长时期的土壤铵态氮的含量。与普通尿素相比，稳定性尿素显著影响了土壤中无机氮的转化，延缓了尿素水解速率和硝化速率，降低返青期铵态氮的生成，增加分蘖期铵态氮的供给，在分蘖期，相比于CK，NI、NIS和NIM处理显著提高了土壤铵态氮的含量（P＜0.05），分别增加了5.53、3.67和6.16倍，NIM＞NI＞NIS，且成熟期亦高于普通尿素及配施处理。稳定性尿素添加处理（NI、NIS、NIM）在硝态氮上也效果良好，相比于N，NI处理在返青期提高了59.62%，分蘖期降低了93.83%；相比于NS，NIS处理返青期提高了16.75%，分蘖期降低94.15%。施用猪粪（NM、NIM）在返青期具有最高的硝态氮含量，显著高于其他处理（P＜0.05），但在分蘖和成熟期与其他处理差异不显著（P ＞ 0.05）。

图2 土壤铵态氮和硝态氮的变化情况

2.3 有机无机配施对土壤微生物量碳、氮的影响

如图3所示，不同施肥类型对土壤微生物量碳、氮的影响较大。相比于普通尿素，稳定性尿素、秸秆和猪粪的添加均显著提高了土壤微生物量碳含量（P＜0.05），且猪粪＞秸秆＞氮肥，土壤微生物量碳随着水稻生长呈现逐渐增加的趋势，即成熟期＞分蘖期＞返青期。在秸秆添加初期，能显著提高土壤微生物对氮素的固持，秸秆和尿素处理的微生物量氮均为返青期＞成熟期＞分蘖期。而NM为成熟期＞返青期＞分蘖期，NIM为分蘖期＞成熟期＞返青期，本研究表明，稳定性尿素及猪粪添加后能有效将氮素保存在微生物量氮中，后续矿化释放，供水稻吸收利用。相比于CK，秸秆、猪粪及氮肥的添加均显著提高了成熟期土壤微生物量氮在土壤全氮中的比值，NM、NIM处理比值最高，供氮能力最强，其次是NS、NI、NIS，单施尿素最差。总之，猪粪配施氮肥后土壤的供氮能力及有效性最高，秸秆配施氮肥次之。

图3 水稻不同生长时期土壤中微生物量碳、氮含量

稻田土壤的碳氮循环过程相互依赖，紧密联系。无机氮肥、秸秆及猪粪添加改变了土壤中原有的化学计量比，影响了土壤微生物量碳、氮的转化。由图4可知，NS、NM、NIS处理具有较好的微生物量碳、氮的耦合关系（P＜0.05），这与图3中秸秆及猪粪添加后具有较高的微生物量碳、氮相一致。NM、NI、NIM处理微生物量碳和氮呈现正相关关系，表明猪粪与氮肥配施供应碳、氮的能力较好。而CK、N、NS、NIS处理则呈负相关关系，表明秸秆对土壤碳、氮供应与微生物需求的吻合性较差。

图4 有机无机配施对土壤微生物量碳、氮耦合关系的影响

2.4 有机无机配施对水稻产量及生物学指标的影响

相比于CK，氮肥、稳定性尿素、秸秆及猪粪的施用均显著提高了水稻各生育时期的生物量、穗数、产量等生物学指标，其中以NIM处理的增产效果最为显著（P＜0.05）（表2）。在返青期，各处理生物量均高于CK处理，NI处理生物量最高，约是CK处理的3.05倍，是N处理的1.89倍，除NI外，其他处理之间差异不显著（P＞0.05）；在分蘖期和成熟期，NIM处理的总生物量最高，显著高于其他处理（P＜0.05），约是CK的4.64和5.72倍，是N处理的2.98和2.52倍；成熟期NIM的穗数和产量亦最高，显著高于其他处理（P＜0.05），约是CK的5.72和6.33倍，是N处理的2.52和2.37倍。各处理水稻百粒重均无显著差异（P＞0.05）。NS处理收获指数最高，显著高于N、NM和NIM处理（P＜0.05），与N、NM相比，稳定性尿素（NI、NIM）显著提高水稻在生长期的生物量、穗数及产量（P＜0.05）；但当与秸秆配施后，增产效果不显著（P＞0.05）。

表2 水稻收获后总生物量、穗数、百粒重、产量及收获指数

2.5 有机无机配施对水稻氮素及15N的吸收利用的影响

各施肥处理地上部分吸氮量均显著高于CK处理（P＜0.05，表3），表明无机肥、有机无机配施均显著促进水稻地上部分氮素吸收。与N处理相比，NI处理显著提高了水稻植株对氮素的吸收利用及氮素回收利用率（P＜0.05，表3）。NIM处理秸秆和穗中含氮量最高，故其地上部分吸氮量亦最高，显著高于其他处理（P＜0.05），达N 322.71 mg·盆-1。NS和NIS地上部分肥料氮含量最高，第二季15N回收率高达52.14%和49.19%，显著高于单施氮肥处理（P＜0.05）。同时，NS、NIS处理中肥料15N的回收率显著高于其他处理（P＜0.05），本研究表明，秸秆配施普通氮肥或者稳定性氮肥，促进了籽粒中干物质的积累及氮素的同化和营养器官中养分向籽粒中的转运，对肥料氮的固持及次年水稻吸收利用均有良好的效果；NM和NI处理氮肥回收率次高，N、NM处理占比最低；处理NS、NI氮素回收利用率最高。

表3 水稻地上部分吸氮量

相关分析表明水稻的生长与氮素的供给密切相关（表4），水稻生物量与土壤铵态氮和硝态氮呈显著负相关（P＜0.05），与微生物量碳呈极显著正相关（P＜0.01）。秸秆氮与土壤铵态氮、微生物量氮之间呈极显著正相关（P＜0.01）。穗氮和总吸氮量与秸秆氮量一致，还与秸秆氮具有极显著的正相关关系（P＜0.05）。秸秆、穗及总肥料氮除与处理及土壤铵态氮极显著相关外（P＜0.01），还与秸秆、穗及总吸氮量极显著相关（P＜0.01）。

表4 相关分析

3 讨论

相比于普通尿素，添加稳定性尿素提高了水稻地上部分生物量、穗数和产量（表2），显著提高了秸秆、穗及地上部分对肥料氮的次年吸收利用，提高了15N的回收率约5%（P＜0.05，表3），但在土壤全氮及微生物量碳、氮方面的影响不显著（P＞0.05）。在N处理中，次年水稻吸收的肥料氮约占总吸氮量的30%，这一结果与晏娟等［15］的结果相吻合。相比于N处理，NI显著提高了土壤铵态氮的供给（图2），且相关分析表明，水稻生物量与土壤铵态氮含量具有显著的相关关系（P＜0.05，表4）。周旋等［16］认为，脲酶及硝化抑制剂组合在水稻整个生长期能较好地调控尿素的转化过程，提高经济效益，这亦与本研究的结果相一致。这主要是因为尿素溶于水后快速释放出大量的铵态氮，而稳定性尿素添加后，抑制剂组合发挥抑制作用，延缓了尿素水解和硝化作用的进程，显著增加了水稻整个生长时期土壤中铵态氮的供给（P＜0.05），协调了作物吸氮、微生物吸氮及粘土矿物固定之间的矛盾，保证了水稻生长关键时期的养分供给，促进水稻生长［17］。

秸秆配施氮肥均增加了次年水稻秸秆和穗中15N的含量，促进茎秆中肥料氮向籽实中的转移。与N处理相比，NS、NIS显著增加水稻籽实的产量，15N尿素的累积吸收量约占总吸氮量的50%，约有1/2的氮来源于残留的肥料氮，其吸收利用率显著高于无机氮处理（表3），这一结果同赵伟等［10］的结果相一致。一方面是因为NS处理在第一季土壤中15N回收率为30%～40%，其具有最高的肥料氮，高达75 mg·kg-1干土（图1b），故高的残留肥料氮影响了水稻的次年吸收利用；另一方面，杨立杰等［18］表明，氮肥与秸秆配施显著提高了土壤微生物生物量、细菌、真菌、真菌/细菌和格兰氏阴性菌的含量，本试验中，两者配施也具有较好的微生物量碳、氮的耦合性（图4），且秸秆+氮肥残留氮以有机氮为主，占82.6%～95.1%。相比于无机氮肥，秸秆配施氮肥会增加土壤氮素净矿化39%～49%，两者长期施用能提高土壤残留肥料氮的矿化量及有效性［9］。本试验中，至成熟期，秸秆配施氮肥仍具有最高的MBC/MBN，有利于微生物对肥料氮素的固持，在次年的水稻生长中，存留的肥料氮进一步被吸收利用，显著高于30%的回收率，故秸秆在提高肥料氮的固持及次年利用方面发挥着积极的作用。

秸秆配施稳定性氮肥处理穗及地上部分对肥料氮的次年吸收利用均显著高于N和NI处理，其主要原因是秸秆及稳定性肥料配施促进了肥料氮更多的以有机氮的形式保存，使微生物对矿质氮的净固定持续时间长［19］。土壤MBC/MBN直接影响微生物量的高低［20-21］，NIS处理在分蘖期和成熟期的MBC/MBN均显著高于其他处理，故有利于肥料氮贮存在微生物量氮库中。同时，两者配施亦促进了次年有机氮的矿化，矿化释放的氮易被水稻吸收利用。相比于NS处理，NIS处理能显著增加秸秆对肥料氮的吸收利用，但穗及地上部分对肥料氮的次年吸收利用显著低于NS处理，Takakai等［22］表明，稳定性氮肥添加比普通氮肥更能促进秸秆的降解，同时提高氮素的回收率，这与本研究的结果相一致，稳定性尿素的施用对肥料氮的贮存及次年肥料氮的矿化和利用均起到积极的作用。

NM处理水稻氮素利用状况较差，但利于对土壤氮素的保存。水稻各生育时期地上部分生物量、穗数、百粒重、收获指数等指标与N处理相比差异不显著，且氮素回收利用率仅有30%，15N的回收率约40%，至成熟期，秸秆中的15N显著高于穗中的15N，不利于向籽实中的转移。可能原因是在返青期具有最高的铵态氮和硝态氮含量及较高的微生物量碳、氮含量（图2、图3），在水稻生长前期，对氮素需求较少时，大量的氮肥可能通过氨挥发及反硝化作用损失［23］，同时氮肥的供应充足导致水稻贪青。在成熟期NM处理具有最高的MBC/MBN、MBN/TN，MBN/TN代表微生物量氮对土壤氮库的贡献率，常用来评价土壤氮素的供应能力及其有效性［24］。在淹水条件下，微生物量氮是土壤可矿化氮的主要来源，是土壤活性氮的“库”和“源”，猪粪配施氮肥的氮素供应能力大幅度提高，消减了土壤微生物代谢对氮的限制［3］。猪粪的碳氮比较小（10），碳氮比越小，越容易被微生物利用，被利用后转化为微生物量氮，水稻后期微生物固持的氮素逐渐矿化释放供水稻吸收利用［5，24］，最终显著增加土壤全氮含量，无论是当季还是次季（图1），而作物更倾向于利用无机来源的速效氮，且含碳物质添加会降低氮素矿化速率，氮固持作用增强，故有机物料中的有机氮利于贮存在土壤中，进而提高土壤的氮库含量［25-26］。除微生物对氮素的固持外，李冬初等［27］认为尿素配合猪粪施入后促进土壤对NH4+的吸附，增加氮素的矿物固定。

相比于普通尿素，稳定性氮肥与猪粪配施增效效果更显著。NIM处理具有最高的地上部分生物量、穗数、产量和吸氮量等（表2，表3），显著高于NM处理。相关分析表明，水稻产量与土壤铵态氮含量具有显著的相关关系（P＜0.05，表4）。NIM处理具有较高的MBN/TN，显著高于N处理，但显著低于NM处理，表明猪粪与稳定性氮肥配施，土壤的供氮能力及有效性较高，显著提高了土壤微生物量碳、氮含量，这与McSwiney等［28］的研究结果相似。有相关研究表明，肥料残留氮的有效性较低，尤其是在栽种第二季作物以后，施用有机肥处理，肥料残留氮贡献率要在22%～40%之间［29］，这与本研究的结果相一致。从提高作物产量及增加氮素保存的角度考虑，NIM是较为理想的施肥方式。

4 结论

稳定性氮肥、秸秆及猪粪改变了土壤中氮素的转化及水稻对氮素的吸收利用。稳定性氮肥在缓解尿素水解及抑制硝化作用方面效果显著，同时，能提高水稻对氮素的吸收利用，增加作物产量。秸秆配施氮肥及稳定性尿素提高了水稻对残留肥料氮的次年吸收利用，尤其是肥料氮在籽粒中的储存；猪粪配施氮肥能提高土壤微生物对氮素的固持，增强土壤供氮能力，猪粪配施稳定性尿素能增加水稻总生物量以及水稻籽粒对土壤氮素的吸收利用。