北方粳稻最优产量氮肥阈值周年变化及其影响因素分析

陈玥 宫亮 金丹丹 张鑫 李波 邹晓锦 隋世江 叶鑫 刘艳

（辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，110161，辽宁沈阳）

水稻是中国主要的粮食作物，占中国粮食总产量的1/3，对保障中国粮食安全起着举足轻重的作用。氮肥是影响作物产量的主要因子之一，对粮食增产的贡献率高达40%[1]，我国稻田氮肥消费量占氮肥总消费量的30%以上[2]，但当季回收利用率仅为27.2%[3]，过量的氮肥投入一方面增加了生产成本，降低了氮肥利用效率，另一方面，导致氮素以各种途径流失到环境中，引发了一系列环境问题[4-5]。研究以维持作物高产和降低环境污染风险为限量依据的氮肥施用量，对保障国家粮食和环境安全具有重要意义[6]。目前，我国常用的推荐施肥方法有基于土壤养分的推荐施肥方法，如通过测土配方施肥法设计“3414”田间试验来建立推荐施肥指标体系，实现平衡施肥，提高作物产量[7]；基于作物的推荐施肥方法，有实时氮肥管理模式[8]和实时实地氮肥管理技术[9]，根据水稻氮素营养状况实时调节氮肥用量，实现了田块尺度的氮肥精量管理[10]；通过肥料效应函数法建立作物产量与肥料用量的统计关系，可作为推荐施肥的依据[11-12]；基于作物产量反应和农学效率的农田养分专家系统（nutrient expert）以多年多点数据库为基础，在测土条件不充分时，仍可针对农田快速生成个性化的施肥方案[13]，实现节肥增效[14]。上述推荐施肥方法分别提出了有利于土壤肥力、作物生长或者减少氮肥损失的氮肥推荐施用量，但利用不同推荐施肥方法确定的施肥量往往存在差异。王永欢等[15]利用一元二次方程函数模型计算得出辽河三角洲稻区最佳纯N 用量为270～315kg/hm2，李波等[16]利用线性加平台肥料效应函数法计算该地区合理施氮量为221～235kg/hm2，应用“作物理论施氮量”[17]计算得到该区域水稻氮肥推荐用量为214～245kg/hm2，氮素归还指数（RNRI）法[18]则预测该地区合理氮素投入量为209kg/hm2。已有研究在氮肥区域宏观用量推荐及田块尺度上的微观调节方面取得了很大进展，然而氮肥推荐用量的周年变化及其影响因素则少见报道。本研究通过8 年的田间定位试验，研究氮肥输入（施肥、灌溉、降水）和输出（作物吸收、损失、土壤残留）等土壤氮素表观平衡影响因子年际间变化特征，分析其对推荐施氮量周年变化的影响，为科学制定氮肥减施奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

辽河三角洲稻区是北方单季粳稻主产区之一，水稻常年种植面积在15.33 万hm2（230 万亩）以上，产量最高可达12 750kg/hm2，但氮肥投入量较大，农民习惯纯氮施用量可达260～300kg/hm2。试验于2011-2018 年在辽宁省盘锦市盘山县墙子镇航呈农场进行，该地位于辽河三角洲中心地带，属温带半湿润季风气候类型，年均降水量650mm，年均气温8℃～9℃，无霜期165～170d。供试土壤为盐碱型水稻土，0～20cm 土壤理化性质为pH 8.2、有机质22.57g/kg、全氮 1.42g/kg、碱解氮105.24mg/kg、有效磷 21.61mg/kg、速效钾164.22mg/kg、容重1.39g/cm3。

1.2 试验设计

设置6 个氮肥水平，纯氮用量分别为0（N0）、160（N160）、210（N210）、260（N260）、315（N315）和420kg/hm2（N420），小区面积50m2，3 次重复，随机区组排列。氮肥为尿素（含N 46%），基肥:分蘖肥:穗粒肥=40:30:30。各处理磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量均为90kg/hm2，磷肥为磷酸二铵（P2O546%，N 18%）和过磷酸钙（P2O518%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），全部基施。各小区之间用PVC 板分隔并筑埂，PVC 板埋深30cm，以减少小区间肥水渗透。各小区均设有单独的排水口和进水口，单排单灌。供试水稻品种为盐丰47，插秧密度为30cm×16.5cm。每年5 月下旬插秧，10 月上旬收获，田间管理措施按当地习惯统一进行管理。

1.3 测定项目与方法

用LXS-15E 型流量计测定各小区灌溉量，再折算成单位面积灌溉量。每次灌溉开始15min 后，取灌渠中段水样500mL，3 次重复。用SDM6A 型雨量器测定降水量并收集雨水样品，24h 降水量超过5mm 时，单独采集降水水样；全年所有小于5mm降水的水样混合成一个样品。雨水样品和灌溉水样品采集后立即冷冻保存，并于1 个月内完成化验。采用连续流动分析仪（AA3，德国布朗卢比公司）测定样本NO3--N 和NH4+-N 含量。

收获后每个小区用“十字交叉”法采取5 点土壤样品，采样深度20cm，混合为1 个土样。冷藏保存带回实验室后立即测定，如当天未能完成测定，将样品放置-20℃冰柜中保存。用烘干法测定新鲜土壤水分含量，用连续流动分析仪（AA3，德国布朗卢比公司）测定新鲜土壤样本NO3--N 和NH4+-N 含量。

水稻成熟后，各处理随机选3 块样方测定水稻产量，每个样方6m2，将样方产量折算成单位面积产量。各处理随机取10 穴水稻，按茎、叶和籽粒分别测定全氮含量，测定方法为H2SO4―H2O2消煮―凯氏定氮法。

1.4 模型选择

二次项、指数、直线及直线加平台等肥料效应函数分别适用于不同条件下计算肥料用量和作物产量的相关性。函数统计检验的拟合程度、同一产量水平下推荐施肥量的节省程度和稳定性是选择效应函数的3 个重要条件[19]。作物产量与肥料用量两者符合报酬递减率关系，因此，通常利用二次多项式函数模型计算作物最高理论产量及对应的施肥量。而近年来，随着育种水平的不断提高，高产作物品种通常具有基础产量高、耐肥水、抗倒伏等特点，在某一产量范围内，施肥量与作物产量无显著相关性，产量和施氮量曲线在适宜施氮量附近已相当平缓，少量增加或减少氮肥的施用量对产量的影响很小[6,20]，因此，可应用线性加平台函数拟合作物产量与施氮量的相关性[21]，计算得到作物目标产量和推荐施氮量。

1.5 计算方法和数据分析

1.5.1 计算方法 降雨量（m3/hm2）=降雨量/1000×10000；降雨携氮量（kg/hm2）=降雨量×（铵态氮含量+硝态氮含量）/103/106；植株吸氮量（kg）=（籽粒含氮量×籽粒产量+秸秆含氮量×秸秆产量）/1000；氮素收获指数（%）=籽粒氮素积累量/植株氮素积累总量×100；无机氮素表观损失（kg）=（施氮量+土壤起始无机氮+土壤氮素净矿化量）–（作物吸收氮+收获后土壤残留无机氮），无机氮素表观损失是指铵态氮和硝态氮以径流、淋溶和挥发等途径损失的氮素。土壤氮素净矿化量（kg）=不施氮小区作物吸氮量+不施氮肥区土壤残留无机氮–不施氮肥区土壤起始无机氮；其中，氮素矿化是根据无氮区作物吸氮量与试验前后土壤无机氮的净变化来加以估计，由于不考虑氮肥的激发效应，故假定施肥处理的土壤矿化量和无肥区相同。土壤残留无机氮含量（kg）=（铵态氮含量+硝态氮含量）×土层深度×容重×面积/103/106，式中，土层深度为20cm，容重为1.39g/cm3，面积为10 000m2。

1.5.2 推荐施氮量年际间变化因素分析 氮表观平衡理论认为[17]，农田氮投入与氮输出应该保持动态平衡，其中氮投入包括化学氮肥（fertilizer nitrogen，FN）、降雨（nitrogen in precipitation，PN）及灌溉（nitrogen in irrigation，IN）带入农田的氮素和土壤无机氮矿化（soil inorganic nitrogen mineralization，SIN）。氮输出包括植株吸收氮（nitrogen uptake，UN）、土壤残留无机氮（soil residual inorganic nitrogen，SRN）和各种途径损失的氮素（nitrogen losses，LN）。农田氮投入与输出符合以下关系：

由此推导出两者变量符合以下关系：

因此，影响化学氮肥投入量变化的因素应该与降雨及灌溉带入农田的氮素、农田土壤氮库、植株吸收氮量及各种途径损失的氮素等相关。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19 软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 推荐施肥量的年际间变化

利用线性加平台函数和二次多项式函数分别计算2011-2018 年目标产量及推荐施氮量、最高产量及最高产量施氮量，其年际间变化趋势（图1）表明，试验区目标产量在9860～10 019kg/hm2，推荐施氮量为205.02～220.61kg/hm2，施氮量高低相差7.60%，2011-2015 年有较大波动，2016 年开始趋于稳定。最高产量为9876～9966kg/hm2，最高产量施氮量为258.97～280.41kg/hm2，2011-2013 年逐渐增加，2014 年以后基本保持稳定。推荐施氮量与目标产量及最高产量的年际间变化趋势相近，与最高产量施氮量的年际间变化趋势并不相同。

图1 2011-2018 年水稻推荐施肥量及其周年变化Fig.1 Recommended fertilizer application rate and annual change during 2011-2018

2.2 降雨及灌溉带入农田氮素的变化

图2 表明，2011-2018 年，从泡田到水稻收获（5-9 月）期间降雨量（R）为266.4～665.4mm，折合用水量为2.66×103～6.65×103m3/hm2，携带无机氮含量（PN）为7.04～16.83kg/hm2；灌溉用水量（I）为8.56×103～10.33×103m3/hm2，携带无机氮含量（IN）为17.61～21.39kg/hm2；水稻生育期内净用水总量折合11.23×103～15.50×103m3/hm2，灌溉和降雨总携氮量为24.66～34.96kg/hm2。降雨和灌溉输入农田无机氮含量年际间变化分别为-9.64～7.56m3/hm2和-3.11～3.26m3/hm2。降雨和灌溉总输入无机氮含量周年变化为-10.30～4.62×103m3/hm2，2011-2012年和2017-2018 年变化分别为0.06m3/hm2和0.03m3/hm2，波动较小，其他年份间变化均较大。

图2 水稻生育期内降雨量、灌溉量及输入无机氮含量（2011-2018 年）Fig.2 Rainfall,irrigation and inorganic N input during the rice growth period(2011-2018)

2.3 土壤氮素含量年际间变化

图3 表明，与试验前相比，N0 和N160 处理土壤无机氮含量分别下降了15.99～25.53 和11.91～19.30kg/hm2，呈现出逐年下降的趋势；年际间变化量分别为-2.08～-0.89 和-2.20～-0.20kg/hm2，表现出逐年亏缺的规律。N210 处理土壤无机氮含量为78.19～81.38kg/hm2，与基础土壤无机氮含量基本持平，呈现盈余与亏缺互现的变化规律。N260、N315和N420 处理土壤无机氮含量分别增加31.65～41.79、38.35～43.84 和42.66～45.31kg/hm2，呈现逐年上升的趋势；年际间变化分别为0.35～2.06、0.27～2.75 和-0.81～1.69kg/hm2，均表现出逐年盈余的规律。

图3 不同处理0～20cm 土层土壤无机氮含量变化趋势Fig.3 Variation tendency of inorganic N concentration in the soil arable layer(0-20cm)under different treatments

0～20cm 土层土壤无机氮含量与施氮量呈线性加平台相关性（表1），利用该函数模型可计算得到，土壤无机氮含量峰值为121.15～125.86kg/hm2，其对应的施氮量为273.61～289.71kg/hm2，呈现出先逐年下降，再趋于稳定的趋势；推荐施氮量条件下的土壤无机氮含量为81.87～89.31kg/hm2，较基础土壤无机氮含量增加了1.31%～10.52%，与推荐施氮量年际间波动趋势一致，含量达到约89kg/hm2时，趋于稳定。

表1 土壤无机氮含量与施氮量的相关性Table 1 Correlation of soil inorganic N content and N applicationkg/hm2

2.4 植株吸收氮量与施氮量的相关性

图4 表明，水稻籽粒吸氮量随着施氮量的增加呈现出先明显增加，随后趋于稳定，再下降的趋势，在氮肥用量低于315kg/hm2范围内，两者符合线性加平台相关性，籽粒最大吸氮量为140.18kg/hm2，对应氮肥用量为237.39kg/hm2；水稻秸秆吸氮量随施氮量的增加呈逐渐增加的趋势。氮素收获指数与施氮量符合平台加线性的相关性（图5），施氮量低于232.64kg/hm2时，氮素收获指数保持在70.31%，高于此施氮量，氮素收获指数开始下降，水稻秸秆吸收氮素比例增加，出现奢侈吸收现象。

图4 植株吸氮量与施氮量的关系Fig.4 Correlation of N uptake and N application

图5 氮素收获指数与施氮量的关系Fig.5 Correlation of N harvesting index and N application

2.5 无机氮表观损失总量与氮肥用量的关系

各处理无机氮表观损失量为24.65～368.52 kg/hm2，无论是否过量施肥，各处理均有无机氮表观损失，且无机氮表观损失量与施氮量呈正相关（图6a）。N0、N160 和N210 处理无机氮表观损失量年际间变化量为-10.31～7.29kg/hm2；N260、N315 和N420 处理2011-2012 年度间无机氮表观损失量相差38.85～42.38kg/hm2（图6b），在试验第2 年损失量即达到峰值，但随着时间推移各处理无机氮表观损失量年际间变化量逐渐降低。

图6 0～20cm 土壤无机氮表观损失量与施氮量的关系Fig.6 Relationship between the apparent loss amount of inorganic N in the soil arable layer(0-20cm)and N application

2.6 推荐施氮量与各因素通径分析

2011-2018 年推荐施氮量及氮表观平衡各因素氮含量如表2 所示，其中植株吸氮量、土壤无机氮含量和氮表观损失量由其与推荐施氮量的相关性计算获得，降雨和灌溉携氮量由当年实地监测获得。推荐施氮量与植株吸氮量、土壤无机氮残留量、氮损失量、灌溉和降雨携带无机氮的周年变化线性回归方程为y=3.94301+2.63267x1+1.80279x2–0.57659x3+1.28852x4–4.13286x5，R2=0.951，F=58.21（P＜0.0001）达极显著水平，说明对其进行通径分析有意义（表3）。

表2 2011-2018 年推荐施氮量条件下的氮表观平衡Table 2 N apparent balance at recommended N application rates from 2011 to 2018kg/hm2

表3 氮表观平衡条件下各因素对推荐施氮量周年变化的影响分析Table 3 Effects of various factors on annual changes of recommended N application rate under N apparent equilibrium condition

通径分析结果（表4）表明，直接影响推荐施氮量周年变化的因素按照影响程度依次为土壤无机氮含量＞植株吸氮量＞灌溉输入无机氮＞降雨携带无机氮量＞氮损失量的周年变化。其中，推荐施氮量周年变化与植株吸氮量、土壤无机氮含量和灌溉携氮量的周年变化呈显著正相关，其相关系数均低于直接通径系数，表明这3 个因素直接影响推荐施氮量的周年变化；降雨携氮量变化相关系数为负，且其直接通径系数为正，表明其主要受土壤无机氮量、植株吸氮量和灌溉携氮量变化来间接影响推荐施氮量变化。

表4 氮表观平衡各因素与推荐施氮量周年变化的通径分析Table 4 Path analysis of the annual changes of nitrogen apparent balance and recommended nitrogen application

3 讨论

已有研究[22-23]证实了氮肥推荐量存在空间变异性，其原因主要是地区间气候和土壤肥力的差异，导致这种区域间大尺度的推荐施肥量存在较大差异[24]，但不同学者得出的同一地区的推荐施肥量也可能相差悬殊[25]，本研究也得到了相似的结论。8 年试验结果表明，最高产量施氮量在试验开展前3 年波动较大，而目标产量推荐施氮量在试验开展前5 年变化较大。在保证目标产量变化1%以内的条件下，推荐施氮量与最高产量施氮量相比，2011-2014 年减少18%～25%，表现出降低―升高―降低的变化规律；2015-2018 年减少约20%，较为稳定。

氮肥残效已被众多学者所证实[26-27]，因此，如果肥料管理措施脱离了土壤氮素平衡，将难以实现持续增产，甚至会导致减产[28]。研究[29]表明，土壤供氮是水稻吸收氮素的主要来源，然而，土壤饱和施氮增加了氮素损失风险。已有的研究指出了过量施氮会导致氮肥生产效率下降[30]，稻米的营养品质变差[31]，产量降低[32]，对环境造成污染[33]等一系列危害。本研究结果表明，N260、N315和N420 处理0～20cm 土壤无机氮盈余量每年可高达31.65～45.31kg/hm2，其中，N315 和N420 处理施氮量比N260 分别增加21.15%和61.54%，但无机氮盈余量仅分别增加了4.91%～21.14%和8.03%～28.71%，说明过量施氮导致氮素流失风险增加。彭少兵等[34]研究表明，在灌溉稻田中，并不需要保持很高的土壤背景氮来维持土壤的生产力，以避免过高的生产投入成本和休耕的氮素损失。本研究认为，0～20cm 土壤无机氮含量保持在约89kg/hm2时，既可达到保持土壤肥力的目的，又能实现高产稳产，氮肥施用量为220.61kg/hm2应为最优产量氮肥阈值上限，高于此施氮量将增加氮素流失风险。Ju 等[35]研究认为，在合理施用氮肥条件下，可以将作物获得目标产量时的地上部分吸氮量近似于理论施氮量，本研究也得到了相似的结论。水稻地上部分最大吸氮量为201.05～203.89kg/hm2，可作为最优产量氮肥阈值下限，低于此施氮量将有减产风险。

水稻产量受灌溉量和氮肥用量互作效应的影响[36]。一方面，田间水分状况改变，间接影响土壤含氧量，从而改变氮素形态，最终导致水稻生长环境发生较大改变[37]。另一方面，水分胁迫和氮素形态变化有利于提高水稻根系活力、总吸收面积和活跃吸收面积，增加分蘖期生物量积累及产量[38]。本研究结果表明，灌溉可直接影响推荐施氮量年际间变化，与上述研究结论一致。而降雨则间接影响推荐施氮量，可能是因为水稻生育期内灌溉量相对稳定，已经能够满足水稻生长需要，降雨带来的水量变化对水稻生长影响较小，其携带的氮素不能显著影响水稻对氮素的吸收利用效率。但需要注意的是应该尽量减少雨季追施氮肥，减少氮素径流损失风险[39]，以降低其对推荐施氮量的影响。

4 结论

试验区水稻目标产量为9860～10 019kg/hm2，氮肥阈值为205.02～220.61kg/hm2，基于稻田氮素表观平衡的目标产量氮肥阈值周年变化最大幅度为7.60%，其直接影响因素按照影响程度从大到小依次为土壤无机氮含量、植株吸氮量和灌溉输入无机氮含量，降雨携带无机氮含量是间接影响因素。