2022, Vol. 54
2. 南京信息工程大学应用气象学院, 南京 210044;
3. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所), 南京 210008
水稻是我国第二大粮食作物，其种植面积约占粮食作物总种植面积的25.7%[1]。氮是水稻生产中一个重要的产量限制因素，合理的氮肥管理是实现作物高产的关键措施[2]。我国稻田氮肥施用方式多为表施于田面水，但是尿素表施后会迅速水解成铵态氮，进而导致较高的氨(NH3)挥发速率，不利于氮肥利用率的提高，并且容易引起一系列的环境污染问题[3]。NH3挥发是稻田氮流失的主要途径，占总施氮量的13% ~ 60%[4-5]。农田排放的NH3可通过氮沉降直接或间接导致土壤酸化和水体富营养化，且气态NH3及其次级组分是雾霾的重要成分，会对人类健康造成威胁[6]。
为了减少NH3挥发损失，提高氮素利用效率，很多研究建议合理选择氮源、改进施肥时间和方式以及使用尿素抑制剂等[7-9]。其中，氮肥深施是改善水稻生长、调节氮肥供应的一项有效措施。与氮肥表施相比，尿素深施能显著降低田面水NH4+-N浓度，减少NH3损失[10]。先前研究表明，氮肥深施能够降低20% ~ 45%的NH3损失，提高26% ~ 93% 的氮肥利用率，使水稻增产38% ~ 55%[11-12]。但是在这些研究中，稻季氮肥的投入一般较低，而我国太湖地区氮肥实际投入较高。高施氮量下，一次性尿素深施会导致根际土壤氮素过量累积，容易引起水稻秸秆氮素吸收过剩，造成水稻贪青晚熟，不利于水稻产量的提高[12]。
一般认为，配施有机肥能够增强土壤固氮能力，促进水稻籽粒氮吸收[13]，因此相比尿素深施，尿素深施下增施有机肥可能具有进一步提高水稻产量的潜力。然而该措施对水稻生长和氮素利用的研究并不多，其对15N去向的影响也缺乏认识。因此，本研究在太湖地区进行了大田试验和微区同位素试验，研究尿素深施下增施有机肥对水稻产量、NH3损失和15N去向的影响，以期为实现我国农业绿色生产提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地点试验于中国科学院常熟生态农业实验站(31°32′93″N，120°41′88″E)进行。该站位于太湖地区，属亚热带季风气候，年平均气温15.5℃，年平均降水量1 038 mm。供试土壤为湖积物发育的潜育型水稻土(乌栅土)，表层土(0 ~ 20 cm)基本性质：pH 7.36，有机质35 g/kg，全氮2.09 g/kg，全磷0.93 g/kg，阳离子交换量17.7 cmol/kg。
1.2 试验设计本研究包括田间原位小区试验和微区同位素试验，设有4个处理，分别为：①对照(不施肥，CK)；②常规施肥(氮肥表施，CT)；③尿素深施(DT)；④尿素深施下配施有机肥(DT+M)。每个处理3个重复，各处理小区随机区组排列。田间试验包括2015年和2016年两个稻季，施用的氮肥品种为尿素(含N 460 g/kg)，磷肥为过磷酸钙(含P2O5 160 g/kg)，钾肥为氯化钾(含K2O 600 g/kg)。氮肥表施处理(CT)的氮肥为表层均匀撒施，分3次施用，施肥比例为4∶2∶4，施肥时间分别为6月24、7月7和8月14。氮肥深施处理(DT和DT+M)的化学氮肥为一次性基施，具体方法为使用自行设计的施肥工具，计算出平均每穴施肥量，在每穴水稻的根旁5 cm、根下10 cm进行施肥。有机肥为腐熟之后的菜籽饼肥(菜籽饼肥厌氧发酵30 d)，含水率为70%，含氮量(干基，下同)为60.7 g/kg，含磷量为8.8 g/kg，含钾量为12.7 g/kg，有机碳含量为504 g/kg。磷肥、钾肥各处理施用量相同，有机肥、磷肥和钾肥于基肥时期一次性表层均匀撒施，具体施肥情况见表 1。
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表 1 不同处理的施肥情况 Table 1 Fertilizer application under different treatments |
微区试验开展于2015年，将聚氯乙烯柱(高50 cm、内径38 cm)插入土壤，上方高出土壤15 cm。施用的氮肥为15N尿素(丰度为5%，由上海化工研究所提供)，微区管理同田间小区试验。
供试水稻品种均为南粳46，稻株距为20 cm × 20 cm。小区之间田埂用塑料薄膜覆盖，防止水肥互串。所有处理的杂草和病虫害管理与当地常规一致。除烤田外，田间始终保持3 ~ 5 cm的田面水，直至收获前一周左右。
1.3 样品的采集与测定小区试验的水稻成熟后，人工收割3 m2的样方，分成籽粒和秸秆，然后风干和称重，计算干物质量。测产后，取一部分籽粒和秸秆样品于75 ~ 80℃的烘箱中烘24 h直至恒重，之后用粉碎机粉碎，测定籽粒和秸秆氮含量。氮含量用浓硫酸消煮–凯氏定氮法测定。作物吸氮量根据干物质量和氮含量进行计算，氮肥表观利用率(NRE，%)根据施氮区与不施氮区作物吸氮量的差值除以施氮量后的百分比来进行计算。此外，2015年在作物生长期间(分孽期、拔节期、孕穗期、灌浆期)和水稻收获后，每个小区人工采集0 ~ 20 cm的土壤样品，密封在塑料袋中，在–20℃的冰箱中保存，待分析。测量时，将土壤样品融化后混合称量适量，用2 mol/L KCl提取，采用靛酚蓝法和紫外分光光度法分别测定土壤NH4+-N和NO3−-N含量。
微区试验用于NH3挥发的采集，采集方法为密闭室通气法，吸收液为2% 的硼酸(混有甲基红–溴甲酚绿指示剂)。施肥后连续每天采样，直至硼酸吸收液不变色为止，每天吸收后的硼酸吸收液及时带回实验室，用稀硫酸滴定，完成之后加1 ~ 2滴浓硫酸，在80℃烘干，用以测定15N-NH3损失。NH3挥发总损失为采样期间每天NH3挥发损失之和。微区作物收获后，采集地上部分、水稻根和土壤样品。植株样和水稻根在80℃烘至恒重，然后研磨成粉，待测。15N丰度的测定利用同位素质谱仪(MAT-251，USA)，误差为±0.02%。来自肥料氮的百分率(Ndff)测定参考López-Bellido等[14]。
| $\operatorname{Ndff}(\%)=(B-A) /(C-A) \times 100$ |
来自肥料的NH3挥发损失量(N, kg/hm2) = Ndff (%) × NH3损失
来自肥料的地上部分/根系氮吸收量(N, kg/hm2) = Ndff (%) ×植株氮含量×植株干物质量
来自肥料的土壤氮残留量(N, kg/hm2) = Ndff (%) ×土壤全氮含量×土壤容重×土壤深度
式中：A是指15N天然丰度；B是地上植株、土壤、根系15N丰度以及15N-NH3浓度；C是肥料中15N丰度。
1.4 数据分析试验数据通过SPSS 20.0进行统计分析，Origin 9.1制图，使用最小显著性差异法(LSD0.05)对不同处理之间的氮损失、氮素吸收、作物产量和氮肥利用率进行差异性分析。
2 结果与分析 2.1 微区15N-NH3挥发微区试验结果表明，CT处理的15N-NH3损失最高，为13.4 kg/hm2(以单质N计，下同)(表 2)。稻田尿素表施容易造成大量的氮通过NH3挥发的途径损失到环境中。相比氮肥表施，尿素一次性深施能够显著降低稻田肥料的NH3排放，DT和DT+M处理的15N-NH3挥发分别降低了95.7% 和91.6%。DT和DT+M处理的化肥NH3排放因子仅为0.19% 和0.37%，相比CT处理显著降低了95.8% 和91.7%(P < 0.05)，这表明氮肥深施能够极大程度地抑制肥料的NH3挥发损失。但是DT和DT+M之间的15N-NH3挥发损失没有显著差异，表明氮肥深施条件下配施有机肥对稻田化肥NH3挥发损失没有影响。
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表 2 不同处理的稻田15N-NH3损失 Table 2 15N-NH3 losses from rice fields under different treatments |
微区水稻收获后，对其水稻根、地上植株和土壤的15N含量进行测定，结果见表 3。和CT处理相比，DT和DT+M处理显著提高了水稻地上部分以及根部的15N吸收。DT和DT+M处理的水稻植株15N总吸收量(地上部分与根之和)较CT处理分别提高了42.8% 和54.5%(P < 0.05)。DT和CT处理之间土壤15N残留量差异不大，而DT+M处理显著提高了土壤15N残留。与CT处理相比，DT+M处理的土壤15N残留量增加了43.1%，这表明氮肥深施下配施有机肥有利于土壤质量的提高。
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表 3 不同施肥处理的15N吸收、利用和损失 Table 3 15N uptake, utilization and losses under different treatments |
氮肥深施和深施下配施有机肥均能够提高水稻的15N利用率，DT和DT+M处理的15N利用率分别为36.4% 和40.4%，较CT处理增加了42.2% 和57.8%(P < 0.05)。利用间接法计算不同处理的15N损失，结果发现，不同处理之间差异显著，具体为：CT > DT > DT+M，DT+M处理的15N损失最低，仅占施肥的25.9%，显著低于DT+M处理的37.1% 和CT处理的50.5%。
2.3 土壤无机氮水稻不同生育期(分蘖、拔节、抽穗、灌浆和收获)的土壤无机氮结果见图 1。在分蘖期、拔节期和抽穗期，DT和DT+M处理的土壤NH4+-N含量均显著高于CT处理(P < 0.05)，表明氮肥深施和深施下配施有机肥有助于提高土壤氮素营养供应的能力。这可能是因为氮肥深施能够抑制土壤的脲酶活性，延长氮的释放[11]。也有研究认为，氮肥深施可以阻碍氮向上的迁移，进而提高氮的有效性[15]。在灌浆期两种深施方式的土壤NH4+-N含量有高于CT处理的趋势，但是差异不显著(P > 0.05)。收获期所有处理的土壤NH4+-N含量较生育期期间明显降低，且不同处理之间没有明显差异。
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图 1 不同处理0 ~ 20 cm土壤的NH4+-N和NO3−-N含量 Fig. 1 Concentration of soil NH4+-N and NO3−-N (0-20 cm depth) under different treatments |
由于水稻生育期期间一直处于淹水条件，土壤NO3−-N含量明显低于土壤NH4+-N含量。本文中，不同处理生育期间的土壤NO3−-N含量均在6 mg/kg以下，且不同处理之间的土壤NO3−-N含量没有显著差异。但是收获期DT和DT+M处理的土壤NO3−-N含量显著高于CT处理，这可能是因为收获期前一周停止灌水，水稻土处于氧化环境，有利于土壤NH4+-N向NO3−-N的转化。
2.4 水稻产量和氮肥利用率田间小区试验下不同处理的水稻产量和氮素吸收结果见表 4。2015年，与CT处理相比，氮肥深施显著提高了水稻生物量，DT和DT+M处理的水稻产量分别较CT处理提高了13.4% 和21.2%。2016年，由于水稻生育后期出现持续降雨，导致不同处理出现不同程度的贪青晚熟，DT和CT处理之间的水稻产量没有差异。相比之下，DT+M处理显著提高水稻产量，其相较CT处理增加了13.6%，较DT处理增加了9.5%。
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表 4 不同处理的水稻产量和氮素利用结果 Table 4 Yield, PNU and NRE during rice seasons under different treatments |
氮肥深施有助于增强水稻秸秆和籽粒对氮素的吸收，两年里DT和DT+M处理均显著提高了作物对氮素的吸收，DT和DT+M处理的平均氮素吸收量分别为234和241 kg/hm2，较CT处理增加了40.1% 和44.3%。DT和DT+M处理平均氮肥表观利用率(NRE)分别为53% 和49%，没有显著差异，但均显著高于CT处理，分别较CT处理提高了69.8% 和57.1%。
3 讨论稻田尿素表施容易造成大量的氮通过NH3挥发的途径损失到环境中，威胁环境安全。相比氮肥表施，尿素一次性深施能够显著降低稻田肥料的NH3挥发，本研究中深施以及深施下配施有机肥的15N-NH3挥发分别降低了95.7% 和91.6%。深施能够抑制田面水和土壤的脲酶活性，延长尿素的水解时间，在整个水稻生育期深施和深施下配施有机肥处理的田面水NH4+-N和pH始终处于一个较低的水平[10]。此外，氮肥深施还可以抑制NH4+-N向上的迁移，使土壤保存更多的NH4+-N，提高作物对氮素的吸收，因此NH3挥发损失显著降低。农业NH3排放是一个急需解决的全球性问题，尤其是在我国[16]。我国是世界上NH3排放最大的国家，其中稻田NH3排放占总排放的9% ~ 20%[17]。本研究中氮肥深施以及深施下配施有机肥处理中化肥NH3排放因子不足0.4%，基本消除了稻田NH3挥发。对比这两种管理措施，氮肥深施配施有机肥有助于提高土壤对肥料氮的固定，相比单一的氮肥深施处理其15N损失降低了30%(表 3)。因此，氮肥深施配施有机肥更有助于降低农田氮损失，在减少氮肥投入对环境的污染上潜力更大。
与常规表施相比，尿素深施和深施下配施有机肥均显著提高氮肥表观利用率。尿素深施可以提高土壤NH4+-N含量，延长土壤氮供应时间，促进水稻地上部分和根系对氮的吸收(图 1)。本研究中，尿素深施和深施下配施有机肥处理的氮表观利用率比常规表施处理分别提高69.8% 和57.1%。类似地，先前研究中，相比表施，氮肥深施的氮肥利用率提高了50% ~ 70%[15, 18]。此外，前人研究报道氮肥深施向作物根际输入了更多的氮，有助于促进根系生长，增强作物对氮的吸收，进而提高作物产量[11, 19]。本研究中，与常规表施相比，2015年氮肥深施处理的水稻产量显著提高了13.5%。但是受生育后期持续降雨的影响，2016年常规表施和尿素深施处理之间的作物产量并没有明显差异。这可能是因为高氮量的尿素一次性深施虽然促进了稻株对氮素的吸收，但其吸收的氮更多集中在秸秆中，导致作物容易发生贪青晚熟现象，进而不利于作物产量的稳定增产。相比之下，尿素深施下配施有机肥更好地促进水稻籽粒对氮素的吸收，水稻增产稳定。前人研究表明，有机肥是许多水稻系统的重要营养来源，对作物生长和氮肥利用有积极影响[20-21]。因此，氮肥深施下配施有机肥不仅有助于降低农田化肥氮损失，减少氮肥投入对环境的污染，还能保障粮食安全，值得推广。
目前我国劳动力价格逐年增加，已经是农业发展的一个限制因素。人工进行稻田氮肥深施需要消耗大量的劳动力，不利于经济效益的提高。为了解决这个问题，机械作业是不可或缺的。在国外，关于稻田氮肥深施机械的研究很多[22-23]，可以作为参考引进我国。相比氮肥分次施入，一次性机械深施可以节省大量的劳力和时间，是未来稻田农业发展的一个方向。
4 结论氮肥深施处理的15N-NH3排放因子不足0.4%，有效抑制了肥料氮的NH3挥发。氮肥深施能够增强土壤对氮的固定，促进水稻地上部分和根系对肥料氮的吸收，氮肥利用率提高57.1% ~ 69.8%。此外，氮肥深施也能促进水稻产量的提高，但其结果受环境条件的影响。和单一的氮肥深施相比，深施下配施有机肥增产效果较为稳定，且减少了30% 的肥料氮损失，是一项值得推广的农田管理措施。
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2. School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Technology, Nanjing 210044, China;
3. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China