北方粳稻最優產量氮肥閾值周年變化及其影響因素分析

陳玥 宮亮 金丹丹 張鑫 李波 鄒曉錦 隋世江 葉鑫 劉艷

（遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所，110161，遼寧沈陽）

水稻是中國主要的糧食作物，占中國糧食總產量的1/3，對保障中國糧食安全起著舉足輕重的作用。氮肥是影響作物產量的主要因子之一，對糧食增產的貢獻率高達40%[1]，我國稻田氮肥消費量占氮肥總消費量的30%以上[2]，但當季回收利用率僅為27.2%[3]，過量的氮肥投入一方面增加了生產成本，降低了氮肥利用效率，另一方面，導致氮素以各種途徑流失到環境中，引發了一系列環境問題[4-5]。研究以維持作物高產和降低環境污染風險為限量依據的氮肥施用量，對保障國家糧食和環境安全具有重要意義[6]。目前，我國常用的推薦施肥方法有基于土壤養分的推薦施肥方法，如通過測土配方施肥法設計“3414”田間試驗來建立推薦施肥指標體系，實現平衡施肥，提高作物產量[7]；基于作物的推薦施肥方法，有實時氮肥管理模式[8]和實時實地氮肥管理技術[9]，根據水稻氮素營養狀況實時調節氮肥用量，實現了田塊尺度的氮肥精量管理[10]；通過肥料效應函數法建立作物產量與肥料用量的統計關系，可作為推薦施肥的依據[11-12]；基于作物產量反應和農學效率的農田養分專家系統（nutrient expert）以多年多點數據庫為基礎，在測土條件不充分時，仍可針對農田快速生成個性化的施肥方案[13]，實現節肥增效[14]。上述推薦施肥方法分別提出了有利于土壤肥力、作物生長或者減少氮肥損失的氮肥推薦施用量，但利用不同推薦施肥方法確定的施肥量往往存在差異。王永歡等[15]利用一元二次方程函數模型計算得出遼河三角洲稻區最佳純N 用量為270～315kg/hm2，李波等[16]利用線性加平臺肥料效應函數法計算該地區合理施氮量為221～235kg/hm2，應用“作物理論施氮量”[17]計算得到該區域水稻氮肥推薦用量為214～245kg/hm2，氮素歸還指數（RNRI）法[18]則預測該地區合理氮素投入量為209kg/hm2。已有研究在氮肥區域宏觀用量推薦及田塊尺度上的微觀調節方面取得了很大進展，然而氮肥推薦用量的周年變化及其影響因素則少見報道。本研究通過8 年的田間定位試驗，研究氮肥輸入（施肥、灌溉、降水）和輸出（作物吸收、損失、土壤殘留）等土壤氮素表觀平衡影響因子年際間變化特征，分析其對推薦施氮量周年變化的影響，為科學制定氮肥減施奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

遼河三角洲稻區是北方單季粳稻主產區之一，水稻常年種植面積在15.33 萬hm2（230 萬畝）以上，產量最高可達12 750kg/hm2，但氮肥投入量較大，農民習慣純氮施用量可達260～300kg/hm2。試驗于2011-2018 年在遼寧省盤錦市盤山縣墻子鎮航呈農場進行，該地位于遼河三角洲中心地帶，屬溫帶半濕潤季風氣候類型，年均降水量650mm，年均氣溫8℃～9℃，無霜期165～170d。供試土壤為鹽堿型水稻土，0～20cm 土壤理化性質為pH 8.2、有機質22.57g/kg、全氮 1.42g/kg、堿解氮105.24mg/kg、有效磷 21.61mg/kg、速效鉀164.22mg/kg、容重1.39g/cm3。

1.2 試驗設計

設置6 個氮肥水平，純氮用量分別為0（N0）、160（N160）、210（N210）、260（N260）、315（N315）和420kg/hm2（N420），小區面積50m2，3 次重復，隨機區組排列。氮肥為尿素（含N 46%），基肥:分蘗肥:穗粒肥=40:30:30。各處理磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為90kg/hm2，磷肥為磷酸二銨（P2O546%，N 18%）和過磷酸鈣（P2O518%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），全部基施。各小區之間用PVC 板分隔并筑埂，PVC 板埋深30cm，以減少小區間肥水滲透。各小區均設有單獨的排水口和進水口，單排單灌。供試水稻品種為鹽豐47，插秧密度為30cm×16.5cm。每年5 月下旬插秧，10 月上旬收獲，田間管理措施按當地習慣統一進行管理。

1.3 測定項目與方法

用LXS-15E 型流量計測定各小區灌溉量，再折算成單位面積灌溉量。每次灌溉開始15min 后，取灌渠中段水樣500mL，3 次重復。用SDM6A 型雨量器測定降水量并收集雨水樣品，24h 降水量超過5mm 時，單獨采集降水水樣；全年所有小于5mm降水的水樣混合成一個樣品。雨水樣品和灌溉水樣品采集后立即冷凍保存，并于1 個月內完成化驗。采用連續流動分析儀（AA3，德國布朗盧比公司）測定樣本NO3--N 和NH4+-N 含量。

收獲后每個小區用“十字交叉”法采取5 點土壤樣品，采樣深度20cm，混合為1 個土樣。冷藏保存帶回實驗室后立即測定，如當天未能完成測定，將樣品放置-20℃冰柜中保存。用烘干法測定新鮮土壤水分含量，用連續流動分析儀（AA3，德國布朗盧比公司）測定新鮮土壤樣本NO3--N 和NH4+-N 含量。

水稻成熟后，各處理隨機選3 塊樣方測定水稻產量，每個樣方6m2，將樣方產量折算成單位面積產量。各處理隨機取10 穴水稻，按莖、葉和籽粒分別測定全氮含量，測定方法為H2SO4―H2O2消煮―凱氏定氮法。

1.4 模型選擇

二次項、指數、直線及直線加平臺等肥料效應函數分別適用于不同條件下計算肥料用量和作物產量的相關性。函數統計檢驗的擬合程度、同一產量水平下推薦施肥量的節省程度和穩定性是選擇效應函數的3 個重要條件[19]。作物產量與肥料用量兩者符合報酬遞減率關系，因此，通常利用二次多項式函數模型計算作物最高理論產量及對應的施肥量。而近年來，隨著育種水平的不斷提高，高產作物品種通常具有基礎產量高、耐肥水、抗倒伏等特點，在某一產量范圍內，施肥量與作物產量無顯著相關性，產量和施氮量曲線在適宜施氮量附近已相當平緩，少量增加或減少氮肥的施用量對產量的影響很小[6,20]，因此，可應用線性加平臺函數擬合作物產量與施氮量的相關性[21]，計算得到作物目標產量和推薦施氮量。

1.5 計算方法和數據分析

1.5.1 計算方法 降雨量（m3/hm2）=降雨量/1000×10000；降雨攜氮量（kg/hm2）=降雨量×（銨態氮含量+硝態氮含量）/103/106；植株吸氮量（kg）=（籽粒含氮量×籽粒產量+秸稈含氮量×秸稈產量）/1000；氮素收獲指數（%）=籽粒氮素積累量/植株氮素積累總量×100；無機氮素表觀損失（kg）=（施氮量+土壤起始無機氮+土壤氮素凈礦化量）–（作物吸收氮+收獲后土壤殘留無機氮），無機氮素表觀損失是指銨態氮和硝態氮以徑流、淋溶和揮發等途徑損失的氮素。土壤氮素凈礦化量（kg）=不施氮小區作物吸氮量+不施氮肥區土壤殘留無機氮–不施氮肥區土壤起始無機氮；其中，氮素礦化是根據無氮區作物吸氮量與試驗前后土壤無機氮的凈變化來加以估計，由于不考慮氮肥的激發效應，故假定施肥處理的土壤礦化量和無肥區相同。土壤殘留無機氮含量（kg）=（銨態氮含量+硝態氮含量）×土層深度×容重×面積/103/106，式中，土層深度為20cm，容重為1.39g/cm3，面積為10 000m2。

1.5.2 推薦施氮量年際間變化因素分析 氮表觀平衡理論認為[17]，農田氮投入與氮輸出應該保持動態平衡，其中氮投入包括化學氮肥（fertilizer nitrogen，FN）、降雨（nitrogen in precipitation，PN）及灌溉（nitrogen in irrigation，IN）帶入農田的氮素和土壤無機氮礦化（soil inorganic nitrogen mineralization，SIN）。氮輸出包括植株吸收氮（nitrogen uptake，UN）、土壤殘留無機氮（soil residual inorganic nitrogen，SRN）和各種途徑損失的氮素（nitrogen losses，LN）。農田氮投入與輸出符合以下關系：

由此推導出兩者變量符合以下關系：

因此，影響化學氮肥投入量變化的因素應該與降雨及灌溉帶入農田的氮素、農田土壤氮庫、植株吸收氮量及各種途徑損失的氮素等相關。

1.6 數據處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19 軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 推薦施肥量的年際間變化

利用線性加平臺函數和二次多項式函數分別計算2011-2018 年目標產量及推薦施氮量、最高產量及最高產量施氮量，其年際間變化趨勢（圖1）表明，試驗區目標產量在9860～10 019kg/hm2，推薦施氮量為205.02～220.61kg/hm2，施氮量高低相差7.60%，2011-2015 年有較大波動，2016 年開始趨于穩定。最高產量為9876～9966kg/hm2，最高產量施氮量為258.97～280.41kg/hm2，2011-2013 年逐漸增加，2014 年以后基本保持穩定。推薦施氮量與目標產量及最高產量的年際間變化趨勢相近，與最高產量施氮量的年際間變化趨勢并不相同。

圖1 2011-2018 年水稻推薦施肥量及其周年變化Fig.1 Recommended fertilizer application rate and annual change during 2011-2018

2.2 降雨及灌溉帶入農田氮素的變化

圖2 表明，2011-2018 年，從泡田到水稻收獲（5-9 月）期間降雨量（R）為266.4～665.4mm，折合用水量為2.66×103～6.65×103m3/hm2，攜帶無機氮含量（PN）為7.04～16.83kg/hm2；灌溉用水量（I）為8.56×103～10.33×103m3/hm2，攜帶無機氮含量（IN）為17.61～21.39kg/hm2；水稻生育期內凈用水總量折合11.23×103～15.50×103m3/hm2，灌溉和降雨總攜氮量為24.66～34.96kg/hm2。降雨和灌溉輸入農田無機氮含量年際間變化分別為-9.64～7.56m3/hm2和-3.11～3.26m3/hm2。降雨和灌溉總輸入無機氮含量周年變化為-10.30～4.62×103m3/hm2，2011-2012年和2017-2018 年變化分別為0.06m3/hm2和0.03m3/hm2，波動較小，其他年份間變化均較大。

圖2 水稻生育期內降雨量、灌溉量及輸入無機氮含量（2011-2018 年）Fig.2 Rainfall,irrigation and inorganic N input during the rice growth period(2011-2018)

2.3 土壤氮素含量年際間變化

圖3 表明，與試驗前相比，N0 和N160 處理土壤無機氮含量分別下降了15.99～25.53 和11.91～19.30kg/hm2，呈現出逐年下降的趨勢；年際間變化量分別為-2.08～-0.89 和-2.20～-0.20kg/hm2，表現出逐年虧缺的規律。N210 處理土壤無機氮含量為78.19～81.38kg/hm2，與基礎土壤無機氮含量基本持平，呈現盈余與虧缺互現的變化規律。N260、N315和N420 處理土壤無機氮含量分別增加31.65～41.79、38.35～43.84 和42.66～45.31kg/hm2，呈現逐年上升的趨勢；年際間變化分別為0.35～2.06、0.27～2.75 和-0.81～1.69kg/hm2，均表現出逐年盈余的規律。

圖3 不同處理0～20cm 土層土壤無機氮含量變化趨勢Fig.3 Variation tendency of inorganic N concentration in the soil arable layer(0-20cm)under different treatments

0～20cm 土層土壤無機氮含量與施氮量呈線性加平臺相關性（表1），利用該函數模型可計算得到，土壤無機氮含量峰值為121.15～125.86kg/hm2，其對應的施氮量為273.61～289.71kg/hm2，呈現出先逐年下降，再趨于穩定的趨勢；推薦施氮量條件下的土壤無機氮含量為81.87～89.31kg/hm2，較基礎土壤無機氮含量增加了1.31%～10.52%，與推薦施氮量年際間波動趨勢一致，含量達到約89kg/hm2時，趨于穩定。

表1 土壤無機氮含量與施氮量的相關性Table 1 Correlation of soil inorganic N content and N applicationkg/hm2

2.4 植株吸收氮量與施氮量的相關性

圖4 表明，水稻籽粒吸氮量隨著施氮量的增加呈現出先明顯增加，隨后趨于穩定，再下降的趨勢，在氮肥用量低于315kg/hm2范圍內，兩者符合線性加平臺相關性，籽粒最大吸氮量為140.18kg/hm2，對應氮肥用量為237.39kg/hm2；水稻秸稈吸氮量隨施氮量的增加呈逐漸增加的趨勢。氮素收獲指數與施氮量符合平臺加線性的相關性（圖5），施氮量低于232.64kg/hm2時，氮素收獲指數保持在70.31%，高于此施氮量，氮素收獲指數開始下降，水稻秸稈吸收氮素比例增加，出現奢侈吸收現象。

圖4 植株吸氮量與施氮量的關系Fig.4 Correlation of N uptake and N application

圖5 氮素收獲指數與施氮量的關系Fig.5 Correlation of N harvesting index and N application

2.5 無機氮表觀損失總量與氮肥用量的關系

各處理無機氮表觀損失量為24.65～368.52 kg/hm2，無論是否過量施肥，各處理均有無機氮表觀損失，且無機氮表觀損失量與施氮量呈正相關（圖6a）。N0、N160 和N210 處理無機氮表觀損失量年際間變化量為-10.31～7.29kg/hm2；N260、N315 和N420 處理2011-2012 年度間無機氮表觀損失量相差38.85～42.38kg/hm2（圖6b），在試驗第2 年損失量即達到峰值，但隨著時間推移各處理無機氮表觀損失量年際間變化量逐漸降低。

圖6 0～20cm 土壤無機氮表觀損失量與施氮量的關系Fig.6 Relationship between the apparent loss amount of inorganic N in the soil arable layer(0-20cm)and N application

2.6 推薦施氮量與各因素通徑分析

2011-2018 年推薦施氮量及氮表觀平衡各因素氮含量如表2 所示，其中植株吸氮量、土壤無機氮含量和氮表觀損失量由其與推薦施氮量的相關性計算獲得，降雨和灌溉攜氮量由當年實地監測獲得。推薦施氮量與植株吸氮量、土壤無機氮殘留量、氮損失量、灌溉和降雨攜帶無機氮的周年變化線性回歸方程為y=3.94301+2.63267x1+1.80279x2–0.57659x3+1.28852x4–4.13286x5，R2=0.951，F=58.21（P＜0.0001）達極顯著水平，說明對其進行通徑分析有意義（表3）。

表2 2011-2018 年推薦施氮量條件下的氮表觀平衡Table 2 N apparent balance at recommended N application rates from 2011 to 2018kg/hm2

表3 氮表觀平衡條件下各因素對推薦施氮量周年變化的影響分析Table 3 Effects of various factors on annual changes of recommended N application rate under N apparent equilibrium condition

通徑分析結果（表4）表明，直接影響推薦施氮量周年變化的因素按照影響程度依次為土壤無機氮含量＞植株吸氮量＞灌溉輸入無機氮＞降雨攜帶無機氮量＞氮損失量的周年變化。其中，推薦施氮量周年變化與植株吸氮量、土壤無機氮含量和灌溉攜氮量的周年變化呈顯著正相關，其相關系數均低于直接通徑系數，表明這3 個因素直接影響推薦施氮量的周年變化；降雨攜氮量變化相關系數為負，且其直接通徑系數為正，表明其主要受土壤無機氮量、植株吸氮量和灌溉攜氮量變化來間接影響推薦施氮量變化。

表4 氮表觀平衡各因素與推薦施氮量周年變化的通徑分析Table 4 Path analysis of the annual changes of nitrogen apparent balance and recommended nitrogen application

3 討論

已有研究[22-23]證實了氮肥推薦量存在空間變異性，其原因主要是地區間氣候和土壤肥力的差異，導致這種區域間大尺度的推薦施肥量存在較大差異[24]，但不同學者得出的同一地區的推薦施肥量也可能相差懸殊[25]，本研究也得到了相似的結論。8 年試驗結果表明，最高產量施氮量在試驗開展前3 年波動較大，而目標產量推薦施氮量在試驗開展前5 年變化較大。在保證目標產量變化1%以內的條件下，推薦施氮量與最高產量施氮量相比，2011-2014 年減少18%～25%，表現出降低―升高―降低的變化規律；2015-2018 年減少約20%，較為穩定。

氮肥殘效已被眾多學者所證實[26-27]，因此，如果肥料管理措施脫離了土壤氮素平衡，將難以實現持續增產，甚至會導致減產[28]。研究[29]表明，土壤供氮是水稻吸收氮素的主要來源，然而，土壤飽和施氮增加了氮素損失風險。已有的研究指出了過量施氮會導致氮肥生產效率下降[30]，稻米的營養品質變差[31]，產量降低[32]，對環境造成污染[33]等一系列危害。本研究結果表明，N260、N315和N420 處理0～20cm 土壤無機氮盈余量每年可高達31.65～45.31kg/hm2，其中，N315 和N420 處理施氮量比N260 分別增加21.15%和61.54%，但無機氮盈余量僅分別增加了4.91%～21.14%和8.03%～28.71%，說明過量施氮導致氮素流失風險增加。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來維持土壤的生產力，以避免過高的生產投入成本和休耕的氮素損失。本研究認為，0～20cm 土壤無機氮含量保持在約89kg/hm2時，既可達到保持土壤肥力的目的，又能實現高產穩產，氮肥施用量為220.61kg/hm2應為最優產量氮肥閾值上限，高于此施氮量將增加氮素流失風險。Ju 等[35]研究認為，在合理施用氮肥條件下，可以將作物獲得目標產量時的地上部分吸氮量近似于理論施氮量，本研究也得到了相似的結論。水稻地上部分最大吸氮量為201.05～203.89kg/hm2，可作為最優產量氮肥閾值下限，低于此施氮量將有減產風險。

水稻產量受灌溉量和氮肥用量互作效應的影響[36]。一方面，田間水分狀況改變，間接影響土壤含氧量，從而改變氮素形態，最終導致水稻生長環境發生較大改變[37]。另一方面，水分脅迫和氮素形態變化有利于提高水稻根系活力、總吸收面積和活躍吸收面積，增加分蘗期生物量積累及產量[38]。本研究結果表明，灌溉可直接影響推薦施氮量年際間變化，與上述研究結論一致。而降雨則間接影響推薦施氮量，可能是因為水稻生育期內灌溉量相對穩定，已經能夠滿足水稻生長需要，降雨帶來的水量變化對水稻生長影響較小，其攜帶的氮素不能顯著影響水稻對氮素的吸收利用效率。但需要注意的是應該盡量減少雨季追施氮肥，減少氮素徑流損失風險[39]，以降低其對推薦施氮量的影響。

4 結論

試驗區水稻目標產量為9860～10 019kg/hm2，氮肥閾值為205.02～220.61kg/hm2，基于稻田氮素表觀平衡的目標產量氮肥閾值周年變化最大幅度為7.60%，其直接影響因素按照影響程度從大到小依次為土壤無機氮含量、植株吸氮量和灌溉輸入無機氮含量，降雨攜帶無機氮含量是間接影響因素。