楊和川,樊繼偉,任立凱,秦裕營,梁長東,譚一羅,蘇文英,溫以斌

(江蘇省連云港市農業(yè)科學院,江蘇 連云港 222000)

我國是世界上最大的糧食生產國和消費國。據國家統(tǒng)計局數據統(tǒng)計,2015年,我國糧食總產量為6.16 億t,其中水稻產量為2.07億t,小麥產量為1.28億t[1]。在糧食播種面積逐年遞減的大前提下,稻麥輪作作為一種重要的耕作制度,在提高復種系數、發(fā)揮土壤潛力中起到了重要作用,為我國的糧食生產安全提供了重大的物質保障[2]。為了提高作物產量,生產中通常施用化學肥料如氮肥以促進作物生長。相關數據表明,在1961～2009年的49年中,我國糧食增產4.3倍歸因于氮肥施用量增加37倍[3]。然而過量施用氮肥不僅降低了肥料利用效率和經濟效益,更重要的是通過農田地表徑流或排水使江河湖泊水體富營養(yǎng)化,嚴重影響我國的水環(huán)境質量、生態(tài)環(huán)境健康,從而制約了我國經濟、社會的可持續(xù)發(fā)展[4-6]。農業(yè)面源污染控制不僅成為水污染治理的重中之重,也逐步成為現代農業(yè)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大課題。

當前對農田地表徑流養(yǎng)分流失影響因素的研究主要集中在單一種植作物下肥料運籌、秸稈還田、耕作方式、栽培技術等方面[7-10],而種植密度作為調節(jié)作物群體結構、優(yōu)化光截獲量從而影響作物產量的重要因素[11],其與氮肥施用量互作對稻麥輪作體系作物產量和地表徑流總氮流失影響的研究報道較少。為此,筆者研究了不同種植密度和氮肥施用量處理組合對稻麥輪作體系作物產量及地表徑流養(yǎng)分流失的影響,確定了徐淮區(qū)域作物的最佳種植密度和施氮量,以期為當地農田化肥減量和養(yǎng)分流失控制提供試驗依據和技術支撐,減輕農業(yè)生產對水環(huán)境的影響,進而有效減緩農業(yè)面源污染,實現農業(yè)生產節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

試驗于2016年6月～2017年6月在江蘇省連云港市農業(yè)科學院東興農場試驗基地試驗田中進行,以水稻品種連粳9號、小麥品種連麥7號為供試材料。該地年降水量為900～1000 mm,試驗期間降水量為920 mm；年平均溫度為14.0 ℃,7月平均溫度為26.5 ℃,常年無霜期為220 d。土壤類型為黃黏泥土,其基本理化性質為:全N 1.43 g/kg,速效P 56.92 mg/kg,速效K 814.45 mg/kg,有機質25.16 g/kg, pH 5.68。

1.2 試驗處理

水稻季試驗設計：設置兩因素裂區(qū)試驗。主區(qū)采用模擬機插秧的方式進行機插秧毯狀小苗的移栽,移栽密度(規(guī)格)設5個水平：行距25 cm×株距13 cm (P1)、25 cm×15 cm (P2)、30 cm×11 cm (P3)、30 cm×13 cm (P4)、30 cm×15 cm (P5)；每穴栽3～4苗。副區(qū)設5個氮肥施用量水平：180 kg/hm2(N1)、240 kg/hm2(N2)、300 kg/hm2(N3)、360 kg/hm2(N4)、420 kg/hm2(N5)；各施氮水平下的磷、鉀肥施用量均分別為67.5、135.0 kg/hm2。兩個因素共組合成25個處理。

小麥季試驗設計:設置兩因素裂區(qū)試驗。主區(qū)設5個播種量水平:150 kg/hm2(P1)、225 kg/hm2(P2)、300 kg/hm2(P3)、375 kg/hm2(P4)、450 kg/hm2(P5)。副區(qū)設5個氮肥施用量水平：180 kg/hm2(N1)、225 kg/hm2(N2)、270 kg/hm2(N3)、315 kg/hm2(N4)、360 kg/hm2(N5)；各施氮水平下的磷、鉀肥施用量均分別為135、135 kg/hm2。兩個因素共組合成25個處理。

在水稻和小麥試驗中,每個處理均重復3次,每個小區(qū)20 m2左右。氮肥用作基蘗肥和追肥施用；磷肥全部作為基肥施用；鉀肥作基肥和穗肥各施用50%。水稻試驗于2016年6月24日插秧,于2016年10月26日收獲。小麥于2016年11月9～10日播種,于2017年6月13日收獲。每塊試驗田設有獨立的灌排水溝,每塊田四周有寬約50 cm的田埂；每次單位面積的灌水量大致相同。農田排水口采用高約5 cm的平水口,讓徑流自由發(fā)生。其他田間管理措施均按照常規(guī)農藝要求。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻、小麥產量及其構成因素 于水稻、小麥成熟期,每小區(qū)調查100穴植株的穗數;根據調查的平均穗數,取代表性植株10穴,測定每穗穎花數,用水漂法區(qū)分飽粒和空癟粒,計算水稻、小麥的飽粒結實率和飽粒千粒重。

1.3.2 農田地表徑流量及總氮流失量 在試驗田發(fā)生地表徑流時,通過太陽能明渠流量計測定徑流流量；在各小區(qū)徑流的前、中、后分別取樣6～8次,充分混合后,將水樣帶回實驗室測定其氮養(yǎng)分含量。在水樣中加入過硫酸鉀,于120 ℃高溫高壓下消煮預處理30 min,將全氮轉化為硝態(tài)氮,冷卻后用紫外分光光度計測定總氮濃度[12]。

1.3.3 農田地表徑流氮流失率 其計算公式為：農田地表徑流氮流失率=地表徑流氮流失量/當季施用化肥氮量。

1.3.4 水稻、小麥氮肥偏生產力 氮肥偏生產力(kg/kg)=施氮區(qū)產量/氮肥施用量。

1.4 數據處理方法

差異顯著性分析采用統(tǒng)計軟件SPSS 22.0完成；各處理的比較采用最小顯著差數(LSD)法,超過LSD0.05(或LSD0.01)水平的視為差異顯著(或極顯著)。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度和氮肥水平對水稻產量構成因素的影響

不同栽植密度和氮肥水平下水稻產量及產量因素構成如表1、表2所示。由表1可知:隨著施氮量從180 kg/hm2(N1)增加至420 kg/hm2(N5),水稻的平均產量呈先增加后下降的趨勢，以施氮量300 kg/hm2(N3)下的平均產量最高；隨著栽植密度的增加，水稻的平均產量呈逐漸增加的趨勢。說明過高過低的施氮量均不利于水稻產量的提高，而在本試驗設計的范圍內增加栽植密度可以提高水稻的產量。從表2可以看出：在相同栽植密度條件下，隨著施氮量的增加，水稻的單位面積穗數呈上升趨勢，每穗總粒數總體上呈先升后降的趨勢，而結實率和千粒重總體上呈下降趨勢；在施氮量300 kg/hm2(N3)水平下，隨著栽植密度的增加，水稻的單位面積穗數和每穗總粒數總體上呈上升趨勢，千粒重總體上呈下降趨勢，而結實率的變化沒有明顯的規(guī)律。

在水稻栽植的各處理組合中,以P1N3(栽植規(guī)格25 cm×13 cm,施氮量300 kg/hm2)獲得最高產量,其次是P2N3、P1N4。

2.2 不同播種量和氮肥水平對小麥產量及其構成因素的影響

由表3可知：隨著施氮量從180 kg/hm2(N1)增加至360 kg/hm2(N5),小麥的平均產量呈先增加后下降的趨勢，以施氮量315 kg/hm2(N4)下的平均產量最高；隨著播種量的增加，小麥的平均產量也呈先增加后下降的趨勢，以播種量375 kg/hm2(P4)下的平均產量最高。說明過高過低的施氮量和播種量均不利于小麥產量的提高,這是因為過于密植會導致麥株庫大源不足，而施氮量過大會導致麥株貪青晚熟[13]。

表1 不同栽植密度和氮肥水平下水稻的產量 kg/hm2

注:附帶相同字母的平均產量之間無顯著差異；附帶不同小寫字母者表示差異達顯著水平(P<0.05)；附帶不同大寫字母者表示差異達極顯著水平(P<0.01)。下表同。

表2 不同栽植密度和氮肥水平下水稻產量的構成

從表4可以看出：在低播種量150 kg/hm2(P1)水平下，隨著施氮量的增加，小麥的單位面積穗數和每穗總粒數總體上呈上升的趨勢；在高播種量375～450 kg/hm2(P4～P5)水平下，適當增加施氮量可以提高小麥的每穗總粒數和千粒重；在施氮量315 kg/hm2(N4)水平下，隨著播種量的增加，小麥的單位面積穗數總體上呈先上升后下降的趨勢,以播種量為375 kg/hm2時最高，每穗總粒數總體上呈上升趨勢，而千粒重的變化規(guī)律不明顯。

在小麥栽植的各處理組合中,以P4N4(播種量為375 kg/hm2,施氮量為315 kg/hm2)時產量最高，其次是P4N3和P4N5。由此可見，合理密植、適量施肥可有效提高作物的產量。這與黃躍等的研究結果[14]基本一致。

2.3 稻季農田地表徑流量

在農田的排水口安裝太陽能明渠流量計測定地表徑流流量。稻季農田地表徑流量的動態(tài)變化如圖1所示。從圖1可以看出：稻季地表徑流或排水8次,徑流量多分布在300～600 m3/hm2之間,總地表徑流量為3290m3/hm2；農田地表徑流量的峰值出現在8月23日,達915 m3/hm2,主要原因是降雨量較大。

表3 不同播種量和氮肥水平下小麥的產量 kg/hm2

2.4 種植密度和施氮量對稻麥農田地表徑流水體氮濃度和流失量的影響

2.4.1 種植密度對總氮濃度和總氮流失量的影響 不同種植密度對稻田地表徑流總氮濃度和總氮流失量的影響如圖2所示。在不同種植密度下，稻田地表徑流氮濃度均是在水稻生育前期最高,到水稻生育中后期呈逐漸下降的趨勢。不同種植密度下稻田地表徑流總氮濃度的峰值出現在7月初,這與在該時期氮肥作為水稻基蘗肥的大量施用有關。在8月份出現了流失總氮濃度和流失量的高峰,這與該時期氮肥作為穗肥追施以及強降雨量相關。從整個稻季來看,隨著種植密度的降低,農田地表徑流水體氮濃度基本上呈上升趨勢，各種植密度水平間的差異均達顯著水平。

圖1 稻季農田地表徑流量的動態(tài)變化

表4 不同播種量和氮肥水平對小麥產量構成的影響

圖2 種植密度對稻田地表徑流總氮濃度和總氮流失量的影響

2.4.2 施氮量對流失總氮濃度和總氮流失量的影響 如圖3所示，在不同施氮量水平下，稻田地表徑流總氮濃度的峰值出現在7月初,8月份出現了流失總氮濃度和流失量的高峰,這與該時期氮肥作為穗肥追加以及強降雨量相關。不同施氮量水平間地表徑流水體總氮流失量差異均達顯著性水平,由高到低依次為N5、N4、N3、N2、N1。

2.4.3 種植密度和施氮量對稻田地表徑流總氮流失率的影響 從圖4可以看出：不同種植密度水平下稻田地表徑流總氮流失率由低到高依次為25 cm×13 cm (P1)、30 cm×11 cm (P3)、25 cm×15 cm (P2)、30 cm×13 cm (P4)、30 cm×15 cm (P5),分別為5.56%、7.54%、7.89%、8.80%和9.61%,各水平間的差異均達到顯著水平，總氮平均流失率為7.88%;不同施氮量水平下稻田地表徑流總氮流失率由低到高依次為N5、N4、N3、N1和N2,總氮平均流失率為8.69%。說明增加種植密度能夠有效減少農田氮的流失率;隨著施氮量的增加,農田氮肥流失率出現減小的趨勢,這是因為稻季施氮量的增加幅度大于氮素流失量的下降幅度[10]。

2.5 種植密度和施氮量對稻麥輪作體系作物氮肥偏生產力的影響

由圖5可以看出,種植密度和施氮量對作物氮肥偏生產力均有顯著影響。水稻、小麥的氮肥偏生產力對施氮量的靈敏度高于對種植密度或播種量的。隨著氮肥施用量的增加,作物的氮肥偏生產力逐漸下降，當施氮量水平從N1增加到N2時,水稻的氮肥偏生產力從56.40 kg/kg下降到43.16 kg/kg。此外，水稻的氮肥偏生產力(圖5A、圖5B)明顯高于小麥的(圖5C、圖5D)。這與晏娟等[4]的研究結果基本一致。

圖3 施氮量對稻田地表徑流總氮濃度和總氮流失量的影響

圖4 不同種植密度與施氮量條件下稻田地表徑流的總氮流失率

3 小結與討論

種植密度和施氮量是調節(jié)作物群體發(fā)育的重要栽培措施。蘭艷等[15]的研究表明：在施氮量小于225 kg/hm2時,種植密度的增加可顯著提高水稻的產量;當施氮量大于225 kg/hm2時,施氮量的增加無法促進水稻產量的提高。作物產量的提高主要是通過增加有效分蘗數以及穗粒數來實現的[16]。本研究得出：在高種植密度水平下,施用氮肥300～360 kg/hm2有利于獲得水稻高產,過多過少的施氮量均不利于水稻產量的提高；水稻的最適施氮量為300 kg/hm2。本文的最適施氮量高于蘭艷等研究得出的225 kg/hm2,其可能原因是本研究中土壤含氮量偏低以及兩個研究地點的氣候有所不同。張明等[17]研究得出水稻的最佳栽插密度為25 cm×10 cm,與本研究得出的25 cm×13 cm相差不大。一般研究認為施氮量的增加會促進小麥有效分蘗數和穗粒數的增加,但千粒重有所下降[18]。在本研究中，小麥的有效穗數和穗粒數基本上隨著施氮量的增加而增加,千粒重逐漸減??；小麥的平均產量隨著施氮量和播種量的增加均呈先增加后下降的趨勢，最適施氮量為315 kg/hm2，最適播種量為375 kg/hm2。

本研究結果表明：降低稻季氮肥施用量能夠顯著降低稻季農田地表徑流總氮流失量;隨著施氮量的增加,農田氮肥流失率出現減小的趨勢。這與前人的結果[19]基本一致。但與前人的研究結果相比,本研究的總氮流失率明顯偏高,這與試驗期間發(fā)生徑流次數較多、徑流水量較大以及施氮量水平較高等因素相關。Timsina等[20]研究表明,施氮量增加會降低氮肥利用效率。本研究得出了相似的結論,即隨著氮肥施用量的增加,作物的氮肥偏生產力逐漸下降。種植密度可影響作物的群體結構數量與質量,從而影響氮素的分配與積累規(guī)律,最終影響氮肥的利用效率,在合理的種植密度下更易獲得較高的氮肥利用效率[21]。本研究結果與此一致。

本研究得出了徐淮地區(qū)稻麥輪作體系水稻與小麥的最佳種植密度(或播種量)與施氮量，并發(fā)現氮肥減量施用可有效提高肥料的利用率。本研究結果能夠為本地區(qū)稻麥輪作體系合理施用氮肥、有效減輕農業(yè)面源污染、實現節(jié)能減排和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。

A、B:水稻的氮肥偏生產力; C、D:小麥的氮肥偏生產力。