彭衛(wèi)福，呂偉生，黃山，曾勇軍，潘曉華，石慶華

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土壤肥力對(duì)紅壤性水稻土水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

彭衛(wèi)福1, 2，呂偉生3，黃山1，曾勇軍1，潘曉華1，石慶華1

（1江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/教育部作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045；2江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330045；3江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，南昌 331717）

【目的】土壤肥力是紅壤性稻田水稻豐產(chǎn)的基礎(chǔ)。明確不同肥力對(duì)紅壤性水稻土作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響，為紅壤性稻田土壤培肥和合理施肥提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā窟x取質(zhì)地相似的不同肥力水平的紅壤性水稻土進(jìn)行盆栽試驗(yàn)（以土壤有機(jī)質(zhì)的高低代表土壤肥力的高低），利用15N同位素示蹤技術(shù)研究不同肥力水平（FL、FM和FH分別代表低肥力、中肥力和高肥力，其低、中、高肥力土壤的有機(jī)質(zhì)含量分別為19.9、29.6、38.9 g·kg-1）和氮肥水平（N0、N150和N225分別代表施氮量為0、150和225 kg·hm-2，共9個(gè)試驗(yàn)處理，分別為FLN0、FLN150、FLN225、FMN0、FMN150、FMN225、FHN0、FHN150和FHN225）對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成、氮肥吸收及其去向的影響?！窘Y(jié)果】提升土壤肥力和施氮均能顯著提高水稻的有效穗數(shù)、產(chǎn)量和總吸氮量。與N0相比，F(xiàn)L、FM和FH在N150處理下的增產(chǎn)率分別為63%、40%、17%，而在N225處理下的增產(chǎn)率分別為89%、55%和23%。在中、低肥力土壤上，增施氮肥能顯著提高水稻產(chǎn)量，而FHN150和FHN225處理之間產(chǎn)量無顯著差異。15N示蹤結(jié)果表明，相同施氮量條件下，水稻植株對(duì)肥料氮素和土壤氮素的吸收量均隨土壤肥力的提高而增加。但是，水稻植株總吸氮量中來自土壤氮素的比例隨土壤肥力的提高而增加，而來自肥料氮素的比例則隨之降低。增施氮肥會(huì)增加水稻吸收肥料氮素的比例，降低其吸收土壤氮素的比例。FL、FM和FH土壤水稻的平均氮肥回收率分別為42%、48%和52%，平均氮肥殘留率分別為20%、23%和28%，平均氮肥損失率分別為38%、29%和20%。FLN225氮肥回收率顯著高于FLN150，F(xiàn)M兩個(gè)施氮量氮肥回收率無顯著差異，而FHN225的氮肥回收率顯著低于FHN150。提升土壤肥力能顯著提高土壤微生物量氮、銨態(tài)氮和固定態(tài)銨的含量?！窘Y(jié)論】提升土壤肥力能顯著提高紅壤性水稻土的水稻產(chǎn)量以及化肥氮的回收率和殘留率，而降低氮肥損失率。在低肥力土壤上適當(dāng)增加施氮量有利于增加產(chǎn)量和氮肥回收率；而在高肥力土壤上適當(dāng)降低施氮量在保證較高水稻產(chǎn)量的同時(shí)，能夠提高氮肥回收率、降低氮肥損失。

土壤肥力；15N示蹤；紅壤性水稻土；氮肥利用效率；氮肥去向

0 引言

【研究意義】紅壤性水稻土是我國(guó)南方最重要的土壤類型之一。紅壤地區(qū)水熱資源豐富，生產(chǎn)潛力大，水稻種植面積廣，為我國(guó)糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)[1-2]。盡管紅壤性水稻土耕作歷史悠久，但是受成土母質(zhì)、耕作方式和施肥措施不合理等因素的影響，中低產(chǎn)田的面積仍然占很大比例，土壤肥力水平總體偏低[3]。土壤肥力是水稻豐產(chǎn)的基礎(chǔ)，大量研究表明，通過秸稈還田、種植綠肥和增施動(dòng)物源有機(jī)肥等措施培肥土壤，不僅能夠提高水稻產(chǎn)量，還能降低化肥的使用[4-7]。但是，不同肥力紅壤性水稻土對(duì)水稻氮肥利用效率的影響尚不清楚?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】我國(guó)水稻氮肥回收率平均僅為30%[8-9]，比其他主要水稻種植國(guó)家低15%—20%[10]。為提高水稻氮肥利用效率，前人已經(jīng)從水稻品種、氮肥類型、施肥技術(shù)和水分管理等多個(gè)角度進(jìn)行了大量的研究[11-15]。但是，有關(guān)土壤肥力對(duì)水稻氮肥利用效率及其去向的影響研究仍然很少。PENG等[16]研究表明，低肥力、中肥力和高肥力湖泊沖積性水稻土的氮肥回收率分別為16%、18%和25%，而氮肥損失率分別為77%、72%和64%，這說明提升土壤肥力不僅能提高氮肥回收率，還能降低氮肥的損失率。NORMAN等[17]的研究表明，在34—101 kg·hm-2的施氮量條件下，高肥力土壤水稻的氮肥回收率顯著高于低肥力土壤，而當(dāng)施氮量為134—168 kg·hm-2時(shí)，不同肥力土壤氮肥回收率基本無差異。其原因是低肥力土壤自身土壤氮素較低，且氮肥回收率受施氮水平的影響。王秀斌等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，不管施氮水平高低，水稻氮肥回收率均是低產(chǎn)田高于中產(chǎn)田，中產(chǎn)田高于高產(chǎn)田，作者認(rèn)為可能與水稻品種的耐肥性有關(guān)。但是，范立慧等[19]試驗(yàn)表明，高地力土壤第一年水稻的氮肥回收率均高于低地力土壤，而第二年的結(jié)果卻相反，表明氣象因子也可能影響水稻氮肥利用對(duì)土壤肥力的響應(yīng)。許多針對(duì)旱作土壤的研究也表明，土壤肥力顯著影響氮肥回收率和去向[20-21]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人關(guān)于稻田土壤肥力對(duì)氮肥利用效率的研究大部分是利用差減法計(jì)算氮肥回收率，無法解析氮肥的真實(shí)回收率及其去向，因此無法揭示土壤肥力對(duì)氮肥利用、殘留和損失的影響。此外，氮肥回收率受氣候條件、地形和水分管理等多個(gè)因素的綜合影響[22]。因此，前人基于田間不同肥力地塊的對(duì)比研究無法排除其他因素的干擾而單獨(dú)揭示土壤肥力水平對(duì)水稻氮肥回收率的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過選取不同肥力的土壤，利用15N同位素示蹤技術(shù)，采用盆栽試驗(yàn)，揭示了不同肥力紅壤性水稻土對(duì)水稻產(chǎn)量、氮肥利用效率及其去向的影響，為紅壤性水稻土的土壤培肥和合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

2016年11月，在江西省紅壤研究所內(nèi)（江西省進(jìn)賢縣，28°15'30"N，116°20'24"E）廣泛選取高、中、低不同產(chǎn)量水平的水稻田塊，采集其耕層土壤樣品（0—15 cm），并標(biāo)記采樣地點(diǎn)。土壤樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干，分別測(cè)定pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和土壤質(zhì)地。以土壤有機(jī)質(zhì)含量為篩選標(biāo)準(zhǔn)（土壤有機(jī)質(zhì)含量相差10 g·kg-1左右），選取母質(zhì)相同（第四紀(jì)紅色黏土）、質(zhì)地相似的高、中、低3種不同肥力的土壤，其基本理化性質(zhì)見表1。2016年12月采集所選取田塊的耕層土壤樣品，風(fēng)干后過2 mm篩，用于2017年的盆栽試驗(yàn)。盆栽試驗(yàn)在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行（江西南昌，28°46′17″N，115°49′52″E）。網(wǎng)室采用鐵絲網(wǎng)建造，長(zhǎng)寬高分別為12、5和8 m。網(wǎng)室主要是防止鳥害，其光照、溫度和降水與外界環(huán)境一致。但是，為了防止溢水造成氮素流失，本試驗(yàn)在降雨時(shí)以雨棚遮蓋，采用人工灌溉。試驗(yàn)站年平均溫度17.5℃、年平均降水量1 600 mm。

表1 不同肥力紅壤性水稻土的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3種肥力水平，分別為低肥力（FL）、中肥力（FM）和高肥力（FH），3種施氮水平，分別為0、0.10、0.15 g N·kg-1干土（對(duì)應(yīng)大田施氮量為0、150和225 kg·hm-2，分別記作N0、N150和N225）。試驗(yàn)共9個(gè)處理，分別為FLN0、FLN150、FLN225、FMN0、FMN150、FMN225、FHN0、FHN150和FHN225，每個(gè)處理重復(fù)3次，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。采用塑料桶進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，桶高21 cm，上部?jī)?nèi)徑28 cm，底部?jī)?nèi)徑20 cm，每盆裝干土4 kg。

水稻于2017年4月20日播種，品種為Y兩優(yōu)5867（秈型兩系雜交稻品種）。采用大田育秧，5月18日移栽，每盆2穴，每穴1苗。氮肥采用豐度為20.16%的15N同位素標(biāo)記尿素（上海化工研究院）。氮肥按基肥﹕蘗肥﹕穗肥=5﹕2﹕3分3次施用。所有處理磷、鉀肥施用量相同，每千克干土施P2O50.06 g，K2O 0.1 g。磷、鉀肥一次性基施，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀。整個(gè)水稻生長(zhǎng)期保持2—3 cm淹水層，嚴(yán)控病、蟲害和雜草。

1.3 樣品采集與測(cè)定

水稻成熟后，將植株分為籽粒、莖葉和根系，于105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，并考察有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。植株樣品粉碎后測(cè)定氮素含量和15N豐度。同時(shí)，采集土壤樣品，一部分風(fēng)干后磨細(xì)用于測(cè)定土壤氮素含量及其15N豐度和固定態(tài)銨含量，另一部分鮮土4℃保存，48 h內(nèi)測(cè)定微生物生物量氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。

土壤和植株各器官氮素含量采用凱氏定氮儀測(cè)定，15N同位素豐度采用Finnigan-MAT-251型質(zhì)譜儀測(cè)定。微生物生物量氮采用適于淹水土壤的常壓氯仿熏蒸-浸提法[23]測(cè)定，浸提液中的總氮采用凱氏定氮儀測(cè)定。土壤固定態(tài)銨采用KOBr-KOH法[24]測(cè)定。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用2 mol·L-1KCl溶液浸提，連續(xù)流動(dòng)分析儀（SKALAR SAN++，荷蘭）測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

基于15N示蹤技術(shù)的植株氮素來源于土壤和肥料的比例根據(jù)Hauck和Bremner的方法[25]計(jì)算：

植株氮素來源于氮肥的比例（Ndff, %）=（施氮處理植株15N豐度-空白處理植株15N豐度）/（氮肥15N豐度-氮肥自然豐度）×100； （1）

植株氮素來源于土壤的比例（Ndfs, %）=100-Ndff； （2）

植株吸收的肥料氮（mg·pot-1）=Ndff×植株總吸氮量； （3）

氮肥回收率（%）=植株吸收的肥料氮/施氮量×100； （4）

氮肥殘留率（%）=（施氮處理土壤15N豐度-空白處理土壤15N豐度）/（氮肥15N豐度-氮肥自然豐度）×土壤全氮含量/施氮量×100； （5）

氮肥損失率（%）=（施氮量-水稻吸收氮肥量-土壤殘留氮肥量）/施氮量×100。 （6）

此外，本研究還采用傳統(tǒng)的差減法計(jì)算了氮肥對(duì)

產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率（簡(jiǎn)稱為氮肥貢獻(xiàn)率）、土壤氮素依存率和氮肥的利用效率，計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[29]。

采用DPS V7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（<0.05）。

2 結(jié)果

2.1 土壤肥力和施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

土壤肥力對(duì)水稻產(chǎn)量有極顯著的影響（表2）。在相同施氮量條件下，土壤肥力越高水稻產(chǎn)量越高，且均達(dá)到顯著水平。施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量也有極顯著的影響，相同土壤肥力條件下，施氮量越多，水稻產(chǎn)量也越高，除FHN150和FHN225處理外，差異均達(dá)到顯著水平。土壤肥力和施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量具有極顯著的互作效應(yīng)。與N0相比，N150和N225在FL、FM和FH上的增產(chǎn)率分別為63%和89%、40%和55%、17%和23%。

土壤肥力和施氮量對(duì)有效穗數(shù)均有極顯著的影響，且二者均有極顯著的互作效應(yīng)（表2）。相同施氮量條件下，有效穗數(shù)隨土壤肥力的提升而增加。施氮肥對(duì)中、低肥力土壤的有效穗數(shù)有顯著的增加作用，但在高肥力土壤上只有高施氮量（225 kg·hm-2）具有顯著影響。土壤肥力對(duì)每穗粒數(shù)無顯著影響，但呈增加趨勢(shì)。施氮肥對(duì)每穗粒數(shù)亦無顯著影響。土壤肥力對(duì)結(jié)實(shí)率和千粒重均有極顯著影響，高肥力土壤的結(jié)實(shí)率和千粒重顯著高于中、低肥力土壤?？傮w而言，水稻產(chǎn)量的增加主要是來自于有效穗數(shù)的提高。

表2 土壤肥力（F）和施氮量（N）對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

FL、FM和FH分別代表低、中和高肥力土壤。N0、N150和N225分別代表施氮量為0、150和225 kg·hm-2。同一列中數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在<0.05水平上差異顯著。表3同

FL, FM, and FHmean low, medium, and high fertility soils, respectively. N0, N150, and N225mean the N application rate at 0, 150, and 225 kg·hm-2, respectively. Different letters in the same column indicate significant difference at<0.05. The same as Table 3

土壤肥力和施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量的氮肥貢獻(xiàn)率和土壤氮素依存率均有極顯著的影響（圖1）。在N150施氮量下，氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為15%—39%，而在N225施氮量下，氮肥貢獻(xiàn)率為19%—47%。在N150施氮量下，土壤氮素依存率為61%—82%，而在N225施氮量下，土壤氮素依存率為52%—77%。在相同施氮量的條件下，土壤肥力越高，氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率越小，而水稻產(chǎn)量對(duì)土壤氮素的依存率越高。相同土壤肥力條件下，N225處理的氮肥貢獻(xiàn)率顯著高于N150處理，而土壤氮素依存率則低于N150處理。

2.2 土壤肥力和施氮量對(duì)水稻氮素吸收及其來源的影響

土壤肥力和施氮量對(duì)水稻總吸氮量均有極顯著的影響（表3）。水稻植株總吸氮量隨著土壤肥力的提升而顯著增加，且施氮量越多吸氮量越高。土壤肥力和施氮量對(duì)水稻植株吸收的土壤氮素和肥料氮素的數(shù)量及其比例均有極顯著的影響，且二者具有顯著的互作效應(yīng)?？傮w而言，植株吸氮量中來自肥料氮素的比例平均只有21%，而來自土壤氮素的比例達(dá)到79%。與總吸氮量變化一致，在相同施氮量的條件下，隨著土壤肥力的提高，植株對(duì)土壤氮素和肥料氮素的吸收量均顯著增加。在相同施氮量的條件下，隨著土壤肥力的提高，植株吸氮量中來自肥料氮素的比例顯著降低，而來自土壤氮素的比例顯著提高。相同土壤肥力下，N225處理植株吸收肥料氮素的比例顯著高于N150處理，而吸收土壤氮素的比例顯著低于N150處理。

2.3 土壤肥力和施氮量對(duì)肥料氮去向的影響

土壤肥力對(duì)水稻氮肥回收率有極顯著的影響，且與施氮量有極顯著的互作效應(yīng)（圖2）。水稻對(duì)氮肥的回收率為41%—54%，氮肥殘留率為18%—30%，氮肥損失率為16%—39%。土壤肥力越高，相同施氮量處理的氮肥回收率越高。在低肥力土壤上，與N150處理相比，N225處理顯著提高了氮肥回收率，在中肥力土壤上，二者沒有顯著差異，而在高肥力土壤中，N225處理卻顯著降低了氮肥回收率。土壤肥力和施氮量均極顯著地影響氮肥殘留率。土壤肥力越高，相同施氮量處理的氮肥殘留率越高，而N225處理的氮肥殘留率顯著低于N150處理。土壤肥力和施氮量均極顯著地影響氮肥的損失率，且二者有極顯著的互作效應(yīng)。土壤肥力越高，氮肥的損失率越低，而增加施氮量會(huì)增加氮肥的損失率。在低肥力土壤上，增加施氮量對(duì)氮肥損失率影響不顯著，而在中、高肥力土壤中，增加施氮量顯著增加氮肥損失率。

FL、FM、FH分別代表低、中和高肥力土壤。N150和N225分別代表施氮量為150和225 kg·hm-2。圖柱上不同字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差。下圖同

表3 土壤肥力（F）和施氮量（N）對(duì)水稻吸氮量及其來源的影響

“-”表示未參與計(jì)算。Ndff和Ndfs分別表示來源于肥料和土壤的氮素比例

“ - ” means no data are available. Ndff and Ndfs mean N uptake derived from fertilizer and soil, respectively

圖2 土壤肥力（F）和施氮量（N）對(duì)氮肥去向的影響

2.4 基于差減法計(jì)算的土壤肥力和施氮量對(duì)氮肥利用效率的影響

利用傳統(tǒng)差減法計(jì)算氮肥的利用效率如圖3。土壤肥力對(duì)氮肥的農(nóng)學(xué)效率有極顯著的影響。高肥力土壤的農(nóng)學(xué)效率顯著低于中、低肥力土壤。增加施氮量有降低氮肥農(nóng)學(xué)效率的趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著差異水平。氮肥表觀回收率受土壤肥力的顯著影響，且與施氮量有顯著的互作效應(yīng)。在N150處理下，氮肥表觀回收率隨土壤肥力的升高呈下降趨勢(shì)，而在N225處理下，中肥力土壤上氮肥表觀回收率最高。在中肥力土壤上，增加施氮量顯著提高了氮肥表觀回收率，而在其他兩個(gè)肥力土壤沒有顯著差異，雖然呈略微降低趨勢(shì)。土壤肥力和施氮量對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力均有極顯著的影響，且二者有極顯著的互作效應(yīng)。在相同施氮量條件下，隨著土壤肥力的提升，氮肥偏生產(chǎn)力顯著增加。在相同肥力土壤上，增加施氮量顯著降低了氮肥偏生產(chǎn)力。隨著土壤肥力的提升，氮肥偏生產(chǎn)力的下降速率增加，與N150處理相比，N225處理在FL、FM和FH土壤上的氮肥偏生產(chǎn)力分別下降了30%、35%和43%。相同施氮量條件下，提升土壤肥力能降低氮肥生理效率。在相同土壤肥力下，增加施氮量會(huì)降低氮肥生理效率。

2.5 土壤肥力和施氮量對(duì)水稻根系重量的影響

土壤肥力和施氮量對(duì)水稻根系干重均有極顯著的影響，二者亦具有顯著的互作效應(yīng)（圖4）?？傮w而言，根系干重占總生物量的比例很低，比例只有9%—17%。土壤肥力越高，相同施氮量條件下根系干重越大。施氮量對(duì)水稻根系干重有顯著的影響，在中、低肥力土壤上，施氮量越高根系干重越大，而在高肥力土壤上，施氮肥處理降低了根系干重。

2.6 土壤肥力和施氮量對(duì)土壤活性氮素的影響

土壤肥力和施氮量對(duì)土壤微生物量氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的含量均有顯著影響（圖5）。在相同施氮量條件下，微生物量氮、銨態(tài)氮和礦質(zhì)氮變化隨土壤肥力的提高而增加，且差異達(dá)到顯著水平。在相同肥力土壤上，增加施氮量能增加微生物生物量氮和銨態(tài)氮的含量。除低肥力土壤外，增加施氮量對(duì)硝態(tài)氮含量無顯著影響。

圖3 基于差減法計(jì)算的土壤肥力（F）和施氮量（N）對(duì)水稻氮肥利用效率的影響

圖4 土壤肥力（F）和施氮量（N）對(duì)水稻根系干重的影響

2.7 土壤肥力和施氮量對(duì)土壤固定態(tài)銨的影響

土壤肥力對(duì)固定態(tài)銨的含量有極顯著的影響（圖6），在相同施氮量條件下，提升土壤肥力能顯著增加固定態(tài)銨的含量。施氮量對(duì)固定態(tài)銨也有極顯著的影響，在相同土壤肥力上，增加施氮量能增加固定態(tài)銨的含量，但N150和N225處理間差異不顯著。土壤肥力和施氮量對(duì)固定態(tài)銨的含量有極顯著的互作效應(yīng)，即高肥力土壤增施氮肥對(duì)固定態(tài)銨含量的增加率顯著低于中、低肥力土壤。

3 討論

3.1 土壤肥力對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

本研究表明，在不施氮肥的條件下，水稻基礎(chǔ)產(chǎn)量的變化與土壤肥力的變化是一致的，這說明紅壤性水稻土以土壤有機(jī)質(zhì)為篩選指標(biāo)來確定土壤肥力的高低是合理可行的。本研究表明，土壤肥力與施氮量對(duì)水稻產(chǎn)量具有顯著的互作效應(yīng)，增施氮肥均能增加水稻產(chǎn)量，但增產(chǎn)率隨土壤肥力的升高而降低。這主要是因?yàn)橥寥婪柿υ降停寥拦┑芰υ饺酰ū?，圖5），植株對(duì)氮肥的響應(yīng)越敏感，因此，氮肥的增產(chǎn)效果越顯著[26]。這表明低肥力土壤增施氮肥的增產(chǎn)作用顯著，而高肥力土壤適當(dāng)降低施氮量，也能獲得較高產(chǎn)量[27-28]。因此，要根據(jù)土壤肥力水平來確定適宜的施氮量[19]。

3.2 基于差減法和示蹤法的氮肥回收率的差異

本研究表明，傳統(tǒng)差減法計(jì)算的氮肥回收率的變化趨勢(shì)與示蹤法計(jì)算的氮肥回收率的變化趨勢(shì)不一致。主要原因是土壤肥力越高，水稻吸收更多的肥料氮，因此，在相同施氮量下，示蹤法計(jì)算的氮肥回收率隨土壤肥力的升高而升高（表3）[22]。在差減法中，決定氮肥回收率的是施氮處理與空白處理的吸氮量之差。而隨著土壤肥力的提升，盡管施氮處理吸氮量和空白處理吸氮量均增加（表3），但是，空白處理增加的速率遠(yuǎn)大于施氮處理，導(dǎo)致兩者的差值減小，因而，氮肥回收率呈降低趨勢(shì)。而在同位素示蹤法中，氮肥回收率只與植株吸收的氮肥多少有關(guān)，因此，土壤肥力越高，植株吸收的化學(xué)氮肥越多，氮肥回收率也越高。

圖5 土壤肥力（F）和施氮量（N）對(duì)土壤微生物量氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

從各處理吸收的土壤氮素（表3）可以看出，施氮刺激了植株吸收更多的土壤氮素，即氮肥的激發(fā)效應(yīng)，例如FLN0處理的吸氮量為443.0 mg/pot，而示蹤法計(jì)算的FLN150處理對(duì)土壤氮素的吸收量為560.0 mg/pot。因此，差減法高估了氮肥的貢獻(xiàn)，掩蓋了土壤肥力對(duì)氮肥吸收的影響，導(dǎo)致氮肥回收率遠(yuǎn)高于示蹤法計(jì)算的氮肥回收率。而且，土壤肥力越低，氮肥的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)，導(dǎo)致相同施氮量下高肥力土壤的氮肥表觀回收率低于低肥力土壤（圖3）。同時(shí)，傳統(tǒng)差減法計(jì)算的氮肥表觀回收率沒有將施氮量、作物吸氮量和土壤氮庫(kù)變化聯(lián)系起來，無法解析土壤殘留氮肥對(duì)土壤氮庫(kù)的補(bǔ)充作用，更不能反映氮肥在土壤-植物-大氣系統(tǒng)中的損失情況[27]。因此，我們認(rèn)為在研究氮肥的去向時(shí)，采用示蹤法計(jì)算的氮肥回收率更為科學(xué)。此外，示蹤法能夠區(qū)分作物對(duì)化學(xué)氮肥的吸收率和殘留率，有利于更為真實(shí)地認(rèn)識(shí)目前我國(guó)的氮素利用效率[22]。

圖6 土壤肥力（F）和施氮量（N）對(duì)土壤固定態(tài)銨含量的影響

此外，F(xiàn)MN225的氮肥回收率高于FMN150，而在高肥力土壤上則相反（圖3）。這可能是由于225 kg·hm-2的施氮量在中肥力土壤上屬于適宜的施氮量，而在高肥力土壤上，此施氮量超過了適宜用量，導(dǎo)致氮肥損失嚴(yán)重，因而，F(xiàn)HN225的氮肥回收率低于FHN150。因此，對(duì)于低肥力土壤不僅要適當(dāng)增施氮肥，更要培肥土壤，提高基礎(chǔ)地力；而對(duì)于高肥力土壤在保證較高產(chǎn)量目標(biāo)的條件下，確定適宜的施氮量以降低氮肥損失和維持土壤氮庫(kù)平衡，從而維持較高的土壤生產(chǎn)力[27]。

3.3 土壤肥力對(duì)水稻氮肥吸收及其去向的影響

本研究表明，植株當(dāng)季吸收的氮素來源于土壤的比例為70%—85%，而來源于氮肥的比例為15%—30%。這說明植株當(dāng)季吸收的氮素大多數(shù)來源于土壤[30-31]。本研究以土壤有機(jī)質(zhì)劃分土壤肥力的高低，而土壤有機(jī)質(zhì)與土壤氮素含量高度相關(guān)。因此，土壤肥力越高，水稻植株總吸氮量中來自土壤氮的比例越大，而來自肥料氮的比例越小[20]。

土壤肥力是導(dǎo)致氮肥利用、殘留和損失差異的重要因素[32]。本研究表明，提升土壤肥力能提高氮肥回收率和殘留率，降低損失率（圖2）。主要原因有：第一，高肥力土壤能供給更多更均衡的土壤養(yǎng)分，包括氮磷鉀等大量元素和其他微量養(yǎng)分。而且，高肥力土壤具有良好的土壤結(jié)構(gòu)（雖然盆栽試驗(yàn)破壞了耕層結(jié)構(gòu)，但過2 mm篩的土壤依然體現(xiàn)了土壤團(tuán)聚體、孔隙度等物理結(jié)構(gòu)的差異）[33]，有利于根系的生長(zhǎng)發(fā)育，擴(kuò)大了根系的數(shù)量和吸收面積[34]。本研究中高肥力土壤供氮能力更強(qiáng)，即不施氮肥處理植株吸收的氮素更多（表3），根系生物量也更多（圖4）。第二，高肥力土壤的緩沖能力、陽(yáng)離子交換能力和養(yǎng)分固持能力更強(qiáng)。本結(jié)果也表明高肥力土壤的活性氮和固定態(tài)銨的含量最高（圖5，圖6）；第三，高肥力土壤具有更多的碳源來固持氮素，從而使土壤碳循環(huán)和氮循環(huán)過程耦合的更為緊密。這表現(xiàn)在高肥力土壤有機(jī)質(zhì)含量高，提高了微生物的數(shù)量和活性，固持了更多的活性氮，有利于減少氮肥損失[20]。本研究也表明高肥力土壤微生物量氮庫(kù)也最高（圖5）；第四，有研究表明較高肥力土壤有利于土壤微生物量氮的保蓄[35]。施肥后，土壤微生物初期固持的氮素，在其死亡后又重新被植物吸收利用[36]。因此，高肥力土壤能夠更好地協(xié)調(diào)土壤供氮與植株需氮之間的關(guān)系，從而提高氮肥回收率，減少氮肥損失[21]。

本結(jié)果表明增施氮肥對(duì)不同肥力土壤的水稻氮肥回收率影響不同。在低肥力土壤上，增施氮肥（150 kg·hm-2vs. 225 kg·hm-2）顯著提高了氮肥回收率，在中肥力土壤上影響不顯著，而在高肥力土壤上，增施氮肥顯著降低了氮肥回收率（圖2）。從表3可以看出，在低肥力土壤上，與施氮量150 kg·hm-2處理相比，225 kg·hm-2處理植株對(duì)肥料氮吸收量的增加率為60%，大于施氮量的增加率50%，因此氮肥回收率增加；在中肥力土壤上，增施氮肥后肥料氮吸收量的增加率為51%，與施氮量增加率接近，因此氮肥回收率差異不顯著；而在高肥力土壤上，增施氮肥對(duì)肥料氮吸收量的增加率只有39%，遠(yuǎn)低于施氮量的增加率，因此氮肥回收率降低。而NORMAN等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在34—168 kg·hm-2的施氮量范圍內(nèi)，高肥力土壤和低肥力土壤的氮肥回收率都持續(xù)增加?？赡苁且?yàn)槠涫┑窟h(yuǎn)低于本試驗(yàn)，且其土壤肥力水平也遠(yuǎn)低于本研究。因此，需要依據(jù)土壤肥力水平確定水稻適宜的施氮量。在低肥力土壤上適當(dāng)增施氮肥既能增產(chǎn)又能提高氮肥回收率；而在高肥力土壤上則需要適當(dāng)降低施氮量，在維持較高產(chǎn)量水平的條件下，既能增加氮肥回收率，又能降低氮肥損失[21]。

3.4 本研究的不足

本研究采用過篩后的土壤，并以土壤有機(jī)質(zhì)為主的化學(xué)肥力指標(biāo)作為土壤肥力的篩選標(biāo)準(zhǔn)，不能全面反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)、耕層特性等土壤物理肥力指標(biāo)對(duì)水稻生長(zhǎng)、氮素吸收的影響[37]。此外，盆栽試驗(yàn)與田間試驗(yàn)在耕層土壤屬性、氮素?fù)p失途徑、作物群體效應(yīng)和微氣象等方面差異較大，在田間條件下土壤肥力對(duì)水稻氮肥回收率的影響有待進(jìn)一步研究。另外，不同水稻品種對(duì)氮素的吸收利用存在較大差異，是否存在品種與土壤肥力的互作效應(yīng)還需要進(jìn)一步研究[17]。如引言所述，以往對(duì)田間不同肥力地塊的對(duì)比研究無法真正揭示土壤肥力水平對(duì)水稻氮肥回收率的影響，因此，我們建議可以利用現(xiàn)有長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)所形成的土壤肥力梯度，采用15N示蹤技術(shù)闡明不同稻田肥力對(duì)水稻氮肥回收率及其去向的影響[20-21, 36]。最后，本研究?jī)H采用了一種土壤類型和3個(gè)土壤肥力梯度，其他土壤類型和更多肥力水平土壤是否也表現(xiàn)出相同的規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

對(duì)紅壤性水稻土的研究表明，提高土壤肥力能顯著增加水稻的有效穗數(shù)、產(chǎn)量、總吸氮量以及對(duì)土壤氮素和肥料氮素的吸收量，提高氮肥回收率和殘留率，降低氮肥損失。低肥力土壤上增加施氮量增加了氮肥回收率，而高肥力土壤上增加施氮量降低了氮肥回收率。因此，通過培肥土壤并根據(jù)土壤肥力合理施用氮肥，不僅能提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率，還能減少氮肥損失，降低環(huán)境污染，從而實(shí)現(xiàn)水稻的可持續(xù)生產(chǎn)。

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（責(zé)任編輯 李云霞）

Effects of Soil Fertility on Rice Yield and Nitrogen Use Efficiency in a Red Paddy Soil

PENG WeiFu1, 2, Lü WeiSheng3, HUANG Shan1, ZENG YongJun1, PAN XiaoHua1, SHI QingHua1

(1School of Agricultural Sciences, Jiangxi Agricultural University/ Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding(Jiangxi Agricultural University), Ministry of Education, Nanchang 330045;2College of Biology Science and Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045;3Jiangxi Institute of Red Soil / National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement/Scientific Observational and Experimental Station of Arable Land Conservation in Jiangxi, Ministry of Agriculture, Nanchang 331717)

【Objective】Soil fertility is the basis for high rice yield in the red paddy soil. It is critical to clarify the effects of different fertility levels on crop yield and nitrogen (N) use efficiency, thereby providing scientific evidence for soil fertility improvement and appropriate fertilizer management in red paddy soil. 【Method】A pot experiment was carried out on red paddy soils with similar texture and different fertility levels (The level of soil organic matter represented the level of soil fertility) with the15N isotopic tracer technique. The effects of soil fertility (FL, FM, and FHrepresent low, medium, and high fertility soils with a soil organic matter 19.9, 29.6, 38.9 g·kg-1, respectively) and N fertilizer rate (N0, N150, and N225represent the N application rate at 0, 150, and 225 kg·hm-2, respectively), with 9 treatments (FLN0, FLN150, FLN225, FMN0, FMN150, FMN225, FHN0, FHN150, and FHN225) on rice yield and its composition, N uptake and its fate were investigated. 【Result】Increasing soil fertility and N fertilization significantly increased the number of effective panicles, yield, and total N uptake of rice. Compared with N0, FL, FM, and FHincreased rice yield by 63%, 40% and 17% under N150treatment, respectively, with 89%, 55% and 23% under N225treatment, respectively. In medium and low fertility soils, increasing the N rate significantly increased rice yield, whereas no significant difference was found between the FHN150and FHN225treatments. Using the15N tracing technique, we found that the uptake of fertilizer N and soil N by rice plants increased with the increasing soil fertility under the same N application rate. However, the proportion of N derived from soil (Ndfs) increased with the increasing soil fertility, while the proportion of N derived from fertilizer (Ndff) showed the opposite trend. Increasing N fertilization rate led to an increase in Ndff, while reducing Ndfs. The average N recovery efficiency (NRE) of FL, FM, and FHwas 42%, 48% and 52%, respectively; with the average N fertilizer residue rate of 20%, 23% and 28%, and the average N fertilizer loss rate of 38%, 29% and 20%, respectively. The NRE of FLN225was significantly higher than FLN150with no significant difference with FMsoils, while the NRE of FHN225was significantly lower than FHN150. Increasing soil fertility significantly increased the contents of soil microbial biomass N, ammonium N, and fixed ammonium. 【Conclusion】These results indicated that the higher of the soil fertility, the higher of the rice yield, the NRE and the N residual rate in the red paddy soil were, and the lower of the N loss rate was. Therefore, increasing N application rate was effective to increase both rice yield and NRE in low fertility soils. In contrast, an appropriate reduction in N application rate might benefit rice NRE and reduce fertilizer N losses without compromising rice yield.

soil fertility;15N isotopic tracing; red paddy soil; nitrogen use efficiency; fertilizer N fate

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.18.017

2018-03-08；

2018-05-07

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300903, 2017YFD0301605）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31460336）

彭衛(wèi)福，E-mail：pengwei_fu@126.com。通信作者黃山，E-mail：ecohs@126.com