張彬,魏文武

不同供氮量對(duì)水稻土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩簟⒌胶饧爱a(chǎn)量的影響

張彬,魏文武

眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 四川 眉山 620010

本文以不施肥試驗(yàn)地設(shè)置供氮梯度試驗(yàn)（CK），研究了不同供氮量（N1 40 kg·hm-2、N2 80 kg·hm-2、N3 1200 kg·hm-2、N4 160 kg·hm-2、N5 200 kg·hm-2、N6 240 kg·hm-2）對(duì)水稻地上部生物量累積、氮素吸收、土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩艉屯寥赖仄胶獾挠绊?，可為集約化農(nóng)田最大化發(fā)揮化肥生態(tài)效應(yīng)和優(yōu)化氮素管理提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。結(jié)果表明：施氮對(duì)水稻生物量積累和氮素吸收利用有明顯的影響，與不施氮對(duì)照相比，施氮處理顯著增加了水稻生物量、氮濃度、吸氮量增幅分別為31.69%~109.83%、15.08%~103.17%和54.18%~395.24%，其中N4水平增加量最大，之后有所降低；氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力氮濃度隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢(shì)。整體上，土壤剖面無(wú)機(jī)氮含量自上而下呈現(xiàn)由高到低的變化，不同施氮處理間的差異主要體現(xiàn)在10 cm；0~50 cm剖面無(wú)機(jī)氮含量隨施氮量增加顯著增加，其中施氮量在240 kg·hm-2間增加緩慢，施氮量高于160 kg·hm-2后快速增加。從氮素主要的輸入輸出項(xiàng)來(lái)看，不同處理均有不同程度的盈余，大部分盈余氮素均在土壤0~50 cm剖面出現(xiàn)不同程度的累積。水稻土壤無(wú)機(jī)氮吸收量隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大，水稻土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅砍氏喾吹淖兓厔?shì)。水稻有效穗、單株穗、結(jié)實(shí)率、產(chǎn)量和收獲指數(shù)均隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大，之后有所降低。以上結(jié)果說(shuō)明氮素對(duì)水稻生物量累積和氮素吸收利用起到一定的促進(jìn)作用，但在施氮量高于160 kg·hm-2后促進(jìn)作用有所降低。綜合考慮綠肥的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng)，水稻種植體系中土壤供氮量應(yīng)控制在160 kg·hm-2左右。

供氮量; 水稻; 無(wú)機(jī)氮; 氮平衡; 產(chǎn)量

工業(yè)革命在推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)效率提升方面產(chǎn)生了無(wú)可替代的作用，隨著人類資源利用方式的增多，多種礦物燃料等投入使用[1,2]，但是由于不合理的開(kāi)發(fā)利用及燃料利用水平等原因制約，在此過(guò)程中不少環(huán)境問(wèn)題難以避免地產(chǎn)生了[3]，尤其是水、大氣污染方面的問(wèn)題，這對(duì)于人類的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重制約。尤其是燃料在燃燒過(guò)程中難以避免地產(chǎn)生或多或少的氮成分[4,5]，這是大氣中氮含量的主要來(lái)源之一，此外，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用了不少化肥，在此過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量的含氮化合物[6]，這些都明顯地增加了大氣氮沉降。目前，該問(wèn)題已成為全球性環(huán)境問(wèn)題之一，歐洲、美國(guó)及中國(guó)成為氮沉降問(wèn)題突出的國(guó)家[7,8]，較高含量的氮成分會(huì)加劇土壤的礦化速率，長(zhǎng)期以來(lái)將會(huì)加劇土壤酸化；對(duì)于植物生長(zhǎng)而言，氮是其必需元素之一，對(duì)于調(diào)節(jié)土壤起著重要作用，能夠較為有效地調(diào)控營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響[9]。

自古以來(lái)我國(guó)就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，在近代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中化肥逐漸出現(xiàn)，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用，一定程度上在增產(chǎn)增收方面作用顯著[10-12]，對(duì)于肥力較差土壤的肥力提升起著重要促進(jìn)作用。施用氮肥作為培肥的重要手段，能夠?qū)⑼寥烙袡C(jī)質(zhì)含量予以提升，促進(jìn)微生物新陳代謝，很大程度上能夠保持土壤活力[13]，因此使用較為廣泛。對(duì)于水稻生產(chǎn)而言，其對(duì)氮素的需求較為明顯，土壤無(wú)機(jī)氮能夠?yàn)橹峁┹^充分的氮含量，此外，綠肥礦化氮也為之提供了較多氮素，通過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)農(nóng)田施肥明顯存在過(guò)量的問(wèn)題，在作物收割以后，土壤中依然存在較大的氮留存，尤其是無(wú)機(jī)氮，這是主要的氮源之一[14,15]，當(dāng)?shù)仉y以充分滿足作物所需的時(shí)候，作物生長(zhǎng)受限，且不利于土壤肥力及活性的保持，土壤生物量也將下降[16,17]，但是氮素含量過(guò)大的情況下土壤氮含量超標(biāo)問(wèn)題突出，因此保持土壤氮含量平衡能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)的同時(shí)促進(jìn)土壤肥力和活性的保持?；诖耍狙芯繉牟煌康咎飦?lái)探究其對(duì)土壤及作物的影響，為了強(qiáng)化對(duì)照效果，將不施用氮肥樣地作為對(duì)照組CK，供氮量40 kg·hm-2作為低氮區(qū)N1，并在此基礎(chǔ)上成倍數(shù)遞增，分別設(shè)置為樣地N2、N3、N4、N5、N6，其中N6的供氮量達(dá)到240 kg·hm-2，然后分別探討其對(duì)生物量及土壤氮素平衡的影響，進(jìn)而為農(nóng)田的集約化經(jīng)營(yíng)提供有益參考，進(jìn)一步發(fā)揮氮肥的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選擇在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行，并從2015年開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)三年的實(shí)地研究，該實(shí)驗(yàn)區(qū)域呈現(xiàn)明顯的溫帶大陸性氣候特點(diǎn)，其年均氣溫近12 ℃，擁有長(zhǎng)達(dá)2600 h的日照時(shí)數(shù)，其降雨主要集中在夏季三個(gè)月，由于其光照充足，其無(wú)霜期超過(guò)了290 d。本研究區(qū)域?yàn)榈咎铮猿蓖翞橹?，從地表向?0 cm深度呈現(xiàn)典型的壤土特點(diǎn)，其pH值達(dá)到6.3，有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別12.1、1.5 g·kg-1，而堿解氮、速效磷及鉀分別為8.2、15.9、65.1 mg·kg-1。

為了比較不同氮含量的影響，特設(shè)置對(duì)照組CK，供氮量40 kg·hm-2作為低氮區(qū)N1，并在此基礎(chǔ)上成倍數(shù)遞增，分別設(shè)置為樣地N2、N3、N4、N5、N6，其中N6的供氮量達(dá)到240 kg·hm-2，要求樣地的長(zhǎng)、寬均為2 m，并在各樣地之間間隔 1 m以區(qū)分，為了提升實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，特進(jìn)行3次重復(fù)，各樣地的磷、鉀使用分別為150、125 kg·hm-2，在進(jìn)行播種之前進(jìn)行土壤旋耕處理，施用的底肥為尿素及硫酸鉀；正式的播種日期為2015年9月15日，行距要求不低于15 cm，最后進(jìn)行平耙處理，采取大田管理模式。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 植株生物量和吸氮量對(duì)生物量的測(cè)定選擇在盛花期，各樣地收獲后進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，首先將樣地的植株全部貼地刈割后稱重，做好記錄；接下來(lái)要隨機(jī)選擇一部分進(jìn)行稱鮮重，然后需要將其烘干，要求溫度達(dá)到70 ℃，待其達(dá)到恒重狀態(tài)后再次稱量，接下來(lái)進(jìn)行粉碎處理后進(jìn)行氮素指標(biāo)測(cè)定，具體借助于消煮法。生物量鮮重可以在鮮重和面積的基礎(chǔ)上計(jì)算得到，干重可由鮮重的基礎(chǔ)上去除水分含量得到，吸氮量的計(jì)算建立在氮含量及生物量的基礎(chǔ)上。

1.2.2 氮素利用效率計(jì)算對(duì)氮素利用相關(guān)的效率計(jì)算如下[18]：氮吸收效率=吸氮量差/施氮量×100%；

氮利用效率=產(chǎn)量差/施氮量；氮偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

1.2.3 土壤無(wú)機(jī)氮含量為了對(duì)土壤有機(jī)氮進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)定，在不同土壤深度進(jìn)行土樣采集，過(guò)篩后混合，并從中取樣30 g進(jìn)行水分測(cè)定，具體采取烘干法；取樣10 g進(jìn)行無(wú)機(jī)氮測(cè)定，具體采用浸提法，并借助于流動(dòng)分析儀開(kāi)展具體指標(biāo)測(cè)定。

1.2.4 氮平衡計(jì)算對(duì)氮平衡的計(jì)算如下[19,20]：氮平衡等于氮素投入與產(chǎn)出之差；氮素投入等于施氮量加上播種前的無(wú)機(jī)氮含量；氮素產(chǎn)出等于地上部吸氮量加上收獲后的氮含量；氮盈余等于施氮量與地上部吸氮量之差。

首先對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，之后借助于SPSS 21.0開(kāi)展相應(yīng)的分析檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水平為0.05。

采用Excel 2007.00和SPSS 15.00數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析（One-way ANOVA），多重比較法檢驗(yàn)各處理間差異顯著（置信水平設(shè)置為95%，<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同供氮量對(duì)水稻生物量累積和氮素吸收利用的影響

由表1可知，施氮對(duì)水稻生物量積累和氮素吸收利用有明顯的影響。與不施氮對(duì)照相比，施氮處理顯著增加了水稻生物量、氮濃度、吸氮量增幅分別為31.69%~109.83%、15.08%~103.17%和54.18%~395.24%，其中N4水平增加量最大，之后有所降低；氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力氮濃度隨施氮量增加呈先增加后降低趨勢(shì)，其中N4水平增加量最大，之后有所降低，氮素吸收率變化范圍在18.98%~36.02%，氮素利用率變化范圍在32.49%~53.06%，氮素偏生產(chǎn)力變化范圍在9.48%~28.19%。以上結(jié)果說(shuō)明氮素對(duì)水稻生物量累積和氮素吸收利用起到一定的促進(jìn)作用，但在施氮量高于160 kg·hm-2后促進(jìn)作用有所降低，而且將顯著降低氮素利用效率。

表 1 不同供氮量對(duì)水稻生物量累積和氮素吸收利用的影響

2.2 不同供氮量對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量和分布的影響

圖 1 不同供氮量對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量和分布的影響

由圖1可知，施氮對(duì)水稻土壤無(wú)機(jī)氮含量及其剖面分布有顯著影響。整體上，土壤剖面無(wú)機(jī)氮含量自上而下呈現(xiàn)由高到低的變化，不同施氮處理間的差異主要體現(xiàn)在10 cm，尤以10 cm差異明顯，50 cm無(wú)機(jī)氮含量趨于一致，說(shuō)明在本研究中不同供氮量對(duì)深層土壤無(wú)機(jī)氮淋洗發(fā)生較少；0~50 cm剖面無(wú)機(jī)氮含量隨施氮量增加顯著增加，其中施氮量在240 kg·hm-2間增加緩慢，施氮量高于160 kg·hm-2后快速增加。

2.3 不同供氮量對(duì)水稻氮素平衡的影響

本研究中土壤為多年不施肥土壤，氮素供應(yīng)較低，不同施氮處理能較好地反映土壤的供氮不同水平。水稻生長(zhǎng)季不同供氮量下氮素平衡計(jì)算結(jié)果表明（表2），受基礎(chǔ)地力和綠肥生長(zhǎng)季環(huán)境條件的影響，土壤礦化來(lái)源氮素較低，僅為9.87 kg·hm-2；盡管氮濃度逐漸增加趨勢(shì)，但至80 kg·hm-2施氮量后氮平衡保持穩(wěn)定，從氮素主要的輸入輸出項(xiàng)來(lái)看，不同處理均有不同程度的盈余，大部分盈余氮素均在土壤0~50 cm剖面出現(xiàn)不同程度的累積；包含土壤無(wú)機(jī)氮含量在內(nèi)的氮素整體平衡呈現(xiàn)虧缺-基本平衡-盈余的階段特征。以上結(jié)果整體上說(shuō)明，在施氮量低于80 kg·hm-2時(shí)，吸氮量較低，整體氮素平衡為負(fù)值，消耗土壤氮庫(kù)；在施氮量高于80 kg·hm-2時(shí)，吸氮量變化不大，整體氮素平衡為正值，補(bǔ)充土壤氮庫(kù)，在80~160 kg·hm-2土壤氮素基本平衡，但氮素表觀損失量在施氮量高于160 kg·hm-2后迅速增加。

表 2 不同供氮量對(duì)水稻氮素平衡的影響

2.4 不同供氮量對(duì)無(wú)機(jī)氮吸收量和殘留量影響

由圖2可知，水稻土壤無(wú)機(jī)氮吸收量隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大，之后有所降低，呈倒V型變化規(guī)律，水稻土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅侩S著氮濃度的增加呈先降低后增加趨勢(shì)，呈V型變化規(guī)律，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最低。

圖 2 不同供氮量對(duì)無(wú)機(jī)氮吸收量和殘留量影響

2.5 不同供氮量對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表3可知，水稻有效穗隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大（367.02），之后有所降低，其變化范圍在342.11~367.02×104hm-2之間；水稻單株穗隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大，之后有所降低，其變化范圍在98.03~105.42之間；結(jié)實(shí)率隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大，之后有所降低，其變化范圍在71.53~79.02%之間；千粒重隨著氮濃度沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，其變化范圍在24.01~24.97 g之間；產(chǎn)量隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大，之后有所降低，其變化范圍在6023.58~6519.41 kg·hm-2之間；收獲指數(shù)隨著氮濃度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在氮濃度達(dá)到160 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大，之后有所降低，其變化范圍在0.49~0.53之間。

表 3 不同供氮量對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

3 討論

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在施氮影響之下水稻的生物積累量明顯提升，其最大增幅接近于109%，而其最小增幅也超過(guò)了31%，其中N4處理下達(dá)到最大增幅，之后呈下降趨勢(shì)；另外，在施氮影響之下，水稻氮吸收能力也受到了明顯影響，吸氮量的最大增幅達(dá)到了395%，而其最小增幅也超過(guò)了54%，且在N4達(dá)到最大增幅；此外，氮濃度也受到明顯的影響，其最大增幅達(dá)到了103%；整體來(lái)說(shuō)，在施氮量不斷提升的情況下，氮素的吸收及利用率先升后降，氮濃度的變化趨勢(shì)亦是如此。在氮供應(yīng)明顯增多的情況下，生物量并不會(huì)隨之呈現(xiàn)上升，而是在上升到一定程度后出現(xiàn)下降，主要原因在于氮供應(yīng)過(guò)量的情況下群體競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)加劇，對(duì)于光合效應(yīng)具有制約作用。對(duì)于稻田土壤無(wú)機(jī)氮而言，其吸收量在氮濃度不斷增加的情況下也是呈現(xiàn)先升后降的發(fā)展趨勢(shì)，且在N4處理下達(dá)到最高水平，整體來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)倒V型變化。氮?dú)埩舻淖兓厔?shì)則剛好與之相反，其變化走勢(shì)為先降后升，且依然是在N4處理下達(dá)到最高水平。

較高含量的氮成分會(huì)加劇土壤的礦化速率，長(zhǎng)期以來(lái)將會(huì)加劇土壤酸化；對(duì)于植物生長(zhǎng)而言，氮是其必需元素之一，對(duì)于調(diào)節(jié)土壤起著重要作用，能夠較為有效地調(diào)控營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響。通過(guò)連續(xù)三年的觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，在氮供應(yīng)量不同的情況下，土壤特性也發(fā)生了較大變化，尤其是其理化特征及養(yǎng)分方面[21,22]，同時(shí)水稻的干物質(zhì)積累也受到了明顯影響，稻產(chǎn)最終也受到了影響[16-18]。在氮濃度不斷上升的情況下，水稻穗的有效率和結(jié)實(shí)率軍事先升后降，且在N4處理下達(dá)到最高水平，之后出現(xiàn)明顯的降低，其產(chǎn)量變化亦是如此，主要原因在于適度的氮供應(yīng)能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，利于土壤肥力和活性保持，增加土壤有機(jī)質(zhì)等含量，促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累，從而增加了水稻對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用效率，促進(jìn)水稻光合作用以獲取更多的能量，因此能夠促進(jìn)水稻產(chǎn)量的提升，但是當(dāng)?shù)?yīng)量過(guò)大的情況下，土壤氮含量超標(biāo)問(wèn)題突出，最終受損的是土壤結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分保持，最終制約水稻產(chǎn)量的提高。綜合來(lái)看，對(duì)于水稻種植而言，其土壤供氮量在160 kg·hm-2的水平時(shí)能夠促進(jìn)水稻生產(chǎn)。

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Effects of Different Nitrogen Supply Levels on Soil Inorganic Nitrogen Residue, Nitrogen Balance and Yield of Rice

ZHANG Bin, WEI Wen-wu

620010,

With no fertilizer testbed Settings for nitrogen gradient test (CK), was studied for different nitrogen (N1 40 kg·hm-2, N2 80 kg·hm-2, N3 1200 kg·hm-2, N4 160 kg·hm-2, N5 200 kg·hm-2, N6 240 kg·hm-2) accumulation of above ground biomass, n uptake of rice and soil inorganic nitrogen residue and soil nitrogen balance, for maximum intensive farmland exert the ecological effect of fertilizer and optimized nitrogen management to provide theoretical basis and technical reference. The results showed that nitrogen application had a significant impact on the biomass accumulation and nitrogen absorption and utilization of rice. Compared with the control group without nitrogen application, nitrogen application significantly increased the biomass, nitrogen concentration and nitrogen uptake of rice by 31.69%, 15.08%, 103.17% and 54.18%, respectively.The nitrogen absorption rate, nitrogen utilization rate and nitrogen partial productivity concentration increased first and then decreased with the increase of nitrogen application.On the whole, inorganic nitrogen content in soil profile changed from high to low from top to bottom.The inorganic nitrogen content in the 0-50 cm profile increased significantly with the increase of nitrogen application, in which the nitrogen application increased slowly between 240 kg·hm-2and rapidly after the nitrogen application was higher than 160 kg·hm-2. From the perspective of the main input and output terms of nitrogen, different treatments had different degrees of surplus, and most of the surplus nitrogen showed different degrees of accumulation in the 0-50 cm section of soil.The inorganic nitrogen absorption in rice soil first increased and then decreased with the increase of nitrogen concentration, and reached the maximum when the nitrogen concentration reached 160 kg·hm-2, and the inorganic nitrogen residue in rice soil showed an opposite change trend. Rice effective panicle, panicle per plant, seed setting rate, yield and harvest index all increased first and then decreased with the increase of nitrogen concentration, and reached the maximum when the nitrogen concentration reached 160 kg·hm-2, and then decreased.The above results indicated that nitrogen promoted the biomass accumulation and nitrogen absorption and utilization of rice to a certain extent, but the promotion decreased after the nitrogen application amount was higher than 160 kg·hm-2. Considering the agronomic and environmental effects of green manure, soil nitrogen supply should be controlled around 160 kg·hm-2in the rice planting system.

Nitrogen supply levels; rice; soil inorganic nitrogen residue; nitrogen balance; yield

S665.1

A

1000-2324(2019)04-0566-05

2018-04-12

2018-05-28

眉山職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年科研課題:東坡區(qū)耕地重金屬污染調(diào)查研究(15KY10)

張彬(1974-),女,碩士,講師,研究方向:土壤與肥料. E-mail:zb123196@163.com