張世潔，張 剛，王德建?，劉 勤，王書偉

秸稈還田配施氮肥對稻田增產(chǎn)及田面水氮動態(tài)變化的影響*

張世潔1，2，張 剛1，3，王德建1?，劉 勤1，王書偉1，4

（1. 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2. 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037；4. 中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，江蘇常熟 215555）

針對我國南方稻田氮素流失污染嚴(yán)重問題，為明確高產(chǎn)稻田秸稈還田下氮肥施用效應(yīng)，采用田間試驗(yàn)，研究秸稈全量還田下不同氮肥用量對水稻產(chǎn)量及稻田田面水氮素動態(tài)變化的影響，以期為長江下游徑流易發(fā)地區(qū)探尋兼顧產(chǎn)量與環(huán)境效益的秸稈還田配施氮肥措施。結(jié)果表明：（1）秸稈還田下配施氮肥可顯著提高水稻產(chǎn)量，但當(dāng)?shù)视昧窟^高則增產(chǎn)效應(yīng)降低，連續(xù)秸稈還田4年以上可以發(fā)揮秸稈部分替代氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)；（2）稻田田面水總氮TN、NH4+-N在每次施肥后1～2 d達(dá)到峰值，之后迅速下降至相對低濃度水平，施肥后一周內(nèi)是氮素徑流損失的風(fēng)險(xiǎn)期，秸稈還田可有效降低水稻生育前期稻田田面水TN濃度，但同時一定程度增大了可溶性有機(jī)氮（DON）的流失潛力；（3）秸稈還田下搭配減氮施肥（SN1）較推薦氮肥（SN2）與常規(guī)施肥（SN3）可分別減少25%、40%氮肥用量，同時可分別降低田面水中9.6%、20.8% TN含量（<0.05），是兼顧產(chǎn)量與環(huán)境效益的最佳措施。因此，推薦長江中下游徑流易發(fā)的水稻種植區(qū)，對秸稈長期全量還田，配施氮肥用量180～225 kg?hm–2。

秸稈還田；氮肥；田面水氮素；水稻產(chǎn)量

氮素是作物生長和產(chǎn)量形成最重要的營養(yǎng)元素，氮肥施用對世界發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家糧食貢獻(xiàn)率分別高達(dá)40%和55%以上[1-2]。迫于人口持續(xù)增長對糧食需求的壓力，農(nóng)田氮素投入越來越多，施入農(nóng)田的肥料除被作物吸收和土壤固定外，其余則以田面徑流、滲漏、氨揮發(fā)、反硝化等途徑損失進(jìn)入周圍環(huán)境[3]，其中農(nóng)田地表徑流所流失的氮、磷已成為我國南方農(nóng)業(yè)面源污染和河湖水質(zhì)富營養(yǎng)物質(zhì)污染的主要來源[4]。我國湖泊富營養(yǎng)化的水體已占 63.6%[3]，徑流排水是農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要途徑之一，而氮素的流失是引起水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[5]。

基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)對1957年以來世界各國對農(nóng)田氮流失研究綜合分析發(fā)現(xiàn)，源頭控制是農(nóng)田氮流失防控措施中最有效的措施[6]。水稻作為我國主要的糧食作物之一,其氮素利用率僅為17.0%～45.7%[7]。研究表明：通過改變肥料種類或優(yōu)化施肥量，可以有效減少稻田氮素徑流損失[8-9]，從源頭減少氮流失引發(fā)的水體污染問題。秸稈還田作為一項(xiàng)重要有機(jī)培肥措施，在蓄水保墑、減少污染等方面具有優(yōu)勢[10]，同時還能避免有機(jī)糞肥還田造成的土壤重金屬積累風(fēng)險(xiǎn)[11-12]，是一種不可替代的保護(hù)性耕作措施。與常規(guī)措施相比，秸稈還田或者秸稈還田搭配減量施肥均可有效降低地表氮流失量甚至降低氮流失率[13-15]，但不同研究間差異較大。

目前對農(nóng)田徑流氮損失控制效果的評價主要依靠收集徑流池或徑流收集管的徑流樣，通過測定分析，比較隨機(jī)徑流的氮素?fù)p失強(qiáng)度[16-17]。一方面，由于徑流發(fā)生的隨機(jī)性，每季樣品收集次數(shù)有限（有時收集不到），難以確切地反映當(dāng)季農(nóng)田徑流控制措施的真實(shí)效應(yīng)；此外，現(xiàn)有研究對于稻田田面水的監(jiān)測，存在樣品采集頻度低以及樣品測定不及時的問題，可能導(dǎo)致缺少重要波動點(diǎn)以及誤判氮素形態(tài)而無法真實(shí)反映氮素的流失特征。另一方面，秸稈還田下的增產(chǎn)效應(yīng)已有頗多研究，然而結(jié)合秸稈還田及配施不同氮肥用量對產(chǎn)量與農(nóng)田氮徑流的綜合影響的研究較少，也存在試驗(yàn)布設(shè)時間短（1～2季的秸稈還田試驗(yàn)），不能反應(yīng)長期秸稈還田下的產(chǎn)量效應(yīng)。鑒于此，本研究基于在江蘇常熟的秸稈還田配施氮肥的6年田間定位試驗(yàn)，通過測定稻田田面水氮濃度變化來反映氮素徑流流失風(fēng)險(xiǎn)，探討秸稈全量還田下氮肥用量對水稻產(chǎn)量及稻田田面水氮動態(tài)變化的影響，以期為長江下游地區(qū)合理施肥與秸稈資源化利用、提高農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)效益和減少農(nóng)業(yè)面源污染提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)位于江蘇常熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（31°33'N，123°38'E）。站區(qū)海拔3.12 m，屬于亞熱帶北部濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，2017年水稻生育期日平均氣溫與降雨量如圖1，生育期降雨量773.6 mm，與近五年2012—2016年稻季平均降雨量相近，平均氣溫23.7 ℃，≥10 ℃有效積溫 4 281 ℃。稻-麥輪作為主要種植制度，供試土壤為烏柵土（普通簡育水耕人為土），試驗(yàn)前0～15 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)40.24 g?kg–1、全氮 2.35 g?kg–1、有效磷29.9 mg?kg–1、速效鉀156.2 mg?kg–1，pH 7.19。

圖1 水稻生育期降雨量與溫度變化

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)基于秸稈還田配施氮肥的田間定位試驗(yàn)（始于2012年稻季），水稻每年在6月15日—6月20日插秧、10月28日—11月5日收獲，每年對于同一處理的管理方式一致。本研究于2017年稻季(6月—11月)進(jìn)行田面水采樣測定，試驗(yàn)選擇5個處理（表1），每個處理均設(shè)3次重復(fù)，共15個小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。各試驗(yàn)小區(qū)面積為 43.7 m2，無坡度，小區(qū)之間均以寬 20 cm 的田埂分隔, 防止各小區(qū)間肥水發(fā)生側(cè)滲和串灌，各小區(qū)均設(shè)有單獨(dú)的進(jìn)水口和排水口。

供試的氮磷鉀肥分別為尿素（46% N）、過磷酸鈣（5.24% P）和氯化鉀（49.8% K），氮肥按基肥︰分蘗肥︰孕穗肥=4︰2︰4施用，磷肥作為基肥于插秧前一次施入，鉀肥50%作為基肥、50%作為穗肥施入。秸稈還田方式為：收集上一季小麥秸稈，并切斷（長5～10 cm）后旋耕還田。供試水稻品種為南粳46號，于2017年6月18日移栽，11月3日收獲，水稻移栽后定期灌溉，灌溉用水為附近河水，除水稻分蘗后期烤田一周，以及收獲前10～14 d小區(qū)不進(jìn)水，其余時間保持田面水深為 3～5 cm（低于徑流排水管口高度）。

1.3 樣品采集與分析

2017年稻季基肥與兩次追肥時間分別為6月18日、7月9日和8月15日，以每次施肥后10 d內(nèi)每2 d一次（施肥后第1、3、5、7、9 天），平常每10 d一次的頻率采集田面水，直至水稻收獲。每個小區(qū)通過五點(diǎn)取樣法采集約100 mL田面水水樣至聚乙烯瓶中，所采水樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定，少量不能立即測定的，則滴加約3 mL 6 mol?L–1稀硫酸并冰凍保存，5 d內(nèi)測定完畢。測定方法為：總氮（TN）采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，溶解性總氮（DTN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3–-N）經(jīng)定性濾紙過濾，DTN測定方法與TN相同，NH4+-N采用靛酚藍(lán)比色法，NO3–則直接采用紫外分光光度法測定[18]。

水稻成熟后，各小區(qū)均單獨(dú)收割測產(chǎn)，按照14%的含水量標(biāo)準(zhǔn)折算產(chǎn)量。各處理中，對其中一組重復(fù)選取5穴代表性水稻植株，從中隨機(jī)選擇25株進(jìn)行考種，對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成要素分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

不同形態(tài)氮素計(jì)算公式如下：

式中，PN為顆粒態(tài)氮，DTN為溶解性總氮，DON為溶解性有機(jī)氮，IN為無機(jī)氮。

氮肥偏生產(chǎn)力（Partial factor productivity，PFPN，kg?kg–1）=單位面積作物產(chǎn)量/單位面積氮肥施用量（以純氮投入量計(jì)算）[19]。利用Origin 8和SPSS18.0，Excel 2016軟件進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)分析，處理之間的差異應(yīng)用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理水稻產(chǎn)量

本試驗(yàn)近3年的水稻產(chǎn)量如表2所示，2015年以前的產(chǎn)量變化趨勢是：SN3、SN2>SN1>N2>N0,從2016年開始（秸稈還田第5年）SN2與SN1處理產(chǎn)量沒有顯著差異，2017年與SN2與SN1處理產(chǎn)量仍沒有顯著差異，但SN3處理產(chǎn)量顯著下降，產(chǎn)量依次為SN2> SN1> SN3>N2> SN0。秸稈還田處理下，總體上水稻產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但到2017年SN3處理較SN2顯著下降，說明秸稈還田下高量施氮可能降低氮肥的利用率，反而不利于水稻的生長。2017年秸稈還田下施氮處理（SN1、SN2、SN3）較不施氮處理（SN0）均顯著增加水稻產(chǎn)量（<0.05），增產(chǎn)分別達(dá)到50.1%、60.1%、40.8%。而同一施氮水平下秸稈還田SN2處理較不還田N2處理增產(chǎn)22.6%（<0.05）。此外，與SN2、SN3相比，SN1在分別減少25%、40%氮肥用量的情況下保證水稻產(chǎn)量不會顯著降低。

從水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，不施氮處理（SN0）籽粒千粒重最低，秸稈全量還田下，施氮處理（SN1、SN2、SN3）較SN0千粒重分別高出2.1%、9.1%、7.1%，一定程度說明氮素是限制作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子。此外，同等氮肥用量下，SN2較N2處理有效穗數(shù)更多、癟率更低，并且前者較后者氮肥偏生產(chǎn)力高出22.6%（<0.05），說明秸稈還田處理主要通過提高單位面積水稻有效穗數(shù)與結(jié)實(shí)率，從而提高水稻產(chǎn)量。

表2 不同處理的水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

注：同一列無相同字母代表處理間差異性顯著（<0.05）。下同?！啊北硎緮?shù)據(jù)缺失或不能計(jì)算。Note：Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 5% level. The same blow. “—” represents the missing or incalculable data.

圖2 2017年水稻生育期不同施肥處理田面水TN（A）、NH4+-N（B）、NO3–-N（C）濃度變化

2.2 秸稈還田配施氮肥對田面水不同形態(tài)氮素動態(tài)變化的影響

稻田田面水TN動態(tài)監(jiān)測表明（圖2A），每次施肥后田面水TN濃度都急劇升高，在1 d內(nèi)達(dá)到峰值，然后迅速下降，由于降雨和灌溉以及秸稈本身對氮素吸附與釋放等因素的綜合作用，每次施肥后期TN濃度均出現(xiàn)小幅波動。每次施肥后8～9 d，TN仍在0.32～7.15 mg?L–1范圍內(nèi)波動。秸稈還田處理下（SN1、SN2、SN3），田面水TN濃度隨著施氮量的增加而顯著增加。表3結(jié)果顯示，在同一施氮水平下，與N2處理相比，SN2處理可降低水稻生育前期（基、蘗肥期）田面水TN含量，尤其是蘗肥期的降幅達(dá)6.1%（<0.05），說明秸稈還田可有效減少生育前期氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。此外，秸稈全量還田下減氮施肥處理（SN1）和推薦氮肥處理（SN2）較常規(guī)氮肥處理（SN3）田面水TN濃度分別降低20.8%和12.4%（<0.05）。

施肥后稻田田面水NH4+-N濃度變化如圖2B所示，3個施肥期內(nèi)NH4+-N濃度峰值表現(xiàn)為基肥期<蘗肥期<穗肥期，追肥期NH4+-N濃度均在施肥后也在1d內(nèi)達(dá)到高峰，之后迅速下降。與TN不同的是，NH4+-N濃度在第7～9天開始趨于穩(wěn)定，且濃度接近為0（0.04～1.86 mg?L–1）。統(tǒng)計(jì)分析表明（表3），秸稈還田下（SN1、SN2、SN3），各處理NH4+-N濃度均隨施氮量的增加而顯著增加，同一施氮水平下，施秸稈處理（SN2）濃度略高于不施秸稈處理（N2）濃度，但兩者之間無顯著差異。減氮施肥處理（SN1）和推薦氮肥處理（SN2）較常規(guī)氮肥處理（SN3）田面水NH4+-N濃度分別降低45.8%和23.3%（<0.05）。

表3 水稻生育期田面水不同形態(tài)氮素平均濃度

圖2C結(jié)果顯示，田面水中NO3–-N的濃度遠(yuǎn)低于NH4+-N，其峰值滯后于NH4+-N，出現(xiàn)在每次施肥后第3～5天，之后NO3–-N濃度隨時間緩慢降低，稻季3次施肥期峰值表現(xiàn)為基肥期>蘗肥期>穗肥期，分別為2.81、1.78和1.51 mg?L–1。水稻整個生育期內(nèi)（表3），各處理間田面水硝態(tài)氮平均濃度水平相差不大，但同一氮肥水平下SN2處理的NO3–-N濃度較N2處理高11.5%（<0.05）。

2.3 稻田田面水各形態(tài)氮素比例

由表4可知，水稻生育期內(nèi)可溶性總氮是田面水氮素的主要部分，DTN/TN高達(dá)75%～91%。比較各處理發(fā)現(xiàn)，隨著無機(jī)氮肥含量的提高，DTN/TN越高，單施秸稈處理SN0的DTN占比顯著低于其它施氮處理（N2、SN1、SN2、SN3）。在溶解性總氮（DTN）中，施氮處理（N2、SN1、SN2、SN3）的無機(jī)氮（IN）總體占比更高，而單施秸稈處理（SN0）DON/DTN達(dá)53.7%，顯著高于其他處理，說明單施秸稈下可溶性有機(jī)氮素的釋放占更重要地位。雖然同一施氮水平下秸稈還田處理（SN2）與不還田處理（N2）的DON/DTN差異不顯著，但前者DON濃度較后者高出12%（SN2、N2處理分別為2.01、1.80 mg?L–1），并且從秸稈還田下隨著氮肥施用減少而DON/DTN增高也可得出，秸稈還田一定程度增加了DON流失風(fēng)險(xiǎn)。此外，田面水無機(jī)氮（IN）中以NH4+-N為主，除單施秸稈外，其余處理NH4+-N/IN達(dá)到68.4%～78.7%，而單施秸稈的SN0處理則以NO3–-N為主，NO3–-N/IN高達(dá)71.4%。

表4 稻季田面水各形態(tài)氮素比例

3 討論

3.1 秸稈還田對水稻產(chǎn)量的影響

秸稈由于高C/N及難分解成分物質(zhì)的存在，單一施用不能像無機(jī)肥一樣能迅速為作物提供充足的速效養(yǎng)分，二者的配施是發(fā)揮彼此作用的最佳方式[20]。已有研究表明秸稈還田配施氮肥可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累，改良土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤供氮狀況[21-23]，從而促進(jìn)水稻增產(chǎn)。本研究中，秸稈全量還田下水稻產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，SN2處理達(dá)到峰值，之后出現(xiàn)下降。這與李勇等[24]的研究一致，當(dāng)施氮量超過某一閾值，產(chǎn)量就不再增加甚至減少，這也說明秸稈與氮肥配比是影響土壤養(yǎng)分動態(tài)平衡與作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。有研究表明：秸稈全量還田配施氮肥（360 kg?hm–2）水稻產(chǎn)量最高，而減少10%的氮肥施用量并不會顯著降低水稻產(chǎn)量[25]；王海候等[26]研究表明：氮肥用量為225 kg?hm–2時，6 000 kg?hm–2稻秸還田以及（6 000+4 000）kg?hm–2稻麥秸（雙季）還田產(chǎn)量顯著高于4 000 kg?hm–2麥秸還田處理。而本研究中，麥秸全量還田（5 500 kg?hm–2）配施推薦氮肥（240 kg?hm–2）的SN2處理產(chǎn)量最高,比N2處理顯著增產(chǎn)22.6%，兩個處理的氮肥運(yùn)籌均為基肥︰蘗肥︰穗肥=4︰2︰4。太湖流域其他高產(chǎn)稻田的研究表明，在氮肥運(yùn)籌6︰4（基蘗肥︰穗肥）、4︰3︰3（基肥︰蘗肥︰穗肥）下，秸稈還田比不還田處理水稻分別增產(chǎn)3.0%[27]和7.7%[28]（<0.05）。當(dāng)然產(chǎn)量差異還與秸稈還田方式、土壤質(zhì)量以及當(dāng)?shù)厮疅釥顩r也密切相關(guān)。本研究中，雖然SN2處理產(chǎn)量最高，但其與減氮施肥處理SN1（180 kg?hm–2）的產(chǎn)量沒有顯著差異，并且SN1處理可減少25%氮肥用量。有趣的是，此結(jié)果與該試驗(yàn)前4年的結(jié)果有所不同，在2015年及之前SN2水稻產(chǎn)量均顯著高于SN1，而從2016年開始兩處理變得無顯著差異。此外，同一施氮水平下，2012—2015年SN2處理較N2處理高出12.9%～16.7%，而2016、2017則分別高達(dá)19.7%、22.6%。這說明長期秸稈還田（本試驗(yàn)中≥4年）不僅可以提高水稻產(chǎn)量，還能減少氮肥使用，達(dá)到部分替代無機(jī)氮肥的效果。從另一角度而言，秸稈長期連續(xù)還田對土壤綜合肥力的提高效應(yīng)大于秸稈腐解對土壤及作物根系的毒害作用[29]。

本研究SN2處理氮肥偏生產(chǎn)力較N2處理顯著提高22.6%，從產(chǎn)量構(gòu)成上來看，秸稈還田下有效穗數(shù)增加12.6%、而癟率下降1.6個百分點(diǎn)，說明秸稈還田提高產(chǎn)量主要是增加了水稻的有效穗數(shù)，提高了水稻結(jié)實(shí)率。這與李勇[30]和張傳輝[31]等的研究一致，究其原因：一方面，秸稈還田后激發(fā)了土壤氮素礦化，增加了土壤對作物的供氮潛能；另一方面，秸稈還田改善了土壤的物理性質(zhì)，增加了土壤通透性和飽和導(dǎo)水率，氮素更易于通過水體遷移至水稻根系[32-33]，進(jìn)而促使氮素由莖稈向籽粒遷移[23，31]，氮肥充足時，水稻籽粒得到更多的氮素輸送，同時有效穗數(shù)比例也得到提升[26]。另外，秸稈還田下合理配施氮肥能有效地降低秸稈還田后的抑制效應(yīng)，從而增加穗粒數(shù)，提高群體總穎花量，實(shí)現(xiàn)高增產(chǎn)[34]。

3.2 秸稈還田配施氮肥對田面水氮流失風(fēng)險(xiǎn)及其調(diào)控

本研究顯示，稻季不同氮素動態(tài)變化中，各施肥處理田面水NH4+-N濃度均在一周后降至穩(wěn)定低濃度水平，TN濃度在每次施肥后期仍出現(xiàn)不同趨勢的波動，這可能與降雨、水稻生長及農(nóng)田灌水有關(guān)[35]。有研究表明，這種波動在一定程度上導(dǎo)致了氮素流失關(guān)鍵期的增長[36-38]，因此不能單純地將TN由峰值降至低水平濃度判定為稻田氮素流失的關(guān)鍵時期。而本研究中農(nóng)田灌溉水（附近河水）TN濃度為2.36～5.24 mg?L–1，與施肥后期田面水TN濃度波動水平相差不大，因此本研究中TN的波動不會使氮素流失風(fēng)險(xiǎn)期延長。另外，本研究中TN、NH4+-N在氮肥運(yùn)籌基肥︰蘗肥︰穗肥為4︰2︰4下表現(xiàn)為基肥期濃度最低，主要原因是：基肥是耙施入土的，土壤對肥料N有強(qiáng)烈的吸附作用；加之還田初期秸稈吸附及微生物分解秸稈吸收氮素的因素，減少了水稻由于苗期對養(yǎng)分吸收能力弱而引起的氮素流失[24]。秸稈還田下，不同氮肥運(yùn)籌對于氮素流失風(fēng)險(xiǎn)也會造成差異。太湖流域高產(chǎn)稻田的研究表明，在氮肥運(yùn)籌6︰4、4︰3︰3下，秸稈還田比不還田處理可分別降低稻季TN徑流流失率9.08%～13.16%[27,39]和22.63%[28]，對于秸稈還田在水稻不同生育期發(fā)揮的減少氮素流失作用還有待進(jìn)一步研究。NO3–-N濃度則在施肥后3～5d出現(xiàn)微弱峰值，這與大多研究一致[35]。原因一方面是NO3–-N主要依賴尿素水解產(chǎn)生NH4+-N然后再經(jīng)過硝化作用而生成，而尿素水解的NH4+-N還需要供給水稻生長吸收、微生物利用以及其他途徑的損失；另一方面，淹水條件下硝化作用較弱且存在反硝化作用，這與旱作下銨固定作用及硝化作用驅(qū)動下導(dǎo)致的硝態(tài)氮占徑流氮素?fù)p失主導(dǎo)地位相反[40]。

不同處理中，雖然同等施氮水平下秸稈還田處理與不還田處理田面水TN、NH4+-N濃度總體上沒有顯著差異，但秸稈還田處理在水稻生育前期（基肥、蘗肥期）田面水TN濃度較低，尤其是蘗肥期SN2處理田面水TN濃度顯著低于N2處理，說明秸稈還田能夠降低前期氮素向水體的釋放，這與王靜等[28]的報(bào)道一致。其主要原因是秸稈還田后使微生物活性增強(qiáng)，加上秸稈本身C/N較高，使得更多的氮素被土壤及秸稈微生物吸附固定，即不添加秸稈時，土壤微生物代謝受到碳含量的限制，導(dǎo)致有機(jī)氮更多地以礦質(zhì)態(tài)形式釋放而增加田面水中無機(jī)氮素的含量[41]，這均表明秸稈誘導(dǎo)下的微生物在其中發(fā)揮重要作用。此外，對太湖地區(qū)60年降雨資料的統(tǒng)計(jì)分析表明，基肥期和蘗肥期是稻季徑流易發(fā)期[42]，結(jié)合本研究中水稻產(chǎn)量對施肥的響應(yīng)，秸稈全量還田下配施減氮處理（SN1）較推薦氮肥（SN2）與常規(guī)氮肥（SN3）相比可分別降低田面水9.6%和20.8%的TN、29.4%和45.8% NH4+-N濃度（<0.05）。因此本研究長期連續(xù)秸稈還田試驗(yàn)表明，秸稈全量還田配施減量氮肥可以保證產(chǎn)量的同時能有效減少水稻生育期尤其是生育前期（徑流易發(fā)期）氮素徑流損失風(fēng)險(xiǎn)。

NH4+-N/TN能夠反映出稻田田面水氮轉(zhuǎn)化與流失潛力的相對水平[7]，本研究中秸稈還田增大了NH4+-N/TN（SN2較N2高2.3%），但差異不顯著。此外，DTN是田面水氮素的主要成分，而無機(jī)氮肥的比例越高，DTN/TN就越高（表4），氮素流失風(fēng)險(xiǎn)越大。綜合分析，可能是秸稈還田的激發(fā)效應(yīng)促進(jìn)更多無機(jī)氮素的釋放，單施秸稈的DTN/TN達(dá)到最低（顯著低于其他施氮處理），除沒有無機(jī)氮肥的貢獻(xiàn)影響外，秸稈腐解過程會產(chǎn)生一部分有機(jī)氮素也會產(chǎn)生影響，也說明秸稈還田一定程度增加了DON流失風(fēng)險(xiǎn)[35]。

綜合上述研究結(jié)果，在秸稈全量還田條件下，長江下游地區(qū)水稻高產(chǎn)（8 700～9 500 kg?hm–2）與環(huán)境協(xié)調(diào)的適宜肥料N用量在180～225 kg?hm2，氮肥的基蘗肥與穗肥的比例為6︰4～7︰3。

4 結(jié) 論

秸稈還田可減少水稻由于苗期對養(yǎng)分吸收能力弱而引起的不同形態(tài)的氮素流失，同時長期的秸稈還田不僅可以提高作物產(chǎn)量，還能減少氮肥使用，達(dá)到部分替代無機(jī)氮肥的效果。本試驗(yàn)在稻麥兩季秸稈全量還田條件下，將當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮量300 kg?hm–2減少至180 kg?hm–2，在保證單季晚粳稻（南粳系列）增產(chǎn)的同時從源頭上減少氮素流失潛力，兼顧了產(chǎn)量與環(huán)境效益，是目前理想的秸稈還田配套施肥模式，對本區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。關(guān)于秸稈還田后作物不同生育期內(nèi)氮素轉(zhuǎn)化過程和秸稈本身的氮素釋放問題，以及氮肥運(yùn)籌對于增產(chǎn)和氮流失的影響問題有待于進(jìn)一步研究。

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Effects of Straw Returning Coupled with Application of Nitrogen Fertilizer on Rice Yield and Dynamics of Nitrogen in Surface Water of Paddy Field

ZHANG Shijie1, 2, ZHANG Gang1, 3, WANG Dejian1?, LIU Qin1, WANG Shuwei1, 4

(1. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 4. Changshu Agroecological Experimental Station, Chinese Academy of Sciences, Changshu, Jiangsu 215555, China)

In view of the fact that hydrosphere pollution caused by nitrogen losses with runoff from paddy fields in South China is increasingly serious, an attempt was made to explore N losing effect and potential risks of straw returning coupled with nitrogen fertilizer application and an optimum synthetic N fertilization rate in addition to full straw return.A field experiment was conducted to explore effects of straw incorporation coupled with N fertilizer application varying in rate on rice yield and dynamics of nitrogen in paddy surface water, and to seek for an optimum fertilizer-N application rate in addition to full straw incorporation contributive to crop yield and the environment.Results show: (1) Compared with Treatment N2 (application of synthetic N only), Treatment SN2 (Straw return plus N application at a recommended rate, N︰P︰K = 240︰15︰60) was significantly or 22.5% higher in rice yield (<0.05). Besides, compared with Treatment SN0 (Straw incorporation with no N applied), Treatment SN1 (Straw return plus N application at a reduced rate, N︰P︰K = 180︰15︰60), SN2 and SN3 (Straw return plus N application at a conventional rate, N︰P︰K = 300︰15:60) was significantly or 50.1%, 60.1% and 40.8%, respectively, higher in rice yield. This study showed that straw return plus N application significantly increased rice yield, but the effect reduced when too much N fertilizer was applied. Full straw return for 4 or more years in a row could replace part of the N fertilizer applied in yield raising effect; (2) TN (total nitrogen) and NH4+-N (ammonia nitrogen) in paddy surface water peaked in concentration in 1～2 days after urea application, then declined rapidly to a relatively low level. So the week after urea application was a period full of risks of nitrogen runoff loss. Moreover, compared with Treatment N2, Treatment SN2 reduced TN concentration in paddy surface water during the period after basal and tillering fertilizer application by 2.0% (>0.05) and 6.1% (<0.05), respectively. Treatment SNO reached 53.7% and was obviously higher than Treatment N2, SN1, SN2 and SN3, in DON/DTN (dissolved organic nitrogen/dissolved total nitrogen) and dominated with DON in N release. Treatment SN2 was 12 higher than Treatment N2 in DON concentration. All in all, straw return could effectively decrease the concentration of TN in surface water during the earlier rice-growing stage, while increasing the potential of DON loss; and (3) Compared with Treatment SN2 and SN3, Treatment SN1could save fertilizer-N consumption by 25% and 40% and reduce TN loss by 9.6% and 20.8%, respectively, so it’s an optimal mode that takes both yield and environmental benefits into consideration.In a word, for the region in the downstreams of the Yangtze River, especially the flood and runoff prone areas, returning straw fully coupled with 180～225 kg?hm–2–N fertilization in paddy fields is recommended as a long-term farming practice. All the findings in this paper may provide a certain scientific basis for future researches on hydrological N losses as affected by straw return.

Straw return; Nitrogen application rate; Surface water nitrogen; Rice yield

S511

A

10.11766/trxb201810310455

張世潔，張剛，王德建，劉勤，王書偉. 秸稈還田配施氮肥對稻田增產(chǎn)及田面水氮動態(tài)變化的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（2）：435–445.

ZHANG Shijie，ZHANG Gang，WANG Dejian，LIU Qin，WANG Shuwei. Effects of Straw Returning Coupled with Application of Nitrogen Fertilizer on Rice Yield and Dynamics of Nitrogen in Surface Water of Paddy Field[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：435–445.

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0800105）資助Supported by the National Key Research and Development Plan of China（No.2017YFD0800105）

，E-mail：djwang@issas.ac.cn

張世潔（1992—），女，河南鄭州人，博士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)面源污染防治研究。E-mail：sjzhang@issas.ac.cn

2018–10–31；

2018–12–18；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–03–26

（責(zé)任編輯：盧 萍）