薛金元，許芳芳，王娟娟，楊建昌，王桂良，錢曉晴

(1.揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000； 2.揚(yáng)州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

為了推進(jìn)化肥零增長行動，促進(jìn)國家農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展，減肥增效工作在不同作物上廣泛開展[1]。水稻是我國重要的糧食作物，世界近50%以上的人口以稻米為主食[2-3]。隨著社會的進(jìn)步和人口數(shù)量的不斷增長，人均糧食需求量也日益增加。近年來，隨著水稻高產(chǎn)潛力品種推廣，農(nóng)戶氮肥施用量也越來越大，施氮量的增加成為水稻增產(chǎn)的主要方式[4]。但氮肥的過量投入不僅增加了肥料成本，而且土壤中未能被作物有效利用的氮肥會殘留在土壤剖面中，通過氨揮發(fā)、反硝化脫氮、徑流與滲漏等途徑損失，導(dǎo)致氮素流失嚴(yán)重，稻田的平均氮肥吸收利用率低，環(huán)境污染加劇[5]。因此，發(fā)展以作物高產(chǎn)為主要目的，協(xié)同資源與環(huán)境保護(hù)措施的三位一體種植模式是促進(jìn)國家農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。減緩農(nóng)田氮素?fù)p失造成的環(huán)境影響，首先必須從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的源頭控制氮素的無效投放。目前，氮污染源頭控制的主要方式之一是減氮[6]，但由于長期大水大肥的管理模式導(dǎo)致了作物對大水大肥的依賴性，簡單地推行減少化學(xué)氮肥的措施，往往會導(dǎo)致作物穗數(shù)不夠而減產(chǎn)。因此，減氮條件下適度增加密度是促進(jìn)水稻生長、確保水稻單產(chǎn)穩(wěn)定甚至進(jìn)一步提高的技術(shù)方向[7]。HUANG等[8]研究認(rèn)為，早稻行穴距30 cm×15 cm比30 cm×20 cm的產(chǎn)量高17%。朱聰聰?shù)萚9]的研究表明，適當(dāng)增加種植密度可有效提高水稻的產(chǎn)量，從而彌補(bǔ)減氮可能造成的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。土壤剖面養(yǎng)分的分布累積特征可以在一定程度上表示土壤養(yǎng)分的供給能力，能顯著影響氮肥肥效，可作為土壤供氮指標(biāo)，進(jìn)而反映土壤可持續(xù)利用能力[10-11]，另外，在灌溉和強(qiáng)降雨時土壤剖面的速效養(yǎng)分也可能會引起淋洗損失，進(jìn)入地下水，威脅生態(tài)環(huán)境安全[12]。但目前有關(guān)減氮增密研究側(cè)重于產(chǎn)量和植株養(yǎng)分吸收，對稻田剖面養(yǎng)分的分布與累積研究較少，因此，通過田間試驗(yàn)，開展減氮增密對水稻產(chǎn)量、氮素吸收及成熟期土壤剖面養(yǎng)分含量影響的研究，旨在從土壤養(yǎng)分方面為減氮而不減產(chǎn)環(huán)境友好的栽培技術(shù)研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行。該地屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，位于東經(jīng)119°24′、北緯32°23′。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為砂壤土，前茬作物為小麥，采集耕作層0～20 cm土樣，風(fēng)干磨細(xì)測定基本理化性質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量18.8 g/kg、堿解氮含量99.4 mg/kg、速效磷含量84.3 mg/kg、速效鉀含量124.1 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置4個處理，每處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。(1)氮空白(CK)：全程不施氮肥。(2)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮(N)：總施氮量(純氮，以下同)為300 kg/hm2。(3)減氮(JN)：減氮10%，總施氮量為270 kg/hm2。(4)減氮增密(ZM)：減氮10%(總施氮量為270 kg/hm2)，密度增加20%。供試水稻品種為武運(yùn)粳24。5月25日播種，6月13日移栽，每穴3苗。小區(qū)面積30 m2(5.76 m×5.2 m)，小區(qū)之間筑田埂并用塑料薄膜包裹，以防水分串灌、氮素側(cè)滲，并在田間設(shè)保護(hù)行。

栽插密度：CK處理、N處理、JN處理栽插株行距均為13.3 cm×30 cm，ZM處理栽插株行距為10.7 cm×30 cm。

肥料施用：所有處理均施用磷肥和鉀肥。磷肥用過磷酸鈣肥料(含P2O513.5%)，折合P2O5量90 kg/hm2，于移栽前作基肥一次性施入。鉀肥用氯化鉀肥料(含K2O 63%)，折合K2O 120 kg/hm2，分基肥和拔節(jié)肥2次施用，比例為6∶4。所有施氮處理的氮肥運(yùn)籌方式按基肥(移栽前)∶分蘗肥(移栽后7 d)∶促花肥(葉齡余數(shù)3.5)∶保花肥(葉齡余數(shù)1.2)=4∶2∶2∶2進(jìn)行。密度與施肥量情況具體見表1。

表1 試驗(yàn)處理情況

灌溉方式：以上處理除生育中期排水?dāng)R田外，其余時期保持水層至收獲前7 d斷水。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、植株氮含量測定 收獲水稻前從各處理小區(qū)隨機(jī)選取具有代表性的3穴植株，烘干粉碎后采用H2SO4-H2O2消煮，顯色法測定植株全氮含量[13]記作植株氮含量；同時在各小區(qū)按平均穗數(shù)取2個10穴，用于考種，考察穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率等。取樣后，各小區(qū)實(shí)收2個1 m2稻谷，曬干后測定籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量測定 在水稻分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期采集0～20 cm土樣，風(fēng)干磨細(xì)過篩測定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，二者相加即為土壤速效氮含量；在水稻收獲后采集 1 m 深土壤剖面樣品，每層20 cm，風(fēng)干磨細(xì)過篩測定每層土壤全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量，具體測定方法均參照文獻(xiàn)[13]。同時計(jì)算各處理0～100 cm土層中各養(yǎng)分含量平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.4.1 氮肥吸收利用率和氮素生產(chǎn)率計(jì)算方法

植株吸氮量=植株氮含量×單位面積干物質(zhì)量;

氮肥吸收利用率=(施氮區(qū)地上部吸氮量-不施氮區(qū)地上部吸氮量)/施氮量×100%；

氮素生產(chǎn)率=水稻籽粒產(chǎn)量/成熟期水稻植株氮含量×100[14]。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用LSD法進(jìn)行多重比較，差異顯著水平為0.05。利用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮增密對水稻籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

根據(jù)考種結(jié)果，N、JN、ZM處理產(chǎn)量分別為9.6、9.5、10.2 t/hm2，均顯著高于CK產(chǎn)量(5.8 t/hm2)，較CK處理分別提高了65.5%、63.8%、75.9%。JN處理與N處理產(chǎn)量差異不顯著，均顯著低于ZM處理；ZM處理產(chǎn)量較N、JN處理分別提高了6.3%、7.4%。穗數(shù)與產(chǎn)量變化趨勢相似，JN處理與N處理穗數(shù)分別為254.5×104、259.2×104穗/hm2，差異不顯著，但均顯著高于CK處理穗數(shù)(166.3×104穗/hm2)，顯著低于ZM穗數(shù)(273.9×104穗/hm2)。N、JN、ZM處理間每穗粒數(shù)差異不顯著，其平均值為165.7粒/穗，比CK處理增加了19.6%；N、JN、ZM處理間千粒質(zhì)量差異不顯著，其平均值為26.6 g，比CK處理減小了4.3%；N、JN、ZM處理間結(jié)實(shí)率差異不顯著，其平均值為84.5%，比CK處理減小了6.9%。ZM處理的產(chǎn)量構(gòu)成相關(guān)因素與其他處理存在一定的差異，但只有穗數(shù)與其他處理(CK處理除外)差異達(dá)顯著水平。可見，與常規(guī)施氮或者減氮處理相比，減氮增密處理顯著提高了穗數(shù)，從而顯著提高了產(chǎn)量。

2.2 減氮增密對植株吸氮量及氮肥吸收利用率的影響

由表2可知，各處理植株吸氮量從高到低依次為ZM>N>JN>CK，與產(chǎn)量趨勢相同。N、JN、ZM處理植株吸氮量均顯著高于CK處理，較CK處理分別提高了146.7%、139.6%、156.2%；ZM處理較JN、N處理植株吸氮量分別顯著提高了6.9%、3.8%。從氮肥吸收利用率看，從高到低依次為ZM>JN>N，JN、ZM處理較N處理氮肥吸收利用率分別提高了5.7%、18.3%，且差異顯著；ZM處理氮肥吸收利用率較JN、N處理分別提高11.9%、18.3%。從氮素生產(chǎn)率來看，從高到低依次為CK>ZM>JN>N，ZM處理較N處理氮素生產(chǎn)率顯著提高了2.2%?？梢?，與常規(guī)施氮或者減氮相比，減氮增密能顯著提高植株吸氮量和氮肥吸收利用率。

表2 減氮增密對水稻植株吸氮量及氮肥吸收利用率的影響

2.3 減氮增密對土壤速效氮含量的影響

不同生育時期0～20 cm土壤速效氮含量的動態(tài)變化如表3所示，隨著水稻生育時期的推進(jìn)，各處理速效氮含量總體呈下降趨勢。對比各處理速效氮含量發(fā)現(xiàn)，在所有生育時期中，CK處理速效氮含量一直最低；在水稻分蘗期，JN、ZM處理較N處理速效氮含量分別降低了33.5%、28.8%，且差異顯著，但在水稻拔節(jié)期之后，N、JN、ZM處理間速效氮含量較接近，差異均未達(dá)到顯著水平。綜上，減氮以及減氮增密處理較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理在生育前期(分蘗期)可顯著降低耕作層(0～20 cm)土壤速效氮含量。

表3 減氮增密對水稻不同生育時期耕作層(0～20 cm)土壤速效氮含量的影響

2.4 減氮增密對土壤養(yǎng)分含量及剖面分布的影響

2.4.1 有機(jī)質(zhì)含量 土壤有機(jī)質(zhì)含量的剖面分布如圖1所示。各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量總體隨土層深度的增加而下降。在0～20 cm土層中各處理有機(jī)質(zhì)含量存在顯著差異，N、JN、ZM處理有機(jī)質(zhì)較CK處理分別提高了18.7%、11.4%、31.6%；JN較N處理有機(jī)質(zhì)含量降低了6.1%，而ZM較N處理顯著提高了11.0%。與0～20 cm土層相比，20 cm以下土層土壤有機(jī)質(zhì)含量大幅度減少，各處理有機(jī)質(zhì)含量差異不大，但ZM處理有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為最高。從0～100 cm有機(jī)質(zhì)含量平均值來看，CK、N、JN、ZM處理有機(jī)質(zhì)含量平均值分別為8.3、8.8、8.4、9.6 g/kg，JN處理較N處理有機(jī)質(zhì)含量降低了4.5%，但ZM較JN、N處理提高了14.3%、9.1%。由此說明，減氮增密較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮或減氮處理能增加土壤剖面有機(jī)質(zhì)含量。

圖1 減氮增密對水稻土壤有機(jī)質(zhì)含量及剖面分布的影響

2.4.2 全氮含量 土壤全氮含量的剖面分布見圖2，相同處理不同土層土壤全氮含量隨土層深度增加而減少。在0～20 cm土層中各處理土壤全氮含量均高于CK處理，N、JN、ZM處理全氮含量較CK處理分別顯著提高了30.3%、20.6%、28.8%；JN處理較N處理全氮含量降低了7.5%，ZM處理較N處理全氮含量僅降低了1.2%。與0～20 cm土層相比，20 cm以下土層土壤全氮含量大幅度減少。從0～100 cm全氮含量平均值來看，CK、N、JN、ZM處理全氮含量平均值分別為0.4、0.7、0.5、0.6 g/kg，JN、ZM較N處理全氮含量分別降低了28.6%、14.3%；ZM較JN處理全氮含量提高了20.0%。綜上表明，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮相比減氮以及減氮增密均會降低土壤全氮含量。

圖2 減氮增密對水稻土壤全氮含量及剖面分布的影響

2.4.3 堿解氮含量 從圖3可以看出，土壤堿解氮含量隨土層深度增加而減少，且隨土層深度的增加，各處理堿解氮含量的差異變小。在0～20 cm土層中，各處理堿解氮含量均高于CK處理，N、JN、ZM處理較CK處理堿解氮含量分別提高了15.5%、5.4%、8.8%；JN、ZM較N處理堿解氮含量分別降低了8.8%、5.8%。與0～20 cm土層相比，20 cm以下土層堿解氮含量大幅度減少，在80～100 cm土層中，各處理堿解氮含量介于19.2～24.2 mg/kg。從0～100 cm堿解氮含量平均值來看，CK、N、JN、ZM處理堿解氮含量平均值分別為36.2、45.4、39.8、39.4 mg/kg，JN、ZM處理較N處理堿解氮含量分別降低了12.3%、13.2%。上述結(jié)果表明，減氮以及減氮增密較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮均會降低土壤堿解氮含量。

圖3 減氮增密對水稻土壤堿解氮含量及剖面分布的影響

2.4.4 速效磷含量 由圖4可知，土壤速效磷主要集中在0～20 cm土層中，隨著土壤剖面加深，土壤速效磷含量呈下降趨勢，但隨著土層深度的增加，各處理速效磷含量差異減小。在0～20 cm土層中，各處理速效磷含量均低于CK處理，N、JN、ZM處理較CK處理速效磷含量分別降低了5.8%、4.6%、9.4%，且差異顯著，其中，ZM處理較N處理速效磷含量顯著降低了3.8%。在20～40 cm土層土壤中，速效磷含量表現(xiàn)為JN>CK>ZM>N。CK、N、JN、ZM處理速效磷含量在0～100 cm中的平均值分別為70.1、69.3、71.0、68.0 mg/kg，ZM較N、JN處理速效磷含量分別降低了1.9%、4.2%?？梢?，減氮增密處理較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理可降低0～20 cm土層速效磷含量，增加20～40 cm土層速效磷含量。

圖4 減氮增密對水稻土壤速效磷含量及剖面分布的影響

2.4.5 速效鉀含量 由圖5可見，土壤速效鉀主要集中在0～20 cm土層中，隨著土壤剖面加深，土壤速效鉀含量呈下降趨勢，但在20～100 cm各土層中速效鉀下降幅度減小。在0～20 cm土層中，各處理土壤速效鉀含量均低于CK處理，N、JN、ZM處理較CK處理速效鉀含量分別降低了15.2%、7.9%、6.0%，且差異顯著，JN較N處理速效鉀含量提高了8.6%，而ZM較N處理速效鉀含量顯著提高了10.9%。在20～100 cm各土層中JN、ZM較N處理速效鉀含量上下波動。從0～100 cm土層速效鉀含量平均值來看，CK、N、JN、ZM處理速效鉀含量平均值分別為69.9、67.7、70.9、69.5 mg/kg，各處理之間差異不顯著。綜上說明，減氮以及減氮增密較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理均會顯著提高0～20 cm土層速效鉀含量。

圖5 減氮增密對水稻土壤速效鉀含量及剖面分布的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 減氮增密對水稻產(chǎn)量及氮肥吸收利用率的影響

凌啟鴻等[15]、周旋等[16]的研究表明，提高水稻莖蘗成穗率，水稻抽穗前同時可提高干物質(zhì)積累量，從而為后期籽粒灌漿提供更多的能量來源，提高成熟期籽粒千粒質(zhì)量。另外，還有研究證明，穗數(shù)、穗粒數(shù)的增加可增加水稻庫容量，進(jìn)而可以提高水稻籽粒產(chǎn)量[17]。在本研究中，減氮增密處理的穗數(shù)遠(yuǎn)大于其他各處理，所以就產(chǎn)量而言，減氮增密處理較氮空白處理提高約75.9%，較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理提高約6.3%；同等條件下，減少氮肥施用量會降低產(chǎn)量，但適當(dāng)增加密度可以借助于密度的增加，抵消由于氮肥施用水平下降引起的前期作物分蘗受抑而生長量不足對水稻籽粒產(chǎn)量形成的負(fù)面影響。大量試驗(yàn)研究表明，采用高氮低密等栽培模式可能導(dǎo)致氮素利用率較低，而施氮量與種植密度相結(jié)合會顯著改善氮素利用率，其中氮素利用率與施氮量的增加成反比，與密度成正比[18-32]。周江明等[32]的研究表明，水稻低氮栽培模式下氮素利用率比高氮提高2.1%～5.6%，增密情況下，可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)2.3%～14.2%，這與本研究結(jié)果相似。因此，減氮增密可促進(jìn)作物有效生長，實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)，同時增加植株吸氮量、促進(jìn)作物對氮肥的高效利用。

3.2 減氮增密對土壤養(yǎng)分含量的影響

有研究表明，施入稻田的氮素有3個動向：(1)直接被植株吸收利用，占氮肥施用量23%～49%；(2)殘留于土壤中，占氮肥施用量15%～30%；(3)通過各種途徑流失或揮發(fā)[12，18-20,25-26]。上述3個動向之間此消彼長，因此，通過測定稻田土壤剖面養(yǎng)分的分布與累積可以評估肥料和土壤氮素被作物有效利用的程度。增加植株對氮素的直接吸收利用也是保障水稻高產(chǎn)的重要途徑。本研究表明，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮雖然可以獲得較高的水稻籽粒產(chǎn)量，但與減氮增密相比，存在一定的氮肥浪費(fèi)現(xiàn)象，從而可能對生態(tài)環(huán)境帶來一定程度的負(fù)面影響。在步入生產(chǎn)資料投入不再是主要限制因子的時代，通過采用科學(xué)先進(jìn)、因地制宜的栽培技術(shù)，作物產(chǎn)量水平高低與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大小已不再是呈正相關(guān)關(guān)系，而是呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即作物產(chǎn)量越高，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)越小[28]。本研究結(jié)果表明，減氮增密較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮產(chǎn)量提高的同時還可減小耕作層速效氮含量，減氮增密在不減產(chǎn)的條件下，降低耕層土壤速效氮含量，增加了土壤氮肥吸收利用率，減少速效氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

施氮量增加是導(dǎo)致土壤中全氮、堿解氮含量升高的主要原因，并且土壤碳氮比降低會引起土壤中微生物加快分解有機(jī)質(zhì)[29-31]。有研究指出，增密可以有效增加土壤中殘留氮素，提高土壤供給氮素能力[32-33]。本研究表明，相對于當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理，減氮處理成熟期土壤全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量均有所降低，速效磷、速效鉀含量上下波動，但減氮增密后土壤有機(jī)質(zhì)略有升高。在一定范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)的含量與土壤肥力水平呈正相關(guān)，它對土壤肥力、環(huán)境保護(hù)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等均有重要作用[34-35]，說明減氮增密后更能培肥地力促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展。土壤全氮、堿解氮有所下降，這可能因?yàn)闇p氮增密處理較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)處理水稻的生物量和產(chǎn)量均增高，導(dǎo)致作物從耕層土壤中帶走的氮素較多，從而使土壤中全氮、堿解氮的含量降低，另外，減氮增密處理比當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理施氮量減少10%可能也有影響；而對于長期減氮條件下，土壤全氮、堿解氮含量的下降是否會影響之后土壤的可持續(xù)利用還有待進(jìn)一步研究。另外，本研究還表明，速效磷、速效鉀均主要集中在0～20 cm土層，減氮增密處理速效磷含量在20～40 cm土層中較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理增加，養(yǎng)分的適度下移，在這一土層中可豐富底土養(yǎng)分含量，對于培育土壤肥力有利；減氮以及減氮增密處理較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理顯著增加了0～20 cm土層速效鉀含量，但20 cm 以下各土層的速效鉀含量上下波動，說明減氮增密處理鉀素增加量主要集中在0～20 cm耕層土中，有利于作物生長發(fā)育的需要，也意味著土壤耕層供鉀能力的提高。從0～100 cm各養(yǎng)分含量平均值來看，減氮增密處理較減氮處理土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量略有升高，其他所有有效養(yǎng)分含量均有所下降，可見，減氮增密能夠彌補(bǔ)單純的減氮對土壤供氮能力的負(fù)面影響，減少對環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，減氮增密栽培模式較氮空白、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮、減氮處理水稻籽粒產(chǎn)量分別提高了75.9%、6.3%、7.4%，而植株吸氮量分別提高了156.2%、3.8%、6.9%，氮肥吸收利用率較當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施氮處理、減氮處理分別提高18.3%、11.9%。所以，減氮增密不僅有效提高了水稻的籽粒產(chǎn)量，而且還促進(jìn)了水稻對氮肥的吸收利用，提高了氮肥利用率，減少了速效氮在耕層土壤中的殘留。另外，水稻減氮增密還可以在一定程度上提高土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量，提高0～20 cm土層速效鉀含量，提高20～40 cm土層速效磷含量。這說明減氮增密栽培模式在某種程度上還可培肥，對水稻生產(chǎn)更有利，同時也不會增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)與環(huán)境友好的雙重目標(biāo)。