水稻是我国重要粮食作物之一，总产量约占全国 粮食总产量的1/2。施用氮肥是提高水稻产量的重要 措施。近20 年来，我国氮肥施用量逐年增加，但稻田 氮素利用率只有20%~40%^{[1, 2]}。目前，关于氮肥损失途 径及造成环境污染问题的研究报道较多^{[3, 4, 5, 6]}，但是，兼 顾氮肥施用的农业效益和环境效益，确定作物高产和 环境安全的最佳施氮量的研究则少见报道。本试验以 辽宁省盘锦市为例，在区域现行氮肥用量的基础上， 参考试验数据，提出盘锦地区水稻生产化学氮肥的合 理投入阈值，为有效减少农业面源污染，保障粮食安 全提供技术支撑。 1 材料与方法 1.1 试验田概况

盘锦市是辽宁省水稻主产区之一，水稻种植面积 约12 万hm^-2，占辽宁省水稻种植面积20%左右。在施 肥技术上存在着养分不平衡，氮肥施入量偏大，磷、钾 肥施入量不足的特点^[7]。试验于2010—2012 年在盘锦 市盘山县墙子镇航呈农场进行。试验区位于辽河三角 洲中心地带，属温带半湿润季风气候类型，年均降雨 量600~750 mm ，年均气温8~9 ℃，无霜期165~170 d。供试土壤为水稻土，耕层土壤理化性质为pH8.2、 有机质22.57 g·kg^-1、全氮1.42 g·kg^-1、有效磷21.61 mg·kg^-1、速效钾164.22 mg·kg^-1。 1.2 试验设计

通过测土推荐施肥法结合资料调研，确定试验区 最佳经济施氮量为210 kg·hm^-2，磷肥用量为90 kg· hm^-2，钾肥用量为90 kg·hm^-2。在最佳经济施氮量的基 础上试验设6 个氮肥处理，处理内容见表 1。每个处 理3次重复，随机区组排列。

表 1 试验处理

表选项

供试水稻品种为盐丰47，4 月10 日育苗，5 月 26 日插秧，插秧密度为30 cm×16.5 cm，10 月9 日收 获。磷钾肥用量相同，全部基施，氮肥施用比例为基 肥-分蘖肥-穗粒肥：40%-30%-30%。氮肥为尿素 （含N 46%），磷肥为磷酸二铵（含P₂O₅ 46%、N 18%）、过磷酸钙（含P₂O₅ 18%），钾肥为氯化钾（K₂O 60%）。 小区面积50 m^-2，周围设有保护行，各小区之间筑埂并 用塑料薄膜包埂，以减少小区间肥水渗透。各小区均 设有单独的排水口和进水口，单排单灌。 1.3 样品采集与测定

每次施肥后的1、2、3、5、7、9 d采集田面水，采样 均在上午8:00—10:00进行。采样时用100 mL 医用注 射器，不扰动水层，按照对角线取样法，每小区取5 个 点田面水混合样300 mL。采样结束后，迅速带回实验 室分析测定铵态氮、硝态氮、全氮。未能当日分析的水 样保存在4 ℃冰箱中，于次日分析。水样硝态氮测定 采用紫外分光光度计比色法，铵态氮测定采用靛酚蓝 比色法，全氮采用碱性过硫酸钾紫外分光光度计比色 法。

水稻成熟后，各处理采集植株5 穴，分别测定茎、 叶和籽粒干重及相应的含氮量。茎、叶和籽粒干重用 烘干法测定，植株全氮测定用开氏法。各小区单收单 打，统计小区产量。 1.4 指标计算公式

养分投入仅包括化肥施入量，不考虑降水、灌溉、 大气沉降等带入的养分。养分支出仅包括因作物收获 而带出的养分，不考虑因淋洗、挥发和反硝化造成的 养分损失^[8]。养分平衡采用表观平衡法计算，即：养分 平衡值=养分投入量-作物携出量；养分盈余率（%）= （平衡值/作物携出量）×100。试验数据采用Excel 2003 和SAS 9.1 进行处理。 2 结果与讨论 2.1 稻田田面水中（TN）、NH₄⁺-N 和NO₃^--N 浓度的动态变化特征

施肥后田面水中氮素变化情况见图 1。从图 1 可 见，施入基肥后田面水中TN 浓度迅速提高，在第2 d 达到峰值，之后随着时间的推移逐渐下降，到第7 d 趋于稳定，此时田面水中TN 浓度为峰值的15.36%~ 16.90%。施入分蘖肥和穗肥后的第1 d田面水TN 浓 度即达到峰值，之后随着时间的推移呈下降趋势，到 第7 d趋于稳定。施入基肥后田面水TN 浓度峰值较 2 次追肥滞后，这可能是由于施肥方法不同造成的。 基肥在插秧前均匀撒施田面后耙地，将肥料耙入耕层 土壤中，从而减缓了氮素向田面水释放的速度，其峰 值出现在施肥后第2 d。而分蘖肥和穗粒肥则直接均 匀撒施田面水中，氮素在田面水中直接分解，因此TN 浓度在施肥后第1 d即达到峰值。

图 1 3次施肥后稻田田面水TN、NH4+-N 和NO3--N 的动态变化

图选项

施入基肥后，田面水NH₄⁺-N 浓度在第2 d达到 峰值后迅速下降，第3 d即下降到峰值的25.69%~ 36.80% ，至第7 d趋于稳定，此时NH₄⁺-N 浓度为峰 值时的12.07%~15.86% 。施入分蘖肥和穗肥后，田面 水NH₄⁺-N 浓度在第2 d达到峰值后缓慢下降，至第 7 d 趋于稳定，此时NH₄⁺-N 浓度分别为峰值的 10.77%~16.15%和2.15%~23.07%。其原因可能是，尿 素施入稻田后经过脲酶水解成为大量NH₄⁺-N，导致 田面水中NH₄⁺-N 浓度迅速提高，而水稻苗期根系不 发达，对氮素营养物质的吸收能力弱，需求量少，因此 大量的NH₄⁺-N 转化为气态氮排放到大气当中，或通 过土壤渗漏损失掉，导致田面水中NH₄⁺-N 迅速降 低。水稻分蘖期和孕穗期为水稻需肥关键期，此时水 稻对氮素营养的吸收能力较强，需求量较大，因此减 缓了NH₄⁺-N 的损失，从而降低了NH₄⁺-N 浓度的下 降速率。相较而言，施入穗肥后NH₄⁺-N 浓度下降减 缓的现象更为明显。

施肥后田面水中NO₃^--N 浓度远远低于NH₄⁺-N， 3 个施肥时期峰值分别为8.87、1.91 mg·L^-1 和1.50 mg·L^-1，且分别出现在施入基肥后第5 d和追肥后第 3 d。这可能是因为，NO₃^--N 主要来源于尿素水解产 生的NH₄⁺-N 通过硝化作用形成，而NH₄⁺-N 通过植 株吸收，挥发和淋失等损失，可以转化为NO₃^--N 的数 量已经很少，同时由于淹水条件下硝化作用较弱及反 硝化作用的存在，导致稻田田面水中的NO₃^--N 浓度 较低，且峰值出现在施肥后3~5 d。

方差分析结果表明：施肥后1~7 d为氮素集中释 放时期。施用氮肥7 d内，不同处理间田面水中TN、 NH₄⁺-N 和NO₃^--N 的浓度随着施氮量的增加显著增 加；施用氮肥7 d后，各处理田面水中不同形态氮素 浓度差异不显著。这一结论与王小治等^[9]、金洁等^[10]研 究结果一致。

水稻田中氮肥损失途径主要有氨挥发、硝化-反 硝化、淋洗和径流。就石灰性土壤而言，氨挥发是导致 氮肥损失的重要原因^{[11, 12]}。氨挥发主要通过微气象学 原位测定技术进行定量研究^[13]，其结果不仅受田面水 的NH₄⁺-N 浓度影响，而且与施肥时间、风速、光照和 pH值等因素有关，因此，很难用氨挥发来定量评价氮 损失对环境造成的负面影响。本试验在施用氮肥后 1~9 d 内分时段对田面水TN、NH₄⁺-N 和NO₃^--N 的浓 度进行测定，旨在研究施氮后田面水不同形态氮素浓 度与氮素损失的相关性，进而根据其浓度来定量评价 氮肥损失。研究结果显示，施氮后1~3 d为氨挥发高 风险期（TN 和NH₄⁺-N 浓度峰值出现时期）。但如何根 据田面水中不同形态氮素浓度来评价氮肥损失则有 待于进一步研究。 2.2 施氮量与植株吸氮量、氮盈余率的关系

对施氮量和水稻吸氮量、氮盈余率进行相关性分 析，结果见图 2。水稻植株吸氮量和施氮量符合线性 加平台模型。当施氮量低于218.98 kg·hm^-2 时，植株 吸氮量随着施氮量的增加而增加；当施氮量高于 218.98 kg·hm^-2时，植株吸氮量增幅不显著，氮素流失 到环境中的风险增大。氮盈余率和施氮量呈正相关。 当施氮量为189.22 kg·hm^-2 时，盈余率为零，此时氮 素投入量和携出量基本持平；当施氮量高于189.22 kg·hm^-2时，氮素开始出现盈余，氮盈余率与施氮量呈 正相关。综合考虑植株吸氮量和氮盈余率2 个因子对 环境的影响，盘锦地区环境安全化学氮肥投入阈值为 189.22~218.98 kg·hm^-2。

图 2 施氮量与植株吸氮量、氮盈余率的关系

图选项

近年来，由于水稻品种向耐倒伏、耐肥和高产的 趋势发展，水稻在达到较高产量水平的一定施氮范围 内，并不因施氮量过量而立即导致倒伏和减产，而是 出现一个产量平台。因此，本试验采用线性加平台模 型对水稻产量和施氮量进行拟合，结果见图 3。从图 3 可以看出，当氮肥施用量为224.71 kg·hm^-2 时，水稻 产量最高为10 092 kg·hm^-2，此后，随着施氮量的增 加，水稻产量增加不明显。姜琴等^[14]和周江明等^[15]研究 结果表明，在传统施氮量的基础上减氮15%~25%，水 稻减产不显著。根据盘锦地区水稻生产实际情况，按 照最高产量施氮量的90%来计算试验区水稻产量氮 肥投入阈值下限，结果为202.24 kg·hm^-2。为保证粮食 安全，将施氮量后移至最高产量施氮量的125%处，作 为产量氮肥投入阈值上限，结果为288.89 kg·hm^-2。因 此，盘锦地区粮食安全化学氮肥投入阈值为202.24~ 288.89 kg·hm^-2。

图 3 氮肥施用量与水稻产量的关系

图选项

在确定氮肥推荐用量中，施肥模型的选择十分重 要。在对施肥模型的评价上，研究者一致认为应该从 模型统计检验的拟合程度和推荐施肥量的节省程度 来考虑^{[16, 17, 18]}。目前研究认为，线性加平台模型可以在保 证产量不会过分降低的情况下使推荐施肥量较低^[19]。 本研究通过线性加平台模型计算得到的推荐施肥量， 远低于通过二次多项式模型计算得到的推荐施肥量。 3 结论

（1）通过测定施氮后田面水中TN 和NH₄⁺-N 浓 度峰值出现时间，确定施氮后1~3 d为氨挥发高风险 期。对施氮后N0~N5 处理的田面水TN、NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 浓度进行a=0.05水平的方差分析，确定施氮 后1周左右为氮素集中释放时期。

（2）以氮素表观盈余率为0 时氮肥施用量为环境 安全阈值下限，以水稻植株最大吸氮量为环境安全阈 值上限，确定试验区环境安全化学氮肥投入阈值为 189.22~218.98 kg·hm^-2。

（3）以水稻最高产量施肥量的90%~125%施氮量 作为粮食安全化学氮肥投入阈值，结果为202.24~ 288.89 kg·hm^-2。

（4）综合考虑环境安全和粮食安全，以环境安全 化学氮肥投入阈值上限和粮食安全化学氮肥投入阈 值下限确定试验区化学氮肥投入阈值为202.24~ 218.98 kg·hm^-2。这个宏观施氮范围对防止目前农户 盲目施用过量氮肥具有一定的指导意义。