2015, Vol. 32文章信息
- 张爱平, 高霁, 刘汝亮, 陈哲, 杨世琦, 杨正礼, 张晴雯
- ZHANG Ai-ping, GAO Ji, LIU Ru-liang, CHEN Zhe, YANG Shi-qi, YANG Zheng-li, ZHANG Qing-wen
- 应用于水稻生产的增效减负环保型施肥技术比对——以宁夏引黄灌区为例
- The Comparison of Different Fertilizer Technologies on Nitrogen Leaching Losses and Nitrogen Use Efficiency in Rice Production——Taking Ningxia Irrigation Region as an Example
- 农业资源与环境学报, 2015, 32(2): 175-184
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- http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2014.0334
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文章历史
- 收稿日期：2014-11-27
2. 宁夏农林科学院, 宁夏 银川 750000
2. Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750000, China
化肥是保障作物产量的重要手段之一，中国是世界上最大的化肥消费国，化肥用量占世界化肥总用量的32%，其中灌溉水稻化肥用量约占7%，并生产着全国95%左右的大米[1, 2]。宁夏引黄灌区位于我国西北干旱和半干旱区，灌溉面积9 697 km2，是我国最大和最古老的灌区之一。水稻是该地区主要种植作物，单季氮肥用量达300 kg·hm-2，远高于180 kg·hm-2的全国平均水平[3]，同时由于引黄灌溉便利，水稻整个生长季的灌溉量在1 400~1 600 m3·hm-2之间，过量施肥加上盲目灌溉导致该地区水稻种植中氮素流失严重，氮肥利用率低下[4, 5, 6]。据估算，宁夏灌区每年所施氮肥的20%~65%会进入黄河[7]，并且每年约有28 865 t氮素从稻田经各种途径损失[4]，而淋失是该地区稻田氮素损失的主要途径之一。围绕如何提高宁夏灌区稻田氮素利用率，相关学者也进行了探讨[8, 9, 10]，但这些研究大多集中在优化水肥管理上，围绕施肥技术的综合研究很少。因此，探索能够在保障水稻产量前提下减少氮素淋失、提高氮素利用率的环保型施肥技术是实现该区域农业可持续发展的现实需求之一。
侧条施肥技术（SD）和育苗箱全量施肥技术（NB）是日本从20世纪90年代开始应用于水稻生产的2种环保型施肥技术。SD是在水稻插秧时将肥料一次性集中施于秧苗一侧5~8 cm深处的施肥方法，这种施肥方法的优点是可将肥料呈条状集中而不分散，形成一个贮肥库逐渐释放供给水稻生育需求。NB是在水稻育秧时将控释氮肥一次性集中施于水稻种子附近，插秧时肥料附着在水稻根系上带进土壤，从而将肥料集中在水稻根系附近，逐渐释放养分供给水稻生育需求，减少肥料养分流失。相关研究表明二者在提高氮素利用率、降低氮素损失以及作物增产方面都有积极作用[11, 12]，但现有研究大多数集中在对稻田氮素径流损失的影响上[12, 13, 14]，对氮素淋失影响的相关研究很少，同时二者的实际应用效果与气候和土壤条件也有很大关系[15]。宁夏引黄灌区灌淤土是在人为引用含泥沙的水灌溉落淤与耕种施肥交替作用下形成的一种特殊的土壤类型[16]，该区域稻田氮素淋失严重，对当地水体环境造成很大影响[5, 6]，寻求减少氮素淋失的技术途径对实现该区域农业可持续发展，保障黄河水质安全都有重要意义。结合中-日政府间合作项目（JICA项目Ⅱ期），课题组从2010年引进这2种施肥技术，并通过大田试验分别验证其在宁夏灌区的有效性和应用可行性[17, 18]。本研究是在前期试验基础上，进一步就2种环保型施肥技术的节肥效果、氮素流失削减能力及氮素利用率提高情况进行比对，旨在为后续工作中技术筛选及推广提供依据。 1 材料与方法 1.1 试验地概况
试验于2011年在宁夏引黄灌区灵武市灵武农场三队进行（106°17′43″ E，38°07′14″ N），属温带大陆性半干旱气候，海拔为1 110 m，年均降水量192.9 mm，年蒸发量1 762.9 mm，年平均积温为3 866.3 ℃。土壤类型为灌淤土，耕层厚度约20 cm，土壤肥力属于中高产田，表层土壤盐分含量和土壤pH值均较高，土壤基本性质见表 1。水稻是该区域主要种植作物之一，化肥投入水平为300 kg·hm-2。主要的种植模式为稻麦轮作。
水稻生育期内降雨量和灌溉量见图 1。
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| 图 1 水稻生育期内灌溉量和降雨量 Figure 1 Precipitation and irrigation amount during |
水稻生育期内渗漏量见表 2。
试验共设4个处理，（1）无肥对照（CK）：不施氮肥；（2）常规施肥（FP）：尿素，用量为300 kg N·hm-2，施用方法为60%作为基肥撒施，其余部分分别在分蘖和孕穗期各根外追肥20%；（3）侧条施肥（SD）：水稻专用控释肥，释放周期100 d左右，溶出速率呈“S”型曲线，用量为120 kg N·hm-2，水稻插秧时用侧条施肥机将肥料一次性集中施于秧苗一侧5~8 cm深处；（4）育苗箱全量施肥（NB）：水稻专用控释肥，释放周期100 d左右，溶出速率呈“S”型曲线，用量为120 kg N·hm-2，育秧时一次性全量施入育秧盘，随秧苗移栽进入土壤）。磷钾肥均作为基肥在整地时一次性施入，施用量分别为90 kg P2O5·hm-2和90 kg K2O·hm-2。供试水稻品种均为96D10，于2011年5月20日育秧，6月17日插秧，10月12日收获。每处理3个重复，随机区组排列。小区之间在插秧前用双层塑料膜隔离，地下埋深130 cm，地面田埂包高30 cm，以减少小区间的测渗和串流。每个小区设有独立的排水口和灌水口，水稻生长季（从泡田至收获）共灌水18次，灌溉量为1 450 mm。其他农作管理措施与当地常规管理同步。水稻生长期间，不人为排水，保持田面原有水深，使其自然渗漏和蒸发。 1.3 样品采集与测定 1.3.1 水样采集
按照每次施肥后1、3、5、7、9 d采集淋溶水。其余时间段按照10 d的间隔采集。整个生育期共计采样20次。土壤淋溶液采用已经获得专利的淋溶水采样装置（图 2）采集，该装置用打孔的PVC管收集固定层次的土壤溶液，小区内打入的长度为150 cm，其中地上部分30 cm。以100 cm土层的淋溶水氮素浓度作为计算氮素渗漏损失量的依据。
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| 图 2 淋溶水取样装置 Figure 2 Leakage water sampling device |
在水稻成熟时，每小区采用5点取样法按照对角线采集1 m2的样方，之后按照籽粒和秸秆部位分开，于烘箱内70 ℃杀青20 min，105 ℃烘干至恒重，计算水稻籽粒产量和秸秆生物量，并进一步考种，测定株高、穗长、穗数、穗粒数及千粒重等指标。 1.3.3 渗漏量测定 渗漏量测定采用蒸渗仪（图 3）。蒸渗仪的安装参考中华人民共和国水利行业标准灌溉试验规范[19] （中华人民共和国水利行业标准SL13—2004，2005）。蒸渗仪面积1 m2，水稻插秧前埋入试验小区，埋深100 cm，地上部分30 cm，蒸渗仪里按照原状土层回填，土壤高度和大田保持相同，插秧时蒸渗仪里按照大田水稻种植密度种植水稻，所有农事操作同大田。通过监测探头获取渗漏桶内外壁不同的水位，然后经单片做减法得到水位差,计算渗漏量,相关检测数据会保存到存储器中。初次田间观测时记录渗漏桶内壁水位值为a1，渗漏桶外壁水位为A1，下一次观测时记录渗漏桶内壁水位值为a2，渗漏桶外币壁水位为A2，则（A1－A2）－（a1－a2）差值即为稻田单位时间内水分渗漏量。
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| 图 3 渗漏量测定装置 Figure 3 Leakage water quantity device |
土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法[20]；土壤和植株全氮测定采用凯氏法[20]；水样总氮用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，硝态氮和铵态氮用法国产FUTURA流动分析仪测定。 1.4 数据分析
氮素渗漏量[21]：
式中，Qn为氮素渗漏量，kg·hm-2；Cn为氮素平均浓度，kg·m-3；Qw为淋溶液体积，m3·hm-2。
氮素利用率[22]：
其中，Nuptake with N application为施氮处理地上部吸氮量，kg·hm-2；Nuptake without N application为不施氮处理地上部吸氮量，kg·hm-2；Napplied为氮肥施用量，kg·hm-2。
氮肥偏生产力[23]：
其中，Y为水稻产量，kg·hm-2；Napplied为氮肥施用量，kg·hm-2。
所得数据采用SAS软件进行统计分析，并用Sigmaplot 12.5作图，多重比较采用最小显著差异法（LSD），方差分析在α=0.05水平上进行。 2 结果与分析 2.1 不同施肥技术对水稻产量的影响
所有施氮处理和CK相比，都显著提高了水稻产量。FP、SD和NB处理水稻产量分别为7 098.33，7 120.00 kg·hm-2和6 984.33 kg·hm-2（表 3），其中SD处理较CK提高110.22%，FP和NB处理分别提高109.56%和106.20%，但各施肥处理之间差异不显著（P<0.05）。这表明采用SD和NB施肥技术，在氮肥用量降低60%的情况下，水稻产量不会下降。在对产量构成因素的影响上，所有施肥处理都显著提高了水稻的有效穗数，FP、SD和NB处理的有效穗数分别比CK处理增加129.12%，132.42%和120.88%，同时FP和SD有效穗数显著高于NB，但FP和SD之间没有显著差异（P<0.05）。不同处理间水稻千粒重差异显著，SD处理水稻千粒重为29.63 g，较FP（23.87 g）提高24.13%，较NB（27.76 g）提高6.74%，可见千粒重增加是SD在氮肥用量较FP降低60%的情况下水稻产量没有发生显著变化的重要原因之一。
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不同施肥技术下，稻田生育期内淋溶液中可溶性总氮（TN）浓度变化趋势相似，施肥或灌水后的1~3 d淋溶液中TN浓度出现峰值，随后逐步下降（图 4）。所有处理淋溶液中TN浓度最大值都出现在第1次取样时，CK，SD，NB和FP处理下，淋溶液中TN浓度最大值分别为5.61、7.49、11.66 mg·L-1和17.36 mg·L-1，SD和NB处理淋溶液中TN最大浓度分别比FP处理低9.87 mg·L-1和5.70 mg·L-1，CK处理淋溶液中TN浓度在整个生长季节都保持较低水平，浓度处于1.75~5.61 mg·L-1之间，显著低于其他处理。插秧50 d后，除FP处理外所有处理淋溶液中TN浓度都降到5.0 mg·L-1以下，FP处理也低于7.0 mg·L-1，这表明插秧后50 d前是稻田氮素淋失的关键时期。
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| 图 4 水稻生育期内淋溶水中TN 动态 Figure 4 Dynamics of TN concentration in leaching water at 100 cm depth under different treatments |
从表 4可以看出，水稻生育期内TN淋失量大小顺序为FP>NB>SD>CK。淋失量最大的为FP处理，淋失量达39.89 kg·hm-2，与FP处理相比，SD处理TN淋失量减少47.6%，同时SD处理较NB处理TN淋失量亦减少18.06%。施肥处理水稻各个生育时期TN淋失方差分析结果显示：FP处理返青期和分蘖期TN淋失量显著高于SD和NB处理，但SD和NB之间差异不显著；相较于FP处理，SD和NB处理TN主要淋失期后延至开花期，因此二者在开花期的TN淋失量明显高于FP处理。
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不同施肥技术下水稻生育期内淋溶液中NO3--N动态如图 5所示。各处理淋溶液中NO3--N浓度变化呈现与TN相似趋势，即随时间推移逐渐下降。同时所有施肥处理淋溶液中NO3--N浓度都高于CK处理，CK处理NO3--N浓度最大值为3.89 mg·L-1，FP处理为12.56 mg·L-1，已高于10.0 mg·L-1的安全标准。SD和NB处理NO3--N浓度最大值分别为5.42 mg·L-1和6.06 mg·L-1，较FP处理分别降低7.14 mg·L-1和6.50 mg·L-1。另外，SD处理相较NB处理淋溶液中NO3--N浓度最大值略低。淋溶液中NO3--N浓度和施肥、灌溉等农事操作密切相关，FP处理2次追肥（插秧后10 d和23 d）都导致淋溶液中NO3--N浓度出现小的峰值。伴随FP处理淋溶液中NO3--N浓度的2个峰值，SD和NB处理NO3--N浓度也有小幅回升，主要是受当地农事操作习惯即追肥后灌水的影响。
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| 图 5 水稻生育期内淋溶水中NO3--N动态 Figure 5 Dynamics of NO3--N concentration in leaching water at 100 cm depth under different treatments |
水稻生育期内不同施肥技术下NO3--N淋失量见表 5，其中FP处理水稻生育期内NO3--N总淋失量为26.22 kg·hm-2，较CK高18.5 kg·hm-2，SD和NB处理NO3--N淋失量分别为15.04 kg·hm-2和16.08 kg·hm-2，分别比FP处理减少42.64%和38.67%。CK和FP处理NO3--N淋失主要发生在分蘖期和孕穗期，分别占淋失总量的64.1%和76.7%，而SD和NB处理NO3--N淋失的主要时期较FP和CK有所延长，直到开花期，其间淋失量分别占总淋失量的73.2%和73.4%。NO3--N是氮素淋失的主要形式，4个处理下水稻整个生育期内NO3--N淋失量占TN淋失量的63.1%~71.9%。
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水稻生育期内淋溶液中NH4+-N浓度变化趋势与TN和NO3--N不同（图 6），出现峰值时间较二者晚，和NO3--N相比，淋溶液中NH4+-N浓度在水稻整个生育期都维持在较低水平（<3.50 mg·L-1），其中CK处理整个生育期淋溶液中NH4+-N浓度均低于0.5 mg·L-1，而SD和NB处理的最大值分别为1.74 mg·L-1和2.07 mg·L-1，分别较FP处理最大值低1.32 mg·L-1和0.99 mg·L-1。除CK处理外，其余施肥处理淋溶液中NH4+-N浓度整体呈现先升高后降低的趋势，这可能是由于上层NH4+-N需要一定时间才能被淋洗到较深土层，同时深层土体一般处于饱和厌氧条件,硝化作用较弱，导致NH4+-N持续累积，而后期NH4+-N浓度下降明显，可能是由于晒田所致。
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| 图 6 水稻生育期内淋溶水中NH4+-N 动态 Figure 6 Dynamics of NH4+-N concentration in leaching water at 100 cm depth under different treatments |
在水稻整个生长季，各处理间NH4+-N淋失量在0.87~5.49 kg·hm-2之间，其中FP处理淋失量最大，为5.49 kg·hm-2，SD处理为3.22 kg·hm-2，较FP处理减少41.34%，NB和SD处理没有显著差异（表 6）。在水稻各个生育时期，FP处理下分蘖期、灌浆期和成熟期的NH4+-N淋失量显著高于SD和NB处理，但SD和NB之间没有差异。开花期SD处理NH4+-N淋失量明显少于NB处理。CK和FP处理NH4+-N淋失主要发生在分蘖期，分别占各自NH4+-N总淋失量的33.3%和30.6%，SD和NB处理NH4+-N淋失主要发生在孕穗期，分别占NH4+-N总淋失量的32.6%和36.9%。
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SD显著提高水稻氮素利用率，FP处理下水稻氮素利用率为34.3%，而SD和NB处理为55.7%和50.0%，分别比FP高21.4%和15.7%，同时SD处理较NB处理氮素利用率提高5.7%。各施肥处理中水稻总吸氮量大小顺序为FP＞SD＞NB＞CK（表 7），其中SD和NB之间无显著差异，其余各处理差异显著；各处理间秸秆吸氮量和籽粒吸氮量表现出和总吸氮量相同的趋势，即FP吸氮量最高，CK吸氮量最低，SD和NB之间没有显著差异（P<0.05）。氮肥偏生产力指单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量，在本试验中，FP处理氮肥偏生产力为23.7 kg·kg-1，SD和NB处理为59.3 kg·kg-1和58.2 kg·kg-1，显著高于FP处理，但SD和NB处理之间不存在明显差异。
已有研究表明，减少氮素淋失是提高氮素利用率的重要途径之一[24, 25]，宁夏引黄灌区水稻种植过程中氮肥用量大，施用方法一般为撒施，同时习惯于施肥后大水漫灌，导致大量氮素随灌溉水下渗淋失[6]。本研究结果显示在FP处理下，氮素淋失量为39.89 kg·hm-2，高于我国太湖地区的10~34 kg·hm-2 [26]和南方稻田的6.8~27.0 kg·hm-2 [27]，刘汝亮等[10]在引黄灌区采用氮肥后移技术，优化施氮量为240 kg·hm-2时，稻田总氮淋失量减少33.1%，为29.78 kg·hm-2，与南方稻田研究结果相近。采用SD后，TN、NO3--N和NH4+-N的淋失量分别减少47.56%，42.64%和41.34%。主要原因是SD处理所用的水稻专用控释肥的释放规律和水稻生长的需肥规律基本一致，更好地实现了养分的供需平衡。从水稻的各个生育时期来看，分蘖和孕穗期是氮素淋失的关键时期，水稻生育前期土壤氮素残留较高，基肥施用量大以及泡田灌溉等操作频繁是早期氮素淋失量较高的主要原因[28, 29]。水稻生育后期灌水量减少，同时淋溶液中氮素主要来源于土壤前期施肥残留氮[30, 31]，因此淋失量显著降低，这表明水稻生育前期（返青期到开花期）是防止氮素淋失的关键时期，这与Zhang等[32]的研究结果一致。土壤质地和灌溉情况是影响农田氮素淋失的重要因子[33]。Prunty等[34]的研究表明，在干旱和半干旱土壤中氮素的淋溶损失很少，而在多雨的温带土壤中氮素的淋溶损失为20~30 kg·hm-2，在欧洲和美国中部的某些地区甚至高达 50 kg·hm-2，Ju等[35]在长江南部黄泥土稻田试验发现，在施氮量为300 kg·hm-2条件下，水稻生育季内没有观测到硝态氮淋失，但本研究结果显示宁夏引黄灌区NO3--N是稻田氮素淋失的主要形式。NO3--N是宁夏引黄灌区稻田氮素淋失的主要形式，这与许多研究结果一致[5, 6, 9, 32]，主要原因是灌淤土中60 cm以下砂粒含量较高，持水性能差，水稻整个生育期灌水18~23次左右，灌溉量一般在1 400~1 600 m3·hm-2之间，同时NO3-易随重力水沿土壤孔隙迁移。NH4+-N相较于NO3--N淋失量要小的多，主要是由于NH4+-N更容易被土壤吸附。
大量施肥是保障作物产量的重要手段，但也是造成氮素利用率低下的主要原因[36]。宁夏灌区作为北方特大型自流农灌区，化肥用量逐年上升，1980—2012年，宁夏灌区作物产量从1.20×106 t增加到3.59×106 t，增加了2.99倍，化肥用量从1.71×105 t增加到1.033×106 t，增加了6.04倍，其中氮肥的增加量为5.33×105 t [37]。灌溉水稻氮素易随灌溉水流失，导致氮素利用率较旱地作物低，一般灌溉水稻氮素利用率为20%~40%，而旱地作物可达40%~60% [38]。本研究中，FP处理水稻氮素利用率为34.3%，采用SD技术后氮素利用率提高21.4%，主要是由于试验所施用的水稻专用控释肥在水稻根部形成贮肥库，极大地提高了肥料养分释放和水稻养分需求的同步性。氮肥的高投入和低利用率同时导致氮肥偏生产力低下[39]，本研究中，当氮肥用量为300 kg·hm-2时，氮肥偏生产力显著低于氮肥水平为120 kg·hm-2时，这与Zebarth等[40]研究得出的当氮肥用量超过150 kg·hm-2时，增施氮肥反而会导致氮肥偏生产力降低的结论一致。
SD在氮肥用量较FP处理降低60%的情况下，水稻产量没有发生明显变化。和FP处理相比，SD和NB处理显著提高了水稻千粒重，可能是因为常规处理前期营养生长过剩，在水稻灌浆期出现不同程度的倒伏，影响了水稻籽粒灌浆，导致千粒重较低。而SD和NB处理在水稻生长后期养分的持续均衡供应促进了水稻千粒重的增加[41]。根据张爱平等[17]的研究，采用SD技术，施用山东施可丰化工有限公司生产的控释肥，在氮素投入降低约40%的条件下，与农民常规（FP）处理比较水稻籽粒产量没有出现降低，但当氮素用量降低约60%时，水稻产量下降。而本试验中，当氮肥用量减少60%时，水稻产量和常规施肥相比没有发生明显变化，导致这种结果的可能原因是本试验所施用的是由中-日政府间合作项目（JICA项-Ⅱ期）日方专家提供的水稻专用控释肥，其释放规律更能满足水稻生长所需，因此后续研究中研发适合该地区水稻养分需求规律的专用控释肥，探索适用于该地区的环保型施肥技术，转变传统生产模式，是宁夏引黄灌区农业非点源污染防治工作的重点。 4 结论
（1）侧条施肥技术（SD）可以显著降低宁夏灌区稻田氮素淋溶损失。侧条施肥技术（SD）和常规施肥技术（FP）相比，TN淋失量减少18.97 kg·hm-2，NO3--N淋失量减少11.18 kg·hm-2，NH4+-N淋失量减少2.27 kg·hm-2；和育苗箱全量施肥技术（NB）相比，TN淋失量亦减少4.61 kg·hm-2。
（2）侧条施肥技术（SD）显著提高了水稻氮素利用率和氮素偏生产力。侧条施肥技术（SD）和常规施肥技术（FP）相比氮素利用率提高21.4%，同时较育苗箱全量施肥技术（NB）氮素利用率提高5.7%。在对氮素偏生产力的影响上，侧条施肥技术（SD）较常规施肥技术（FP）高35.6 kg·kg-1。
（3）在氮肥用量较常规施肥技术（FP）降低60%的情况下，应用侧条施肥（SD）和育苗箱全量施肥技术（NB）水稻产量都不会下降，二者显著提高了水稻千粒重，分别比常规施肥处理增加24.13%和16.29%。综合考虑水稻产量和环境效益，侧条施肥技术（SD）更适合在宁夏灌区水稻种植中推广应用。
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