2020, Vol. 37
辽河三角洲地区位于辽宁省盘锦市冲击平原地带，光温条件较好，水稻产量潜力较高。随着人们对辽河三角洲垦区的开发、对水稻品种的选育，该地区水稻种植已经规模化，且产量较高、品质尤佳、稳产性较好。近年来，该地区已经成为东北地区水稻主产区、高产区的典型代表。该地区水稻种植面积约18万hm2，产量最高可达12 750 kg·hm-2，为农民增收做出了巨大贡献。然而，该地区常规氮肥施入量较大，约为270~300 kg·hm-2，显著高于东北其他稻区的氮肥投入量[1]；当季氮肥利用率较低，约为30%~35%[2]，显著低于世界粮食作物氮肥利用率平均水平[3]。高比例的氮肥投入无疑增加了该地区的地表水、地下水污染风险，因此合理且有实践指导意义的氮肥推荐阈值亟待提出[4]。
氮素管理指标的确定，对于提高氮素管理水平具有至关重要的作用。目前水田比较常用的氮肥阈值的估算方法主要有两类[5]：①基于田间试验的施氮量-作物产量（经济效益）的效应函数（线性或指数函数），通过产量拐点确定合理施氮量。此类方法的优点是可以通过明显的拐点或突变点确定合理施氮量[6]，测试指标少，结果可信度高；缺点是要求时间较长、受限于区域气候条件，且并未直接考虑氮肥施用的环境效应[7]。②根据土壤-作物体系氮素的输入与输出平衡关系，确定合理氮肥施用量。由于氮素损失主要发生在土壤与空气或者水体的界面上，因此，将作物-土壤看成一个稳定的综合生态系统，当系统中氮素的输入输出保持平衡时对环境的影响最小。本研究采用上述两种研究方法，从水稻籽粒目标产量出发，基于多年的田间试验结果，充分考虑氮素投入的合理性，为辽河三角洲单季稻区水稻种植提供合理氮肥推荐用量，旨在为辽宁稻区乃至东北稻区氮肥的合理投入提供切实可依的参考依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况本研究依托于辽宁省农业科学院水稻长期定位试验（2011—2018年）。试验在辽河三角洲中心地带盘锦市盘山县坝墙子镇航呈农场（122°14' 17″ E，41° 09'31″N）进行，该地属温带半湿润季风气候类型，年均降雨量650 mm，年均气温8~9 ℃，无霜期165~170 d。供试土壤为盐碱水稻土，土壤pH 7.90，有机质含量22.6 g·kg-1，全氮1.42 g·kg-1，碱解氮80.8 mg·kg-1，有效磷21.6 mg·kg-1，速效钾164.0 mg·kg-1，容重1.39 g·cm-3。
1.2 试验设计设置6个氮肥处理，纯氮用量分别为0、160、210、260、315、420 kg·hm-2，小区面积50 m2，3次重复，随机区组排列。氮肥为尿素（N 46%），氮肥的基肥-分蘖肥-穗粒肥施用比例为40%-30%-30%。各处理磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量均为90 kg·hm-2，磷肥为磷酸二铵（P2O5 46%、N 18%）和过磷酸钙（P2O5 18%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），全部基施。各小区之间用PVC板分隔并筑埂，PVC板埋深30 cm，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。供试水稻品种为盐丰47，插秧密度为30 cm ×16.5 cm。田间管理措施按当地习惯统一进行管理。
1.3 测定项目由于个别奇数年水稻产量数据稳定性较差，本研究选取偶数年，即2012、2014、2016、2018年的研究结果进行分析。水稻成熟后，每个处理随机选3 m2测定水稻产量，取9穴水稻测定每穴水稻产量构成因子指标，其中包括有效分蘖、千粒重、穗粒数和秕谷率。采用凯氏定氮法测定水稻植株、籽粒氮素含量。
1.4 合理氮肥推荐量的估算方法 1.4.1 效应模型基于产量与氮素投入量的效应模型，即线性加平台模型[2]与一元二次方程模型，计算最佳经济效益施氮量（EONR）。
1.4.2 氮素平衡关系基于土壤-水稻体系氮素的输入与输出平衡关系，得出氮肥推荐用量。其中氮素输入因子包括：①化学氮肥，②大气沉降，③灌溉水；输出因子包括：④植株氮积累量（籽粒氮素积累量+秸秆氮素积累量），⑤氨挥发，⑥反硝化，⑦氮淋溶。
根据体系氮素输入输出平衡的原理，计算氮平衡参数[8]：
土壤氮素盈余（kg·hm-2）=①-④
土壤氮素平衡（kg·hm-2）=（①+②+③）-（④+⑤+ ⑥+⑦）
籽粒氮素积累量（kg · hm-2）=[籽粒产量（kg · hm-2）×百千克籽粒吸氮量（N100）]/100
秸秆氮素积累量（kg · hm-2）=[秸秆产量（kg · hm-2）×百千克秸秆吸氮量（N100）]/100
氮肥利用率=（施氮区作物氮积累量-无氮区作物氮积累量）/施氮量×100%
2 结果与分析 2.1 基于产量与施氮量效应函数预测理论施氮量采用生物统计方法，根据表 1的数据绘制出肥料效应方程（图 1），计算最佳经济施氮量（EONR）。图 1A的数据拟合为线性加平台效应函数，从中可以看出线性加平台模型为两个分段函数，即线性段与平台段，低氮段符合简单线性正相关（y=15.33x+6865，0 < x < 217，R2=0.98），中氮段符合产量恒定关系（y=10 194，217 < x < 315）。由于此试验设置的高氮水平有限，因此产量显著降低的氮素临界点还无法确定，但是可以推知在高氮段符合线性或非线性负相关关系。根据图 1A模型预测得出EONR为217 kg·hm-2，超过该施肥量，水稻籽粒产量不再显著增加，氮肥利用率显著下降，肥料对产量的贡献呈报酬递减趋势。
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表 1 不同施氮量对水稻产量及植株含氮量的影响 Table 1 Effect of nitrogen application rate on rice grain yield and plant nitrogen contents |
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图 1 水稻籽粒产量与氮肥施用量的关系 Figure 1 Response curve derived from nitrogen application rates and rice grain yields |
根据图 1B，水稻籽粒产量与施氮量之间的关系符合传统的一元二次肥效方程（y=- 0.042 2x2 + 23.685x+6829，R2=0.96）。通过调查发现近几年来水稻籽粒价格与尿素价格年际间差异不大。盘锦当地的水稻籽粒价格取四年均值，为每千克2.90元；尿素价格取四年均值为每吨2000元，折合后每千克纯氮4.35元。根据得到的一元二次方程与水稻及氮肥价格，计算得出最高产量施氮量为281 kg·hm-2，EONR为259 kg·hm-2。比较而言，线性加平台模型得出的EONR显著低于一元二次方程模型的预测结果，从数据的相关性来看，线性加平台模型更准确地描述了水稻产量与施氮量之间的函数关系。此外，从不同处理的氮肥利用率结果（表 1）得知，施氮量为160~260 kg· hm-2时，氮肥利用率较高，在36.0%~43.0%之间。施氮量为210 kg·hm-2时，氮肥利用率最高，为43.0%，超过此施氮量，氮肥利率用逐渐降低，当施用量为420 kg·hm-2时，氮肥利用率只有21.7%。
因此，综合产量-肥料效应关系与氮肥利用率两个指标，本研究选用EONR 217 kg·hm-2为辽河三角洲地区理论氮肥用量。虽然，产量效应法在当前应用比较普遍，然而该方法所得到的推荐用量通常依靠几年的田间试验为基础，在时间与空间上的普遍适用性受到限制，且没有考虑到土壤氮库的亏缺与盈余，并未从理论上回答作物产量与土壤氮平衡的相关问题。
2.2 基于土壤氮素平衡理论预测理论施氮量根据氮平衡理论，当体系氮输入总量与输出总量达平衡时，即所有氮源输入因子与输出因子差值为零时，土壤中氮素处于既不盈余也不亏缺的状态。表 2为辽河三角洲地区田块尺度的水稻-盐渍土氮素平衡的输入输出关系。其中灌溉形式的氮输入通过查阅当地水利部门近几年的灌溉水平均用量以及测量灌溉水中的氮素含量而得，沉降形式的氮素输入通过查阅当地气象部门数据所得。由于本试验中并未测试氮损失指标，因此氨挥发、反硝化、氮淋溶形式的氮损失比例通过参考以往相关研究结果估算而来。根据陈振华等[9]对辽河平原稻田氨挥发损失的研究结果得知，该地区氨挥发损失率占总施氮量的4.66%~ 11.66%，因此，本研究使用上限11.66%作为氨挥发量计算的依据。基于我国南方稻区氮素反硝化形式损失的研究结果发现，其损失比例与环境条件紧密相关，基本上为总施氮量的18%~26%[10-12]。由于辽河三角洲稻区生育期积温显著低于我国南方稻区，反硝化形式的氮素损失相对较低，因此本研究中选择反硝化损失率为10%来计算系统中反硝化损失量。此外，课题组前期研究发现辽河三角洲稻田的氮淋溶损失率较低，其损失率与我国南方稻区的研究结果一致[11-12]，占总氮投入量的比例低于1%，因此本研究中设定氮淋溶损失率为1%来计算系统中氮素淋溶损失量。根据以上数值，计算得出辽河三角洲稻区氨挥发、反硝化和氨淋溶形式的氮素损失量为1.6~49.0 kg·hm-2·a-1，三者合计损失量为36.3~95.2 kg·hm-2·a-1（表 2）。当水稻-土壤系统氮素达平衡时，辽河三角洲地区理论施氮量应为210~260 kg·hm-2之间，进一步计算得出氮素理论施用量为221~235 kg·hm-2。
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表 2 辽河三角洲单季稻体系的氮素平衡（kg·hm-2·a-1） Table 2 Nitrogen balance in rice planting system in Liaohe Delta of Northeast Plain(kg·hm-2·a-1) |
除土壤氮平衡指标外，很多专家推荐使用土壤氮盈余指标来考察区域的合理施氮阈值，即不考虑其他形式的氮素投入以及氮素的损失，只计算化学氮素投入量与植株氮积累量的差异。由于氮素盈余的参考指标取决于气候条件、农业生态类型及土壤环境容量等因素，因此目前为止还未制定统一的参考标准。如荷兰在制定氮参考指标时综合考虑了政策、农业经济和环境状况，对砂壤和黏壤耕地年氮素盈余参考指标分别设为60 kg·hm-2和100 kg·hm-2[13]。洛桑试验站的小麦试验得出土壤氮盈余为18~41 kg·hm-2时，氮素输入与输出达到平衡[14]。我国学者巨晓棠[5]指出，我国主要水稻高产农作区的合理氮肥投入阈值应为192~211 kg·hm-2，当施入氮素192 kg·hm-2时氮盈余为38 kg·hm-2，表示氮素既不在土壤中过度积累，又不消耗土壤氮库。参考以上研究结果，鉴于本试验区的气候条件，认为氮盈余指标为30 kg·hm-2时土壤氮素系统达到平衡。通过表 2发现，施氮量为210、260 kg·hm-2时氮盈余量分别为12.3 kg·hm-2和59.4 kg· hm-2，位于30 kg·hm-2的上下区间，由此计算得出辽河三角洲地区合理氮素推荐阈值为228~232 kg·hm-2。比较发现，根据土壤氮平衡参数得到的推荐阈值（221~235 kg·hm-2）与氮盈余指标得到的结果（228~ 232 kg·hm-2）基本一致。此外，当施氮量为210~260 kg·hm-2时，氮肥利用率也较高（36.0%~43.0%）。综合比较土壤氮盈余、氮平衡以及氮肥利用率三个指标，最终得出辽河三角洲地区理论氮肥投入阈值应为221~235 kg·hm-2。
3 讨论 3.1 不同推荐施氮量的方法比较关于合理氮素推荐用量的方法，农业专家们提出了不同建议。例如，Ju等[15]提出理论施氮量（Theoretical nitrogen rate）可以根据目标产量与氮肥的损失率（20%~35%）计算而得，即投入化肥氮素Nfert =（植株氮累积量Nuptake-秸秆氮累积量Nstraw）（/1-氮肥损失率）=籽粒氮累积量Ngrain（/1-氮肥损失率）=目标产量×N100/ 100（/1-氮肥损失率）。根据该公式，辽河三角洲地区目标产量选取线性加平台模型中的稳定产量10 194 kg·hm-2，N100选取多年均值1.35，由于该地区农民常规施氮较高，氮肥的损失率选用35%，由此计算得出Nfert =（10 194 kg·hm-2×1.35）/100/0.65=212 kg·hm-2。此外，巨晓棠[5]也深刻分析了作物-土壤系统氮素平衡所涉及的氮素指标及其相互关系，提出在我国目前的施肥技术条件下，推荐施氮量可以约等于作物地上部氮素携出量，并通过田间试验和同位素示踪试验证实了这一方法的合理性和适用性。根据该理论，Nfert=Nuptake =目标产量×N100/100，由此公式计算的理论施氮量不考虑氮素损失率，只考虑目标产量与N100即可。若以全国水稻为参考对象，选定N100=2.4[5]，根据此公式计算的辽河三角洲地区Nfert=10 194 kg·hm-2× 2.4/100=245 kg·hm-2。通过以上两种方法计算的理论施氮量有明显差异，事实上，巨晓棠[5]也发现N100= 2.4时，东北地区的理论施氮量显著高于实际施用量，推测为东北地区耕作史较短、土壤矿化能力较强所致。根据公式发现，N100的目标值设定对植株地上部氮素携出量起决定性作用，我国农业区域跨度大，水稻产区气候、土壤条件千差万别，统一采取既定数值并不能代表我国不同稻区对氮肥的需求。根据以往测量结果，辽河三角洲稻区N100为1.35左右，吉林稻区在1.46左右[16]，且系统中氮损失总量显著低于南方稻区，因此该地区N100应选取低于2.4且高于2.1的数值来计算其理论施氮量，由此计算得出理论施氮量应为214~245 kg·hm-2。虽然这种简化的施氮推荐方法为氮肥投入提供了新思路，然而基于田块尺度的精量定氮还需要因地制宜，并且长期采用该方法对土壤、作物和环境的实际影响也有待进一步探究。
此外，参考宁运旺等[17]氮素归还指数（RNRI）法也可预测辽河三角洲地区合理氮素投入量，其理论基础为Nfert=目标产量×N100×RNRI/100=10 194 kg·hm-2× 1.35×1.52/100=209 kg·hm-2，其中RNRI=1.52根据江苏太湖地区粳稻生产所需要的氮归还指标而定。由此得出的理论推荐用量（209 kg·hm-2）显著低于本研究得出的推荐用量（217~235 kg·hm-2），可能是因为辽河三角洲稻区的实际RNRI值高于1.52，但具体为多少合适，还需要进一步研究。
再次，采用养分管理专家系统（Nutrient Expert，NE系统）也可获得辽河三角洲地区的推荐氮肥用量。该方法主要以基于大量肥料田间试验建立起来的农学数据库、土壤基础养分供应以及产量反应和农学效率的关系为理论依据，充分考虑作物栽培、秸秆还田、具体田块等综合信息而建立的推荐施肥方法，被认为是当前提高氮肥利用率、减少氮素损失的最先进推荐方法。根据该系统，输入辽河三角洲地区的田块信息，包括土壤性质、水稻目标产量、农民常规施氮类型与方法等指标，得出该地区水稻推荐施氮量为168 kg·hm-2。比较发现此推荐量显著低于其他几种计算方法得到的推荐用量。基于多年的田间试验结果，与此施肥量对应的辽河三角洲地区的水稻产量约为9100 kg·hm-2左右，与该地区最高产量潜力10 194 kg· hm-2存在一定的差距，其结果说明NE系统还需要针对辽河三角洲地区水稻种植进一步完善数据库信息。
3.2 地域差别与施肥方法优化我国水稻种植区分布广泛，水稻种植模式南北差异较大，由气候条件以及栽培措施的不同引起的氮素用量差别较大。如Zhang等[18]对全国27个省份的4218个水稻田块进行了调查，发现氮素施用量为（209±140）kg·hm-2。凌启鸿等[19]通过目标产量精确定量施氮的研究发现，我国南方13个位点的水稻目标产量为10 500 kg·hm-2时，施氮范围应为255~334 kg·hm-2。朱兆良[20]对江苏常熟地区12个水稻试验点进行调查发现，该地区平均施氮量为218 kg·hm-2，水稻平均产量为8099 kg·hm-2。相比之下，辽河三角洲稻区产量潜力较高，超过10 000 kg·hm-2，而施氮量却比南方地区低很多，其差异主要与气候条件导致的氮素损失有关，据报道，稻田氨挥发和反硝化的程度与淹水条件下土壤温度呈显著正相关。
然而，对比东北各区域发现，尽管辽河平原稻区产量略高于松嫩平原、三江平原稻区，而施氮量却显著高于后两者。尤其是三江平原稻区，平均施氮量比辽河平原稻区低30%~40%左右，而产量降幅却小于10%，这主要与区域的土壤、气候条件以及水稻品种有关。辽河三角洲稻区土壤类型属于滨海盐碱土，土壤pH较高，有机质含量中等；而三江平原地区土壤pH呈中性，有机质含量高，由土壤条件导致的氮素损失差别较大；此外，由于气候带的差异，三江平原稻区水稻生育期积温比辽河平原稻区低很多，氮素损失率相对较低。从施肥技术角度看，三江平原稻区引进了日本大型农耕机械，采用机械化侧深施肥技术比较普遍。该技术通过苗侧3 cm土深5 cm的插秧期施肥技术，可以有效提高氮素利用率10%以上，最终减少氮肥投入。相比之下，目前辽河平原地区的水稻种植普遍采用春季旋耕施入基肥，基肥比例为生育期全氮的60%~80%，追肥比例20%~40%，普遍采用田面撒施方式完成，大大增加了泡田过程导致的氮素损失以及非根区无效施肥导致的损失。若在辽河平原稻区适合机械化操作的田块推广机械化侧深施肥技术，氮肥的利用率也有望提高，其区域理论施氮量也会显著降低。
4 结论（1）基于施氮量与水稻籽粒产量关系的肥料效应方程，推算得到辽河三角洲单季稻区的理论氮肥推荐用量为217 kg·hm-2。
（2）基于土壤氮盈余指标与土壤系统氮素平衡理论，得出该地区理论氮肥用量为221~235 kg·hm-2。
（3）基于水稻产量与氮肥利用率两个指标，推测得知该地区理论施氮范围应在210~260 kg·hm-2之间。
（4）综合考虑水稻目标产量、经济效益、氮肥利用率以及土壤氮素平衡因素，辽河三角洲单季稻区目标产量为10 000 kg·hm-2以上时，氮肥施用推荐阈值为217~235 kg·hm-2。
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