2021, Vol. 38
2. 荆州市农业技术推广中心, 湖北 荆州 434000;
3. 兴山县农业环境保护站, 湖北 兴山 443700
2. Jingzhou Agricultural Technology Extension Center, Jingzhou 434000, China;
3. Xingshan Agricultural Environmental Protection Station, Xingshan 443700, China
水稻是我国65% 人口的主食来源，对保障国家粮食安全具有极其重要的作用[1]。同时水稻对肥、水资源消耗量大，其耗水量约占农业用水总量的60%~ 70%，化肥用量占比超过20%。但由于水稻种植中水、肥管理粗放，水稻氮肥当季利用率低于世界平均水平，仅为30% 左右[2-4]。盈余的氮会以多种途径进入大气或水体环境[5]，从而影响地表水、地下水和大气环境质量。因此，在保证水稻产量的同时，提高氮肥利用率、减轻稻田氮素损失对环境的负面影响，一直是我国科技工作者和各级政府部门追求的目标。
在提高水稻氮肥利用率、减少氮素损失方面，已有大量研究，也提出了系列技术措施，如分期施氮、前氮后移、施用缓控释氮肥等[6-13]。研究表明，氮肥深施对提高氮肥利用率、降低田面水中氮素浓度、减少氨挥发、降低氮素损失具有显著的作用[14-17]。但被广泛推广和应用的肥料深施技术较少，目前，比较受关注的稻田肥料深施技术仅有“侧条施肥”技术，但该技术还需解决农机和肥料品种配套等问题[18]，其更适合在平原地区和稻田连片的地区应用。因此研究开发操作简便、适应性广的肥料深施技术很有必要。
在20世纪八九十年代，出现一些关于水稻简便肥料深施技术的研究，如陈荣业等[19]1987年提出了追肥“以水带氮”深施技术，1991年朱兆良院士[20]提出了基肥“无水层混施”深施技术，并将基肥“无水层混施”和追肥“以水带氮”组合形成了“节氮水肥综合管理技术”。研究表明，这些单项和组合深施技术都能显著降低稻田田面水中氮素含量和氨挥发，减少氮肥损失，提高氮肥利用率，并能实现增产[19-21]。
虽然这些简便的肥料深施技术可以增加作物产量、提高氮肥利用率、降低氮损失，但随着农村劳动力的减少以及农民对生产工序简化的追求，一些技术难以适应当前生产实际。如基肥“无水层混施”深施技术，其操作工序为“施基肥-旋耕或翻耕-泡田-旋耙整田”，而实际生产中，农民通常在泡田后就旋耕耙田，很少会在泡田前进行旋耕或翻耕。这影响了该技术在当前的广泛推广应用。因此，有必要研究开发更符合当前生产习惯的简便深施技术。
本研究将基肥“无水层混施”技术进行优化，将其工序由“施基肥-旋耕或翻耕-泡田-旋耙整田”改为“干施湿混”，即“施基肥-泡田-旋耙整田”，并将其与追肥“以水带氮”技术组合，称之为“农艺深施”技术，探讨该技术以及该技术与缓控释氮肥配施对稻田氮素损失、水稻氮素吸收利用及产量的影响，以期为防控稻田氮素损失、促进水稻产业绿色发展提供科学支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区域概况试验点位于湖北省江陵县三湖管理区清水口大队，该试验点处于江汉平原腹地，属亚热带季风湿润气候区，年均降雨量1 000 mm，年均气温16.2 ℃，全年无霜期约254 d，土壤为潮土型水稻土。试验田土壤的基本理化性质：pH 6.48，有机质27.2 g·kg-1，全氮1.95 g·kg-1，全磷0.54 g·kg-1，碱解氮134 mg·kg-1，有效磷18.2 mg·kg-1，速效钾244 mg·kg-1，硝态氮5.66 mg·kg-1，铵态氮1.63 mg·kg-1。
1.2 试验设计试验设置4个处理：①不施氮肥（N0）；②常规施肥（Nc，当地农技部门推荐的施肥模式），氮肥为尿素，用量为195 kg·hm-2（以N计），分成基肥、分蘖肥和穗肥，按40%、30%和30%比例施用，基肥在泡田后撒施于田面，再旋耕耙，2次追肥均在灌溉后撒施于田面；③农艺深施（Nd），氮肥品种、用量和分配时期与Nc处理相同，但泡田前先撒施基肥、再上水泡田和旋耙整田，2次追肥均在灌溉前先撒施于田面；④农艺深施配施缓控释氮肥再减氮10%（Ns），施氮总量比Nc处理减少10%，分成基肥和穗肥，按70%和30%比例施用，氮肥为普通尿素和包膜尿素（N 43.2%，释放期80 d），施氮量各占50%，且包膜尿素全部作基肥施用，施肥方式同Nd处理。各处理均配施等量磷肥和钾肥，磷肥为过磷酸钙（P2O5 12%），用量为67.5 kg· hm-2（以P2O5计），全部基施；钾肥为氯化钾（K2O 60%），用量为90 kg·hm-2（以K2O计），分成基肥和穗肥，各50% 施用。试验各处理每次施肥和灌溉均在同日完成，肥料用量和施肥方法见表 1。每处理重复3次，小区面积30 m2，随机区组排列。各小区单排单灌，田埂用塑料膜包裹，防止肥水互串。
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表 1 各处理施肥方式和养分用量 Table 1 Nutrients application rate and fertilization method in the field experiment |
水稻品种为丰两优香1号，采用育苗人工移栽，移栽规格为16.7 cm×26.7 cm，每蔸2株。试验于2019年5月10日播种，6月7日N0、Nd和Ns处理先施基肥，所有处理同时上水泡田后，Nc处理再施基肥，最后所有处理同时旋耕耙田，6月9日移栽水稻，6月15日施分蘖肥，群体80%够苗后晒田，7月29日施穗肥，收获前一周自然断水搁田，9月27日人工收获。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 田面水各形态氮含量每次施肥后，在上午8：00—10：00采集各小区田面水样品，如果遇到降雨但不影响采样操作，则继续采样至施肥后7~9 d。每个小区采集8个样点，混合后测定总氮（TN）、可溶性总氮（DTN）、颗粒态氮（PN）、可溶性有机氮（DON）、硝态氮（NO3--N）和铵态氮（NH4+-N）。TN采用碱性过硫酸钾消煮-紫外分光光度法测定；DTN先用定性滤纸过滤，碱性过硫酸钾消煮-紫外分光光度法测定；NO3--N直接用紫外分光光度法测定；NH4+-N采用靛酚蓝比色法测定；PN用TN与DTN差减计算获得，DON用DTN与NO3--N、NH4+-N差减计算获得。
1.3.2 地表径流氮流失量和氮肥表观流失系数降雨停止后立即打开小区排水口产流，人工测量产流前后田面水位，测算径流量；产流时，在小区排水口动态采集径流水样，测定径流水中氮含量，氮含量测定方法同“1.3.1”；用径流水量与动态径流样品氮素含量的平均值核算各次径流的氮流失量。
1.3.3 水稻产量、吸氮量、氮肥表观利用率及氮素盈余量水稻收获时，各小区单打单收，记录产量。收获前在每个小区定点调查30蔸水稻的有效分蘖数，计算其平均有效分蘖数，然后在每个小区齐地采集与平均有效分蘖数接近的5蔸水稻，制备籽粒和秸秆样品，分析全氮含量[22]，计算植株吸氮量、氮肥表观利用率及稻田氮素盈余量。氮素盈余量为施氮量与籽粒吸氮量的差值。
1.3.4 土壤理化指标土壤pH、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮等基本理化指标用常规方法测定[22]。
1.4 数据处理数据分析和绘图采用Microsoft Office Excel，处理之间差异显著分析用SPSS 11.5最小显著性差异法（LSD）。
2 结果与分析 2.1 农艺深施及配施缓控释氮肥对田面水中氮素浓度和形态的影响 2.1.1 农艺深施及配施缓控释氮肥对氮素损失高风险期田面水氮素浓度的影响从图 1可见，各施氮肥处理（Nc、Nd、Ns）稻田田面水中TN、DTN、NH4+-N等主要形态氮素浓度都基本在每次施肥后迅速达到最高，而后逐渐降低，在施基肥后第4天、分蘖肥后第5天、穗肥后第4天趋于稳定。各形态氮素浓度在施基肥后第3天、施分蘖肥后第3天和第7天、施穗肥后第5天，出现不同程度的升高，可能与上述日期分别发生的8.2、26.1、65.5 mm和46.9 mm降雨对田面水的扰动有关（图 1）。施基肥4 d后，田面水中氮素浓度虽然大幅降低，并趋于稳定，但其浓度仍然较高，即使到了第7天，N0、Nc、Nd和Ns处理的TN浓度仍分别高达4.63、12.49、10.19 mg·L-1和7.67 mg·L-1，比施分蘖肥后第5天的TN浓度分别高150.4%、216.8%、82.5% 和242.7%。田面水中氮素浓度的高低与氮素径流流失、氨挥发等密切相关。因此，施基肥后7 d内、施分蘖肥后5 d内、施穗肥后4 d内这三个时段都是稻田氮素损失的高风险期。
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图 1 农艺深施及配施缓控释氮肥对田面水中氮素浓度变化动态的影响 Figure 1 Effect of agronomic deep application and combined application of controlled release N fertilizer on dynamic changes of nitrogen concentrations in surface water |
分析氮素损失高风险期稻田田面水中TN平均浓度（图 2）可知，与Nc相比，Nd和Ns处理TN平均浓度显著降低，且Ns处理也显著低于Nd处理，Nd和Ns处理TN平均浓度分别比Nc低18.5% 和49.8%（P < 0.05）。在形态上，DTN是TN浓度降低的主要贡献者，Nd和Ns处理贡献分别高达98.5%和87.7%，而PN的贡献分别仅为1.5%和12.3%。在DTN中，NH4+-N浓度降低的贡献较大，分别高达82.9%和68.3%；其次是DON，分别为17.6% 和17.2%；而NO3--N的贡献分别仅为-2.0%和2.2%（图 3）。
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不同小写字母表示处理间差异显著（P < 0.05） The different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P < 0.05) 图 2 农艺深施及配施缓控释氮肥对氮素损失高风险期田面水中TN浓度的影响 Figure 2 Effect of agronomic deep application and combined application of controlled release N fertilizer on TN concentrations in surface water during the period of high N loss |
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图 3 氮素损失高风险期田面水中不同形态氮素在TN浓度变化中的贡献 Figure 3 Contribution of different forms of nitrogen to the changes of TN concentration in surface water during the period of high N loss |
进一步对氮素损失高风险期氮素形态构成（各形态氮素占总氮的比例）进行分析（表 2）可知，各施氮肥处理，田面水中氮素都是以DTN为主，其占TN的比例均超过70%，在DTN中，又以NH4+-N和DON为主。与Nc处理相比，Nd和Ns处理的DTN占TN比例降低，而PN占TN的比例增加，且DTN占比的降低是NH4+-N占比降低所致，二者NH4+-N占比分别比Nc处理显著降低7.8、19.2个百分点，而NO3--N和DON占比则分别比Nc处理增加2.2、5.3个百分点和2.0、9.2个百分点（表 2）。
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表 2 各处理氮素损失高风险期田面水中氮素形态构成（%） Table 2 Fractionation of N forms in surface water in different treatments during the period of high N loss (%) |
水稻季共产流3次，总径流量为51.2 mm。前2次产流（6月19日和6月22日）分别发生在施分蘖肥后第4天和第7天，虽然Nd和Nc处理的蘖肥施用量相同，但Nd处理两次产流径流水中TN浓度都低于Nc处理，其TN流失量分别比Nc处理低8.4% 和24.0%；Ns处理因未施分蘖肥，其两次产流径流水中TN浓度显著低于Nc处理（P < 0.05），也低于Nd处理，其TN流失量比Nc处理分别降低29.9%和56.6%。第三次产流（7月18日）发生在施分蘖肥后第33天，与施分蘖肥间隔时间较长，各处理径流水TN浓度之间无显著差异，TN流失量之间差异也不显著（P < 0.05）。整个水稻季，与Nc处理相比，Nd和Ns处理TN流失量分别显著降低19.1%和47.6%（表 3）。
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表 3 农艺深施及施用缓控释氮肥对稻田地表径流氮素流失的影响 Table 3 Effect of agronomic deep application and combined application of controlled release N fertilizer on runoff loss of N from paddy field |
从表 4可见，Nc处理水稻籽粒产量为10 267 kg· hm-2，吸氮量为192.9 kg · hm-2，氮肥表观利用率为20.4%。与Nc处理相比，Nd处理水稻籽粒产量和吸氮量略有增加，分别增加4.6% 和15.6%，同时氮肥表观利用率也比Nc处理高15.3个百分点；Ns处理水稻籽粒产量和吸氮量与Nc处理持平，但氮肥表观利用率比Nc处理提高3.9个百分点。
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表 4 农艺深施及配施缓控释氮肥对水稻产量及氮素吸收利用的影响 Table 4 Effect of agronomic deep application and combined application of controlled release N fertilizer on grain yield and N utilization of rice |
由各处理氮素的盈亏情况（表 5）可知，不施氮处理土壤氮素处于亏缺状态，亏缺量为95.4 kg·hm-2，各施氮处理均处于盈余状态。Nc处理土壤盈余量为76.4 kg·hm-2，Nd和Ns处理的氮素盈余量均较Nc处理有所降低，特别是Ns处理，其氮素盈余量比Nc处理低38.1%。而进一步分析各处理土壤氮素含量发现，与Nc处理相比，Nd和Ns处理的土壤有效氮（NO3--N和NH4+-N之和）含量均有增加趋势，分别增加16.5% 和20.9%（表 5）。
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表 5 农艺深施及配施缓控释氮肥对土壤氮素盈余与氮含量的影响 Table 5 Effect of agronomic deep application and combined application of controlled release N fertilizer on N surplus and N content of soil |
许多研究表明，施氮肥后田面水中氮素浓度迅速达到峰值，之后很快降低，在施基肥和分蘖肥后氮素浓度在一周左右降至与不施氮肥处理持平，施穗肥后3 d左右降至与不施氮肥基本接近[23-28]，而且田面水中氮素以DTN为主，在DTN中，又以NH4+-N和DON为主[28]。本研究与以往研究类似，各施氮处理田面水中TN、DTN、NH4+-N等主要形态氮素的浓度都基本在每次施肥后迅速达到最高，在施基肥后第4天、分蘖肥后第5天、穗肥后第4天趋于稳定。而且田面水中氮素都是以DTN为主，其占TN的比例均超过70%，在DTN中，又以NH4+-N和DON为主。此外，虽然施基肥4 d后，田面水中氮素浓度大幅降低，并趋于稳定，但即使在施基肥后第7天，N0、Nc、Nd和Ns处理田面水中TN浓度仍分别比施分蘖肥后第5天高150.4%、216.8%、82.5% 和242.7%。因此，施基肥后7 d内、施分蘖肥后5 d内、施穗肥后4 d内都是稻田氮素损失的高风险期。
全国多点联网研究发现“无水层混施”技术和“无水层混施”与“以水带氮”组合技术都能明显降低田面水中氨氮含量[21]，王德建等[29]运用大型原状土柱的研究也发现，水稻基肥干施会降低田面水中NH4+-N含量。陈荣业等[19]的研究表明，追肥“以水带氮”技术可将表施的60% 以上的化肥氮带入土层，从而降低田面水中氮素浓度。为了全面揭示农艺深施对田面水中氮素浓度的影响规律，本研究动态监测了各施肥处理每次施肥后不同形态氮的浓度，结果表明，在氮素损失高风险期（施基肥后7 d内，施分蘖肥后5 d内，施穗肥后4 d内），农艺深施处理（Nd）能降低田面水中氮素浓度，其TN浓度比常规肥水处理低18.5%（图 2），与以往研究类似，农艺深施会使NH4+-N浓度降低，且NH4+-N浓度降低是导致田面水中TN浓度降低的主要原因，其贡献率高达82.9%（图 3）。农艺深施配施缓控释氮肥再减氮10% 不仅能进一步降低TN浓度（降幅高达49.8%，图 2），还因省去分蘖肥的施用，缩短氮素损失高风险期时长。常规施肥和农艺深施下，氮素损失高风险期时长为16 d（基肥后7 d、分蘖肥后5 d、穗肥后4 d），而农艺深施配施缓控释氮肥能使高风险期时长降到11 d（图 1）。农艺深施降低稻田田面水中氮素浓度可能是由于先施氮肥再灌水的情况下氮素随水进入土层，被土壤吸附、固定，从而使田面水中氮素浓度降低。农艺深施之所以使NH4+-N浓度降幅较大，一是与NH4+-N是稻田田面水中的主要存在形态有关，二是与NH4+-N容易被土壤吸附固定有关。农艺深施配施缓控释氮肥进一步降低田面水中氮素浓度，这可能是由于施用缓控释氮肥降低了施氮量，且缓控释氮肥本身氮素释放缓慢。此外，两种施肥模式都有降低DTN、增加PN在TN中占比的作用，且DTN占比的降低是由NH4+-N占比降低所致（表 2）。
3.2 稻田氮素损失氨挥发损失氮量占施氮量的8%~39%[30-31]，是稻田氮素损失的主要途径之一[32-34]，且田面水中的NH4+-N浓度是氨挥发的决定因素之一[35]。以往研究表明，“无水层混施”或者“无水层混施”与“以水带氮”组合，都有降低田面水中NH4+-N含量、降低氨挥发量的作用[21, 29]。本研究中，农艺深施以及农艺深施配施减量缓控释氮肥都能明显降低氮素损失高风险期田面水中NH4+-N浓度，两种处理下NH4+-N浓度分别比常规施肥处理降低31.1% 和69.4%，而且农艺深施配施缓控释氮肥还能缩短氮素损失高风险期时长。这意味着农艺深施技术能降低稻田氨挥发损失，再配施缓控释氮肥，降低效果更明显。
田面水中氮素浓度高低及其持续时间长短与稻田氮素径流流失量有直接关系。本研究发现，农艺深施及农艺深施配施缓控释氮肥都能降低氮素损失高风险期田面水中氮素浓度，而且农艺深施配施缓控释氮肥还能缩短高风险期时长，因而，两种施肥模式都有减少稻田氮素径流流失的作用。实际监测也表明，与常规施肥处理相比，农艺深施能使稻田TN流失量减少19.1%，再配施缓控释氮肥同时减氮10% 能使TN流失量减少47.6%（表 3）。
陈苇等[21]采用15N同位素示踪技术研究发现，追肥“以水带氮”技术能使氮素的回收率比常规方法提高7.9%，土壤残留率提高7.1%，进而能使氮素总体损失率降低14.9%。朱兆良[20]的研究表明，“无水层混施”或者“无水层混施”与“以水带氮”组合，都能提高氮肥利用率，降低氮素总体损失量。王德建等[29]的研究发现，水稻基肥“干耕施”虽然比“湿耙施”增加了氮素的淋失量，但降低了氨挥发量、增加了水稻吸氮量，进而总体上降低了氮素的损失量。本研究表明，与常规施肥相比，农艺深施及农艺深施配施缓控释氮肥再减氮10%都有一定的降低氮素盈余量的作用，特别是后者能使氮素盈余量降低38.1%，而二者的土壤有效氮含量却均有增加趋势，表明农艺深施和农艺深施配施缓控释氮肥再减氮10%都会降低氮素的总损失量。
3.3 水稻产量及氮素吸收利用以往关于“以水带氮”“无水层混施”的研究都发现，这些技术有促进水稻对氮素吸收进而增产的作用[20-21, 29]。也有许多研究表明，施用缓控释氮肥同时减少一定施氮量，并不会使水稻减产。如石敦杰等[11]对湖南毛里湖中稻的研究表明，与普通尿素相比，施用包膜尿素同时减氮20% 条件下，水稻产量未降低。刘红江等[12]在江苏苏州的研究表明，与施用普通尿素相比，氮肥减施18.2% 的条件下施用脲酶抑制剂、脲醛尿素、草酰胺，水稻不会减产。肖雪玉等[13]在湖南浏阳的研究表明，与施用普通尿素相比，施用树脂包膜尿素且氮肥减施10%~30% 时，水稻仍略有增产趋势。本研究中，与常规施肥处理相比，农艺深施促进了水稻对氮素的吸收，提高了氮肥利用率，进而使水稻增产；农艺深施配施缓控释氮肥处理中，虽然氮肥用量降低10%，但氮肥利用率提高了3.9个百分点，水稻产量略有增加。
综上，按“施基肥-泡田-旋耙整田”的方式施用基肥，并采用“以水带氮”技术追肥，能降低氮素损失高风险期稻田田面水中氮素浓度，减少稻田氮素径流流失及总损失量，提高氮肥利用率，使水稻增产。该农艺深施技术再配施缓控释氮肥，即使施氮量减少10%，也不会使水稻减产，反而能进一步降低田面水中氮素浓度，缩短氮素损失高风险期的时长，并能显著减少氮素损失。
4 结论（1）农艺深施能降低稻田田面水中氮素浓度，提高水稻氮肥利用率，减少氮肥损失，且有一定的增产作用。
（2）农艺深施配施缓控释氮肥再减氮10%，能进一步降低稻田田面水中氮素浓度和氮肥损失量，且不会使水稻减产。
（3）农艺深施是一项值得推广的绿色施肥技术，再配施缓控释氮肥，效果更突出。
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