劉曉偉，陳小琴，王火焰*，盧殿君，周健民，陳照明，朱德進(jìn)

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 江蘇省泰州市姜堰區(qū)耕地質(zhì)量保護(hù)站，江蘇泰州 225300)

根區(qū)一次施氮提高水稻氮肥利用效率的效果和原理①

劉曉偉1,2，陳小琴1，王火焰1*，盧殿君1，周健民1，陳照明1,2，朱德進(jìn)3

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 江蘇省泰州市姜堰區(qū)耕地質(zhì)量保護(hù)站，江蘇泰州 225300)

我國水稻氮肥施用量大，農(nóng)民習(xí)慣氮肥表面撒施，氮肥通過氨揮發(fā)以及徑流等途徑損失嚴(yán)重，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏，土地流轉(zhuǎn)迅速，省時(shí)省力、節(jié)肥高效的施肥方式亟待探索和推廣。大田條件下，在環(huán)太湖水稻高施氮區(qū)，比較常規(guī)氮肥用量下(225 kg/hm2)的農(nóng)民習(xí)慣分次施用(40%∶30%∶30% 分次施用)與根區(qū)一次施用(偏根系5 cm，土表下10 cm穴施)兩種施肥方式對水稻產(chǎn)量及氮肥利用率的影響。結(jié)果表明不種植水稻的前提下，習(xí)慣施氮處理表層土壤NH4+-N最高，自表層向下逐漸降低，各層養(yǎng)分均隨時(shí)間推移而下降。根區(qū)一次施氮可顯著提高施肥點(diǎn)周圍土壤中的NH4+-N含量及其貯存時(shí)間，施肥后30，60和90 d，根區(qū)施氮處理NH4+-N最高值分別達(dá)到542.6、412.1和39.8 mg/kg。且根區(qū)一次施氮處理施肥點(diǎn)周圍土壤高NH4+-N含量至少可保持60 d。種植水稻后，相對習(xí)慣分次施氮而言，根區(qū)一次施氮顯著提高水稻分蘗數(shù)、各器官的氮含量、氮積累量及氮肥利用效率。根區(qū)一次施氮處理水稻氮積累量高達(dá)196.7 kg/hm2，相對習(xí)慣施氮增加34.9%。氮肥表觀利用率分別達(dá)到59.8%(差值法)和42.5%(15N標(biāo)記法)，相對習(xí)慣施肥分別增加22.6和30.6個(gè)百分點(diǎn)。肥料氮損失由分次施用的73.0% 下降到29.7%。根區(qū)一次施氮顯著增加肥料養(yǎng)分在土壤中的貯存時(shí)間，降低肥料養(yǎng)分損失的風(fēng)險(xiǎn)，提高水稻氮肥利用效率，是一種節(jié)肥高效的施肥方式，值得進(jìn)一步研發(fā)施肥機(jī)械和推廣應(yīng)用。

尿素；水稻；根區(qū)施肥；氮肥利用率

水稻是我國主要的糧食作物，全國50% 以上的人口將其作為主食。氮肥的施用對于水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)高達(dá)40%[1]。所以為獲得高產(chǎn)，農(nóng)民常常過量施用氮肥。當(dāng)前我國水稻的農(nóng)民習(xí)慣施肥方式仍然以基肥加后期追肥為主。城鎮(zhèn)化的發(fā)展導(dǎo)致我國農(nóng)村勞動(dòng)力多以老年人為主，施肥方式顯得更為粗放。而農(nóng)民習(xí)慣施肥方式下過量的氮肥追施在土壤表面，會(huì)導(dǎo)致氮肥通過氨揮發(fā)和徑流等途徑損失，降低了氮肥的利用效率[2]。故發(fā)展和推廣節(jié)肥、高效的施肥方式迫在眉睫。為節(jié)省后期追肥的勞動(dòng)力投入，部分學(xué)者建議施用包膜肥料，以達(dá)到降低氮肥損失和提高肥料利用率的目的[3]。符建榮[4]研究表明控釋尿素相對尿素和硫酸銨可使得水稻增產(chǎn)4% ～ 23%，氮素利用效率也顯著提高。但是控釋氮肥的施用效果受到水分和光熱等因素影響較大，而且價(jià)格高于傳統(tǒng)氮肥，農(nóng)民接受度不高。前氮后移等措施雖然可有效提高氮肥利用效率，但是追肥需要人工的投入，在農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏的前提下顯得推廣優(yōu)勢不足[5]。賀帆等[6]通過實(shí)時(shí)監(jiān)測水稻葉片SPAD值而確定水稻氮肥用量的精準(zhǔn)施肥，可顯著提高水稻產(chǎn)量和降低氮肥用量，然而其操作需要具備一定的專業(yè)知識和設(shè)備，對于我國小農(nóng)戶經(jīng)營的現(xiàn)狀推廣又略有難度。常規(guī)施肥方式下，撒在土壤表面的基肥或追肥，其溶解后的肥料養(yǎng)分相對于擴(kuò)散進(jìn)入深層的土壤而言，其更易在田面水層通過氨揮發(fā)和徑流等途徑損失掉。嘉興地區(qū)稻田的氮肥表面撒施后，有14% ～ 50%的氮肥通過不同途徑損失掉，其中氨揮發(fā)損失的比例約占14%[7]。其他學(xué)者的研究也表明我國稻田氮肥損失高達(dá)30%[8]。另一方面水稻根系所吸收的氮素主要靠截獲途徑，水稻對于氮養(yǎng)分的吸收受制于根系與土壤的接觸面積。研究表明在水稻旺長期，根際1 ～ 3 mm的土壤NH4+-N含量會(huì)出現(xiàn)虧缺[9]。氮肥水解后形成的NH4+-N在土壤中擴(kuò)散速度和距離也會(huì)受到土壤理化性狀以及施肥深度等條件的影響[10]。所以不當(dāng)?shù)氖┓蚀胧?huì)導(dǎo)致肥料養(yǎng)分無法快速到達(dá)水稻根系活躍吸收區(qū)，使得肥料養(yǎng)分的擴(kuò)散與水稻養(yǎng)分的吸收不匹配，造成肥料的損失和低效利用。水稻吸收的大部分養(yǎng)分來自于與根系接觸的土體，即水稻根區(qū)。通過改變施肥方式，將肥料一次性施用在水稻根系的活躍生長區(qū)域，使得肥料養(yǎng)分的緩慢釋放與水稻的養(yǎng)分吸收相互匹配，則可以達(dá)到降低養(yǎng)分損失、提高肥料利用率的目的[10]。本文以環(huán)太湖高氮肥投入?yún)^(qū)的單季稻為例，探索稻田根區(qū)一次施氮方式下肥料養(yǎng)分的擴(kuò)散規(guī)律，以及不同施氮方式下水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用的反應(yīng)，以期對水稻根區(qū)一次施氮技術(shù)的推廣以及配套的施肥機(jī)械的研制提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在安徽省宣城市廣德縣邱村鎮(zhèn)進(jìn)行(114°470168′E，31°026614′N)，土壤理化性狀為：pH 6.5，有機(jī)質(zhì)17.4 g/kg，全氮2.08 g/kg，有效磷5.77 mg/kg，速效鉀88 mg/kg。土壤質(zhì)地為中壤，顆粒組成為2 ～ 0.05 mm比例為23%、0.05 ～ 0.002 mm的比例為64%、＜0.002 mm的比例為13%，試驗(yàn)包括不同施氮方式的養(yǎng)分?jǐn)U散規(guī)律和不同施氮方式對水稻生長的影響兩部分。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

不同施氮方式下的養(yǎng)分?jǐn)U散規(guī)律：試驗(yàn)于2013年開展，共設(shè)3種施氮方式：①不施氮肥對照(CK)；②氮肥表面一次撒施(FFP)；③根區(qū)施肥模式，即氮肥深10 cm穴施(RZF)。采用PVC板材的微區(qū)框(長28 cm、寬25 cm、高35 cm，無上下面的長方體桶狀)，在田間原位定期監(jiān)測肥料養(yǎng)分的釋放和擴(kuò)散規(guī)律。具體操作過程為：在試驗(yàn)田中部挖28 cm長、25 cm寬、20 cm深的方形坑，底面挖平，放入微區(qū)框。將取出的土壤粉碎，混入磷、鉀肥后倒回微區(qū)框內(nèi)，此時(shí)微區(qū)框有15 cm高于土表，起到防串水的作用。隨后施氮肥，F(xiàn)FP處理為尿素均勻撒于土壤表面。RZF處理為在微區(qū)框正中間用直徑1.5 cm的金屬棍鉆10 cm深的洞，將尿素施于洞底，后覆土填平孔洞。施肥處理完成后試驗(yàn)田統(tǒng)一灌水。微區(qū)框內(nèi)不種水稻，其他灌水及除草等農(nóng)田管理措施與正常水稻一致。

施氮方式對水稻生長及氮肥利用率的影響：試驗(yàn)于2014年同一試驗(yàn)區(qū)開展，設(shè)與上述試驗(yàn)對應(yīng)的3種施氮方式：①不施氮肥對照(CK)；②農(nóng)民習(xí)慣分次施氮(FFP)，即40% 用作基肥，30% 用作分蘗肥(移栽后20d)，30% 用作拔節(jié)肥(移栽后50d)；③在水稻株間，偏根系5 cm、深10 cm處根區(qū)一次施氮肥(RZF)。處理小區(qū)之間作25 cm寬、15 cm高的田埂，埂上覆塑料膜防止串肥。農(nóng)民習(xí)慣施肥的處理先撒入基肥，而后灌水耙田插秧。根區(qū)一次施肥的小區(qū)先少量灌水，使得小區(qū)內(nèi)土壤為泥漿狀且田面無流動(dòng)水層，施用磷、鉀肥并用耙子耙勻，而后按照既定的密度插秧，最后施氮肥：在水稻株距之間，距離一稻株5 cm處，用直徑1.5 cm鐵管鉆10 cm深的洞，通過鐵管內(nèi)壁施入氮肥，待肥料落入底部后快速抽出鐵管并壓實(shí)孔洞。施肥結(jié)束后所有小區(qū)統(tǒng)一灌水。其后的農(nóng)藥噴灑等農(nóng)事操作均站在小區(qū)外執(zhí)行，以避免小區(qū)內(nèi)的踩踏擾亂施肥位點(diǎn)。此外，除對照處理外，在施氮處理的小區(qū)中部選取4株水稻，用試驗(yàn)一中提到的無底PVC框圍住，以15N標(biāo)記的尿素(豐度10.15%，上?；ぱ芯吭褐圃?替代常規(guī)尿素來研究不同施肥方式下的肥料氮去向。小區(qū)面積20 m2，4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。水稻品種為武運(yùn)粳24號，水稻行間距25 cm × 18 cm，種植密度為222 210株/hm2。2014年5月10日育苗，6月10日移栽，每穴2株，7月1日追施分蘗肥。8月2日追拔節(jié)肥。10月10日收獲。

以上兩個(gè)試驗(yàn)的施肥量統(tǒng)一為N 225 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和K2O 120 kg/hm2，肥源分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。

1.3 取樣及測定方法

不同施氮方式下的養(yǎng)分?jǐn)U散規(guī)律試驗(yàn)：分別于施肥后的30、60和90 d，在微區(qū)框中心，用直徑2 cm的土鉆分層取土壤樣品，每2 cm一個(gè)樣品。取樣前排干微區(qū)框內(nèi)的水分，所取土壤鮮樣經(jīng)2 mol/L的KCl浸提后測定NH4+-N、NO-3-N[11]。

施氮方式對水稻生長及氮肥利用率的影響試驗(yàn)：只采集成熟期樣品，水稻分為根系、秸稈和籽粒3部分。15N標(biāo)記水稻植株單獨(dú)處理，收獲后PVC框內(nèi)0 ～ 20 cm的耕層土壤全部取出，風(fēng)干混勻后測定肥料氮?dú)埩?。植物全氮?jīng)H2SO4-H2O2消煮后測定。土壤樣品的NH4+-N、NO-3-N以及植物樣品的全氮均采用流動(dòng)注射分析儀(瑞典FIAstar5000)測定。植物以及土壤樣品的15N豐度采用Flash-2000 Delta V Advantage聯(lián)用儀測定。

氮肥利用率的計(jì)算如下：

氮肥利用率(差值法，%)=(施肥區(qū)吸氮量-對照區(qū)吸氮量)/施氮量×100

氮肥利用率(15N標(biāo)記法，%)= 氮標(biāo)記植株的15N吸收量/15N投入量×100

氮肥生理利用效率 =(施氮區(qū)產(chǎn)量-對照區(qū)產(chǎn)量)/(施氮區(qū)吸氮量-對照區(qū)吸氮量)

氮肥真實(shí)利用率(%)= 施肥區(qū)水稻吸收肥料的氮量/(施氮量-土壤殘留氮量)×100[12]

氮肥來自肥料的比例(Ndff，%)=(植物15N豐度-0.366%)/(肥料15N豐度-0.366%)×100

氮肥來自肥料的量(Ndff，kg/hm2)= 氮肥來自肥料的比例×植物氮積累量/100

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮方式對銨態(tài)氮擴(kuò)散動(dòng)態(tài)的影響

稻田淹水條件下土壤中的肥料養(yǎng)分主要以NH4+-N的形態(tài)存在，土壤NO-3-N含量很低且處理間差異不顯著，故數(shù)據(jù)未列出。尿素不同施用方式對于土壤NH4+-N含量影響顯著(圖1)。不同施肥方式下土壤的NH4+-N含量均隨著時(shí)間的推遲逐漸下降。施肥后30 d時(shí)，表面撒施處理的NH4+-N隨著深度的增加逐漸降低，最高值出現(xiàn)在0 ～ 4 cm的土壤表層，為186.9 mg/kg，而后隨著土壤深度的增加NH4+-N含量在15 ～ 16 cm處降低至81.5 mg/kg。然而根區(qū)施肥模式下的土壤NH4+-N卻隨深度增加而增加，土壤表層NH4+-N含量最低，0 ～ 2 cm僅為56.7 mg/kg，至土壤15 cm深度時(shí)達(dá)到最高542.6 mg/kg，比表面撒施處理的最高值高221.4%，比同深度撒施處理NH4+-N含量高569.1%。施肥后60 d，各處理NH4+-N含量均有所降低，表面撒施處理表層土壤的NH4+-N降低到88.3 mg/kg，且土層越深NH4+-N含量越低。然而根區(qū)施肥處理在10 cm施肥點(diǎn)處的NH4+-N含量仍然高達(dá)412.1 mg/kg，是同期表面撒施處理最高值的4.7倍，比同深度撒施處理的NH4+-N含量高578.0%。施肥后90 d，同一土層不同處理間的NH4+-N含量差異縮小，但是6 cm土層以下根區(qū)施肥處理的NH4+-N含量仍然顯著高于同深度的撒施處理。

圖1 不同施肥方式下NH4+-N擴(kuò)散動(dòng)態(tài)(不種水稻)Fig.1 Dynamics of NH4+-N under different N fertilization methods (without rice)

2.2 施氮方式對水稻農(nóng)學(xué)性狀和干物質(zhì)積累的影響

由表1結(jié)果可知，根區(qū)一次施氮顯著增加水稻有效分蘗數(shù)，其相對常規(guī)分次施氮處理增加了25%。每穗粒數(shù)略有增加，但是相對常規(guī)施肥增加不顯著。根區(qū)一次施氮處理的千粒重則相對于常規(guī)分次施用，由27.4 g降低到24.3 g，降低了11.3%，差異顯著。不同施氮方式對水稻產(chǎn)量的影響不顯著，常規(guī)分次施氮與根區(qū)一次施氮處理的產(chǎn)量相差無幾，但是根區(qū)一次施氮的秸稈干重相對常規(guī)的施氮方式顯著增加6.5%。

表1 施氮方式對水稻農(nóng)學(xué)性狀及干物質(zhì)的影響Table 1 Effects of different N fertilization methods on agronomic characters and dry matter accumulation of rice

2.3 施氮方式對水稻氮吸收的影響

根區(qū)一次施氮處理水稻各器官的氮含量均顯著高于常規(guī)分次施氮處理(表2)。收獲期根區(qū)一次施氮處理的根、秸稈和籽粒的氮含量分別為13.8、9.1和12.1 g/kg，相對分次施肥分別提高53.3%、40.6% 和18.6%。不同器官的氮積累量與氮含量的變化一致，根區(qū)一次施氮處理的根、秸稈和籽粒的氮積累量相對分次施肥分別提高了63.9%、54.7% 和20.5%。根區(qū)一次施氮處理的氮素總積累量高達(dá)196.7 kg/hm2，相對常規(guī)施肥的145.8 kg/hm2提高了34.9%，差異顯著。從15N標(biāo)記的試驗(yàn)結(jié)果看，常規(guī)分次施氮處理不同器官僅有15.9% ～ 18.7% 的氮素來源于肥料，其大部分來自于土壤原有氮；而根區(qū)一次施氮處理各個(gè)器官來自肥料氮的比例高達(dá)45.0% ～ 49.7%，相對常規(guī)分次施氮平均高了29.8個(gè)百分點(diǎn)。根區(qū)一次施氮處理水稻根、秸稈、籽粒和總氮積累中來自肥料的氮量分別達(dá)11.7、30.2、53.5和95.5 kg/hm2，分別是常規(guī)分次施肥的4.7、3.9、3.2和3.6倍，不同施氮方式間的差異達(dá)到顯著水平。

表2 施氮方式對水稻氮吸收的影響Table 2 Effects of different N fertilization method on N uptake of rice

2.4 不同施氮方式的氮去向及氮肥利用率

從氮肥施入土壤后的養(yǎng)分去向看(表3)，不同的施氮方式顯著改變了肥料氮的分配規(guī)律。根區(qū)一次施氮處理的水稻吸收和耕層土壤殘留相對常規(guī)分次施氮處理分別高68.6 kg/hm2和28.7 kg/hm2，本試驗(yàn)并未測得的其他部分(主要有氨揮發(fā)、地表流失和亞耕層的滲漏)的肥料氮量比常規(guī)分次施氮低97.4 kg/hm2，差異顯著。常規(guī)分次施氮處理有73.0% 的肥料氮通過氨揮發(fā)、徑流等途徑損失，而根區(qū)施氮處理這一部分的比例僅為29.7%。根區(qū)一次施氮處理通過差值法計(jì)算的氮肥利用率相對常規(guī)分次施氮處理，由37.2% 增加到了59.8%，增加了22.6個(gè)百分點(diǎn)。通過15N標(biāo)記法計(jì)算的氮肥利用率增幅更大，相對常規(guī)分次施氮處理的11.9% 增加了30.6個(gè)百分點(diǎn)。根區(qū)一次施氮處理施入的肥料氮有62.5 kg/hm2殘留耕層土壤，因?yàn)槠溥€未被利用，我們認(rèn)為這部分是潛在的有效態(tài)氮素，故當(dāng)季肥料利用率的計(jì)算應(yīng)扣除本部分，即肥料真實(shí)利用率。根區(qū)一次施氮處理的肥料真實(shí)利用率高達(dá)58.8%，相對常規(guī)施肥的14.1% 提高了44.7個(gè)百分點(diǎn)，差異極顯著。根區(qū)一次施氮處理的氮肥生理利用率僅為30.6 kg/kg，相對常規(guī)分次施氮下降了35.3%，差異顯著。

3 討論

肥料釋放的養(yǎng)分在土壤中的遷移特性直接關(guān)系到作物對其吸收和利用。當(dāng)前對于肥料種類、土壤類型以及不同的環(huán)境條件對肥料養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化的影響等研究已見一些報(bào)道[13-15]。無論NO-3-N還是NH4+-N，其在土壤中運(yùn)移都會(huì)受到土壤質(zhì)地或溫度、水分等外界條件的影響[9,17-18]。除了肥料種類對養(yǎng)分遷移的影響外，施肥方式的改變對養(yǎng)分?jǐn)U散也起著至關(guān)重要的作用。本文氮肥養(yǎng)分?jǐn)U散試驗(yàn)設(shè)置在田間原位，除了不種水稻外，其他的光照和水熱條件與大田一致，這種情況下得到的養(yǎng)分?jǐn)U散結(jié)果相對更能體現(xiàn)肥料在特定土壤條件下的真實(shí)擴(kuò)散規(guī)律，得到的數(shù)據(jù)更有代表性，可信度高。結(jié)果表明相對農(nóng)民習(xí)慣的表面撒施，普通尿素集中深施大大降低了肥料養(yǎng)分在稻田的溶解和釋放速度，施肥30 d后，根區(qū)施肥模式下，施肥位點(diǎn)周圍土壤的NH4+-N濃度高達(dá)542.6 mg/kg(圖1)，顯著高于表面撒施的處理。而其0 ～ 4 cm土層的NH4+-N含量卻比較低，可知其養(yǎng)分并未向上擴(kuò)散到土表，這樣會(huì)大大降低肥料經(jīng)過土表損失的風(fēng)險(xiǎn)。施肥60 d后，施肥點(diǎn)周圍的土壤仍然存有大量的NH4+-N(圖1)，可知在該試驗(yàn)條件下，尿素集中深施可將更多的肥料養(yǎng)分長時(shí)間地保存在施肥點(diǎn)周圍的土壤中，能有效地降低肥料養(yǎng)分經(jīng)地表徑流和氨揮發(fā)損失的風(fēng)險(xiǎn)。而從NH4+-N的遷移方向上看，無論表面撒施還是深層集中施用，其受田間的水分運(yùn)動(dòng)影響均呈現(xiàn)向下層遷移的趨勢，尤其是10 cm深施處理在30 d時(shí)NH4+-N的含量在14 ～ 16 cm深處最高。本文結(jié)果與張朝等[19]研究基本一致，其在水稻土的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高施氮量情況下肥料釋放的NH4+-N遷移主要發(fā)生在0 ～ 5 cm土層內(nèi)。普通尿素集中施用顯著增加了施肥點(diǎn)周圍土壤的養(yǎng)分濃度和養(yǎng)分殘留的時(shí)間。本文尿素集中深施60 d后，其下層土壤的NH4+-N含量仍然很高，最高值達(dá)到412.1 mg/kg，而常規(guī)表面撒施的處理僅為60.8 mg/kg。然而到90 d時(shí)，不同施氮處理間的差異卻變得很小，這主要是由于該年8—10月南方地區(qū)遭遇嚴(yán)重的旱情，本試驗(yàn)微區(qū)框內(nèi)的水分蒸發(fā)殆盡、土層干裂，這可能會(huì)導(dǎo)致深層殘留的NH4+-N揮發(fā)損失掉。故推測若沒遇到干旱的情況，集中施用處理的NH4+-N存留時(shí)間應(yīng)該會(huì)更長一些。雖然本試驗(yàn)最初填入了20 cm厚度的土壤，但是灌水后土壤逐漸淀積，施肥后30 d時(shí)耕層土壤僅16 cm左右的厚度，下面形成了堅(jiān)硬的犁底層，所以養(yǎng)分?jǐn)U散的土壤取樣只取到了16 cm的深度。30 d時(shí)根區(qū)施肥處理在16 cm深處NH4+-N的含量最高，雖然這有效地降低了肥料通過表層揮發(fā)和徑流的損失，但是在耕層-亞耕層交界處保持較高的肥料氮，也可能面臨淋洗損失的風(fēng)險(xiǎn)，這方面的數(shù)據(jù)值得進(jìn)一步深入挖掘。

表3 肥料養(yǎng)分去向及氮肥利用率Table 3 N distribution and N use efficiency of fertilizer

前人研究表明水稻前期供應(yīng)充足的氮肥有助于提高分蘗數(shù)[20]，本文根區(qū)施肥處理水稻有效分蘗顯著高于常規(guī)的分次施用，結(jié)合養(yǎng)分?jǐn)U散試驗(yàn)的結(jié)果(圖1)，可知這種施肥方式在水稻生長前期的供氮能力要好于常規(guī)的分次施肥。水稻分蘗通常與千粒重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[21]，根區(qū)一次施氮雖然增加了水稻的有效分蘗數(shù)，但是其千粒重相對有所降低，所以其產(chǎn)量與常規(guī)分次施氮相比并無明顯的差異(表1)。水稻分蘗期的吸氮量較小，拔節(jié)期吸氮量大[7]。根區(qū)一次施氮可在水稻需氮量較小的生長期將更多的養(yǎng)分保存在土壤中不損失(圖1)，進(jìn)而在水稻需氮高峰期能及時(shí)滿足水稻對氮素的吸收，從而能增加水稻各器官的氮吸收(表2)。根區(qū)施氮處理水稻的氮積累量是常規(guī)分次施氮的1.35倍。15N標(biāo)記的結(jié)果顯示根區(qū)施氮處理水稻吸收的氮素幾乎一半來自于肥料氮，平均是常規(guī)分次施氮處理(僅有15% ～ 19% 來自于肥料，表2)的2.6倍，更直接地證明了該施肥方式可顯著促進(jìn)水稻對當(dāng)季氮肥的吸收。此外，從肥料在土壤-作物系統(tǒng)的分配結(jié)果看，根區(qū)一次施肥的優(yōu)勢還在于提高肥料氮在耕層土壤的殘留(相對常規(guī)分次施肥提高了92.9%，表3)和降低肥料氮的損失(相對常規(guī)分次施肥降低了59.3%，表3)，全面闡明了施肥方式對于調(diào)控肥料養(yǎng)分吸收利用的重要作用。也正是因?yàn)楦鶇^(qū)施肥顯著促進(jìn)了水稻對肥料氮的吸收以及降低了肥料氮損失，所以無論是差值法、15N標(biāo)記法計(jì)算的氮肥利用率，還是氮肥真實(shí)利用率，根區(qū)一次施氮處理均顯著高于常規(guī)的分次施氮(表3)。關(guān)于如何提高水稻的氮肥利用率的研究較多，現(xiàn)有研究結(jié)果表明，前氮后移、分次施氮以及以SPAD值來確定施氮量等養(yǎng)分管理措施對于提高氮肥利用率有一定的效果[4-6]。但是如果不改變氮肥表面撒施的施用方式，肥料養(yǎng)分仍然面臨較大損失的風(fēng)險(xiǎn)，所以這些措施提高肥料利用率的空間還是有限的[10]。本文表3結(jié)果顯示在水稻收獲后，根區(qū)施氮相對常規(guī)施氮處理仍有大量的肥料氮?dú)埩粼诟麑油寥乐校@部分養(yǎng)分可能會(huì)有利于后季作物的吸收利用。當(dāng)然，由于水稻之后為小麥旱作，耕層土壤殘留的養(yǎng)分在小麥季的貢獻(xiàn)如何，其在兩季作物間隔期間會(huì)有多大的損失值得進(jìn)一步研究。因?yàn)榭紤]到稻田有堅(jiān)硬的犁底層，本試驗(yàn)只測定了稻田0 ～20 cm耕層土壤的15N含量，并未涉及更深的土層，所以本文的氮肥土壤殘留量要低于真實(shí)殘留量，應(yīng)該還有少部分的肥料氮素隨水遷移到更深層土壤中，這部分養(yǎng)分的比例在后續(xù)的研究中也值得關(guān)注[17]。前人研究結(jié)果顯示，氮肥深施可以顯著降低肥料氨揮發(fā)的損失，尤其在水田中深施氮肥效果更是顯著。Rochette等[22]研究表明，施肥深度大于7.5 cm后基本沒有氨揮發(fā)產(chǎn)生。結(jié)合本文擴(kuò)散試驗(yàn)的結(jié)果(圖1)，我們推測根區(qū)一次施氮處理的氨揮發(fā)損失量應(yīng)該也很低。但是15N示蹤的結(jié)果表明該處理的“其他”部分所占比例占29.7%(表3)。因?yàn)樗靖捣置诘难鯕饪稍诟H創(chuàng)造有氧環(huán)境，利于硝化-反硝化過程的發(fā)生[23]。本文氮肥根區(qū)集中施用后水稻根系周圍的NH4+-N濃度很高，這可能更有利于肥料氮通過硝化-反硝化途徑損失掉。所以水稻根區(qū)施肥下肥料的損失途徑和比例值得進(jìn)一步研究。結(jié)合張朝等[19]對NH4+-N遷移距離(5 cm左右)的研究結(jié)果，我們前期以5 cm為間隔做了一些預(yù)備試驗(yàn)。從預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果看，根區(qū)施肥的位點(diǎn)對于水稻的生長有顯著的影響。該土壤類型下氮肥偏5 cm、深10 cm根區(qū)一次施用的效果較好。而施肥位點(diǎn)離水稻根系太近，高濃度的養(yǎng)分會(huì)導(dǎo)致燒苗，嚴(yán)重影響水稻后期的生長。所以針對具有不同吸附能力的土壤，應(yīng)先通過篩選來確定最佳的施肥距離和深度。

王火焰和周健民[10,12]認(rèn)為施肥殘留在土壤中的肥料態(tài)氮既未損失也未被利用，其利用率只能在以后被消耗時(shí)進(jìn)行測算，在計(jì)算肥料當(dāng)季真實(shí)利用率時(shí)應(yīng)該將其扣除，根據(jù)其提出的肥料真實(shí)利用率的計(jì)算方法，本文比較了不同方法下氮肥利用率的計(jì)算值。結(jié)果顯示差值法計(jì)算的值要高于15N標(biāo)記法，可見該土壤條件下施氮肥具有正激發(fā)效應(yīng)。而真實(shí)利用率只考慮當(dāng)季被消耗的肥料養(yǎng)分的利用率，其計(jì)算結(jié)果與施肥方式造成的損失(即本文中的無法獲得的“其他”部分養(yǎng)分)息息相關(guān)，所以對于肥料當(dāng)季的養(yǎng)分利用率而言，這種計(jì)算方法更能直接反映肥料養(yǎng)分損失的情況。根區(qū)一次施氮雖然顯著提高了水稻對于肥料氮的吸收，但是其生理利用率卻很低(表3)，即其多吸收的氮素多積累于營養(yǎng)器官中，而并未高效地提高籽粒產(chǎn)量(表1)，可能改變施肥方式對于提高當(dāng)?shù)厮井a(chǎn)量的潛力還是有限的。然而從水稻高氮素積累量以及高肥料氮?dú)埩袅康臄?shù)據(jù)看(表1，表3)，根區(qū)一次施氮的施肥方式有進(jìn)一步降低氮肥用量的空間，這值得進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。由于試驗(yàn)涉及的根區(qū)一次施肥方式均為人工操作完成，考慮到工作量(每穴水稻都單株施肥)和田間操作的復(fù)雜性(泥漿狀土壤、精確的施肥位點(diǎn))，試驗(yàn)小區(qū)的面積布置得相對較小，故雖然是在大田條件下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是該施肥方式若要推廣和應(yīng)用，還有待進(jìn)一步進(jìn)行多年、多點(diǎn)、多品種的驗(yàn)證。目前肥料市場在售的氮肥以小顆粒尿素為主，其根區(qū)一次施肥過程中定量施用困難(如水解快、易粘在施肥器械的管壁上等)，不利于機(jī)械操作。故稻田根區(qū)施肥方式的推廣還要依靠水稻插秧施肥一體機(jī)的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

對水稻而言，將常規(guī)的分次施氮改為根下偏5 cm、深10 cm根區(qū)一次施氮模式，可以延長肥料養(yǎng)分在土壤中的貯存時(shí)間，提高耕層土壤速效氮的養(yǎng)分含量，增加水稻對肥料氮的吸收，顯著提高水稻的氮肥利用效率，降低了氮肥當(dāng)季損失量。而針對水稻水田環(huán)境，僅靠人工來執(zhí)行根區(qū)施肥，雖然一次施用降低追肥勞動(dòng)力的投入，但是在施肥過程中比較耗時(shí)耗力，這種施肥方式的推廣要依賴相關(guān)施肥機(jī)械的研發(fā)和應(yīng)用。

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Effects and Principle of Root-zone One-time N Fertilization on Enhancing Rice (Oryza sativa L.) N Use Efficiency

LIU Xiaowei1,2, CHEN Xiaoqin1, WANG Huoyan1*, LU Dianjun1, ZHOU Jianmin1,CHEN Zhaoming1,2, ZHU Dejin3
(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Quality of Cultivated Land Protection Station of Jiangyan District, Taizhou City, Taizhou, Jiangsu 225300, China)

Large amount of N fertilizer is applied for rice production and most of it is broadcasted in soil surface under traditional farmer practice, resulting in severe N loss via ammonia volatilization and running off, causing economic losses and serious pollution threat to environment. Meanwhile labor shortage is increasingly prominent in rural area of China under the trend of the rapid land transfer, thus, an economic and efficient fertilization method is urgent to be explored and popularized. A 2-year field experiment was conducted in the high N input area around the Taihu lake to compare the effect farmer fertilizer practice(FFP, N fertilizer is broadcasted on soil surface and in 3 times evenly) and root-zone one-time fertilization (RZF, N fertilizer was once applied at 5 cm away and 10 cm depth from rice root) on the rice yield and N use efficiency under the traditional N rate (225 kg/hm2). The results showed that on the condition of without planting rice, the highest content of NH4+-N was appeared at soil surface of FFP. The NH4+-N content decreased both with soil depth increased and with time delayed. While for RZF, the highest NH4+-N content was appeared at the fertilization point, and the remained period of NH4+-N content of RZF was longer than that of FFP. The highest content of NH4+-N of RZF were 542.6, 412.1 and 39.8 mg/kg at 30, 60 and 90 d, respectively. The relative higher NH4+-N concentration of RZF in fertilization site persisted at least 60 days. On the condition of planting rice, RZF significantly increased rice productive tiller number, N content of each organs, N accumulation and N use efficiency comparing with FFP. The highest N accumulation of RZF was 196.7 kg/hm2, which increased by 34.9% comparing with FFP. N use efficiency of RZFs were 59.8% (difference method) and 42.5% (15N labeled method), which increased by 22.6 and 30.6 percent points compared with FFP, respectively. RZF significantly reduced fertilizer N loss from 73.0% (FFP) to 29.7%. Root-zone fertilization can not only prolong the N duration in soil, decrease fertilizer-N losses, but also enhance rice uptake and N use efficiency. In general, RZF is a fertilizer-saved and high-efficient fertilization method, but it is worth developing and applying the special root-zone fertilization machinery.

Urea; Rice (Oryza sativa L.); Root-zone fertilization; N use efficiency

S511. 071. 01

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.002

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200108）、江蘇省自然科學(xué)青年基金（BK20161093）、南京土壤研究所一三五計(jì)劃重點(diǎn)培育方向四(ISSASIP1649)項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271309)資助。

* 通訊作者(hywang@issas.ac.cn)

劉曉偉(1986—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士研究生，研究方向?yàn)樽魑餇I養(yǎng)與水稻根區(qū)施肥技術(shù)。E-mail： xwliu@issas.ac.cn