張作合

（綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152061）

0 引 言

2020 年我國(guó)水稻種植面積3 008 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量21 186 萬(wàn)t[1]。為了保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，化學(xué)氮肥的投入量不斷增加，長(zhǎng)期過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致大量的肥料氮素通過(guò)NH3揮發(fā)、徑流、淋溶和硝化反硝化等途徑損失[2]，造成稻田環(huán)境污染。自從2015年國(guó)家提出化肥使用量零增長(zhǎng)目標(biāo)，此后“減氮”行動(dòng)在我國(guó)廣泛開(kāi)展。長(zhǎng)期過(guò)量施用氮肥的稻田土壤肥料氮素殘留量較高，當(dāng)季少施氮肥或不施氮肥也不會(huì)造成減產(chǎn)，但也要綜合考慮生產(chǎn)目標(biāo)、土壤肥力及環(huán)境影響，不能盲目地減施氮肥。長(zhǎng)期過(guò)度減氮會(huì)造成土壤肥力下降，需要根據(jù)土壤氮庫(kù)變化情況來(lái)確定合理的減氮量，適量減施氮肥可以增加水稻產(chǎn)量，提高氮肥利用率。有人提出了緩釋肥[3]、脲酶抑制劑、深施[4]和氮肥運(yùn)籌[5]等方法減施氮肥，然而，上述方法的推廣應(yīng)用受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制，而新型的節(jié)水灌溉減氮配施生物炭模式為合理減氮提供了新的思路，并且亟需在高肥力的寒地黑土區(qū)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。

減施氮肥配施生物炭對(duì)水稻氮肥吸收利用及產(chǎn)量的影響已成為熱點(diǎn)研究問(wèn)題[6-12]。向偉等[8]通過(guò)兩年大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)施氮處理相比，減氮30%+10 t/hm2生物炭處理使水稻產(chǎn)量增加10.0%～17.7%，氮肥利用率增加7.7%～8.1%，氮肥偏生產(chǎn)力增加50%以上。柳瑞等[9,10]研究化學(xué)氮肥減量配施秸稈生物炭對(duì)雙季稻生長(zhǎng)發(fā)育、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響，得出在晚稻抽穗期，減氮配施生物炭植株吸氮量高于常規(guī)施氮和單純減氮，增加幅度為34.8%～52.4%；與常規(guī)施氮相比，減氮40%配施生物炭使早稻產(chǎn)量增加，施用15 t/hm2稻稈生物炭可減施40%的化學(xué)氮肥而保證水稻不減產(chǎn)。類(lèi)似地，阮澤斌等[11]研究也表明，減氮20%并配施生物炭的處理較單純減氮20%處理顯著(P＜0.05)提升水稻根、莖、葉、穗的含氮量，減氮20%、40%并配施生物炭的處理的氮肥表觀(guān)利用率較常規(guī)施氮處理分別提升25.5 和19.4 百分點(diǎn)。而寧川川等[12]研究氮肥減量配施秸稈生物炭對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素吸收的影響，發(fā)現(xiàn)減氮40%導(dǎo)致水稻葉片氮吸收量下降；與常規(guī)施氮相比，減氮40%會(huì)降低水稻產(chǎn)量和籽粒結(jié)實(shí)率，而減氮20%配施生物炭不會(huì)影響水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀。以上研究地點(diǎn)均為南方雙季稻種植區(qū)，主要針對(duì)淹水灌溉稻田開(kāi)展，而關(guān)于東北寒地黑土區(qū)的節(jié)水灌溉減施氮肥配施生物炭的相關(guān)研究較少。且上述研究只計(jì)算了當(dāng)季作物的氮肥利用率，未考慮殘留的肥料氮素對(duì)土壤氮消耗的補(bǔ)充。為了使氮肥施用能夠與水稻產(chǎn)量、土壤肥力等緊密聯(lián)系，在高肥力的黑土區(qū)將殘留的肥料氮素作為對(duì)土壤氮素的補(bǔ)償來(lái)計(jì)算肥料利用率非常必要。

本文以不施生物炭加110 kg/hm2氮肥處理作為對(duì)照，采用15N 示蹤技術(shù)，研究節(jié)水灌溉減施氮肥配施生物炭下基肥、蘗肥、穗肥、氮肥總有效率和損失率，以期為節(jié)水灌溉減氮配施生物炭在寒地黑土稻田的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020 年在黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)水稻灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站(46°57'28″N，127°40'45″E)位于第三積溫帶，氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。多年平均氣溫2～3 ℃，平均日照時(shí)數(shù)為2 600 h，作物水熱生長(zhǎng)期為156～171 d，多年平均降水量500～600 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為700～800 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的水稻秸稈生物炭（pH 值8.86，含碳42.72%，含氮1.26%），每公頃稻草可制成顆粒狀生物炭約2.5 t。供試土壤為黑土，表層土壤理化性質(zhì)：pH 值為6.42，有機(jī)質(zhì)42.51 g/kg，全氮1.62 g/kg，全磷15.43 g/kg，全鉀20.08 g/kg，堿解氮168.37 mg/kg，速效磷34.54 mg/kg，速效鉀125.81 mg/kg。種植品種綏粳18，插秧密度為25穴/m2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

淺濕干灌溉模式各生育期水分管理見(jiàn)圖1，利用土壤水分測(cè)定儀測(cè)定土壤含水率，當(dāng)土壤含水率接近或低于灌水下限時(shí)，灌水至上限。施氮量設(shè)4 個(gè)水平，即110 kg/hm2(當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)，N1)、99 kg/hm2(減氮10%，N2)、88 kg/hm2(減氮20%，N3)、77 kg/hm2(減氮30%，N4)。生物炭施用量設(shè)4個(gè)水平，即0 t/hm2（B0）、2.5 t/hm2（B1）、12.5 t/hm2（B2）、25 t/hm2（B3）。田間小區(qū)試驗(yàn)處理具體設(shè)置見(jiàn)表1，共計(jì)10 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共30 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)為25 m2的正方形，并進(jìn)行隨機(jī)排列。生物炭在上一年水稻收獲后于土壤表層施入；氮肥按基肥（50%）、蘗肥（20%）和穗肥（30%）分三期施入；80 kg/hm2的K2O 按基肥（50%）、穗肥（50%）分兩期施入；45 kg/hm2的P2O5全部作為基肥施入。施用肥料為尿素(N 含量為46.4%)、過(guò)磷酸鈣(P2O5含量為12%)、硫酸鉀(K2O 含量為52%)，并計(jì)算實(shí)際的施入量。試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置15N示蹤微區(qū)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)預(yù)埋4 m2無(wú)底鋼制方形框，微區(qū)內(nèi)施用豐度為10.22%的15N 標(biāo)記尿素（上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)），其他條件與所在小區(qū)相同。

表1 田間小區(qū)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 Treatment design of field plot experiment

圖1 淺濕干灌溉模式各生育期水分管理Fig.1 Water management in different growth stages of shallow wet dry irrigation model

1.4 樣品的采集與測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[13]計(jì)算植株中肥料-15N 總積累量N(total)(kg/hm2)為：

式中：N(b)為植株中基肥-15N 積累量；N(t)為植株中蘗肥-15N 積累量；N(p)為植株中穗肥-15N積累量。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]計(jì)算肥料-15N在稻田土壤中的總殘留量RN(total)(kg/hm2)為：

式中：RN(b)為基肥-15N 在0～20 cm 土層殘留量；RN(t)為蘗肥-15N在0～20 cm 土層殘留量；RN(p)為穗肥-15N 在0～20 cm 土層殘留量。

稻田土壤中的基肥、蘗肥、穗肥和肥料總氮素殘留率(%)為：

式中：NF為各時(shí)期施氮量，kg/hm2。

氮肥有效率是指氮肥被作物吸收量和在主要根區(qū)土壤中殘留量之和占施入氮肥的百分率[15]。水稻植株吸氮量包括莖鞘、葉片和籽粒等吸收肥料-15N的量。稻田土壤肥料氮素殘留量指在0～20 cm 土層殘留的肥料-15N。當(dāng)季水稻植株主要消耗主根區(qū)的土壤氮素，殘留的肥料-15N也主要對(duì)主根區(qū)的土壤氮素進(jìn)行補(bǔ)充。深層殘留的肥料-15N被后季水稻植株利用幾率非常小，被當(dāng)作肥料-15N損失量?；?b)、蘗肥(t)、穗肥(p)和氮肥總(total)有效率(%)計(jì)算公式：

基肥、蘗肥、穗肥和氮肥總損失率(%)為：

其他：水稻成熟期進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，DZZ2 型自動(dòng)氣象站記錄氣象數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 2020年水稻生長(zhǎng)期氣溫和降水量日變化Fig.2 Daily variation of air temperature and precipitation in 2020

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤中肥料氮素殘留量和殘留率

由表2 可知，各處理稻田表層（0～20 cm）土壤中基肥-15N、蘗肥-15N、穗肥-15N 和肥料-15N 總的殘留情況。除B1N3和B1N4 處理外，其他處理0～20 cm 土層中基肥-15N 殘留量均高于B0N1 處理；相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中基肥-15N殘留量隨著生物炭施用量增加而增加；相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中基肥-15N 殘留量隨著氮肥減施量增加而減少。除B2N2、B3N2 和B3N3 處理外，其他處理0～20 cm 土層中蘗肥-15N 殘留量均低于B0N1 處理；相同氮肥減施水平0～20 cm土層中蘗肥-15N殘留量隨著生物炭施用量增加而增加，相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中蘗肥-15N 殘留量隨著氮肥減施量增加而減少。減施氮肥配施生物炭各處理0～20 cm 土層中穗肥-15N 殘留量均低于B0N1 處理；相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中穗肥-15N殘留量隨著生物炭施用量增加而增加，相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中穗肥-15N 殘留量隨著氮肥減施量增加而減少。除B2N2、B3N2 和B3N3 處理外，其他處理0～20 cm 土層中肥料-15N 總殘留量均低于B0N1處理；相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中肥料-15N 總殘留量隨著生物炭施用量增加而增加，相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中肥料-15N 總殘留量隨著氮肥減施量增加而減少。研究結(jié)果表明，適量施加生物炭可以提高0～20 cm 土層中各階段施用氮肥的殘留量，減施氮肥會(huì)降低0～20 cm土層中各階段施用氮肥的殘留量。

表2 各處理稻田表層土壤中肥料-15N殘留量 kg/hm2Tab.2 Residue of nitrogen-15N in topsoil of paddy field in each treatment

由圖3可知，各處理稻田表層土壤中不同階段施用氮肥的殘留率。減施氮肥配施生物炭各處理0～20 cm 土層中基肥-15N殘留率均高于B0N1 處理；相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中基肥-15N殘留率隨著生物炭施用量增加而增加，且各處理之間差異顯著(P＜0.05)；相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中基肥-15N殘留率隨著氮肥減施量增加而增加，且各處理之間差異顯著(P＜0.05)。減施氮肥配施生物炭各處理0～20 cm 土層中蘗肥-15N 殘留率均高于B0N1 處理；相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中蘗肥-15N殘留率隨著生物炭施用量增加而增加，且各處理之間差異顯著(P＜0.05)；相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中蘗肥-15N殘留量隨著氮肥減施量增加而減少。減施氮肥配施生物炭各處理0～20 cm 土層中穗肥-15N 殘留率均低于B0N1 處理；相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中穗肥-15N 殘留率隨著生物炭施用量增加而增加，且各處理之間差異顯著(P＜0.05)；相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中穗肥-15N 殘留率隨著氮肥減施量增加而減少。除B1N2和B1N3處理外，其他處理0～20 cm土層中肥料-15N 總殘留率均高于B0N1 處理；相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中肥料-15N 總殘留率隨著生物炭施用量增加而增加，且各處理之間差異顯著(P＜0.05)；相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中肥料-15N 總殘留率隨著氮肥減施量增加而增加。研究結(jié)果表明，適量施加生物炭可以提高0～20 cm 土層中各階段施用氮肥的殘留率。

圖3 各處理基肥、蘗肥、穗肥和氮肥總殘留率Fig.3 The total residual rates of base fertilizer, tiller fertilizer, panicle fertilizer and nitrogen fertilizer in each treatment

2.2 節(jié)水灌溉減氮配施生物炭下水稻產(chǎn)量和氮素吸收量

由表3 可知，各處理稻作產(chǎn)量及稻株對(duì)基肥-15N、蘗肥-15N、穗肥-15N、肥料-15N 和土壤氮素的吸收量。B2N2、B3N2、B2N3 處理稻作產(chǎn)量較B0N1 處理分別提高6.85%、2.15%、6.38%，其他處理稻作產(chǎn)量較B0N1 處理降低了1.46%～16.99%。除B2N2 和B2N3 處理外，其他處理稻株對(duì)基肥-15N 的吸收量均低于B0N1 處理；相同氮肥減施水平稻株對(duì)基肥-15N的吸收量隨著生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；相同生物炭施用水平稻株對(duì)基肥-15N的吸收量隨著氮肥減施量增加而減少。除B2N2、B3N2 和B2N3 處理外，其他處理稻株對(duì)蘗肥-15N 的吸收量均低于B0N1 處理；相同氮肥減施水平稻株對(duì)蘗肥-15N的吸收量隨著生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；相同生物炭施用水平稻株對(duì)蘗肥-15N的吸收量隨著氮肥減施量增加而減少。除B2N2、B3N2 和B2N3 處理外，其他處理稻株對(duì)穗肥-15N 的吸收量均低于B0N1 處理；相同氮肥減施水平稻株對(duì)穗肥-15N的吸收量隨著生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；相同生物炭施用水平稻株對(duì)穗肥-15N的吸收量隨著氮肥減施量增加而減少。除B2N2 和B2N3 處理外，其他處理稻株對(duì)肥料-15N 總吸收量均低于B0N1 處理；相同氮肥減施水平稻株對(duì)肥料-15N總吸收量隨著生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；相同生物炭施用水平稻株對(duì)肥料-15N總吸收量隨著氮肥減施量增加而減少。研究結(jié)果表明，適量施加生物炭可以提高稻作產(chǎn)量以及稻株對(duì)各階段施用氮肥的吸收量，減施氮肥會(huì)降低稻作產(chǎn)量稻株對(duì)各階段施用氮肥的吸收量。

表3 各處理稻作產(chǎn)量及對(duì)肥料氮素的吸收量 kg/hm2Tab.3 Rice yield and uptake of fertilizer nitrogen by each treatment

2.3 節(jié)水灌溉減氮配施生物炭下氮肥有效率

由圖4 可知，各處理的基肥-15N、蘗肥-15N、穗肥-15N 和肥料-15N總有效率。減施氮肥配施生物炭各處理基肥-15N的有效率均高于B0N1 處理，其中B2N3 處理增幅最大為41.12%；相同氮肥減施水平基肥-15N的有效率隨著生物炭施用量增加而增加，B2處理和B3處理之間無(wú)顯著差異(P＞0.05)；B1處理和B3 處理基肥-15N 的有效率隨著氮肥減施量增加而增加，B2 處理基肥-15N的有效率隨著氮肥減施量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)。減施氮肥配施生物炭各處理蘗肥-15N 的有效率均高于B0N1 處理，其中B2N3 處理增幅最大為31.48%；相同氮肥減施水平蘗肥-15N的有效率隨著生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；B1 處理蘗肥-15N 的有效率隨著氮肥減施量增加而增加，B2 處理蘗肥-15N 的有效率隨著氮肥減施量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，B3 處理蘗肥-15N 的有效率隨著氮肥減施量增加而減小。除B2N2、B2N3 和B2N4 處理外，其他處理穗肥-15N 的有效率均低于B0N1 處理，其中B2N3 處理增幅最大為16.57%，B3N4處理降幅最大為22.28%；相同氮肥減施水平穗肥-15N 的有效率隨著生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；B1 處理穗肥-15N 的有效率隨著氮肥減施量增加而增加，B2 處理穗肥-15N 的有效率隨著氮肥減施量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，B3 處理穗肥-15N 的有效率隨著氮肥減施量增加而減小。減施氮肥配施生物炭各處理肥料-15N的總有效率均高于B0N1 處理，其中B2N3 處理增幅最大為29.23%；相同氮肥減施水平肥料-15N的總有效率隨著生物炭施用量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)；B1 處理肥料-15N 的總有效率隨著氮肥減施量增加而增加，B2 處理肥料-15N 的總有效率隨著氮肥減施量增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，B3 處理肥料-15N 的總有效率隨著氮肥減施量增加而減小。研究結(jié)果表明，合理的減施氮肥配施生物炭可以提高各階段施用氮肥的有效率，過(guò)量地減施氮肥或施加生物炭均會(huì)降低各階段施用氮肥的有效率。

圖4 各處理基肥、蘗肥、穗肥和氮肥總有效率Fig.4 The total efficiency of base fertilizer, tiller fertilizer, panicle fertilizer and nitrogen fertilizer in each treatment

2.4 節(jié)水灌溉減氮配施生物炭下稻田氮肥損失率

由圖5可知，各處理的各階段施用氮肥的損失率。減施氮肥配施生物炭各處理基肥-15N 的損失率均低于B0N1 處理，其中B2N3 處理降幅最大為25.73%；相同氮肥減施水平基肥-15N的損失率隨著生物炭施用量增加而減小，B2 處理和B3 處理之間無(wú)顯著差異(P＞0.05)；B1 處理和B3 處理基肥-15N 的損失率隨著氮肥減施量增加而減小，B2 處理基肥-15N 的損失率隨著氮肥減施量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)。減施氮肥配施生物炭各處理蘗肥-15N 的損失率均低于B0N1 處理，其中B2N3 處理降幅最大為48.13%；相同氮肥減施水平蘗肥-15N 的損失率隨著生物炭施用量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)；B1 處理蘗肥-15N 的損失率隨著氮肥減施量增加而減小，B2 處理蘗肥-15N的損失率隨著氮肥減施量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，B3 處理蘗肥-15N 的損失率隨著氮肥減施量增加而增加。除B2N2、B2N3 和B2N4 處理外，其他處理穗肥-15N 的損失率均高于B0N1 處理，其中B3N4 處理增幅最大為46.04%，B2N3 處理降幅最大為34.25%；相同氮肥減施水平穗肥-15N 的損失率隨著生物炭施用量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)；B1 處理穗肥-15N的損失率隨著氮肥減施量增加而減小，B2 處理穗肥-15N 的損失率隨著氮肥減施量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，B3 處理穗肥-15N的損失率隨著氮肥減施量增加而增加。減施氮肥配施生物炭各處理肥料-15N的總損失率均低于B0N1處理，其中B2N3處理增幅最大為31.11%；相同氮肥減施水平肥料-15N 的總損失率隨著生物炭施用量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)；B1 處理肥料-15N 的總損失率隨著氮肥減施量增加而減小，B2 處理肥料-15N 的總損失率隨著氮肥減施量增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，B3處理肥料-15N 的總損失率隨著氮肥減施量增加而增加。研究結(jié)果表明，合理的減施氮肥配施生物炭可以降低各階段施用氮肥的損失率，過(guò)量地減施氮肥或施加生物炭均會(huì)提高各階段施用氮肥的損失率。

3 討 論

傳統(tǒng)的氮肥利用率反映的僅是氮肥當(dāng)季的表觀(guān)利用率，極易受土壤類(lèi)型及肥力、氮肥施用量和產(chǎn)量等因素的影響[16,17]。其中施氮肥處理扣除了不施氮肥處理的吸氮量，這種做法是非常不科學(xué)的，主要是因?yàn)椴皇┑侍幚淼牡毓?yīng)主要依靠前期施用氮肥的殘留效應(yīng)，前期殘留效應(yīng)越高，計(jì)算出的當(dāng)季氮肥利用率就越低，這就造成了計(jì)算得到的氮肥利用率偏低且不穩(wěn)定[18,19]。為了解決該問(wèn)題，沈善敏[20]提出了利用比值法來(lái)估算氮肥的利用率，其中土壤氮素吸收量被作為作物吸氮量的組成，氮肥有效率計(jì)算時(shí)包含了氮肥補(bǔ)充的土壤氮消耗部分，導(dǎo)致計(jì)算數(shù)值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氮肥利用率。之后出現(xiàn)了疊加利用率，它分析的是氮素的產(chǎn)出和投入比值，在計(jì)算時(shí)考慮了氮肥殘留效應(yīng)，以及后季作物對(duì)殘留的氮肥利用情況，但在土壤內(nèi)循環(huán)過(guò)程中投入氮還是被作為“黑箱”處理[21]。后來(lái)學(xué)者[22]提出了氮肥真實(shí)利用率，該方法涉及到了后季作物的肥料-15N殘留效應(yīng)，但是并未提及肥料-15N殘留對(duì)土壤氮素消耗的補(bǔ)償效應(yīng)。同時(shí)，在15N 示蹤試驗(yàn)中，由于后季連續(xù)施加氮肥，使水稻根系在巨大土壤氮庫(kù)中吸收殘留的肥料-15N幾率變小，導(dǎo)致后季水稻植株對(duì)殘留肥料-15N的利用率變得很低。只有將殘留肥料-15N作為對(duì)土壤氮消耗的補(bǔ)償作用考慮進(jìn)去，才能客觀(guān)反映肥料-15N的環(huán)境損失，更全面地分析肥料氮素的去向[15]。在主根區(qū)土壤-作物系統(tǒng)中肥料-15N 的轉(zhuǎn)化及流動(dòng)過(guò)程是內(nèi)循環(huán)，合理施氮時(shí)向環(huán)境擴(kuò)散損失量很低。因此，巨曉棠[15]提出了氮肥有效率，只將氮肥施用后離開(kāi)作物主根區(qū)的肥料-15N 作為無(wú)效氮考慮，包括氣體(NH3揮發(fā)和N2O 排放等)、徑流和淋溶損失等，而將水稻植株吸收的肥料-15N、主根區(qū)殘留的肥料-15N 視為有效肥料氮。精確得到肥料-15N量被水稻植株吸收、在稻田土壤中殘留以及在環(huán)境中損失的實(shí)際值，使氮肥施用與水稻產(chǎn)量、土壤肥力等緊密聯(lián)系。朱兆良等[23]通過(guò)田間原位觀(guān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)氮肥利用率為35%左右，NH3揮發(fā)損失11%，硝化反硝化損失34%，淋溶損失2%，徑流損失5%，其他損失為13%（主要是農(nóng)田土壤中的殘留），通過(guò)計(jì)算得到氮肥有效率是48%，這與本文中B0N1處理計(jì)算結(jié)果51.55%非常接近，而應(yīng)用節(jié)水灌溉減氮配施生物炭模式可以使氮肥有效率最高提升至66.63%。節(jié)水灌溉減氮配施生物炭是提高氮肥有效率、降低肥料氮素?fù)p失的有效途徑之一。稻田土壤含水量會(huì)影響經(jīng)NH3揮發(fā)損失，影響氮的固持和礦化、硝化和反硝化作用以及水稻植株對(duì)氮素的吸收，從而間接影響其他途徑引起的肥料氮素?fù)p失。節(jié)水灌溉模式下碳氮循環(huán)緊密聯(lián)系，在植物-土壤系統(tǒng)中，碳的微生物有效性既影響氮的礦化與生物固持，也影響氮的反硝化損失[24,25]。稻田施加生物炭后改善了土壤通氣狀況，抑制反硝化作用，改變了稻田土壤微生物環(huán)境及酶活性，增強(qiáng)土壤固氮能力[14]，另外其對(duì)NH4+-N和NO3--N的吸附作用，也可以減少氮素的淋溶損失[26,27]，從而增加了肥料氮素在稻田土壤中的殘留量。而LIU 等[28]發(fā)現(xiàn)，生物炭雖然可以減少氮淋失量，但卻增加了NH3揮發(fā)量，施加量超過(guò)40 t/hm2將增加氮損失。

若不惜以耗竭土壤氮為代價(jià)，只片面追求傳統(tǒng)的氮肥利用率提高，就會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的土壤氮庫(kù)失衡[29,30]。因此，判斷氮素管理水平時(shí)，必須把氮肥利用率和土壤氮素盈虧結(jié)合起來(lái)。有研究表明，土壤氮素盈虧是衡量氮素投入生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的最有效指標(biāo)[31]。長(zhǎng)期過(guò)量施加氮肥，土壤氮素大量盈余，會(huì)造成水稻產(chǎn)量降低和氮素?fù)p失增加[32]。生物炭中所含的氮和肥料殘留氮素補(bǔ)充了土壤氮素的消耗，同時(shí)施加生物炭增強(qiáng)了稻田土壤對(duì)氮素的持留能力，增加土壤有機(jī)氮庫(kù)，提高土壤肥力和氮肥有效率[33]，減少氮素?fù)p失[34]。節(jié)水灌溉合理減氮配施生物炭是維持土壤氮庫(kù)平衡的最佳模式，既可以保證目標(biāo)產(chǎn)量和作物的氮素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，又可以維持土壤氮庫(kù)平衡，使氮肥損失降低。

因此，在高肥力黑土水稻種植區(qū)生物炭施用量應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)，通過(guò)合理的水碳氮調(diào)控，維持或提高土壤肥力，并大幅度地減少氮肥投入量和肥料氮素?fù)p失量。綜合來(lái)看，在寒地黑土水稻種植區(qū)可以提高氮肥有效率，降低氮素的環(huán)境損失，但其長(zhǎng)期效應(yīng)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

（1）相同氮肥減施水平0～20 cm 土層中基肥-15N、蘗肥-15N、穗肥-15N 和肥料-15N 總殘留量和殘留率隨著生物炭施用量增加而增加；相同生物炭施用水平0～20 cm 土層中基肥-15N和肥料-15N總殘留量和殘留率隨著氮肥減施量增加而增加，蘗肥-15N和穗肥-15N殘留量隨著氮肥減施量增加而減少。適量施加生物炭可以提高0～20 cm 土層中各階段施用氮肥的殘留量和殘留率。

（2）B2N2、B3N2、B2N3 處理稻作產(chǎn)量較B0N1 處理分別提高6.85%、2.15%、6.38%。適量施加生物炭可以提高稻作產(chǎn)量以及稻株對(duì)基肥-15N、蘗肥-15N、穗肥-15N 和肥料-15N 總吸收量。B2N3 處理各階段施用氮肥的有效率較B0N1 處理增幅最大，分別為41.12%、31.48%、16.57%、29.23%。合理的減施氮肥配施生物炭可以提高各階段施用氮肥的有效率，過(guò)量地減施氮肥或施加生物炭均會(huì)降低各階段施用氮肥的有效率。

（3）B2N3 處理階段施用氮肥的損失率較B0N1 處理降幅最大，分別為25.73%、48.13%、34.25%、31.11%。合理的減施氮肥配施生物炭可以降低各階段施用氮肥的損失率，過(guò)量地減施氮肥或施加生物炭均會(huì)提高各階段施用氮肥的損失率。