减氮增密对水稻产量、氮素吸收及土壤剖面养分分布的影响

薛金元，许芳芳，王娟娟，杨建昌，王桂良，钱晓晴

(1.扬州大学 环境科学与工程学院，江苏 扬州 225000； 2.扬州大学 农学院，江苏 扬州 225009)

为了推进化肥零增长行动，促进国家农业绿色可持续发展，减肥增效工作在不同作物上广泛开展[1]。水稻是我国重要的粮食作物，世界近50%以上的人口以稻米为主食[2-3]。随着社会的进步和人口数量的不断增长，人均粮食需求量也日益增加。近年来，随着水稻高产潜力品种推广，农户氮肥施用量也越来越大，施氮量的增加成为水稻增产的主要方式[4]。但氮肥的过量投入不仅增加了肥料成本，而且土壤中未能被作物有效利用的氮肥会残留在土壤剖面中，通过氨挥发、反硝化脱氮、径流与渗漏等途径损失，导致氮素流失严重，稻田的平均氮肥吸收利用率低，环境污染加剧[5]。因此，发展以作物高产为主要目的，协同资源与环境保护措施的三位一体种植模式是促进国家农业绿色可持续发展的重要途径。减缓农田氮素损失造成的环境影响，首先必须从农业生产的源头控制氮素的无效投放。目前，氮污染源头控制的主要方式之一是减氮[6]，但由于长期大水大肥的管理模式导致了作物对大水大肥的依赖性，简单地推行减少化学氮肥的措施，往往会导致作物穗数不够而减产。因此，减氮条件下适度增加密度是促进水稻生长、确保水稻单产稳定甚至进一步提高的技术方向[7]。HUANG等[8]研究认为，早稻行穴距30 cm×15 cm比30 cm×20 cm的产量高17%。朱聪聪等[9]的研究表明，适当增加种植密度可有效提高水稻的产量，从而弥补减氮可能造成的减产风险。土壤剖面养分的分布累积特征可以在一定程度上表示土壤养分的供给能力，能显著影响氮肥肥效，可作为土壤供氮指标，进而反映土壤可持续利用能力[10-11]，另外，在灌溉和强降雨时土壤剖面的速效养分也可能会引起淋洗损失，进入地下水，威胁生态环境安全[12]。但目前有关减氮增密研究侧重于产量和植株养分吸收，对稻田剖面养分的分布与累积研究较少，因此，通过田间试验，开展减氮增密对水稻产量、氮素吸收及成熟期土壤剖面养分含量影响的研究，旨在从土壤养分方面为减氮而不减产环境友好的栽培技术研究提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在扬州大学农学院试验农场进行。该地属暖温带季风气候区，位于东经119°24′、北纬32°23′。试验地土壤质地为砂壤土，前茬作物为小麦，采集耕作层0～20 cm土样，风干磨细测定基本理化性质，有机质含量18.8 g/kg、碱解氮含量99.4 mg/kg、速效磷含量84.3 mg/kg、速效钾含量124.1 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设置4个处理，每处理重复3次，随机区组排列。(1)氮空白(CK)：全程不施氮肥。(2)当地常规施氮(N)：总施氮量(纯氮，以下同)为300 kg/hm2。(3)减氮(JN)：减氮10%，总施氮量为270 kg/hm2。(4)减氮增密(ZM)：减氮10%(总施氮量为270 kg/hm2)，密度增加20%。供试水稻品种为武运粳24。5月25日播种，6月13日移栽，每穴3苗。小区面积30 m2(5.76 m×5.2 m)，小区之间筑田埂并用塑料薄膜包裹，以防水分串灌、氮素侧渗，并在田间设保护行。

栽插密度：CK处理、N处理、JN处理栽插株行距均为13.3 cm×30 cm，ZM处理栽插株行距为10.7 cm×30 cm。

肥料施用：所有处理均施用磷肥和钾肥。磷肥用过磷酸钙肥料(含P2O513.5%)，折合P2O5量90 kg/hm2，于移栽前作基肥一次性施入。钾肥用氯化钾肥料(含K2O 63%)，折合K2O 120 kg/hm2，分基肥和拔节肥2次施用，比例为6∶4。所有施氮处理的氮肥运筹方式按基肥(移栽前)∶分蘖肥(移栽后7 d)∶促花肥(叶龄余数3.5)∶保花肥(叶龄余数1.2)=4∶2∶2∶2进行。密度与施肥量情况具体见表1。

表1 试验处理情况

灌溉方式：以上处理除生育中期排水搁田外，其余时期保持水层至收获前7 d断水。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 籽粒产量及其构成因素、植株氮含量测定 收获水稻前从各处理小区随机选取具有代表性的3穴植株，烘干粉碎后采用H2SO4-H2O2消煮，显色法测定植株全氮含量[13]记作植株氮含量；同时在各小区按平均穗数取2个10穴，用于考种，考察穗数、每穗粒数、千粒质量、结实率等。取样后，各小区实收2个1 m2稻谷，晒干后测定籽粒产量。

1.3.2 土壤养分含量测定 在水稻分蘖期、拔节期、抽穗期、成熟期采集0～20 cm土样，风干磨细过筛测定硝态氮、铵态氮含量，二者相加即为土壤速效氮含量；在水稻收获后采集 1 m 深土壤剖面样品，每层20 cm，风干磨细过筛测定每层土壤全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、有机质含量，具体测定方法均参照文献[13]。同时计算各处理0～100 cm土层中各养分含量平均值。

1.4 数据统计与分析

1.4.1 氮肥吸收利用率和氮素生产率计算方法

植株吸氮量=植株氮含量×单位面积干物质量;

氮肥吸收利用率=(施氮区地上部吸氮量-不施氮区地上部吸氮量)/施氮量×100%；

氮素生产率=水稻籽粒产量/成熟期水稻植株氮含量×100[14]。

1.4.2 数据处理 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。采用LSD法进行多重比较，差异显著水平为0.05。利用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 减氮增密对水稻籽粒产量及其构成因素的影响

根据考种结果，N、JN、ZM处理产量分别为9.6、9.5、10.2 t/hm2，均显著高于CK产量(5.8 t/hm2)，较CK处理分别提高了65.5%、63.8%、75.9%。JN处理与N处理产量差异不显著，均显著低于ZM处理；ZM处理产量较N、JN处理分别提高了6.3%、7.4%。穗数与产量变化趋势相似，JN处理与N处理穗数分别为254.5×104、259.2×104穗/hm2，差异不显著，但均显著高于CK处理穗数(166.3×104穗/hm2)，显著低于ZM穗数(273.9×104穗/hm2)。N、JN、ZM处理间每穗粒数差异不显著，其平均值为165.7粒/穗，比CK处理增加了19.6%；N、JN、ZM处理间千粒质量差异不显著，其平均值为26.6 g，比CK处理减小了4.3%；N、JN、ZM处理间结实率差异不显著，其平均值为84.5%，比CK处理减小了6.9%。ZM处理的产量构成相关因素与其他处理存在一定的差异，但只有穗数与其他处理(CK处理除外)差异达显著水平。可见，与常规施氮或者减氮处理相比，减氮增密处理显著提高了穗数，从而显著提高了产量。

2.2 减氮增密对植株吸氮量及氮肥吸收利用率的影响

由表2可知，各处理植株吸氮量从高到低依次为ZM>N>JN>CK，与产量趋势相同。N、JN、ZM处理植株吸氮量均显著高于CK处理，较CK处理分别提高了146.7%、139.6%、156.2%；ZM处理较JN、N处理植株吸氮量分别显著提高了6.9%、3.8%。从氮肥吸收利用率看，从高到低依次为ZM>JN>N，JN、ZM处理较N处理氮肥吸收利用率分别提高了5.7%、18.3%，且差异显著；ZM处理氮肥吸收利用率较JN、N处理分别提高11.9%、18.3%。从氮素生产率来看，从高到低依次为CK>ZM>JN>N，ZM处理较N处理氮素生产率显著提高了2.2%。可见，与常规施氮或者减氮相比，减氮增密能显著提高植株吸氮量和氮肥吸收利用率。

表2 减氮增密对水稻植株吸氮量及氮肥吸收利用率的影响

2.3 减氮增密对土壤速效氮含量的影响

不同生育时期0～20 cm土壤速效氮含量的动态变化如表3所示，随着水稻生育时期的推进，各处理速效氮含量总体呈下降趋势。对比各处理速效氮含量发现，在所有生育时期中，CK处理速效氮含量一直最低；在水稻分蘖期，JN、ZM处理较N处理速效氮含量分别降低了33.5%、28.8%，且差异显著，但在水稻拔节期之后，N、JN、ZM处理间速效氮含量较接近，差异均未达到显著水平。综上，减氮以及减氮增密处理较当地常规施氮处理在生育前期(分蘖期)可显著降低耕作层(0～20 cm)土壤速效氮含量。

表3 减氮增密对水稻不同生育时期耕作层(0～20 cm)土壤速效氮含量的影响

2.4 减氮增密对土壤养分含量及剖面分布的影响

2.4.1 有机质含量 土壤有机质含量的剖面分布如图1所示。各处理土壤有机质含量总体随土层深度的增加而下降。在0～20 cm土层中各处理有机质含量存在显著差异，N、JN、ZM处理有机质较CK处理分别提高了18.7%、11.4%、31.6%；JN较N处理有机质含量降低了6.1%，而ZM较N处理显著提高了11.0%。与0～20 cm土层相比，20 cm以下土层土壤有机质含量大幅度减少，各处理有机质含量差异不大，但ZM处理有机质含量均表现为最高。从0～100 cm有机质含量平均值来看，CK、N、JN、ZM处理有机质含量平均值分别为8.3、8.8、8.4、9.6 g/kg，JN处理较N处理有机质含量降低了4.5%，但ZM较JN、N处理提高了14.3%、9.1%。由此说明，减氮增密较当地常规施氮或减氮处理能增加土壤剖面有机质含量。

图1 减氮增密对水稻土壤有机质含量及剖面分布的影响

2.4.2 全氮含量 土壤全氮含量的剖面分布见图2，相同处理不同土层土壤全氮含量随土层深度增加而减少。在0～20 cm土层中各处理土壤全氮含量均高于CK处理，N、JN、ZM处理全氮含量较CK处理分别显著提高了30.3%、20.6%、28.8%；JN处理较N处理全氮含量降低了7.5%，ZM处理较N处理全氮含量仅降低了1.2%。与0～20 cm土层相比，20 cm以下土层土壤全氮含量大幅度减少。从0～100 cm全氮含量平均值来看，CK、N、JN、ZM处理全氮含量平均值分别为0.4、0.7、0.5、0.6 g/kg，JN、ZM较N处理全氮含量分别降低了28.6%、14.3%；ZM较JN处理全氮含量提高了20.0%。综上表明，与当地常规施氮相比减氮以及减氮增密均会降低土壤全氮含量。

图2 减氮增密对水稻土壤全氮含量及剖面分布的影响

2.4.3 碱解氮含量 从图3可以看出，土壤碱解氮含量随土层深度增加而减少，且随土层深度的增加，各处理碱解氮含量的差异变小。在0～20 cm土层中，各处理碱解氮含量均高于CK处理，N、JN、ZM处理较CK处理碱解氮含量分别提高了15.5%、5.4%、8.8%；JN、ZM较N处理碱解氮含量分别降低了8.8%、5.8%。与0～20 cm土层相比，20 cm以下土层碱解氮含量大幅度减少，在80～100 cm土层中，各处理碱解氮含量介于19.2～24.2 mg/kg。从0～100 cm碱解氮含量平均值来看，CK、N、JN、ZM处理碱解氮含量平均值分别为36.2、45.4、39.8、39.4 mg/kg，JN、ZM处理较N处理碱解氮含量分别降低了12.3%、13.2%。上述结果表明，减氮以及减氮增密较当地常规施氮均会降低土壤碱解氮含量。

图3 减氮增密对水稻土壤碱解氮含量及剖面分布的影响

2.4.4 速效磷含量 由图4可知，土壤速效磷主要集中在0～20 cm土层中，随着土壤剖面加深，土壤速效磷含量呈下降趋势，但随着土层深度的增加，各处理速效磷含量差异减小。在0～20 cm土层中，各处理速效磷含量均低于CK处理，N、JN、ZM处理较CK处理速效磷含量分别降低了5.8%、4.6%、9.4%，且差异显著，其中，ZM处理较N处理速效磷含量显著降低了3.8%。在20～40 cm土层土壤中，速效磷含量表现为JN>CK>ZM>N。CK、N、JN、ZM处理速效磷含量在0～100 cm中的平均值分别为70.1、69.3、71.0、68.0 mg/kg，ZM较N、JN处理速效磷含量分别降低了1.9%、4.2%。可见，减氮增密处理较当地常规施氮处理可降低0～20 cm土层速效磷含量，增加20～40 cm土层速效磷含量。

图4 减氮增密对水稻土壤速效磷含量及剖面分布的影响

2.4.5 速效钾含量 由图5可见，土壤速效钾主要集中在0～20 cm土层中，随着土壤剖面加深，土壤速效钾含量呈下降趋势，但在20～100 cm各土层中速效钾下降幅度减小。在0～20 cm土层中，各处理土壤速效钾含量均低于CK处理，N、JN、ZM处理较CK处理速效钾含量分别降低了15.2%、7.9%、6.0%，且差异显著，JN较N处理速效钾含量提高了8.6%，而ZM较N处理速效钾含量显著提高了10.9%。在20～100 cm各土层中JN、ZM较N处理速效钾含量上下波动。从0～100 cm土层速效钾含量平均值来看，CK、N、JN、ZM处理速效钾含量平均值分别为69.9、67.7、70.9、69.5 mg/kg，各处理之间差异不显著。综上说明，减氮以及减氮增密较当地常规施氮处理均会显著提高0～20 cm土层速效钾含量。

图5 减氮增密对水稻土壤速效钾含量及剖面分布的影响

3 结论与讨论

3.1 减氮增密对水稻产量及氮肥吸收利用率的影响

凌启鸿等[15]、周旋等[16]的研究表明，提高水稻茎蘖成穗率，水稻抽穗前同时可提高干物质积累量，从而为后期籽粒灌浆提供更多的能量来源，提高成熟期籽粒千粒质量。另外，还有研究证明，穗数、穗粒数的增加可增加水稻库容量，进而可以提高水稻籽粒产量[17]。在本研究中，减氮增密处理的穗数远大于其他各处理，所以就产量而言，减氮增密处理较氮空白处理提高约75.9%，较当地常规施氮处理提高约6.3%；同等条件下，减少氮肥施用量会降低产量，但适当增加密度可以借助于密度的增加，抵消由于氮肥施用水平下降引起的前期作物分蘖受抑而生长量不足对水稻籽粒产量形成的负面影响。大量试验研究表明，采用高氮低密等栽培模式可能导致氮素利用率较低，而施氮量与种植密度相结合会显著改善氮素利用率，其中氮素利用率与施氮量的增加成反比，与密度成正比[18-32]。周江明等[32]的研究表明，水稻低氮栽培模式下氮素利用率比高氮提高2.1%～5.6%，增密情况下，可实现增产2.3%～14.2%，这与本研究结果相似。因此，减氮增密可促进作物有效生长，实现水稻高产，同时增加植株吸氮量、促进作物对氮肥的高效利用。

3.2 减氮增密对土壤养分含量的影响

有研究表明，施入稻田的氮素有3个动向：(1)直接被植株吸收利用，占氮肥施用量23%～49%；(2)残留于土壤中，占氮肥施用量15%～30%；(3)通过各种途径流失或挥发[12，18-20,25-26]。上述3个动向之间此消彼长，因此，通过测定稻田土壤剖面养分的分布与累积可以评估肥料和土壤氮素被作物有效利用的程度。增加植株对氮素的直接吸收利用也是保障水稻高产的重要途径。本研究表明，当地常规施氮虽然可以获得较高的水稻籽粒产量，但与减氮增密相比，存在一定的氮肥浪费现象，从而可能对生态环境带来一定程度的负面影响。在步入生产资料投入不再是主要限制因子的时代，通过采用科学先进、因地制宜的栽培技术，作物产量水平高低与环境风险大小已不再是呈正相关关系，而是呈负相关关系，即作物产量越高，环境风险越小[28]。本研究结果表明，减氮增密较当地常规施氮产量提高的同时还可减小耕作层速效氮含量，减氮增密在不减产的条件下，降低耕层土壤速效氮含量，增加了土壤氮肥吸收利用率，减少速效氮淋溶风险。

施氮量增加是导致土壤中全氮、碱解氮含量升高的主要原因，并且土壤碳氮比降低会引起土壤中微生物加快分解有机质[29-31]。有研究指出，增密可以有效增加土壤中残留氮素，提高土壤供给氮素能力[32-33]。本研究表明，相对于当地常规施氮处理，减氮处理成熟期土壤全氮、碱解氮、有机质含量均有所降低，速效磷、速效钾含量上下波动，但减氮增密后土壤有机质略有升高。在一定范围内有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关，它对土壤肥力、环境保护以及农业可持续发展等均有重要作用[34-35]，说明减氮增密后更能培肥地力促进农田可持续发展。土壤全氮、碱解氮有所下降，这可能因为减氮增密处理较当地常规处理水稻的生物量和产量均增高，导致作物从耕层土壤中带走的氮素较多，从而使土壤中全氮、碱解氮的含量降低，另外，减氮增密处理比当地常规施氮处理施氮量减少10%可能也有影响；而对于长期减氮条件下，土壤全氮、碱解氮含量的下降是否会影响之后土壤的可持续利用还有待进一步研究。另外，本研究还表明，速效磷、速效钾均主要集中在0～20 cm土层，减氮增密处理速效磷含量在20～40 cm土层中较当地常规施氮处理增加，养分的适度下移，在这一土层中可丰富底土养分含量，对于培育土壤肥力有利；减氮以及减氮增密处理较当地常规施氮处理显著增加了0～20 cm土层速效钾含量，但20 cm 以下各土层的速效钾含量上下波动，说明减氮增密处理钾素增加量主要集中在0～20 cm耕层土中，有利于作物生长发育的需要，也意味着土壤耕层供钾能力的提高。从0～100 cm各养分含量平均值来看，减氮增密处理较减氮处理土壤有机质和全氮含量略有升高，其他所有有效养分含量均有所下降，可见，减氮增密能够弥补单纯的减氮对土壤供氮能力的负面影响，减少对环境污染风险。

综上，减氮增密栽培模式较氮空白、当地常规施氮、减氮处理水稻籽粒产量分别提高了75.9%、6.3%、7.4%，而植株吸氮量分别提高了156.2%、3.8%、6.9%，氮肥吸收利用率较当地常规施氮处理、减氮处理分别提高18.3%、11.9%。所以，减氮增密不仅有效提高了水稻的籽粒产量，而且还促进了水稻对氮肥的吸收利用，提高了氮肥利用率，减少了速效氮在耕层土壤中的残留。另外，水稻减氮增密还可以在一定程度上提高土壤全氮、有机质含量，提高0～20 cm土层速效钾含量，提高20～40 cm土层速效磷含量。这说明减氮增密栽培模式在某种程度上还可培肥，对水稻生产更有利，同时也不会增加环境风险，实现了高产与环境友好的双重目标。