稻－麦轮作条件下不同施肥模式土壤水溶性氮的变化与籽粒产量的关系

左 婷，王新霞，侯 琼，倪 亮，倪玥敏，王 剑，倪吾钟*

（1．浙江大学环境与资源学院，浙江省农业资源与环境重点实验室，浙江 杭州 310058；2．浙江大学农业试验站，浙江 杭州 310058）

有机肥部分替代化肥是循环利用有机物料资源的主要途径，也是我国实现化肥零增长目标的重要措施。以有机肥料养分部分替代化肥养分、以较小的环境代价获得作物高产稳产已成为我国生态农业技术发展的主要方向。在作物种植过程中常因施肥不当导致化肥大量损失，肥料利用率和经济效益显著降低，从目前已有的研究报道来看，有机肥部分替代化肥不仅能够提高作物产量和品质，同时还能够提高肥料利用效率和改善土壤环境等［1-3］。温延臣等［4］对华北平原冬小麦-夏玉米的研究结果表明，商品有机肥部分替代化肥能保证作物稳产、高产，并且能够培肥地力。哈丽哈什·依巴提等［5］发现在施氮量减少5%～10%的情况下，采用有机肥与化肥配施的施肥方式能满足苏南地区水稻的生产需求。沈冰涛等［6］的试验结果表明，有机肥替代20%化肥与单施化肥处理相比，小麦产量提高1.86%。稻-麦轮作是长江中下游地区典型的集约化粮食作物种植体系，探究稻-麦轮作条件下合理的施肥措施对提升土壤质量和促进粮食生产可持续发展具有重要意义。

氮素是植物生长需要的重要元素之一，也是影响水稻、小麦生长发育和产量的敏感因素。水溶性氮是土壤氮素最为活跃的组成部分，可以直接或间接地被植物吸收和利用，但因其具有比较强的迁移性，很容易随水分运移而发生径流或淋溶损失，对水环境造成污染［7-8］。目前，国内外学者对不同生态系统土壤水溶性氮素的迁移、转化等方面开展了大量的研究工作［9-10］，但更多的是关注土壤水溶性氮对氮素流失风险的影响，而关于土壤水溶性氮含量的变化对作物生长影响的研究比较少。本研究以浙江大学农业试验站长兴分站所在地长兴县农业生产实际情况为基础，采用田间定位试验研究稻-麦轮作条件下不同施肥模式土壤水溶性氮的变化与籽粒产量的关系，探索稳定稻麦产量并能提高土壤水溶性氮含量的化肥减施增效优化方案，以期为当地水稻、小麦生产合理施肥和生态环境保护提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为红壤性水稻土，其肥力性状为：有机质含量28.5 g/kg，全氮含量1.58 g/kg，全磷含量0.68 g/kg，全钾含量23.3 g/kg，碱解氮含量138.2 mg/kg，有效磷含量20.4 mg/kg，速效钾含量75.2 mg/kg，缓效钾含量414.2 mg/kg，pH 5.68。供试化肥为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）；供试有机肥料为商品有机肥、水稻秸秆、小麦秸秆，各种有机肥料的养分含量见表1。

表1 供试有机肥料的养分含量 （%）

1.2 试验设计

田间试验于2017年6月至2018年6月在浙江省湖州市长兴县泗安镇浙江大学农业试验站长兴分站进行（30°53′11″ N，119°37′26″ E），试验采用随机区组设计，设5个处理：对照CK（不施肥）、习惯施肥FP（当地化肥常规施用量）、推荐施肥LRF（在FP基础上减施氮肥10%、减施磷肥20%）、商品有机肥部分替代化肥RF-OM（在FP基础上减施氮肥25%、减施磷肥30%、水稻增施钾肥16.7%、小麦增施钾肥33.3%，同时以商品有机肥氮替代化肥氮施用量的25%）、秸秆部分替代化肥RF-S（施用秸秆有机C 1500 kg/hm2，氮磷钾施用量与RF-OM处理相同），每个处理重复4次，共20个小区，小区面积42 m2。化肥和商品有机肥均匀撒施，其他田间管理与当地一致。各处理养分投入量见表2，RF-S处理种植水稻时施用小麦秸秆，种植小麦时施用水稻秸秆，秸秆还田方式为切碎后（长度为10 cm左右）翻耕还田，与生产上秸秆还田的相符。

表2 各处理养分投入量 （kg/hm2）

供试水稻品种为‘嘉禾218’，有机肥和磷肥作基肥一次性均匀撒施，氮肥和钾肥分3次施用，氮肥按基肥、分蘖肥和穗粒肥比例为50%、30%和20%施用，钾肥按基肥、分蘖肥和穗粒肥比例为40%、30%和30%施用。供试小麦品种为‘扬麦12’，磷肥及钾肥用作基肥一次性施用，氮肥分4次施用，氮肥基肥、返青肥、拔节肥和孕穗肥配施比例为25%、10%、50%和15%。

1.3 测定项目及方法

水稻、小麦收获期各小区单独收割记产，水稻和小麦主要生育期测定土壤水溶性总氮、铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）含量，测定方法如表3所示，土壤基本理化性质的测定用常规方法［11-12］。

表3 土壤水溶性氮的测定方法

1.4 数据处理及统计分析

采用Excel 2003进行数据处理并绘制图表，采用SPSS 20.0进行方差分析和多重比较（邓肯新复极差法），同时统计分析水稻和小麦籽粒产量与主要生育期土壤水溶性氮含量的相关性。

2 结果与分析

2.1 水稻和小麦主要生育期土壤水溶性氮含量

从表4可以看出，水稻返青期有机肥部分替代化肥处理（RF-OM和RF-S）土壤水溶性总氮、NH4+-N和NO3--N含量略低于FP和LRF处理，差异不显著。幼穗分化期RF-OM和RF-S处理土壤水溶性总氮、NO3--N含量显著高于LRF处理（P<0.05），与FP处理相当，各施肥处理土壤水溶性NH4+-N含量无显著差异。水稻返青期和幼穗分化期各施肥处理土壤水溶性总氮、NH4+-N、NO3--N含量均显著高于CK处理（P<0.05）。

表4 水稻主要生育期土壤水溶性氮含量 （mg/kg）

小麦主要生育期（越冬期、拔节期、齐穗期）土壤水溶性氮含量见表5。小麦越冬期RF-OM处理土壤水溶性总氮、NO3--N含量与FP处理无显著差异，RF-S处理土壤水溶性总氮、NO3--N含量与LRF处理也无显著差异，FP处理土壤水溶性总氮、NO3--N含量则显著高于LRF和RF-S处理，各施肥处理土壤水溶性NH4+-N含量差异不大。小麦拔节期RF-OM处理土壤水溶性总氮、NO3--N含量显著高于其他处理（P<0.05），RF-S处理土壤水溶性总氮、NO3--N含量与FP处理无显著差异，两者均显著高于LRF处理（P<0.05），而各施肥处理的土壤水溶性NH4+-N含量差异不显著。小麦齐穗期RF-OM处理土壤水溶性总氮含量为23.59 mg/kg，显 著 高 于LRF和RF-S处 理（P<0.05），与FP处理差异不大，RF-S处理土壤水溶性总氮含量显著高于LRF处理（P<0.05）；RF-OM和RF-S处理土壤水溶性NH4+-N含量与FP、LRF处理差异不显著，土壤NO3--N含量与FP处理无显著差异，但均显著高于LRF处理（P<0.05）。小麦主要生育期各施肥处理土壤水溶性氮 （总氮、NH4+-N、NO3--N） 含量均显著高于CK处理（P<0.05）。

表5 小麦主要生育期土壤水溶性氮含量 （mg/kg）

2.2 不同施肥模式对水稻、小麦籽粒产量的影响

从图1可以得出，不同处理水稻籽粒产量分别为CK 3796.2 kg/hm2、FP 7210.1 kg/hm2、LRF 7096.4 kg/hm2、RF-OM 7290.0 kg/hm2和RF-S 7156.5 kg/hm2，RF-OM处理水稻籽粒产量显著高于LRF处理（P<0.05），与FP和RF-S处理差异均不显著，RF-S处理水稻籽粒产量与FP和LRF处理差异均不显著。不同处理小麦籽粒产量分别为CK 2716.1 kg/hm2、FP 4574.0 kg/hm2、LRF 4501.9 kg/hm2、RFOM 4514.3 kg/hm2和RF-S 4487.6 kg/hm2，FP处理小麦籽粒产量显著高于其他处理（P<0.05），RF-OM和RF-S处理小麦籽粒产量与LRF处理无显著差异。在减氮减磷增钾条件下，有机肥部分替代化肥能显著提高或保持水稻籽粒产量水平，与习惯施肥和推荐施肥处理相比，商品有机肥部分替代化肥处理水稻籽粒增产分别为1.1%和2.7%；与推荐施肥处理相比，秸秆部分替代化肥处理水稻籽粒增产0.85%。与推荐施肥相比，商品有机肥部分替代化肥能够促进小麦生长，籽粒增产0.3%，而秸秆部分替代化肥小麦籽粒产量降低0.3%。

2.3 水稻和小麦籽粒产量与主要生育期土壤水溶性氮含量的相关性

水稻籽粒产量与主要生育期土壤水溶性氮含量的相关性如表6所示，水稻籽粒产量与返青期土壤水溶性总氮、NH4+-N含量均呈极显著正相关（P<0.01），相关系数分别为0.932和0.974，与返青期土壤NO3--N含量无显著相关性。水稻籽粒产量与幼穗分化期土壤水溶性总氮、NH4+-N、NO3--N含量均呈极显著正相关（P<0.01），相关系数分别为0.888、0.961和0.776。从表6中还可以看出，水稻籽粒产量与2个主要生育期土壤水溶性NH4+-N含量的相关性最大，其次是水溶性总氮含量，可见土壤水溶性总氮对水稻籽粒产量的影响是不能忽视的。

表6 水稻籽粒产量与其主要生育期土壤水溶性氮含量的相关性

如表7所示，小麦籽粒产量与主要生育期土壤水溶性NH4+-N、NO3--N、总氮含量均呈极显著正相关（P<0.01），小麦籽粒产量与越冬期和齐穗期土壤水溶性总氮含量的相关性最大，相关系数分别为0.951和0.960；拔节期土壤水溶性NH4+-N浓度与籽粒产量的相关性最大，相关系数为0.968，与土壤水溶性总氮含量的相关性次之，相关系数为0.928。总体上，小麦各生育期土壤水溶性总氮对籽粒产量的影响要大于单一的水溶性无机氮（水溶性NH4+-N、NO3--N）。

表7 小麦籽粒产量与其主要生育期土壤水溶性氮含量的相关性

3 讨论

3.1 不同施肥处理对作物主要生育期土壤水溶性氮含量动态变化的影响

氮素是作物生长所必需的营养元素，作物根系既能从土壤溶液吸收NO3--N又能吸收NH4+-N，因此土壤水溶性氮含量的丰缺及供给状况变化可以直接影响作物的生长发育［13］。丁少男等［14］的研究结果表明，长期施用有机肥，可显著提高土壤中水溶性氮的含量。王海候等［15］的试验结果表明，施用有机肥料可以提高种植水稻后土壤的氮素含量，与不施有机肥处理相比，施用商品有机肥料对土壤水溶性氮含量的增加幅度为22.77%。张玉平等［16］研究结果表明，有机肥与化肥配施有利于降低稻田渗漏液中总氮、NH4+-N、NO3--N的浓度，促进水稻养分吸收与利用。本试验中水稻返青期有机肥部分替代化肥处理（RF-OM和RF-S）土壤水溶性NH4+-N、总氮和NO3--N含量稍低于习惯施肥处理，这可能是因为有机肥部分替代化肥处理氮素施用总量比习惯施肥少，从而导致其中的化学肥料提供速效养分量少于习惯施肥处理，同时还因为秸秆和商品有机肥施入土壤时间较短，分解缓慢，从而对水溶性氮素的供应产生影响。水稻幼穗分化期有机肥部分替代化肥处理土壤水溶性总氮、NO3--N含量显著高于推荐施肥处理，与习惯施肥处理相当。李树山等［17］通过小麦盆栽试验研究得出，与只施化肥处理相比，有机无机肥配施处理土壤全氮含量显著提高10.5%（P<0.05），其中NH4+-N和NO3--N分别增加20.0%和81.6%。本试验中小麦拔节期商品有机肥部分替代化肥土壤水溶性总氮含量显著高于习惯施肥（P<0.05），秸秆部分替代化肥土壤水溶性总氮、NO3--N含量显著高于推荐施肥（P<0.05），与习惯施肥相比差异不显著，这主要得益于土壤水溶性NO3--N含量的增加。小麦齐穗期商品有机肥部分替代化肥土壤水溶性总氮含量与习惯施肥相比并无显著差异，高于推荐施肥但未达到显著水平，秸秆部分替代化肥小麦齐穗

期土壤水溶性总氮含量比推荐施肥高但比习惯施肥低。这可能是因为秸秆直接还田存在腐解速率慢、养分释放延迟等问题，商品有机肥在生产过程中经过腐熟阶段，水溶性养分含量较高。

3.2 不同施肥处理对水稻、小麦籽粒产量的影响

施肥是农业生态系统中提高作物产量的重要措施，作物产量是衡量施肥效果的重要指标［18-19］。祝英等［20］的研究结果表明有机肥替代30%化肥能显著提高玉米的株高、双穗率和产量。武星魁等［21］对包心菜和小青菜进行等氮水平下不同比例有机肥替代化肥处理的研究，结果表明有机肥替代25%化肥处理下包心菜和小青菜产量均达最高，且与纯化肥处理相比包心菜和小青菜的产量分别增加15.0%（P<0.05）和16.3%（P<0.05）。孟琳等［22］研究了有机肥料氮替代部分化肥氮对稻谷产量的影响及替代率，发现有机肥料氮的替代率在10%～20%时能获得较平稳的氮素供应过程，并能获得较高的稻谷产量。杜加银等［23］的研究结果表明，减氮控磷稳钾处理（N 225 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2）与常规施肥处理（N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2）相比能明显提高水稻千粒重和籽粒产量。本试验中商品有机肥部分替代化肥水稻籽粒产量高于习惯施肥，显著高于推荐施肥（P<0.05），秸秆部分替代化肥水稻籽粒产量低于习惯施肥，高于推荐施肥。这说明短期内在习惯施肥基础上减少10%～25%氮肥施用可以保证水稻产量，有机肥部分替代化肥施肥模式中施用的有机肥料可以有效地持续向水稻提供所需养分，更有利于水稻植株养分积累与转移，从而保证籽粒产量，这和以往的研究结果［24-25］基本一致。张长春等［26］研究了商品有机肥部分替代化肥对小麦产量和氮肥利用率的影响，结果表明，有机氮∶化肥氮为2∶8时小麦产量为5628.2 kg/hm2，仅次于配方施肥处理（5753.2 kg/hm2）且差异不显著，说明有机肥料氮可以在一定范围内替代化肥氮。邢鹏飞等［27］研究结果表明有机肥替代30%无机肥小麦4年累计产量比全量无机肥处理提高5.95%。本试验中与推荐施肥处理相比，商品有机肥部分替代化肥小麦籽粒产量较高，秸秆部分替代化肥小麦籽粒产量有所降低，但差异均未达到显著水平。这说明在减氮减磷增钾条件下，有机肥部分替代化肥能显著提高或保持水稻和小麦的籽粒产量水平，有机肥部分替代化肥对水稻的增产效果优于小麦，可能是因为水稻季温度较高，有机肥料易矿化而释放养分，有利于水稻各生育阶段对养分的吸收，满足水稻生长需求从而保持产量。而小麦季土壤温度较低，在一定程度上限制了微生物与酶活性，有机肥矿化速度减慢而不能充分满足冬小麦需肥高峰期的需求。

3.3 作物籽粒产量与各生育期土壤水溶性氮含量的相关性分析

氮素是植物必需营养元素中对作物生长、产量和品质形成作用最为突出的元素，土壤中生物有效态氮主要包括土壤NH4+-N、NO3--N、易水解的有机态氮。NH4+-N和NO3--N是植物可直接吸收利用的主要氮素形态，有机肥部分替代化肥能够有效地调控土壤的供氮水平和氮素的转化迁移，对作物生长发育起到很好的促进作用。刘春增等［28］研究了种植翻压紫云英配施化肥稻田土壤活性有机氮与水稻产量、土壤养分的相关性，结果表明，土壤水溶性有机氮含量与水稻平均产量呈显著正相关（P<0.05），水稻产量与土壤NH4+-N含量呈极显著正相关（P<0.01）。在水稻生长初期，细胞色素氧化酶活性强，以吸收NH4+为主，拔节期后黄酶占优势，以吸收NO3-为主。本试验得出水稻籽粒产量与返青期土壤水溶性总氮、NH4+-N含量均呈极显著正相关（P<0.01），与NO3--N含量无显著相关性，水稻籽粒产量与幼穗分化期土壤水溶性总氮、NH4+-N、NO3--N含量均呈极显著正相关（P<0.01），可见土壤水溶性总氮含量对水稻籽粒产量的影响是十分明显的。刘海［29］的试验结果表明，小麦拔节期是氮素营养的强度期，化肥配施有机肥使土壤NH4+-N和NO3--N变化与作物需求协调，有机肥供肥平缓持续。本试验中，小麦拔节期籽粒产量与土壤水溶性NH4+-N含量相关系数最大，与水溶性NO3--N含量相关系数也较大，这可能是获得作物增产的原因之一。水溶性NO3--N和NH4+-N可被小麦直接吸收，2种形态的氮为小麦不同生育期的生长提供了良好的营养，本试验得出小麦籽粒产量与其各生育期土壤水溶性总氮、NH4+-N、NO3--N含量均呈极显著正相关（P<0.01），总体上，小麦各生育期土壤水溶性总氮水平对籽粒产量的影响要大于单一的水溶性无机氮（NH4+-N、NO3--N），因此生产上更应注重土壤水溶性总氮含量的变化。

4 结论

在减少施氮量的条件下，有机肥部分替代化肥能够满足水稻、小麦生长过程中对养分的需求，显著提高或保持水稻和小麦主要生育期土壤水溶性氮水平及籽粒产量。通过对作物籽粒产量与其主要生育期土壤水溶性氮含量的相关性分析可知，水稻籽粒产量与返青期土壤水溶性总氮和NH4+-N含量及幼穗分化期土壤水溶性氮含量（总氮、NH4+-N和NO3--N）均呈极显著正相关（P<0.01）；小麦籽粒产量与各生育期土壤水溶性氮含量也均呈极显著正相关（P<0.01），其中土壤水溶性总氮水平对小麦籽粒产量的影响更大。本试验明确了稻-麦轮作条件下不同有机肥料种类及养分投入量下土壤水溶性氮的变化与作物籽粒产量的关系，提出了减氮减磷增钾条件下有机肥部分替代化肥改善土壤有效养分状况，保持或增加稻麦籽粒产量的施肥技术，对促进粮食生产具有实际指导意义，其中土壤水溶性总氮供应对水稻-小麦籽粒产量的影响尤为值得关注。