2020, Vol. 57
2. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049;
3. 南京林业大学生物与环境学院，南京 210037;
4. 中国科学院常熟农业生态试验站，江苏常熟 215555
氮素是作物生长和产量形成最重要的营养元素，氮肥施用对世界发达国家和发展中国家粮食贡献率分别高达40%和55%以上[1-2]。迫于人口持续增长对粮食需求的压力，农田氮素投入越来越多，施入农田的肥料除被作物吸收和土壤固定外，其余则以田面径流、渗漏、氨挥发、反硝化等途径损失进入周围环境[3]，其中农田地表径流所流失的氮、磷已成为我国南方农业面源污染和河湖水质富营养物质污染的主要来源[4]。我国湖泊富营养化的水体已占63.6%[3]，径流排水是农田养分流失的主要途径之一，而氮素的流失是引起水体富营养化的关键因子[5]。
基于文献计量学对1957年以来世界各国对农田氮流失研究综合分析发现，源头控制是农田氮流失防控措施中最有效的措施[6]。水稻作为我国主要的粮食作物之一, 其氮素利用率仅为17.0%~45.7%[7]。研究表明：通过改变肥料种类或优化施肥量，可以有效减少稻田氮素径流损失[8-9]，从源头减少氮流失引发的水体污染问题。秸秆还田作为一项重要有机培肥措施，在蓄水保墒、减少污染等方面具有优势[10]，同时还能避免有机粪肥还田造成的土壤重金属积累风险[11-12]，是一种不可替代的保护性耕作措施。与常规措施相比，秸秆还田或者秸秆还田搭配减量施肥均可有效降低地表氮流失量甚至降低氮流失率[13-15]，但不同研究间差异较大。
目前对农田径流氮损失控制效果的评价主要依靠收集径流池或径流收集管的径流样，通过测定分析，比较随机径流的氮素损失强度[16-17]。一方面，由于径流发生的随机性，每季样品收集次数有限(有时收集不到)，难以确切地反映当季农田径流控制措施的真实效应; 此外，现有研究对于稻田田面水的监测，存在样品采集频度低以及样品测定不及时的问题，可能导致缺少重要波动点以及误判氮素形态而无法真实反映氮素的流失特征。另一方面，秸秆还田下的增产效应已有颇多研究，然而结合秸秆还田及配施不同氮肥用量对产量与农田氮径流的综合影响的研究较少，也存在试验布设时间短(1~2季的秸秆还田试验)，不能反应长期秸秆还田下的产量效应。鉴于此，本研究基于在江苏常熟的秸秆还田配施氮肥的6年田间定位试验，通过测定稻田田面水氮浓度变化来反映氮素径流流失风险，探讨秸秆全量还田下氮肥用量对水稻产量及稻田田面水氮动态变化的影响，以期为长江下游地区合理施肥与秸秆资源化利用、提高农作物经济效益和减少农业面源污染提供指导。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验位于江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站(31°33'N，123°38'E)。站区海拔3.12 m，属于亚热带北部湿润季风气候区，2017年水稻生育期日平均气温与降雨量如图 1，生育期降雨量773.6 mm，与近五年2012-2016年稻季平均降雨量相近，平均气温23.7 ℃，≥10 ℃有效积温4 281 ℃。稻-麦轮作为主要种植制度，供试土壤为乌栅土(普通简育水耕人为土)，试验前0~15 cm耕层土壤基本理化性质如下：有机质40.24 g·kg-1、全氮2.35 g·kg-1、有效磷29.9 mg·kg-1、速效钾156.2 mg·kg-1，pH 7.19。
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图 1 水稻生育期降雨量与温度变化 Fig. 1 Variation of rainfall and temperature during the rice development stages |
试验基于秸秆还田配施氮肥的田间定位试验(始于2012年稻季)，水稻每年在6月15日-6月20日插秧、10月28日-11月5日收获，每年对于同一处理的管理方式一致。本研究于2017年稻季(6月-11月)进行田面水采样测定，试验选择5个处理(表 1)，每个处理均设3次重复，共15个小区，随机区组排列。各试验小区面积为43.7 m2，无坡度，小区之间均以宽20 cm的田埂分隔, 防止各小区间肥水发生侧渗和串灌，各小区均设有单独的进水口和排水口。
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表 1 不同处理肥料用量 Table 1 Fertilizer application rate relative to treatments /(kg·hm-2) |
供试的氮磷钾肥分别为尿素(46% N)、过磷酸钙(5.24% P)和氯化钾(49.8% K)，氮肥按基肥:分蘖肥:孕穗肥=4:2:4施用，磷肥作为基肥于插秧前一次施入，钾肥50%作为基肥、50%作为穗肥施入。秸秆还田方式为：收集上一季小麦秸秆，并切断(长5~10 cm)后旋耕还田。供试水稻品种为南粳46号，于2017年6月18日移栽，11月3日收获，水稻移栽后定期灌溉，灌溉用水为附近河水，除水稻分蘖后期烤田一周，以及收获前10~14 d小区不进水，其余时间保持田面水深为3~5 cm(低于径流排水管口高度)。
1.3 样品采集与分析2017年稻季基肥与两次追肥时间分别为6月18日、7月9日和8月15日，以每次施肥后10 d内每2 d一次(施肥后第1、3、5、7、9天)，平常每10 d一次的频率采集田面水，直至水稻收获。每个小区通过五点取样法采集约100 mL田面水水样至聚乙烯瓶中，所采水样立即带回实验室进行测定，少量不能立即测定的，则滴加约3 mL 6 mol·L-1稀硫酸并冰冻保存，5 d内测定完毕。测定方法为：总氮(TN)采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，溶解性总氮(DTN)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)经定性滤纸过滤，DTN测定方法与TN相同，NH4+-N采用靛酚蓝比色法，NO3-则直接采用紫外分光光度法测定[18]。
水稻成熟后，各小区均单独收割测产，按照14%的含水量标准折算产量。各处理中，对其中一组重复选取5穴代表性水稻植株，从中随机选择25株进行考种，对水稻产量及构成要素分析。
1.4 数据处理不同形态氮素计算公式如下：
| $ \begin{array}{c} \mathrm{TN}=\mathrm{PN}+\mathrm{STN} \\ \mathrm{DTN}=\mathrm{DON}+\mathrm{IN} \\ \mathrm{IN}=\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}+\mathrm{NO}_{3}^{-}-\mathrm{N} \end{array} $ |
式中，PN为颗粒态氮，DTN为溶解性总氮，DON为溶解性有机氮，IN为无机氮。
氮肥偏生产力(Partial factor productivity，PFPN，kg·kg-1)=单位面积作物产量/单位面积氮肥施用量(以纯氮投入量计算)[19]。利用Origin 8和SPSS18.0，Excel 2016软件进行绘图和数据分析，处理之间的差异应用Duncan法进行多重比较。
2 结果 2.1 不同处理水稻产量本试验近3年的水稻产量如表 2所示，2015年以前的产量变化趋势是：SN3、SN2 > SN1 > N2 > N0, 从2016年开始(秸秆还田第5年)SN2与SN1处理产量没有显著差异，2017年与SN2与SN1处理产量仍没有显著差异，但SN3处理产量显著下降，产量依次为SN2 > SN1 > SN3 > N2 > SN0。秸秆还田处理下，总体上水稻产量随施氮量的增加而增加，但到2017年SN3处理较SN2显著下降，说明秸秆还田下高量施氮可能降低氮肥的利用率，反而不利于水稻的生长。2017年秸秆还田下施氮处理(SN1、SN2、SN3)较不施氮处理(SN0)均显著增加水稻产量(P < 0.05)，增产分别达到50.1%、60.1%、40.8%。而同一施氮水平下秸秆还田SN2处理较不还田N2处理增产22.6%(P < 0.05)。此外，与SN2、SN3相比，SN1在分别减少25%、40%氮肥用量的情况下保证水稻产量不会显著降低。
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表 2 不同处理的水稻产量及产量构成因素 Table 2 Grain yield and its components of rice relative to treatments |
从水稻产量构成因素来看，不施氮处理(SN0)籽粒千粒重最低，秸秆全量还田下，施氮处理(SN1、SN2、SN3)较SN0千粒重分别高出2.1%、9.1%、7.1%，一定程度说明氮素是限制作物生长发育的关键因子。此外，同等氮肥用量下，SN2较N2处理有效穗数更多、瘪率更低，并且前者较后者氮肥偏生产力高出22.6%(P < 0.05)，说明秸秆还田处理主要通过提高单位面积水稻有效穗数与结实率，从而提高水稻产量。
2.2 秸秆还田配施氮肥对田面水不同形态氮素动态变化的影响稻田田面水TN动态监测表明(图 2A)，每次施肥后田面水TN浓度都急剧升高，在1 d内达到峰值，然后迅速下降，由于降雨和灌溉以及秸秆本身对氮素吸附与释放等因素的综合作用，每次施肥后期TN浓度均出现小幅波动。每次施肥后8~9 d，TN仍在0.32~7.15 mg·L-1范围内波动。秸秆还田处理下(SN1、SN2、SN3)，田面水TN浓度随着施氮量的增加而显著增加。表 3结果显示，在同一施氮水平下，与N2处理相比，SN2处理可降低水稻生育前期(基、蘖肥期)田面水TN含量，尤其是蘖肥期的降幅达6.1%(P < 0.05)，说明秸秆还田可有效减少生育前期氮素流失风险。此外，秸秆全量还田下减氮施肥处理(SN1)和推荐氮肥处理(SN2)较常规氮肥处理(SN3)田面水TN浓度分别降低20.8%和12.4%(P < 0.05)。
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图 2 2017年水稻生育期不同施肥处理田面水TN(A)、NH4+-N(B)、NO3--N(C)浓度变化 Fig. 2 Concentrations of TN(A), NH4+-N(B), NO3--N(C)in surface water relative to treatments during the rice growing period in 2017 |
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表 3 水稻生育期田面水不同形态氮素平均浓度 Table 3 Mean concentration of nitrogen in surface water relative to form during the rice growth stages /(mg·L-1) |
施肥后稻田田面水NH4+-N浓度变化如图 2B所示，3个施肥期内NH4+-N浓度峰值表现为基肥期 < 蘖肥期 < 穗肥期，追肥期NH4+-N浓度均在施肥后也在1d内达到高峰，之后迅速下降。与TN不同的是，NH4+-N浓度在第7~9天开始趋于稳定，且浓度接近为0(0.04~1.86 mg·L-1)。统计分析表明(表 3)，秸秆还田下(SN1、SN2、SN3)，各处理NH4+-N浓度均随施氮量的增加而显著增加，同一施氮水平下，施秸秆处理(SN2)浓度略高于不施秸秆处理(N2)浓度，但两者之间无显著差异。减氮施肥处理(SN1)和推荐氮肥处理(SN2)较常规氮肥处理(SN3)田面水NH4+-N浓度分别降低45.8%和23.3%(P < 0.05)。
图 2C结果显示，田面水中NO3--N的浓度远低于NH4+-N，其峰值滞后于NH4+-N，出现在每次施肥后第3~5天，之后NO3--N浓度随时间缓慢降低，稻季3次施肥期峰值表现为基肥期 > 蘖肥期 > 穗肥期，分别为2.81、1.78和1.51 mg·L-1。水稻整个生育期内(表 3)，各处理间田面水硝态氮平均浓度水平相差不大，但同一氮肥水平下SN2处理的NO3--N浓度较N2处理高11.5%(P < 0.05)。
2.3 稻田田面水各形态氮素比例由表 4可知，水稻生育期内可溶性总氮是田面水氮素的主要部分，DTN/TN高达75%~91%。比较各处理发现，随着无机氮肥含量的提高，DTN/TN越高，单施秸秆处理SN0的DTN占比显著低于其它施氮处理(N2、SN1、SN2、SN3)。在溶解性总氮(DTN)中，施氮处理(N2、SN1、SN2、SN3)的无机氮(IN)总体占比更高，而单施秸秆处理(SN0)DON/DTN达53.7%，显著高于其他处理，说明单施秸秆下可溶性有机氮素的释放占更重要地位。虽然同一施氮水平下秸秆还田处理(SN2)与不还田处理(N2)的DON/DTN差异不显著，但前者DON浓度较后者高出12%(SN2、N2处理分别为2.01、1.80 mg·L-1)，并且从秸秆还田下随着氮肥施用减少而DON/DTN增高也可得出，秸秆还田一定程度增加了DON流失风险。此外，田面水无机氮(IN)中以NH4+-N为主，除单施秸秆外，其余处理NH4+-N/IN达到68.4%~78.7%，而单施秸秆的SN0处理则以NO3--N为主，NO3--N/IN高达71.4%。
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表 4 稻季田面水各形态氮素比例 Table 4 Fractionation of nitrogen in surface water during the rice growth season /% |
秸秆由于高C/N及难分解成分物质的存在，单一施用不能像无机肥一样能迅速为作物提供充足的速效养分，二者的配施是发挥彼此作用的最佳方式[20]。已有研究表明秸秆还田配施氮肥可以促进土壤有机质积累，改良土壤结构，改善土壤供氮状况[21-23]，从而促进水稻增产。本研究中，秸秆全量还田下水稻产量随着施氮量的增加而增加，SN2处理达到峰值，之后出现下降。这与李勇等[24]的研究一致，当施氮量超过某一阈值，产量就不再增加甚至减少，这也说明秸秆与氮肥配比是影响土壤养分动态平衡与作物产量的关键。有研究表明：秸秆全量还田配施氮肥(360 kg·hm-2)水稻产量最高，而减少10%的氮肥施用量并不会显著降低水稻产量[25]; 王海候等[26]研究表明：氮肥用量为225 kg·hm-2时，6 000 kg·hm-2稻秸还田以及(6 000+4 000)kg·hm-2稻麦秸(双季)还田产量显著高于4 000 kg·hm-2麦秸还田处理。而本研究中，麦秸全量还田(5 500 kg·hm-2)配施推荐氮肥(240 kg·hm-2)的SN2处理产量最高, 比N2处理显著增产22.6%，两个处理的氮肥运筹均为基肥:蘖肥:穗肥=4:2:4。太湖流域其他高产稻田的研究表明，在氮肥运筹6:4(基蘖肥:穗肥)、4:3:3(基肥:蘖肥:穗肥)下，秸秆还田比不还田处理水稻分别增产3.0%[27]和7.7%[28](P < 0.05)。当然产量差异还与秸秆还田方式、土壤质量以及当地水热状况也密切相关。本研究中，虽然SN2处理产量最高，但其与减氮施肥处理SN1(180 kg·hm-2)的产量没有显著差异，并且SN1处理可减少25%氮肥用量。有趣的是，此结果与该试验前4年的结果有所不同，在2015年及之前SN2水稻产量均显著高于SN1，而从2016年开始两处理变得无显著差异。此外，同一施氮水平下，2012-2015年SN2处理较N2处理高出12.9%~16.7%，而2016、2017则分别高达19.7%、22.6%。这说明长期秸秆还田(本试验中≥4年)不仅可以提高水稻产量，还能减少氮肥使用，达到部分替代无机氮肥的效果。从另一角度而言，秸秆长期连续还田对土壤综合肥力的提高效应大于秸秆腐解对土壤及作物根系的毒害作用[29]。
本研究SN2处理氮肥偏生产力较N2处理显著提高22.6%，从产量构成上来看，秸秆还田下有效穗数增加12.6%、而瘪率下降1.6个百分点，说明秸秆还田提高产量主要是增加了水稻的有效穗数，提高了水稻结实率。这与李勇[30]和张传辉[31]等的研究一致，究其原因：一方面，秸秆还田后激发了土壤氮素矿化，增加了土壤对作物的供氮潜能; 另一方面，秸秆还田改善了土壤的物理性质，增加了土壤通透性和饱和导水率，氮素更易于通过水体迁移至水稻根系[32-33]，进而促使氮素由茎秆向籽粒迁移[23, 31]，氮肥充足时，水稻籽粒得到更多的氮素输送，同时有效穗数比例也得到提升[26]。另外，秸秆还田下合理配施氮肥能有效地降低秸秆还田后的抑制效应，从而增加穗粒数，提高群体总颖花量，实现高增产[34]。
3.2 秸秆还田配施氮肥对田面水氮流失风险及其调控本研究显示，稻季不同氮素动态变化中，各施肥处理田面水NH4+-N浓度均在一周后降至稳定低浓度水平，TN浓度在每次施肥后期仍出现不同趋势的波动，这可能与降雨、水稻生长及农田灌水有关[35]。有研究表明，这种波动在一定程度上导致了氮素流失关键期的增长[36-38]，因此不能单纯地将TN由峰值降至低水平浓度判定为稻田氮素流失的关键时期。而本研究中农田灌溉水(附近河水)TN浓度为2.36~5.24 mg·L-1，与施肥后期田面水TN浓度波动水平相差不大，因此本研究中TN的波动不会使氮素流失风险期延长。另外，本研究中TN、NH4+-N在氮肥运筹基肥:蘖肥:穗肥为4:2:4下表现为基肥期浓度最低，主要原因是：基肥是耙施入土的，土壤对肥料N有强烈的吸附作用; 加之还田初期秸秆吸附及微生物分解秸秆吸收氮素的因素，减少了水稻由于苗期对养分吸收能力弱而引起的氮素流失[24]。秸秆还田下，不同氮肥运筹对于氮素流失风险也会造成差异。太湖流域高产稻田的研究表明，在氮肥运筹6:4、4:3:3下，秸秆还田比不还田处理可分别降低稻季TN径流流失率9.08%~13.16%[27, 39]和22.63%[28]，对于秸秆还田在水稻不同生育期发挥的减少氮素流失作用还有待进一步研究。NO3--N浓度则在施肥后3~5d出现微弱峰值，这与大多研究一致[35]。原因一方面是NO3--N主要依赖尿素水解产生NH4+-N然后再经过硝化作用而生成，而尿素水解的NH4+-N还需要供给水稻生长吸收、微生物利用以及其他途径的损失; 另一方面，淹水条件下硝化作用较弱且存在反硝化作用，这与旱作下铵固定作用及硝化作用驱动下导致的硝态氮占径流氮素损失主导地位相反[40]。
不同处理中，虽然同等施氮水平下秸秆还田处理与不还田处理田面水TN、NH4+-N浓度总体上没有显著差异，但秸秆还田处理在水稻生育前期(基肥、蘖肥期)田面水TN浓度较低，尤其是蘖肥期SN2处理田面水TN浓度显著低于N2处理，说明秸秆还田能够降低前期氮素向水体的释放，这与王静等[28]的报道一致。其主要原因是秸秆还田后使微生物活性增强，加上秸秆本身C/N较高，使得更多的氮素被土壤及秸秆微生物吸附固定，即不添加秸秆时，土壤微生物代谢受到碳含量的限制，导致有机氮更多地以矿质态形式释放而增加田面水中无机氮素的含量[41]，这均表明秸秆诱导下的微生物在其中发挥重要作用。此外，对太湖地区60年降雨资料的统计分析表明，基肥期和蘖肥期是稻季径流易发期[42]，结合本研究中水稻产量对施肥的响应，秸秆全量还田下配施减氮处理(SN1)较推荐氮肥(SN2)与常规氮肥(SN3)相比可分别降低田面水9.6%和20.8%的TN、29.4%和45.8% NH4+-N浓度(P < 0.05)。因此本研究长期连续秸秆还田试验表明，秸秆全量还田配施减量氮肥可以保证产量的同时能有效减少水稻生育期尤其是生育前期(径流易发期)氮素径流损失风险。
NH4+-N/TN能够反映出稻田田面水氮转化与流失潜力的相对水平[7]，本研究中秸秆还田增大了NH4+-N/TN(SN2较N2高2.3%)，但差异不显著。此外，DTN是田面水氮素的主要成分，而无机氮肥的比例越高，DTN/TN就越高(表 4)，氮素流失风险越大。综合分析，可能是秸秆还田的激发效应促进更多无机氮素的释放，单施秸秆的DTN/TN达到最低(显著低于其他施氮处理)，除没有无机氮肥的贡献影响外，秸秆腐解过程会产生一部分有机氮素也会产生影响，也说明秸秆还田一定程度增加了DON流失风险[35]。
综合上述研究结果，在秸秆全量还田条件下，长江下游地区水稻高产(8 700~9 500 kg·hm-2)与环境协调的适宜肥料N用量在180~225 kg·hm2，氮肥的基蘖肥与穗肥的比例为6:4~7:3。
4 结论秸秆还田可减少水稻由于苗期对养分吸收能力弱而引起的不同形态的氮素流失，同时长期的秸秆还田不仅可以提高作物产量，还能减少氮肥使用，达到部分替代无机氮肥的效果。本试验在稻麦两季秸秆全量还田条件下，将当地农民常规施氮量300 kg·hm-2减少至180 kg·hm-2，在保证单季晚粳稻(南粳系列)增产的同时从源头上减少氮素流失潜力，兼顾了产量与环境效益，是目前理想的秸秆还田配套施肥模式，对本区农业的可持续发展具有重要意义。关于秸秆还田后作物不同生育期内氮素转化过程和秸秆本身的氮素释放问题，以及氮肥运筹对于增产和氮流失的影响问题有待于进一步研究。
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