黑土稻田节水灌溉减施氮肥的土壤氮素分布及氮肥利用.pdf

黑土稻田节水灌溉减施氮肥的土壤氮素分布及氮肥利用摘要：为揭示黑土稻田节水灌溉减施氮肥的土壤氮素分布及氮肥利用情况，研究节水灌溉减施氮肥下各土层中铵态硝态氮、可溶性有机氮、微生物量氮分布情况，以及对产量和氮肥利用的影响。结果表明：浅湿干灌溉使020cm土层铵态氮和硝态氮含量增加，而2060cm土层铵态氮和硝态氮含量降低，浅湿干灌溉适当减施氮肥增加了020cm土层铵态氮的含量；浅湿干灌溉下各层土壤可溶性有机氮含量均随着施氮量减少而降低，浅湿干灌溉适当减施氮肥增加了020cm土层土壤可溶性有机氮的含量；浅湿干灌溉下各层土壤微生物量氮含量均随着施氮量减少而降低，节水灌溉适当减施氮肥增加了020cm土层土壤微生物量氮的含量。节水灌溉适当减施氮肥大幅度提高了水稻产量、氮肥农学利用率（NAE）和氮肥吸收利用率（NUE），综合考虑黑土供氮能力和土壤氮库稳定及氮肥利用节水灌溉减施10%氮肥处理最优。关键词：稻田；节水灌溉；减施氮肥；土壤氮素；氮肥利用中图分类号：S513文献标识码：A文章编号：2095-0438（2023）03-0153-04（绥化学院农业与水利工程学院黑龙江绥化152061）黑龙江省作为我国重要的商品粮基地，截止到2014年水稻种植面积已超过6000万亩，且近些年还在逐年增加1。水稻生产“大水大肥”管理方式较为普遍，传统淹水灌溉和过量施氮，造成农田氮素大量流失，导致污染地下水和氮肥利用率降低2。而应用节水灌溉技术能够有效提高土壤氮素有效性，激发土壤自身供氮能力，提高水稻对土壤氮素吸收量，降低稻田氮素淋溶损失风险3，提高氮肥利用率，同时抵消减氮所造成的减产风险4。有研究表明，水稻植株吸收的氮素中有超过50%来自土壤3，氮肥施入稻田土壤后，其利用取决于土壤氮转化特征及保持、供应过程4。朱兆良5发现水稻高产对土壤氮素供应的依赖性在52%83%范围，土壤供氮能力高低是决定作物高产稳定的主要因素和确定合理施氮量的重要依据。其中矿质氮与土壤供氮潜力关系紧密，杨秉庚等6研究表明稻田供氮量除灌溉和降水等带入的氮外，土壤矿质氮及水稻生长期间土壤有机氮矿化产生的氮等是最主要的来源。另外，土壤微生物量氮和可溶性有机氮作为土壤氮库中最活跃的组分7，是植物可利用养分的重要来源，其大小可反映土壤的同化和矿化能力，是土壤活性大小的标志8，直接调节土壤氮素的供给。而矿质氮、微生物量氮和可溶性有机氮变化均受施肥和灌溉等因素的影响9，因此，研究黑土稻田节水灌溉减施氮肥的稻田土壤氮素分布及氮肥利用率具有重要意义。本文以传统淹水灌溉常规施肥为对照，分析黑土稻田节水灌溉减施氮肥下不同土层铵态硝态氮、可溶性有机氮、微生物量氮的分布情况，以及氮肥利用率，研究结果可为寒地黑土稻田节水灌溉模式下氮肥合理施用提供理论依据。一、材料与方法（一）试验区概况。试验于2021年59月，在黑龙江省庆安县水稻灌溉试验站进行。试验站(465728N，1274045E)位于第三积温带，多年平均气温23，平均日照时数为2600h，作物水热生长期为156171d，多年平均降水量500600mm，多年平均水面蒸发量为700800mm。供试土壤为黑土，土壤主要理化性质：有机质 42.14g/kg，全氮 1.48g/kg，碱解氮 152.63mg/kg，速效磷23.86mg/kg，速效钾154.63mg/kg。种植水稻品种绥粳18，密度为25穴/m2。（二）试验设计。浅湿干灌溉模式各生育期水分管理见表张作合李凯郑美玉李娜 第43卷第3期绥 化 学 院 学 报2023年3月Vol.43No.3Journal of Suihua UniversityMar.2023收稿日期：2022-08-22作者简介：张作合（1988-），男，黑龙江通河人，绥化学院农业与水利工程学院副教授，博士研究生，研究方向：农业节水灌溉研究。基金项目：绥化学院2021年科研启动基金项目(SQ21009)；黑龙江省自然科学基金项目(LH2021E118)。1531，设置CK（传统淹水灌溉，常规施肥：110kghm-2）、D1（浅湿干灌溉，常规施肥：110kghm-2）、D2（浅湿干灌溉，减氮10%：99kghm-2）、D3（浅湿干灌溉，减氮20%：88kghm-2）和D4（浅湿干灌溉，减氮30%：77kghm-2）5个处理，方形小区面积25m2，随机排列。氮肥基肥、蘖肥、穗肥按5：2：3分施；K2O施入量80kg/hm2，基肥、穗肥按1：1分施；P2O5施入量45kg/hm2，作为基肥一次性施入。水稻本田生长期加强田间管理，减少病虫草害发生。表1稻田各生育期水分管理灌溉模式浅湿干灌溉（D）传统淹水灌溉（F）控制指标蓄雨上限灌水上限灌水下限蓄雨上限灌水上限灌水下限返青期50mm30mms50mm30mm0分蘖前期50mm30mm0.85s100mm50mm0分蘖中期50mm30mm0.85s100mm50mm0分蘖后期晒田晒田晒田晒田晒田晒田拔节期50mm30mm0.85s100mm50mm0抽穗期50mm30mm0.85s100mm50mm0灌浆期50mm30mm0.7s100mm50mm0成熟期落干落干注：s为根层土壤饱和含水率。（三）观测内容与方法。植株样品的干物质量用烘干法测定，植株样品TN含量利用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型连续流动分析仪测定，铵态氮、硝态氮含量用AA3型连续流动分析仪测定，总可溶性氮含量用K2S2O8氧化法在线氧化测定，土壤微生物量氮含量用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法测定。各土层中铵态氮和硝态氮含量，根据文献3的公式计算：Nm=0.1HBDC（1）式中：Nm土层中铵态氮和硝态氮的含量，kg/hm2；H土层的厚度，各层均取20cm；BD对应的土层土壤容重，g/cm3；C对应的土层中无机氮质量比，mg/kg。土壤可溶性有机氮含量公式：SON=TSN-Nm（2）式中：SON土壤可溶性有机氮含量，kg/hm2；TSN土壤总可溶性氮含量，kg/hm2。各土层土壤微生物量氮含量，根据文献10的公式计算：SMBN=EN/KEN（3）式中：SMBN土壤微生物量氮含量，kg/hm2；EN为熏蒸与未熏蒸土壤总氮的差值，kg/hm2；KEN转换系数，取0.54。氮素利用率包括氮肥偏生产力（NPFP，kg/kg）、氮肥农学利用率（NAE，kg/kg），kg/kg、氮肥吸收利用率（NUE，%），参照文献11计算。二、结果与分析（一）节水灌溉减施氮肥下各土层铵态氮、硝态氮含量。如图1所示，水稻收获后所有处理的铵态氮含量均随土层深度增加而降低。浅湿干灌溉下各层土壤铵态氮含量均随着施氮量减少而降低，其中D1、D2处理的020cm土层铵态氮含量较CK处理分别提高22.16%、12.31%，而D3、D4处理分别降低7.52%、16.96%。这表明浅湿干灌溉适当减施氮肥可以明显增加020cm土层铵态氮的含量，但过量减施氮肥则会使铵态氮含量大幅度减少。D1、D2、D3、D4处理的2040cm土层铵态氮含量较CK 处理分别降低 26.22%、39.67%、43.20%、48.61%。D1、D2、D3、D4处理的4060cm土层铵态氮含量较CK处理分别降低26.46%、40.96%、45.95%、51.13%。与传统淹水灌溉相比，应用节水灌溉技术使020cm土层铵态氮含量增加，而2060cm土层铵态氮含量降低。0 5 10 15 20 25 0-20cm20-40cm40-60cm土层深度铵态氮含量/(kghm-2)CKD1D2D3D4图1水稻收获后不同深度土层铵态氮含量如图2所示，浅湿干灌溉下各层土壤硝态氮含量均随着施氮量减少而降低，浅湿干灌溉020cm土层的硝态氮含量大于传统淹水灌溉，而2040cm和4060cm土层的硝态氮含量则小于传统淹水灌溉。浅湿干灌溉020cm土层硝态氮含量较CK处理分别提高28.44%、18.18%、5.98%、0.47%，2040cm土层中硝态氮含量较CK处理降低43.43%53.93%，4060cm土层中硝态氮含量较CK处理降低71.19%81.23%。研究结果表明，水稻收获后浅湿干灌溉土壤中的硝态氮主要分布在耕层（020cm），存在淋失的风险，而传统淹水灌溉常规施肥土壤中的硝态氮主要分布在2060cm，说明土壤中的硝态氮已淋失到深层土壤中，对地下水安全产生威胁。0 10 20 30 40 0-20cm20-40cm40-60cm土层深度硝态氮含量/(kghm-2)CKD1D2D3D4图2水稻收获后不同深度土层硝态氮含量154（二）节水灌溉减施氮肥下各土层土壤可溶性有机氮含量。如图3所示，浅湿干灌溉下各层土壤可溶性有机氮含量随土层深度的增加逐渐降低，而传统淹水灌溉下各层土壤可溶性有机氮含量则随着土层深度的增加先升高后降低。浅湿干灌溉下各层土壤可溶性有机氮含量均随着施氮量减少而降低，其中其中D1、D2、D3处理的020cm土层土壤可溶性有机氮含量较CK处理分别提高 13.36%、7.81%、1.54%，而 D4 处理降低 7.47%。这表明浅湿干灌溉适当减施氮肥可以明显增加020cm土层土壤可溶性有机氮的含量，但过量减施氮肥则会使土壤可溶性有机氮含量大幅度减少。D1、D2、D3、D4处理的2040cm土层土壤可溶性有机氮含量较 CK 处理分别降低 5.51%、10.19%、15.46%、20.20%。D1、D2、D3、D4处理的4060cm土层土壤可溶性有机氮含量较CK处理分别降低6.39%、10.81%、17.79%、23.05%。与传统淹水灌溉相比，应用节水灌溉技术使020cm土层土壤可溶性有机氮含量增加，而2060cm土层土壤可溶性有机氮含量降低。0 30 60 90 120 0-20cm20-40cm40-60cm土层深度土壤可溶性有机氮含量/(kghm-2)CKD1D2D3D4图3水稻收获后不同深度土层土壤可溶性有机氮含量（三）节水灌溉减施氮肥下各土层土壤微生物量氮含量。如图4所示，水稻收获后所有处理的土壤微生物量氮含量均随土层深度增加而降低。浅湿干灌溉下各层土壤微生物量氮含量均随着施氮量减少而降低，其中 D1、D2、D3 处理的 020cm 土层土壤微生物量氮含量较 CK 处理分别提高 9.04%、5.22%、0.37%，而D4处理降低4.51%。这表明浅湿干灌溉适当减施氮肥可以明显增加020cm土层土壤微生物量氮的含量，但过量减施氮肥则会使土壤微生物量氮含量减少。D1、D2、D3、D4处理的2040cm土层土壤微生物量氮含量较CK处理分别降低8.31%、15.43%、20.63%、24.33%。D1、D2、D3、D4处理的4060cm土层土壤微生物量氮含量较CK处理分别降低 40.79%、55.99%、57.22%、58.18%。研究结果表明，水稻收获后两种灌溉模式土壤中的土壤微生物量氮主要分布在020cm 土层，与传统淹水灌溉相比，应用节水灌溉技术使 020cm土层土壤微生物量氮含量增加，而2060cm土层土壤微生物量氮含量降低。0 30 60 90 120 0-20cm20-40cm40-60cm土层深度土壤微生物量氮含量/(kghm-2)CKD1D2D3D4图4水稻收获后不同深度土层土壤微生物量氮含量（四）水稻的产量和氮肥利用率。如表2所示，D1、D2处理的水稻产量较CK处理分别提高6.98%、3.29%，节水灌溉下过量减施氮肥仍会造成水稻大幅度减产，D3、D4处理较CK处理分别降低7.52%、15.44%。浅湿干灌溉下随着施氮量减少水稻的NPFP逐渐增加，与CK处理相比提高了6.97%20.81%；浅湿干灌溉下随着施氮量减少水稻的NAE先增加后减少，其中D1、D2处理较CK处理分别提高15.58%、17.08%，而D3、D4处理较CK处理分别降低5.71%、23.56%。浅湿干灌溉下随着施氮量减少水稻的NUE先增加后减少，其中D1、D2、D3处理较CK处理分别提高 17.12%、22.85%、1.47%，而 D4 处理较 CK 处理降低13.89%。节水灌溉下过量减施氮肥会造成水稻大幅度减产，导致NAE、NUE持续降低。表2各处理的水稻产量和氮肥利用率处理CKD1D2D3D4产量/（kghm-2）8332.098913.318606.327705.237045.94NPFP/（kgkg-1）75.7581.0386.9387.5691.51NAE/（kgkg-1）27.3431.6032.0125.7820.90NUE/%27.2231.8833.4427.6223.44三、结语（一）各处理铵态氮含量均随土层深度增加而降低，应用节水灌溉技术可使020cm土层铵态氮含量增加，而2060cm土层铵态氮含量降低。浅湿干灌溉适当减施氮肥可以明显增加020cm土层铵态氮的含量，但过量减施氮肥则会使铵态氮含量大幅度减少。浅湿干灌溉020cm土层的硝态氮含量大于传统淹水灌溉，而2040cm和4060cm土层的硝态氮含量则小于传统淹水灌溉。浅湿干灌溉土壤中的硝态氮主要分布在耕层（020cm），而传统淹水灌溉常规施肥土壤中的硝态氮主要分布在2060cm。（二）浅湿干灌溉下各层土壤可溶性有机氮含量均随着施氮量减少而降低；与传统淹水灌溉相比，应用节水灌溉技术使155020cm土层土壤可溶性有机氮含量增加，而2060cm土层土壤可溶性有机氮含量降低；浅湿干灌溉适当减施氮肥可以明显增加020cm土层土壤可溶性有机氮的含量，但过量减施氮肥则会使土壤可溶性有机氮含量大幅度减少。（三）各处理的土壤微生物量氮含量均随土层深度增加而降低，浅湿干灌溉下各层土壤微生物量氮含量均随着施氮量减少而降低；与传统淹水灌溉相比，浅湿干灌溉适当减施氮肥可以明显增加020cm土层土壤微生物量氮的含量，但过量减施氮肥则会使土壤微生物量氮含量减少。（四）应用节水灌溉适当减施氮肥可以大幅度提高水稻产量、NAE和NUE，过量减施氮肥则会造成水稻大幅度减产，导致NAE、NUE持续降低。参考文献：1赵黎明,李明,郑殿峰,等.灌溉方式与种植密度对寒地水稻产量及光合物质生产特性的影响J.农业工程学报,2015,31(6):159-169.2丁森.位山灌区农田氮淋溶过程与地下水污染研究D.北京：清华大学,2010.3张作合,张忠学,郑衍波,等.水炭运筹下稻田土壤氮素分布与盈亏15N示踪分析J.农业机械学报,2020,51(6):309-317+395.4张忠学,宋健,齐智娟,等.控制灌溉氮肥减施对土壤氮素分布及氮素利用率的影响J.东北农业大学学报,2022,53(3):42-49+60.5朱兆良.我国土壤供氮和化肥氮去向研究的进展J.土壤,1985(1):2-9.6杨秉庚,蔡思源,刘宇娟,等.土壤供保氮能力决定稻田氮肥增产效果和利用率J.土壤学报,2021(8)：1-14.7Taylor J P,Wilson B,Mills M S,et al.Comparison of microbialnumbers and enzymatic activities in surface soils and subsoils usingvarious techniquesJ.Soil Biology and Biochemistry,2002,34(3):387-401.8肖新,朱伟,肖靓,等.适宜的水氮处理提高稻基农田土壤酶活性和土壤微生物量碳氮J.农业工程学报,2013,29(21):91-98.9汤宏,沈健林,张杨珠,等.秸秆还田与水分管理对稻田土壤微生物量碳、氮及溶解性有机碳、氮的影响J.水土保持学报,2013,27(1):240-246.10罗佳琳,赵亚慧,于建光,等.麦秸与氮肥配施对水稻根际区土壤微生物量碳氮的影响J.中国生态农业学报(中英文),2021,29(9):1582-1591.11张作合,张忠学,李铁成,等.水炭运筹下水稻根系对氮素吸收利用的15N示踪分析J.农业机械学报,2021,52(6):295-304.责任编辑郑丽娟Effect of Reducing Nitrogen Fertilizer Application on Soil Nitrogen Distribution andNitrogen Use Efficiency in Black Soil Paddy Field under Water-Saving IrrigationZhang Zuohe LI KaiZheng Meiyu LI Na(Suihua University,Suihua,Heilongjiang 152061)Abstract:In order to reveal the soil nitrogen distribution and nitrogen utilization of water-saving irrigation andreduced nitrogen fertilizer in black soil paddy field,the distribution of ammonium nitrate nitrogen,soluble organicnitrogen and microbial biomass nitrogen in each soil layer under water-saving irrigation and reduced nitrogen fertilizerwere studied,as well as their effects on Yield and nitrogen utilization.The results showed that shallow wet dryirrigation increased the content of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 020cm soil layer,while the content ofammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 2060cm soil layer decreased.The appropriate reduction of nitrogenfertilizer in shallow wet dry irrigation increased the content of ammonium nitrogen in 020cm soil layer.Under shallowwet dry irrigation,the content of soluble organic nitrogen in each layer of soil decreased with the reduction of nitrogenapplication,and the appropriate reduction of nitrogen application in shallow wet dry irrigation increased the content ofsoluble organic nitrogen in 020cm soil layer.Under shallow wet and dry irrigation,the soil microbial biomass nitrogencontent in each layer decreased with the reduction of nitrogen application.The appropriate reduction of nitrogenapplication in water-saving irrigation increased the soil microbial biomass nitrogen content in 020cm soil layer.Proper reduction of nitrogen fertilizer application in water-saving irrigation increased rice yield,Nitrogen Agronomicutilization efficiency and nitrogen absorption and utilization efficiency.Considering the nitrogen supply capacity ofblack soil,the stability of soil nitrogen pool and nitrogen utilization,water-saving irrigation with a reduction of 10%nitrogen fertilizer treatment was the best.Key words:paddy;water saving irrigation;reduce nitrogen fertilizer;soil nitrogen;nitrogen fertilizer utilization156