水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量和种植面积分别占我国粮食总产量和种植总面积的 32% 和 26%^[1]。因此，水稻的稳产增产对保障国家粮食安全至关重要。施用氮肥是提高水稻产量的重要措施之一，氮肥对水稻产量的贡献率在 50% 以上^[2-3]。为了获得水稻高产，农民往往施用大量氮肥，我国氮肥的消耗量约占全球氮肥总用量的三分之一^[4-6]。然而，氮肥的持续大量投入并没有带来作物产量的持续提高。过量施用氮肥反而会造成多种环境问题，如土壤酸化、水体富营养化及大气污染等^[5，7-8]。因此，如何合理减少氮肥投入，提高氮肥利用率和降低氮肥损失率，同时保证水稻稳产是确保水稻绿色生产的基础。

分次施肥是提高水稻氮肥利用率的重要方式之一^[9]。在杭嘉湖地区水稻生产上，氮肥通过按基肥 40%、分蘖肥 30%、穗肥 30% 的比较施用，即 70% 的氮肥在水稻生育前期施用。较多的氮肥作基肥施用在一定程度上有利于水稻返青和分蘖，然而，过量的氮肥基施进入稻田后，使水稻幼苗吸收氮素有限，从而导致大量的氮肥通过各种途径损失掉^[10]。随着人们对施肥技术及水稻生长发育研究的不断深入，逐渐认识到中后期氮肥施用对水稻产量及氮肥利用率的影响^[11]。段小丽等^[12]和冯延聪等^[13]研究表明，氮肥后移不仅可以提高氮肥利用率和水稻产量，还能减少氮肥损失。所以说，减少氮肥用量并不是简单的减少总量，需要考虑减施哪一次施肥量，而且关键生育期可能还要适当提高施用量^[9]。

稳定同位素（¹⁵N）示踪技术可以定量示踪肥料氮在作物-土壤系统中的去向，准确区分作物吸收的氮素有多少来自土壤，多少来自肥料^[14-16]。应用 ¹⁵N 示踪技术，Wang 等^[17] 发现穗肥的 ¹⁵N 肥料利用率（32%～68%）显著高于基肥 （10%～36%）和分蘖肥（13%～42%）。相似地，林晶晶等^[18]研究发现，水稻整个生育期吸收的氮素，基肥、分蘖肥和穗肥分别贡献 6.9%、7.6% 和 26.0%。此外，林晶晶等^[18]的研究还显示，基肥和分蘖肥施用量越高，水稻氮肥利用率越低，损失率越高。本研究将探讨不同减氮时期对水稻产量及氮肥利用率的影响；应用 ¹⁵N 同位素示踪技术研究不同减氮时期对水稻-土壤系统中氮肥去向的影响，为杭嘉湖平原单季稻生产中采用合理的氮肥减施措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于 2018—2019 年在浙江省平湖市钟埭街道大力村（30.71°N，121.04°E）进行，该地区属于亚热带季风气候，年均气温为 16.5℃，年均降水量为 1170 mm。当地主要种植制度为水稻-小麦轮作。供试土壤为脱潜水稻土（青紫泥田），试验前表层土壤（0～20 cm）基础理化性质为 pH 6.5、有机质 33.5 g/kg、全氮 2.4 g/kg、碱解氮 96 mg/kg、有效磷 20.1 mg/kg、速效钾 165 mg/kg。

1.2 小区试验设置

田间小区试验共设置 5 个处理：（1）不施氮肥（N0）；（2）当地常规施肥，施氮量为 N 225 kg/hm²，基肥、分蘖肥、穗肥分别为 N 90、67.5、 67.5 kg/hm² （N1）；（3） 基肥减氮，施氮量为 N 202.5 kg/hm²，基肥、分蘖肥、穗肥分别为 N 67.5、 67.5、67.5 kg/hm² （N2）；（4）分蘖肥减氮，施氮量为 N 202.5 kg/hm²，基肥、分蘖肥、穗肥分别为 N 90、45、67.5 kg/hm² （N3）；（5）穗肥减氮，施氮量为 N 202.5 kg/hm²，基肥、分蘖肥、穗肥分别为 N 90、67.5、45 kg/hm² （N4）。所有处理的磷肥和钾肥施用量分别为 P₂O₅ 60 kg/hm² 和 K₂O 90 kg/hm²，均作基肥一次施用。各小区面积为 30 m² （5 m×6 m），重复 3 次，随机区组排列。各小区之间用覆有塑料膜的田埂隔开，单排单灌。水稻移栽行株间距为 25 cm×20 cm。供试水稻品种为浙优 18；供试氮、磷、钾肥分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P₂O₅ 12%）和氯化钾（K₂O 60%）。田间管理措施与当地农户管理一致。

1.3 微区试验设置

2019 年在相应的小区试验中间布置 ¹⁵N 微区试验。施肥前在相应的小区中间插入 PVC 管（直径 40 cm，高 50 cm），插入土下 40 cm，土表上面留 10 cm。微区内的肥料施用量和施肥方式与相应的小区一致，但氮肥采用的是 ¹⁵N 标记尿素。每个微区内种植 4 穴水稻。¹⁵N 标记的尿素购于上海化工研究院，丰度为 10%。

1.4 样品采集与测定

在水稻成熟期采集水稻植株样品和土壤样品。在每个小区随机选取 6 篼水稻植株，收割混合后装入网袋；微区内所有水稻植株收割装入网袋中。植株样品带回实验室后放入烘箱，先在 105℃下杀青 30 min，然后在 75℃下烘至恒重。所有烘干的水稻植株样品分成籽粒和秸秆两部分，分别称重、粉碎过 0.15 mm 筛。各小区水稻全部收获进行测产，称取 500 g 左右（鲜重）的稻谷带回实验室烘干测定含水率，按 13.5% 的标准含水率计算稻谷产量。微区框内用土钻采集 0～20 和 20～40 cm 深度的土壤，土壤样品装入自封袋中，带回实验室后在室内风干。同时，微区框内 0～20 和 20～40 cm 深度的土壤用环刀法测定土壤容重。风干后的土壤样品磨碎过 0.15 mm 筛，待用。水稻籽粒、秸秆和土壤样品的氮含量及 ¹⁵N 丰度采用元素分析仪（Costech ECS4024，Costech 分析技术公司，意大利）耦合同位素质谱仪（Delta V Advantage，赛默飞世尔科技公司，美国）进行测定。

1.5 计算公式

氮肥表观利用率、农学效率和偏生产力的计算方法参考文献^[4]：

氮肥表观利用率（%）=（施氮区水稻植株总吸氮量 − 不施氮区水稻植株总吸氮量）/ 施氮量 ×100

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区水稻产量 − 不施氮区水稻产量）/ 施氮量

氮肥偏生产力（kg/kg）= 施氮区水稻产量 / 施氮量

水稻植株和土壤中 ¹⁵N 肥料计算方法参考文献^[18]：

植株 / 土壤全氮来自 ¹⁵N 肥料的比例（%）= （植株 / 土壤 ¹⁵N 丰度 −¹⁵N 自然丰度）/（氮肥 ¹⁵N 丰度 −¹⁵N 自然丰度）×100

植株吸收的 ¹⁵N 肥料氮量（kg/hm²）= 植株吸氮量 × 植株全氮来自 ¹⁵N 肥料的比例

土壤中 ¹⁵N 肥料残留量（kg/hm²）= 土壤全氮 × 土壤容重 × 土层深度 × 土壤全氮来自 ¹⁵N 肥料的比例

¹⁵N 肥料利用率（%）= 植株吸收的 ¹⁵N 肥料氮量 / ¹⁵N 肥料施用量 ×100

¹⁵N 肥料残留率（%）= 土壤残留的 ¹⁵N 肥料氮量 / ¹⁵N 肥料施用量 ×100

¹⁵N 肥料损失率 =100%−¹⁵N 肥料利用率 − ¹⁵N 肥料残留率

1.6 数据处理

所有数据用 Excel 2016 进行处理，用 SPSS 22.0 进行统计分析，同时利用 Duncan 法进行多重比较。采用 Origin 8 进行作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥减施时期对水稻产量的影响

从表1 中可以看出，与 N0 处理相比，施用氮肥可以显著增加水稻产量和地上生物量。在 2018 年，与 N4 处理相比，N2 处理显著增加了水稻产量和地上生物量；而 N1 和 N3 处理没有显著增加。在 2019 水稻季，N2 处理相比 N4 处理水稻产量增加 9.4%；而 N1、N2 和 N3 处理间水稻产量无显著差异；各施氮处理间的水稻地上生物量无显著差异。

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 氮肥减施时期对水稻吸氮量和氮肥利用率的影响

由表2 可知，与 N0 处理相比，施用氮肥显著提高了水稻籽粒、秸秆和植株总吸氮量。2018 年水稻籽粒吸氮量最高的为 N2 处理，且显著高于N1、N3 和 N4 处理；而水稻秸秆吸氮量最高的为 N3 处理，显著高于 N2 处理。与 N1 处理相比，N2 和 N3 处理水稻植株总吸氮量分别提高 11.1% 和 6.9%。2019 年各施氮处理间的籽粒吸氮量、秸秆吸氮量和总吸氮量均无显著差异。

由表3 可知，与 N1 处理相比，氮肥减量 （N2、N3 和 N4 处理）提高了 2018 年水稻氮肥利用率。N2 处理的氮肥表观利用率较 N1 和 N4 处理分别提高 48.9% 和 33.5%；N3 处理的氮肥表观利用率则分别提高 34.3% 和 20.4%。与 N1 和 N4 处理相比，N2 处理显著提高了 2018 年水稻氮肥农学效率；而 N3 处理没有显著影响。N2 和 N3 处理的氮肥偏生产力比 N1 处理分别提高 19.0% 和 15.0%。在 2019 年，与 N4 处理相比，N1、N2 和 N3 处理均显著提高了氮肥表观利用率，且三者之间无显著差异。N2 处理的氮肥农学效率显著高于 N4 处理，但与 N1 和 N3 处理均没有显著差异。N2 和 N3 处理的氮肥偏生产力较 N1 处理分别提高 15.0% 和 12.4%。

2.3 氮肥减施时期对水稻 ¹⁵N 肥料吸收利用的影响

不同施氮运筹方式会影响水稻对肥料氮的吸收利用见表4。水稻籽粒和秸秆吸收的氮素来自肥料氮的比例分别为 37%～41% 和 35%～41%，均低于 50%。N1 和 N2 处理的籽粒吸收的肥料氮比例显著高于 N3 和 N4 处理；对于秸秆吸收的肥料氮比例，则是 N1 处理显著高于 N3 和 N4 处理，而 N2、 N3 和 N4 处理间无显著差异。相比 N4 处理，N1 和 N2 处理显著提高籽粒 ¹⁵N 肥料吸收量，且分别提高 16.9% 和 16.3%。N3 和 N4 处理相比 N1 处理均显著降低了水稻秸秆 ¹⁵N 肥料吸收量。N1 和 N2 处理的植株总 ¹⁵N 肥料吸收量较 N3 处理分别增加 12.6% 和 9.0%，较 N4 处理分别增加 19.9% 和 16.0%。N2 处理的 ¹⁵N 肥料利用率为 30.1%，比 N4 处理提高了 16.0%，但与 N1 和 N3 处理相比均无显著差异。

注：Ndff 为植株全氮来自 ¹⁵N 肥料的比例。

2.4 氮肥减施时期对 ¹⁵N 肥料去向的影响

从表5 中可以看出，肥料氮主要残留在表层土壤中（0～20 cm），0～20 cm 土层中残留的 ¹⁵N 肥料占 0～40 cm 土层总 ¹⁵N 肥料残留量的 89.9%～92.7%。N2 处理的 0～20 cm 土层 ¹⁵N 肥料残留量比 N1 和 N4 处理分别增加 6.6% 和 6.0%； 而 N2 和 N3 处理间没有显著差异。高施氮量导致土壤中较多的肥料氮淋溶到 20～40 cm 土层中， N1 处理相比其他减氮处理的 20～40 cm 土层中 ¹⁵N 肥料残留量增加了 9.9%～36.8%。

¹⁵N 肥料在水稻-土壤中的去向显示， 26.0%～30.1% 的 ¹⁵N 肥料被水稻植株吸收利用，3 4.5%～40.3% 的 ¹⁵N 肥料残留在 0～40 cm 土层中，而有 29.5%～37.4% 的 ¹⁵N 肥料通过多种途径损失掉（图1）。与 N1 处理相比，N2 处理增加了 ¹⁵N 肥料残留率，降低了 ¹⁵N 肥料损失率；与 N4 处理相比，N2 处理提高了 ¹⁵N 肥料利用率，降低了其损失率。

3 讨论

氮素对水稻的生长发育起重要作用，对其产量和品质至关重要^[19]。施用氮肥相较于不施氮肥可显著提高水稻产量（表1）。然而，氮肥施用量与水稻产量并不呈线性关系，过量施用氮肥反而可能会降低水稻产量^[20]。本研究中氮肥施用量从 225 kg/hm² 减为 202.5 kg/hm² 并不会显著降低水稻产量，说明常规施肥属于氮肥过量施用。过量的氮肥施用会导致水稻氮素的奢侈吸收、引起水稻贪青倒伏、加剧水稻病虫害，从而导致水稻产量下降及氮肥利用率降低^[4，21-22]。此外，过量施用氮肥不仅导致氮肥损失率增加，从而对环境造成负面影响，而且还增加了生产成本^[5，23]。此外，氮肥减量（N2 和 N3 处理）相较 N1 处理提高了氮肥利用率（表3）。 Liu 等^[24]在江苏省丹阳市开展大田试验，研究发现氮肥用量从 300 kg/hm² 降到 180 kg/hm² 时，水稻产量仍可维持在 11000～12000 kg/hm² 水平，并不会引起水稻减产。Liu 等^[24]、Qiao 等^[25]研究发现，短期的氮肥减量施用可以维持水稻产量，但长期减氮下的水稻稳产性还需要长期试验进行研究。

在同等施氮量（202.5 kg/hm²）下，与 N4 处理相比，N2 处理显著提高水稻产量（表1）。这主要是因为 N2 处理将 22.5 kg/hm² 的基肥施氮量后移穗肥期，从而促进了水稻对氮肥的吸收利用，进而提高了水稻产量^[11，26]。薛利红等^[9]通过早稻大田试验研究发现，氮肥施用量从 210 kg/hm² 减少到 180 kg/hm²，不减穗肥而只减基肥或分蘖肥时，水稻产量表现为增产，但只减穗肥则略有减产。基肥施用量增加会导致无效分蘖过多，从而降低了有效穗数，进而降低了水稻产量^[27-28]；而减少基蘖肥，同时增施穗肥则可以提高水稻成穗率和千粒重，最终提高了水稻产量^{[9，11，29]}。适宜比例的氮肥后移可以提高水稻碳、氮代谢酶活性，促进碳同化物积累和氮素的吸收利用，进而同时提高水稻产量及氮肥利用率^[26]。

本研究发现 N2 处理的氮肥表观利用率和 ¹⁵N 肥料利用率均显著高于 N4 处理。研究表明增施基蘖氮肥增加了水稻拔节前的氮素吸收量，但减少了生育后期的吸氮量，从而降低了总氮肥利用率^[27，30]。而增施穗肥提高了氮肥利用率，同时降低了土壤速效氮的残留^[31]。Li 等^[30] 研究认为，适当降低水稻基肥施氮量可以提高总的氮肥利用率。本研究结果显示，¹⁵N 示踪法计算得到的氮肥利用率（26.0%～30.1%）低于差值法计算得到的氮肥表观利用率（28.8%～32.8%）。这与李鹏飞等^[14]和魏颖娟等^[15]的研究结果一致。¹⁵N 肥料施入土壤后由于存在“氮加入交互作用”将土壤中的 14N 置换出来，从而减少了植物对 ¹⁵N 肥料的吸收利用，这是导致示踪法得到的氮肥利用率低于差值法的主要原因^[15]。

研究表明，水稻土中 ¹⁵N 肥料主要残留在 0～20 cm 土层中^{[1，14，32]}。这与本文的研究结果一致，我们研究发现，表层土壤残留的肥料氮占总残留 ¹⁵N 肥料的 90% 左右。由于水稻土中有犁底层的存在，限制了肥料养分向深层土壤的迁移，因而肥料氮主要残留在表层土壤中。残留的肥料氮可以补充土壤氮库，可以为后茬的作物生长供应氮素^[33]。曾科等^[1]和李鹏飞等^[14]的研究表明，水稻氮肥损失率在 22%～65% 范围，本研究的 ¹⁵N 肥料损失率（30%～37%）在此范围内。本文研究显示，不管在哪个时期减施氮肥，¹⁵N 肥料的残留率均无显著差异（表5）。这说明在同等施氮量下， ¹⁵N 肥料损失率主要受 ¹⁵N 利用率的影响。在本研究中，相比 N4 处理，N2 处理显著降低了 ¹⁵N 肥料损失率。Pan 等^[19]通过田间试验研究发现，减少基肥用氮量增加穗肥用氮量显著降低了 ¹⁵N 肥料损失率。过量基施氮肥会导致田面水铵态氮浓度升高，此时水稻幼小，根系不够发达无法吸收利用大量的氮素，从而导致大量的氮肥会以氨挥发途径损失进入环境中^[12，34]。而水稻孕穗-抽穗期是其氮素吸收利用的一个高峰期，此时施用的氮肥可以快速地被水稻吸收利用，进而减少了氮肥的损失^[17-18]。

4 结论

在杭嘉湖地区水稻生产上，氮肥施用量从 225 kg/hm² 减到 202.5 kg/hm²，且主要减少基肥施用量，该施肥措施不会降低水稻产量，反而可以提高氮肥利用率和残留率，从而减少了氮肥损失率。

参考文献