肥料是作物的“粮食”，在保障我国粮食安全中起着不可替代的作用，同时优化施肥对提高养分利用效率和降低环境排放有重要影响^[1]。大量研究表明，化肥-有机肥配施可以提高水稻产量并减少养分损失^[2-3]。徐明岗等^[4]研究发现，化肥-有机肥配施可以显著提高水稻产量和肥料利用率、减少环境污染、培肥土壤，并提出化肥-有机肥配施是南方水稻田简单易行的环境保护施肥技术。任科宇等^[5]基于文献数据分析了有机替代对长江流域水稻产量和籽粒氮含量的影响，结果表明，有机替代比例为 30%～60% 能够显著提高水稻产量和籽粒氮含量。然而，一些研究发现，有机农业（只施用有机肥）条件下农作物减产 20%～40%，蔬菜减产 20%～50%^[6]。因此，将有机农业与常规农业相结合，协调土壤无机与有机养分平衡是中国农业未来的发展方向。张福锁院士团队为推动我国化肥产业绿色转型升级，支撑农业绿色发展，提出了绿色智能肥的概念，即根据土壤-植物-微生物-肥料-环境之间的协同原理，构建匹配土壤、匹配作物、匹配气候环境条件的绿色智能肥料^[7]。

洱海流域是云南省第二大淡水湖流域，也是中国农业高质量发展和环境保护的典型地区^[8]。近些年，随着洱海流域旅游业、农业、工业等快速发展，入湖污染物增加了洱海水体的污染负荷，面源污染日益加重^[9]。随着《洱海保护治理与流域生态建设“十三五”规划》和《洱海保护管理规划（2020—2035）》的实施，洱海流域保护治理成效显著，但农业面源污染仍是洱海富营养化的主要污染源，主要包括农村生产生活、畜禽养殖和农田面源污染^[10-11]。研究表明，2019 年洱海流域农业面源污染的氮和磷总排放量分别为 6500 和 400 t，远超出洱海Ⅱ类水质的水环境承载力^[8]。洱海流域土壤有机质、全氮、有效磷含量丰富，土壤肥力较高，农业面源污染风险大^[12]。水稻作为洱海流域的主要作物之一，常年种植面积 15.3 千 hm²，不合理的施肥、管理粗放导致稻田氮和磷元素损失较高^[13]。为明确洱海流域水稻高产、高效、绿色、高值的施肥方式，本研究设置常规化肥模式、有机模式和绿色模式等施肥处理，通过田间试验探究洱海流域不同施肥模式对水稻产量、氮利用效率、环境排放和产值的影响，以期为洱海流域水稻施肥管理提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验地位于云南省大理市湾桥镇古生村 （25°81′94″N，100°14′21″E），属于低纬度高原中亚热带季风气候类型，海拔 1980 m，温度适宜，干湿分明，平均气温 14.6℃，多年平均降水量为 1048 mm，降水集中在 5—10 月，地下水位 0.65 m^[14]。试验地土壤质地为黏土，前茬油菜，耕层 0～20 cm 土壤有机质含量 68.1 g/kg，全氮含量 4.3 g/kg，有效磷含量 68.3 mg/kg，速效钾含量 99.5 mg/kg，pH 6.2。

1.2 试验设计

试验共设 4 个处理：不施肥、常规模式、绿色模式、有机模式，每个处理 6 个重复，共 24 个小区，随机区组设计。不同施肥处理的氮、磷、钾养分投入量如表1 所示。常规模式肥料为傣王稻 1 号肥（N-P₂O₅-K₂O = 18-10-12）、尿素（N 46%）、过磷酸钙（P₂O₅ 12%）和氯化钾（K₂O 60%）；绿色模式为有机-无机绿色智能肥（N-P₂O₅-K₂O = 8-4-4）；有机模式为有机肥[油饼（油枯），有机质含量 46%，N-P₂O₅-K₂O = 5.5-1.5-1.0]，所有肥料均采用人工撒施方式。每个试验小区面积 700 m² 以上，每个小区之间筑高 40 cm、宽 25 cm 的水泥埂，每个小区单独排灌。选用 7 寸水稻插秧机，行间距约为 23 cm，株距调整为 12 cm 左右，机械插秧后当天人工补苗（4～5 株 / 穴）。供试品种云粳 37 是云南省农业科学院粮食作物研究所选育的优质软香型粳稻。水分管理：分蘖期保持 2～5 cm 浅水层；分蘖末期前均为干湿交替灌溉，浅水层自然落干 3～5 d 后再灌入 2～5 cm 浅水；孕穗扬花期保持田面水层 3～5 cm，持续至扬花结束，之后仍按照干湿交替进行管理，收获前 2～3 周进行排水晾田。病虫草害农药使用满足《绿色食品农药使用准则》（NY/T393—2020）和洱海保护条例的相关要求。

1.3 有机-无机绿色智能肥研发生产

1.3.1 设计思路

（1）适合水稻绿色生产，设计单产预计总养分投入量后，按有机∶无机 =1∶1 设计氮素用量以满足绿色食品《绿色食品-肥料使用准则》（NY/ T394—2000）要求，由此确定肥料中氮养分含量； （2）根据洱海流域土壤中有效磷含量较高的特点，提出以氮带磷和磷总量控制的原则：通过氮促进水稻扩大型生长，消耗土壤中的磷库，磷素投入总量相当于水稻磷素需求的 70% 或以下；（3）根据不施肥土壤对作物供钾量和水稻钾素吸收量确定肥料中钾肥补充量；（4）水稻是喜硅作物，吸收量大且可以提高光合速率，提高抗病性避免倒伏减产；同时，水稻是锌敏感作物，锌是易缺乏元素；因此，应补充硅、锌、钙中微量元素。

1.3.2 原料选择

（1）有机原料：有机原料应富含氮素、限制磷素，采用高氮低磷的油枯为有机原料。添加活性物质含量高的矿物源腐植酸 0.5% 刺激水稻生长发育；（2）无机原料：氮源采用尿素、氯化铵； 磷以启动肥的作用为主，选择水溶性磷高的磷酸二铵；钾源为氯化钾（红钾）；中量元素使用黄磷渣；微量元素添加氧化锌；氮稳定剂为硝化抑制剂。

1.3.3 配方设计

有机-无机复合肥有机质含量≥ 20%，氮、磷、钾养分含量≥ 15%，其养分含量 N-P₂O₅-K₂O-Si-Zn 为 8-4-4-3-0.3。

1.3.4 工艺和农业应用

颗粒硬度、含水量、稳定性达到了《有机无机复混肥料》（GB/T18877—2020）的要求，有害物质含量完全达标。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 植株样品的采集及指标测定

在收获前 1～2 d，每个小区随机取 10 穴有代表性的水稻调查穗数、穗粒数、结实率和千粒重。调查结束后齐地收割装入网袋风干后分为籽粒和茎秆，磨碎、过筛，采用 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮，连续流动分析仪（AA3，德国 SEAL）测定氮含量。各小区单独收获，以风干重记产。

1.4.2 稻田径流损失的测定

水稻生长周期中，未降水时稻田排水时收集水样；降水产生径流后采用自动水质采样器每隔 30 min 收集 800 mL 径流水，使用电磁流量计监测每次径流水体积。径流液过滤后采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定可溶性总氮含量，采用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法测定可溶性总磷含量，化学需氧量（COD）采用重铬酸钾法进行测定^[15]。氮、磷和 COD 径流总量等于整个水稻生育期中各次径流水中养分浓度与径流水体积乘积之和。

1.4.3 土壤氨挥发的测定

采用密闭室间歇通气法测定土壤氨挥发。该装置包括密闭室、通气管、洗气瓶和真空泵 4 部分，这些装置通过塑料管道两两相连，形成一个有限的密闭空间。密闭室直径为 26 cm、高 15 cm、底部开放顶部留一通气孔的有机玻璃圆柱体。密闭室上的通气孔与插入土内的高为 250 cm 的通气管通过塑料管相连，以保证交换空气氨浓度一致。利用真空泵减压抽气使罩子内土壤挥发出的氨随气流通过装有吸收液的洗气瓶而被吸收。换气频率 20 次 / min 以上，在洗气瓶中装 40 mL 0.05 mol/L H₂SO₄ 溶液以吸收 NH₃，吸收液用连续流动分析仪（AA3，德国 SEAL）测定 NH₄ ⁺-N 浓度。施肥后第 2 d 开始测定氨挥发量，施肥后每 2 d 进行一次取样，直至氨挥发量降至与不施肥处理相同水平时停止取样，每天 9：00～11：00 测定 2 h，以 2 h 的通量值作为每天氨挥发的平均通量。氨挥发通量计算方法：

$\mathrm{F}=\frac{\mathrm{C}\times \mathrm{V}\times 14\times {10}^{-2}\times 24}{\pi \times {\mathrm{r}}^2\times \mathrm{t}}$

式中，F 为氨挥发通量[kg/（hm² ·d）]，C 为吸收液中 NH₄ ⁺-N 的浓度（mol/L），V 为稀硫酸吸收液的体积（mL），r 为气室的半径（cm），t 为氨挥发收集时间（h）。

NH₃ 累积排放量的计算公式为：

$\mathrm{C}=\mathrm{\Sigma }\frac{\left({\mathrm{F}}_{\mathrm{j}}+{\mathrm{F}}_{\mathrm{i}}\right)}{2}\times \left({\mathrm{t}}_{\mathrm{j}}-{\mathrm{t}}_{\mathrm{i}}\right)$

式中，C 为 NH₃ 累积排放量，F_i 和 F_j 分别为施肥后第 i 次和第 j 次 NH₃ 挥发速率[kg/（hm² ·d）]，t_i 和 t_j 分别为第 i 次和第 j 次采样对应的施肥后天数。

1.5 参数计算与统计分析

植物氮素累积量（kg/hm²）= 籽粒氮素含量 × 籽粒产量 + 秸秆氮素含量 × 秸秆生物量

氮素收获指数（%）= 籽粒氮素积累量 / 植株氮素积累量 ×100

氮肥吸收利用率（%）=（施肥处理地上部氮累积量-不施氮肥处理地上部氮累积量）/ 施氮量 ×100

氮肥农学利用率（kg/kg）=（施肥处理水稻产量-不施氮肥处理水稻产量）/ 施氮量

氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮区水稻产量－不施肥区水稻产量）/（施氮区植株氮素积累量－不施肥区植株氮素积累量）

氮肥偏生产力（kg/kg）= 施肥处理水稻产量 / 施氮量

土壤氮供应量 = 不施肥处理地上部植株氮累积量 + 不施肥处理土壤氮排放量

采用 Excel 2021 进行数据整理，采用 SPSS 20.0 进行统计分析，采用最小显著差异法（LSD）在 P<0.05 水平进行显著性检验，采用 Origin 2021 作图。利用 R 语言的“relaimpo”包进行产量构成因子对产量的相对重要性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对水稻产量及产量构成的影响

不同施肥模式下水稻产量及产量构成因子存在显著差异（P<0.05，表2）。不同施肥模式处理的水稻产量比不施肥处理显著提高了 20.8%～68.1%，其中绿色模式水稻产量最高（12.1 t/hm²）。与常规模式相比，绿色模式的水稻产量提高了 16.3%，而有机模式的水稻产量降低了 16.4%。不同施肥模式的水稻产量构成因子结果显示，常规模式和绿色模式显著提高了穗数和穗粒数（P<0.05），不同模式千粒重和结实率差异不明显。常规模式和绿色模式较不施肥处理的穗数分别增加了 25.7% 和 17.0%，穗粒数分别增加了 24.9% 和 41.0%。绿色模式达127 粒 / 穗，较常规模式提高了 12.9%。

注：不同小写字母表示不同施肥模式间差异达到 5% 显著水平。下同。

2.2 不同施肥模式对水稻氮素利用效率的影响

水稻植株氮累积量在施肥后显著增加，而氮收获指数处理间无显著差异（表3）。不同施肥模式的氮素累积量比不施肥处理显著增加了 36.2%～127.6%，其中绿色模式的植株氮累积量最高，较常规模式增加了 37.7%。不同施肥模式的氮利用效率结果显示，与常规模式相比，绿色模式的氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力分别提高 12.5%、8.8 kg/kg、9.0 kg/kg 和 13.0 kg/kg。相反，有机模式的氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力较常规模式分别降低 13.1%、 8.9 kg/kg、8.1 kg/kg 和 5.9 kg/kg。

2.3 不同施肥模式下环境排放差异

不同施肥模式对土壤氨挥发、田面径流氮 / 磷损失和COD 均有显著影响（表4）。各施肥处理的土壤氨挥发量和径流损失均显著高于不施肥处理，其中常规模式的氨挥发量（较不施肥处理增加了 31.8 kg/hm²）和氮、磷径流损失量（较不施肥处理分别增加了 124% 和 65%）最高。与常规模式相比，有机模式和绿色模式的土壤氨挥发量分别降低了 63.3% 和 56.3%，全氮、总磷径流损失量分别降低了 38.1% 和 41.4%、6.5% 和 14.4%。绿色模式与有机模式的土壤氨挥发量和径流养分损失量处理间无显著差异，而常规模式径流损失的 COD 较绿色模式显著降低了 19.3%。

2.4 不同施肥模式下土壤氮素平衡

不同施肥模式下土壤氮素投入、输出和平衡情况如图1 所示。在无肥料投入时，可以根据水稻植株氮素累积量和土壤氮损失量评估土壤氮供应能力。在本研究中，试验地土壤氮供应能力为 117 kg/hm²。根据土壤氮供应和化肥、有机肥的氮投入量及输入量、损失量计算出土壤氮素平衡，结果显示绿色模式的土壤氮盈余量最低，仅为 48.3 kg/hm²。与常规模式相比，绿色模式的土壤氮盈余量降低了 41.5%，而有机模式的土壤氮盈余量增加了 64.8%。

2.5 不同施肥模式下经济效益评估

不同施肥模式下经济效益情况如表5 所示。不同施肥处理中，由于管理模式不同，物料支出情况存在较大差异。其中，有机模式使用单独培育有机秧苗，育苗全程符合有机生产标准，因此，有机模式秧苗成本高于常规和绿色模式。有机模式全程未使用除草剂，为保证水稻正常生长不受影响，全生育期多次采用人工除草，而常规和绿色模式则通过喷施除草剂降低劳务费用。有机模式采用人工除草和防病，因此机械费用较低，而常规和绿色模式采用无人机飞防等措施增加了机械费用。不同施肥模式的稻谷产值表现为绿色模式 >有机模式 >常规模式。绿色模式的净利润最高，较常规模式和绿色模式分别提高了 2.7 万和 2.4 万元 /hm²。

注：稻谷单价为企业对外收购稻谷价格。

3 讨论

3.1 绿色施肥模式对水稻产量的影响

施肥措施在提高作物产量、产量稳定性和土壤肥力方面发挥着至关重要的作用^[16]。随着绿色农业的发展，有机肥的使用得到了广泛推广，以往的许多研究表明，施用有机肥可以提高作物产量^[17]。本研究表明，施肥可以显著提高水稻产量，其中绿色模式的水稻产量和氮利用效率最高，而常规模式和有机模式相对较低（表2、表3），表明有机肥替代部分化肥在提高水稻产量的同时提高了氮素利用效率。研究表明，有机肥替代部分化肥可以调节土壤中的养分转化速率，从而有利于作物增产稳产^[18]。这是因为，首先，土壤有机质含量是影响作物生长的重要因素，施用有机肥可以提高土壤有机质含量，从而促进土壤微生物的活性和养分转化^[19]；其次，施用有机肥能够为水稻生长提供小分子有机氮，部分小分子可能有生物信号以及缩短氮素代谢途径降低生物能源代价的作用，从而促进水稻根系吸收有机氮^[20]。同时，有机肥在土壤中通过矿化作用缓慢且持续的释放氮素养分，满足水稻生育后期对氮素的吸收利用^[21]。在本研究中，水稻产量构成因子对产量的相对贡献率结果显示，穗粒数和穗数对产量的影响最大（图2）。氮素是水稻穗粒数和穗数形成的重要营养元素^[22]，因此，绿色模式的氮素持续供应能力是提高水稻产量和氮素利用效率的重要原因之一。此外，有机肥替代部分化肥可以降低氨挥发、减少氮淋失、增加微生物固持，提高土壤氮库，进而保证水稻氮素供应、提高产量^[21]。绿色模式提高水稻产量可能还与有机-无机绿色智能肥中添加的硅和锌等微量元素有关。前人研究表明，施用硅肥可以提高水稻根系活力、叶片叶绿素含量和叶面积指数^[23]，此外，硅肥在水稻抗病虫害、抗旱等生物和非生物胁迫中也发挥重要作用^[24]；廖文强^[25]提出水稻基施锌肥可以提高水稻产量的原因是提高了水稻分蘖、穗数和穗粒数。

大量不合理的施用化肥带来的一系列问题使得在农业生产中提出了有机肥完全替代化肥的方法，即“有机农业”^[6]。然而，关于有机农业和常规农业对产量和环境影响的争论在国内外均普遍存在。 Moe 等^[26]研究表明，施用有机肥降低了水稻的叶片叶绿素含量和分蘖数，进而产量降低，其原因主要为有机肥高碳氮比限制了养分释放，导致水稻分蘖期缺氮。黄兴成等^[22]研究发现，有机肥全量替代化肥处理的水稻产量显著低于平衡化肥处理，主要原因是有机肥养分释放较慢导致土壤氮素供应不足，水稻分蘖数降低，从而减少穗数，导致产量降低。肖大康等^[18]基于文献数据分析了不同有机肥替代比例对水稻产量的影响，结果显示，在肥力较高的土壤中，有机肥最佳替代比例是 60% 左右。在本研究中，土壤有机质含量较高（68.1 g/kg），有机肥全量替代并不利于土壤无机氮的供应，进而影响水稻生育前期分蘖、后期穗数和穗粒数。此外，洱海流域地处云南高原地区，积温高而逐日温度较低（相较于长江流域稻区），有机肥施入到土壤后矿化速率较慢，能够被当季水稻吸收利用的养分有限^[27]。

3.2 绿色施肥模式对稻田氮、磷损失的影响

氨挥发和径流氮损失是稻田主要的氮素损失途径，因此，如何降低土壤氨挥发和径流损失成为水稻生产过程中重要的研究课题^[28]。在本研究中，常规模式的氨挥发和氮径流损失量共计 72 kg/hm²，占施氮量的 37.5%。而在绿色和有机模式中，氨挥发和径流的氮素损失量分别仅为 33.9 和 35.9 kg/hm²，较常规模式分别降低了 52.9% 和 50.1%。结果表明，在洱海流域水稻生产中，施用有机肥有利于降低氨挥发，对于洱海保护具有重要作用。同样，朱文博等^[29]研究发现，施用有机肥能够减少稻田氨挥发损失和养分径流损失。首先，氨挥发和养分径流损失均与田面水中养分含量有关，郭柯凡等^[30]研究发现，施用有机肥处理的水稻田面水中铵态氮含量显著低于化肥处理，降低了稻田氨挥发损失的风险。其次，土壤氨挥发量与 pH 呈正相关关系^[31]，有机肥在分解过程中会产生有机酸降低土壤 pH，同时腐殖质也会吸附铵态氮，从而降低土壤氨挥发^[32]。同时，有机-无机绿色智能肥中添加的腐植酸可以显著降低氨挥发，研究表明，腐植酸能够较好地吸附氨离子，形成稳定的腐植酸铵盐，从而降低氨挥发^[33]。王崇力等^[34]研究发现，一次性基施缓释肥料有利于降低土壤氨挥发损失，在本研究中，有机-无机绿色智能肥中添加了硝化抑制剂以延长供肥期，因此可以一次性基施，在实现轻简化生产的同时降低了氨挥发损失。此外，有机肥的施用提供了充足的氮源和碳源，促进了微生物的活动，微生物将土壤中的无机氮固定转化为有机氮，从而降低了土壤氨挥发和氮径流损失^[35]。在本研究中，绿色模式的磷径流损失量显著低于常规模式，这与有机-无机绿色智能肥的总磷投入量有关。有机-无机智能肥的设计思路包括“磷养分总量控制原则、以氮带磷原则”，绿色模式的总磷投入量较常规模式降低了 33.3%（表1）。此外，洱海流域土壤有效磷含量较高（68.3 mg/kg），在水稻生产中可以适当减少磷肥的投入量。

3.3 绿色施肥模式的综合效益评价

随着收入水平的提高和健康意识的不断增强，人们对食品品质的要求逐渐提升，有机食品和绿色食品应运而生。有机食品是指按照国际有机生产要求和响应的标准生产加工的食品，有机农业通常采用有机肥替代常规农业中的化肥满足作物生长^[36]。绿色食品是指遵循可持续发展原则，绿色食品在施肥时要求有机氮肥投入量占总氮肥投入量的一半以上^[37]。在本研究中，有机模式和绿色模式的生产过程严格按照有机食品和绿色食品标准进行种植。有机和绿色模式的生产投入较常规模式分别增加了 2.2 万和 0.7 万元 /hm²，而有机和绿色模式的水稻单价高于常规模式（表5）。不同模式的净利润结果显示，与常规模式相比，有机模式和绿色模式水稻净利润分别提高了 40% 和 407%，结果表明，水稻绿色种植模式可以显著增加收益。

通过合理施肥兼顾水稻高产、高效、环境减排和农民增收至关重要。在本研究中，绿色模式在实现高产和高氮肥利用效率的同时，实现了减排和增收（图3）。常规模式有较高的水稻产量，但氮素损失量较高。相反，有机模式降低了氮素损失量，但付出的代价是较低的产量、氮肥利用率和净利润。因此，绿色模式是洱海流域高产、高效、绿色、高值的施肥模式，值得在全流域进行推广。

4 结论

与常规模式和有机模式相比，绿色模式显著提高了水稻穗粒数和穗数，进而提高了水稻产量，水稻氮素累积量、氮肥利用率均显著增加，同时降低了土壤氮盈余量。绿色模式和有机模式的土壤氨挥发和养分径流损失量显著低于常规模式。绿色模式在实现减排、高产、高效的同时，也提高了水稻的净利润，是洱海流域农业绿色可持续发展的重要途径。

参考文献