我国农业生产中因粮食增产需求而过量施用氮肥的现象较为常见，太湖稻田单季氮肥用量可达300 kg N·hm^-2，其氮肥农学效率仅为3%^{[1, 2]}，然而研究^{[3, 4]}发现太湖地区稻季氮投入量可降至200 kg N·hm^-2，过量施肥不仅会导致氮肥利用率和产量下降，而且会对环境产生负面影响。未被作物利用的氮素，通过径流、氨挥发、渗漏等方式进入环境，从而污染水体和大气^[5]。

根据作物高产养分需求规律以及土壤供肥特征等进行肥料优化管理是实现源头控制面源污染最小化的主要途径^[6]，针对集约化稻田高产目标的氮肥运筹方式已有较多研究，然而对水稻关键生育期的植株氮素吸收和土壤养分供应的研究较少^{[2, 7, 8]}。因此，寻求作物养分需求和土壤供应之间的氮素平衡具有重要意义，并可为农田合理施氮提供理论依据。稻田总氮供应可反映水稻生长情况，叶片氮含量作为一项表征氮素供应的指标是不可或缺的，而SPAD值对叶片氮含量有较好的响应^[9]，选择合适的SPAD临界值来指导适时追肥，可明显降低氮肥用量，提高稻田氮肥利用效率，同时其产量水平也能达到其他氮肥管理方式的产量水平^[10]。根圈土壤矿质态氮含量显著影响作物形态学特征，并进一步影响作物产量^[11]。本研究通过设置不同氮肥梯度试验，研究不同施氮量下水稻生理响应、土壤氮素供应和总氮径流损失，以期对该地区施氮提供合理建议。

试验地位于江苏省宜兴市滨临太湖的大浦镇渭渎村（31°16′17.29″N，119°55′23.92″E）。该地区属于北亚热带湿润气候区，年均气温为16 ℃，年均降雨量为1100~1400 mm。土壤属于潜育性水稻土，2010年耕层土壤（0~15 cm）理化性质如下：pH5.81，有机质27.63 g·kg^-1、全氮1.47 g·kg^-1、全磷（P₂O₅） 0.60 g·kg^-1、全钾（K₂O） 13.68 g·kg^-1、速效氮84.91 mg·kg^-1，速效磷22.74 mg·kg^-1、速效钾51.25 mg·kg^-1。

本试验为始于2008年的连续大田试验，本文数据为2010年试验结果。试验共设计有6个处理，分别为N₀，不施氮；N₁，施氮肥135 kg N·hm^-2，50%常规氮肥用量；N₂，施氮肥189 kg N·hm^-2，70%常规氮肥用量；N₃，施氮肥216 kg N·hm^-2，80%常规氮肥用量；N₄，施氮肥243 kg N·hm^-2，90%常规氮肥用量；N₅，施氮肥270 kg N·hm^-2，常规氮肥用量。

每个处理3个重复，共18个小区，小区面积为30.8 m²，小区之间由田埂外包塑料薄膜隔开，防止渗漏和串水。稻季分3次施肥，基肥、分蘖肥和穗肥的比例为3∶3∶4，所有处理施用量均等于当地农户稻季P、K用量。试验中以硫基复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）为基肥，若处理P、K不足，则以普钙（含磷12%）和氯化钾（含钾60%）补足，以保证P、K施用量均达到81 kg·hm^-2。分蘖肥和穗肥均以尿素（含N 46%）形式施入。各处理实施方案见表 1。

表 1 稻麦轮作不同施氮处理试验设计及实施方法（2010 年） Table 1 Schemes and implementation methods of different N rates in 2010

表选项

标准化小区，保持各小区田埂和田面高度一致，小区排水口设置流量计，记录各次降雨小区流出液总读数。降雨前预估降雨强度和降雨量，在可能产生径流的降雨前后，在每个小区随机选取3个点采集混合水样。水样采集后立即带回实验室，用直径7 cm定量滤纸（上海双圈）过滤后保存于0 ℃冰箱中，待化学分析和测定。滤液通过德国汉堡Bran & Luebbe公司流动分析仪（Traacs 800）测定总氮含量。

分别于基肥、分蘖肥、穗肥施入后10 d和收获期采集水稻样品。每次采样时，各小区随机选取6穴水稻样品。水稻样品采集后立即清洗植株根系，分离水稻地上部和地下部，在收获期，分离地上部秸秆和籽粒，并测产。植株样品在105 ℃下杀青30 min后，在80 ℃烘干至恒重并粉碎过筛（0.5 mm），之后用硫酸-过氧化氢消化，凯氏定氮法测定全氮含量。另外，每个小区定点选取有代表性的水稻植株3穴，于施肥（基追肥）前1 d和施肥后7 d，测定其中3株主茎植株顶三叶完全展开叶（叶尖、叶中和叶基）SPAD值并取其平均值，以描述SPAD随施氮的变化情况。

在植株样品采集的同时，采用抖落法^[12]采集水稻根圈土壤样品，每个小区采样5~6穴。样品采集后用TDL-50B 低速台式离心机离心30 min（5000 r·min^-1），待悬浊液澄清后，沥取上清液并测定铵态氮和硝态氮（Traacs 800，Bran & Luebbe，Hamburg），其铵态氮和硝态氮的累加值定义为土壤溶液矿质态氮。将离心后的土壤样品混匀，随机选取部分土样，加入2 mol·L^-1KCl溶液（土水比为1∶5），在20 ℃下振荡1 h后静置，滤纸（双圈11 cm慢速）过滤后测定铵态氮和硝态氮含量，以二者的累加值为土壤矿质态氮。选取部分土壤样品测定土壤含水率。在作物种植前和收获后，在小区内随机选取3点取样，测定其土壤矿质态氮含量。

第n次产流时小区径流液体积

数据整理以及统计分析采用Sigmaplot 10.0和SPSS 16.0软件进行。

基肥施用可显著影响水稻苗期根圈土壤矿质态氮含量，相对而言，分蘖期和抽穗期追肥对根圈土壤矿质态氮含量影响较小，且处理间差异不显著。稻田追肥均以尿素形式撒施于水层中，高温条件下尿素快速水解，田面水浓度在2~3 d内迅速降低至10 mg·L^-1以下^[13]，造成氨挥发量较大^[14]；小部分氮素进入土壤中，导致土壤矿质态氮含量没有明显变化。苗期根圈土壤矿质态氮均值为16.70 mg·kg^-1，分蘖期及抽穗期显著下降，分别为8.87、9.05 mg·kg^-1；在水稻收获后，根圈土壤矿质态氮含量显著升高，并与施氮量间存在显著线性关系：^y=0.032^x+12.22（P < 0.05）。稻田土壤矿质态氮主要形态为铵态氮，分别占苗期、分蘖期、抽穗期和收获期矿质态氮含量比例为97.5%、92.9%、94.8%和57.4%（表 2）。

根圈土壤溶液矿质态氮含量是表征土壤中游离态水可被作物直接利用的一部分矿质态氮含量。其最高值出现在苗期，期间施氮处理和不施氮处理间存在显著差异，而施氮处理间差异较小，分蘖期后，施氮量对土壤溶液矿质态氮含量影响较小。与根圈土壤矿质态氮一致，土壤溶液矿质态氮主要存在形式为铵态氮，在整个生育期铵态氮所占比例均为100%（表 2）。有研究表明，肥力水平对根表土壤铵态氮含量无显著影响^[15]，本试验为连续进行的氮肥梯度试验的第三年，土壤肥力在一定程度上存有差异，苗期和收获期则表现为随施氮量的增加有一定增加的现象，而稻田土壤根圈土壤矿质态氮在追肥10 d后差异并不大（表 2）。根圈土壤矿质态氮会随水稻生育期呈现U字型变化，其原因可能是基肥对土壤矿质态氮提高具有明显的作用^[16]；而分蘖期和抽穗期根圈土壤矿质态氮含量显著降低，则是因为该时期水稻对养分需求量大，根系的发育完全使水稻吸收能力提高，致使根圈土壤矿质态氮降低和作物氮素累积量显著增加；另外，有研究表明田面水浓度超过30 mg·L^-1情况下，会促使土壤矿质态氮部分释放，增加土壤溶液中矿质态氮含量^[22]。薛峰等^[13]和赵冬等^[17]研究表明，随着氮肥施用量的增加，稻田田面水总氮浓度和持续时间随之增加。水稻追肥后4 d内田面水浓度可达到30 mg·L^-1以上，在该期间内根圈土壤矿质态氮释放使土壤溶液中有效态氮增加，主要表现为抽穗期根圈土壤溶液矿质态氮含量增加，高氮肥投入使稻田的水稻可潜在利用土壤矿质态氮量提高，从而影响水稻氮素累积量（图 1）。而后期土壤矿质态氮含量增加可能是稻田生物固氮（浮萍还田等）所造成。

图 1 不同施氮处理下关键生育期氮素累积量 Figure 1 Nitrogen uptake by rice plant at critial growing stages under different N treatments

图选项

表 2 2010 年不同生育期水稻根圈土壤和土壤溶液矿质态氮含量 Table 2 Mineral N in rhizospheric soil and its solution at different growing stages of rice in 2010

表选项

一般认为，水稻距离叶基部1/2处的SPAD测定值较大且较稳定，是合适的测试位点^[10]，但也有研究者以距离叶基2/3处为测定位点，然而本研究通过测定上述指标所获取的数据与施氮量并没有理想的响应曲线。因此，本文对SPAD值进行平均（表 3），总体而言，水稻叶片SPAD值随施氮量的增加呈一定上升趋势，各施氮处理间（N₁~N₅）SPAD值差异不显著，但均显著高于不施氮处理N0。水稻移栽后10 d，施氮对SPAD值的影响较小，可见水稻返青期间氮肥对叶片氮素影响较小，换言之水稻苗期提高氮肥用量并不能显著促进水稻生长，但田面水中高氮含量可增加氮素流失风险^[11]。水稻移栽后53 d（穗肥期前）施氮可显著增加移栽60 d（穗肥后7 d）SPAD值。整个生育期内（四次采样期间），N₂、N₃、N₄和N₅处理的SPAD值均呈现相同趋势且无显著差异。

表 3 施肥对水稻顶三叶SPAD值的影响（2010 年） Table 3 Effects of N top dressing on SPAD readings of rice upper three leaves after different days of transplanting in 2010

表选项

本试验中苗期氮肥对水稻氮素累积量影响较小，但随水稻生育期的延后，氮肥施用可显著增加作物氮素累积量。在抽穗期，不同施氮处理间水稻氮素累积量均存在显著差异。不同生育期内施氮量（x）和氮素累积量（y）关系可以描述为：

分蘖期：y=0.136x+29.48 （P < 0.05）

抽穗期：y=0.462x+38.93 （P < 0.01）

收获期：y=0.429x+84.74 （P < 0.01）

在苗期，水稻作物氮吸收仅占整个生育期吸收量的7.6%；而在分蘖期和抽穗期，不同施氮量水平条件下水稻氮累积量分别平均增加了4.4倍和9.8倍，可见分蘖期至抽穗期是水稻氮素累积的关键时期，其中抽穗期氮累积量占整个生育期的53%~89%。另外，通过计算可知，在N₀、N₁、N₂、N₃、N₄和N₅处理条件下，籽粒和秸秆氮吸收比分别为66%、73%、81%、94%、109%和103%（图 1），表明提高施氮量不能显著提高籽粒氮素吸收，但可显著提高秸秆氮素吸收量。鉴于该地区秸秆利用程度不高，秸秆氮素累积量过高，不合理利用将会导致水体或大气的污染。

不同施氮量下稻田总氮径流损失、农学效率及水稻产量如图 2所示。当施氮量小于135 kg N·hm^-2时，随着施氮量的增加，水稻产量显著增加，但当施氮量高于135 kg N·hm^-2时，水稻增产效果则不显著。这与供试土壤较高的速效氮含量有关^[18]，两者之间呈抛物线关系变化，其拟合方程可以表示为：

图 2 不同施氮量下稻田总氮径流损失、农学效率及水稻产量 Figure 2 Nitrogen runoff losses，nitrogen use efficiency，and grain yield under different N treatments

图选项

氮肥农学利用效率和总氮径流损失与施氮量密切相关。随着施氮量的增加，氮肥的农学效率显著下降，从N₁处理的14.7 kg·kg^-1降低至N₅处理的8.83 kg·kg^-1，而总氮径流损失则显著上升（图 2）。氮肥农学效率和总氮径流损失与施氮量（x）呈二次曲线关系（P < 0.01），分别可以描述为：

数据表明，该季平均水稻氮肥农学效率为10.9 kg·kg^-1，相对于Qiao等^[19]和赵冬等^[17]的结果分别高出10%和39%。鉴于该区域土壤含有较高的速效氮（173 mg·kg^-1），该季水稻氮肥农学效率的增加主要是因为水稻品种的改变^[18]。

水稻氮素积累、农学效率和总氮径流损失均与施氮量密切相关。施氮量加大可显著增加水稻氮素累积量，苗期后施氮量和氮素累积量均存在正相关关系（P < 0.05），收获期最高氮素累积量值出现于最高氮肥施用量N₅（270 kg N·hm^-2）处理。相对而言，施氮量主要影响秸秆的氮素积累，对籽粒氮素积累影响则较小。但是，氮素的过量累积会延长作物生育期，从而影响抽穗后期氮素转运，并最终导致减产^{[20, 21]}。更重要的是，当施氮量超过135 kg N·hm^-2时，产量增加并不明显，不同处理间产量差异亦不显著，但氮肥的农学效率不断下降，总氮径流损失也不断提高。因此，该地区氮肥用量需考虑氮肥利用率及氮素径流损失，否则盲目增加氮肥的施用量，不仅不会增加水稻产量，反而降低氮肥农学效率并提高氮肥总氮径流损失，给周边生态环境造成较大的压力。

施氮可显著提高水稻顶三叶SPAD值，但提高施氮量对水稻顶三叶SPAD值影响较小；同样地，施氮对土壤溶液矿质态氮和土壤矿质态氮影响不大。低氮投入并未对产量造成显著下降，但可显著减少总氮径流损失。在综合考虑产量、农学效率和环境效益的基础上，结合先前的研究结果和建议^[17]，本文推荐污染严重区域稻季可采用135 kg N·hm^-2或更低的施氮量，在保证作物产量前提下，可减少稻田氮素流失对环境的影响。而更低施氮量的经济收益和环境效益如何，值得进一步试验进行探讨。