水稻是太湖流域主要的水田作物。与旱田不同，水田土壤含水率高，作物生长季节气温高，施肥后田面水养分迅速增加，使得养分流失风险增加。目前太湖地区农田面源污染治理的主要技术为源头减量技术，即通过有机替代或者肥料的优化运筹来减少肥料的施用量^[1]，肥料适量减施对作物产量影响不大，但过多的肥料减施可能会造成作物的减产，要继续减少养分的流失就必须进一步提高肥料利用率，土壤添加剂成为首选。

已有研究报道，生物炭具有巨大的比表面积和孔隙度，施入土壤后可改善土壤环境^[5]，吸附养分离子，推迟养分淋溶时间，减少氮素损失^[4]，并可增加作物产量^[2-3]。郑小龙等^[6]发现，水稻施肥时添加生物炭能够适量吸附田面水中氮、磷等养分，降低养分流失风险。硝化抑制剂通过抑制铵态氮的硝化作用来提高氮素的利用率^[7-8]，显著增加土壤矿质氮含量，降低其他去向氮含量^[9]，可作为缓释肥料添加剂^[10]。微生物菌肥是由一种或数种微生物细菌经发酵而成的生物性肥料，具有无毒害无污染的特点^[11]，稻田施用后可促进水稻根系发育，增产效果明显^[12]。崔曾杰等^[13]将生物菌肥应用于盐碱地，发现增施生物菌肥促进了水稻株高，提高了水稻全生育期叶片叶绿素含量。但稻季施用菌肥后可否降低田面水养分含量，从而降低养分流失风险还鲜见报道。

针对土壤添加剂应用于农田面源污染的研究大多集中于单一添加剂的施用，但单一添加剂施用后往往有得有失，而对于添加剂配施的效果目前研究较少。潘复燕等^[14]研究了不同添加剂组合施用对小麦产量及氮素流失的影响，发现添加剂两两配施均可以促进小麦的地上部生物量和产量，并呈现降低氮磷流失的趋势。不同添加剂组合施用在水稻上是否也能起到增产减排的作用尚未见报道。为此，本研究以太湖流域的稻田系统为研究对象，选择生物炭、微生物菌肥和硝化抑制剂三种土壤添加剂，研究添加剂单施和两两配施对水稻生长、产量、肥期田面水养分动态和养分吸收利用以及土壤肥力等的影响，力求寻找集产量增加和氮磷损失减少于一身的最佳添加剂配施方案，为太湖面源污染控制提供应用依据。

稻季盆栽试验于2014年7月10日至10月25日在江苏省农业科学院温室进行。温室环境温度为18~42 ℃，湿度为55%~70%。供试土壤为水稻土，取自太湖流域苏州望亭镇水稻田，基本理化性质：总氮1.89 g·kg^-1，总磷0.55 g·kg^-1，碱解氮212.5 mg·kg^-1，有效磷19.5 mg·kg^-1，速效钾99.0 mg·kg^-1，有机质20.5 g·kg^-1，pH 5.47。盆钵直径30 cm，高50 cm，底部密封，防止漏水漏肥。每盆装干土35 kg，栽种3穴，每穴3株，供试水稻品种为武运粳23号。稻季土壤添加剂选用微生物菌肥、生物炭和硝化抑制剂，试验中添加剂施用采用单施和组合配施两种方法，共设7个处理，分别为不施肥(NF)、施肥对照(SF)、施肥+微生物菌肥(FJ)、施肥+生物炭(FT)、施肥+微生物菌肥+生物炭(FJT)、施肥+硝化抑制剂(FX)、施肥+生物炭+硝化抑制剂(FTX)，每个处理3个重复，共21盆。氮肥用量为1.413 g N·盆-1(相当于200 kg N·hm^-2)，选用尿素分3次施用，基肥、分蘖肥和穗肥的比例为3:3:4，基肥与表层(20 cm)土壤充分混匀，蘖肥、穗肥均用尿素配制成溶液进行浇灌。磷肥0.495 g·盆-1(相当于70 kg P₂O₅·hm^-2)，钾肥0.495 g·盆-1(相当于70 kg K₂O·hm^-2)，磷肥选用过磷酸钙，钾肥选用氯化钾，全部与土壤混匀后基施。采用常规水分管理，即前期保持3~5 cm水层，中期落干烤田，灌浆后期保持浅水层。

微生物菌肥购买于上海绿乐生物科技有限公司，胶冻样芽孢杆菌:枯草芽孢杆菌=1:9，有效活菌数为109个·g^-1，施用量为0.01%(W/W)，即1.4 g·盆-1，在插秧前与20 cm表层土壤均匀混拌。生物炭为小麦秸秆炭，500 ℃缺氧烧制，比表面积7.65 m²·g^-1，孔容0.01 cm³·g^-1、孔径5.05 nm，总氮含量0.22%，CEC为25.45 mol·kg^-1，施用量为1%，即140 g·盆-1，在插秧前与20 cm表层土壤均匀混拌。硝化抑制剂购买于浙江奥复托化工有限公司，主要成分为2-氯-6-三氯甲基吡啶，试验用量为施肥总氮的0.5%，即0.007 g·盆-1；并按基肥、分蘖肥和穗肥为3:3:4的比例和氮肥一起施用，施用时与氮肥一起配制成溶液进行浇施。肥料均在晚上施入，第2 d记为施肥后第1 d。

水稻关键生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期)非破坏性测定水稻株高、植被覆盖指数(NDVI)以及叶绿素值(SPAD)，并破坏性取土壤样品。株高采用直尺测量，测量3穴取平均值为该处理株高；SPAD值用日本产的叶绿素仪SPAD-502测定，测定每盆所有主茎的第一片全展叶，取平均值；NDVI值采用Trimble公司的GreenSeeker手持式光谱仪测定，保持离冠层高度0.5 m，每盆重复测定3次，取平均值。

田面水水样分别在施肥后的第1、2、3、5、7 d采集，之后每隔5~7 d取一次样。水样经Whatman中速双圈定性滤纸过滤后用德国Bran+Luebbe公司生产的AA3流动分析仪测定总氮(TN)、铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)和总磷(TP)浓度。

在水稻关键生育期(分蘖期、拔节期、抽穗期、灌浆期)和收获后用直径25 mm土钻3点采集0~15 cm土层的土壤样品，混合后约500 g装入自封袋，带回实验室自然风干。部分样品研磨过20目筛后用碱解扩散法测定碱解态氮，碳酸氢钠法测定有效磷含量。成熟期土样部分样品研磨过100目筛，采用开氏消煮-半自动凯氏定氮法测定土壤总氮含量、酸溶-钼锑抗比色法测定全磷含量、水合热重铬酸钾氧化-比色法测定有机碳含量^[15]。

水稻成熟后，沿地表进行收割，取其地上部分，称取各处理生物量和每盆实际所得籽粒重量。植株和籽粒烘干粉碎过筛后，用H₂SO₄-H₂O₂消煮，半自动凯氏定氮仪测定总氮含量，钼锑抗比色法测定总磷含量^[15]，并计算每盆植物氮磷积累总量、氮肥恢复效率(REN)、氮肥农学效率(AEN)、氮肥生理效率(PEN)、氮收获指数(NHI)^[14]。

氮肥恢复效率=(施氮处理氮累积量-不施氮处理氮累积量)/施氮量×100%

氮肥农学效率=(施氮处理籽粒质量-不施氮处理籽粒质量)/施氮量

氮肥生理效率=(施氮处理籽粒质量-不施氮处理籽粒质量)/(施氮处理氮积累总量-不施氮处理氮积累总量)

氮收获指数=籽粒氮积累总量/植株氮积累总量×100%

使用Microsoft Excel对数据进行计算和绘图，应用SPSS对数据进行方差分析(P < 0.05)。

随着水稻的生长，添加剂对株高的影响逐渐显现，分蘖期差异不显著，拔节期以后，FT、FJT和FTX处理均显著高于SF处理，拔节期增幅分别为13.1%、11.4%和12.1%(图 1)。不同土壤添加剂处理下的叶片SPAD在抽穗期才表现出显著差异，FJ、FT、FJT和FTX处理显著高于SF处理；灌浆期时，仅FJ处理略高于对照SF处理，其余处理均降低了叶片的SPAD值。NDVI是水稻生物量和LAI的综合反映，体现了植被覆盖度。从图 1看出，NDVI随水稻生育期的推进逐渐增加，随后略有降低。添加剂处理在分蘖期、拔节期和灌浆期与SF处理无显著差异，但促进了抽穗期水稻NDVI的增加，FJ、FT、FJT和FX处理均达到显著水平，分别较SF处理提高了13.3%、10.0%、13.3%和10.0%。

同生育期不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。下同 图 1不同生育期水稻生长指标 Figure 1Rice growth indices at different stages

图选项

所有处理田面水总氮浓度在施入基肥后均呈现缓慢下降趋势(图 2)。施基肥后，除FJ处理明显提高了田面水总氮浓度外，其他添加剂的施用均显著降低了田面水总氮浓度，FJT处理降幅最大(81.0%~89.9%)，其次分别是FTX(65.9%~81.6%)、FT(43.8%~61%)和FX(24.9%~53.9%)，其中FJT和FTX处理田面水总氮浓度与不施氮肥处理基本相当。由此可见，添加剂的配施产生协同效应，对总氮的降低效果优于添加剂的单施，其中FJT处理效果最佳，显著降低了氮素流失的风险，FTX处理次之。

图 23次施肥后稻田田面水TN的动态变化 Figure 2Change of TN concentration in surface water after fertilization

图选项

蘖肥施入后第1 d，田面水总氮浓度可高达140 mg·L^-1，第2 d出现急剧下降，总氮浓度降低到40 mg·L^-1以下，随后缓慢下降，施肥后第7 d，总氮浓度降至8 mg·L^-1左右。添加剂对蘖肥期田面水总氮浓度的影响与基肥期明显不同：蘖肥施用当天，除了FJ处理降低了田面水总氮浓度，其余处理均显著增加；蘖肥施用后第2 d，FJ、FT和FJT表现为显著低于SF处理，降幅分别为38.1%、65.4%和56.9%；之后，各添加剂处理与SF处理之间没有显著差异。

穗肥施用后各处理总氮浓度变化和蘖肥一致，在一周内呈现下降趋势。穗肥后第1 d和第2 d，所有添加剂处理总氮浓度均显著高于SF处理，仅FJT处理在第1 d表现不显著；之后，FJ处理总氮浓度仍显著高出SF处理82.8%，其他处理与SF处理差异不显著。由此可见，各添加剂处理增加了穗肥期总氮的流失风险。

图 3显示，施入基肥后前5 d，田面水总磷浓度变化在0.15~0.42 mg·L^-1之间，第7 d出现明显下降，降低至0.01~0.05 mg·L^-1之间。添加剂的施用对田面水总磷浓度的影响小于对氮素浓度的影响，除FJ处理在第1、5 d以及FT和FTX处理第5 d显著高出SF处理外，其他均与SF处理没有显著差异。蘖肥施用后一周内田面水总磷浓度变化整体较小，在0.15~0.34 mg·L^-1之间，第7 d略有增加。添加剂处理略微降低了田面水总磷浓度，但所有添加剂处理与对照之间均无显著差异。穗肥施用后田面水总磷浓度呈上升趋势，由第1 d的0.192 mg·L^-1增加到第7 d的0.239 mg·L^-1。各处理之间在穗肥后第3 d开始表现出显著差异，FTX处理在穗肥后第3 d显著高出SF处理；FJ、FT、FJT和FTX 4个处理总磷浓度在穗肥后第5 d和第7 d显著高出SF处理，但与不施氮肥处理之间差异不显著。与不施氮肥处理比较，氮肥的施用降低了穗肥期田面水总磷浓度，添加剂的施用则促进了土壤中磷的释放，增加了总磷流失的风险。

图 33次施肥后稻田田面水TP的动态变化 Figure 3Change of TP concentration in surface water after fertilization

图选项

添加剂的施用对成熟期水稻地上部生物量的影响因添加剂的种类不同而有所差异(表 1)。除微生物菌肥单施较SF处理略降低了水稻地上部生物量外，其他添加剂的施用均提高了水稻地上部生物量，其中FJT处理达到显著水平。生物炭和菌剂配施表现出了较好的正协同效应，地上部生物量分别高出FT和FJ处理6.8%和29.6%；而生物炭与硝化抑制剂配施(FTX处理)因产生轻微的中和效应，生物量居于FT和FX处理之间，且无显著差异。

表 1 不同处理对水稻地上部生物量和产量及其构成因子的影响 Table 1 Effects of different treatments on rice aboveground biomass, yield and yield components

表选项

添加剂的施用均提高了水稻产量，但各处理产量提高的内在因素不尽相同。与SF处理相比，FJ处理提高了水稻有效穗数(10.8%)和千粒重(3.5%)，产量提高了14.0%，但差异不显著；FX处理显著提高了千粒重，最终产量提高了24.8%，未达到显著水平。FT处理显著提高水稻产量57.5%，原因在于生物炭显著提高了水稻的有效穗数(21.5%)、穗粒数(21.6%)和千粒重(6.6%)。微生物菌肥和生物炭配施产生正协同效应，显著提高了有效穗数(21.5%)、穗粒数(25.3%)和千粒重(7.6%)，从而使FJT处理产量最高，比SF处理显著提高了66.1%。生物炭和硝化抑制剂配施则产生了一定的中和效应，对有效穗数没有影响，显著提高了穗粒数和千粒重，使得FTX处理产量较SF处理显著提高了45.4%，但仍低于FT处理。这表明，生物炭的单施以及与其他添加剂的配施均显著提高了水稻的产量，尽管这种提高作用与水稻的穗粒数和千粒重显著提高有关，但FT、FJT、FTX三种处理之间并没有显著的差异性。

添加剂的施用对水稻植株和籽粒氮含量的影响不大(表 2)，除FTX的植株氮含量显著降低及FJ处理的水稻籽粒氮含量显著提高外，其余表现均不显著。因此，添加剂的施用对植株吸氮量的影响也不显著。而添加剂的施用提高了水稻产量，所以各处理的AEN和NHI均高于SF处理，其中，FJ、FT、FJT和FTX达到显著水平。FJT处理植株吸氮量最高，因此REN也最高，显著高于SF对照。添加剂的施用显著提高了PEN，其中FT和FTX处理分别是SF处理的4.52、6.16倍。

表 2 氮素吸收利用相关指标 Table 2 Related indicators of nitrogen uptake and utilization

表选项

氮肥的施用显著促进了水稻对磷的吸收，但添加剂的施用对磷素吸收利用没有显著影响(表 3)。与SF处理相比，所有添加剂处理均略微降低了水稻植株磷含量，FJ、FT、FX和FTX处理稍微提高了水稻籽粒中磷的含量，但均未达到显著水平。水稻植株吸磷量除FJ处理略降低外，其他处理均显现出增加的趋势，但差异不显著，与添加剂对地上部生物量的影响一致。

表 3 不同处理下的植株和籽粒磷含量及植株磷吸收 Table 3 Plant and grain phosphorus content, plant phosphorus uptake under different treatments

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土壤碱解氮含量在水稻整个生育期变化不大，分蘖期最高，拔节期明显降低，抽穗期和灌浆期略有回升。添加剂对水稻各生育期土壤碱解氮含量大小的影响略有不同。分蘖期，FJ和FX处理略微提高了土壤中碱解氮的含量，其他三种处理均降低了土壤中碱解氮的含量；拔节期，FT处理土壤碱解氮含量显著低于SF处理，其他处理差异不显著；抽穗期和灌浆期时，所有处理之间差异均不显著(图 4)。

图 4水稻不同生育期土壤碱解氮含量 Figure 4The soil alkali-hydrolyzable nitrogen content at different stages

图选项

与碱解氮含量的变化规律正好相反，土壤有效磷含量在拔节期最高，分蘖期、抽穗期和灌浆期含量基本相当，各处理趋势一致。各添加剂处理对土壤有效磷的影响仅在拔节期差异显著，FT处理显著提高了土壤中有效磷含量53.0%，FX处理降低了土壤有效磷含量，但未达到显著水平(图 5)。

图 5水稻不同生育期土壤有效磷含量 Figure 5The soil available phosphorus content at different stages

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土壤添加剂施用后，为验证其是否耗竭土壤本身的肥力，是否具有可持续性，对水稻收获后的土壤养分状况进一步进行了比较。结果表明(表 4)，FT处理显著提高了土壤pH，总磷、有效磷和碱解氮含量也有所增加，其他处理与SF处理间差异均不显著。不同添加剂处理之间表现各异，FTX较FT处理显著降低了pH，FX处理增加了碱解氮和总磷，FTX处理土壤有机质最高，显著高于FJ和FX处理，土壤有效磷含量则以FJT处理为最高。

表 4 水稻收获后各处理土壤养分状况 Table 4 Soil nutrient status of treatments after harvest

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添加剂的施用均可保证水稻的正常生长，FT、FJT和FTX三种处理水稻株高显著提高。除FJ处理外，其他处理的地上部生物量均呈现增加趋势，所有添加剂处理均呈现增产效果。FT、FJT和FTX处理水稻产量分别较SF处理显著提高57.5%、66.1%和45.4%，与前人研究结果^[16-19]一致。此外，生物炭单施及与其他添加剂配施均显著提高了水稻的穗粒数和千粒重，亦与以往研究结果^[20]一致，可能与生物炭对酸性土壤的改良作用和对养分的固持有关。生物炭巨大的表面积为养分的吸收固定提供了场所，可作为肥料缓释载体，延缓肥料养分在土壤中的释放。微生物菌肥的施用能够促进水稻各生育期对肥料的吸收和利用，达到增产的效果，与前人结果^[21-22]一致。

本试验中，FJ处理显著提高了水稻籽粒氮含量，促进了氮素向籽粒的运输，可能是因为菌肥其肥效期长，使水稻生长后期根部活力仍然较旺盛，有利于籽粒的后熟^[13]。FTX处理虽然显著提高了NHI和PEN，但其植株氮含量显著低于SF处理，说明这两种添加剂配施时，阻碍了水稻对土壤中氮素的吸收，而FT和FX处理即生物炭和硝化抑制剂单施时，与SF处理无显著差异。

肥料的施用显著提高了蘖肥期和穗肥期7 d内田面水中总氮的浓度，第1 d时总氮浓度最高，随后迅速下降，最后趋于平稳，再次证实了前人研究^[23-24]得出的“施肥后一周是氮素流失的风险期”这一结论。添加剂施用后，除了FJ处理，其他处理基肥期田面水总氮浓度均显著降低，表明这些添加剂处理可以减少基肥期氮素流失风险。微生物菌肥的施用则提高了基肥田面水中氮素浓度，增加了氮素流失的风险，延长了氮素流失风险期。这主要是因为微生物菌肥中活的微生物能促进土壤氮素的转化，提高土壤中无机氮含量，从而使田面水中的氮浓度也有所增加^[25]。但基肥期菌肥与生物炭组合配施时，田面水氮素浓度显著降低，则可能是因为生物炭表面丰富的官能团和较大的比表面积，吸附了土壤中的养分离子^[26]。生物炭处理略微提高了蘖肥和穗肥期田面水氮素含量，增加了氮素流失的风险，与郑小龙等^[6]的结果不一致，可能是肥料施用的方式不同所致。本研究中蘖肥和穗肥采用水溶解后浇灌的方式，肥料全部溶解在田面水中，而生物炭则是在插秧前均匀混合在表层土壤中，并不能有效接触到田面水中的养分；此外，生物炭在基肥期已吸附大量养分，这部分养分也会随着水稻的生长而被缓慢释放出，从而导致田面水中氮素浓度有所增加。硝化抑制剂添加处理以及生物炭与硝化抑制剂配施处理均显著降低了基肥期田面水总氮浓度，也证实了俞巧刚等^[18]的研究结果；但蘖肥初期田面水氮素浓度有所提高，可能由于基肥期累积的大量铵态氮对硝化抑制剂的作用产生抑制，生物炭对养分的吸附提高了土壤中氮素的含量，降低了氮素从水体向土体的转移，从而使得田面水氮素浓度提高。添加剂对磷素的流失风险没有显著影响，则与磷肥的性质和磷肥一次性基施有关。穗肥施用后稻田田面水磷浓度出现了持续增加，主要是因为穗肥施用是在水稻晒田后进行，施肥前进行了覆水，而水田土壤淹水后土壤磷有效性会显著增加^[27]。

菌肥的施用提升了土壤养分含量及养分的有效性^[28]。本试验中，微生物菌肥的施用提高了水稻生长期碱解氮含量，略降低了有效磷含量，对水稻收获后的土壤养分没有显著影响，可能与试验土壤理化性质有关。生物炭的施用提高了土壤碱解氮含量和有效磷含量，可能与生物炭本身带入一定量的氮磷有关^[29]；此外生物炭对土壤中养分的固持与再释放作用，能够协调土壤养分供应与水稻养分需求之间的关系，提高养分利用率，保持土壤肥力，也与前人研究结果^{[20, 30-32]}一致。生物炭与菌肥共同施用发生了正协同作用，有利于水稻生长季和收获后土壤有效养分含量的提高，为下一季作物的生长提供养分。由于本研究采用的是盆栽试验，相关结论在推广应用前还有待进一步在田间验证。

(1) 添加剂的施用均促进了水稻的生长，提高了水稻产量和氮肥利用率，对磷素的吸收没有影响，生物炭单施以及与其他添加剂的配施增产效果最好。

(2) FJ处理提高了水稻基肥期田面水氮素浓度，增加了氮素的流失风险；其他处理均显著降低了基肥期田面水氮素浓度，FJT和FTX处理降幅最大。各添加剂的施用均提高了蘖肥和穗肥施用初期田面水氮素浓度，有可能增加生育中后期氮素径流的损失风险。添加剂的施用对田面水中磷浓度的影响不大。

(3) 添加剂的施用均提高了水稻生长季土壤pH和氮磷的有效含量，但对水稻收获后土壤养分含量没有显著影响。

(4) 综合来看，FJT处理可促进水稻生长，提高水稻产量45.8%，有效降低水稻生育前期氮素流失风险，缩短养分流失风险期，并能维持土壤肥力，在所有处理中表现最佳，值得应用于太湖流域稻田的面源污染控制。