全 文 ：中国生态农业学报 2014年 5月 第 22卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2014, 22(5): 509−515
* 公益性行业(农业)专项(201203030)和国家自然科学基金项目(41271208)资助
** 通讯作者: 刘勤, E-mail: qliu@issas.ac.cn
胡安永, 主要从事农田生态系统养分循环与调控研究。E-mail: ayhu@issas.ac.cn
收稿日期: 2013−11−19 接受日期: 2014−03−11
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.31142
太湖地区不同轮作模式下的稻田氮素平衡研究*
胡安永 刘 勤** 孙 星 张亚楠
(中国科学院南京土壤研究所 南京 210008)
摘 要 采用田间微区 15N 示踪, 研究了太湖地区稻田不同轮作模式(紫云英−水稻轮作、休闲−水稻轮作、小
麦−水稻轮作)和施氮水平(0、120 kg·hm−2、240 kg·hm−2、300 kg·hm−2)下水稻对氮肥的吸收利用效率及土壤氮
素残留特征。结果表明, 水稻吸收的氮素来自肥料的比例为 20.9%~49.6%, 休闲−水稻轮作模式下水稻产量的
获得更加依赖无机氮肥的大量投入。当季水稻对肥料氮的利用率为 25.0%~41.5%, 肥料氮的土壤残留率为
13.4%~24.6%, 其中 90%以上的土壤残留肥料氮集中在 0~20 cm土层, 在土壤剖面中的残留率随土层深度增加
而迅速降低, 30~40 cm土层的肥料残留量仅占氮肥施用量的 0.2%~0.7%。紫云英−水稻轮作和休闲−水稻轮作
模式下氮肥利用率和土壤残留率均在施氮 240 kg·hm−2时达到最大值, 其氮肥利用率显著高于小麦−水稻轮作
55.6%和 66.0%。稻季施氮 240 kg·hm−2时, 小麦−水稻轮作模式下的氮肥利用率、土壤残留率以及总回收率显
著最低, 损失率显著最大; 紫云英−水稻轮作模式下的氮肥损失率最小, 分别小于休闲−水稻轮作和小麦−水稻
轮作 13.9%、39.2%。不同轮作模式下, 水稻籽粒产量随施氮量的增加而增加, 稻季施氮 240 kg·hm−2时, 紫云
英−水稻轮作下水稻籽粒产量显著高于休闲−水稻轮作和小麦−水稻轮作, 小麦−水稻轮作籽粒产量虽略高于休
闲−水稻轮作, 但没有达到显著水平。本研究认为, 选择紫云英还田配施氮肥 240 kg·hm−2, 既可以保证水稻氮
肥利用率而获得高产, 又能减少氮肥损失而带来的环境风险, 是一种值得在当地大力推广的耕作制度。
关键词 15N标记尿素 轮作模式 施氮量 氮肥利用率 肥料残留 水稻
中图分类号: S15; S18 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)05-0509-07
Nitrogen balance in paddy fields under different rotation systems
in the Taihu Lake Region
HU Anyong, LIU Qin, SUN Xing, ZHANG Yanan
(Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
Abstract A field micro-plot (labeled 15N) fertilizer experiment was conducted to investigate the use efficiency of fertilizer N and
its residual features under different rice-based cropping systems (Chinese milk vetch-rice rotation, fallow-rice rotation and wheat-rice
rotation) in the Taihu Lake Region. Results showed that 20.9%−49.6% of N uptake of rice was derived from the applied fertilizer N.
Fallow-rice rotation system largely depended on inorganic N fertilizer to form yield. N fertilizer use efficiency of rice was
25.0%−41.5% of the labeled fertilizer N at harvest. Residual fertilizer N rate in soils was 13.4%−24.6%, over 90% of which was in
the 0−20 cm soil layer. The amount of fertilizer N residue in the soil profile decreased rapidly with increasing soil depth. Only
0.2%−0.7% of the fertilizer N was in the soil layer of 30−40 cm. Fertilizer N use efficiency and soil residual N rate were largest at N
application rate of 240 kg·hm−2 under Chinese milk vetch-rice rotation and fallow-rice rotation systems. This respectively exceeded
by 55.6% and 66.0% over N fertilizer use efficiency under wheat-rice rotation. Fertilizer N use efficiency, soil residual rate as well as
total N recovery rate were lowest while N loss rate highest under wheat-rice rotation system at N application rate of 240 kg·hm−2. As
for the Chinese milk vetch-rice rotation system, the loss rate of N fertilizer was lowest, which was less than those of fallow-rice
rotation and wheat-rice rotation systems by 13.9% and 39.2%, respectively. Under different rotation systems, rice yield increased
with increasing urea application rate. Under straw-return application of Chinese milk vetch of Chinese milk vetch-rice rotation
system, rice yield was significantly higher compared to those of wheat-rice rotation and fallow-rice rotation at N application of
510 中国生态农业学报 2014 第 22卷
240 kg·hm−2. Although rice yield under wheat-rice rotation was slightly higher than that under fallow-rice rotation, it was not
significantly different. The study suggested that N application at 240 kg·hm−2 in addition to straw-return application of Chinese milk
vetch of Chinese milk vetch-rice rotation not only ensured N fertilizer use efficiency and high rice grain yield, but also reduced the
loss of N fertilizer and environmental risks. Considering these factors, Chinese milk vetch-rice rotation system was recommended as
a suitable cropping system worthy of promotion in the Taihu Lake Region.
Keywords 15N labeled urea; Rotation system; N application rate; N fertilizer use efficiency; Fertilizer residues; Rice
(Received Nov. 19, 2013; accepted Mar. 11, 2014)
氮肥在我国农业生产中有着极其重要的作用 ,
是提高粮食产量的重要保障。根据中国农业年鉴 ,
1995 年以后我国氮肥(纯氮)用量一直在 2 000 万 t
以上, 其中稻田氮肥用量占氮肥总消耗量的 24%左
右[1]。氮肥施用不合理、利用率低一直是困扰我国
农业生产的一个突出问题。朱兆良等[2]总结了国内
782 个田间试验, 发现我国主要农作物水稻及麦类
对氮肥的利用率平均只有 28%~41%。氮肥利用率低
不仅造成巨大的能源和经济损失, 还会引起地下水
的硝酸盐污染、湖泊富营养化和大气温室气体的增
加[3−5]。稻田生态系统中氮的去向, 可分为 3个方面,
即作物吸收、土壤残留以及迁移到大气和水体[6]。
太湖地区经济高度发达, 劳动力紧缺, 种植小麦经
济效益不高, 而且小麦−水稻轮作中, 麦季氮素淋洗
损失高于稻季[7−8], 因此, 冬季农田闲置已成为该地
区常见的现象。绿肥−水稻轮作系统中, 通过绿肥还
田不仅能补充大量氮进入农田生态系统, 以培肥土
壤, 而且减少了稻季氮肥用量, 并获得较高的水稻
产量[9]。因此, 在经济发达地区提倡冬季种植绿肥,
植稻前耕作还田, 具有广泛而又良好的应用前景[9]。
然而, 绿肥−水稻轮作系统中, 不同轮作模式下稻田
氮肥利用率及去向的研究却鲜有报道。
本文通过田间小区试验, 研究了不同冬季稻田
轮作模式及氮肥用量下与水稻产量、水稻吸氮量、
氮肥利用率及氮素去向的关系, 研究结果对建立合
理的轮作方式、减少稻田氮肥用量, 从而降低农田
面源污染、实现可持续农业发展具有重要的理论和
实践意义。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验区位于中国科学院常熟农业生态国家实验
站(120°42′E, 31°33′N)。该站位于太湖流域, 属北亚热
带湿润气候, 年平均气温 15.5 ℃, 年降雨量 1 038 mm,
无霜期 224 d。供试水稻土为普通简育水耕人为土(乌
栅土)。试验前, 0~15 cm 耕层土壤的初始基本性质:
pH 7.6, 有机质 38.2 g·kg−1, 全氮 2.17 g·kg−1, 全磷
0.82 g·kg−1, 速效磷 13.1 mg·kg−1, 速效钾 174 mg·kg−1。
1.2 试验设计
试验共设 3 种稻田冬季轮作模式, 分别为紫云
英−水稻轮作(G-R)、小麦−水稻轮作(W-R)以及冬休
闲−水稻轮作(F-R), 其中紫云英−水稻轮作和冬休
闲−水稻轮作在稻季设置了 4个施氮水平, 分别为 0、
120 kg·hm−2、240 kg·hm−2和 300 kg·hm−2, 小麦−水稻
轮作稻季施氮 240 kg·hm−2, 麦季施氮 225 kg·hm−2。
小区面积为 25.76 m2, 3次重复。紫云英−水稻轮作紫
云英盛花期全量还田, 各轮作试验均已进行了 5年。
各轮作模式均在 2012年 6月 19日进行水稻移栽, 于
2012 年 10 月 27 日收获。水稻品种为‘南粳 46’, 种
植密度为 24 穴·m−2。稻季氮肥(尿素)按基肥∶分蘖
肥∶穗肥=4∶2∶4 的比例施入, 磷肥(过磷酸钙)以
基肥一次性施入 , 钾肥则基肥和穗肥各占一半施
入。2012 年基肥、分蘖肥和穗肥分别于 6月 19日、
7 月 5 日和 8 月 13 日施用, 每次施肥均在傍晚, 均
匀撒施。灌水为试验田旁的河水, 各处理均采用统
一的水分管理模式, 即前期淹水、中期烤田、后期
间歇湿润灌溉模式。在紫云英−水稻和休闲−水稻轮
作稻季氮肥用量为 0、120 kg·hm−2、240 kg·hm−2和
300 kg·hm−2, 小麦−水稻轮作稻季施氮 240 kg·hm−2
的小区中央, 设置直径为 40 cm的 PVC 微区桶, 打
入各小区土中 45 cm, 高出田面 15 cm。桶内施入丰
度为 10.15%的 15N 标记尿素, 其他水肥管理措施与
小区试验相一致。
1.3 微区样品采集与分析
水稻样品采集: 水稻成熟后, 地上部分沿地表收
割, 挖出 0~20 cm 表层土, 手工挑根(研究表明[10−11],
田间条件下, 土层 20 cm 内水稻根系占根系总量的
90%以上)。水稻收割洗净后分为秸秆、籽粒和根, 70 ℃
烘干至恒重后粉碎, 分别称取干物重。
土壤样品采集: 根据以往的试验结果 [12], 该试
验区当季氮肥下渗深度不超过 40 cm, 因而本试验土
壤样品按 0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm
分层采样。土壤样品采集后, 自然风干后磨细过 100
目筛。
土壤和植株全氮以及 15N 丰度采用 Flash EA-
Deltav联用仪进行测定。
第 5期 胡安永等: 太湖地区不同轮作模式下的稻田氮素平衡研究 511
1.4 数据统计分析方法
数据计算和分析采用 Microsoft Excel 2010 和
SPSS 20.0。
2 结果分析
2.1 不同轮作方式及施氮量对水稻生物量的影响
不同轮作处理下, 水稻成熟期籽粒干物质重均
随施氮量的增加而增加(表1)。紫云英−水稻轮作处理
下, 施加氮肥显著增加了水稻籽粒干物质重, 但不
同施氮量下的籽粒干物质重未达到显著性差异; 休
闲−水稻轮作处理下, 施氮120 kg·hm−2时, 水稻籽粒
干物质重增加 , 但与无氮区无显著差异 , 进一步
施氮达240 kg·hm−2时 , 水稻籽粒干物质重显著高
于施氮120 kg·hm−2, 但与施氮300 kg·hm−2未达到
显著性差异。施氮量为0、120 kg·hm−2、240 kg·hm−2
和300 kg·hm−2时, 紫云英−水稻轮作处理的水稻籽
粒干物质重高于对应休闲−水稻轮作下的籽粒干物
质重23.0%、40.2%、16.6%和14.6%。两种轮作模式
下, 水稻秸秆干物质重均随施氮量的增加而显著增
加, 当施氮量达到240 kg·hm−2时, 进一步增加施氮
量其干物质重没有显著变化。休闲−水稻轮作处理下
根系干物质重随施氮量增加而增加 , 而紫云英−水
稻轮作无明显规律。
不同轮作模式稻季施氮240 kg·hm−2时, 紫云英−
水稻轮作下的水稻籽粒干物质重和秸秆干物质重显
著高于休闲−水稻轮作以及小麦−水稻轮作, 小麦−
水稻轮作籽粒干物质重虽略高于休闲−水稻轮作 ,
但两者之间没有显著差异。根系干物质重为紫云英−
水稻轮作最大, 休闲−水稻轮作次之, 小麦−水稻轮
作最小, 但是不同轮作方式之间没有显著性差异。
表 1 不同轮作模式各施氮处理水稻植株各部分干物质重
Table 1 Dry matter weight of various rice organs in different rotation systems under different N application rates
轮作方式
Rotation system
施氮量
N application rate (kg·hm−2)
秸秆干物质重
Dry matter weight of straws (g)
籽粒干物质重
Dry matter weight of grains (g)
根系干物质重
Dry matter weight of roots (g)
0 92.6±2.8c 74.3±1.0b 43.3±3.8a
120 109.8±0.7b 99.8±4.7a 35.5±0.6ab
240 130.4±1.7aA 109.3±4.4aA 40.9±7.0aA
紫云英−水稻
Chinese milk
vetch-rice
300 132.7±0.4a 109.4±0.7a 25.7±3.8b
0 67.5±0.7c 60.4±9.0b 15.7±0.9c
120 90.2±0.9b 71.2±2.8b 29.1±1.5b
240 107.3±2.0aB 93.7±0.6aB 31.9±1.7bA
休闲−水稻
Fallow-rice
300 103.7±3.7a 95.5±0.3a 38.4±2.4a
小麦−水稻
Wheat-rice
240 104.6±4.8B 98.4±2.6B 26.0±1.4A
同列不同小写字母表示同一轮作方式不同施氮量差异显著(P<0.05), 同列不同大写字母表示稻季施氮 240 kg·hm−2下不同轮作方式差异显
著(P<0.05)。下同。Different lowercases in a column indicate significant differences at 0.05 level among different N application rates of a rotation
system. Different capital letters indicate significant differences at 0.05 level among different rotation systems under N application rate of 240 kg·hm−2.
The same below.
2.2 不同轮作方式及施氮量对水稻各部分吸氮量
的影响
如表2所示, 不同轮作方式下, 随着施氮量的增
加 , 除紫云英−水稻轮作处理根系吸氮量没有显著
变化外 , 其余植株各部分以及休闲−水稻轮作植株
各部分的吸氮量和总吸氮量都显著增加 , 且施氮
240 kg·hm−2与300 kg·hm−2之间没有显著性差异。不
同轮作处理下植株吸收肥料氮的量也表现出相似趋
势。随施氮量的增加, 水稻吸收氮素来源于肥料的
比例明显增加, 土壤氮的贡献率相应减少。但无论
如何 , 水稻吸收的氮素来源于肥料氮的比例不足
50%, 其他则来源于土壤自身氮库、灌溉水及雨水带
入的氮, 以及生物固定氮等。其中, 休闲−水稻轮作
处理下水稻吸收氮素来源于肥料氮的比例大于紫云
英−水稻轮作处理。
稻季施氮240 kg·hm−2时 , 紫云英−水稻轮作下
的秸秆吸氮量和植株总吸氮量显著大于休闲−水稻
轮作和小麦−水稻轮作 , 籽粒和根系吸氮量虽也明
显较高, 但没有达到显著性水平。紫云英−水稻轮作
和休闲−水稻轮作处理的植株吸收肥料氮量显著高
于小麦−水稻轮作55.9%和66.2%。休闲−水稻轮作处
理下水稻吸收氮素来源于肥料的比例最高, 大于紫
云英−水稻轮作和小麦−水稻轮作, 后两者之间差异
较小。
2.3 不同轮作方式及施氮量下水稻收获后肥料氮
的去向
如表3所示 , 紫云英−水稻轮作和休闲−水稻轮
作模式下氮肥利用率分别为31.3%~38.9%和37.4%~
41.5%, 土壤残留率分别为19.5%~24.6%和13.4%~16.2%,
且均在施氮240 kg·hm−2时达到最大值; 氮肥损失率
512 中国生态农业学报 2014 第 22卷
表 2 不同轮作模式各施氮处理下水稻植株各部分吸氮量
Table 2 N uptake of various rice organs in different rotation systems under different N application rates
吸氮量 N uptake (g) 轮作体系
Rotation
system
施氮量
N application rate
(kg·hm−2)
秸秆
Straws
籽粒
Grains
根系
Roots
总量
Total
植株吸收肥料氮
Fertilizer N uptake
(g)
吸收肥料氮/总吸氮量
Fertilizer N uptake/total N uptake
(%)
0 0.63±0.03c 0.71±0.01c 0.32±0.03a 1.66±0.06c — —
120 0.83±0.03b 1.08±0.05b 0.47±0.07a 2.39±0.12b 0.50±0.02b 20.9
240 1.79±0.02aA 1.34±0.07aA 0.41±0.05aA 3.53±0.11aA 1.06±0.03aA 30.0
紫云英−水稻
Chinese milk
vetch-rice
300 1.69±0.04a 1.31±0.01a 0.35±0.05a 3.35±0.03a 1.07±0.01a 31.9
0 0.43±0.01c 0.64±0.10c 0.10±0.01c 1.17±0.10c — —
120 0.78±0.03b 0.82±0.02b 0.20±0.02b 1.81±0.02b 0.51±0.01c 28.2
240 1.16±0.07aB 1.16±0.00aA 0.26±0.04abA 2.59±0.11aB 1.13±0.06bA 43.6
休闲−水稻
Fallow-rice
300 1.05±0.05a 1.22±0.01a 0.28±0.02a 2.56±0.04a 1.27±0.03a 49.6
小麦−水稻
Wheat-rice
240 1.09±0.07B 1.20±0.08A 0.30±0.03A 2.59±0.13B 0.68±0.03B 26.3
表 3 不同轮作模式各施氮处理下水稻成熟期肥料氮的去向
Table 3 Fate of fertilizer N at maturity of rice in different rotation systems under different N application rates %
轮作体系
Rotation system
施氮量
N application rate
(kg·hm−2)
氮肥利用率
Fertilizer N use
efficiency
土壤残留率
Fertilizer N residual
rate in soil
总回收率
Total fertilizer N
recovery rate
氮肥损失率
Fertilizer N
loss rate
0 — — — —
120 36.5±1.7a 23.0±0.2a 59.5±1.7a 40.5±1.7b
240 38.9±1.3aA 24.6±0.6aA 63.5±1.7aA 36.5±1.7bB
紫云英−水稻
Chinese milk
vetch-rice
300 31.3±0.3b 19.5±0.6b 50.8±0.7b 49.1±0.7a
0 — — — —
120 37.8±0.4a 14.5±0.1b 52.3±0.5b 47.7±0.5a
240 41.5±2.1aA 16.2±0.2aB 57.6±2.3aA 42.4±2.3bB
休闲−水稻
Fallow-rice
300 37.4±1.0a 13.4±0.3c 50.8±1.1b 49.2±1.1a
小麦−水稻
Wheat-rice
240 25.0±1.0B 15.0±0.4B 40.0±1.3B 60.0±1.3A
氮肥利用率或植株氮肥回收率(%)=[植株干重×植株全氮含量×(微区植株 15N 原子百分超−植株自然丰度 15N 原子百分超)]/(标记氮肥施用量×
肥料氮含量×肥料 15N 原子百分超)×100; 标记氮肥土壤残留率或土壤氮肥回收率(%)=土样干重×土壤全氮含量×(微区土壤 15N 原子百分超−土
壤自然丰度 15N 原子百分超)]/(标记氮肥施用量×肥料氮含量×肥料 15N 原子百分超)×100; 氮肥损失率(%)=100−标记氮肥利用率−标记土壤氮肥
残留率。Fertilizer N use efficiency (%) = [plant dry weight × plant total N content × (plant 15N atom percentage excess in treatment plot − plant 15N atom
percentage excess of natural abundance)] / (labeled N fertilization amount × fertilizer N content × fertilizer 15N atom percentage excess) × 100; Fer-
tilizer N residual rate in soil = (soil dry weight × soil total N content × (soil 15N atom percentage excess in treatment plot − soil 15N atom percentage
excess of natural abundance)] / (labeled N fertilization amount × fertilizer N content × fertilizer 15N atom percentage excess)×100; Fertilizer N loss
rate (%) = 100 − fertilizer N use efficiency− fertilizer N residual rate in soil.
分别为 36.5%~49.1%和 42.4%~49.2%, 且均在施氮
300 kg·hm−2时达到最大值。除小麦−水稻轮作, 当季
水稻植株和土壤对肥料氮的总回收率超过 50%, 紫
云英−水稻轮作下氮肥回收率甚至超过 60%, 当氮
肥施用量为 300 kg·hm−2时, 氮肥利用率、土壤残留
率以及总回收率显著下降。不同轮作模式稻季施氮
240 kg·hm−2时, 当季氮肥利用率、土壤残留率以及
总回收率和损失率存在显著差异。紫云英−水稻轮作
与休闲−水稻轮作下的氮肥利用率显著高于小麦−水
稻轮作 55.6%和 66.0%, 休闲−水稻轮作下的氮肥利
用率虽略高于紫云英−水稻轮作 , 但两者之间没有
达到显著性差异 ; 紫云英−水稻轮作下的土壤肥料
残留率显著大于休闲−水稻轮作以及小麦−水稻轮作,
后两者之间没有显著性差异 ; 紫云英−水稻轮作与
休闲−水稻轮作下总的肥料回收率显著大于小麦−水
稻轮作模式; 小麦−水稻轮作模式下的肥料损失率
达到 60.0%, 显著大于紫云英−水稻轮作和休闲−水
稻轮作。
Rahman 等[13]在对不同轮作模式下氮肥利用率
和回收率的研究表明 , 休闲−水稻轮作下施肥后的
氮肥利用率最高, 其次为绿肥−水稻轮作, 大麦−水
稻轮作最小, 分别为 51.0%、46.0%和 43.0%, 其中
绿肥−水稻轮作和大麦−水稻轮作下氮肥利用率差别
较小。本研究结果中, 小麦−水稻轮作方式显著小于
紫云英−水稻轮作和休闲−水稻轮作下的氮肥利用率,
而且差异较大。由于本研究是建立在 5 年长期轮作
第 5期 胡安永等: 太湖地区不同轮作模式下的稻田氮素平衡研究 513
试验的基础之上, 长期轮作过程中, 紫云英还田不
仅能补充大量氮素进入稻田, 使稻田维持在可持续的
土壤肥力和生产力水平, 而且能够增加土壤氮的有效
性, 并同时增加水稻对肥料氮和土壤氮的吸收[13], 从
而保证了氮肥利用率和水稻产量; 休闲−水稻轮作
模式作为一种能保持农田可持续生产力的耕作措施,
能够保持土壤地力, 改善土壤生态功能, 从而保证
施肥后的氮肥利用率; 小麦−水稻轮作过程中, 由于
稻麦两季都会施用大量氮肥并进行耕作, 土壤连续
生产而得不到休闲, 土壤生态功能较低, 相比休闲
和绿肥轮作, 氮素损失较多。
2.4 不同轮作方式及施氮量下肥料氮在植株体内
的相对分配
不同轮作模式下水稻成熟期植株体内不同器官
占植株回收肥料氮的比例存在较大差异。从图1可以
看出, 紫云英−水稻轮作处理下, 随着施氮量的增加,
水稻秸秆肥料氮的相对分配显著增加, 增幅分别约
为13.1%和12.2%, 而籽粒的相对分配则显著降低 ,
降幅约为12.9%和11.7%(P<0.05)。休闲−水稻轮作下,
施肥多少对于肥料氮在植株体内的相对分布没有显
著影响, 50%左右回收的肥料氮分配在籽粒, 43%左
右分配在秸秆 , 根系分配量在7%左右。由此可见 ,
绿肥还田促进了无机肥料氮在水稻营养器官的积累,
而降低了其在生殖器官籽粒的积累。
图 1 水稻成熟期肥料氮在水稻各器官的相对分配百分比
Fig. 1 Relative distribution rates of fertilizer N in different
rice organs at maturity stage in different rotation systems under
different N application rates
GR、FR 分别表示紫云英−水稻和休闲−水稻轮作, 其后数字为施
氮量(kg·hm−2)。GR and FR are Chinese milk vetch-rice and fallow-rice
rotation systems, the following data are N application rates (kg·hm−2).
2.5 不同轮作方式及施氮量下肥料氮在土壤中的
残留和分布
15N示踪法不仅能准确计算植株所吸收的15N标记
肥料的数量, 还能够得到肥料氮在土壤中的残留与分
布。由表4可以看出, 各处理施入土壤中的标记肥料残
留主要集中在0~10 cm土层, 并且随着土壤深度的加
深迅速下降, 30~40 cm土层的肥料残留占土壤肥料总
残留比例仅为1%~3%。各处理在0~20 cm土层中的肥
料残留占土壤肥料总残留的比例均达到90%以上。
表 4 不同轮作模式各施氮处理下水稻收获后肥料氮在各层土壤残留量占土壤总残留量的比例
Table 4 Rates of residual fertilizer N in different soil layers to total soil residual fertilizer N after rice harvest in different rotation
systems under different N application rates
各层土壤残留量占总残留量比例
Rate of residual in different layer to total residual in soil (%)
轮作方式
Rotation
system
施氮量
N application rate
(kg·hm−2)
肥料氮土壤总残留量
Total soil residual of fertilizer N
(g) 0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm 30~40 cm
0 — — — — —
120 0.31±0.01b 89.56±0.56a 5.11±0.39b 2.32±0.31b 3.01±0.48a
240 0.67±0.02aA 80.65±0.38bB 12.54±0.56aA 5.54±0.37aA 1.27±0.14bB
紫云英−水稻
Chinese milk
vetch-rice
300 0.66±0.02a 90.04±0.78a 6.82±0.80b 2.10±0.45b 1.03±0.13b
0 — — — — —
120 0.20±0.01b 86.41±1.32a 7.44±0.67b 4.28±1.61ab 1.87±0.22a
240 0.44±0.01aB 77.58±0.82bB 14.65±1.07aA 5.67±0.42aA 2.09±0.35aA
休闲−水稻
Fallow-rice
300 0.46±0.01a 87.98±0.96a 8.75±0.33b 1.98±0.30b 1.29±0.52a
小麦−水稻
Wheat-rice
240 0.41±0.01B 90.33±1.34A 6.49±1.40B 2.10±0.25B 1.07±0.11B
紫云英−水稻轮作和休闲−水稻轮作方式下, 施
氮240 kg·hm−2时, 0~10 cm土层的肥料残留占土壤
肥料总残留的比例要显著低于施氮120 kg·hm−2和
300 kg·hm−2, 10~20 cm土层的肥料残留占土壤总残
留的比例则刚好相反 , 不同施肥处理在20~30 cm、
30~40 cm土层的肥料残留占土壤肥料总残留的比例
很小, 变化规律不明显。
不同轮作方式稻季施氮 240 kg·hm−2时, 小麦−
水稻轮作方式下 0~10 cm土层的肥料残留占土壤肥
料总残留的比例显著高于其他两种轮作方式 , 10~
20 cm、20~30 cm土层则恰好相反, 休闲−水稻轮作
下 30~40 cm土层的肥料残留比例显著高于紫云英−
514 中国生态农业学报 2014 第 22卷
水稻轮作和小麦−水稻轮作。
3 讨论与结论
不同轮作模式下, 水稻籽粒干物质重随施氮量的
增加而增加。当施氮量为 0、120 kg·hm−2、240 kg·hm−2、
300 kg·hm−2时, 紫云英−水稻轮作的水稻籽粒干重明显
高于对应的休闲−水稻轮作, 且稻季施氮240 kg·hm−2时,
紫云英−水稻轮作的水稻籽粒干重显著最大, 小麦−
水稻轮作籽粒干重虽略高于休闲−水稻轮作 , 但两
者之间没有显著性差异。紫云英连续还田提高了土
壤的基础产量和最高产量 , 与冬季休闲模式相比 ,
紫云英还田模式的基础产量提高了 23.0%, 最高产
量提高了 16.6%。施氮 120 kg·hm−2时, 紫云英−水稻
轮作模式下的籽粒干重已明显高于休闲−水稻轮作
和小麦−水稻轮作在施氮 240 kg·hm−2下获得的籽粒
干重, 而施肥量却仅是它们的一半, 能够达到用较
少的肥料投入获得较高产量的目的, 具有明显的减
本增效作用。
在植株总吸氮量中, 随施氮量增加肥料来源的
氮素逐渐增加, 土壤来源的氮素虽然逐渐减少, 但
仍能在植株总吸氮量中占有很大比重, 其中紫云英−
水稻轮作为 68.1%~79.1%, 休闲−水稻轮作为 50.4%~
71.8%。不同轮作模式稻季施氮 240 kg·hm−2时, 紫
云英−水稻轮作和小麦−水稻轮作下土壤来源的氮素
比例显著高于休闲−水稻轮作, 说明休闲−水稻轮作
模式下水稻产量的获得更加是依赖于稻季无机氮肥
的大量投入[13]。紫云英−水稻轮作处理下, 随着施氮
量的增加 , 水稻秸秆肥料氮的相对分配显著增加 ,
而籽粒的相对分配则显著降低。休闲−水稻轮作下,
施肥多少对于肥料氮在植株体内的相对分布没有显
著影响。这可能是由于绿肥长期轮作还田使得土壤
肥力和养分含量较高, 而相对较高的养分含量和施
肥量保证了作物早期的生长, 而到后期有机氮矿化
分解, 促使速效养分无机肥在营养器官的积累, 后
期矿化分解的有机氮在生殖器官籽粒的积累[14]。
水稻季施用的肥料氮向耕层以下移动很少, 30~
40 cm土层的肥料残留量仅占施氮量的 0.2%~0.7%,
说明当季水稻生长期间 , 肥料氮向下淋洗损失较
少。不同处理下肥料氮损失占施氮量的 36.5%~
60.0%, 由于微区设计排除了径流损失, 淋洗损失非
常少 , 氨挥发和硝化−反硝化气态损失应该是氮肥
损失的主要途径, 以前报道太湖地区乌栅土稻季氮
肥氨挥发损失率的变幅为 3.7%~38.7%[15−17], 国内
在水稻的田间试验中用表观法计得的表观硝化−反
硝化损失率为 16%~41%[18]。影响稻田土壤氨挥发和
硝化−反硝化的因素很多, 主要包括土壤质地、水分
管理、气候条件、施肥种类及方式、用量、土壤 pH
等[19−22]。本研究中, 氮肥以表施作为肥料施用方式,
由于整个稻季大多处于淹水状态, 适宜的水分条件
为稻田氨挥发和硝化−反硝化损失创造了条件; 另
一方面, 由于微区面积小, 微区的壁因伸出水面而
产生了一定的挡风和遮阴作用, 从而可能使测得损
失量偏低[23], 直径约为 30 cm 的微区所测得氮素损
失比较大的微区低 10%左右[24]。
小麦−水稻轮作是太湖地区最常见的耕作制度,
其水稻季肥料氮有 21.7%~33.0%被水稻吸收利用 ,
约 11%~16%的肥料氮残留在土壤中, 约有 56.1%~
72.0%的氮肥通过各种途径损失掉[6,25]。本研究中小
麦−水稻轮作模式下所得结果与前人研究相吻合。稻
季施氮 240 kg·hm−2时, 小麦−水稻轮作模式下的氮
肥利用率、土壤残留率以及总回收率显著最低, 损
失率显著最大。紫云英−水稻轮作模式下的氮肥损失
率最小, 小于休闲−水稻轮作和小麦−水稻轮作, 因
而能够有效降低农田施用氮素损失量大所带来的环
境风险。
综合生产效益、经济效益和环境效益, 本研究
认为, 选择紫云英还田配施氮肥 240 kg·hm−2时, 既
可以保证水稻氮肥利用率而获得高产, 又能减少氮
肥损失而带来的环境风险, 是一种值得当地广泛提
倡和大力推广的耕作制度。
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