我国水稻氮肥高效利用的研究进展

2014-01-27王学华

作物研究 2014年5期

徐优，王学华

(湖南农业大学农学院，长沙410128)

有数据显示，近年我国水稻种植面积逐年减少，而粮食需求却持续增长，水稻高产量显得愈来愈急迫且重要。为解决这一矛盾，在生产上主要依靠提高单产来增加粮食产量，而施用肥料尤其是氮肥对提高水稻单产做出了巨大贡献［1］。氮是水稻生产的主要养分因素之一［2，3］，我国氮肥的生产量和使用量在世界都居于首位［4］。研究表明，一定范围内氮肥施用量使水稻获得高产［5］，过量施用氮肥不仅影响水稻增产，也会降低氮肥利用率，造成面源污染［6～8］。因此，如何在不减产的前提下提高氮肥利用率，减轻氮肥大量流失对环境造成的污染，可持续的发展高效农业，成为各国共同关注的问题。

1 我国氮肥的使用现状和主要问题

1.1 氮肥用量过多，利用率过低

据世界粮农组织统计，目前我国氮肥用量占全球氮肥用量30%。1961～1999年，全球氮肥用量(以元素N计)从1.16×107t增加到8.55×107t，增加了6.4倍，而中国在同期内氮肥用量增加了43.8倍［9］。我国普遍施氮量在 150 ～250 kg/hm2，而在江苏省某些稻田施氮量达到 300 kg/hm2［10，11］。由此可见，我国稻田氮肥用量已经处于相当高的水平。氮肥用量水平不断提高的同时，我国稻田的氮肥利用率却一直较低。研究表明，我国稻田氮肥吸收利用率为 30% ～50%［12］。朱兆良［13］报道，在中国稻田碳铵氮素吸收利用率低于30%，尿素为30%～40%，而世界热带稻田的氮肥吸收利用率一般为30% ～50%。

1.2 氮肥流失严重，环境和人类健康问题日渐恶化

氨挥发、硝化和反硝化、淋洗和径流是稻田中氮损失的主要途径［14，15］，造成了氮肥的大量流失和严重的环境问题［16，17］。其一，对水体的影响。大量流失的氮素进入到水体中，不仅会引起地面水体的富营养化，还会增加地下水的硝态氮含量，对人体和水生生物都存在威胁［18］。其二，对大气的污染。施用肥料所引起的氮氧化物可与O3发生反应，使臭氧层不断被破坏，长此下去，严重影响到人类和生物的生存环境。其三，造成土壤板结和酸化。过多使用氮肥的结果是大量的NH+4与土壤中的Mg2+、Ca2+等离子发生阳离子交换，使土壤胶体分散，土壤结构遭到破坏，土质板结，土壤的通气蓄水能力也大大降低［19］。其四，“环境激素”问题。农作物在大量施用氮肥的人工“保养”下，自身抵抗病虫害的能力大大降低，需要施用大量农药，从另一方面加剧了环境污染，间接引起“环境激素”问题［18］。其五，对人类健康的影响。过量施用氮肥的蔬菜中，其硝酸盐含量是正常情况下的20～40倍，这种高硝酸盐含量的蔬菜一经食用，在体内会还原成对人体有害的亚硝酸根离子，亚硝酸盐类物质不但能与人体血液中的血红蛋白接合，生成不能输送氧气的高铁血红蛋白，还能与人体内的各种胺类物质结合生成强致癌类物质亚硝胺［19，20］，对人体的危害不言而喻。

2 影响我国水稻氮肥高效利用的因素

2.1 高产水稻的推广应用

近10多年来，随着水稻品种的改良和产量水平的提高，施氮量不断加大［21］。我国水稻种植面积中50%以上是杂交水稻，为了减少种子成本，多数种植户都会采用稀植和减少本苗数的方法，但为了达到高产所需要的穗数就要通过增大前期氮肥施用量来增加分蘖，事实上水稻前期对氮素吸收利用效果较差，氨挥发也比较严重。此外，育种专家为提高水稻产量，往往致力于选育大穗和茎秆粗壮、抗倒性强，而忽视对氮肥反应敏感的品种或组合。因此，新育成的品种或组合由于其对氮肥反应的敏感性降低，往往要通过比常规品种更大量施用氮肥才能取得成效，这也可能成为氮肥利用率低的原因之一。

2.2 土壤背景氮高

据文献记录，普通产稻国稻田土壤无氮区对照水稻产量通常为3～4 t/hm2，但我国通常能达到5～6 t/hm2甚至更高，我国稻田背景氮无疑高于其他国家的稻田［3］。作为土壤肥力的一项重要参数，在我国以培肥土壤，提高稻田土壤生产力的施肥管理宗旨下，大量无机和有机肥料在稻田土壤中长期施用并逐年积累。而根据彭少兵等［22］试验显示，在灌溉稻田中，并不需要保持很高的土壤背景氮来维持土壤的生产力。高土壤背景氮的不良影响在于:一是无辜消耗大量的有机和无机氮肥，二是背景氮含量高的土壤在休耕期将会有更多的氮素损失，造成环境污染，三是水稻在低背景氮的土壤条件下应该比高背景氮条件下对氮肥的反应更为敏感，土壤背景氮过高时，需要施用更多的氮肥才能取得高产成效，这不仅会造成低氮肥农学利用率，也会引起高土壤背景氮更恶劣的循环。

2.3 施肥时期不合理，前期施氮比例过高

一般而言，在水稻种植前期施氮有利于促进水稻分蘖早发和提早返青［23］，尤其对分蘖力偏低的超级杂交稻及大穗型品种效果更明显，但比例不宜过高。但在湖南、江苏、广东和浙江等地区的考察表明，氮肥总量的55%～85%被作为基肥和移栽后的前十天内追施。如此高比例的前期氮肥施用量，成为氮肥利用率低的原因之一。因为在水稻生长前期，一是对氮素的绝对需求量不大，二是尚未形成庞大的根系来吸收大量的氮肥，高浓度的氮肥长时间暴露在土壤和灌溉水中，会进一步降低氮素利用率。

2.4 中期晒田

在水稻生长前期大量施用氮肥会促进水稻分蘖早发和提早返青，获得更多的穗数，但也会造成水稻无效分蘖过多，叶面积过大，营养生长过旺等问题。为解决这一难题，农户通常会采取中期搁田来控制水稻分蘖和构建健康理想的群体。但有关研究结果表明，中期晒田会导致土壤氮素损失加剧和水稻吸氮量的减少，从而导致氮肥利用率下降［24］。所以，中期搁田也成为我国水稻氮肥利用率低的原因之一。

3 提高我国水稻氮肥利用率的有效措施

3.1 选用适宜的氮肥品种和新型氮肥

氮肥的品种差异和作物的种植土壤条件决定了合理选用氮肥的重要性［25］。如碱性土壤适用生理酸性肥料，而酸性土壤中石灰氮、硝酸钙等碱性或生理碱性肥料的使用效果会更好。此外，考虑到常规化学氮肥不能一次性供应水稻全生长期足量的氮素，肥效期短，溶解速度过快，损失较严重等不足，缓控释肥逐渐成为国内外植物营养和肥料领域的研究热点［26］。研究结果表明，基施控释氮肥能显著提高氮肥利用率和水稻产量［27］。适量硫包膜尿素可改善土壤Ca、Mg的活化程度，提高水稻氮素吸收利用率，增加水稻产量［28］。据陈贤友等报道，与施用普通尿素处理相比，等氮量控释尿素处理下氮肥利用率提高144.90%［29］;晚稻秀水128施用金正大新型硫磺加树脂双层包膜控释尿素，氮肥利用率提高38.42%［30］。邬明伟等［31］研究发现，新型高效尿素的氮肥利用率显著高于常规尿素，经60%常规用量的高效尿素处理，水稻的氮肥农学利用率和吸收利用率较常规尿素分别提高5.09 kg/kg和14.79%，差异显著。可见，新型氮肥可以显著提高水稻的氮肥利用率和产量，但其生产成本过高而导致使用价格过高，难以普遍投入到大规模生产中等问题也需进一步解决。

3.2 筛选和培育氮肥利用率高的水稻品种

研究表明，不管是粳稻、籼稻，还是杂交稻、常规稻，无论是两系杂交稻还是三系杂交稻，不同的水稻品种对氮素利用率都存在明显的差异［32，33］，品种的氮素吸收利用能力以及氮素生产干物质能力关系到氮肥利用率［34，35］。叶全宝［36］曾以 115 份水稻品种作为供试材料研究发现，在不同施氮水平下，水稻氮肥利用率存在显著的基因型差异。因此，筛选和培育综合性状合格且氮肥利用率高的水稻品种或组合，在生产上加以推广种植，是提高氮肥利用率，减少肥料损失和环境污染的根本途径之一。

3.3 改善施用氮肥的技术方法

合理施用氮肥是兼顾作物产量、增加经济效益、提高氮素利用效率和控制农业面源污染的重要措施［37］。

3.3.1 施肥方法:氮肥深施

目前我国生产上普遍使用的氮肥是碳酸氢铵和尿素，这两种肥料面施后，都易通过氨挥发而损失。研究者们发现，氮肥深施能有效降低氨挥发损失。氮肥施在10～15 cm土壤深处时，铵离子可被土壤胶体所吸附，显著降低了氮肥由于挥发及反硝化作用造成的损失，有利于固态氮的转化及根系吸收。研究表明，碳酸氢铵和尿素经深施后，其肥效较地表施用提高了2.7% ～11.6%，氮肥利用率也相应提高 7.2% ～12.8%［38，39］。朱兆良指出［13］，超大颗粒尿素采用深施的方法，其适宜的氮肥用量是传统施肥法最适用量的76%～93%，这也在一定程度上降低了氮肥的施用量。因此，氮肥深施是获得较高的农学利用率的重要途径。

3.3.2 施肥时期:良好的前后期施用比例

水稻在不同的生育期对氮肥的需求量不同，因此，适宜的氮肥施用时期，良好的前后期氮肥施用比例，不仅可以降低肥料成本，氮肥利用率也会得到大大提高［9］。范大泳等［40］研究表明，杂交水稻中优679在基蘖肥、穗肥施氮比例为6∶4时，其产量与氮肥利用率最高。万靓军等［41］报道，基蘖肥、穗肥施氮比例为6∶4时，氮肥吸收利用率最高。张祥明等［42］研究表明，氮肥适当后移能够保持土壤适宜的NH+4－N浓度，有利于氮肥利用率的提高。可见，适宜的前后期氮肥施用比例可以提高水稻氮肥利用率。

3.3.3 施肥量

在一定范围内，水稻产量随氮肥施用量相应上升，但当氮肥施用量超过某一值后，再增加施氮量，反而不能达到增产的效果。因为随着氮肥施用量的逐渐增加，土壤中残留大量的硝态氮，水稻对氮肥的利用率降低，氮肥损失量逐渐增加，氮肥的增产效果不明显［43］。合适的氮肥投入阈值对挖掘水稻的产量潜力，减少农田氮素面源污染都至关重要［44］。李向辉等［45］研究了不同施氮量对晚稻氮肥吸收利用率的影响，结果显示在低氮水平下，增加氮肥施用量有利于提高水稻的氮肥利用率，但施氮量超过180 kg/hm2后，其氮肥利用效果则随施氮量的增加而下降。因此，在实际生产中根据土壤本身的养分含量和水稻的需肥特点，确定合适的施氮量对提高水稻氮肥利用率和产量都具有重要意义。

3.4 氮肥与其他肥料平衡施用

要最大限度的提高水稻产量和肥料利用率，就要兼顾大量元素和中、微量元素的平衡施用。虽然施用氮肥对水稻的增产效果更直观，但偏施氮肥无疑会造成土壤中其他元素养分的匮乏，如磷、钾及某些微量元素。杜加银等［46］研究发现，减氮控磷增钾不仅能满足水稻正常分蘖对氮、磷、钾的要求和高产对钾营养的需求，而且可明显提高氮肥的利用率。事实上，我国稻农生产上的习惯是重施氮肥轻施磷、钾肥［47］。要进一步提高氮肥利用率和水稻产量，就必须平衡土壤所缺乏的养分，配合磷、钾或有机肥与氮、磷、钾肥平衡施用，以达到减少氮素损失，提高氮肥利用率，进一步提高水稻单产的目的［48，49］。

3.5 施用脲酶抑制剂和硝化抑制剂

脲酶抑制剂可以抑制土壤中脲酶对氮肥的水解，延缓氮肥转化为铵态氮的速度，减少NH3挥发损失［50］，从而提高氮肥的利用率。水稻在施用尿素氮肥的基础上，增施脲酶抑制剂，在孕穗期、成熟期可分别提高尿素利用率4.0%和5.6%，并能减少尿素中氮挥发损失35.9%［51］。硝化抑制剂的原理则是抑制铵态氮向硝态氮转化，减少NO－3的淋溶损失，提高氮肥利用率。试验表明，施用硝化抑制剂与不施相比，NO－3的淋溶损失由48%降低到35%［50］。但也有研究者对此两种抑制剂持否定态度，认为硝化抑制剂没有明显降低氮损失的效果［52］，脲酶抑制剂对于降低氮素损失，提高作物的吸收利用率以及提高作物产量的效果相对较小，而且不同的试验结果报道的效果不一［53］。

3.6 实地氮肥管理技术

实地养分管理新技术(SSNM)是通过对输入土壤和作物的有关数据综合分析后为农户提供的更为经济有效的施肥推荐。研究表明，运用SSNM，水稻氮素转运率明显高出农民习惯种植方法［54］。陈新红等［55］研究表明，实地氮肥管理模式较大幅度地提高了水稻的氮肥利用效率;刘立军等［56］研究表明，与常规施肥方法相比，SSNM的氮肥吸收利用率提高了 31.4% ～56.8%，农学利用率也提高了143.6%～166.0%。由此可见，实地氮肥管理可减少氮肥施用量，并较大幅度地提高水稻氮肥利用率。

农学研究者通常借助叶绿素测定仪(SPAD)来协调水稻施氮的时间和用量，以达到实时氮肥管理［57］。许多研究结果表明，与常规定时施氮处理相比，实时氮肥管理下氮肥农学利用率明显上升［58，59］。刘立军等［60］研究发现，实时氮肥管理较农民习惯施肥法氮肥农学利用率提高了204.3%～297.0%。可见，在产量不降低甚至有所增加的前提下，实地、实时氮肥管理不仅可以减少氮肥施用量，氮肥利用率也会得到较大幅度的提高。

3.7 采用肥水调控技术

在生产实际中，采用肥水调控技术，利用水肥耦合的协同效应，对作物进行水肥管理，可以达到提高肥料利用率的目的。程建平等［61］的研究表明，较佳的水肥耦合模式对水稻的产量有显著的互作效应，不同的水肥管理模式对水稻氮素利用效率影响显著，在高效水分管理条件下，增加氮肥施用次数可以提高氮肥吸收利用率。氮肥吸收利用率与干湿交替处理无水层天数成线性相关，但其大小与淹灌及干湿交替两种水分管理方式的不同，所表现出的差异不显著［62］。在农业生产中，只有合理的肥水调控技术，才能达到以肥调水、以水促肥，真正发挥水肥耦合的协同作用，既提高水肥利用率，又保证水稻的高产优质。

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