本文是一篇农业论文，笔者经过研究，得出结论：氮效率差异受施氮量影响，也与土壤类型有关，相同施氮量下南北方稻田的氮效率互有高低，北方土壤并未表现出明显的优势，因此土壤可能不是氮效率差异的决定性因素。南北方稻田土壤氮效率与施氮量关系密切，南北方稻田土壤氮效率差异是气候、品种和土壤种类等因素共同作用的结果。
1 前言
1.1 研究目的与意义
中国是世界第二大水稻生产国，常年种植面积达 3000 万公顷左右，2020 年约占粮食总播种面积的 26%，水稻单位面积产量和总产量呈逐年攀升趋势（中国统计年鉴）。我国水稻种植区域南北跨度大，北起黑龙江，南至海南岛均有种植。各个区（省）的气候[1, 2]，水稻品种[3, 4]，管理措施[5-8]，土壤性质[9, 10]的不同，我国南北方稻田施肥量，产量和氮效率均呈现明显的空间差异，其差异的原因一直是学术界关注的焦点。
我国水稻主产区的稻田氮肥施用量 150-250kg·hm-2，南方一季稻区江苏省是我国稻田氮肥用量最高的省份，施用纯氮约 314kg·hm-2[11]，湖南省为中强度施肥区，施氮量约为202kg·hm-2[12]，黑龙江省是我国稻田氮肥用量最低的省份，施用纯氮约 141kg·hm-2[13]。目前全国氮肥利用率约为 39%，水稻平均产量为 8.42kg·hm-2，稻田的氮肥利用率和氮肥增产量从小到大分别为：南方双季稻，长江流域单季稻和北方单季稻，对应的氮肥利用率分别为 34%，36%和 40%，增产量分别是 1.9t·hm-2，2.0t·hm-2 和 2.5t·hm-2[14]。
南北方稻区水稻品种不同，需氮量也不同，江苏省粳稻和寒地粳稻 100 kg 籽粒吸氮量平均约为 2.0kg[15]和 1.4kg[13]，相同产量下寒地水稻总吸氮量更低，这是稻区间施肥量差异的主要原因。南北方稻田土壤供氮过程和能力也有较大差异，对南北方稻田的供氮特征进行比较发现[16, 17, 18]，南方稻田土壤在水稻生育前期氮素矿化速率快，释放较多的氮素，而北方稻田在整个水稻生育期间供氮平稳，中后期矿化速率较快，寒地稻田土壤供氮过程与水稻吸氮规律更为匹配，这可能是北方稻田氮效率较高的原因之一。氨挥发是氮素损失的途径之一，由于高温条件，施用氮肥后南方稻田氨挥发损失严重，湖南双季稻田的平均氨挥发损失率高达43.7%[19]，江苏省的氨挥发量为 45.0-53.3kg·N·hm-2，而黑龙江省是氨挥发损失最低的省份，变动在 11.2-21.9kg·N·hm-2[20]。气候、品种和土壤等哪个因素对区域氮效率的影响更大目前还不清楚。
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1.2 国内外研究动态
1.2.1 我国稻田施氮与氮效率现状
氮素对水稻生长发育和产量有显著的影响，合理施用氮肥是防止水稻早衰和确保水稻高产稳产的有力保障。据 FAO 统计，全球氮肥用量从 89.4×106 t 增加到 109.3×106 t，增加了22%，而水稻生产消耗了全球氮肥用量的 21%-25%，黄晶等[21]基于全国稻田长期监测平台，分析数据发现近 30 年全国平均氮肥用量为 215kg·hm-2，在 206-216kg·hm-2 波动，随年限的增加变化不显著。目前，我国氮肥普遍施用范围是 150-250kg·hm-2，各个稻区平均氮肥用量存在显著的差异，江苏省和湖南省都是平均氮肥投入量较多的省份，而黑龙江寒地稻田施用纯氮低于全国平均水平。由于各地区不同的生产体系，土壤供氮能力和产量 水 平 不 同 ， 区 域 间 的 氮 肥 推 荐 用 量 也 有 较 大 的 差 异 ， 吴 良 泉 等 人 指 出 [22]， 东 北 寒地稻田的最佳施氮量是 116kg·hm-2，此时施氮水平显著低于其他稻区，长江下游单季稻区的最佳施氮量是 256kg·hm-2，苏中和苏南地区分别为 272kg·hm-2 和 230kg·hm-2[14]。
目前，我国稻田平均施氮量高于世界水稻氮肥施用量 75%[23-25]，但 水 稻 氮 肥 利 用 率 却低 于 世 界 平 均 水 平 。我国稻田氮肥利用率从 37%（1990-1999 年）减少至 28%（2000-2005年），增产量减少 0.7t·hm-2，此后稻田氮肥利用率又回升至 37%（2006-2010 年），同时增产量增加 1.9t·hm-2。PFPN是指单位投入的肥料氮所能生产的作物籽粒产量，是评价肥料效应的适宜指标，Cassman 把氮肥偏生产力（PFPN）分解为无氮区产量与施氮量比值（Y0/Nr）和氮肥农学效率（AEN）[26]。文献表明，对于稻田 PFPN，湖南省稻田（55.16-65.73kg·kg-1）[27]与江苏省稻田的（53.0kg·kg-1）[28]均比黑龙江省稻田（25.1kg·kg-1）[16]高，对于稻田 AEN，湖南省稻田（12.78-30.36kg·kg-1）[27]与江苏省稻田 10.7kg·kg-1N[28]也均比黑龙江省稻田（10.7kg·kg-1）[29]高。另有研究表明，在高产的太湖稻区，近年稻田氮肥平均施用量 300kg·hm-2, 较全国一季水稻的平均氮肥施用量高出 67%，但氮肥农学利用率不足 12kg·kg -1，不到发达国家一半[30, 31]。虽然黑龙江寒地稻田氮肥施用量较低，但是氮肥偏生产力为 42kg·kg-1，显著高于全国平均水平，氮肥利用率为 29.8%[32]，寒地稻田具有氮素用量低，氮效率高的特点。我国的氮效率具有区域间差异，闫湘[14]在全国开展农户施肥情况调查发现，北方的水稻氮肥利用率为 8.5-62.7%，均值为 34.6%，生理利用率 38.3kg·kg -1，农学效率 13.6kg·kg -1；南方的水稻氮肥利用率为 3.5-76.2%，均值为 25.5%，生理效率 46kg·kg -1，农学效率 10.7kg·kg -1。
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2 材料与方法
2.1 试验材料
2.1.1 试验地点
试验于 2018 年 5 月-2019 年 10 月在黑龙江省哈尔滨市香坊区东北农业大学进行（126°43’E，45°44’N），该地区属大陆性季风气候, 年降雨量 400-650 mm，水稻生长季日照时数为 1150-1 350 h, 昼夜温差约为 11℃。黑龙江省第一至四积温带的广大稻区，抽穗后 40 d内平均气温 19-22℃。2018 年和 2019 年试验地点温度变化见图 2-1。
农业论文参考
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2.2 试验方法
2.2.1 试验设计
三种土壤上均设 3 个氮量的盆栽试验，分别为 N0：不施氮肥；N1：0.87g·N·pot-1（相当于 150kg·N·hm-2）；N2：1.74g·N·pot-1（相当于 300kg N·hm-2）。氮肥 40%用于基肥，30%用于蘖肥，30%用于穗肥；P2O5 总用量为 0.51g·pot-1（相当于 90kg·hm-2）, 100%用于基肥； K2O总用量为 0.84g·pot-1（相当于 150kg·hm-2），50%用于基肥，50%用作穗肥。2018 年是用氮肥种类为丰度为 15%的 15N 同位素标记尿素，2019 年施用氮肥种类为普通尿素，KH2PO4 用作磷钾肥，穗肥时期的钾肥用 KCl。每个处理 4 次重复，随机排列。
4 月中旬播种，5 月 21 日移栽。移栽之前，基肥与盆中土壤（0-14cm）混合。施肥后灌水，保持水层 7 天后插秧，每盆 2 穴，每穴 3 棵苗。蘖肥于移栽 10 天后施用，穗肥于水稻80%主茎倒 2 叶露尖时施用。整个生育期，采用干湿交替的水分管理模式，并科学防病除草以防产量损失。
2.2.2 样品采集
土壤样品：水稻收获后，采用 5 点法，按照氮浓度由低到高的顺序，用土钻在盆中取土混匀，将土样置于避光通风处进行风干，磨碎和过筛，用于全氮和 15N 丰度的测定。
植物样品：收获后，将籽粒，秸秆，根系分离，根系放回原土壤中，籽粒与茎叶置于 105℃烘箱中杀青 30min，85℃烘干至恒重。测定干物质重后粉碎，用四分法取出样品，用于全氮和 15N 丰度的测定。
2.2.3 测定指标与方法
（1）水稻分蘖数：分别于分蘖期，拔节期，收获期调查水稻分蘖数量。
（2）水稻叶片 SPAD：参考范立春[80]测定水稻 SPAD 值的方法，于移栽后 3 周，移栽后5 周以及拔节期测定叶片 SPAD 值。
（3）土壤基本理化性质：土壤磨碎后过 2mm 筛保存待分析。pH：用 pH 计测定（水土比为 1：2.5）；有机质：重铬酸钾-外加热法；碱解氮：碱解扩散法测定；速效磷：NaHCO 3 浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾： NH4OAc 浸提，火焰光度计法测定。
（4）植物全氮：H2SO4-H2O2 消煮法，用 AA3 连续流动分析仪测定。
（5）土壤全氮：加入混合加速剂和 H2SO4 进行消煮，用 AA3 连续流动分析仪测定。 （6）矿化氮：按照 Waring 和 Bremner 的方法测定。10g 风干土壤置于 20mL 玻璃瓶中，加蒸馏水 10mL（土:水=1:1），排除瓶中空气后加盖。放在 12 °C 恒温箱中保存 1 天，随机取 3 瓶测定无机氮；其他样品在 25 °C 恒温箱中培养 28 天，在培养后的 7，14，21，28 天取样，加入 90ml 的 CaCl2溶液（0.011 mol·L-1）浸提，震荡 1h 后过滤，滤液用 AA3 连续流动分析仪测定 NO3-−N 和 NH4+−N 浓度。
（7）无机氮的测定：0.01 mol·L-1 的 CaCl2溶液浸提，震荡 1h 后过滤，滤液用 AA3 连续流动分析仪测定 NO3-−N 和 NH4+−N 浓度。
(8）土壤与植物的 15N 丰度：将土壤与植物样品粉碎过 100 目筛，Isoprime-100 同位素质谱仪测定。
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3 结果与分析 .......................................... 12
3.1 土壤矿化氮含量及其模型拟合 ....................... 12
3.1.1 土壤起始无机氮量 ................................... 12
3.1.2 模型拟合 .............................. 12
4 讨论 .................................... 32
4.1 南北方稻田土壤供氮能力差异及其分析........................... 32
4.2 水稻 SPAD、氮含量与氮积累对氮素的响应 .......................... 32
4.3 水稻分蘖对氮素的响应 ............................ 33
5 结论 ......................... 36
5.1 供氮能力强的土壤上水稻对氮素的响应较弱 ................................ 36
5.2 施氮能显著增加水稻分蘖，促进干物质积累和氮素吸收 ................... 36
5.3 土壤间氮素去向存在显著差异，pH 高的土壤氮素损失高 .............................. 36
4 讨论
4.1 南北方稻田土壤供氮能力差异及其分析
植物吸收的氮素至少有 50%来自于土壤，而土壤中的氮素 92%-98%以有机态的形式存在，必须经过土壤中微生物的矿化才能供植物吸收与利用，所以供氮的实质是土壤有机态氮的矿化。土壤起始无机氮，累积矿化氮，无氮区产量均可以用来表征土壤供氮能力。三种土壤的起始无机氮呈现显著差异（图 3-1），从大到小分别为：红壤型水稻土，乌栅土型水稻土，黑土型水稻土。在累积矿化氮量和矿化速率方面，红壤型水稻土也显著高于乌栅土型水稻土和黑土型水稻土。
本试验的矿化氮模型拟合达到了较好水平（表 3-1），国外学者在 1972 年建立了描述氮素矿化过程的 One-pool 模型[40]，此后众多学者们相继提出 Two-pool 模型[81]和 Special 模型[82]。随着对土壤氮素矿化的深入研究, 对数模型[83]、和双曲线模型[84]等被广泛地运用于不同的氮素矿化模拟中。矿化速率 K 从大到小为（表 3-1）：红壤型水稻土，乌栅土型水稻土，黑土型水稻土，氮矿化势 N0 从大到小为（表 3-1）：红壤型水稻土，黑土型水稻土，乌栅土型水稻土，这表明红壤型水稻土更有供氮优势，黑土型水稻土虽然矿化速率低于乌栅土型水稻土，但其供氮潜力高于乌栅土型水稻土。在矿化过程中，南方红壤型水稻土和乌栅土型水稻土前期矿化速率快（图 3-2），后期矿化速率慢，而黑土型水稻土矿化过程较为平稳。
三种土壤的氮素矿化差异的原因可能与其理化性质（土壤质地，pH 值，土壤有机质含量，水分含量等）有关。有研究表明[85]，供氮强度与土壤水分环境相关，水分条件相近的土壤矿化速率常数 K 无明显差异，水分状况差的土壤矿化速率常数 K 较高。土壤质地对矿化过程有显著影响，因为壤土不仅能固定小孔隙内的有机质还能固定与粘土颗粒相连的有机质，黏土仅具备前者能力，砂土仅具备后者能力。此外，在一定范围内，土壤碱性的增强有利于氮素矿化[86]，因为土壤碱性增强提高了土壤中可溶性的有机质含量，给微生物的生命活动提供所需的营养物质，从而提高土壤氮素矿化速率。
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5 结论
5.1 供氮能力强的土壤上水稻对氮素的响应较弱
红壤型水稻土的起始无机氮总量、累积矿化氮量以及矿化速率均高于乌栅土型水稻土和黑土型水稻土，红壤型水稻土无氮处理下的水稻分蘖数、叶片 SPAD 值、水稻植株干重、氮积累量和产量也均高于另外两种土壤，表明红壤型水稻土有较强的土壤供氮能力。而红壤型水稻土上水稻的分蘖和产量对氮素的响应均低于乌栅土型水稻土和黑土型水稻土，红壤型水稻土上的水稻分蘖数仅在成熟期对氮素有响应，且在高氮量下出现减产现象。在供氮能力弱的土壤上适当增施氮肥，有利于提高氮效率和产量，而在供氮能力强的土壤上适当降低施氮量，在保证水稻高产的同时，能够提高氮效率并减少氮损失。
施氮对移栽第 3 周和移栽第 5 周的水稻分蘖无显著影响，但能显著增加分蘖期和成熟期的水稻分蘖数；氮量对分蘖成穗率有显著影响，N2 处理可以显著增加水稻成穗率；对植株的含氮量与氮积累的影响也达到极显著水平；施氮能显著增加水稻籽粒与秸秆的干物质积累，2018 年秸秆所占比例大于籽粒，而 2019 年秸秆与籽粒比例差异不大。
参考文献（略）