| 标题 | 种植方式变化下双季稻田氮素平衡及环境效应研究进展 |
| 范文 | 才硕 时红 时元智 徐涛 摘要?随着农村劳动力转移以及水稻栽插机械化的发展，传统的手工插秧方式正在被直播、抛秧和机械化插秧所替代，种植方式的变化导致了水稻水肥需求与利用发生明显改变。为了深入研究不同种植方式对双季稻田氮素平衡及环境效应的影响，在前人研究基础上，阐述了不同水稻种植方式的技术特点以及稻田氮素输移、流失规律、平衡特征与环境效应等方面研究，以期为南方双季稻高效稳产栽培与可持续发展提供理论依据。 关键词?种植方式;氮素平衡;环境效应;双季稻田 中图分类号?S181.3??文献标识码?A 文章编号?0517-6611（2020）17-0001-03 doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.001 开放科学（资源服务）标识码（OSID）： Research Progress on Nitrogen Balance and Environmental Impact under the Change Planting Patterns in Doublecropping Paddy Fields CAI Shuo1，SHI Hong1，2，SHI Yuanzhi3 et al （1.Jiangxi Key Laboratory of Agricultural Efficient Watersaving and Nonpoint Source Pollution Preventing，Jiangxi Central Station of Irrigation Experiment，Nanchang，Jiangxi 330201;2.East China University of Technology，Nanchang，Jiangxi 330013;3.State Key Laboratory of Hydrologywater Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210029） Abstract?With the transfer of rural labor force to cities and the development of mechanization of rice planting， the traditional artificial transplanting seedlings are being replaced by direct seeding， throwing seedlings and mechanical transplanting， changes in planting patterns have led to significant changes in waterfertilizer demand and utilization of rice. In order to deeply study the influence of different planting patterns on the nitrogen balance and environmental effects in doublecropping paddy fields， based on previous studies， the technical characteristics of different rice planting methods， as well as studies on nitrogen transport， loss， balance characteristics， and environmental effects of paddy fields were comprehensively described.It is hoped to provide a certain theoretical basis for efficient and stable yield cultivation and sustainable development of doubleseason rice in the south. Key words?Planting pattern;Nitrogen balance;Environmental effect;Doublecropping paddy fields 双季稻是我国南方地区重要的农业生产模式，种植“一年两熟”的双季稻对保障我国粮食安全、促进国民经济可持续发展具有重要作用。然而，双季稻种植多采用“水肥高投入、粮食高产出”的管理模式，用水用肥量大，氮素利用率低且流失严重，致使稻田在保障粮食产量的同时也造成氮素地表径流与淋失[1]、温室气体排放[2]及生态环境恶化等问题。 近年来，随着农村劳动力向城市转移、土地流转以及农业机械化的发展，水稻的种植方式发生了深刻变革，传統的手工插秧正在被水稻直播、抛秧和机械化插秧所替代[3]。长期以来，水肥调控以及耕作措施影响作物产量和养分吸收的研究主要是在手工插秧的稻田环境下建立的。然而，随着抛秧、直播和机械插秧等简化栽培技术普遍应用，稻田的水肥管理方式也随之发生变化，导致双季稻田氮素输入、输出和迁移转化特征存在差异性、复杂性和多变性。已有基于稻田手工插秧的研究成果，已不能完全满足双季稻生产实际与技术要求，急需对不同种植方式下稻田氮素农学效应和环境效应进行评价分析，以确保双季稻生产的持续协调稳定发展。因此，笔者探讨种植方式变化下双季稻田氮素输移、损失和平衡特征的研究进展，以期为双季稻生产的可持续发展提供理论依据。 1?水稻种植方式研究现状 手工插秧、抛秧、直播和机械插秧是目前双季稻生产的主要种植方式。直播稻是将干种子或催芽后的种子通过手工或机械的方式直接播种于本田当中的水稻种植技术，与传统移栽稻相比，省去了育秧与秧田管理、移栽与移栽前泡田等生产环节，可大幅减少劳动力和生产成本，直播稻省工、省力 、简化且发展较为迅速[4]，但本田生长期延长，且水肥管理方式与移栽稻差异较大。手工插秧、抛秧和机械插秧均需要育秧移栽，育秧能够缩短本田生育期，提高复种指数，但移栽对育秧方法和栽插质量具有特定要求。不同种植方式有其特定的水分管理特性，直播稻播种时可采用水直播，也可旱直播，播种后则需要保持田面无水以确保出苗，收割前则需要提早断水防止倒伏;抛秧和机械插秧在移栽时均要求田面保持浅水层以避免秧苗漂浮，机械插秧后干湿交替促早发，抛秧移栽后需浅水灌溉以利于水稻立苗;手工插秧则要求浅水插秧，深水活棵。可见，不同种植方式具有各自的技术特点和技术效果，不同的水分管理方式也导致了肥料吸收利用与流失的时空差异。 水稻种植方式的变革引起了众多学者的密切关注，针对水稻不同种植方式进行了大量研究和评价，但研究主要集中在水稻生长发育[5]、产量及经济效益[6]、微生物种群[7]以及病虫草害发生特点[8-9]等方面。上述研究普遍認为，不同种植方式水稻生育期不同，水稻所处的温光环境条件各异，从而使水稻生长发育、产量水平存在一定差异。但对不同种植方式下稻田养分，特别是氮素迁移转化规律的研究相对较少，且仅局限于氮素利用效率[10]与温室气体排放[11-14]。目前，对于不同种植方式下稻田氮素输移、流失问题缺少系统性研究。因此，开展不同水稻种植方式下稻田氮素利用与流失特征差异及评价研究，阐明氮素的平衡特征，对评价双季稻不同种植方式的环境效应具有重要价值。 2?不同种植方式下稻田氮素平衡研究 氮是水稻最重要的营养元素之一，稻田氮素循环是农田生态系统中养分循环的一个重要组成部分。氮素在稻田系统循环过程中存在动态的交换和转移，氮素输移变化对系统氮素循环和平衡产生极大的影响[15-16]。氮素平衡是指在一定系统内氮素输入和输出之间的转化和平衡，稻田生态系统中氮的输入主要包括氮肥投入、生物固氮、灌溉水带入、大气干湿沉降氮等，氮的输出主要包括作物吸收、淋失与径流损失以及气态损失。稻田系统氮素在转化过程的各个环节，随时通过各种途径逃逸系统，发生损失。一般认为，稻田氮素损失过程主要包括通过地表径流和渗漏水携带土壤中的溶解态氮移出稻田，土壤氨挥发和反硝化作用以及作物生长过程中向大气释放的各种含氮气态化合物。不同形式的氮素损失造成了土壤、大气、湖泊富营养化以及地下水污染等环境污染问题。 稻田氮素平衡受到施肥和耕作等农事活动的影响。不同的种植方式需要不同的水肥管理方式，可以形成不同的环境条件，不同的种植方式水稻生育期也不同，导致水稻的氮素循环和平衡也可能存在差异。在传统手工插秧方式下，李庆逵[17]研究认为，氮素投入稻田后，水稻回收20.9%～280%，土壤残留占11.2%～29.5%，各类损失占27%～677%;汪庆兵等[18]研究发现，水稻吸收的仅为25%～50%，土壤残留的10%～35%，剩余的部分则随氨挥发、淋失或反硝化损失到环境中。在抛秧方式下，王淳等[19]研究表明，早晚稻氮素回收率为34.3%～47.6%，土壤残留率为9.1%～355%，土壤的表观回收率为35.4%～58.6%，表观损失率为32.3%～49.2%，氨挥发的损失率为29.3%～52.3%，N2O损失率为03%～1.0%。抛秧模式下水稻的氮素利用率比手工插秧模式有较大幅度的提高。可见，通过栽培措施来调节稻田氮素循环过程以及氮素收支平衡状况，对于提高水稻对氮素的回收率、减少氮素损失、减轻环境压力、保障农业可持续发展具有重要意义。然而，目前还缺少对直播和机械插秧方式下双季稻田氮素循环的系统研究，且不同种植方式下稻田氮素循环是否存在差异，不同移栽（手工插秧、机械插秧、抛秧）方式下秧田期间氮素利用与损失情况，这些都值得深入研究。 3?不同种植方式下稻田氮素环境效应 3.1?不同种植方式下稻田氮素吸收利用 氮素吸收利用不仅决定水稻的生长发育和产量形成，还直接影响稻田周边的生态环境。目前，部分发达国家稻田氮素吸收利用率可达50%以上，而我国水稻生产中氮肥平均利用率为30%～35%[20]。不同种植方式因水分管理、氮肥运筹、栽培方式等不同，水稻氮素吸收利用效率也不同。厉波等[21]研究表明，不同种植方式下水稻植株氮累积量表现为直播>机械插秧>手工插秧，刘利等[22]研究认为拔节期氮素积累量直播低于机械插秧和手工插秧，抽穗期则为机械插秧<直播<手工插秧，成熟期表现为直播显著高于机械插秧和手工插秧，而霍中洋等[10]和王春雨等[23]研究则认为，抽穗期和成熟期水稻植株氮素积累量均以手工插秧最高，机械插秧次之，直播最低。刘利等[22]研究发现，水稻氮稻谷生产效率和氮收获指数表现为机械插秧>手栽>直播，而王春雨等[23]则认为水稻氮素农艺利用率和氮收获指数以手工插秧最高，而氮稻谷生产效率表现为机械插秧优于直播和手工插秧，霍中洋等[10]研究表明，手工插秧、机械插秧和直播3种种植方式水稻的氮素吸收利用率分别为44.49%、39.00%和31.41%。可见，关于水稻不同种植方式氮素吸收与利用的相关研究存在一定差异，特别是多元化种植下双季稻氮素吸收与利用还有待进一步研究，以期实现氮肥合理施用提高氮素利用率，从而为双季稻的高产高效栽培提供理论和实践依据。 3.2?不同种植方式下稻田氮素损失 3.2.1?不同种植方式下稻田径流与淋溶损失。 农田地表径流流失和淋溶损失是导致农业面源污染的主要原因。农业种植活动导致氮素随地表径流流失以及从土壤剖面上淋失，成为地表水富营养化以及地下水污染的主要原因[24-25]。稻田环境有其自身的特殊性，即土壤表面存在动态蓄水层，而土壤表层下存在稳定的犁底层，稻田田面水的多变性和犁底层的低渗透性对水和溶质的运动有一定的影响[26-27]。研究表明，农田氮素流失与作物种类、种植方式密切相关[28]，原因可能是对水分需求和根系发育的不同造成的[29-30]。基于稻田半自然半人工干预（烤田）和干湿交替条件，不同的水稻种植方式也可能会造成不同的氮素流失特性[31]。陆敏[32]研究表明，直播稻氮素径流流失量占施肥量的0.19%～0.34%，淋溶流失量仅占当季施肥量的0.12%～0.69%，而黄沈发等[33]则认为直播稻田氮素总流失量占稻季化肥用量的13.23%;张岳芳等[34]研究认为，直播稻氮素地表径流量明显高于手工插秧，而机械插秧比直播更有利于控制稻田氮素径流流失，Zhang等[35]研究认为直播较手工插秧和机械插秧增加了氮素的径流损失量。综合前人的研究可知，已有研究多以单季稻为主，且研究结果也存在一定差异，有必要进一步研究，特别是基于不同种植方式下双季稻田氮素径流和淋溶的变化规律有待深入探讨。 3.2.2?不同种植方式下稻田氨挥发。 氨挥发是农田氮素气态损失的主要途径之一。我國稻田氨挥发损失占施氮量的9%～40%[36]，南方双季稻田氨挥发损失高达43.7%[37]，稻田挥发氨通过大气干湿沉降进入地表水体，加剧水体富营养化，对生态环境造成一定的影响。氮肥种类、氮肥运筹方式、田间温度、灌溉排水等均是农田氨挥发的影响因素，但目前研究主要集中在施肥因素[38-39]和耕作制度[40]方面，且针对双季稻田氨挥发损失的研究结果差异较大。吴萍萍等[41]研究表明，传统手工插秧方式下双季早、晚稻稻田氨挥发损失率分别为4.5%～15.3%、16.9%～32.8%。李菊梅等[42]在单施尿素条件下进行的双季稻田氨挥发试验表明，早、晚氨挥发损失率分别为41.4%和39.9%。朱坚等[37]针对典型双季稻田基施碳酸氢铵和尿素的氨挥发损失进行了试验，结果认为早、晚稻氨挥发损失率分别为39.8%和46.9%。可见，稻田氨挥发逐渐成为研究热点，而基于不同种植方式下双季稻田氨挥发研究鲜有报道。 3.2.3?不同种植方式下稻田N2O排放。 土壤氮素通过硝化-反硝化作用产生的N2O是导致全球变暖的三大温室气体之一，其单分子全球增温潜势是CO2的296倍。大气中90%的N2O来自地表生物源，农田土壤是全球最主要的N2O排放源，我国农业土壤每年由于过分依赖化学氮肥构成了农田N2O排放量占排放总量的40%，其中稻田排放的N2O占农田总排放量的7%～11%。因此研究稻田N2O排放对减少农田温室气体排放和减缓全球气候变暖具有重要意义。 作物种类、种植方式、水分管理、氮肥运筹等农艺措施是影响稻田N2O排放的重要因素[43-45]，而水氮管理在调控稻田N2O排放过程中起关键作用。水稻不同种植方式由于水分管理和氮肥运筹不同，其对稻田N2O排放的影响可能存在差异。马永跃[46]和林芳等[11]研究表明，不同水稻种植方式下双季稻田N2O排放通量为手工插秧<机械插秧<抛秧<直播。上述研究虽然对不同种植方式下双季稻田N2O的排放通量进行了比较，但直播稻与移栽稻的差异有多大，产生差异的机理是什么，以及不同生育阶段对全生育期的贡献情况等一系列问题有待阐明。因此，探明稻田生态系统的氮平衡及其变化规律和调控机制对提高和改善科学种植方式具有重要的指导意义。 4?结论与展望 当前，我国水稻生产正处于转型时期，面对农村有效劳动力短缺、水稻生产成本不断增加、全球气候变暖、水资源短缺等问题，通过转变水稻种植方式、提高复种指数来提高水稻生产效益，由“向单季要产量”转为“向系统要产量”，更有利于减少对生态环境的影响[47-48]。以往的研究不能全面揭示双季稻田氮素循环特性因种植方式改变而发生的变化，无法准确阐明不同种植方式所产生的环境效应。 （1）双季稻田农学效应与环境效应评价。目前针对双季稻种植方式的研究主要集中在高产栽培技术及其氮素利用效率方面，而对手工插秧、抛秧、直播和机械插秧等不同种植方式下稻田氮素迁移转化规律的研究相对较少，有必要深入研究现状水肥管理条件下不同种植方式对双季稻产量形成的氮素基础及其农学效应和环境效应，这对科学评价不同水稻种植方式的经济效益和环境效益具有重要意义。 （2）双季稻田氮素输移规律与平衡特征。15N示踪技术已在氮素吸收、分配以及氮肥去向等方面得到广泛应用，可利用15N同位素示踪法及农田系统氮素质量平衡法等研究稻田生态系统中氮素输移过程，分析种植方式对双季稻植株体氮素吸收利用以及种植季稻田土壤氮素残留、地表径流和淋溶、NH3挥发和N2O排放的影响，明确不同种植方式下双季稻不同生育期稻田系统氮素在土壤-作物-水体-大气中输移规律，探明肥料15N各主要输出途径间的耦合关系，阐明不同种植方式下双季稻种植季稻田的氮素输移规律与平衡特征，以便掌握稻田氮素利用与损失的重要途径以及防治氮素流失的关键时期。 （3）稻田氮损失与环境效应的协同机制及其调控。研究双季稻秧苗期和大田期不同的水分管理对不同种植方式双季稻田氮素输移特征的影响，明确关键时期和主要氮素损失途径的水-种植方式-氮素特征的协同效应，探明不同种植方式稻田氮素减排的环境调控机制，探索出针对不同种植方式氮素农学效应和环境效应协调促进的水分调控措施，有利于减轻双季稻种植所产生的面源污染和温室效应等环境风险。 参考文献 [1] 张子璐，刘峰，侯庭钰.我国稻田氮磷流失现状及影响因素研究进展[J].应用生态学报，2019，30（10）：3292-3302. 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