增密減氮對東北水稻產量和氮肥效率及溫室氣體排放的影響.pdf

1、水稻是我國最主要的口糧作物，在糧食需求不斷增加、全球變暖、資源短缺、環(huán)境污染等問題的多重挑戰(zhàn)下，水稻單產的持續(xù)增長是確保國家糧食安全的根本出路。中國是世界上碳排放總量最高的國家，稻田是溫室氣體甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的重要排放源，通過技術創(chuàng)新，創(chuàng)建高產低碳稻作新技術，符合國家“確?？诩Z絕對安全”的戰(zhàn)略需求，以及“資源高效與環(huán)境友好型”的農業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略轉型方向，對我國保障糧食安全和應對氣候變化具有重要意義。近年來由于農業(yè)勞動力成本

2、快速上升，人工插秧條件下水稻種植趨于稀植化;另外，由于機具設計及農機農藝銜接問題，機插秧的密度也偏低。稀植條件下，為了促進水稻分蘗，我國稻田前期過量施氮十分普遍。然而，最近相關研究表明，在低密度下前期施用大量氮肥，不僅存在后期倒伏早衰的減產風險，而且前期肥料利用率低，導致非常嚴重的環(huán)境污染和稻田溫室氣體排放增加等問題。
　　因此，在前人的研究基礎上，通過總結歸納，我們提出了增加密度、減少基蘗肥、保證穗肥的“增密減氮”稻作模式。東北

3、是我國最重要的稻作區(qū)之一，2013年東北三省水稻種植面積和總產量分別占全國的15.0％和16.2％。目前東北地區(qū)水稻稀植高氮栽培較為普遍，由此導致一定的減產風險和日益嚴重的環(huán)境問題。為此，本研究在位于東北單季稻區(qū)的遼寧省沈陽市，于2012和2013年進行不同品種的增密減氮模式試驗，以常規(guī)高產模式(CK)為對照，設置4個不同增密減氮幅度的稻作模式(DR)，以全面比較分析增密減氮措施對水稻產量、氮肥效率和稻田溫室氣體排放的影響，探尋水稻高產

4、、氮肥高效與環(huán)境友好的增密減氮稻作優(yōu)化模式。同時在2013年設置種植密度和基蘗肥施氮量的兩因素試驗，以進一步探討增密減氮模式的效用機制，擬為我國東北水稻高產、資源高效和環(huán)境友好的稻作新模式創(chuàng)建提供理論與技術支撐。主要研究結果如下:
　　1、適度增密減氮可獲得與CK相當甚至更高的水稻單產。在基本苗提高和基蘗肥施氮量減少各30％左右(DR1和DR2)下，水稻產量可達CK的97.2％～107.4％。與CK相比，DR1和DR2雖然會小幅降

5、低穗數，但提高了結實率和千粒重，且穗粒數差異不顯著，因此可保持產量穩(wěn)定甚至提高。但是，增密減氮幅度過高，將顯著降低穗數，導致減產。密度與施肥的兩因素試驗發(fā)現，增密可以部分彌補減氮所引起的穗數減少，但不影響穗粒數、千粒重和結實率，所以穩(wěn)產;而在常規(guī)氮處理下，增密雖然可增加穗數，但會降低穗粒數和結實率，因此不增加單產。
　　2、適度增密減氮可以提高水稻群體質量，提高物質生產效率。與CK相比，DR1和DR2可獲得較高的葉面積指數和地上部

6、生物量，并提高了成穗率和粒葉比，且不影響葉片SPAD值，改善了群體質量，提高了收獲指數。與常規(guī)密度相比，增密可提高減氮處理的群體莖蘗數、葉面積指數和地上部生物量，保證了群體的大小。與常規(guī)氮處理相比，減氮可降低各密度處理的高峰苗數，并提高群體成穗率和粒葉比，使得群體結構更加優(yōu)化。
　　3、適度增密減氮可以提高氮肥利用效率。與CK相比，DR1和DR2提高了產量，同時大幅度降低了氮肥用量，因此顯著提高水稻氮肥農學效率和氮肥偏生產力，實現

7、了水稻高產與資源高效的協調。與CK相比，增密減氮模式還顯著提高水稻氮素回收效率，并降低土壤NH4-N和NO3-N濃度，減少了氮素的流失;同時也提高了植株氮素收獲指數、氮素干物質生產效率和籽粒生產效率。由于減少了前期氮肥用量，增密減氮模式顯著降低了分蘗期植株氮含量和氮積累量。相同的穗肥施入后，增密減氮模式植株氮含量和氮積累量仍然小于CK，但下降幅度較分蘗期明顯縮小。增密減氮模式對穗和葉的氮含量和氮積累量的影響小于莖。與常規(guī)密度相比，增密在

8、減氮處理下可以增產，并促進植株對氮素的吸收，因此可提高氮肥利用效率。與常規(guī)氮處理相比，減少基蘗肥施氮量，間接增加了穗肥比重，也利于氮肥利用效率的提高。
　　4、增密減氮模式不影響水稻生長季稻田CH4和N2O排放動態(tài)。與CK相比，增密減氮模式趨于降低稻田CH4排放，且顯著降低稻田N2O排放。密度與氮肥兩因子試驗發(fā)現，密度對稻田CH4和N2O排放的影響不顯著。但是，與常規(guī)氮處理相比，減氮趨于降低稻田CH4排放，且顯著降低稻田N2O排放

9、。CH4是稻田溫室效應的主要貢獻者，占稻田溫室氣體排放總量(GWP)的92.7％～98.8％，因此，增密減氮模式導致稻田GWP的下降。增密和減氮對GWP的影響和CH4類似。與CK相比，DR1和DR2單位產量GWP下降7.0％～17.0％;而增密減氮幅度過高，由于產量下降，會導致單位產量GWP的上升。與常規(guī)密度相比，增密對單位產量GWP無顯著影響。與常規(guī)氮處理相比，減氮導致單位產量GWP的顯著下降。
　　5、密度和氮肥主要通過調控水

10、稻地下過程來影響溫室氣體排放。與常規(guī)密度相比，增密趨于提高水稻根系生物量，但對根際土壤可溶性碳、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的影響不顯著，同時也不影響根際土壤CH4產生潛力和氧化潛力。與常規(guī)氮處理相比，減氮顯著降低各時期根系生物量和土壤可溶性碳濃度，并顯著降低抽穗前的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度，但不影響抽穗后的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度。減氮只顯著降低CH4排放高峰時期的土壤CH4產生潛力，而不顯著影響其他時期的土壤CH4產生潛力和各時期的土壤CH4氧化

11、潛力，所以減氮導致CH4排放的下降。綜合來看，增密對稻田CH4排放的影響很小，減氮是增密減氮模式降低CH4排放的主要原因。與常規(guī)氮處理相比，減氮會導致根際土壤NH4-N和NO3-N濃度的下降，進而減少硝化和反硝化細菌的氮素供應，因此增密減氮模式顯著降低N2O排放。
　　6、增密減氮稻作利于水稻豐產和稻田減排。稻田CH4排放占水稻生長季碳足跡的56.1％～91.6％，是東北單季稻區(qū)水稻碳足跡的第一大來源，氮肥投入和灌溉用電所導致的間

12、接碳排放也是水稻碳足跡的重要來源。因此，降低稻田生產碳排放要以降低稻田CH4排放為主，同時減少氮肥使用，并采用節(jié)水灌溉。與CK相比，增密減氮模式降低水稻碳足跡，其主要原因是減氮降低了稻田溫室氣體排放和化肥氮施用導致的間接碳排放，而增密對碳足跡無顯著影響。所有模式中，DR1和DR2的碳排放強度最低，比CK分別下降8.5％和12.4％。綜上所述，在東北目前的高產栽培水平下，基本苗提高和基蘗肥施氮量減少各30％左右，可實現水稻高產、氮肥高效和