摘要
平衡粮食生产与环境保护是未来农业发展的重大挑战，而应对挑战的关键之一在于合理施肥。不合理施肥会造成稻田大量氨挥发损失，不仅降低氮肥利用率，也会增加土壤酸化和水体富营养化等环境风险，同时损害人体健康。根区施肥有提高产量，减少稻田氨挥发损失，延长氮肥有效性等优点，但由于水稻生长前期供氮过多可能导致水稻茎叶徒长、贪青晚熟;同时，深施机械和肥料造粒技术等较大程度限制根区施肥在水稻规模化生产中的推广应用。因此，有必要进一步优化施肥方式以兼顾农学环境效益提升与水稻实际生产需求。此外，随着粮食需求与人们生活水平的不断提高，进一步提高水稻产量并改善稻米品质的需求变得尤为迫切。有机无机肥替代普通化肥以及绿肥添加等优化措施有利于改善稻田土壤质量，进而提高稻米品质。然而，由于养分释放不稳定、肥效迟缓等问题存在，单施有机无机肥或绿肥还田可能会导致水稻歉收减产。因此，本文通过比较不同氮肥深施措施，探究适宜水稻规模化生产及综合效益提升的施肥方式;在此基础之上，尝试采用有机无机肥替代普通化肥并与红萍配施，构建水稻绿色施肥模式，进一步探究其对土壤质量提升、稻米品质改善等方面的潜力，并探讨相关影响机制。本实验以太湖流域典型水稻生产体系为研究对象，于2019-2020年开展两个水稻季的田间原位小区、裂区与微区试验，主要取得以下进展: (1)本章试验设置常规施氮(CN，300kg N ha-1)、减氮表施(RN,255kg N ha-1)、减氮侧深施(RNS，255 kg N ha-1)、减氮穴施(RNP，255 kg N ha-1)和不施氮肥(CK)5个试验处理，通过分析比较水稻根系、不同生育期吸氮量和土壤速效氮动态扩散的变化，以明确不同氮肥施用方式在稻田氨挥发损失、水稻产量和氮肥吸收利用率等方面的差异。不同年际试验结果表明，与CN相比，RN分别显著降低10.33％～21.36％的氨挥发和18.38％～28.05％的土壤氮盈余，但水稻产量降低2.71％～4.47％。RNS和RNP显著降低田面水NH4+-N浓度和pH,并分别降低32.42％～50.65％和70.56％～73.86％氨挥发损失。此外，RNS显著促进水稻根系生长并降低土壤氮盈余，但水稻产量和氮肥吸收利用率与CN并无显著差异。RNP促进水稻根系生长并增加水稻吸氮量，从而增加产量(3.68％～8.79％)，提高氮肥吸收利用率(47.09％～53.21 ％)。相较于RNS,RNP的氨挥发和土壤氮盈余进一步降低40.35％～61.32％和44.80％～57.34％,氮肥吸收利用率增加36.95％～43.84％。因此，相较于CN，RNP在稻田氨减排、水稻增产和氮肥吸收利用率提升方面的效果最好，其次是RNS;RN虽可有效降低氨挥发，但有减产风险。 (2)为了弥补侧深施与穴施间在水稻农学和环境效益的差距，并兼顾水稻生产效益和施肥措施可行性，本试验进一步比较侧深施肥配施养萍(RNSA)对稻田氨挥发环境和健康成本以及净环境经济效益的影响。结果表明，相较于常规施肥处理(CN)，RNSA的氨挥发降低48.65％～59.72％，氮肥吸收利用率增加26.92％～30.89％。此外，RNSA显著降低氨挥发的经济成本(548.07～590.67 CNY ha-1),其中，氨挥发的环境和健康成本分别占总成本的47％和53％。在氨挥发环境成本中，土壤酸化和水体富营养化分别占84.89％和15.11％。虽然RNSA未显著增加产量，但其净环境经济效益最高(24.72～25.75×103 CNY ha-1)。同时，各处理净环境经济效益的不确定性分析结果也表明，RNSA的净环境经济效益最高(14.03～30.57×103 CNY ha-1)且变异系数最小(13.68％)。 (3)在明确侧深施肥配施红萍提升水稻综合效益的同时，为进一步促进水稻绿色可持续发展，本试验采用有机无机肥替代普通化肥，构建侧深施有机无机肥配施红萍的绿色施肥模式，通过测定不同施肥处理下，[尿素表施处理(RN,255 kg N ha-1)、有机无机肥表施处理(RON，255 kg N ha-1)、有机无机肥侧深施处理(RONS,255 kg N ha-1)和有机无机肥侧深施结合红萍还田处理(RONSA,255 kg N ha-1)]，土壤活性有机碳(LOC)及可溶性氮(SAN)组分、土壤微生物群落、水稻产量和氮肥农学利用率的差异，分析绿色施肥模式对土壤质量的影响，及其对水稻增产以及氮肥吸收利用率提升的贡献。结果表明，不同施肥方式对土壤性状的显著变化主要集中在0～10 cm 土层。与RN处理相比，RONSA处理显著提高了土壤LOC和SAN组分，同时显著降低了 C/N比(HLOC/SAN和MLOC/SAN),从而显著改善了土壤质量。此外，RONSA处理的Chao1指数(5236.15)和 Shannon 指数(11.08)最高，分别比 RN 处理高 12.98％和 1.67％(p＜0.05)，但细菌群落对土壤质量变化的贡献不显著。此外，由于氮素吸收显著增加(23.95％～28.42％),氮盈余显著减少(48.11％～55.05％)，RONSA处理水稻产量和氮素农学利用率较RN处理分别提高了 10.96％～16.89％和30.20％～36.12％(p＜0.05)。土壤可溶性无机氮(DIN)是与本实验多个土壤质量相关，并对水稻产量和吸氮量影响最显著的变量，绿色施肥模式可增加土壤氮素有效供给，从而增加水稻吸氮量和产量。因此，侧深施有机无机肥结合稻田养萍是实现水稻绿色可持续发展的可行方案。 (4)本试验进一步探究绿色施肥模式对稻米品质改善的潜力及影响机制，Cohen效应值结果表明综合绿色施肥模式(RONSA)对稻米品质和肥料氮素吸收影响显著。与RN相比，RONSA显著促进分蘖期水稻根系生长，提高水稻根长(105.81％)、根表面积(50.16％)、根平均直径(99.62％)和根体积(58.88％)，从而显著增加水稻氮肥偏生产力(10.96％～20.05％)和氮肥吸收利用率(35.39％～49.19％)。相较于 RON,RONSA 可进一步提高水稻产量 5.52％～9.26％,增加籽粒吸氮量10.70％～15.63％。此外，RONSA的糙米和精米中直链淀粉含量分别比RN降低22.11％和18.02％,而蛋白质含量并无显著性差异，因此，RONSA有助于改善稻米食味品质。同时，RONSA的精米中清蛋白含量提高了 3.62％,谷蛋白含量增加至6.13％。由于清蛋白和谷蛋白含有丰富的必需氨基酸且较易被人体吸收，因此，RONSA精米中清蛋白和谷蛋白含量的提高有助于改善稻米营养品质。与此同时，田间原位]5N同位素微区实验结果表明，RONSA显著增加水稻地上部的肥料15N吸收率，而水稻根系和土壤（0～60 cm）中的肥料15N含量无显著差异。同时，RONSA处理下，糙米和精米蛋白中肥料15N含量的显著增加，表明RONSA能够促进水稻吸收肥料氮来合成籽粒蛋白质，而RON和RN并无显著性差异。 综上所述，尿素侧深施在水稻农学和环境效益提升等方面的效果介于穴施与表施之间，但其与红萍配施可弥补与穴施在水稻农学与环境效益方面的差距，并在减少氨挥发排放的环境和健康损害的同时，提高水稻生产净环境经济效益。此外，侧深施有机无机肥结合红萍还田不仅能够通过提高土壤活性有机碳和可溶性氮组分含量、降低碳氮比、影响土壤细菌群落多样性等改善土壤质量，进而促进水稻增产和氮肥利用率提升;同时有助于改善稻米食味品质和营养品质，促进水稻籽粒吸收更多肥料氮合成蛋白质。因此，侧深施有机无机肥配施红萍是提高水稻生产的农学、环境和经济效益，并可助推水稻绿色高效可持续发展的稻田绿色施肥模式。绿色施肥模式的综合效益需结合施肥机械在实际生产中进一步验证，其对土壤质量和稻米品质影响的相关机制尚待结合不同水稻品种和时空异质性进一步深入探究。
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