# 有机无机配施对苏打盐碱土水稻产量及氮素去向的影响

《Frontiers in Plant Science》：Effect of organic-inorganic combined application on rice yield and nitrogen fate in soda saline alkali soil

　　

在苏打盐碱土中，长期过量施用无机氮肥（inorganic nitrogen fertilizer）导致氮素利用效率低下、氮素损失严重、土壤退化加剧，严重制约水稻生产与区域粮食安全。有机肥（organic fertilizer）具有改善土壤结构、提供缓释养分的优势，在优化水稻氮素利用、缓解环境风险方面具有潜力。本研究以苏打盐碱土水稻为研究对象，设置6个处理：不施氮（N0）、单施化肥（NPK）以及4个以猪粪（pig manure）为有机肥源的有机氮替代比例（25%M、50%M、75%M、M（100%M）），并于2024—2025年测定水稻产量、干物质积累、氮素积累、氮素利用效率、土壤无机氮残留及氮素损失（氨挥发、N₂O排放）等指标。结果表明：与CK（2978 kg ha^-1）相比，各施肥处理显著提高水稻产量77.1%—117.9%；有机替代处理（M除外）较NPK（5485 kg ha^-1）增产4.3%—8.9%，其中50%M处理产量最高（6389 kg ha^-1）。有机替代处理（M除外）较NPK提高水稻地上部氮素积累19.8%—22.9%、表观氮素利用效率（apparent nitrogen utilization efficiency）10.3—12.4个百分点，其中50%M处理氮素积累（150.6 kg ha^-1）与表观氮素利用效率（34.0%）最高。与NPK相比，有机替代处理降低0—100 cm土壤无机氮残留11.3%—38.0%、累计氨挥发12.3%—19.98%，其中50%M处理土壤无机氮残留（49.8—54.6 kg ha^-1）与氮素损失率（38.51%）最低。过量有机替代（M处理）导致产量与氮素利用效率低于50%M，产量甚至与NPK无显著差异。研究证实，以猪粪进行50%有机氮替代对提高苏打盐碱土水稻产量、氮素利用效率及减少氮素损失具有重要意义。

# 有机无机配施对苏打盐碱土水稻产量及氮素去向的影响：论文解读

## 一、研究背景与问题

水稻作为全球重要粮食作物，其稳产对保障全球粮食安全至关重要。中国东北平原耕地资源丰富、气候条件适宜，已成为国家重要粮食产区，水稻种植面积与产量逐年稳步增长。统计显示，东北三省水稻种植面积已超过700万公顷，年产量逾4000万吨，约占全国水稻总产量的1/5。然而，东北盐碱地总面积高达360万公顷，主要分布于松嫩平原、辽河平原等区域，土壤pH一般为8.5—9.5，含盐量0.3%—1.0%，碱度超过15%，具有高pH、高盐、低有机质特征。过量钠离子破坏土壤颗粒结构，导致土壤板结、通透性差；高pH环境显著降低磷、铁、锌等养分有效性，损害水稻根系生长与养分吸收，严重阻碍水稻正常生理代谢。已有研究表明，重度盐碱地盐胁迫导致水稻减产可达30%—50%，对区域粮食生产安全构成重大威胁。

为缓解盐碱地对水稻生产的不利影响，化学氮肥长期被广泛施用。中国农田氮肥年施用量已超过2500万吨，单位面积施用量225 kg/ha，远高于全球平均水平（80 kg/ha）；但农户仍以无机氮肥为主，季节性氮素利用效率普遍偏低，多低于40%。盐碱稻田无机氮肥施用量较常规土壤高20%—30%，而水稻籽粒氮素积累仅增加8%—12%。过量施用无机氮肥虽可短期增产，却带来一系列负面影响：一方面，大量未被水稻吸收的氮素残留于土壤，改变土壤氮素形态平衡，加剧土壤酸化与盐渍化，长期定位试验数据显示连续10年过量施氮后东北盐碱土平均pH下降0.8—1.2个单位、硝态氮积累增加2—3倍，加剧次生盐渍化风险；另一方面，氮素通过氨挥发、淋溶等途径大量损失，造成资源浪费并引发水体富营养化等环境问题。在东北盐碱地特殊土壤环境中，高pH显著加速铵态氮的氨挥发过程，土壤pH高于8.5时氨挥发速率较中性土壤高2—3倍；土壤通气性差易导致硝态氮反硝化损失，尤其在水稻分蘖期至孕穗期淹水环境下，反硝化损失占施氮总量的15%—25%，使氮素损失问题更为突出。

有机肥作为传统高效肥料，富含有机质、腐殖质及多种养分，在改善土壤结构、提升土壤肥力、促进作物生长方面具有独特优势。以牛粪与秸秆堆肥为例，其有机质含量通常为30%—50%、全氮含量1.5%—3.0%，并含大量氨基酸、多肽等有机氮组分。研究表明，有机肥施入土壤后，其所含有机质可被微生物分解转化为腐殖质，改善土壤颗粒结构，增强土壤保水保肥能力，从而促进水稻根系对氮素的吸收。同时，有机肥中氮素多以有机形态存在，需经微生物矿化逐步释放，这种缓释特性可更好匹配氮素供应与水稻生长需求，理论上可提高氮素利用效率、减少氮素损失。然而，当前东北盐碱土水稻生产中有关有机肥替代无机肥的研究仍存在明显局限：尽管已有初步研究探讨有机肥对盐碱地土壤改良与作物生长的影响，但多集中于单一替代比例或短期试验，缺乏对不同替代比例下水稻氮素吸收、残留与损失规律的系统研究。为此，研究人员基于东北盐碱地水稻生产实际需求，通过设置不同比例（0%、20%、40%、60%、80%）有机肥替代无机肥处理，系统研究有机肥对水稻氮素吸收、温室气体排放、土壤氮素残留等方面的影响，旨在阐明不同替代比例下水稻氮素吸收的动态变化，揭示土壤氮素残留特征及其潜在环境风险，量化氨挥发等主要氮素损失途径的通量差异，并阐明其驱动机制，为东北盐碱地水稻生产科学合理施肥提供理论依据，助力盐碱地资源高效利用与农业绿色可持续发展。

## 二、主要关键技术方法

研究人员在吉林省通榆县五一村苏打盐碱土（pH 8.9，有机质6.2 g kg^-1）开展2024—2025两年田间试验，以耐盐碱品种长白9号为材料，设置N0、NPK及25%M、50%M、75%M、M共6个处理（等养分原则，N、P₂O₅、K₂O分别为150、75、150 kg ha^-1），小区面积40 m²。主要方法包括：成熟期测产与考种；H₂SO₄-H₂O₂消煮-凯氏定氮法测定植株氮素积累；分层采集0—100 cm土壤，CaCl₂浸提-连续流动分析仪测定无机氮；静态箱-气相色谱法监测N₂O（ECD检测器）与CH₄（FID检测器）排放；通气法测定土壤氨挥发；并计算氮素表观利用率、残留率、损失率及氮肥偏生产力、农学效率等指标。

## 三、研究结果

**不同有机替代比例对籽粒产量的影响**：两年间各施肥处理较N0显著增产77.1%—117.9%；有机替代处理（M除外）较NPK增产4.3%—8.9%，M与NPK无差异；50%M产量最高，较其他有机替代处理平均增产13.0%—13.8%。

**不同有机替代比例对干物质积累的影响**：各有机替代处理地上部干物质积累较N0平均提高18.8%—46.0%；除M外，有机替代处理较NPK平均提高9.5%—10.7%；50%M地上部干物质积累最高（2024年12812 kg ha^-1，2025年13452 kg ha^-1），较其他有机替代处理提高11.3%—13.2%。

**不同有机替代比例对氮素积累的影响**：各施氮处理地上部氮素积累较N0平均提高74.3%—141.7%；除M外，有机替代处理较NPK平均提高19.8%—22.9%；50%M最高（2024年147.1 kg ha^-1，2025年154.0 kg ha^-1），较其他有机替代处理提高12.6%—19.3%。

**不同有机替代比例对水稻氮素利用的影响**：除M外，有机替代处理较NPK显著提高表观氮素利用效率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力及收获指数，平均分别提高10.3—12.4、2.2—2.9、2.0—2.9和2.9—3.8个百分点；50%M各项指标最高，较其他有机替代处理分别提高7.8—10.8、3.5—3.7、3.4—3.5和3.4—4.9个百分点。

**不同有机替代比例对土壤无机氮积累的影响**：试验田播前0—100 cm无机氮积累两年分别为122.4和125.9 kg ha^-1，收获后各处理显著下降；不施氮处理积累最低，NPK最高（65.3—84.3 kg ha^-1），50%M最低（49.8—54.6 kg ha^-1）；无机氮垂直分布由表层向深层逐渐降低，表明有机替代减少土壤无机氮积累，进而降低收获后残留氮，减少氮素残留与损失。

**不同有机替代比例对土壤表观硝化率的影响**：有机替代显著降低土壤表观硝化率并抑制后期增长速率，较NPK在不同阶段分别降低11.3%—15.7%、22.1%—31.5%、20.5%—38.0%和30.3%—35.4%；50%M成熟期表观硝化率最低，较其他有机替代处理平均降低9.8%—15.5%，表明有机替代可有效抑制土壤硝化、延缓铵态氮向硝态氮转化。

**不同有机替代比例对水稻氮素损失的影响**：氨挥发通量表现为先快速升高、达峰后下降，暴雨后高温天气出现快速峰值并反复多次后趋稳；N0最低，施氮处理施肥后第6天出现第二峰，NPK峰值4.3—6.2 kg ha^-1 d^-1；50%M施肥后第5天氨挥发速率最高值达2.5—3.9 kg ha^-1 d^-1，随后逐渐稳定。累计氨挥发方面，各有机替代处理较NPK平均降低12.3%—19.98%，50%M最低，较其他有机替代处理平均降低8.9%—11.1%。N₂O排放通量与土壤肥力和降水密切相关，施氮显著提高排放通量，NPK平均排放通量最高；2024年施肥后第7天NPK、25%M、50%M、75%M、M处理N₂O排放通量分别为46.5、35.7、30.3、25.5、21.2 μg m^-2 h^-1，2025年分别为51.2、45.5、40.9、32.9、22.1 μg m^-2 h^-1；累计N₂O排放施氮处理较不施氮平均增加35.1%—45.5%，NPK较有机替代处理平均高23.1%—25.5%，M累计排放最小但与50%M、75%M无差异。CH₄排放方面，施氮显著提高排放通量，NPK平均通量显著低于有机替代处理，有机替代处理CH₄排放峰值较NPK平均提高23.1%—28.9%，M峰值最高，较其他有机替代处理平均提高11.1%—15.3%。

**不同有机替代比例对水稻氮素去向的影响**：NPK表观氮肥利用率最低、表观残留率与表观损失率最高；有机替代处理表观氮肥利用率显著高于NPK，50%M表观利用率最高、表观损失率最低，表明有机替代可显著降低氮肥表观损失、提高氮肥利用效率。

## 四、讨论与结论

讨论部分指出，有机无机配施处理显著提高水稻产量与地上部干物质积累，50%M在两年中均表现最佳，与以往盐碱地施用有机肥提高作物生产力的研究一致。50%M的优越性主要归因于其对土壤条件、养分供应与根系生长的优化调控：有机肥中丰富有机质经微生物分解为腐殖质，改善苏打盐碱土结构、降低容重、增强通透性；腐殖质通过吸附与离子交换缓冲土壤pH，缓解钠离子对根系的毒害；有机肥释放的氨基酸、多肽等有机氮组分与化肥氮形成协同供应，匹配水稻不同生育期氮素需求，促进光合产物合成。全有机氮处理（M）因有机氮矿化缓慢，无法满足关键生育期水稻临界氮需求，导致养分供应与作物生长节律错配，说明有机氮替代比例须控制在合理范围，50%为最优比例。氮素利用效率方面，配施显著提高其效率，50%M最高、NPK最低，核心机制在于优化土壤氮素循环：有机质吸附无机氮以减少淋溶与挥发损失，促进硝化与固氮微生物增殖以增强氮素转化，改善水稻营养状况以优化氮素运移分配；低（25%M）替代对土壤结构与氮素供应改善有限，高（75%M）及全量（M）替代无法满足水稻快速氮需求，甚至因有机质分解影响根系呼吸而降低氮素利用效率。土壤氮素残留方面，配施显著降低残留，50%M最低、NPK最高，因50%M提高水稻氮吸收并利用有机质固定无机氮，降低氮素移动性与深层渗漏，同时降低表观硝化率、延缓铵态氮向硝态氮（淋溶主要形态）转化；残留以0—20 cm表层最高并随深度递减，50%M显著降低深层（60—100 cm）氮素残留，有效降低地下水污染风险。氮素损失方面，配施显著减缓损失，50%M最低、NPK最高；对于氨挥发，配施通过腐殖质吸附降低土壤溶液铵态氮浓度、通过产生有机酸调节土壤pH、改善保水保肥性以减少表层肥料累积，从而抑制挥发；对于N₂O，50%M优化氮素供应避免土壤氮素过量积累，促进微生物氮同化，减少硝化与反硝化来源的N₂O排放。值得注意的是，配施在降低N₂O排放的同时增加了CH₄排放通量，且随有机氮替代比例升高而增强，这是因为有机肥（如猪粪）提供丰富有机碳，分解后为产甲烷菌提供能量，促进其活性与增殖，改善的土壤通气性与淹水厌氧条件进一步加剧CH₄排放；尽管50%M较NPK增加CH₄排放，但因氨挥发、N₂O排放及土壤氮素残留显著降低，其综合温室效应仍较低。未来研究应关注平衡有机无机配施对不同温室气体的影响，如优化替代比例与水分管理以减少CH₄排放，实现农业生产与环境保护双赢。

结论部分译文：在苏打盐碱土有机无机配施条件下，适宜比例的有机氮替代无机氮（50%M处理）在提高水稻产量与氮素利用效率的同时，降低了氮素损失与环境风险。其机制在于：通过有机质分解与腐殖质形成优化土壤理化性质与结构，增强土壤保水保肥能力与根系养分吸收能力，促进水稻地上部干物质积累与氮素积累；调控土壤氮素转化过程，降低表观硝化率，减缓铵态氮向硝态氮转化，减少土壤无机氮残留与深层迁移，降低氮素淋溶风险；通过吸附铵态氮与调节土壤pH减缓氨挥发和N₂O排放等氮素损失途径，提高氮素表观利用率、降低氮素损失率，从而实现水稻增产、氮素高效利用与环境保护的协调。此外，有机氮替代比例过高或过低均无法达到最优效果，有机氮与无机氮的平衡供应是适应苏打盐碱土水稻生长需求、实现绿色可持续生产的关键。