2017, Vol. 25
我国南方双季稻区大部分土壤缺氮, 且其高温多雨气候加快了土壤有机氮的矿化速率和氮素损失风险[1-2]。在长期耕作生产过程中, 广东双季稻区稻农形成了“一基三追”的施肥模式, 然而, 该施肥方式存在施肥量偏大, 次数多和养分利用率较低的缺陷[3]。氮素科学合理施用是水稻(Oryza sativa)高产稳产的有效措施之一[4-5]。由于氮肥在作物生产中的重要作用, 我国氮肥用量不断增加[6]。随着化肥用量增加和耕地肥力的逐渐提高, 氮肥的增产效率和氮肥利用率则逐年降低[4, 6-7], 这不仅造成能源浪费, 同时还造成严重的生态环境问题[2, 7-8]。因此, 减少稻田氮素损失, 提高氮肥利用率具有重要意义。
控释氮肥通过各种包膜技术控制养分释放, 使其养分供应与作物需求实现同步, 是提高肥料利用效率的有效途径, 成为国内外研究热点[1, 9-11]。大量研究表明, 在广东省双季稻区一次性施用控释肥增产效果明显, 氮肥利用效率显著提高, 并在氮肥减施条件下实现水稻稳产增产[1, 10, 12-15]。然而, 在水稻等大田作物上应用控释肥的成本偏高, 严重制约其推广应用[1, 11]。研究表明, 控释肥与速效肥掺混施用, 也能保证作物产量, 是控释肥在水稻等大田作物上推广应用的有效途径[11, 16-17]。然而, 目前双季稻上控释尿素与普通尿素掺混配施比例以及施氮量优化的相关研究尚少, 限制了控释尿素与普通尿素配施技术在水稻生产上的应用推广。为此, 本试验以ICL, Specialty Fertilizer公司的Agromaster型控释尿素为供试材料(养分释放期为60~90 d), 在广东省典型双季稻田开展水稻肥效试验, 研究控释肥与速效肥不同掺混比例在不同施氮条件下对水稻生长、氮素累积分配、氮肥利用率以及产量的影响。探索广东省水稻氮肥高效施用途径, 为我国氮肥增效减施提供技术储备。
1 材料与方法 1.1 供试材料田间试验于2015年3月至7月在广东南部江门市台山市都斛镇(112.58°E, 22.05°N)和北部韶关市翁源县三华镇(114.03°E, 24.18°N)进行。翁源县属中亚热带季风气候, 平均气温20.4 ℃, 年降雨量1 778 mm, 无霜期312 d。台山市属亚热带海洋性季风气候, 年平均气温21.8 ℃, 年均降雨量1 936 mm, 无霜期在360 d以上。两试验点供试稻田土壤理化性状见表 1。供试控释尿素(CRU)为ICL, Specialty Fertilizer公司的Agromaster型控释尿素(含N 43%, 养分释放期为60~90 d)。
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表1 供试土壤基本理化性状 Table 1 Soil properties in the experimental sites |
试验以不施氮为对照, 采用完全随机裂区设计, 设置常规分次施肥(CF)、配施25%控释尿素氮一次性施用(25%CRU)和配施50%控释尿素氮一次性施用(50%CRU)3种施肥方式作为主区, 全量施氮[195 kg(N)∙hm-2]、减氮20%[156 kg(N)∙hm-2]和减氮40%[117 kg(N)∙hm-2]3个施氮量为副区。详细的氮肥施用方案和肥料运筹见表 2。所有处理的磷、钾施用量均为45 kg(P2O5)∙hm-2和114 kg(K2O)∙hm-2, 磷肥为过磷酸钙, 钾肥为氯化钾, 在秧苗移栽前1 d做基肥一次性施入。小区土壤先用锄头和铁耙整理平整, 控制田间水层高度约为3 cm, 将肥料撒施均匀, 然后用铁齿耙及木耙将肥料混入表土中。
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表2 不同试验处理的氮肥方案与肥料运筹 Table 2 Fertilization program and fertilizers application rates and time of different fertilization treatments |
试验所有处理设4次重复, 小区面积为20 m2, 随机区组排列。小区间筑埂后用塑料薄膜包覆隔离, 实行单独排灌, 防止水、肥渗透。翁源点水稻品种为‘深优9786’, 3月30日移栽, 种植密度为20 cm×20 cm, 移栽后灌水使秧苗返青, 7月14日收获。台山点水稻品种为‘五山丝苗’, 3月6日移栽, 种植密度为18 cm×20 cm, 移栽后灌水使秧苗返青, 7月5日收获。其他田间管理与大田一致。
1.3 调查测定项目与方法田间试验开始前采集0~20 cm耕层土样, 用于测定pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾。在水稻营养生长期(移栽后40 d内)每隔1周调查各处理分蘖数和叶片SPAD值。成熟期每小区采集5穴的谷穗样品用于考种, 进行水稻产量构成因子评价; 并采集代表性植株2穴用于生物量及含氮量的测定, 测定稻谷和稻草的氮含量。成熟期采集各小区耕层土样, 用于全氮和碱解氮测定。各小区单打单晒, 分别测产。
生物量测定:样品采集后立即洗净、擦干, 将稻谷和稻草分开, 在105 ℃下杀青30 min, 再在75 ℃下烘干至恒重。
植株含氮量测定:将各处理的茎叶和穗部样品在85 ℃下杀青30 min, 随后在75 ℃下烘至恒重, 粉碎后过0.5 mm筛, 采用H2SO4-H2O2消煮, AA3型自动分析仪测定。
土壤样品经风干过筛后, 采用常规土壤农化分析方法进行理化分析[18]。土壤pH(2.5::1) 用酸度计电位法, 有机质用重铬酸钾容量法, 土壤碱解氮用碱解扩散法, 有效磷用Olsen法, 速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。
1.4 计算方法氮素吸收量及氮素利用效率相关参数[12, 17]的计算方法如下:
| $\begin{array}{l} 氮肥农学效率[{\rm{NAE}},{\rm{kg}}\left( {{\rm{grains}}} \right) \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}\left( {\rm{N}} \right)] = (施氮区籽粒产量 - 对照区籽粒产量)/施氮量\\ \end{array}$ | (1) |
| $\begin{array}{l} 氮肥偏生产力[{\rm{PFP}},{\rm{kg}}\left( {{\rm{grains}}} \right) \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}\left( {\rm{N}} \right)] = 施氮区籽粒产量/施氮量\\ \end{array}$ | (2) |
| $\begin{array}{l} 氮肥吸收利用率\left( {{\rm{NRE}},\% } \right) = 施氮区地上部吸氮量 - 对照区地上部吸\left. {氮量} \right)/\\ 施氮量 \times 100 \end{array}$ | (3) |
| $\begin{array}{l} 氮素生理利用率[{\rm{NPE}},\;{\rm{kg}}\left( {{\rm{grains}}} \right) \cdot {\rm{k}}{{\rm{g}}^{{\rm{ - 1}}}}\left( {\rm{N}} \right)] = (施肥区籽粒产量 - 对照区籽粒产量)/\\ (施肥区地上部氮吸收量 - 对照区地上部氮吸收量) \end{array}$ | (4) |
| $\begin{array}{l} 氮收获指数\left( {{\rm{NHI}},\% } \right) = 籽粒氮吸收量/地上部氮吸收量\times 100 \end{array}$ | (5) |
计算上述参数以不施氮肥处理(CK)为对照。
1.5 统计方法采用Microsoft Excel 2007和R软件进行数据统计及做图。
2 结果与分析 2.1 不同施肥处理对水稻分蘖的影响移栽1周后, 水稻分蘖数逐渐增加, 移栽后2~4周期间水稻分蘖数快速增加, 移栽后第5周, 水稻分蘖数趋于稳定(图 1)。分蘖早期, 不同处理的分蘖数基本一致; 移栽后2~5周(分蘖中后期), 施氮处理的水稻分蘖数显著高于不施氮处理(P < 0.05)。在分蘖后期, 翁源试验点的水稻分蘖数随着施氮量的增加而增加, 而在等氮条件下, 不同施氮方式间没明显差异; 台山试验点不同施氮处理间的分蘖数基本一致(图 1)。两地间的差异可能由于气温差异影响了水稻分蘖对施氮量的响应, 台山市位于广东省的西南部, 光温条件较好, 早稻生长期气温相对较高, 水稻分蘖早, 受施氮量影响较小; 翁源县位于广东省的北部, 早稻生长期气温低, 水稻分蘖迟缓, 对施氮量较敏感。
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图 1 不同施氮量下常规多次施肥(CF)(a、d)和25%控释氮肥一次施用(25%CRU)(b、e)、50%控释氮肥一次施用(50%CRU)(c、f)处理的下台山(a、b、c)和翁源(d、e、f)的水稻分蘖变化动态 Figure 1 Dynamics of tiller numbers per hill of rice in Taishan (a, b, c) and Wengyuan (d, e, f) respectively under treatments of conventional fertilization (urea, multiple application, CF) (a, d), once application of 25% controlled released urea (25%CRU) (b, e) and 50% controlled released urea (50%CRU) (c, f) with different N application rates |
从图 2可见, 随着水稻生长, 台山试验点的水稻叶片SPAD值基本稳定。而翁源试验点则表现出“降-升”的变化趋势。移栽后2~3周翁源试验点叶片SPAD值偏低可能是由于土壤温度较低, 氮素矿化慢, 水稻根系吸收能力较弱, 而随着植株生长, 叶片氮含量被稀释, 使移栽后叶片SPAD值呈降低趋势; 随着后期气温回升, 氮素矿化速率和水稻根系养分吸收能力提高, 植株氮含量水平有所提高, 从而提高了叶片SPAD值。两试验点的水稻叶片SPAD值均在移栽后2~3周出现低点。施用氮肥显著提高两试验点水稻叶片SPAD值(P < 0.05)。在移栽后1周, 不同施氮处理的水稻叶片SPAD值没有明显差异。随着水稻生长, 水稻叶片SPAD值随着施氮量增加而提高, 并在移栽后5周, 常规施氮量[195 kg(N)∙hm-2]的水稻叶片SPAD值显著高于40%减氮处理[117 kg(N)∙hm-2] (P < 0.05);常规分次施肥处理的叶片SPAD值在前期稍高于配施CRU一次施肥处理, 但是随着水稻生长, CRU处理的叶片SPAD值逐渐提高, 在移栽后3~4周基本与常规分次施肥处理一致。其中, 50%CRU处理的叶片SPAD值与25%CRU处理的叶片SPAD值基本一致。
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图 2 不同施氮量下常规多次施肥(CF) (a、d)和25%控释氮肥一次施用(25%CRU)(b、e)、50%控释氮肥一次施用(50%CRU)(c、f)处理的下台山(a、b、c)和翁源(d、e、f)水稻叶片SPAD值变化动态 Figure 2 Dynamics of SPAD values of rice leaves in Taishan (a, b, c) and Wengyuan (d, e, f) respectively under treatments of conventional fertilization (urea, multiple application, CF) (a, d), once application of 25% controlled released urea (25%CRU) (b, e) and 50% controlled released urea (50%CRU) (c, f) with different N application rates |
从表 3可见, 施氮处理显著提高水稻籽粒产量(P < 0.05), 较不施氮处理增产10.92%(台山试验点)和12.94%(翁源试验点), 平均增产11.93%。不同施氮处理的水稻籽粒产量也差异显著, 其中25% CRU-2处理的水稻籽粒最高, 第2高产处理是50% CRU-2;台山试验点的CF3处理和50%CRU-3处理均显著低于25%CRU-2和50%CRU-2处理(P < 0.05), 翁源试验点的CF1处理显著低于25%CRU-2处理(P < 0.05)。水稻籽粒产量随着施氮量增加呈先增加后降低的变化趋势, 施氮量为156 kg(N)∙hm-2时水稻籽粒产量最高。在等氮条件下, 不同施氮方式的水稻籽粒产量没有显著差异。
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表3 两试验点不同施肥处理下水稻产量及其构成因素 Table 3 Yield and its components of rice under different fertilization treatments in two experimental sites |
从表 3可见, 施氮处理显著提高了台山水稻的有效穗数和每穗粒数及翁源的每穗实粒数(P < 0.05), 但对结实率和千粒重没有显著影响。在等氮条件下, 不同施肥的水稻有效穗数、实粒数、结实率和千粒重没有差异。台山试验点, 水稻有效穗数随着施氮量的增加而提高, 但差异不显著; 翁源试验点不同施氮水平对水稻有效穗数没有显著影响, 水稻每穗实粒数随着施氮量的增加呈现出先增加后减少的变化趋势, 但不同施氮水平间差异不显著。两试验点的水稻结实率随着施氮水平的提高而逐渐降低, 而不同施氮处理对水稻结实率没有显著影响。
2.4 不同施肥处理对水稻氮素吸收量和利用效率的影响从图 43可见, 施氮处理较不施氮处理的氮素吸收累积量显著提高(P < 0.05), 其中稻草氮素吸收累积量平均提高72.01%(台山)和94.19%(翁源), 稻谷氮素吸收累积量平均提高27.26%(台山)和36.95%(翁源)。不同施氮处理显著影响水稻氮素吸收累积量, 其中CF1处理的氮素吸收累积量最高, 其次是25%CRU-1处理。水稻的氮素吸收累积量随着施氮量的减少, 且台山点减氮40%处理的氮素吸收累积量较常规施氮量处理显著降低(P < 0.05), 其中常规分次施肥处理(CF3) 的氮素累积量降幅最大; 两试验点均为稻草的氮吸收累积量降幅最明显, 控释尿素掺混施肥处理(CRU)的变幅相对较小。在等氮水平下, 不同施氮方式的稻草和稻谷氮素累积量基本一致。
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图 3 两试验点不同施肥处理对水稻氮吸收累积的影响 Figure 3 N uptake of rice under different fertilization treatments in two experimental sites 不同字母表示差异达5%显著水平。Significant differences between among treatments are indicated by different lowercase letters based on the LSD-test (P < 0.05). |
从表 4可见, 氮肥农学效率随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的变化趋势, 当减氮20%[施氮量为156 kg(N)∙hm-2]时达最大值。在等氮条件下, 25%CRU和50%CRU处理的氮肥农学效率比CF处理分别提高16.72%(台山)和21.20%(翁源)、13.26%(台山)和13.27%(翁源), 两地平均增幅分别为14.99%和17.23%。氮肥偏生产力则随着施氮量的增加显著降低(P < 0.05)。在等氮条件下, 不同施氮方式对氮肥偏生产力没有显著影响。不同施氮处理显著影响水稻的氮肥生理利用率, 其中CF1处理的氮肥生理利用率显著低于其他处理。氮肥生理利用率随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的变化趋势。在等氮条件下, 台山试验点25%CRU和50%CRU施氮方式的氮肥生理利用率均高于CF处理, 且当施氮量为195 kg(N)∙hm-2时, 其增幅分别达105.98%(P < 0.05) 和45.01%;翁源试验点, 当施氮量为195 kg(N)∙hm-2时, 25%CRU和50%CRU施氮方式的氮肥生理利用率均显著高于CF处理, 增幅分别达90.48%(P < 0.05) 和69.87%(P < 0.05);两地平均增幅分别为98.22%和57.44%。施氮处理显著降低氮收获指数(P < 0.05), 且随着施氮量的增加, 氮收获指数逐渐降低。当施氮量为195 kg(N)∙hm-2时, 25%CRU和50%CRU施氮方式的氮收获指数较CF处理提高9.37%(台山)和4.61%(翁源)、9.40%(台山)和3.98%(翁源), 两地平均增幅分别为6.99%和6.69%, 其中台山试验点的增幅达到显著水平(P < 0.05)。不同施氮处理的氮肥吸收利用率没有差异。
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表4 两试验点不同施肥处理的水稻氮素利用效率 Table 4 N use efficiency of rice under different fertilization treatments in two experimental sites |
从表 5可见, 施氮显著提高土壤碱解氮含量。随着施氮量的减少, 土壤碱解氮含量逐渐降低, 其中台山试验点的降幅更明显。在等氮条件下, 不同施氮方式对土壤碱解氮含量没有影响。
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表5 两试验点水稻收获后不同施肥处理的土壤碱解氮含量 Table 5 Soil available N contents after rice harvest under different fertilization treatments in two experimental sites |
水稻前期能否形成旺盛稳健的分蘖势, 是高产水稻栽培的关键措施, 其中氮素供应尤为重要[19-20]。本研究结果表明, 施氮显著提高水稻分蘖数, 且随着施氮量的增加, 水稻分蘖数呈一定增加趋势。控释尿素养分释放缓慢, 不能满足水稻分蘖旺盛期的氮素需求, 水稻分蘖势较弱, 分蘖数较低[11, 21-23]。有研究者通过不同释放特性的控释肥掺混, 调节控释尿素的养分释放曲线, 从而满足水稻前期的氮需求, 提高水稻分蘖数[24-25]。本研究结果表明, 在等氮条件下, 25%CRU和50%CRU处理在分蘖旺盛期的水稻分蘖势与常规分次施肥处理基本一致。且水稻移栽后3~4周25%CRU和50%CRU处理的叶片SPAD值与常规分次施肥处理一致。由此可见, 一次性配施控释尿素和普通尿素可满足水稻前期分蘖旺盛阶段的氮素营养需求, 为水稻高产提供重要保障。
水稻籽粒产量所需的能源物质一部分来源于茎叶储藏物质的再转移, 另一部分来源于抽穗后的光合产物, 因此, 后期氮素供应对水稻产量形成具有重要意义[25]。研究表明, 适当施用穗肥, 可提高水稻成穗率、结实率及籽粒产量[26-27]。控释尿素通过对养分释放期的控制, 具有肥效长、供肥稳定的特点[9]。谢春生等[13]和唐拴虎等[22]研究认为, 一次性施用控释肥在水稻生长中、后期氮素供应量充足, 水稻叶绿素含量较高、成穗率高。同时, 也有研究者表明, 一次性施用控释肥可以显著促进根系发育, 构建庞大且活跃的根系系统, 扩大养分吸收面积, 为水稻生育后期的养分供应提供支撑[10, 15]。以控释肥为载体, 可延长养分供应时期, 满足水稻整个生育期对氮的需求, 提高水稻产量[1]。本研究结果也表明, 50%CRU和25%CRU处理的有效穗数、结实率、千粒重均与常规分次施肥处理相当。从产量结果来看, 在等氮条件下, 50%CRU和25%CRU处理的水稻籽粒产量与常规分次施肥处理没有差异。由此可见, 一次性配施控释尿素和普通尿素可满足水稻中后期氮素供应需求, 从而保证较高的成穗率、结实率和千粒重, 实现水稻稳产高产。
分蘖期、拔节至抽穗期和抽穗至成熟期是水稻氮素营养关键时期, 普通尿素需要通过多次施用才能适应水稻整个生育期多峰氮素吸收规律[28]。控释尿素的养分释放曲线为持续性释放, 实现养分供应的时空优化, 使肥料养分供应与水稻吸收相对同步[1, 29-30]。本研究结果表明, 在等氮条件下, 50%CRU和25%CRU处理的氮素吸收累积量与常规分次施肥没有显著差异。在减氮条件下, CRU处理的稻谷氮素累积量均稍高于常规分次施肥处理, 且50%CRU处理的稻谷氮素累积量高于25%CRU处理。因为常规分次施肥处理大部分肥料集中在营养生长期, 能满足前期稻草的养分累积, 而后期供肥不足, 致使稻谷氮素累积量大幅降低。因此, 控释尿素和普通尿素配合一次性施用可满足水稻整个的氮素多峰吸收需求。
氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮肥吸收利用效率和氮肥生理利用率反映了作物对氮肥的吸收、利用效果[7, 31]。受制于栽培技术、施肥技术水平和施肥机械, 我国水稻氮肥农学效率和氮肥吸收利用效率偏低, 仅为30%~35%和10 kg×kg-1[5, 7, 31]。大量研究表明, 在水稻、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)等作物上施用控释氮肥可显著提高氮肥农学效率、氮肥吸收利用效率和氮肥生理利用率[1, 11, 16-17, 23]。本研究结果也表明, 在等氮条件下, CRU处理的氮肥农学效率和氮肥生理利用率明显高于常规分次施肥处理, 其中50%CRU处理的增幅更大; 而CRU处理的氮肥吸收利用效率与常规分次施肥处理基本一致。氮肥偏生产力与氮肥施用量显著相关[7]。本试验结果也表明, 氮肥偏生产力与氮肥施用量显著负相关, 但受施氮方式影响较小。
以降低土壤肥力为代价的作物高产栽培模式难以为继, 协调作物生产和土壤肥力方能实现农业可持续发展。有研究表明, 施用控释尿素能有效提高土壤耕层氮素养分含量[24]。本研究结果则表明, 水稻收获后, CRU处理的土壤碱解氮含量与常规分次施肥处理基本一致(等氮条件下)。这可能是受控释尿素养分释放期影响, 本试验控释尿素释放期为60~90 d, 养分在水稻生育期内释放完全, 对收获期土壤氮素养分含量没有显著影响。水稻收获后土壤碱解氮含量显著受施氮量影响, 当减氮40%[施氮量为117 kg(N)∙hm-2]时, 土壤碱解氮含量显著降低, 影响土壤肥力。
综上所述, 控释尿素与普通尿素掺混一次性施肥处理(CRU)能保证水稻营养生长阶段充分的氮素供应, 维持强势分蘖势, 从而建立稳健旺盛群体结构, 为水稻高产稳产提供强有力支撑。当减氮40%[施氮量为117 kg(N)∙hm-2]时, 氮肥吸收利用效率相对较高, 但收获后土壤氮含量显著降低; 常规施氮量[施氮量为195 kg(N)∙hm-2]下, 水稻氮累积量大幅增加, 但氮肥利用率和产量则最低; 当减氮20%[施氮量为156 kg(N)∙hm-2]时, 水稻产量最高, 且25%CRU控氮施肥处理的氮肥利用率最高。因此, 综合考虑作物的生长、产量效应、氮素吸收、氮肥利用效率及土壤肥力状况, 在本研究中25%控释氮肥掺混一次性施用施氮量为156 kg(N)∙hm-2的施肥方式是一种较优的氮肥运筹模式。
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