纳米增效尿素对杂交水稻产量及氮肥偏生产力的影响

王 燚 长江中游湿地农业教育部工程研究中心,湖北荆州434025;长江大学农学院,湖北荆州43402

王小燕长江中游湿地农业教育部工程研究中心,湖北荆州434025 国家杂交水稻工程技术研究开发中心,湖南长沙410125

黄 斌,宋登蓉,何 洁郑成法,田小海 长江中游湿地农业教育部工程研究中心,湖北荆州434025 长江大学农学院,湖北荆州434025

水稻是我国的第一大粮食作物,但随着水稻产量的提高,氮肥用量逐年增加,残留在土壤中的氮不但降低了肥料利用率,同时又给生态环境带来污染[1～5]。因此,有必要研发新型氮肥,在不降低水稻产量的前提下,提高氮素利用率,减少过量施用氮肥给环境带来的污染。纳米材料具有独特的物理化学性质,可以改善土壤环境,促进作物生长代谢[6,7]。有研究表明,纳米触媒处理水后,可提高水的细胞生物透性[6],促进作物的生长[8～10]。但关于添加纳米材料的新型肥料纳米增效尿素对水稻产量及肥料利用率的研究尚鲜见报道。本研究在前人研究基础上进行,以中稻品种皖稻153为试验品种,以北京华龙肥料有限公司提供的纳米增效尿素为试验材料,系统研究了不同施氮量条件下,纳米增效尿素对产量和氮肥偏生产力的影响,以期为进一步明确纳米材料对作物产量影响机理及建立高产、高效、安全的水稻栽培体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2009年水稻生长季在湖北松滋市 “种三产四”项目基地进行,试验点年均降雨量为1 200 mm,2009年中稻生育期间总降雨量为307.1 mm。

1.2 试验材料与设计

试验以高产品种皖稻153为试验材料,由安徽农业科学研究院选育,已通过品种审定。播种前0～20 cm土层含有机质11.00 g/kg、全氮1.00 g/kg、速效氮82.03 mg/kg、速效磷33.25 mg/kg、速效钾57.11 mg/kg。试验中2种肥料类型均设置6个施氮量处理:0、90、135、180、225、270 kg/hm2,分别记为N0、N1、N2、N3、N4、N5。

纳米增效尿素由北京华龙肥料技术有限公司提供。配制过程如下:先将普通尿素磨成直径为≤0.2 mm粉状,然后按1 000∶3的重量比与纳米碳混合均匀,并制成与普通尿素大小一致的颗粒。成份组成为:纳米碳0.3%,N≥46%,缩二脲≤1.4%,H2O≤0.3%。普通尿素成分组成为:N≥46%,缩二脲≤1.4%,H2O≤0.3%。

各处理磷肥用过磷酸钙,其P2O5含量为14%,施用量P2O5为90 kg/hm2;钾肥用氯化钾,K2O含量为47%,施用量K2O为144 kg/hm2。氮肥、磷肥和钾肥均于插秧前一天作基肥施入,施入后,立即用铁齿耙耖入5 cm深的土层内。

小区面积为3.5×8=28 m2,裂区设计,重复3次,肥料类型为主区,施氮量为副区。小区间用塑料农膜包埂,埂高20 cm,小区间隔35 cm,重复间相隔60 cm。5月20号播种育秧,6月7号移栽,移栽密度为23.3 cm×23.3 cm,双株。移栽3～4 d查缺补苗,保证全苗。其他管理同当地水稻高产田。

1.3 测定项目与方法

(1)分蘖数 每一重复选择与插秧方向垂直 (小区为南北走向,插秧方向与小区走向一致)、长势一致的10蔸秧苗,定点,于插秧后每隔7 d调查分蘖数。

(2)干物质积累量 移栽后将小区划分为面积相等的两部分,即取样区和测产区。在取样区内分别于分蘖盛期、孕穗期、乳熟期、成熟期取样。所取样品洗净后在室内去掉地下部分,调查分蘖数,并将地上部分在105℃恒温下杀青20 min,再在80℃恒温下烘至恒重,称取干重即为所求干物质积累量。

(3)叶片SPAD值 于分蘖盛期、孕穗期、乳熟期、成熟期用SPAD叶绿素测定仪测最后一片完全展开叶SPAD值,每小区测15个叶片,取其平均值。

(4)有效穗数、每穗实粒数、千粒重 于成熟期在测产区调查各处理有效穗数、每穗实粒数、千粒重,调查方法为:随机调查20蔸求平均有效穗数,随机调查5蔸求平均每穗实粒数、千粒重。

(5)产量 成熟期在测产区测产,脱粒后称湿重并测子粒含水量,根据含水量换算实际产量。

(6)子粒含水量 子粒含水量采用德国产Sartorius MA35型红外水分测定仪测定。

(7)氮肥偏生产力 按如下公式计算[11]:

氮肥偏生产力 (kg/kg)=施氮处理产量 (kg/hm2)/施氮量 (kg/hm2)

(8)数据处理 试验数据用EXCEL和DPS 2 000数据处理系统分析处理。

2 结果与分析

2.1 纳米增效尿素对分蘖动态的影响

由表1可以看出,自插秧后,各处理分蘖数不断增加,至6月28日达最大,之后又逐渐降低,并最终趋于稳定。

同一施氮量水平,纳米增效尿素处理与普通尿素处理间比较,纳米增效尿素处理各时期分蘖数显著大于普通肥料处理,表明纳米增效尿素有利于提高分蘖数,这是获得较高干物质积累量进而获得高产的生理基础。

表1 不同生育时期不同处理分蘖动态 104/hm2

2.2 纳米增效尿素对叶片SPAD值的影响

SPAD是衡量叶片当前叶绿素的相对数量的指标,能有效衡量叶片光合速率。由表2可以看出,自分蘖盛期至成熟期,所测叶片SP AD值呈先增加后降低趋势,其中峰值出现在乳熟期。由表2同时可以看出,随施氮量的增加,叶片SPAD值逐渐增加,表明增施氮肥有利于增加叶片叶绿素数量,这为提高光合物质生产效率奠定基础。同一施氮量水平,普通尿素处理与纳米增效尿素处理间比较,均表现为NMUrea＞Urea,其中施氮量越高,NMUrea与Urea叶片SPAD值差异越大。表明施用纳米增效尿素可提高叶片SPAD值,为提高子粒产量奠定物质基础。

表2 不同处理对剑叶SPAD值的影响

2.3 纳米增效尿素对干物质积累动态的影响

由表3可以看出,从分蘖盛期至成熟期,水稻干物质积累量逐渐增加,并在成熟期达最大值。不施氮处理与各施氮处理间比较,各时期干物质积累量显著低于施氮处理。各施氮量处理间比较,纳米增效尿素和普通尿素均表现为:随施氮量增加,干物质积累量显著增加。以上结果表明增施氮肥有利于获得较高的干物质积累量。

同一施氮量水平,纳米增效尿素处理与普通尿素处理间比,纳米增效尿素各处理干物质积累量显著大于普通尿素处理,表明施用纳米增效尿素比普通尿素更有利于水稻植株干物质的积累。

表3 不同处理对干物质积累动态的影响 kg/hm2

2.4 纳米增效尿素对产量、产量构成因素及氮肥偏生产力的影响

由表4可以看出,随施氮量的增加,纳米增效尿素处理及普通尿素处理子粒产量均呈先增加后降低趋势,其中施氮量为225 kg/hm2时产量最高。同一施氮量水平,纳米增效尿素处理与普通尿素处理间比较,施纯氮90 kg/hm2时,纳米增效尿素处理产量与普通尿素处理间差异不显著;随施氮量增加,纳米增效尿素处理与普通尿素处理间差异达显著水平,纳米增效尿素最高增产幅度达10.2%,此时施氮量为225 kg/hm2。纳米增效尿素处理有效穗数、每穗实粒数均显著大于普通尿素处理。

表4 各处理产量、产量构成因素及氮肥偏生产力

氮肥偏生产力是衡量氮肥利用率的重要指标。如表4所示,随施氮量的增加,纳米增效尿素处理及普通尿素处理氮肥偏生产力均呈逐渐降低趋势。同一施氮量水平,纳米增效尿素处理与普通尿素处理间比较,较低施氮量范围内,即施氮量为90 kg/hm2,纳米增效尿素处理与普通尿素处理间氮肥偏生产力显著不显著,当施氮量增至135～270 kg/hm2范围时,纳米增效尿素处理氮肥偏生产力显著大于普通尿素处理,表明在施氮量较高条件下,纳米增效尿素有利于获得较高氮肥利用率。

总之,在超级稻创高产更高产创建过程中,对地力水平和施氮量水平均要求较高,因此,可用纳米增效尿素代替普通尿素,以在相同施氮量条件下,更有效的提高有效分蘖和干物质积累量,最终获得较高子粒产量和氮肥偏生产力。

3 讨论

前人研究结果表明,随施氮量的增加,水稻产量逐渐增加,当施氮量达150 kg/hm2时,产量最高,再增加施氮量,产量降低[14,15]。本研究结果表明,施氮量增加,产量先增加后降低,这与前人研究结果一致。本研究同时表明,在相同施氮量条件下,纳米增效尿素可显著提高分蘖数,为促进干物质积累奠定基础。

目前,纳米材料因为其独特的物理化学性质,越来越多的应用在生物领域及农业生产中。有研究表明,用纳米陶瓷进行豇豆和萝卜浸种,可显著提高发芽势、发芽率、幼苗鲜种[16];提高大豆根系活力和吸水能力,增加体内抗氧化酶活性和植物的抗逆能力[10]。曾昭华[8]在水稻栽培中使用由南昌纳米高新技术开发公司研制的强的纳米863生物助长器浸种,结果表明,早稻增产9.0%,连晚稻增产8.3%以上。刘安勋等[6]研究表明,纳米材料可促进水稻种子和幼苗的代谢,使其早发、早生根、多生根,但纳米复合材料对水稻植株的影响在分蘖期最为明显,随着水稻生长时期的推进,纳米材料处理与对照间差异变小。本研究结果则表明,纳米增效尿素与普通尿素相比,不仅可以促进苗期分蘖,提高分蘖数,同时可以提高叶片SPAD值,进而提高分蘖盛期至成熟期干物质积累量,增加每穗实粒数,最终显著提高子粒产量。本研究进一步表明,纳米增效尿素与普通尿素相比,可提高肥料利用率,且在较低施氮量范围内,其氮肥偏生产力增加不显著,但施氮量在135～270 kg/hm2范围内,差异均达显著水平。总之,本试验条件下,纳米增效尿素与普通尿素相比,可显著提高分蘖数,增加叶片SPAD值,促进干物质积累,最终可获得较高子粒产量和较高肥料利用率,是超级杂交稻的超高产栽培的适宜肥料品种,其中施氮量为225 kg/hm2条件下子粒产量最高,达11 546.7 kg/hm2,氮肥偏生产力为51.3 kg/kg,是最超高产运筹模式;施氮量为135 kg/hm2条件下,子粒产量较高,氮肥偏生产力达为76.5 kg/kg,是纳米增效尿素安全、节氮运筹模式。

由本研究结果可以得出,纳米增效尿素可显著提高产量,具有广泛的应用前景,但其促进作物生长发育的机制尚需要进一步研究。

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