减氮控磷稳钾施肥对水稻产量及养分积累的影响

杜加银，茹美，倪吾钟

(浙江大学环境与资源学院，浙江省亚热带土壤与植物营养学重点实验室，浙江杭州310058)

随着全球人口的增长，粮食需求不断扩大。业已证明，施肥在粮食生产中具有不可替代的作用，据联合国粮农组织(FAO)的统计，世界粮食产量的增加约有50%归功于化学肥料的施用，其中又以化学氮肥的贡献最为显著［1］。水稻是我国最主要的粮食作物，稻谷产量占全国谷物总产的40%以上［2］，水稻增产对满足我国粮食需求有重要意义。刘振兴等［3］研究表明，肥料对水稻增产的贡献率为35.4%。据调查，我国水稻的施肥量变化很大，其中氮肥(N)为46～276 kg/hm2、磷肥(P2O5)为25～235 kg/hm2、钾肥(K2O)为19 ～155 kg/hm2，但农民习惯施肥的氮、磷用量偏高，施钾量较低［4］。易琼等［5］研究表明，在施用 P2O575 kg/hm2和 K2O 120 kg/hm2条件下，最佳施氮量为N 168 kg/hm2，相应的水稻产量为8348 kg/hm2;杨梢娜等［6］研究得出，在施P2O575.6 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2条件下，杭嘉湖平原地区水稻最佳施氮量为N 217.3～240.1 kg/hm2，相应的生态适宜产量为9119.8～9801.9 kg/hm2。Qiao等［7］在太湖地区施用等量 P2O5、K2O(81 kg/hm2)条件下获得水稻最大产量的施氮量为N 232～257 kg/hm2。2010年，我国化肥用量占世界总量的33%，为世界第一大肥料消费国［8－9］，但我国的氮肥利用率只有 10.8% ～40.5%，平均为27.5%;磷肥利用率为 7.3% ～20.1%，平均11.6%;钾肥利用率为 21.2% ～35.9%，平均31.3% ，低于世界平均水平［4，10］。目前，我国广泛研究和应用的测土配方施肥技术采用“3414”方案，(即，氮、磷、钾3个因素，4个水平，14个处理)，各因素只有4个水平，在拟合肥料效应曲线二次函数方程和估算适宜施肥量时容易造成较大的偏差。另一方面，我国钾肥资源十分有限，且大部分依赖进口，施肥成本也较高，过量施用钾肥的可能性不大。而过量施用氮、磷肥不仅造成资源的浪费，而且会带来严重的环境污染问题。根据中国国家环保局在太湖、巢湖、滇池、三峡库区等流域的调查，生活污水和农田的氮、磷流失是水体富营养化的主要原因［11－12］;农田氮、磷养分的渗漏还可能对地下水造成潜在的威胁［13］。本文以测土配方施肥技术“3414”方案的思路和稳定钾肥用量为基础，提出“2614”的初步设计方案，即:氮、磷2个因素，6个水平，14个处理，通过田间试验，研究不同施肥管理对水稻产量、养分积累量及肥料利用率的影响，探讨减量施用氮、磷肥料的可行性，为水稻生产的持续发展和进一步提高养分利用率提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验设计

田间试验在太湖流域南部的浙江省余杭区进行，供试土壤为青紫泥田，其基本理化性质为:有机碳含量 22.2 g/kg、全氮 1.37 g/kg、全磷 0.71 g/kg、全钾4.47 g/kg、碱解氮94.0 mg/kg、有效磷23.1 mg/kg、速效钾115.3 mg/kg、缓效钾204.0 mg/kg。供试水稻品种为秀水134，采用直播的种植方式。试验设置14个处理，具体处理及肥料用量见表1，其中，在等磷、钾用量基础上氮设0、112.5、168.75、225、281.25、337.5 kg/hm26 个水 平(T4～T9);在等氮、钾基础上磷设0、60、90、120、150、180 kg/hm26个水平(T7、T10～T14);当地常规施肥量为N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2，相关试验研究的报道中钾肥的基础施用量在 60 ～120 kg/hm2之间［5－7，14］，因此，本试验中钾肥基础用量设为90 kg/hm2，每个处理重复2次，小区面积为16.6 m2，随机排列。小区的田埂用塑料薄膜围住，以防养分串流。氮、磷、钾肥料分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。尿素在苗期(2010年7月3日)、分蘖期(7月23日)、幼穗分化期(8月17日)分三次施用，比例为0.4∶0.3∶0.3，过磷酸钙作基肥一次施用，钾肥在分蘖期和幼穗分化期分两次施用，平均分配。

表1 试验处理及肥料用量(kg/hm2)Table 1 Experimental treatments and nutrient dosages

1.2 样品采集与分析方法

试验前采集土壤样品，分蘖期每个小区内采集3～5株地上部样品，收获期每个小区分别采集水稻籽粒、秸秆样品，每个小区单独计产，测定含水量并计算烘干重。土壤样品经过风干、磨碎后分别过1 mm和0.25 mm尼龙网。饱粒样品分为糙米和稻壳两部分。分蘖期植株、成熟期秸秆、糙米、稻壳和瘪粒在60℃条件下烘至恒重并用不锈钢磨样机磨碎。土壤和植株样品贮存于密闭的聚乙烯瓶中。

土壤基本理化性质采用常规方法测定;植物样品采用H2SO4－H2O2消煮，待测液中氮、磷、钾分别采用靛酚蓝比色法、钒钼黄比色法和火焰光度法测定［15］。

肥料的表观利用率和农学利用率按照以下公式计算:

氮肥表观利用率=(施氮区作物吸氮总量－无氮区作物吸氮总量)/氮肥投入量×100%

氮肥农学利用率=(施氮肥后所获的作物产量－不施氮肥条件下作物的产量)/氮肥投入量

试验数据用EXCEL 2003和SPSS 13.0软件进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻生物量和稻谷产量的影响

不同施肥处理的水稻生物量、稻谷产量及千粒重数据见表2。结果表明，氮磷钾配合施用处理(T5～T4，T3除外)与不施肥处理(T1)秸秆生物量(烘干重)的差异达到显著水平(P＜0.05);施N 225、K2O 90、P2O5≤120 kg/hm2的4个处理(T7、T10～T12)的饱粒产量(烘干重)分别为8469.8、8245.6、9050.0和8381.5 kg/hm2，显著高于不施肥处理(T1)(P＜0.05)，也明显高于常规施肥处理(T3)，增产幅度依次为6.1%、3.3%、13.4%和5.0%，尤其是T11增产幅度超过了10%，说明减氮控磷稳钾施肥不仅可以减少氮、磷及总养分(N+P2O5+K2O)的投入量，而且能有效地提高水稻的籽粒产量。从表2还可以看出，不同处理稻壳生物量、瘪粒生物量及地上部总生物量的差异与秸秆相似，不同处理糙米生物量的差异与饱粒相似。试验结果还表明，在等磷(P2O5120 kg/hm2)、钾(K2O 90 kg/hm2)用量的条件下，当施氮量 N≤225 kg/hm2时，水稻籽粒产量随施氮量的增加而增加，超过N 225 kg/hm2时，籽粒产量降低;在等氮(N 225 kg/hm2)、钾(K2O 90 kg/hm2)用量的条件下，当施磷量(P2O5)为60 kg/hm2时(T11)，水稻籽粒产量达到最高，施磷量(P2O5)为 150 kg/hm2和 180 kg/hm2时(T13和T14)，水稻籽粒产量低于不施磷处理(T10)，由此可见，过量施用氮或磷时均可导致水稻籽粒产量降低。另外，施氮量为(N)168.75 kg/hm2或225 kg/hm2、施磷量(P2O5)为90 kg/hm2或120 kg/hm2、施钾量(K2O)为90 kg/hm2的3个处理(T6、T7、T12)的千粒重显著大于不施肥处理(T1)，说明适宜的氮磷钾用量有利于水稻籽粒的灌浆结实，使籽粒更为饱满。

根据水稻产量及氮、磷施用量，通过回归分析建立一元二次肥料效应方程，可知，水稻产量与氮肥用量的回归方程为y=－0.0438x2+18.799x+5957.0，r=0.928＊＊;水稻产量与磷肥用量的回归方程为 y=－0.0905x2+10.906x+8355.1，r=0.867*，由方程可知，最大产量施氮、磷量分别为N 214.6 kg/hm2、P2O560.3 kg/hm2，最大产量分别为7974.1 kg/hm2、8683.7 kg/hm2。2012年水稻销售市场平均价格为2.50 Yuan/kg，按风干稻谷到烘干稻谷含水量为12%，可得烘干稻谷价格为2.84 Yuan/kg，尿素(按 N 计)价格为4.57 Yuan/kg，过磷酸钙(按P2O5计)为7.08 Yuan/kg，由此计算的水稻最佳氮、磷施用量分别为N 196.2 kg/hm2、P2O546.5 kg/hm2，最佳产量分别为 7959.3 kg/hm2、8666.5 kg/hm2，氮、磷最佳产量施用量比最大产量施用量分别减少8.6%、22.9%，生产上应使用最佳产量施肥量，可明显降低生产成本，增加经济效益。

表2 不同施肥处理对水稻生物量、饱粒产量及千粒重的影响Table 2 Biomass，grain yield and kernel weight of rice under different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理对水稻氮含量、积累量及利用率的影响

表3结果显示，施氮处理(T3、T5～T14)分蘖期水稻地上部、收获期秸秆及瘪粒的含氮量均显著高于不施肥处理(T1)(P＜0.05)，施氮量 N≥168.75 kg/hm2处理(T3、T6～T14)糙米和稻壳的含氮量也显著高于不施肥处理(T1)(P＜0.05);当施氮量N≤168.75 kg/hm2时(T4～T6)，分蘖期水稻地上部的含氮量显著低于常规施肥处理(T3)，减磷增钾基础上施氮量为N 281.25 kg/hm2的处理(T8)分蘖期水稻地上部的含氮量显著高于常规施肥处理(T3)，减磷增钾基础上施氮量为 N 225 kg/hm2、281.25 kg/hm2的处理(T11、T8)收获期水稻秸秆的含氮量也显著高于常规施肥处理(T3)，说明配施适量磷、钾肥基础上适度减少施氮量不仅没有降低水稻植株的含氮量，而且能有效地提高分蘖期和收获期水稻植株的氮素营养水平。

不同处理收获期水稻地上部氮积累量见表4。从表4可以看出，施氮处理(T3、T5～T14)收获期水稻秸秆、糙米(T5除外)、稻壳、瘪粒中氮素积累量及地上部氮素积累总量均显著高于不施肥处理(T1)(P＜0.05);减磷增钾基础上施氮量N≥225 kg/hm2处理(T7～T12)水稻秸秆中氮素积累量均大于常规施肥处理(T3)，其中T7～T11及T14等处理达到显著水平(P＜0.05)，施氮量N≥168.75 kg/hm2处理(T6～T12)糙米、稻壳和瘪粒中氮素积累量与常规处理的差异不显著;水稻施氮量为N 225 kg/hm2、施磷量(P2O5)为60 kg/hm2、施钾量(K2O)为90 kg/hm2处理(T11)水稻地上部氮素总积累量显著大于常规施肥处理(T3)，说明配施适量磷、钾肥基础上适度减少施氮量可促进水稻对氮的吸收和积累。

以不施氮(T4)处理为对照，根据施氮量、籽粒产量和地上部氮素积累量计算得出各施氮处理的氮肥表观利用率和氮素农学利用率(表5)。结果表明，减磷增钾基础上施氮量为N 168.75 kg/hm2或225 kg/hm2、施磷量(P2O5)为0、60 或120 kg/hm2、施钾量(K2O)为90 kg/hm2的4个处理(T6、T7、T10、T11)的氮肥表观利用率显著高于常规施肥处理(T3)(P＜0.05)，其它处理的氮肥表观利用率也

高于常规施肥处理，但差异不显著。从表5还可以看出，减磷增钾基础上施氮量N≤225 kg/hm2处理(T5～T7、T10～T12)的氮素农学利用率在9.9～13.7 kg/kg之间，高于常规施肥处理(T3);施氮量为N 337.5 kg/hm2处理(T9)的氮素农学利用率显著小于常规施肥处理(P＜0.05)，说明配施适量磷、钾肥基础上适度减少施氮量能有效地提高氮肥表观利用率和氮素农学利用率。

表3 不同施肥处理水稻植株各部位含氮量(mg/g)Table 3 Nitrogen contents in organs of rice plants under different fertilization treatments

表4 不同施肥处理水稻植株的氮积累量(kg/hm2)Table 4 Nitrogen accumulation in rice plants under different fertilization treatments

表5 氮肥表观利用率和农学利用率Table 5 Apparent nitrogen use efficiency and agronomic efficiency

2.3 不同施肥处理对水稻磷含量、积累量及利用率的影响

不同处理分蘖期水稻地上部含磷量在3.8～4.1 mg/g之间，收获期糙米含磷量在3.6～4.4 mg/g之间，差异均不显著(表6);施磷处理(T4～T9、T11～T14，T6除外)秸秆的含磷量显著高于不施肥处理(T1)(P＜0.05)，但施磷处理间秸秆含磷量的差异不显著;增钾基础上，施氮量为N≥225 kg/hm2处理(T7～T14)的稻壳含磷量大多高于常规施肥处理(T3)，甚至达到显著水平(P＜0.05);施磷处理间(T4除外)瘪粒含磷量的差异不显著。

表6 不同施肥处理水稻含磷量(mg/g)Table 6 Phosphorus contents in rice plants under different fertilization treatments

表7结果表明，施肥处理秸秆(T2除外)、瘪粒(T2、T4除外)磷素积累量和地上部(T2除外)磷素总积累量显著大于不施肥处理(T1)(P＜0.05);增钾基础上，施氮量减至N 225 kg/hm2的处理(T10～T14，T7除外)稻壳中磷素积累量显著大于常规施肥处理(T3)(P＜0.05);增钾(K2O 90 kg/hm2)减氮(N 225 kg/hm2)基础上施磷量(P2O5)为 150 kg/hm2和180 kg/hm2两个处理(T13和T14)的秸秆中磷素积累量显著大于常规施肥处理(T3)(P＜0.05)，而减磷处理(T7、T10～T12)秸秆中磷素积累量与常规施肥处理差异不显著;除不施肥(T1)、单施钾(T2)和不施氮(T4)处理外，其它处理间瘪粒中磷素积累量差异不显著，除不施氮(T4)处理外，其它处理糙米中磷素积累量差异也不显著;除单施钾(T2)和不施氮(T4)处理外，其它施肥处理水稻地上部磷素总积累量均显著大于不施肥处理(T1)，这些结果说明，适量减氮增钾有利于水稻对磷的吸收和积累，并可减少施磷量。

表7 不同施肥处理水稻磷积累量(kg/hm2)Table 7 Phosphorus accumulation in rice plants under different fertilization treatments

以T10为对照，计算磷肥的表观利用率和农学利用率，结果(表8)表明，增钾(K2O 90 kg/hm2)减氮(N 225 kg/hm2)条件下施磷量(P2O5)为60 kg/hm2和90 kg/hm2两个处理(T11、T12)的磷肥表观利用率显著高于常规施肥处理(T3)(P＜0.05)，农学利用率也高于常规施肥处理(T3)，但差异不显著。另外，当施氮量N≤168.75 kg/hm2(T4～T6)或施氮量N≥281.25 kg/hm2(T8、T9)时，磷肥的表观利用率降低，农学利用率出现负值，这主要是由于氮肥施用不合理引起减产导致的;增钾(K2O 90 kg/hm2)减氮(N 225 kg/hm2)条件下施磷量(P2O5)为150 kg/hm2和 180 kg/hm2两个处理(T13、T14)，其磷肥的表观利用率降低，农学利用率出现负值的原因主要是由于土壤有效磷含量较高，且磷肥具有累积后效，在单季作物中不能完全体现出肥料施用效果。因此，生产上应在控制磷肥的同时，合理配施氮肥和钾肥才能进一步提高磷肥的表观利用率和农学利用率。

2.4 不同施肥处理对水稻钾含量及积累量的影响

不同施肥处理水稻的含钾量见表9。结果表明，施用钾肥的处理(T2除外)分蘖期水稻地上部、收获期秸秆的含钾量显著高于不施肥处理(T1)(P＜0.05)，施氮(N 225 kg/hm2)基础上增施钾肥(T10～T14，T7除外)分蘖期水稻地上部含钾量显著高于常规施肥处理(T3)(P＜0.05)，秸秆含钾量也高于常规施肥处理(T3)，其中T11和T13处理与T3处理间的差异也达到显著水平(P＜0.05);增施钾肥处理糙米、稻壳和瘪粒的含钾量与常规施肥处理的差异不显著。

表8 磷肥表观利用率和农学利用率Table 8 Apparent phosphorus use efficiency and agronomic efficiency

从表10可以看出，施用钾肥处理(T2除外)秸秆中钾素积累量和地上部钾素总积累量显著高于不施肥处理(T1)(P＜0.05)，施用钾肥处理糙米、稻壳、瘪粒(T2除外)中钾素积累量也高于不施肥处理(T1)，有些处理的差异可达显著水平(P＜0.05);施氮(N 225 kg/hm2)基础上增施钾肥处理(T7除外)秸秆中钾素积累量和地上部钾素总积累量(T7、T10除外)显著高于常规施肥处理(T3)(P＜0.05);施用钾肥处理(T2除外)间糙米、稻壳及瘪粒中钾素积累量的差异不显著。

3 讨论

3.1 减氮控磷施肥对水稻的增产作用

习惯施肥的氮、磷用量偏高，施钾量偏低，限制肥料的增产效应，甚至导致水稻减产。本研究得出，与常规施肥比较，在增施钾肥(由常规施肥的60 kg/hm2增至90 kg/hm2)的基础上，减氮25%(由常规施肥的300 kg/hm2减至225 kg/hm2)，并控制施磷量P2O5≤120 kg/hm2能明显增加水稻籽粒产量(表2)，相关的研究结果表明，以习惯施肥为基础，减量施用氮、磷肥能保持水稻产量或略有增产［16－18］，适量施用氮、磷肥对水稻具有明显的增产作用。王伟妮等研究表明，增施氮肥对湖北省早稻、中稻和晚稻的增产率分别为37.6%、27.5%和35.0%，增施磷肥的增产率为 5.5%［19－20］。本试验结果表明，在相同磷、钾水平下施氮量 N 225 kg/hm2时水稻籽粒产量最高，增产率达到41.8%，在相同氮、钾水平下施磷量P2O560 kg/hm2时水稻籽粒产量最高，增产率为9.8%，本试验中优化的氮磷钾配施处理的增产作用更为明显。杨梢娜等［6］研究结果表明，在施用P2O575.6 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2条件下，杭嘉湖平原地区水稻最佳施氮量为N 217.3～240.1 kg/hm2，相应的生态适宜产量为9119.8～9801.9 kg/hm2。本试验结果表明，在施用N 196.2 kg/hm2、P2O546.5 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2的条件下，水稻经济最佳产量在7959.3～8666.5 kg/hm2(烘干重)，按风干稻谷到烘干稻谷含水量为12%计，风干稻谷产量在9044.7～9848.3 kg/hm2。可见，在相同钾肥投入量的条件下，本试验可以保证在产量基本不变的同时，降低氮、磷肥的用量，提高经济效益。

表9 不同施肥处理水稻含钾量(mg/g)Table 9 Potassium contents in rice plants under different fertilization treatments

表10 不同施肥处理水稻钾积累量(kg/hm2)Table 10 Potassium accumulation in rice plants under different fertilization treatments

3.2 不同施肥处理对水稻营养状况的影响

分蘖期是决定水稻群体规模和有效穗数量的关键时期，需要充足的营养，水稻正常分蘖要求植株含氮量为 N 30 ～35 mg/g［21］，含磷量为 P 3.0～4.0 mg/g［22］，含钾量为 K 5 ～ 15 mg/g［23］。分蘖期采样分析结果表明，施氮量N≥225 kg/hm2时水稻地上部含氮量可达到30.9～36.4 mg/g(表3)，说明施氮量由常规施肥量的N 300 kg/hm2减至225 kg/hm2仍能满足水稻正常生长对氮营养的需求;不同施肥处理水稻地上部含磷量均超过了3.0 mg/g(表6)，处于充足的磷营养状况，施用磷肥对水稻分蘖期地上部的含磷量影响不大，这可能与供试土壤有效磷含量较高有关;增施钾肥能显著提高水稻分蘖期地上部的含钾量，施钾处理(T2除外)的含钾量超过了15 mg/g(表9)，处于充足的钾营养状况。水稻高产要求收获期秸秆含钾量达到23.3 mg/g［22］，常规施肥秸秆含钾量为21.3 mg/g，低于高产的要求，增施钾肥的部分处理(T11、T13、T14)的秸秆含钾量达到了高产要求，生产上应使施钾量(K2O)保持在90 kg/hm2以上，并通过秸秆还田等措施增加钾的投入，保证水稻的持续高产。

3.3 不同施肥处理对肥料利用率的影响

张福锁等［4］总结全国粮食生产区的1333个田间试验得出，水稻的氮肥农学利用率和表观利用率的平均值分别为 10.4 kg/kg、28.3%;Lin等［24］报道太湖地区氮肥表观利用率为45.9%;本试验中，在施用P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2基础上，施氮量由常规施肥的N 300 kg/hm2减至225 kg/hm2(T11)水稻的氮肥农学利用率和表观利用率分别达到13.7 kg/kg和49.4%，明显高于全国平均水平，也略高于Lin等的报道，接近于国际上水稻的氮肥利用率［25－26］;试验结果还表明，水稻的氮肥利用率随施氮量的增加先增加后减小，国内也有相似的报道［5］，这可能是因为随着施氮量的增加，分配到茎和叶中氮素的比例增加所致［27］。水稻的磷肥农学利用率和表观利用率全国的平均值分别为9.0 kg/kg、13.1%［4］;王伟妮等［14］研究表明，在有效磷含量为15.8 mg/kg的土壤上施磷P2O567.5 kg/hm2时磷肥农学利用率和表观利用率分别为11.1 kg/kg、4.9%;本试验中，在施用 N 225 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2基础上，施磷量(P2O5)由常规施肥的150 kg/hm2减至60 kg/hm2(T11)水稻的磷肥农学利用率和表观利用率分别为13.41 kg/kg、6.07%，农学利用率明显高于全国的平均水平，但磷肥表观利用率则低于全国平均水平，这可能与种植前供试土壤有效磷含量较高有关。一般浙江地区水稻土有效磷适宜范围为10～20 mg/kg，超过25 mg/kg时会出现负面效应［28］，如无效分蘖增加，体内锌、硅、钼等元素含量降低、代谢紊乱等，土壤有效磷含量较高时，应减少磷肥的施用。

4 结论

1)氮磷钾的合理配施能促进水稻的生长，在常规施肥基础上，适当减少氮、磷肥，增加钾肥用量能显著增加水稻秸秆生物量(P＜0.05)，明显提高千粒重和籽粒产量。

2)减氮控磷增钾(N 225 kg/hm2、P2O560 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2)处理水稻分蘖期地上部和收获期秸秆氮、钾含量显著高于常规施肥处理(P＜0.05)，收获期地上部氮、钾的积累量和氮、磷的表观利用率也显著大于常规施肥处理(P＜0.05)，减氮控磷增钾不仅能满足水稻正常分蘖对氮、磷、钾的要求和高产对钾营养的要求，而且可明显提高氮肥的利用率。

3)从增产效应，提高氮、磷肥表观利用率和农学利用率的作用的角度来看，在当地的生产条件下，水稻的氮、磷、钾的经济最佳施肥量为N 196.2 kg/hm2、P2O546.5 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2。

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