控释尿素、稳定性尿素和配施菌剂尿素提高双季稻产量和氮素利用率的效应比较

2015-01-27万运帆李玉娥秦晓波

植物营养与肥料学报 2015年5期

王斌，万运帆*，郭晨，李玉娥，秦晓波，任涛，赵婧

(1中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,农业部农业环境重点实验室，北京100081; 2 华中农业大学资源与环境学院，农业部长江中下游耕地保育重点实验室，湖北武汉 430070; 3 北京师范大学环境学院，北京 100875)

王斌1，万运帆1*，郭晨2，李玉娥1，秦晓波1，任涛2，赵婧3

【目的】中国是最大的水稻生产和消费国，氮肥是保证水稻高产的关键，水稻种植中氮素利用率偏低一直是亟待解决的问题，包膜、添加硝化抑制剂和菌剂等为其提供了可行的解决手段。本文以新型尿素为研究对象，进行四季水稻的连续试验，从作物生长、产量构成和氮素利用方面做出综合评价，为其在水稻种植上的推广提供科学依据。【方法】2012和2013年在湖北荆州(江汉平原代表站点)，进行两年大田试验设置了五种氮肥处理: 常规尿素(CK)、树脂包膜控释尿素(CRU)、碧晶尿素(NU)(含氯甲基吡啶)、硝化抑制剂DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸盐)(DMPP)、有效微生物菌剂(EM)，跟踪观测不同尿素对双季稻生长性状(株高、茎蘖数、穗数、叶绿素)、产量要素(穗粒数、结实率、千粒重、秸秆产量、籽粒产量)以及氮素利用率(吸收利用率、农学利用率、生理利用率)的影响，分析新型氮肥的增产效益及氮素利用率。【结果】新型氮肥能促进水稻植株的增高、叶绿素含量的提升，增加茎蘖数、成穗数和穗粒数，并提高结实率和千粒重，最终促进秸秆和籽粒产量的增长。CRU处理增产最为明显和稳定，早晚稻相比CK处理平均增产达18%(P<0.05)，而DMPP、NU和EM处理早稻增产不明显，晚稻增产14%(P<0.05)，晚稻增产效益优于早稻。新型氮肥能有效提高氮素吸收利用率，以CRU最高，两年平均氮素利用率为53%，NU次之(为47%)，CK最低(仅为35%)；随着菌剂不断施入，EM处理氮素利用率逐季增高，在2013年晚稻为55%，与CK达到极显著差异(P<0.01)。新型氮肥处理的农学利用率不同程度高于CK，其中CRU处理最高，在2013年达到差异极显著(P<0.01)。新型氮肥处理的生理利用率2012年均低于CK，2013年仅DMPP处理高于CK，但差异不显著。【结论】与普通尿素相比，控释尿素、稳定尿素和配施微生物菌剂均能促进植株生长、提高氮素利用率，其效果以包膜控释尿素最好也最稳定，添加硝化抑制剂的稳定肥料次之，与菌剂配施作用需进一步验证。

控释尿素; 硝化抑制剂; EM菌; 双季稻; 产量; 氮素利用率

中国是全球最大的氮肥消费国，氮肥用量约占全球总量的36.9%，其中用于水稻生产的占全国总氮肥用量的24%[1]。为了提高水稻生产中氮肥的利用率，包膜和添加硝化抑制剂等的氮肥被研发出来，相比于普通尿素，其具有肥效时间长、养分利用率高、对环境污染低等特征，同时对作物生长和产量具有一定促进作用[2-5]。菌剂与氮肥配施对于改善土壤结构、提高肥力和促进稳产、高产存在一定积极作用[6-7]。

本试验选取四种最具代表性的新型氮肥作为对象，进行了两年双季稻的大田试验，探究不同类型氮肥对植株生长性状、产量构成和氮素利用率的影响，以期对这四种新型肥料的增产效应和氮素利用率提升空间做出客观评价，为其在水稻种植上的推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2012、 2013年在湖北省荆州市农业气象站内(30°21′N，112°09′E)进行。该地区作为江汉平原的代表站点，属于亚热带季风气候区。供试土壤为内陆河湖交替沉积形成的水稻土，保水保肥能力良好，质地为粉质中壤土。土壤基础理化性质为: 容重1.44 g/cm3，pH(H2O)7.8，有机碳26.88 g/kg，全氮1.09 g/kg，速效钾56.3 mg/kg，速效磷9.7 mg/kg。

试验采用单因素随机区组设计，共设5个不同的氮肥处理。1)常规尿素(N≥46%),作为对照处理，根据当地传统施肥方式来进行(CK)；2)树脂包膜控释尿素(N≥42%)，为“S”型曲线释放，控释期为90天，由山东金正大生态工程股份有限公司提供(CRU)；3)碧晶尿素(N≥46%)，在生产中掺入质量分数0.5%的氯甲基吡啶合成的尿素，由上海碧晶农业科技有限公司提供(NU)；4)常规尿素中加入质量分数1%的硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)；5)施肥时泼洒与常规尿素200倍等重的EM菌液，主要包括酵母菌群、乳酸菌群、光合菌群、芽孢杆菌群和放线菌群等，配制方法为菌剂 ∶红糖 ∶水=1 ∶1 ∶200,培养48小时(EM)。为计算氮素利用率，另设一个空白不施氮处理。所有处理的磷肥均为过磷酸钙(P2O5≥12%)，钾肥为氯化钾(K2O≥60%)。每个处理3次重复，试验小区为6 m×4.5 m。

施肥共分三次，一次基肥在水稻移栽前施用，两次追肥分别在分蘖期和抽穗期施用。各处理总养分量均一致: 总氮量早稻为N 165 kg/hm2，晚稻为N 180 kg/hm2，各阶段施氮量根据肥料种类和特性而定，为当地最优推荐施肥[8-9]，具体施氮方案如表1所示。鉴于包膜控释尿素释放养分的长效性，只采用1次追施；为了保证单一变量差异，抑制剂和菌剂处理施氮量与CK保持一致;磷肥用量均为P2O560 kg/hm2，全部作为基肥施入; 钾肥用量均为K2O 90 kg/hm2，按比例2 ∶1 ∶3分次施入。早稻品种为两优287，晚稻为湘丰优9号，皆为当地主推品种，移栽密度为21万穴/hm2，每穴2株。2012年早稻于5月3日移栽， 7月17日收割；晚稻于7月22日移栽，10月15日收割。2013年早稻于4月25日移栽， 7月15日收割；晚稻于7月18日移栽，10月13日收割。各个小区由田埂和薄膜隔离，保证相互不干扰，并全部依照当地的常规习惯进行水分管理: 前期淹水，中期晒田，后期干湿交替，完熟落干。除草及病虫害防治均根据需要参照习惯种植模式统一进行。

1.2 项目测定与方法

每个试验小区在移栽后选定5穴正常水稻，每5天调查一次植株生长动态: 株高为直尺测定从地面到叶片伸直最高处的长度；叶绿素含量采用SPAD-502叶绿素仪测定倒三叶(抽穗后测旗叶)避开叶脉的中部位置SPAD值；抽穗前调查茎蘖数变化，抽穗后调查穗数变化。在成熟收割时，每个小区按平均穗数取样5穴进行考种，主要包括有效穗数、穗长、穗粒数、结实率、千粒重(烘干重)；取水稻植株进行全氮含量测定，样品分为稻谷和稻草两部分，依次进行杀青、烘干、粉碎、过筛后采用H2SO4-H2O2消煮，用流动分析仪(Seal AA3)测定氮含量；采用1 m×1 m的正方形样框在每个小区随机取3处收割后晒干脱粒测产，分为稻草重和籽粒重。需要说明的是，空白不施氮处理只用于计算氮素利用率，控释肥、抑制剂和菌剂处理只与常规施肥进行对比分析。

1.3 数据处理

氮素利用率计算方法[10-11]如下:

氮素吸收利用率(nitrogen recovery efficiency，NRE，%)=(施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量)/施氮量×100

氮素农学利用率(nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg)=(施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量)/施氮量

氮素生理利用率(nitrogen physiological efficiency, NPE, kg/kg)=(施氮区籽粒产量-无氮区籽粒产量)/(施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量)

数据计算和方差分析使用Excel 2007和SPSS 18.0软件完成，多重比较为FPLSD分级法。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理对水稻植株生长的影响

水稻株高、叶绿素含量、单穴茎蘖数和穗数的动态变化如图1～图3所示。水稻株高总体上遵循Logist生长曲线变化，两年早稻平均株高约为90 cm，晚稻约为108 cm。施用CRU的株高明显高于CK，NU次之；DMPP、 EM株高均比CK略长，但差别不大。各处理早稻的株高差异较小，晚稻株高相差较大。叶绿素含量(SPAD值)随着水稻的生长由低到高变化，在抽穗期达到峰值，然后逐渐下降。各处理在中前期相差不大，呈现一定的波动，但在后期成熟阶段CRU、NU和DMPP的SPAD值明显高于CK，这说明成熟阶段新型氮肥的叶片，具有更好的氮素营养，其光合效率也高于常规尿素，从而有助于形成较高的结实率和粒重。

水稻茎蘖数和穗数也是生长性状的重要指标，并与产量关系密切。水稻单穴茎蘖数一般稳定在13到17之间，2012年早稻各处理差别不明显，其余三季水稻期间以CRU的单株分蘖数最高，DMPP和EM次之，NU与CK差别不大。水稻单穴穗数一般稳定在11到15之间，CRU明显高于CK，EM次之，DMPP和NU略高于CK。这说明新型氮肥对于水稻的分蘖和成穗具有一定的积极意义，有助于形成健壮的株型和高产群体，最终达到增产。需要指出的是，观测包括无效和有效茎蘖数和穗数，水稻生长过程中存在自然枯死消亡，这也是导致其变动和下降的原因。

2.2 不同氮肥处理对水稻产量及构成要素的影响

新型氮肥对水稻的各项产量指标均存在不同的影响(表2、表3)。控释尿素CRU单株有效穗数高于常规尿素CK，除2012年早稻外，与CK差异极显著(P<0.01)；EM在前三个生长季与CK差异不显著，在2013年晚稻显著高于CK(P<0.05)。各施肥处理的穗长差异不显著，但穗粒数变异较大，CRU、NU均比CK略高，但只有2013年晚稻NU与CK达到极显著差异(P<0.01)。新型氮肥的结实率均高于常规尿素， NU在所有生长季内与CK差异显著，DMPP、EM在后三个生长季与CK差异显著，CRU只在2013年早稻与CK差异显著(P<0.05)。2012年早稻和晚稻千粒重均以CRU最高，与CK差异显著；2013年早稻各处理差异不显著，晚稻以EM最高，与CK差异显著(P<0.05)。需要指出的是，2013年双季稻结实率和千粒重均低于2012年，这可能与2013年双季稻生长季出现的高温有关。

从大田实际测产数据来看，2012年早稻各处理之间不存在显著差异；2013年早稻只有CRU与CK达到显著性差异(P<0.05)，增产幅度为19.8%。对于晚稻而言，CRU、NU、DMPP和EM相比CK均存在显著的增产(P<0.05)，其中2012年和2013年均以CRU增产最高，分别为16.8%和20%，并达到极显著差异(P<0.01)。从实测秸秆产量来看，新型氮肥处理均高于CK，其中CRU在后三季水稻中最高且与CK差异显著(P<0.05)；NU次之，在晚稻均表现出与CK的显著性差异(P<0.05)。秸秆产量是水稻成熟后地上生物量的最直接反映，结合株高和茎蘖数结果，我们可以认为新型氮肥有利于植株生长和干物质积累，进而增加籽粒产量。

不论是产量构成要素还是大田实际测产，我们都能看出新型氮肥具备增产效果，其中主要表现在有效穗数和穗粒数的增多、结实率和千粒重的提高，并且晚稻增产效果优于早稻。总体而言，包膜控释肥CRU增产效果最高也最为稳定，四季水稻平均增产18%左右；硝化抑制剂DMPP次之，除在第一季水稻不增产外，其余三季水稻平均增产14%左右；碧晶尿素NU和EM菌剂在早稻上不表现出明显的增产效果，但在晚稻上能增产14%左右。综上所述，可以认为CRU的水稻增产效果最好，DMPP、NU和EM也存在明显的增产，彼此间差别不大。

2.3 不同氮肥处理对水稻氮素利用率的影响

注(Note): 表中数值为平均值±标准差Data in the table are the mean value ± standard deviation；数值后不同小、大写字母分别表示处理间差异在P<0.05、P<0.01水平显著 Values followed by different lowercase and capital letters are significantly different atP<0.05 andP<0.01, respectively.

注(Note): 表中数值为平均值±标准差Data in the table are the mean value ± standard deviation；数值后不同小、大写字母分别表示处理间差异在P<0.05、P<0.01水平显著 Different lowercase and capital letters are significantly different atP<0.05 andP<0.01, respectively.

氮素吸收利用率NRE是评价作物对氮素肥料吸收效果的一个最重要指标。由表4可以看出，在2012年早稻各处理差异不显著，晚稻CRU与CK处理间达到极显著差异(P<0.01)；2013年早稻CRU、NU、DMPP均与CK处理间达到极显著差异(P<0.01)，晚稻EM与CK处理间达到极显著差异(P<0.01)。常规尿素CK在两年试验中的总平均氮素吸收利用率为35%，CRU的吸收利用率最高为53%，NU、EM和DMPP分别为47%、46%和45%，新型氮肥处理的吸收利用率比CK的高出10%～18%。另外，晚稻NRE要高于早稻，各处理中EM菌剂处理第二年的氮素吸收利用率相比第一年明显提高，其余处理年际间变化不大。

除2012年早稻外，其余稻季新型氮肥的氮素农学利用率均高于常规尿素，其中以CRU最高，在2012年和2013年晚稻与CK达到极显著差异(P<0.01)，而NU、DMPP、EM与CK则达到显著差异(P<0.05)。各处理氮素农学利用率的年际差异较小，早稻和晚稻也不存在明显波动。

氮素生理利用率NPE指作物地上部分每吸收单位氮素中所获取的籽粒增量，是作物吸收同等数量氮素时所获得的经济产量。除2013年早稻DMPP高于CK，其它季节所有处理间差异不显著。

注(Note): 表中数值为平均值±标准差Data in the table are the mean value ± standard deviation; 数值后不同小、大写字母分别表示处理间差异在P<0.05、P<0.01水平显著 Values followed by different lowercase and capital letters are significantly different atP<0.05 andP<0.01, respectively.

3 讨论和结论

3.1 不同新型氮肥的增产效益和年际差异

与前人研究结果一样，控释尿素、稳定尿素和配施EM菌剂拥有比常规尿素更高效和稳定的氮素供应，在营养生长阶段能促进水稻植株的长高、分蘖的增多和叶绿素含量的提升，进而提高光合效率，在生殖生长阶段能促进成穗数和穗粒数的增多，提高灌浆速率，提高结实率和千粒重，促进生物量和产量的增长[12-15]。

本试验中，新型氮肥在晚稻的增产效果明显优于早稻，而双季稻是一个连续的过程，早稻土壤积累的氮素养分可能继续留给晚稻利用，且早稻和晚稻品种不同，生长季跨度也不同，各方面因素综合作用下导致这一差异。对于不同的年份，EM菌剂的增产效果在第二年优于第一年，随着有效微生物菌的不断施入，其对土壤肥力和菌群结构的改良作用越来越明显[6,16]。值得指出的是，包膜控释尿素在所有稻季中对产量的促进作用最为明显和稳定，不存在明显季节差异，这可能是由于该类肥料按照特定曲线缓慢释放氮素，肥效时间较长，能满足作物在各个阶段的需氮量[3,17]，这也是我们推荐的最优增产氮肥种类。

3.2 新型氮肥的氮素利用率评价及减氮稳产的可行性

氮素吸收利用率(NRE)、农学利用率(NAE)和生理利用率(NPE)这三项，从不同的角度描述了作物对氮肥吸收和利用的程度。从生物产量提高、氮素损失和环境污染减少的角度来考虑，以NRE具有最重要的意义。综合比较两年双季稻，包膜控释尿素的NRE最高，添加硝化抑制剂尿素和菌剂配施尿素相差不大，但均显著高于常规尿素，其中EM菌剂的NRE随着稻季的更替逐步上升。因为水稻收获的是籽粒产量，因此还需要考虑氮素农学利用率NAE，我们可以看出控释尿素NAE依旧最高，常规尿素最低。通过这两个指标的综合比较，我们可认为施用新型氮肥能有效提高水稻植株的吸氮量，并促进氮素转换成籽粒产量。氮素生理利用率NPE反映的是水稻籽粒氮素利用率，常规尿素的NPE最高，但与新型肥料处理的差异除个别季节，基本不显著。通过NPE与其余两个指标的比较可以说明控释尿素、添加抑制剂尿素和菌剂配施尿素后期供肥依然充足，水稻地上部分生长旺盛，茎鞘叶的氮含量和干物质量高于常规尿素，养分的“源”储备充足，在灌浆到成熟阶段能有效输入到籽粒“库”[18]，最终表现出结实率、千粒重的提高和产量的增长。

鉴于新型氮肥的高肥力和长肥效作用，有研究认为在减量施用控释肥的条件下依然可达到稳产甚至高产的作用[19]，这对于成本控制具有实际意义。从大田数据我们发现，新型氮肥的地上部分特别是稻草的吸氮量远高于常规尿素，也就是说植株茎叶所含氮素营养是具有较大潜力的供应“源”，其养分如果充分转移到籽粒就能保证产量的提高。因此，在优化平衡施肥的基础上再适当减少其施入量，在稳产的同时进一步提高氮素利用率，并节约成本，这有利于新型氮肥的推广。

本研究结果表明，控释尿素具备最高和最稳定的氮素利用效果，碧晶尿素和硝化抑制剂次之。但菌剂的作用还需要更多的试验来验证。

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A comparison of the effects of controlled release urea, stable urea and microorganisms increasing double rice yield and nitrogen use efficiency

WANG Bin1, WAN Yun-fan1*, GUO Chen2, LI Yu-e1, QIN Xiao-bo1, REN Tao2, ZHAO Jing3

(1InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/TheKeyLaboratoryforAgro-Environment,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 2CollegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity/TheKeyLaboratoryofArableLandConservation(MiddleandLowerReachesofYangtseRiver),MinistryofAgriculture,Wuhan430070,China; 3CollegeofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

【Objectives】 China is the largest producer and consumer of rice(OryzasativeL)in the world. Nitrogen is the most essential element for rice production, however, low nitrogen use efficiency(NUE)has been existed. New nitrogen fertilizers(controlled release urea, nitrification inhibitor and microbial inoculant) were developed to solve this problem. Their effects were compared in this paper to provide reliable basis for the fertilizer promotion in rice cultivation. 【Methods】 Five different fertilizer treatments, CK: conventional urea, CRU: polymer-coated controlled release urea, NU: urea containing nitrapyrin, DMPP: urea containing nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazole phosphate, and EM: microbial inoculant combined application with urea were set for conducting a two year field experiment(2012-2013)in Jingzhou city , Jianghan Plain, Central China. Effects of different fertilizers on growth(plant height, chlorophyll, tiller and spike numbers), yield(grain numbers, setting rate, 1000-grain weight, straw and grain yield)and NUE(nitrogen recovery efficiency, nitrogen agronomic efficiency, nitrogen physiological efficiency)were explored. Increases in yield and NUE caused by different fertilizers were synthetically analyzed, and their seasonal fluctuations were also discussed. 【Results】The new fertilizers contribute to the increases of rice plant height, chlorophyll concentration, tiller numbers, spike numbers, grain numbers, setting rate and 1000-grain weight, and ultimately improve the straw and grain yields effectively. Compared with CK, CRU achieves the highest and most stable yield increase by 18%(P<0.05)in both early and late rice, and DMPP, NU and EM achieve a yield increase by 14%(P<0.05)in late rice, no significant increases in early rice. Better growth and yield promotion is showed in late rice than in early rice. The new fertilizers raise the nitrogen recovery efficiencies significantly compared with CK(35%). The nitrogen recovery efficiencies of CRU and NU reach to 53% and 47%, respectively. With the combined application of microbial inoculant, it presents a higher nitrogen recovery efficiency, which reaches to 55% and is very significant higher(P<0.01)than that of late rice under CK in 2013. The nitrogen agronomic efficiencies of the new fertilizers are higher than that of CK at different levels, among which CRU is very significant higher(P<0.01)than CK in 2013. The nitrogen physiological efficiencies of the new fertilizers are lower than that of CK, except that DMPP is higher than CK in 2013, but there exists no significant difference. 【Conclusions】 The application of controlled-release urea, nitrification inhibitor and microorganisms in paddy field get remarkable rice yield increases and NUE promotion significantly. The beneficial effect is in order of controlled release urea higher than stable urea and higher than combined application of microbial inocul urea.

controlled release urea; nitrification inhibitor; effective microorganisms; double rice; yield; nitrogen use efficiency

2014-04-08 接受日期: 2014-10-14 网络出版日期: 2015-03-25

公益性行业(农业)科研专项(201103039); 国家“973”计划项目(2010CB951302, 2012CB417106)资助。

王斌(1989—)，男，湖南娄底人，硕士研究生，主要从事施肥技术和农业源温室气体排放研究。E-mail: wangbin.world@163.com *通信作者Tel: 010-82109345, E-mail: wanyunfan@ami.ac.cn

S143.1+5; S143.1+6; S143.1+9

1008-505X(2015)05-1104-09