超级稻晚稻氮磷钾养分需求特征研究

谢 宜，罗尊长，董春华，王玲玲，洪 曦，褚 飞，孙继民，方 勇，胡柯鑫

(1.湖南大学研究生院 隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；3.湖南省农业生物技术研究所，湖南 长沙 410125)

超级稻吸肥能力和需肥量远胜于常规稻，也强于一般杂交稻，其对肥料的需求能持续到生长发育后期[1]。近年来，随着超级稻新品种的不断出现和大面积推广，肥料用量需求也被大幅度提高[2-4]。超级稻所需养分用量较大，时间较长，用以保证其前期足够的分蘖数、中期足够的有效分蘖数和秆壮穗大、后期足够的有效穗和千粒质量，而这些仅仅通过增加肥料的用量或改变氮磷钾施肥比例来保证养分的供应是不够的。

不同水稻品种对养分的需求量和吸收特征不一样，不合理施肥不仅不能提高肥料利用率，反而还会致使水稻产量下降，导致土壤本身遭到破坏和生态环境污染，甚至危害农业可持续发展[5-9]。常规化肥多为速效肥，其肥效短、肥料利用率低，难以满足水稻整个生育期的养分需求[10]，为此，我国已于1997年把缓/控释肥等新型肥料的研发列入重点[11]。缓/控释肥的研发融合了植物营养学、土壤学、作物栽培生理学、农学生态学、肥料工艺学等学科的基本原理[4]，能根据作物生长所需缓慢释放养分或控制养分释放速度，使土壤自身养分供应和肥料养分供应的叠加效应与作物需肥特征相结合，以提高作物产量和肥料利用效率[12]。众多学者研究表明，缓控释肥料养分的释放量和释放时间与水稻的需求相吻合，具有“削峰填谷”的效果，不同于施用化肥而造成的水稻前期分蘖过多、后期养分供应不足等问题[13-16]。前人对超级稻养分吸收特性的研究主要集中在一季稻，而对超级稻早稻和晚稻的养分需求研究较少，尤其对与超级稻相关的缓/控释肥等新型肥料的研发机制研究更少[17-19]。

本研究于2016年研究了氮钾养分不同优化运筹技术下超级稻晚稻产量和肥料利用效率变化，并对超级稻晚稻吸肥特征进行了探索，研究结果可为超级稻晚稻相应缓/控释肥等新型肥料的研发提供理论依据，也可为实现超级稻晚稻化肥减施增效及农业环境的可持续发展提供实践基础。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验在浏阳市达浒镇金石村进行。稻田土壤pH值5.35，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为21.80，1.56，0.36，18.9 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为119.8，10.7，60.6 mg/kg。

1.2 试验材料

水稻品种：超级稻5优103；肥料种类：氮肥-尿素，磷肥-过磷酸钙(含P 120 mg/kg)，钾肥-氯化钾(含K 600 mg/kg，加拿大产)。

1.3 试验设计

试验设4个处理：对照(CK，不施肥)；常规施肥(N和K-基肥∶分蘖肥=3∶2)；优1(N和K-基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2)；优2(N-基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2，K-基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶3∶3)。施肥用量为：N 180 kg/hm2，P2O575 kg/hm2，K2O 120 kg/hm2。 每处理3个重复，小区面积5 m × 8 m=40 m2，共12个小区，随机区组排列，小区用田埂分开，田埂宽度20 cm，田埂上覆膜。磷肥作基肥一次性施入。晚稻插值规格为：株距×行距=20 cm×25 cm。具体施肥时期和用量见表1。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 样品采集 在水稻不同生育时期采用五点取样法取0～20 cm耕层土壤，风干后，测定土壤速效养分等。

表1 尿素和氯化钾施用时期和施用量Tab.1 Application period and amount ofurea and potassium chloride kg/hm2

1.4.2 测定指标 土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾；分小区单打单收单晒，准确测定产量、收获后的总鲜质量以及晒干后吹去空壳后的经济产量。

1.4.3 测定方法 植株中的氮、磷、钾含量分别用浓H2SO4-H2O2消煮、流动注射分析仪和火焰光度计测定；土壤中的碱解氮、有效磷和速效钾分别用碱解扩散法、碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法和乙酸铵提取-火焰光度法测定[20]；水稻秸秆产量采用磅秤称量，稻谷产量采用电子秤称量。

1.4.4 数据处理 作图和统计分析分别用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 13专业版进行。

N、P、K 肥料利用率=(施肥区植株养分总量-空白区植株养分总量) /施肥总量 × 100%

①

理论产量=每公顷有效穗×穗粒数×结实率×千粒质量/1 000 000

②

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻产量及产量结构的影响

从表2可以看出，施肥处理的水稻株高、有效穗数量、稻谷理论产量和实际产量均显著高于不施肥处理；优1和优2处理的有效穗数量、稻谷理论产量和实际产量均高于常规施肥处理，水稻群体株高低于常规施肥处理；优1处理的有效穗数量、稻谷理论产量和实际产量均高于优2处理，株高低于优2处理，其中，二者有效穗数量差异显著；与常规施肥处理相比较，优1处理的水稻实际产量、有效穗数量和千粒质量分别提高了5.3%，17.3%和3.4%，优2处理的分别提高了2.3%，1.5%和0.8%。

表2 不同施肥处理下水稻成熟期的生物及产量性状Tab.2 Biological characters and yield of rice mature stage under different fertilization treatments

注：同栏内不同字母表示差异显著 (P<0.05)，多重比较采用邓肯氏新复极差法。表3、图1-7同。

Note：Different letters within the same column mean significant difference，Duncan′s multiple range test，at 5% level.The same as Tab.3，Fig.1-7.

2.2 不同施肥处理对肥料养分利用率的影响

从表3可以看出，优1、优2处理下氮磷钾利用效率均显著高于常规施肥处理，优1、优2处理间氮素利用效率差异显著，磷钾利用效率差异不显著；与常规施肥处理相比较，优1、优2处理的氮素利用效率分别提高了30.4%，15.3%，磷素利用效率分别提高了21.2%，14.8%，钾素利用效率分别提高了28.4%，20.7%。这说明，优1的氮钾养分优化运筹技术更吻合超级稻晚稻的吸肥规律。

2.3 不同施肥处理对水稻群体单株干物质积累量的影响

从图1可以看出，移栽后，随水稻生长发育进行，单株干物质积累量持续上升，不施肥处理下单株干物质积累量上升趋势相对平缓。施肥处理中，约在第50天(孕穗期)之前，常规施肥处理的干物质积累量高于优1，第50天之后，优1、优2处理的群体单株干物质积累量开始高于常规施肥处理，且优1开始高于优2处理；完熟期，优1处理和优2处理的群体单株干物质积累量分别高出常规施肥处理4.4%和1.4%。相对于常规施肥处理和优2处理，优1处理的施肥比例和氮钾运筹方式对水稻生长发育后期表现出一定的优势，表明适当地运筹氮钾养分将更能有效地促进水稻干物质累积。

表3 不同施肥处理下的肥料养分利用率Tab.3 Fertilizer use efficiency under different fertilization treatments %

图1 不同施肥处理下水稻群体单株干物质累积量动态变化Fig.1 Dynamic changes of single-plant dry matter accumulation under different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理对水稻群体单株氮总量的影响

从图2可以看出，移栽后，随着水稻生长发育的进行，地上部分生物量迅速提高，群体单株总氮量持续上升，不施肥处理下群体单株总氮量变化较施肥处理相对平稳。施肥处理中，在第50天(孕穗期)左右之前，常规施肥处理和优2处理的水稻群体单株总氮量高出优1，而第50天左右之后，优1、优2处理水稻群体单株总氮量高出常规施肥处理；在第58天左右时，二者差值最大，随后差异变小；在第79天左右时，水稻群体单株总氮含量大小依次为优2处理>优1处理>常规施肥处理；完熟期时，优1、优2处理的群体单株总氮量分别高出常规施肥处理15.0%和12.6%。优1、优2处理相对于后期氮素不足的常规施肥处理表现出明显的优势，尤其是优1处理，这表明适宜地运筹氮钾养分将更能有效地增加水稻的总氮量。

图2 不同施肥处理下水稻群体单株总氮量动态变化Fig.2 Dynamic changes of single-plant total nitrogen under different fertilization treatments

2.5 不同施肥处理对水稻群体单株磷总量的影响

从图3可以看出，移栽后，随着水稻生长发育的进行，地上部分生物量迅速提高，群体单株总磷量持续上升，不施肥处理下群体单株总磷量变化较施肥处理相对平稳，水稻单株总磷量和总氮量的增长趋势基本一致。施肥处理中，在第28天左右之前，3种施肥处理差异不明显；第28～50天左右，常规施肥处理的水稻群体单株总磷量开始高于优1、优2处理；在第50天左右之后，优1处理水稻群体单株总磷量开始高出常规施肥处理和优2处理，且优1处理一直高于优2处理，在第58天左右时，常规处理和优1处理二者差值最大，随后差异较小；完熟期时，优1处理的群体单株总磷量高出常规施肥处理4.2%。合理地运筹氮钾养分将能更有效地促进水稻对磷素的吸收，致使水稻总磷量增加。

图3 不同施肥处理下水稻群体单株总磷量动态变化Fig.3 Dynamic changes of single-plant total phosphorus under different fertilization treatments

2.6 不同施肥处理对水稻群体单株钾总量的影响

从图4可以看出，水稻群体单株总钾量同总氮和总磷的增长趋势基本一致，不施肥处理的在移栽约40 d后单株总钾量趋于平缓。第40天(穗分化期)之前，常规施肥处理的水稻群体单株钾量增长速度高于优1处理；在移栽后第50天左右之前，常规施肥处理和优2处理的水稻群体单株钾总量高于优1处理；在移栽后第50～79天左右，优1处理的水稻群体单株总钾量开始高于常规施肥处理优2处理，约在第79天时，三者差值最大，随后差异较小；完熟期时，优1处理和优2处理的群体单株总钾量分别高出常规施肥处理12.9%和17.0%。合理地运筹氮钾养分将更能有效地促进水稻对钾素的吸收，使水稻总钾量增加。

图4 不同施肥处理下水稻群体单株总钾量动态变化Fig.4 Dynamic changes of single-plant total potassium under different fertilization treatments

2.7 不同施肥处理下水稻群体单株氮素累积动态和土壤碱解氮供应动态

由图5可知，水稻需氮高峰在分蘖盛期(17～28 d)、抽穗期(40～58 d)和灌浆期(79±15 d)，土壤氮素供应呈现2个高峰，第1个在水稻移栽后的第17～40天，第2个在移栽后的第40～106天，第1个高峰的降幅最大。第1个土壤氮素供应高峰期内，在水稻移栽第1～17天，优2处理的水稻群体单株氮素累积量高于常规施肥处理和优1处理；第17～28天，28～40天常规施肥处理开始高于优1和优2处理，但这3种施肥处理间差异均不显著；第2个土壤氮素供应高峰期内，在水稻移栽后的第40～58天，58～79天，79～106天水稻群体单株氮素累积量大小依次为优1处理>优2处理>常规施肥处理。不同的氮钾运筹方式影响着土壤氮素供应特性，从而最终影响水稻对氮素的吸收和累积。

水平轴的移栽天数区间跟左侧垂直轴单株氮素累积量相对应，代表植株一个时期的氮素累积量；次要水平轴的移栽天数和右侧次要垂直轴相对应，代表土壤一个时间点的碱解氮含量。The interval of transplanted days in the horizontal axis corresponds to the amount of nitrogen accumulation for the vertical axis of the left side，representing the plant a period of nitrogen accumulation;The number of days of transplanting of the secondary horizontal axis corresponds to the minor vertical axis on the right side，representing the alkali-hydrolyzale nitrogen content at a time point in the soil.

2.8 不同施肥处理对单株磷素累积动态和土壤有效磷供应动态

由图6可知，水稻在整个生育期内都需要磷素，其中，需磷高峰在移栽后的第40～58天，土壤磷素供应呈现2个高峰，第1个在水稻移栽后的第17～58天，第2个在移栽后的第58～106天。水稻移栽第1～28天，3种施肥处理之间水稻群体单株磷素累积量之间变化不一，差异不明显；第28～40天，常规施肥处理的水稻群体单株磷素累积量开始高于优1和优2处理，且常规施肥处理和优1处理的水稻群体单株磷素累积量差异达显著水平；水稻移栽第40～58天，水稻群体单株磷素累积量依次为优1处理>优2处理>常规施肥处理；水稻移栽第58天之后，水稻群体单株磷素累积量依次为优1处理>常规施肥处理>优2处理。不同的氮钾运筹方式影响着土壤磷素供应特性，从而最终影响水稻对磷素的吸收和累积。

2.9 不同施肥处理对单株钾素累积动态和土壤速效钾供应动态

由图7可知，水稻在成熟之前对钾的需求量都是很大的，也是持续的，3种施肥处理的水稻群体单株钾素累积量之间变化不一，其吸收高峰主要在水稻移栽后的第17～58天；水稻移栽第1～28天，优2处理的水稻群体单株钾素累积量高于常规施肥处理和优1处理，且常规施肥处理高于优1处理；第28～40天，常规施肥处理的水稻群体单株钾素累积量开始高于优1和优2处理；第40～58天，水稻群体单株钾素累积量依次为优1处理 > 优2处理>常规施肥处理，水稻移栽第58天之后，优2处理的水稻群体单株钾素累积量持续高于常规施肥处理和优1处理。不同的氮钾运筹方式影响着土壤钾素供应特性，从而最终影响水稻对钾素的吸收和累积。

水平轴的移栽天数区间跟左侧垂直轴单株磷素累积量相对应，代表植株一个时期的磷素累积量；次要水平轴的移栽天数和右侧次要垂直轴相对应，代表土壤一个时间点的有效磷含量。The interval of transplanted days in the horizontal axis corresponds to the amount of phosphorus accumulation for the vertical axis of the left side，representing the plant a period of phosphorus accumulation；The number of days of transplanting of the secondary horizontal axis corresponds to the minor vertical axis on the right side，representing the soil available phosphorus content at a time point in the soil.

水平轴的移栽天数区间跟左侧垂直轴单株钾素累积量相对应，代表植株一个时期的钾素累积量；次要水平轴的移栽天数和右侧次要垂直轴相对应，代表土壤一个时间点的速效钾含量。The interval of transplanted days in the horizontal axis corresponds to the amount of potassium accumulation for the vertical axis of the left side，representing the plant a period of potassium accumulation；The number of days of transplanting of the secondary horizontal axis corresponds to the minor vertical axis on the right side，representing the soil available potassium content at a time point in the soil.

3 讨论与结论

水稻施肥体系的完善是建立在对水稻养分需求特性探索的这个基础之上的，不按水稻需肥特性而进行施肥，不仅很难高产，反而会导致肥料利用率下降和养分流失，更为严重的还会导致农业面源污染，使生态环境遭到破坏[21-24]。2017年8月14-16日，在辽宁省本溪市召开的中国土壤学会“新型肥料开发与工艺研讨会”上，部分科研人员在报告中披露，目前，不仅研发出了缓/控释氮肥，而且还对缓/控释磷肥和缓/控释钾肥进行了研发，并取得了较好的效果，不仅促进了作物增产，而且还大大提高了磷肥和钾肥的利用效率。本试验主要针对超级稻晚稻氮钾进行养分运筹和施用量设置，其本质上是寻找更能吻合超级稻晚稻吸肥特性的施肥方式，以提高水稻产量和养分利用效率，同时，也为与超级稻晚稻相关的缓/控释肥的研发和化肥减施增效技术提供理论依据和实践基础。下一步，将持续对超级稻早稻的需肥特性进行探索。

试验通过氮钾养分运筹，进行部分氮素和钾素后移，以减少超级稻晚稻生长发育前期氮素和钾素的盈余和弥补其生长发育后期氮素和钾素的不足。与常规施肥处理相比较，养分运筹可以增加有效穗数，提高水稻产量；与优1处理相比较，优2处理钾素的过分后移提高了水稻灌浆期和成熟期群体单株钾素累积量，但有效穗数量和产量反而低于优1处理，这可能是因为钾素的过分后移，错过了其起主要作用的水稻关键生育期。水稻植株内的钾素主要与光合产物的运输有关[25]，根据不同处理下的产量和不同时期植株钾素累积量变化推断，超级稻晚稻需钾的关键时期可能在孕穗期-齐穗期期间，此时的钾素需求可能对后期的灌浆期光合产物的运输起着至关重要的作用，常规施肥处理的钾素主要在孕穗期前吸收，在孕穗期-齐穗期这段时间内供应不足，可能影响了灌浆期光合产物的运输；超级稻晚稻钾肥施用可能要保持水稻在孕穗期-齐穗期期间有最大的吸收量，这可能才是钾肥促进水稻高产的关键。因此，为水稻研制缓/控释钾肥是非常可行的，也是有必要的，本试验的钾肥运筹效果为缓/控释钾肥的研发提供了理论依据和实践基础。

本试验表明，在水稻移栽后第50天左右之前，常规施肥处理的水稻群体单株干物质累积总量、总氮量、总磷量和总钾量均高于优1处理和优2处理，之后，均低于优1处理，这说明合理的氮钾养分运筹能够提高氮磷钾利用效率，并促进水稻后期的生长发育；完熟期，优1处理的水稻群体单株干物质累积量、总氮、总磷量均高于优2处理，而试验中的磷肥是一次性施入的，说明氮磷钾肥之间是相互促进吸收的，这与田智慧等[26]的研究相一致，更说明水稻氮磷钾需平衡施用[27-28]。在水稻移栽后第79～106天，优1处理和优2处理间单株氮素和磷素累积量差值逐步减少，就是钾素促进水稻氮磷吸收的例证；尽管试验中磷肥是一次性施入的，水稻对磷素的吸收是逐步增加，然后又逐步降低，中间没有大起大落，其吸收的高峰在水稻移栽后的第40～58天，而且此时优1处理的磷素累积量最大，说明水稻氮磷钾的平衡施用更能促进相互吸收，优1处理的氮钾运筹方式较优2处理更为科学，同时，也说明，为水稻研制缓/控释磷肥是非常有必要的，而且本研究的水稻群体单株磷素累积动态也为缓/控释磷肥的研发提供了理论依据和实践基础。

水稻氮肥施用研究得比较多，超级稻晚稻的需氮高峰在分蘖期、抽穗期和灌浆期，这与蒋彭炎等[1]的研究结果相一致，为超级稻晚稻的缓/控释氮肥的研发提供了依据；同时，优1处理和优2处理的钾素的运筹不一致，导致前者的产量、氮磷钾利用效率、氮磷累积量等高于后者，有的甚至达到了显著水平，这就说明，养分运筹时，要求氮磷钾养分运筹同步，即不同时期的氮磷钾施用量一定要均衡，这也说明，在研发缓/控释氮磷钾肥时，不仅要根据水稻对氮磷钾的需求特性进行，同时也要考虑到它们释放时三者的均衡性。

肥料的施用与土壤养分的供应时间如能与超级稻晚稻的养分需求吻合同步，就会大大提高肥料的利用效率和水稻产量。本研究中的氮钾养分运筹的2个处理均比常规施肥处理提高了稻谷实际产量、有效穗数量、千粒质量、氮肥利用效率、磷肥利用效率、钾肥利用效率、干物质累积量、氮素累积量、磷素累积量、钾素累积量，其中，优1处理(氮钾基追比为基肥∶分蘖肥∶穗肥= 5∶3 ∶ 2)提升比率较高(钾素累积量除外)，较常规施肥处理依次提高5.3%，17.3%，3.4%，30.4%，21.2%，28.4%，4.4%，15.0%，4.2%，12.9%。优1处理的氮钾养分运筹效果与相应土壤的供肥特征可能更吻合超级稻晚稻养分需求特性，致使其产量和氮磷钾利用效率最高。优1处理只是从3个时期对超级稻晚稻运筹施肥用量，如果能针对其需肥规律进行多次施肥和设置用量，其产量和养分利用效率可能将会更高。本研究结果为缓/控释氮磷钾肥的研发奠定了实践基础，也为超级稻晚稻化肥减施增效提供了理论依据。

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