控失尿素对水旱轮作下水稻产量和氮素利用效率的影响

2018-03-20李志国张润花张润琴

中国土壤与肥料 2018年1期

李志国，张润花，陈防，姜敏，王利，刘闯，张润琴，刘毅*

(1.中国科学院武汉植物园，中国科学院水生植物与流域生态重点实验室，湖北武汉 430074；2.武汉市农业科学院蔬菜研究所，湖北武汉 430065)

尿素是目前中国农业生产中施用量最大的氮肥，为保证粮食稳产高产和粮食安全供给发挥了非常巨大的作用[1-2]。但是，我国农业生产由此出现对化肥滥用现象，氮肥的当季利用率仅为30%～35%，其余大部分氮素则以各种形式进入大气和水体[3-4]，造成氮肥的严重损失和环境污染，严重威胁着我国农业可持续有效发展[5-6]。减少农田氮素损失，开发符合作物养分吸收动态的新型肥料，已成为国内外众多研究者关注的焦点[1-2,7]。控失肥料可以通过对肥料本身进行包膜加工、改型改性，减缓、控制肥料的溶解和释放速度，提高养分利用效率，是目前肥料领域新的发展方向[1]。我国地域广阔、气候多变、土壤类型以及作物种植制度复杂，这些因子均会影响控失肥料氮素的控制和释放特性。水旱轮作是长江流域一种主要栽培模式[8]，但是，对于控失肥料在该模式下的施肥效果、养分释放特性及施肥技术等方面的研究还比较缺乏。因此，本文以控失尿素和普通尿素为材料，采用其不同用量和组合，在长江流域湖北省洪湖和丹江口两个南方典型稻麦轮作体系上对水稻进行肥效试验，以期为进一步改善控失氮肥的性能，提高氮肥利用率和水稻肥料的高效施用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年6～10月在洪湖大同湖农场和丹江口良种厂实验农场进行。大同湖农场土壤类型为潮土，土壤pH值7.33，有机质含量1.71%，碱解氮60.9 mg/kg，有效磷7.2 mg/kg，速效钾160.7 mg/kg。丹江口良种厂土壤类型为黄棕壤土，土壤pH值7.3，有机质1.1%，碱解氮83.30 mg/kg,有效磷17.01 mg/kg，速效钾293.96 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设8个处理：CK(不施氮肥)、T1(100%普通尿素)、T2(100%控失尿素)、T3(控失尿素减量10%)、T4(控失尿素减量20%)、T5(70%控失尿素+30%普通尿素)、T6(50%控失尿素+50%普通尿素)、T7(30%控失尿素+70%普通尿素)。控失尿素含氮量为43.2%，氮控失率≥45%。该肥料利用天然材料控失剂遇水自组装微纳分子网络的原理，网捕化肥分子，从而达到养分缓释和控失的目的。磷、钾肥为过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 50%)。除CK不施氮处理外，各处理氮、磷、钾用量一致，分别为180、75和120 kg/hm2。磷、钾肥和控失尿素作为基肥一次性基施，普通尿素以50%基肥、30%分蘖肥和20%抽穗肥施入。每个处理小区面积为20 m2(4 m×5 m)，重复3次，共24个小区，随机排列。小区周围铺设农用地膜以避免水肥相互渗透。洪湖水稻品种‘金科优66号’，丹江口水稻品种‘天优8号’，每穴1～2株，行株距15 cm×30 cm。

1.3 样品采集与测定

施肥前采集试验地基础土样分析其理化性质。收获后用土钻于各小区采用“多点混合法”采样，采集0～20 cm土样，用常规方法[9]测定碱解氮、有效磷、速效钾养分含量。每小区取5穴水稻植株用于生物量及养分含量的测定，用丙酮法[10]测叶片叶绿素含量。水稻产量采用实打实收，计产。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0软件对数据处理和分析，采用LSD方法进行多重比较分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 控失尿素对水稻产量的影响

与不施氮肥(CK)比，施肥处理显著提高水稻产量，增幅15%～69%(表1)，其增产原因在于有效穗数的增加。其中，普通尿素全量T1处理水稻产量最高，丹江口地区可以达到9.96 t/hm2，洪湖为6.14 t/hm2。控失尿素的增产效果低于普通尿素，在丹江口地区两处理间产量相差1.32 t/hm2，差异达到显著水平(P<0.05)。在控失和普通尿素不同配比处理中(T5～T7)，洪湖地区各处理间没有显著差异，但在丹江口地区，控失与普通尿素混合施用比单施控失尿素增产，T5(控失/普通=7∶3)和T6(控失/普通=5∶5)处理增产效果较好，分别比单施控失肥料增产0.89和0.92 t/hm2。氮素减量处理对千粒重没有显著影响，但显著降低有效穗数，从而降低产量，在丹江口地区，减量10%(T3)和减量20%(T4)处理减产约0.40 t/hm2。

注:每列不同字母表示差异达5%显著水平,下同。

2.2 控失尿素对水稻株高和生物量的影响

由表2可见，氮肥处理对水稻株高和生物量累积有明显促进作用，但是普通尿素和控失尿素处理之间无明显差异。在控失和普通尿素不同配比的3个处理中，T5处理比T6和T7更有利于水稻的生长，具有较高的株高和生物量。在目前施N水平下，减量10%(T3)和减量20%(T4)处理均会降低水稻株高和生物量累积，但是与全量T2处理相比，差异没有达到显著水平。

表2 控失尿素对株高和生物量的影响

2.3 控失尿素对水稻叶片叶绿素含量的影响

结果表明，控失尿素和普通尿素均可提高水稻叶片叶绿素含量，但这两种肥料施肥处理间没有达到显著差异(表3)。控失和普通尿素不同配比处理间(T5～T7)无显著性差异。在目前施N 180 kg/hm2水平下，控失尿素减量10%不会对叶绿素含量造成明显影响，但减量20%则会显著降低洪湖地区中低产田水稻叶片叶绿素含量。

表3不同尿素处理对叶绿素含量的影响 (mg/g鲜重)

2.4 控失尿素对水稻氮素累积和氮肥利用效率的影响

数据显示，施用氮肥可显著提高水稻氮素累积量和氮肥利用效率，但是不同地区控失尿素肥效有所不同(表4)。丹江口数据显示，与普通尿素比，控失尿素可以增大水稻秸秆含氮量，促进氮素吸收累积量，提高氮肥利用效率6%；控失尿素与普通尿素混施比单施更能提高肥料利用率，控失/普通为7∶3(T5)处理表现最好。但是，在洪湖地区，控失尿素处理水稻氮素累积量和氮肥利用效率低于普通尿素，混施处理效果不是很明显，并且控失/普通为3∶7(T7)处理则显著降低肥料利用率。控失尿素减量处理(T3和T4)在两地区均表现降低植物氮素累积和氮肥利用效率，丹江口控失减量10%(T3)和减量20%(T4)处理肥料利用率分别降低41%和51%，而洪湖则降低了48%和84%。

表4 控失尿素对氮素累积和氮肥利用效率的影响

2.5 控失尿素对土壤有效态养分含量的影响

水稻收获后土壤残留有效态氮、磷、钾养分含量见表5。结果表明，与CK比，施肥处理降低了土壤残留有效态氮、磷、钾含量，说明本试验施肥量较为合适，且能促进植物对土壤养分的吸收。普通尿素处理土壤碱解氮和速效钾含量低于控失尿素，说明普通尿素比控失尿素更能促进水稻对土壤养分的吸收，尤其是对丹江口的磷素，差异达到显著水平。控失减量处理表现出降低土壤有效态氮、磷、钾含量的趋势，但是除对丹江口土壤的磷素外，均没有达到显著差异水平。在控失和普通尿素不同配比处理中，控失/普通为7∶3(T5)处理土壤碱解氮和速效钾含量低于控失/普通为5∶5(T6)和控失/普通为3∶7(T7)处理，而有效磷却表现相反趋势。

表5 控失尿素对土壤有效态养分含量的影响 (mg/kg)

3 讨论

控失尿素作为一种新型肥料，对作物产量形成和肥料利用率的影响已有较多研究[11-14]。普遍认为控失尿素可以通过包膜材料的胶体和静电吸附等作用将化肥中的氮素固定在控失剂遇水自组装形成的一个个微纳分子网络中，以限制其释放的速率，避免养分流失，可以在整个生长周期内供应作物所需养分，从而提高肥料利用效率和作物产量[11,14]。本研究发现，控失尿素比普通尿素提高了水稻千粒重，但降低了水稻有效穗数，增产效果低于普通尿素，且这种差异在丹江口地区比在洪湖地区表现更为显著。产生与前人不一致结果的原因可能与试验地土壤质地和肥力有关。不同地区土壤的矿物质和有机质等成分含量的不同可能会影响控失尿素包膜材料的静电吸附作用，近而影响控失尿素控制养分释放的速率以及作物产量和肥料利用效率[15-16]。另外，在本试验中，普通尿素和控失尿素两种不同的施肥方式可能也是引起控失尿素的增产效果低于普通尿素的主要原因。控失尿素缓慢释放养分，以一次性基肥方式施入。尽管这种模式可以通过缓慢释放养分来达到水稻整个生长周期的生长需求，养分流失率较低，利用率高[1-2]，但其可能出现水稻在快速需肥高峰期缺肥现象，例如，在分蘖旺期和抽穗开花期。正是这种关键生长期的缺肥往往会显著影响水稻的生长、分蘖以及造成籽粒营养减少，灌浆不足，大大降低稻米品质和产量[17]。相反，普通尿素通过基肥加两次追肥(分蘖肥和抽穗肥)的施肥方式正好抓住了水稻关键需肥期，尽管可能会出现氮素短期流失和不充分利用现象，但它可能更有利于促进水稻分蘖和营养期养分的累积，最终导致产量高于控失尿素处理。

许多研究表明，控失和普通尿素混施效果优于单施普通尿素或控失尿素[18-20]。本文也证实了混施比单施可以提高肥料利用率，有效降低土壤有效氮素残留，增大产量。混合配施提高肥效的原因有两个，一个是混施弥补了因单施控失尿素出现的作物生长前期养分短缺问题；另一个是混施弥补了普通尿素因养分释放率快而导致的作物生长后期供肥不足现象。然而，这种混施效果在丹江口地区效果比较明显，但在洪湖地区作用不是太显著。这种结果可能是两地区土壤质地、矿物质含量以及肥力的不同而影响了控失尿素的氮素释放速率而导致，具体原因仍需进一步试验分析验证。