缓/控释肥对双季稻产量、氮素吸收和平衡的影响①

侯红乾，冀建华，刘益仁，黄永兰，冯兆滨，刘秀梅，胡兆平，韦礼和，王子君



缓/控释肥对双季稻产量、氮素吸收和平衡的影响①

侯红乾1, 2, 3，冀建华1, 2, 3，刘益仁1, 2, 3，黄永兰4，冯兆滨1, 2, 3，刘秀梅1, 2, 3*，胡兆平5，韦礼和6，王子君1, 2, 3

(1江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200；2国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 330200；3农业部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室，南昌 330200；4江西省超级水稻研究发展中心，南昌 330200；5金正大生态工程集团股份有限公司，山东临沭 276700；6吉安市畜禽良种场，江西吉安 343000)

在江西省双季稻区连续2年设置大田定位试验，设置不施氮(CK)、分次优化施肥(OPT)、一次性基施缓/控释肥(100CRF)和一次性基施80% 缓/控释肥(80CRF)4个施肥处理，研究施用缓/控释肥对双季稻产量、氮素吸收与利用、土壤矿质氮累积以及系统氮素平衡的影响。结果表明：与OPT处理相比，100CRF、80CRF处理2年4季水稻产量均无显著差异，但100CRF处理水稻吸氮量显著提高(<0.05)，在2013年早晚稻分别提升32.58%(<0.05)和15.41%(<0.05)，80CRF处理与OPT处理无显著差异。施用缓/控释肥与分次优化施肥比较，能提高早晚稻氮肥表观利用率、氮肥表观残留率，降低土壤氮素损失率。在双季稻连作体系，土壤中矿质氮含量在同生育期均表现为早稻高于晚稻，100CRF、80CRF处理与OPT处理在分蘖期、抽穗期、成熟期均无显著差异，但土壤NO– 3-N在晚稻成熟期100CRF处理显著高于OPT处理(<0.05)。2年平均100CRF和80CRF处理氮损失量比OPT处理分别减少65.34 kg/hm2(33.08%)和90.64 kg/hm2(45.89%)。氮盈余量分别减少51.63 kg/hm2(29.41%)和85.13 kg/hm2(48.49%)。因此缓/控释肥施用可促进双季稻获得高产，增加植株氮素吸收，维持了较高的土壤氮素水平并减少氮素损失，当前生产条件下，缓/控释肥减量20%，双季水稻在维持高产的同时氮肥利用率最高，氮素损失最低，是一种较为合适的施肥方式。

双季稻；缓/控释肥；产量；氮素吸收；氮素平衡

氮肥的施用在我国农业生产中发挥了重要的作用，但近年来随着氮肥施用量迅速增加，氮肥增产效应呈递减趋势，氮肥当季利用率偏低、损失率偏高、环境风险增加等问题日益凸显[1-2]。如何在提高作物产量的同时，有效减少氮肥对环境的负面作用，已经成为现在农业科学研究的重大课题。控释氮肥能有效解决这一问题，控释氮肥具有养分释放与作物吸收同步的优点，一般认为，缓/控释肥比速效氮肥利用率提高10% ~ 30%，比传统速效肥料可减少用量10% ~ 40%，且能实现全生育期一次性施肥[3-6]。因而，缓/控释肥的研究与应用对实现2020年农用化肥的“零增长”目标，推动资源节约型和环境友好型绿色农业的发展具有重要意义。

已有结果表明，缓/控释肥能改善作物生长发育，提高水稻、小麦、玉米和花生等作物产量[7-12]。关于缓/控释肥种类、配施方式、掺混比例及管理措施对作物氮素吸收利用、肥料氮的释放、土壤氮素残留等方面有大量的研究[13-16]。目前在稻田针对缓/控释肥的研究主要集中在水稻产量提升、肥料氮养分释放和养分利用率提升方面，且多以一年试验结果为主，由于缓/控释肥肥效较长，可能在后季作物中进一步发挥，残留在土壤中氮素，未被当季作物吸收利用，这部分残留氮对后季作物仍是有效的，因此有必要研究施用缓/控释肥在双季稻田多年连作体系，水稻产量、氮素吸收、土壤-作物系统氮素平衡特征。以期准确评价稻田应用缓/控释肥土壤氮素状况及环境影响。

本研究以南方双季水稻体系为研究对象，选用具有代表性水稻专用缓/控释配方肥。连续2年4季作物定位研究了全量及减量施用缓/控释肥条件下，早、晚稻的产量效应、氮素吸收利用情况、土壤残留氮素的动态变化及整个系统氮素平衡状况，为南方双季稻区缓/控释肥的推广应用提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2012—2013年连续2年在江西省南昌县冈上镇进行定位试验(28°25′N，115°51′E)，土壤类型为第四纪红壤发育的潴育性水稻土，该区域地处中亚热带，年平均气温17.5 ℃，≥10 ℃积温5 400 ℃，年降雨量1 600 mm，年蒸发量1 800 mm，无霜期约280 d。温、光、热资源丰富，适宜大多数农作物生长。水稻移栽前土壤有机质为32.52 g/kg、全氮为1.89 g/kg、碱解氮为135.6 mg/kg、有效磷为35.8 mg/kg、速效钾为94.14 mg/kg、pH为6.20。

1.2 供试品种

早稻品种为佳优98，于4 月中旬抛秧, 密度为43.4 万兜/hm2，7 月上旬收获，全生育期 110 d左右。晚稻品种为101，于7 月中旬移栽, 密度为18 万兜/hm2，10 月中下旬收获，全生育期120 d左右。

1.3 试验设计

早晚稻大田试验设4个处理，分别为：①不施氮肥(CK)；②优化分次施肥(OPT)；③一次性基施缓/控释肥(100CRF)；④一次性基施80% 缓/控释肥(80CRF)。其中处理2、3等养分设计，小区面积30 m2，区组随机排列，重复3 次，共12 个小区。

早稻以每公顷施纯N 157.5 kg、P2O575 kg、K2O 135 kg为基础。晚稻以每公顷施纯N 180 kg、P2O554 kg、K2O 171 kg为基础。推荐施肥，氮肥用尿素(N，46.30%)，磷肥用钙镁磷肥(P2O5，12%)，钾肥用氯化钾(K2O，60%)，早晚稻施肥方法，氮、钾肥料基肥︰分蘖肥︰穗肥为50%︰25%︰25%，磷肥全部基施；试验用缓/控释肥由金正大生态工程集团股份有限公司生产，早稻缓/控释肥(N-P2O5-K2O含量为21-10-14)，晚稻缓/控释肥(N-P2O5-K2O配方为20-6-19) 均一次性施用，缓/控释肥氮素由包膜尿素提供，磷、钾分别由磷酸一铵、氯化钾提供，控释尿素养分释放期80 d，缓/控释肥用量以OPT处理中氮肥为标准，养分不足部分用氯化钾补充，详细施肥量及施肥方法见表1。

在早、晚稻生长期间，田面灌溉水保持在5 ~ 8 cm，水稻收获10 d排水，冬季休闲，不进行灌溉和栽培作物。小区间用田埂分隔开，单独设立排灌水沟，各小区均采用最优的水分调控技术进行生产管理，除肥料处理外的其他田间管理措施与当地农民的大田管理相同。

表1 各处理施肥量和施肥方式

注： CK、OPT、100CRF和80CRF分别表示不施氮肥、优化施肥、施用缓/控释肥和80% 用量缓/控释肥处理，下同。磷肥全部基施。

1.4 项目测定及方法

2012 年试验田施基肥前取 0 ~ 20 cm 耕层土壤，按常规法测定土壤基本理化性质[17]。2012—2013年每年分别在早晚稻分蘖期、抽穗期在每小区选择 5 个位点，采用土钻取0 ~ 20 cm新鲜土样，在水稻成熟期分别取0 ~ 20、20 ~ 40 cm土样，土壤等层混合后，放入冰盒迅速带回实验室。新鲜土样过5 目筛后，采用2 mol/L的KCl溶液进行振荡浸提，采用流动分析仪同时测定土壤NO– 3-N和NH4+-N含量。

水稻收获后分小区单打、单收，以风干重记产，水稻实际产量用烘干法折算。并在每小区取代表性植株 5 株，分秸秆和籽粒两部分称取干重后粉碎，采用 H2O2-H2SO4消煮，用凯氏定氮仪测定秸秆和籽粒的含氮量。

1.5 计算公式[16,18-19]

土壤氮素净矿化量 (kg/hm2) = 不施氮处理作物吸氮量+不施氮处理土壤矿质氮累积量–不施氮处理土壤起始矿质氮累积量；

土壤氮素表观损失量 (kg/hm2) = 施氮量+土壤起始矿质氮累积量+土壤氮素净矿化量–作物携出量–收获后土壤残留矿质氮累积量；

氮素收获指数= 籽粒吸氮量/植株总吸氮量；

氮肥表观利用率(%) = (施氮区植株总吸氮量–空白区植株总吸氮量)/施氮量×100；

氮肥表观残留率(%) = (施氮区土壤矿质氮残留量–无氮区土壤矿质氮残留量) /施氮量×100；

氮肥表观损失率(%) = 100%–氮肥表观利用率–氮肥表观残留率。

1.6 数据分析

数据处理及作图使用Sigmaplot完成。数据分析使用DPS7.05统计软件进行单因素方差分析(ANOVA)，多重比较采用Duncan 新复极差法。

2 结果与分析

2.1 施用缓/控释肥对水稻产量和氮素吸收的影响

由表2可知，连续2 年施用缓/控释肥早晚稻产量变化规律相似，所有施肥处理产量均显著高于CK(不施氮)(<0.05)，但各施氮肥处理间无显著差异；2年产量平均以80CRF处理最高，比CK增产25.32%(<0.05)。所有施氮处理生物量均显著高于CK (0.05)；各施氮肥处理间在2013年早稻以100CRF处理生物量最高，显著高于OPT处理(<0.05)，其余季节施氮肥处理间无显著差异；2年生物量平均以100CRF处理最高，比CK增产27.7% (<0.05)，100CRF与80CRF处理间生物量无显著差异。所有施氮肥处理吸氮量显著高于CK(<0.05)，施氮肥处理间也存在显著差异，其中100CRF处理与OPT处理，在2013年早晚稻均达到显著差异水平(<0.05)，分别提高32.58% 和15.41%。100CRF吸氮量高于80CRF处理，在2012年晚稻达到显著差异水平(<0.05)，提高了14.89%，80CRF与OPT之间无显著差异。氮的收获指数除2012年早稻以外，施氮处理间以80CRF处理最高，在2012年晚稻显著高于OPT、100CRF处理。

综上，施用缓/控释肥与优化分次施肥处理间产量相当；全量施用缓/控释肥比优化分次施肥能提高水稻生物量和吸氮量；减量20% 施用缓/控释吸氮量与优化施肥水稻生物量和吸氮量相当，但能提高氮的收获指数。

表2 应用缓/控释氮肥对2012年和2013年双季稻产量、地上部生物量和氮素吸收量的影响

注 ：相同年份同一列数值后小写字母不同表示处理间达到显著差异(<0.05)，下同。

2.2 施用缓/控释肥对水稻氮素利用及土壤氮素残留、损失的影响

由表3可知，施氮极显著影响早晚稻氮肥表观利用率、残留率和损失率。施缓/控释肥处理氮肥表观利用率最高，显著高于OPT处理(<0.05)；第一年早稻，80CRF显著高于100CRF处理(<0.05)，其余季节两个施用缓/控释肥处理之间无显著差异，原因是80CRF虽然施氮量低，但籽粒秸秆氮含量、吸氮量均较低。100CRF处理比OPT显著提高土壤氮素表观残留率，两年早晚稻均达到显著差异(<0.05)；80CRF与100CRF处理之间无显著差异。100CRF处理、80CRF处理比OPT处理均显著降低土壤氮素的损失率，两年早晚稻均达到显著差异(<0.05)；80CRF处理损失率最低，在2012年早稻中显著低于100CRF处理(<0.05)。

综上，施用缓/控释肥与分次优化施肥比较，能提高早晚稻氮肥表观利用率，提高氮肥表观残留率，降低土壤氮素损失率。通过缓/控释肥减量20% 施用，氮肥表观利用率2年平均最高，氮肥表观损失率最低，氮肥表观残留率维持在较高的水平。

2.3 施用缓/控释肥对双季稻田土壤矿质氮动态变化的影响

施氮肥处理对土壤NH4+-N动态变化有显著影响(图1)，在早稻季施肥处理NH4+-N浓度要高于CK处理，在分蘖期达到显著差异(<0.05)，在抽穗期和成熟期无显著差异。OPT处理在分蘖期和抽穗期均最高，而100CRF在成熟期最高，施肥处理之间无显著差异。在晚稻季变化趋势与早稻相同，但同期的浓度下降。

表3 应用缓/控释肥对水稻氮素利用、残留、损失率的影响

图1 双季稻体系0 ~ 20 cm土壤NH4+-N动态变化

土壤NO– 3-N在早晚稻变化规律相同(图2)，在分蘖期和抽穗期各处理含量均比较低，但到成熟期后，土壤NO– 3-N显著提高，其中施肥处理显著高于CK(<0.05)，施肥处理之间表现为缓/控释肥处理要高于OPT处理，其中在晚稻收获期100CRF显著高于OPT、80CRF处理(<0.05)，原因可能是稻田土壤处于淹水状态，土壤氮素以NH4+-N为主，土壤NO– 3-N含量较低，到后期由于土壤干湿交替，硝化作用增强，NO– 3-N含量水平逐步增高，控释肥由于土壤氮素在后期仍有释放，因此有大量NO– 3-N累积。

图2 双季稻体系0 ~ 20 cm土壤NO– 3-N动态变化

土壤中矿质氮(NH4+-N+NO– 3-N)是土壤供氮能力的重要指标。其变化直接反映了土壤当季氮素的供应强度。由图3可以看出，早晚稻土壤矿质氮变化规律基本一致，在分蘖盛期，施肥处理显著高于CK处理(<0.05)，在分蘖期、抽穗期，施肥处理间无显著差异；但在成熟期，所有施肥处理矿质氮含量均升高，缓/控释配方肥处理100CRF矿质氮含量最高，其次是处理80CRF，均高于OPT处理，但施氮肥处理间无显著差异。

图3 双季稻体系0 ~ 20 cm土壤矿质氮(Nmin)动态变化

2.4 施用缓/控释肥对双季稻体系土壤氮素平衡的影响

双季稻体系土壤-水稻总的氮平衡状况来看(表4)：2年表现出相同的规律，氮素输入主要以施氮肥为主，占氮素输入量的44.82% ~ 57.00%；氮输出项中，作物带走氮素为主要方式，占氮素总输出量的56.47% ~ 83.42%。在氮素损失中，OPT处理损失最大，土壤氮素盈余量最高；施用缓控释肥处理土壤氮素损失较少，盈余量也最小；2年平均100CRF和80CRF处理损失量比OPT分别减少65.34 kg/hm2(33.08%)和90.64 kg/hm2(45.89%)，盈余量分别减少51.63 kg/hm2(29.41%)和85.13 kg/hm2(48.49%)。

从单季氮素平衡状况来看：早稻季土壤氮素矿化量小于晚稻，土壤氮素残留率大于晚稻，氮素表观损失和氮素盈余量均比晚稻小。4季水稻均表现为OPT处理土壤氮素的损失量最高，等量施用缓/控释肥土壤氮素损失量小于OPT，减量施用缓/控释肥损失量最小。土壤氮素盈余量表现为OPT>100CRF>80CRF。通过缓/控释肥减量施用土壤氮素平衡较为合理。

表4 缓/控释肥对双季稻土壤-作物系统2年4季氮平衡的影响(2012—2013，kg/hm2)

注 ：氮平衡 = 残留矿质氮– 播前矿质氮+ 氮素表观损失

3 讨论

3.1 应用缓/控释肥对双季稻体系水稻产量的影响

施用缓/控释肥早晚稻氮素吸收量和氮肥利用率均显著提高。全量施用缓/控释肥2年平均生物产量最高，氮素的累积量最高；在优化施肥的基础上，早晚稻分别减施20% 氮肥，2年平均籽粒产量最高；无论全量还是减量20% 缓/控释肥，与OPT处理产量均无显著差异，但早晚稻氮素吸收量和氮肥利用率均显著提高。缓/控释肥全量施用易造成秸秆产量增加，氮素吸收浪费，氮素收获指数下降。王斌等[18]研究发现，施缓/控释肥水稻的地上部分特别是稻草的吸氮量远高于常规尿素，缓/控释肥可能造成植株茎叶的“奢侈”吸氮，Wang等[21]也研究表明，一次性施用缓控释肥能满足作物从移栽到齐穗期的氮素需要，极大地增加了氮素的回收率，减少氮素损失和氨的挥发。同时会增加植株后期吸氮量，降低氮收获指数。这些结论与本研究基本一致，通过减量施用20% 的缓/控释肥，氮收获指数比优化施肥显著提高，氮素利用效率最高，同时节约了成本，这有利于缓/控释肥的推广应用。综合2年4个轮作周期的结果，在优化施肥的基础上，施用缓/控释肥减施20% 是可行的。但也有研究认为缓/控释肥减量条件下与普通尿素处理相比，水稻有效穗数、每穗粒数、产量、氮肥农学利用率有所下降[22]。造成这种结果差异的原因可能与试验点的基本条件和所用缓/控释肥种类不同有关。

3.2 应用缓/控释肥对双季稻体系氮素平衡的影响

优化分3次施肥，比传统农民习惯施肥能减少氮肥的损失，是一种比较科学的施肥模式。本研究条件下，2年早晚稻氮肥平均损失量为197.54 kg/hm2，占氮输入量59.9%；施用缓/控释肥水稻吸氮量显著增加，土壤矿质氮残留量也显著增加；土壤氮素损失量显著减小。2年双季稻平均损失量为132.17 kg/hm2，占氮输入量40.05%；通过缓/控释肥减量2年双季稻平均损失量为106.87 kg/hm2，占氮输入量40.48%，损失量最小。从土壤氮平衡来看，在双季稻田，土壤氮素的残留量早稻大于晚稻，土壤氮素的损失晚稻季大于早稻季。Fan等[23]认为在稻麦轮作系统中，氮素的损失主要发生在水稻季，水稻淹水泡田造成大量NO– 3-N的反硝化损失。Zhao等[24]研究认为，稻田的氮素损失主要是氨挥发和反硝化作用，均占到22%，在习惯施肥下，土壤中残留的氮素很少。梁钢[25]在研究包膜控释尿素对小麦–玉米轮作的影响时，发现施用控释尿素能增加土壤耕层(0 ~ 20 cm)的氮素积累。衣文平等[26-27]研究发现，施用控释肥不仅可促进作物增产、氮肥利用率提高，还可使土壤中的NO– 3-N总累积量有一定提高。这些研究与本研究基本一致，本研究条件下，OPT处理土壤氮素残留最少，全量施用缓/控释肥土壤矿质氮残留量最大。其中NO– 3-N含量在收获期显著提高，早晚稻分别比OPT提高28.7% 和96.5%。早稻收获后随着淹水泡田，造成残留氮素的淋溶和反硝化损失，这也是晚稻季的氮损失量高于早稻的原因之一，因此施用缓/控释肥其施肥量应该在OPT基础上减少施用。这样既提高了肥料的经济效益，减少氮素损失，又使输入土壤中的氮素更好地以植物吸收的方式输出，确保土壤的氮素循环处于一个相对平衡稳定的水平。

4 结论

与优化施肥(OPT)相比，施用缓/控释肥双季稻产量无显著影响，但施用缓/控释肥能显著提高双季稻地上部生物量和吸氮量，提高土壤氮素残留，减少氮素损失，提高氮素的利用率；通过缓/控释肥减量20% 在稳产的同时减少氮素奢侈吸收，提高氮素的收获指数，在保持土壤供氮的同时进一步减少氮素的盈余和损失，提高了氮肥利用率，是一种较为合适的施肥方法。

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Effects of Slow/Controlled-Release Fertilizer on Grain Yield, N Uptake and Soil N Balance in Double Cropping Rice

HOU Hongqian1,2,3, JI Jianhua1,2,3, LIU Yiren1,2,3, HUANG Yonglan4, FENG Zhaobin1,2,3, LIU Xiumei1,2,3*, HU Zhaoping5, WEI Lihe6, WANG Zijun1,2,3

(1 Soil & Fertilizer and Resources & Environment Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanchang 330200, China; 2 National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200, China; 3 Key Laboratory of Crop Eco-physiology and Faming System for the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture, Nanchang 330200, China; 4 Jiangxi Super-rice Research and Development Center, Nanchang 330200, China; 5Kingerta Ecological Engineering Group Co., Ltd., Linshu, Shandong 276700, China; 6 Ji’an Breeding Farms of Livestock and Poultry, Ji’an, Jiangxi 343000, China)

A location-fixed field experiment was carried out for 2 years under double cropping rice in Nanchang, Jiangxi Province of Southern China. Four treatments were designed which included no nitrogen fertilizer (CK), optimization of nitrogen fertilization application split by three times (OPT), slow/controlled release fertilizer all used as basal fertilizer (100CRF), and 80% slow/controlled release fertilizer all used as basal fertilizer (80CRF). Each treatment had three replicates. Rice grain yield, nitrogen absorption and utilization, soil mineral nitrogen accumulation and nitrogen balance in soil-crop system were investigated. The results showed that compared with OPT, 100CRF and 80CRF did not changed the rice yield significantly, but 100CRF increased nitrogen uptake of rice significantly (<0.05). Nitrogen uptake increased by 32.58% (<0.05) in early rice and 15.41% (<0.05) in late rice in 2013, respectively; while no difference existed in nitrogen uptake between 80CRF and OPT. Compared with OPT, CRF improved utilization rate of nitrogen of rice and thus reduced loss of soil nitrogen. Soil mineral nitrogen was higher in early rice than in late rice in the same growth period, no significant difference existed in soil mineral nitrogen between different treatments in tillering, heading and mature stages, but soil nitrate nitrogen in late rice under 100CRF was significantly higher than that of OPT in mature stage. Compared with OPT, the average nitrogen loss ratio of 100CRF and 80CRF reduced by 65.34 kg/hm2(33.08%) in 2013 and 90.64 kg/hm2(45.89%) in 2014, respectively. Therefore controlled release nitrogen fertilization can promote rice yield, increase nitrogen absorption of rice, maintain high soil nitrogen level, reduce soil nitrogen loss and improve utilization rate of nitrogen fertilizer. Reducing 20% of applied controlled release fertilizer is more reasonable under current situation because it can maintain high yield of cropping rice while has the highest utilization rate of nitrogen fertilizer and the lowest nitrogen loss at the same time.

Double copping rice; Slow/controlled-release fertilizer; Gain yield; N uptake; N balance

国家重点研发计划项目(2017YFD0200702)、江西省重点研发计划项目(20161BBF60133)和江西省农业科学院创新基金项目资助。

(lxm3392@163.com)

侯红乾(1980—)，男，陕西凤翔人，硕士，助理研究员，主要从事新型肥料研究与推广。E-mail: hugh_hhq@yeah.net

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.006

S143；S51

A