控释肥及尿素添加剂对双季稻光合特性及产量的影响

蔡威威，艾天成，李 然，金紫缘，徐金刚，曹坤坤

(长江大学农学院，湖北 荆州 434025)

水稻是世界各国特别是亚洲地区主要的粮食作物，而中国是世界上最大的水稻生产国，水稻产量位居全球首位[1]。水稻整个生育期累积的干物质超过90%来自光合产物，其中90%以上依靠水稻叶片光合作用产生[2]，而其中又以水稻剑叶对产量的影响最为显著，水稻产量的40%～60%由剑叶光合作用贡献[3]。中国的氮肥消耗位居全球第一，氮肥用量约占全球总氮肥用量的37%，其中约占全国总氮肥用量的24%用于水稻生产[4]。但是我国稻田氮肥利用率只有20%～40%[5]，远低于其他发达国家，稻田中氮肥损失高于50%，稻田氮素的损失不仅降低了氮肥利用率，增加了种植成本，同时氮素通过氨挥发、淋溶、径流等造成水体富营养化等一系列污染环境问题[6-7]。因此为了提高氮肥利用率，减轻环境污染，包膜和添加剂等新型尿素被研制出来，相比普通尿素，新型尿素具有肥效持久、养分利用率高、污染小、能促进作物的生长和增加产量等优点[8-9]。微生物菌剂与氮肥配施，能够起到改良土壤微生物结构，提高土壤肥力，促进作物高质、高产等作用[10]。

以往新型氮肥在水稻上的研究多集中在单一的新型氮肥试验，而本文选取4种最有代表性的新型氮肥作为研究对象，进行双季稻的大田试验，探究不同类型氮肥对水稻不同生育期叶片光合特性、生物量累积以及最终产量的影响，以期为新型氮肥在水稻高产、优质、高效生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于湖北省荆州市荆州区气象局农业气象试验站内(30°21′N，112°09′E)。该地区作为江汉平原的代表站点，属于亚热带季风气候区，光能充足、热量丰富。太阳年辐射总量为435～461 kJ·cm-2，年平均气温15.9～16.6℃，年平均降水量1 100～1 300 mm，主要集中在早、晚稻季，年日照时数1 800～2 000 h。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。当地属于双季稻作区，耕层0～20 cm土壤的基本理化性质为：容重1.44 g·cm-3，有机质28.38 g·kg-1，全氮1.37 g·kg-1，有效磷15.38 mg·kg-1，速效钾62.51 mg·kg-1，pH值(H2O)7.20。

1.2 试验设计与田间管理

双季稻大田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)CK：为普通尿素(N 46%，下同)，作为对照处理，根据当地传统施肥方式来进行；(2)CRU：为树脂包膜控释尿素(N 42%)，控释期90 d；(3)NU：为尿素添加质量分数0.5%的硝化抑制剂氯甲基吡啶；(4)DMPP：为尿素添加质量分数1%的硝化抑制剂二甲基吡唑磷酸盐；(5)EM：为尿素配施200倍等重的EM 菌液(有效微生物菌2×109cfu·mL-1，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 h。所有处理的磷肥均为过磷酸钙(P2O512%)，钾肥为氯化钾(K2O 60%)。每个处理3次重复，共计15个小区，小区长6 m，宽4.5 m。

施肥共分3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。施肥总养分量根据江汉平原地区相关专家的研究和荆州土肥站的推荐，按以下设置(各处理总养分量均一致)：总施肥量氮肥早稻为N 165 kg·hm-2，晚稻为N 180 kg·hm-2，各阶段施氮量根据肥料种类和特性而定，为当地最优施肥方式，具体施氮方案如表1所示。鉴于包膜控释肥养分释放的长效性，只采用一次追施；为了保证单一变量差异，添加剂处理施氮量与CK保持一致。磷肥均为P2O560 kg·hm-2，作为基肥全部施入，钾肥均为K2O 90 kg·hm-2，按比例2∶1∶3分3次施入。选用的早、晚稻品种分别为两优287和湘丰优9号，皆为当地主推品种，早稻和晚稻的大田移栽时间分别为4月27日和7月26日，移栽密度为21万穴·hm-2，每穴2株。

表1 双季稻氮肥施用方案 (N kg·hm-2)

试验小区间均用田埂分隔，各小区四周田埂宽30 cm，高20 cm，并用塑料薄膜覆盖，每个小区都有单独的排水沟，以减少串流和侧渗。各个小区田间管理一致，全部依照当地的常规管理进行。水分管理依照当地常规习惯进行，即前期淹水，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。

1.3 测定方法

分别在早、晚稻的分蘖盛期、孕穗期、扬花期和成熟期，使用便携式光合测定仪(LI-6400，USA)对水稻叶片进行光合测定，每次测定选在晴朗天气的9：00～11:00进行，每个小区固定5株长势一致的水稻，选取水稻剑叶进行测定，3次重复。测量指标主要有净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。测定时使用内置红蓝光源，测定气体流速为500 μmol·s-1，光照强度为1 500 μmol·m-2·s-1，测定温度与当时叶温一致，CO2浓度为大气CO2浓度，测定过程中适时进行匹配，以保证测定数据的准确性。

同时在对应的生育期分别测定植株地上部生物量，在成熟收获时对小区进行测产。

1.4 数据处理

使用Excel 2013软件进行数据处理及作图，DPS 7.05进行方差分析。图、表中不同字母表示处理间在0.05水平上的差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对双季稻光合特性的影响

2.1.1 不同施肥处理对双季稻净光合速率的影响

图1表示不同施肥处理之间，双季稻各生育期净光合速率的变化特征。早稻4个生育期中，各处理净光合速率呈现先逐步上升，到扬花期达到最大，后随早稻进入生育晚期而逐渐下降的变化趋势。分蘖盛期、孕穗期CRU的净光合速率相对最高，但各处理之间差异未达到显著水平(P>0.05)；扬花期CK低于其它4个处理，且与CRU差异达到显著水平(P<0.05)，与CRU相比净光合速率降幅达到12.9%；成熟期CRU极显著高于CK和DMPP(P<0.01)，但CK与DMPP差异不显著。晚稻从分蘖盛期到成熟期，各处理净光合速率均呈下降规律。分蘖盛期，与CK相比，其他4个处理均提高了晚稻叶片的净光合速率，且DMPP与CK差异达到显著水平(P<0.05)；孕穗期DMPP与CRU、EM差异显著，其他各处理间无显著性差异；扬花期净光合速率与分蘖盛期相似，CK与DMPP之间存在显著差异(P<0.05)；晚稻成熟期，水稻进入生育晚期，叶片逐渐黄枯，各处理净光合速率均下降明显，最终各处理间未发现显著差异。综合早、晚稻数据来看，与CK相比，DMPP、EM、NU和CRU均能一定程度地提高水稻净光合速率，早稻以CRU提高效果最为显著，晚稻以DMPP提高效果最为明显。

图1 不同施肥处理对双季稻净光合速率的影响

2.1.2 不同施肥处理对双季稻气孔导度的影响

图2表示双季稻叶片气孔导度对不同施肥处理的响应情况。早稻的气孔导度随着水稻生育期的进行，总体呈现一定的波动趋势，扬花期各处理叶片气孔导度达到最大，但处理之间无显著性差异；分蘖盛期处理之间也无显著差异；孕穗期CK、DMPP数值高于其它3个处理，且CK与CRU差异达到显著水平(P<0.05)；成熟期CK、NU高于其他3个处理，且CK相比CRU，气孔导度显著增大了24%，其他各处理之间无显著差异。晚稻叶片气孔导度数据结果显示，从分蘖盛期到孕穗期，气孔导度呈现先小幅度减小，到扬花期快速下降，成熟期降到最低的变化特点。分蘖盛期CK气孔导度低于其它4个处理，且DMPP与CK差异达到显著水平(P<0.05)；晚稻孕穗期、扬花期、成熟期，相比CK，DMPP能一定程度地增大晚稻叶片气孔导度，但5个处理彼此之间差异不显著。

图2 不同施肥处理对双季稻气孔导度的影响

2.1.3 不同施肥处理对双季稻胞间CO2浓度的影响

水稻叶片胞间CO2浓度在不同施肥条件下变化如图3所示，早稻季水稻胞间CO2浓度变化趋势呈现分蘖盛期到孕穗期降低，扬花期、成熟期升高的特点。分蘖盛期各处理胞间CO2浓度均维持在280 μmol·mL-1的较高水平，处理间差异不显著；孕穗期，与其它4个施肥处理对比，CK显著升高了胞间CO2浓度(P<0.05)，增幅分别达到35.4%(差异达极显著水平，P<0.01)、23.4%(差异达极显著水平，P<0.01)、13.7%和17.4%；扬花期CK与CRU、NU差异显著(P<0.05)；成熟期CK与CRU、EM差异达到显著水平。晚稻季4个主要生育期的叶片胞间CO2浓度均维持在较高水平，仅在成熟期随生育末期的临近而降低。分蘖盛期，和其它4个处理对比，CK显著降低了叶片胞间CO2浓度(P<0.05)；孕穗期、扬花期各处理之间无显著差异；成熟期CRU与CK、EM差异达到显著水平(P<0.05)，其余处理间差异不显著。综合早、晚稻数据来看，CRU显著降低了早稻叶片的胞间CO2浓度，而晚稻季各处理间胞间CO2浓度的变化在不同生育期中存在变异。

图3 不同施肥处理对双季稻气孔导度的影响

2.1.4 不同施肥处理对双季稻蒸腾速率的影响

不同施肥处理对双季早晚稻蒸腾速率的影响如图4所示，早稻的蒸腾速率变化情况，和其它处理相比，分蘖盛期CK降低了叶片的蒸腾速率，但仅与EM差异显著(P<0.05)；孕穗期CRU、NU和对照CK、DMPP、EM相比，显著地降低了蒸腾速率(P<0.05)；扬花期结果与孕穗期类似；成熟期CRU与CK仍然差异显著。晚稻的蒸腾速率变化情况与早稻有所不同，晚稻蒸腾速率随生育期的进行逐渐降低，分蘖盛期CRU、NU、DMPP以及EM均显著地提高了蒸腾速率；孕穗期DMPP处理蒸腾速率最高，且与CRU、NU、EM差异达到显著水平(P<0.05)；扬花期处理之间差异不显著；成熟期水稻叶片蒸腾速率降到最低，且DMPP与EM存在显著差异(P<0.05)。整个早、晚稻季来看，CRU显著地降低了早稻叶片的蒸腾速率，而晚稻蒸腾速率在不同生育期的不同处理之间变异较大。

图4 不同施肥处理对双季稻蒸腾速率的影响

2.2 不同施肥处理对双季稻生物量及产量的影响

新型氮肥对水稻各生育期的生物量及产量影响如表2所示。相比普通尿素CK，4种新型氮肥均显著或极显著地增加了早、晚稻各生育期的植株生物量。具体分析来看，CRU极显著地增加了早、晚稻各生育期的植株生物量(P<0.01)，早、晚稻季4个生育期分别平均增加16.7%和22.7%；NU相比CK，早、晚稻季4个生育期生物量平均增幅分别为15.2%和11.6%；DMPP除晚稻成熟期与CK达到极显著差异(P<0.01)以外，其余生育期生物量均显著高于CK(P<0.05)，早、晚稻季4个生育期生物量平均增幅分别为9.0%、11.1%；EM菌剂相比CK，早、晚稻均显著提高了植株的生物量(P<0.05)，增幅分别达到11.2%和11.5%。

相比普通尿素，新型氮肥的施用普遍增加了水稻的产量，早稻只有CRU与CK差异达到显著水平(P<0.05)，增产幅度为19.8%；而晚稻产量数据显示，CRU、NU、DMPP以及EM相比CK处理均存在显著增产效果(P<0.05)。综合早、晚稻生物量以及产量数据来看，新型氮肥对水稻植株生物量的累积以及产量的增加均有一定的积极作用，控释肥CRU的增产效果最为显著且最稳定，两季平均增产20%左右；硝化抑制剂DMPP次之，两季平均增产14%左右；NU和EM菌剂在早稻上的增产效果不明显，但在晚稻可以增产14%左右。

表2 不同施肥处理对双季稻生物量和产量的影响

注：大、小写字母分别表示0.01、0.05显著水平。

3 讨论

3.1 不同氮肥处理对水稻光合特性的影响

水稻生育期光合特性的动态变化可以有效地反映出不同施肥处理不同生育期水稻光合特性的大小趋势，从而有针对性地采取合理的栽培管理措施，有效地提高水稻光合利用效率及产量。聂军等[11]双季稻试验研究发现，施用控释尿素较普通尿素对延缓早、晚稻功能叶的衰老和延长叶片的光合功能期均具有明显的效应。本试验早稻光合速率变化与其研究结果一致，水稻进入拔节期以后，施用控释尿素的水稻叶片净光合速率显著高于普通尿素。晚稻净光合速率的变化与早稻存在差异，晚稻以添加硝化抑制剂的施肥处理对净光合速率提高最为明显，晚稻生育中后期新型尿素的施用对于维持水稻较高的光合效能有积极作用，早、晚稻净光合速率对不同氮肥施用的响应存在差异，可能与早、晚稻品种不同，对肥料的利用以及生长季跨度不同有关。

气孔导度表示植物叶片气孔开张的程度，影响植物的光合作用、呼吸作用及蒸腾作用。本试验结果显示，水稻植株叶片气孔导度在早、晚稻同一生育期的不同施肥处理间变化较小，大部分生育期处理间均无显著差异，可能原因是各种不同类型氮肥的施用能够满足水稻的正常生长需求，水稻叶片气孔导度受空气温度、CO2浓度的影响较多。胞间CO2是植物生理生态研究中经常用到的一个参数，其大小取决于4个可能变化的因素:叶片周围空气的CO2浓度、气孔导度、叶肉导度和叶肉细胞的光合活性，其与净光合速率间的关系也较为复杂[12]，本研究结果发现早稻季，4种新型氮肥较普通尿素普遍降低了叶片胞间CO2浓度，且以控释氮肥CRU效果最为显著，结合净光合速率数据，植物叶肉细胞进行光合作用，细胞间CO2进入细胞内被吸收利用，CRU处理的胞间CO2浓度低，表示细胞中CO2浓度高，从而更多CO2被用来进行光合作用，提高叶片光合速率，可见早稻净光合速率与胞间CO2浓度呈负相关关系。蒸腾速率是计量植物蒸腾作用强弱的一项重要生理指标，蒸腾速率的快慢与植株形态结构和外界多种因素相关。蒸腾速率的数据显示早稻季控释氮肥的施用较普通尿素显著降低了水稻蒸腾速率，与其减小叶片气孔导度有直接关系，而晚稻蒸腾速率在不同生育期处理间变异较大，可能与晚稻品种对不同氮肥吸收利用情况有关。

3.2 不同氮肥处理对水稻产量的影响

和前人研究结果一致，新型氮肥拥有比普通尿素更稳定和高效的氮素供应，能够促进水稻在营养生殖阶段植株长高、分蘖增多、叶绿素含量提高，从而提高水稻光合效率，进一步在生殖生长阶段增加水稻穗数、穗粒数，提高结实率和千粒重，最终增加生物量和产量[13-16]。本研究中，相比普通尿素CK，4种新型氮肥均显著或极显著地增加了早、晚稻各生育期的植株生物量及最终产量，且晚稻的增产效果比早稻明显，因为早、晚稻是一个连续的过程，早稻土壤中累积的氮素可以被晚稻生长继续利用，而且晚稻施氮量略高于早稻，结合早、晚稻季气象数据来看，早、晚稻整个生育期的有效积温、总降水量分别为1 270.9、1 413.8℃和509.1、422.3 mm，晚稻季有效积温比早稻季高出约143℃，适当的高温能够促进水稻植株新陈代谢，促进肥料的养分释放，同时早稻季降水量高于晚稻季，特别是在早稻的关键生育期，连续的阴雨天气影响水稻的灌浆、抽穗，这一系列原因都可能导致两季水稻产量的差异。

对于不同的施肥处理，树脂包膜控释尿素能够按照水稻生长的需肥曲线缓慢释放氮素，特别在水稻生育中后期氮素释放率高[15]，与水稻生育中后期吸氮量大的特点相吻合[17]，通过对水稻叶片中内源激素含量及平衡的调控[18]，有效延缓叶片衰老，显著提高水稻生育中后期叶片光合效率[15]，进而提高水稻生物量及产量。

4 结论

新型氮肥通过调整氮肥的供应量、供应形式和供应时间，能够降低水稻叶片胞间CO2浓度、提高净光合速率，促进植株生长发育，累积更多有机物以及提高稻谷产量。施用包膜控释肥、硝化抑制剂和生物菌剂能够提高水稻产量，除DMPP外其他肥料价格均较低，值得今后深入研究和大面积推广，其中树脂包膜控释尿素在水稻种植中施用具有更好的综合效应，更能实现水稻的高效高产。

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