南四湖水稻化肥减施对产量及氮素吸收的影响

2018-07-17诸葛玉平

肥料与健康 2018年2期

程　倩，诸葛玉平

(1.济宁市农业科学研究院　山东济宁　272000； 2.山东农业大学资源与环境学院　山东泰安　271018)

水稻是人类重要的粮食来源之一，为确保粮食安全，各国都在不遗余力地提高水稻产量。除了对杂交水稻、转基因水稻等技术研究外，提高水稻产量最直接的措施就是施用化肥及喷洒高效农药。不同水稻品种及水稻不同生长阶段对养分的需求是不同的，合理施肥既有利于提高水稻产量，又可减少肥料的浪费和防止农业的面源污染[1- 3]。

在水稻田系统中，氮磷钾是影响水稻产量的主要因素之一。目前，氮肥的过量施用已成为我国水稻施肥的一大主要问题。据统计，我国水稻种植中氮肥的消费量高达5 700 kt，位居世界第1位，占我国氮肥消费总量的24%，占世界水稻氮肥消费总量的37%[4]。我国单季水稻氮肥平均用量为180 kg/hm2(高产地区高达280 kg/hm2)，与世界稻田单位面积氮肥用量相比，高出了75%，而我国氮肥的吸收利用率和农学利用率均低于世界平均水平[5]。氮肥投入的不合理已经成为制约水稻生产的重要因素，不但导致氮肥利用率的大幅下降，而且未被作物吸收的过量氮素流入水体，造成水体环境恶化[6- 8]。因此，在高产的情况下促进肥料高效利用成为研究热点。

21世纪以来，国内学者从各个方面对水稻施肥开展了大量研究，如氮肥的品种研究(普通尿素与控释尿素间的效应研究、不同控释尿素类型之间的效应研究)、氮肥优化施用量的研究、肥料施用方式的研究等，并取得了很多成效[9- 12]。研究表明，在红壤地区，磷肥是限制水稻生长的关键因素，而且钾肥的缺失会造成土壤中钾的失衡，故氮磷钾肥的平衡施用才能保证双季水稻的增产稳产。南四湖水稻施肥不仅氮肥投入量过多，而且磷肥和钾肥投入量也高于经验值，但水稻产量并没有显著提高；同时，高氮磷钾肥的施用降低了肥料的利用率，加剧了农业面源污染，故南四湖水稻施肥亟需优化。

1　材料和方法

试验设在山东省鱼台县古亭镇双韩村(北纬34°53′～35°10′，东经116°23′～116°49′)，年降水量为697 mm，夏季降水最多，达410 mm，占全年降水量的58.9%，秋季降水量占年降水总量的20.5%，春冬季降水量占年降水总量的20.6%。因降水集中，容易内涝。

1.1　供试材料

供试土壤：土壤类型为潮土(淡色潮湿雏形土)，质地为重壤和黏土，其基本理化性状如表1所示。

表1供试土壤基本理化性状

土层深度/cm碱解氮/(mg·kg-1)有机质/(g·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)速效钾/(mg·kg-1)pH土壤电导率/(μS·cm-1)容重/(g·cm-3)0～20135.8025.8325.83191.117.6398.331.4120～4078.1210.258.25148.727.2287.331.32

供试作物：水稻，品种为圣稻13。

供试肥料：普通尿素，w(N)为46%，山东华鲁恒升化工股份有限公司；重钙，w(P2O5)为44%，湖北宜都兴发化工有限公司；氯化钾，w(K2O)为60%，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司；控释尿素(树脂包膜尿素)，w(N)为42%，山东农大肥业科技有限公司。

1.2　试验设计

试验采用随机区组设计，设7个施肥模式，具体施肥种类和施肥量如表2所示。

田间小区长×宽=10 m×5 m，保护行长×宽=2 m×5 m。

尿素分基肥、2次追肥3个施肥时期，其他肥料全部一次性基施。水稻于4月20日进行插秧，10月13日收获；水稻植株于7月7日(水稻秧苗期)、7月29日(水稻分蘖期)、8月19日(水稻拔节期)、9月16日(水稻抽穗期)和10月11日(水稻成熟期)进行样品采集。

1.3　测定项目和方法

干物质积累：从返青开始，每隔20 d在小区取样行取样0.5 m，将植株置于电热恒温鼓风干燥箱中，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，在电子天平上称干重。

表2施肥模式

代号施肥模式施肥量/(kg·hm-2)氮(N)磷(P2O5)钾(K2O)有机肥(猪粪)T1CK0.00.00T2FP345.0(尿素)172.3135T3OPT234.5(尿素)96.445T4OPT-PK96.445T5CRN+OPT-PK234.5(控释尿素)96.445T680%CRN+OPT-PK187.5(控释尿素)96.445T780%CRN+OPT-PK+M187.5(尿素)80.73630 000

注：1)CK为对照(不施肥)，FP为习惯施肥，OPT为推荐施肥，OPT- PK为推荐磷钾处理，CRN+OPT- PK为控氮+推荐磷钾处理，80%CRN+OPT- PK为控减氮+推荐磷钾处理，80%CRN+OPT- PK+M为控减氮+推荐磷钾+有机肥处理

产量：选取3个1 m×1 m样方，测定样方产量，换算为单位面积产量。

植株全氮含量：采用H2SO4- H2O2消煮，凯氏定氮法测定

1.4　统计分析

田间调查和室内测定数据采用Excel和SAS程序软件(SAS Institute，1999)进行统计分析。

2　结果和分析

2.1　不同施肥模式对水稻各生育期地上部干重的影响

水稻地上部干重反映了水稻在一个时期内的长势，能够指示水稻的健壮程度，故监测水稻地上部干重对了解施肥效果具有重要意义。不同施肥模式对水稻各生育期地上部干重的影响见图1。

图1　不同施肥模式对水稻各生育期地上部干重的影响

在返青期，除FP模式外，其他各施肥模式的水稻地上部干重均高于CK模式4.52%～13.53%，其中CRN+OPT- PK模式的水稻地上部干重最大，比其他施肥模式高4.30%～8.60%，OPT次之，而有机肥施用并没有显著提高返青期水稻地上部干重。

在分蘖期，除OPT- PK模式的水稻地上部干重与CK模式无差异外，其他各施肥模式的水稻地上部干重均高于CK模式32.47%～58.66%，即不施氮肥会减缓水稻的生长，施肥促进水稻生长的优势较返青期更加明显。与FP模式相比，减少氮磷钾肥的施用并不影响水稻的生长；与OPT模式相比，CRN+OPT- PK和80%CRN+OPT- PK模式的水稻地上部干重均较高，即控释尿素较普通尿素更符合水稻的生长需求。控释尿素全量施用的水稻地上部干重稍高于80%控释尿素施用，而增施有机肥可弥补控释尿素减量的劣势，达到与控释尿素全量的效果。

在孕穗期，除OPT- PK模式的水稻地上部干重与CK模式无差异外，其他各施肥模式的水稻地上部干重均高于CK模式32.47%～43.05%，不施氮肥减缓水稻生长趋势的弊端继续凸显。在此时期，FP模式与OPT模式间水稻地上部干重无显著差异，即降低肥料的投入量对水稻生长的影响较小；与OPT模式相比，80%CRN+OPT- PK模式的水稻地上部干重较高，CRN+OPT- PK模式和80%CRN+OPT- PK+M模式的水稻地上部干重稍有所降低。由此可见，80%控释尿素配合推荐使用的磷钾量可取得较好的肥料效应。

在抽穗期，除OPT- PK模式的水稻地上部干重与CK模式无差异外，其他各施肥模式的水稻地上部干重均高于CK模式14.25%～53.64%，表明施肥能够明显促进水稻生长，且氮肥对水稻生长的贡献较大。与FP模式相比，减少氮磷钾肥的施用量降低了水稻抽穗期地上部干重，而CRN+OPT- PK模式和80%CRN+OPT- PK模式均能提高水稻地上部干重，而增施有机肥对水稻地上部干重的影响较小。

2.2　不同施肥模式减施对水稻成熟期生物量的影响

成熟期作物生物量是表征不同施肥模式肥力效果的重要指标，不同施肥模式对水稻成熟期生物量的影响如图2所示。

图2　不同施肥模式对水稻成熟期生物量的影响

与CK模式相比，各施肥模式的水稻成熟期生物量提高7.09%～84.40%，其中FP与OPT模式的水稻成熟期生物量无差异，表明盲目采用高氮磷钾施肥并未提高水稻的生物量，而根据水稻的需肥规律减少肥料投入量能够在保证获得较高水稻生物量的同时降低了肥料投入成本，并且降低了污染风险。OPT与OPT- PK模式相比，不施氮肥降低了水稻成熟期的生物量，降幅达37.08%，表明氮素是水稻正常生长的关键因子。CRN+OPT- PK模式与80%CRN+OPT- PK模式的水稻成熟期生物量分别比OPT模式提高8.33%和5.42%，说明控释尿素比普通尿素更有利于提高水稻的生物量。而100%CRN与80%CRN之间的水稻成熟期生物量差异较小，即减少20%控释尿素施用量也能满足水稻对氮素的需求，从降低肥料投入成本和预防氮素污染的角度考虑，应选择控释尿素减量下的推荐磷钾施肥模式。OPT与80%CRN+OPT- PK+M模式相比，水稻生物量无显著差异，表明减少化肥用量的情况下增施有机肥具有一定的效果。

由此可见，控释尿素配合推荐磷钾处理能显著提高水稻成熟期生物量，并且控释尿素减少20%施用量是产出与投入比最优的施肥模式。

2.3　不同施肥模式对水稻产量的影响

作物产量是衡量不同施肥模式优劣的主要指标之一，不同施肥模式对水稻产量的影响如图3所示。

图3　不同施肥模式对水稻产量的影响

与CK处理相比，各施肥模式的水稻产量提高9.25%～72.32%，其中FP与OPT模式的水稻产量无差异，表明高氮磷钾施肥不但没有达到增产的效果，反而存在加剧肥料污染的风险。OPT与OPT- PK模式相比，不施氮肥造成水稻减产31.06%，表明氮素对水稻不可或缺，故水稻种植可降低氮肥施用量，但不能零施用。与OPT模式相比，CRN+OPT- PK模式与80%CRN+OPT- PK模式的水稻产量分别提高8.75%和8.70%，说明控释尿素比普通尿素更适合水稻的种植，有利于提高水稻的产量，这是由于控释尿素的氮素控制释放更符合水稻的需肥规律，满足水稻各生育期对养分的需求。而100%CRN与80%CRN模式的水稻产量无差异，从降低肥料投入成本和预防氮素污染的角度考虑，应选择控释尿素减量下的推荐磷钾施肥模式。OPT与80%CRN+OPT- PK+M模式相比，水稻产量无显著差异，减少化肥用量的情况下增施有机肥能起到一定的增产效果，但与控释肥的施用相比，增施有机肥的产量效应优势不明显。

从水稻产量、产出与投入比、防治氮素污染等方面综合效果分析来看，80%CRN+OPT- PK是最佳的施肥模式。

2.4　不同施肥模式对水稻植株和籽粒中氮素含量的影响

2.4.1不同施肥模式对水稻不同生育期植株含氮量的影响

如图4所示，水稻植株含氮量随水稻生育期的推进大致呈逐渐降低的趋势，在水稻成熟期氮素大都向籽粒积聚，致使植株氮素含量较低。

图4　水稻不同生育期植株含氮量

在返青期，除OPT- PK模式与CK模式的水稻植株含氮量无差异外，其他各施肥模式的水稻植株含氮量高于CK模式25.43%～58.77%，说明氮肥的施用有助于提高水稻植株吸氮量。在氮肥投入的情况下，水稻返青期植株中的氮素含量由高到低依次为FP模式、CRN+OPT- PK模式、80%CRN+OPT- PK+M模式、80%CRN+OPT- PK模式和OPT模式。高氮磷钾施肥模式在水稻返青期显著提高了植株氮素含量，等施氮量下控释尿素较普通尿素更符合水稻返青期对氮素吸收的要求。此外，增施有机肥在降低氮肥投入的情况下能提高水稻植株的氮素累积。

在分蘖期，除OPT- PK模式与CK模式的水稻植株含氮量无差异外，其他各施肥模式的水稻植株含氮量比CK模式高25.27%～45.75%。在氮肥投入的情况下，水稻分蘖期植株的氮素含量由高到低依次为CRN+OPT- PK模式、FP模式、OPT模式、80%CRN+OPT- PK模式和80%CRN+OPT- PK+M模式。控释尿素的肥料效应不仅优于同等氮肥水平下的普通尿素，还优于高量普通尿素和磷钾同时投入的效果，表明控释尿素更符合水稻分蘖期对氮素吸收的要求，而减氮下增施有机肥在此时期的肥料效应不明显。

在孕穗期，FP模式、OPT- PK模式以及80%CRN+OPT- PK+M模式的植株含氮量低于CK模式2.30%～22.53%，普通尿素不能满足水稻对氮素的需求，会制约水稻的高产。在氮肥投入的情况下，水稻孕穗期植株氮素含量由高到低依次为80%CRN+OPT- PK模式、OPT模式、CRN+OPT- PK模式、FP模式和80%CRN+OPT- PK+M模式。减少控释尿素投入反而增加了水稻孕穗期植株的氮素累积量，减少尿素而增施有机肥的肥料效应不明显。

在抽穗期，各施肥模式的水稻植株含氮量高于CK模式16.33%～72.29%。在氮肥投入的情况下，水稻抽穗期植株氮素含量由高到低依次为FP模式、CRN+OPT- PK模式、80%CRN+OPT- PK模式、80%CRN+OPT- PK+M模式和OPT模式。高量普通尿素和磷钾肥的投入造成了水稻的旺长，不利于氮素向籽粒的迁移与累积。在推荐施肥模式下，控释尿素的肥料效应不仅优于同等氮肥水平下的普通尿素，且减少控释尿素的投入对水稻植株氮素含量影响不大，增施有机肥能够弥补普通尿素减量的劣势。

综上所述，高氮肥施用量仅在返青期提高了水稻植株含氮量；在水稻整个生育期中，从水稻植株含氮量层面上看，控释尿素的肥料效应优于同等氮肥水平下的普通尿素，且降低控释尿素用量并不影响水稻植株的氮素累积；在降低氮肥施用量的情况下，增施有机肥在水稻生育期后期可达到氮肥全量时的效果。

2.4.2不同施肥模式对水稻籽粒吸氮量的影响

不同施肥模式对水稻籽粒吸氮量影响差异显著(图5)。与CK模式相比，各施肥模式的水稻籽粒吸氮量提高3.61%～89.61%，其中FP与OPT模式的水稻籽粒吸氮量无差异，表明高氮施肥并没有显著增加水稻籽粒的吸氮量。与OPT模式相比，OPT- PK模式的水稻籽粒吸氮量降低35.79%，即施氮肥是提高水稻籽粒吸氮量的基础与保障，水稻种植可降低氮肥施用量但不能零施用。

图5　不同施肥模式对水稻籽粒吸氮量的影响

与OPT模式相比，CRN+OPT- PK模式与80%CRN+OPT- PK模式的水稻籽粒吸氮量分别提高16.12%和15.54%，控释尿素比普通尿素有利于氮素在籽粒中的累积，表明控释尿素更能满足水稻的需氮要求，促进氮素向籽粒中迁移。而100%CRN模式与80%CRN模式的水稻籽粒吸氮量无差异，从降低肥料投入成本和预防氮素污染的角度考虑，应选择控释尿素减量下的推荐磷钾施肥模式。OPT与80%CRN+OPT- PK+M模式相比，水稻籽粒吸氮量无显著差异，减少化肥用量下增施有机肥对氮素向籽粒中迁移起到一定的促进作用，但与等量控释尿素的促进作用相比，有机肥作用较小。

2.4.3不同施肥模式对水稻氮素利用率的影响

氮肥农学利用率是衡量不同施肥模式下氮素利用效率的主要指标，不同施肥模式下水稻的氮素利用效率差异非常明显(图6)。

图6　不同施肥模式对水稻氮素利用率的影响

各施氮模式的氮素利用率由大到小依次为80%CRN+OPT- PK模式、CRN+OPT- PK模式、80%CRN+OPT- PK+M模式、OPT模式和FP模式。OPT模式与FP模式相比，水稻氮素利用率提高48.82%，即氮肥施用量由345.0 kg/hm2减少至234.6 kg/hm2，能显著提高氮素利用率，同时降低了因氮肥施入量过多而造成肥料污染的风险。

在等施氮量的情况下，CRN+OPT- PK模式的水稻氮素利用率比OPT模式提高22.29%，即控释尿素较普通尿素能显著提高氮素利用率。与CRN+OPT- PK模式相比，80%CRN+OPT- PK模式的水稻氮素利用率提高21.40%，即降低控释尿素的投入量能提高水稻对氮素的利用效率。OPT模式与80%CRN+OPT- PK+M模式相比，80%CRN+OPT- PK+M模式的水稻氮素利用率较高，即在减少化肥用量下增施有机肥能起到一定的提高氮素利用率的效果，但与等施氮量下的控释尿素相比，氮素利用率仍较低。

综上所述，80%CRN+OPT- PK模式能显著提高水稻对氮素的利用率；在降低尿素用量、增施有机肥的情况下，氮素利用率有所提高。