超级早稻氮磷钾养分需求特征研究

谢 宜，周 旋，罗尊长，王玲玲，胡柯鑫，周孟瑜，董春华

(1.湖南大学 研究生院 隆平分院，长沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125; 3 .湖南省浏阳市达浒镇农业综合服务站，湖南浏阳 410305)

中国自1996年启动超级稻计划以来，被农业部推广认定并保留的超级稻品种(组合)已超过130个，其推广应用对中国水稻增产增效有巨大贡献。目前，由于多数农户对超级稻营养特性和需肥特征认识不足，普遍重施氮肥，轻施磷、钾肥[1-2]。巨晓棠等[3]通过大量农户调查发现，过量施氮的田块约占总调查田块的30%。过量和不平衡施肥不仅未发挥超级稻的高产潜力，还易造成土壤板结、肥料利用率低及环境污染等问题[4-6]。因此，在提高超级稻产量和肥料利用率的同时，减少化肥投入，对超级稻高产高效栽培及经济效益和生态效益的提高具有极其重要的意义[7]。相关研究表明，氮肥的施用在作物产量和品质提升上起关键作用，而钾肥的投入也与氮肥的施用效果紧密相联，钾肥施用水平的高低不仅对作物株高、穗数、成穗率和每穗粒数有显著影响，而且还影响植株吸氮量和氮素转运率[8-10]。合理的运筹钾肥能有效提高抽穗后的干物质累积量，有利于改善水稻的群体质量[11]。

缓/控释肥是通过减缓或控制化肥养分的释放速率来使肥料养分供应更吻合作物对养分吸收的新型肥料[12-13]。目前，关于缓/控释肥料养分释放特性及相应施用技术的改进，均是根据作物的吸肥规律及相应土壤的供肥特征来匹配实现的。前人对新型缓/控释肥的研究方向主要集中在氮肥的氮素释放控制方面[14-18]，包括控释材料筛选[19-20]、施用方式选取[21-23]及作物养分利用率提高[24-25]等，而通过氮钾运筹来探究养分释放的研究较少。为此，本研究于2017年开展氮钾养分不同优化运筹技术对超级早稻产量和氮、磷、钾利用效率影响的研究，揭示超级早稻的吸肥和土壤肥力供应规律，为超级早稻相应缓/控释肥等新型肥料的研发制备提供科学理论依据，为实现超级早稻化肥减施增效及农业环境可持续发展提供技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在湖南省浏阳市达浒镇金石村稻田(E 113°52′54.8″，N 28°22′42.8″)进行。该地区年均气温17.5 ℃，年均降水量1 358.6～1 552.5 mm，蒸发量500 mm，无霜期275 d。土壤类型为水稻土，基础理化性质为pH 5.48，有机质24.3 g·kg-1，全氮1.62 g·kg-1，全磷0.39 g·kg-1，全钾19.1 g·kg-1，碱解氮121.2 mg·kg-1，有效磷11.3 mg·kg-1，速效钾65.3 mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试水稻品种为超级稻‘五丰优286’。供试肥料氮肥为尿素(含N质量分数 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O5质量分数 12%)，钾肥为氯化钾(含K2O质量分数 60%)。

1.3 试验设计

试验设置4个处理：不施肥(T1)、常规施肥(氮钾肥基追比为基∶蘖=3∶2，T2)、优化施肥模式1(氮钾肥基追比为基∶蘖∶穗=6∶2∶2，T3)和优化施肥模式2(氮肥基追比为基∶蘖∶穗=6∶2∶2，钾肥基追比为基∶蘖∶穗=5∶3∶2，T4)，以不施肥为对照。N用量为150 kg·hm-2，P2O5用量为90 kg·hm-2，K2O用量为120 kg·hm-2。磷肥做基肥，一次性施入。各处理重复3次，随机区组设计。小区面积为5 m×8 m=40 m2，共12个小区，小区用田埂分开，田埂宽20 cm，埂上覆膜。育秧方式选择标准化软盘旱育秧，3月20日播种，4月16日移栽。栽植规格为：株距×行距=26.7 cm × 13.3 cm，每穴4～5株。具体施肥时期和用量见表1。其他管理措施与当地水稻常规栽培管理一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 样品采集及指标测定 在水稻种植前采用蛇形法取0～20 cm耕层土壤，风干后，测定土壤pH及有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾质量分数。主要生育期采用梅花形五点法取0～20 cm耕层土壤，风干后，测定碱解氮、有效磷和速效钾质量分数。同时选取水稻植株5穴，杀青，烘干，称量干质量，测定植株氮、磷、钾质量分数(成熟期样品秸秆与籽粒分开)。收获时，各小区单打单收单晒测产。

1.4.2 基础理化指标测定 土壤pH采用V(水)∶V(土)=2.5∶1电位计法测定；有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定；全氮、全磷、全钾分别采用蒸馏法、紫外分光光度法、火焰光度计法；植株氮、磷、钾质量分数经浓H2SO4-H2O2消煮后，分别采用蒸馏法、钒钼黄比色法和火焰光度计法测定；土壤碱解氮、有效磷和速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法和乙酸铵提取-火焰光度计法测定[26]。

1.4.3 氮、磷、钾养分参数 3 种养分参数计算公式相同，以氮为例介绍如下：

氮总吸收量(TNA)=稻谷产量×稻谷含氮量+稻草产量×稻草含氮量

每 100 kg 籽粒需氮量(NAPG)=氮总吸收量/稻谷产量×100

氮肥偏生产力(NPFP)=施氮区产量/施氮量

氮肥利用率(NRE)= (施氮区氮吸收总量-无氮区氮吸收总量) / 施肥量×100%

氮肥农学利用率(NAE)=(施氮区产量-无氮区产量)/施氮量×100%

1.5 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理、分析及绘图，用SPSS 19进行单因素方差分析，多重比较采用邓肯新复极差法检验。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻产量的影响

从表2可知，施肥处理早稻稻谷产量和总生物量均显著高于不施肥处理(P<0.05)。与T2相比，T3、T4稻谷产量分别增加1.1%和4.4%，总生物量分别增加0.01%和3.4%。其中，T4稻谷产量较T3显著提高3.2%，总生物量提高2.5%。

2.2 不同施肥处理水稻氮磷钾养分吸收利用

2.2.1 氮素吸收利用 由表3可知，施肥处理氮总吸收量和每100 kg籽粒需氮量均高于不施肥处理，大小依次呈现为T4 >T3 >T2，其中T4氮总吸收量和每100 kg籽粒需氮量分别较T2增加12.1%和9.8%。T3和T4氮肥偏生产力、氮肥利用率和氮肥农学利用率较T2平均高出2.7%、18.4%和8.0%，且T4氮肥利用率较T3显著高出16.6%。说明T4增加蘖肥比例的氮钾养分优化运筹技术，能更有效吻合超级稻早稻的吸肥规律，促进氮素吸收利用。

表2 不同施肥处理下水稻成熟期生物量Table 2 Biomass of rice at mature stage under different fertilization treatments kg·hm-2

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Different lowercase letters in different treatments mean significant difference(P<0.05).The same below.

表3 不同施肥处理下水稻氮素吸收利用Table 3 Absorption and utilization of N in rice under different fertilization treatments

2.2.2 磷素吸收利用 由表4可知，施肥处理磷总吸收量显著高于不施肥处理，大小依次呈现为T4>T3>T2，其中T3和T4磷总吸收量较T2平均增加11.1%。T4水稻每100 kg 籽粒需磷量较T2和T3分别增加18.2%和14.7%。T3和T4磷肥偏生产力、磷肥利用率和磷肥利用率较T2平均高出2.7%、36.8%和7.9%，且T4磷肥农学利用率较T3显著高出63.5%。说明增加蘖肥比例的氮钾养分优化运筹技术，能更有效吻合超级早稻的吸肥规律，间接促进磷素吸收利用。

2.2.3 钾素吸收利用 由表5可知，施肥处理钾总吸收量和每100 kg籽粒需钾量均高于不施肥处理，大小依次呈现为T4 > T3 > T2，其中T3和T4钾总吸收量和每100 kg籽粒需钾量平均较T2增加4.7%和3.0%。T3和T4钾肥偏生产力、钾肥利用率和钾肥农学利用率较T2平均高出 2.7%、13.8%和8.0%，且T4钾肥利用率较T3显著高出15.7%。说明T4增加蘖肥比例的氮钾养分优化运筹技术，更能有效吻合超级稻早稻的吸肥规律，促进钾素吸收利用。

表4 不同施肥处理下水稻磷素吸收利用Table 4 Absorption and utilization of P in rice under different fertilization treatments

表5 不同施肥处理下水稻钾素吸收利用Table 5 Absorption and utilization of K in rice under different fertilization treatments

2.3 不同施肥处理水稻干物质积累量

由图1可以看出，早稻移栽后，随着生长发育的进行，早稻干物质积累量持续上升，不施肥处理下早稻干物质积累量上升趋势相对平缓。施肥处理中，T2早稻干物质积累量约在第38天之前，高于T3、T4；第38天～第68天，T3早稻干物质积累量开始超过T2、T4；第68天，T4与T3早稻干物质积累量相当，之后与T2、T3差异趋大。到完熟期，差异最大。完熟期早稻干物质积累量大小依次为T4>T3>T2，T4较T2、T3增加11.8%和8.8%。说明T4增加蘖肥比例的氮钾运筹施肥方式，对超级早稻的生长发育总体表现一定的优势，能有效促进水稻干物质的累积。

2.4 不同施肥处理对水稻养分累积量和土壤养分质量分数的影响

2.4.1 对水稻氮素累积量和土壤碱解氮质量分数的影响 由图2可知，早稻需氮高峰在分蘖盛期(1～31 d)和成熟期(60～90 d)，土壤氮素供应出现2个高峰：早稻移栽后的第1天到第31天和第46天到第75天，且前者供应峰值更高。第1个土壤氮素供应高峰期内，第15天到第31天T2早稻氮素累积量高于T3、T4。第31天到第46天T4早稻氮素累积量开始高于T2、T3，其中T4显著高于T2。第2个土壤氮素供应高峰期内，第60天至第70天，第75天至第90天早稻氮素累积量大小依次为T4>T2>T3。表明不同氮钾运筹方式会影响土壤氮素的供应特性，从而影响早稻对氮素的吸收和累积，最终影响籽粒产量的形成。

图1 不同施肥处理下水稻干物质积累量的动态变化Fig.1 Dynamic changes of dry matter accumulation under different fertilization treatments

柱形图为累积量 Column shows accumulation;折线图为质量分数 Line shows mass fractiom;下同 The same below

图2不同施肥处理下早稻氮素累积量和土壤碱解氮质量分数的变化
Fig.2Changesofnitrogenaccumulationandsoilalkali-hydrolyzalenitrogenmassfractionunderdifferentfertilizationtreatments

2.4.2 对水稻磷素累积量和土壤有效磷质量分数的影响 由图3可知，早稻整个生育期内需磷高峰在移栽后的第1天到第60天和第75天到第90天，而土壤磷素供应高峰主要在第1天到第60天，其他时期较为平缓。第1天到第31天和第46天到第60天T2早稻磷素累积量高于T3、T4。第31天到第46天，T4早稻磷素累积量显著高于T2。且T4早稻磷素累积量一直高于T3(60～75 d 除外)。到完熟期，T4早稻磷素累积量显著高于其他处理，大小依次为T4 > T2 > T3。表明不同氮钾运筹方式会影响土壤磷素供应特性和早稻的吸收特性，从而影响早稻对磷素的吸收和累积，最终影响籽粒产量形成。

图3 不同施肥处理下早稻磷累积量和土壤有效磷质量分数的变化Fig.3 Changes of phosphorus accumulation and available phosphorus mass fraction in soil under different fertilization treatments

2.4.3 对水稻钾素累积量和土壤速效钾质量分数的影响 由图4可知，早稻对钾素的需求具有持续性，需求高峰期主要在第15天到第46天(分蘖盛期)和第60天到第75天(抽穗期和乳熟期)，而土壤钾素供应主要集中在第15天到第31天(分蘖期)，后期供应相对不足，尤其在第60天到第75天(灌浆期和乳熟期)需要补充。第1天到第31天，T2早稻钾素累积量高于T3、T4。第31到第46天，T3、T4早稻钾素累积量开始高于T2，其中T4显著高于T2。第46天到第60天和第60天到第75天，T3早稻钾素累积量高于T4。到完熟期，早稻钾素累积量大小依次为T2>T4>T3。表明不同氮钾运筹方式会影响土壤钾素供应特征和水稻的吸收累积特性，从而影响早稻对钾素的吸收和累积，最终影响籽粒产量形成。

3 讨 论

氮肥大量一次性施用会加速氨挥发，造成氮损失，因此在施肥量一致的情况下，适量氮肥后移有利于提高水稻生长后期氮素的吸收和积累[27-28]。随着氮肥用量的增加，作物产量也随之提升，稻田土壤中原存的钾素被大量带走，土壤中钾素缺失已成为南方稻田产量提升的限制因素之一[29]。 相关研究表明，土壤中施入的钾肥35%～45%被当季的水稻所吸收，另外55%～65%被渗漏损失或者土壤固定[30]，因此适量、分次追施钾肥是可取的。Hong等[31]研究认为，钾素吸收不仅促进水稻碳氮代谢、加速植物体内氮化合物的运输和稳定蛋白质的合成，也有利于水稻体内有机物质的转化和累积及促进氮、磷吸收。可能是氮、磷、钾养分在植株体内有机物的形成和转化过程中存在交互作用[32]。严莲英等[33]和王强盛[34]研究发现，钾肥后移处理养分含量较钾肥一次性施用处理养分含量增高，且氮肥基追施比例4∶2∶3∶1，磷肥全部做基肥，钾肥基追施比例4∶4.5∶1.5时，超高产水稻产量最佳。也有研究表明，氮钾肥基追比为基∶蘖∶穗=5∶3∶2更符合超级稻晚稻吸肥规律[35]。T3、T4是在相同氮素运筹且磷素一次性施用情况下，调整钾肥的追施比例，表明在对氮素运筹的同时，适当增加钾素运筹能促进植株更有效地吸收肥料和土壤供给的养分，从而增加超级稻的产量和肥料利用率。

图4 不同施肥处理下早稻钾累积量和土壤速效钾质量分数的变化Fig.4 Changes of potassium accumulation and available potassium mass fraction in soil under different fertilization treatments

3.1 氮钾运筹对超级早稻产量和养分吸收利用效率的影响

本研究结果表明，T3和T4稻谷产量、总生物量比T2平均增加2.7%和2.1%。表明氮钾的适度后移更有利于早稻对养分的吸收累积，这与张雪凌等[36]研究结果一致。T4早稻产量依次高于T3、T2，这可能是由于T4氮钾运筹模式更符合早稻生长发育的关键时期需求。T4氮磷钾养分吸收总量、每100 kg籽粒需氮磷钾量、偏生产力、氮磷钾肥吸收利用率和氮磷钾肥农学利用率均依次高于T3、T2。表明适当调整氮钾素的后移量不仅能提高氮钾素吸收利用，同时影响早稻对磷的吸收，提高磷素吸收利用，减少稻田氮磷流失，降低农业面源污染[37]。

3.2 氮钾运筹对超级早稻养分需求特征和土壤养分供应的影响

本研究中，T2早稻干物质总量在生长发育后期低于T3和T4。表明合理的氮钾运筹能在后期持续供应养分，促进早稻后期的生长发育，其中T4高于T3。而磷肥是一次性施入的，这不仅说明氮、磷、钾肥之间在一定程度上相互促进吸收，而且这种促进效果的大小是建立在作物摄取养分平衡的基础上[38-41]。早稻移栽孕穗期至灌浆期需氮量相对较少，而土壤碱解氮累积较多，且灌浆期后氮素足量的供应是水稻产量的保证。其中T4在成熟期氮素累积量高于T2和T3。表明T4氮素运筹比例后期能更好促进植株吸收土壤中的有效态氮，更切合早稻对氮素的需求。灌浆期后，T4磷素累积量高于T2和T3，而土壤有效磷质量分数低于T2和T3，说明T4氮钾运筹方式在促进水稻植株生长发育的同时，也增加植株对土壤有效磷的吸收，较T3更为科学。而T3在钾素需求高峰期略有盈余，灌浆期之后却供应不足，相对钾素运筹不一致的T4，前者的产量、氮磷钾利用效率、氮磷钾累积量等低于后者，有的甚至达到显著水平。说明氮、磷、钾养分运筹要同步，而且不同时期的施用量一定要均衡。T2收获期土壤速效钾较T3和T4出现盈余，水稻植株钾素积累量较少，这可能与T2钾肥分次施用有关。本研究中，氮肥基追比为基∶蘖∶穗=6∶2∶2，钾肥基追比为基∶蘖∶穗=5∶3∶2的T4能较好满足超级早稻对养分需求的运筹模式，将其运用到实际生产中，指导施肥或者通过缓控释材料的选择，促使肥料养分的释放更接近植株养分的吸收，提高肥料的利用效率。

4 结 论

T4处理(氮肥基追比为基∶蘖∶穗=6∶2∶2，钾肥基追比为基∶蘖∶穗=5∶3∶2)和T3处理(氮钾肥基追比为基∶蘖∶穗=6∶2∶2)的施肥模式下超级早稻产量及氮、磷、钾养分利用效率均高于T2处理(氮钾肥基追比为基∶蘖=3∶2)，且T4处理更优于T3处理。表明T4处理的氮钾运筹对超级早稻的产量、养分质量分数相对具有良好的提升作用，其氮钾养分运筹特征与相应土壤的供肥特征更吻合早稻的养分需求特性。