侧深施控释肥下寒地粳稻产量形成及氮素利用特性

张 迪，吕思琪，徐文越，梁世鹏，姜佰文

（东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

水稻是我国重要的粮食作物，据预测在2033年我国粮食产量需增长35%才能满足我国人口需求［1］。水稻增产离不开肥料施用，特别是氮肥施用，我国氮肥利用率仅为30%～35%［2］，大量施肥和氮肥表施是我国肥料利用率低的主要原因，其易造成养分淋溶和挥发，不但降低肥料利用率，还会导致农业面源污染。因此，提高氮肥利用率至关重要。提高肥料利用率、减少氮素损失途径，除了水肥管理［3］、平衡施肥［4］、氮肥深施［5］措施外，应用控释肥料也是提高氮素利用有效措施之一。

在东北粳稻种植地区，马昕等［6］研究认为，控释肥料做基肥一次性施用存在前期养分释放速率慢和控释肥料成本高等问题。近年来，进口控释肥料成本不断下降，国产控释肥料品质不断提高，施用控释肥料前景越来越好。且东北雨热同期，养分释放速率较好控制，土壤中有机质、N、P、K含量较高，所以实行一次性施肥免追肥具有一定可行性。

此外农业规模化种植发展，水稻产量和人工成本成为衡量粳稻种植效益重要指标［7］。东北大部分地区粳稻施肥方式是在整地后施基肥，在生育期内通过人工撒施进行2～3次追肥，这种施肥方式费时费力，不但增加劳动量，还会降低肥料利用率，造成环境污染。粳稻侧深施肥机可以在插秧同时侧深施用肥料［8］，采用侧深免追施肥可以减少施肥次数，降低劳动量，提高氮肥利用率。目前，对水稻侧深免追施肥研究多为籼稻种植地区且研究结果不尽相同。侯红乾等［9］研究表明，在适宜氮肥用量投入下，免追施用控释肥料能够提高对籼稻氮素供应，提高氮肥利用率；杨艳明［10］研究结果表明，侧深施肥技术可以促进粳稻前期生长发育，但免追肥处理后期容易出现脱肥现象。

基于前人对免追侧深施控释肥料效果差异，本研究在施用等量氮肥条件下，通过田间大区随机区组试验研究不同释放特征控释肥料免追侧深施用下对寒地粳稻产量及氮肥利用率影响，旨在为寒地粳稻合理免追侧深施用控释肥料提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年在绥化市北林区秦家镇民兴村（纬度127.043802；经度46.832176）进行，该区位于黑龙江省中部，第二积温带，属于黑龙江省粳稻主产区。气候属温带大陆性气候，年平均气温2.4℃，日照时数2766 h，积温2580℃，无霜期129 d左右，降水量547 mm。试验土壤类型为水稻土。土壤基础肥力：土壤有机质33.32 g/kg，pH值6.4，碱解氮177.0 mg/kg，有效磷27.1 mg/kg，速效钾134 mg/kg，全氮1.36 g/kg，全磷0.68 g/kg。

1.2 供试材料

供试粳稻品种为绥粳18，由绥化市粳稻研究所育成，属于中高产粳稻品种。

供试肥料：46%普通掺混复合肥（N-P2O5-K2O=24-11-11）、48%日本缓控释肥粳稻侧深掺混专用肥（日本JCAM Agri公司，氮肥控释，N-P2O5-K2O=26-11-11）、52%云天化粳稻侧深掺混专用肥（吉林云天化农业发展有限公司，氮肥控释，N-P2O5-K2O=26-12-14）、52%包膜控释肥（高塔造粒，树脂包膜，N-P2O5-K2O = 24-13-15）、48%（8%尿素缓释）中化掺混肥（山东中化肥业有限公司，N-P2O5-K2O =24-12-12）。

1.3 试验设计

采用大区随机对比试验，各处理设3次重复，依相邻自然池设置，各处理面积均在2000～3000 m2之间。以当地常规施肥量为对照，选择肥秧一体化施肥技术进行不同缓控释肥对比试验。试验共设6个处理，如表1所示：无氮肥处理（CK）、46%普通掺混复合肥（常规施肥处理，CG）、48 %日本氮控释掺混肥（T1）、52%国产氮控释掺混肥（T2）、52%树脂包膜控释肥（T3）、48%（8%尿素控释）掺混肥（T4）；CG处理，机施，追分蘖肥、穗肥；T1～T4处理一次性侧深施入免追肥。除CG处理外，其余处理均为等量施肥，磷、钾以掺混重钙和氯化钾方式补齐。

试验于4月15日进行育苗，5月18日利用洋马2FC-6侧深专用施肥插秧机机插，行距30 cm，株距12 cm，每公顷栽27万穴，以T3肥料养分为基准，进行等养分试验。根侧深施位置如图1：根侧5 cm，深4～5 cm。其它水层管理、化学灭草、病虫害防治同常规大田处理。

生育期田间调查：在粳稻不同生育期，即分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期每个处理采用“S”取样方法，采集有代表性植株样9株，同时用梅花布点法采集0～20 cm土层土壤样品，各小区样品混匀分装，分别进行指标测定。

表1 肥料运筹情况 （kg/hm2）

图1 粳稻不同种植方式施肥位置示意图

1.4 测定指标与方法

每个处理定点20穴，分别于分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期调查粳稻分蘖数。按平均分蘖数法取样，每小区取12穴，烘干称重。

分蘖成穗率：成穗率=收获时茎蘖数/最高分蘖数×100%

干物质重及植株氮素测定：分别于粳稻分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期和成熟期取样，样品各处理茎秆、叶、籽粒分开，置与105℃烘箱中杀青30 min，60℃烘干至恒重，降至室温分别称其干重，并将样品粉碎过滤，采用凯氏定氮法测定粳稻氮素含量。

产量测定：在成熟收割时，每个小区取3点，每个点1 m2，进行考种，主要包括有效穗数、穗粒数、实粒率、千粒重（烘干重）。计算产量。

经济效益分析：肥料成本：肥料按照市场价，其中尿素2100元/t，磷酸二铵3100元/t，硫酸钾3200元/t，48%日本粳稻侧深掺混专用肥3800 元/t，54%粳稻侧深掺混专用肥2500元/t，52%包膜控释肥3600元/t，52%（8%尿素缓释）掺混肥2800元/t。以上数据来源于2018年肥料市场调查平均值。

1.5 计算公式

氮素积累总量（kg/hm2）=单位面积地上部（茎叶、穗）氮素积累量之和

氮素干物质生产效率（kg/kg）=成熟期单位面积全株地上部（茎叶、穗）干物重/成熟期氮素积累总量

氮素籽粒生产效率（kg/kg）=稻谷产量/成熟期氮素积累总量

百千克籽粒吸氮量（kg）=成熟期氮素积累总量/稻谷产量×100

氮肥农学利用率（NAE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/施氮量

氮肥吸收利用率（NRE，%）=（施氮区植株总吸氮量-不施氮区植株总吸氮量）/施氮量×100

氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）=施氮区产量/施氮量

氮素生理利用率（NPE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/（施氮区植株总吸氮量-不施氮区植株总吸氮量）

收获指数（HI，%）=收获单位面积上稻谷产量/全部粳稻干物质重量×100

库容量（g/m2）=单位面积穗数×每穗总粒数×实粒千粒重/1000

1.6 数据处理与分析

采用Excel 2010处理数据，运用SPSS 23.0统计软件进行方差和相关性分析，不同施肥处理间采用Duncan新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 控释肥料释放速率

控释肥料国标法中规定，控释肥料初期养分释放要小于15%，图2显示T1和T3可以满足要求。T4肥料在7 h养分释放速率达到37%。T1和T3前期养分释放较快，后期养分释放较缓慢。氮释放速率到30%时，T2需要3～4 d时间，T1和T3需要15 d左右。在30 d时T2养分释放速率为63%，T1养分释放速率为35%，T3养分释放速率为40%。

图2 4种供试肥料养分释放曲线

2.2 不同处理对粳稻氮素积累量的影响

图3 不同施肥处理对粳稻氮素积累量的影响

不同施肥处理对粳稻氮素积累量影响如图3所示，各处理氮素积累量随粳稻生育期呈现出增长趋势。在粳稻分蘖期和拔节期，CG处理氮素积累量高于其它施肥处理，与其它处理呈现出显著差异水平。当粳稻进入孕穗期时，T1、T2、T3处理氮素含量显著增加，其中T1处理较CG处理增加10.11%，T3处理较CG处理增加5.49%，T2处理氮素含量增加幅度较低。在粳稻成熟期，氮素积累量表现T3>T1>T2>CG>T4>CK，T3处理较CG处理显著增加23.78%，T1处理较CG处理显著增加22.67%，T2处理较CG处理显著增加20.59%，T4处理较CG处理低2.00%。

2.3 不同处理对粳稻氮素吸收利用率的影响

由表2可以得出，CG处理氮素干物质生产效率和氮素籽粒生产效率均高于其它施肥处理。各处理氮素干物质生产效率表现为CG>T4>T1>T3>T2，T1处理较CG处理显著低12.69%。CG处理氮素籽粒生产效率略高于T4处理，与T2处理呈显著差异。而百千克籽粒吸氮量中CG处理均小于其它施肥处理，与T2施肥处理呈显著差异，T1处理百千克籽粒吸氮量为1.71 kg，较CG处理增加6.88%，T2处理百千克籽粒吸氮量为1.82 kg，较CG处理增加13.75%，T3处理较CG处理增加10.0%。

表2 不同施肥处理氮素吸收利用率

2.4 不同处理对粳稻氮素利用率的影响

氮肥农学效率指单位施氮量增加的籽粒产量，其大小可评价氮肥施用增产效果，而氮肥偏生产力是单位氮肥养分生产的作物籽粒产量，其值可以表征特定地区提高肥料利用率潜力，氮素利用率是评价农田氮肥利用效率主要指标之一。从表3可知，CG处理氮肥偏生产力为61.43 kg/kg，其它施肥处理氮肥偏生产力为72.00～85.83 kg/kg，均高于CG处理，其中T1处理氮肥偏生产力最高，为85.83 kg/kg，其次是T3处理，两者之间差异不显著。T1处理氮肥农学利用率最高，为26.11 kg/kg，T4处理氮肥农学利用率略低于CG处理。T1、T2、T3处理氮素吸收利用率均显著高于T4处理，CG处理氮素吸收利用率最低。各处理之间，氮素生理利用率差异不显著。

表3 不同施肥处理氮素利用率

2.5 不同处理对粳稻分蘖成穗率影响

据田间观察，插秧后各处理没有明显变黄过程，粳稻根系直接扎根并开始生长，表明插秧同时施肥促进了粳稻快速返青，且T1和T3处理返青速度高于其它处理。所有施肥处理粳稻分蘖成穗率均高于70%，表明各处理具有良好群体质量。T1、T2和T3处理之间无显著差异（图4）。其中T1处理分蘖成穗率最高，为82.9%，较CG增加17.9%。其次是T3处理，为80.0%，较CG增加13.85%。T2处理和T4处理分别为77.1%、73.5%，较CG增加9.9%和6.7%。

图4 不同施肥处理粳稻成穗率

2.6 不同处理对粳稻干物质量的影响

由表4可知，粳稻干物质积累量随着生长不断增加。粳稻在拔节至孕穗期干物质积累量增加较快，在孕穗期至抽穗期干物质增加较拔节期至孕穗期增加慢。在粳稻分蘖期和分蘖期至拔节期CG均高于其它施肥处理，田间观测显示，CG处理在生育期前期，表现出叶色浓绿、茎秆贪长现象，T4处理干物质积累量略低于CG。T1和T3在拔节期至孕穗期增长明显，T4在拔节至孕穗期干物质量最小且与其它处理呈差异显著水平。T3处理库容量最大，较CG处理增加23.89%，其次是T1处理，较CG增加18.12%。T1、T2、T3处理收获指数均高于CG处理。

表4 不同施肥处理干物质积累量

2.7 不同处理对粳稻产量及构成因素的影响

如表5可知，T3处理与CG处理穗数呈显著差异，T3穗数最大，为27.3个/株，CG处理穗数最低，为23.5个/株。机插侧深施用控释肥主要是增加了收获穗数和结实率而增产。T1和T3处理结实率无显著差异，T1处理结实率最高，达到92.57%，较CG处理增加3.5%，其次是T3处理，为89.69%。T1、T2和T3处理千粒重无明显差异。CG处理千粒重为21.57 g，高于其它处理，T4处理千粒重最低，为20.18 g，与CG处理呈显著差异。除T4处理外，其它处理产量均高于CG处理。其中产量较高为T1和T3处理，分别为9271.5和9021.3 kg/hm2，较CG分别增加14.34%和11.3%。其次为T2处理，较CG增加5.4%，T4处理产量较CG处理略有降低。

表5 不同施肥处理对粳稻产量及构成因素的影响

2.8 产量与产量构成因子、各时期吸氮量的关系

由表6可知，在粳稻产量构成因子中，结实率与产量成极显著正相关关系（P<0.01）。其他产量构成因子与产量相关性不显著。产量与拔节期和抽穗期氮素积累量呈显著相关关系（P<0.05），氮素积累量呈显著相关关系（P<0.05），其他阶段氮素积累量与产量相关关系不显著（P>0.05）。由图5可知，产量与收获指数呈极显著相关关系（R=0.844，P<0.01）；产量与库容量、籽粒生产效率呈正相关关系。

表6 粳稻产量与产量构成、各时期吸氮量的相关系数

图5 粳稻产量与库容量、籽粒生产效率、收获指数的相关系数

2.9 不同处理对经济效益的影响

经济效益高低与产量有着密切关系。计算不同施肥处理产生经济效益（表7），施用控释肥料T1、T2、T3处理粳稻纯收入都高于施用常规肥料处理。其中T1处理纯收入最高，每公顷为11874.6元，较CG每公顷增收2533.4元。其次T3处理，每公顷纯收入为11651.1元，较CG每公顷增收2310.0元，T2处理每公顷纯收入为10484.2元，较CG处理每公顷增收1143.0元。虽然TI和T3肥料价格高于其它肥料，但施用T1和T3处理肥料产量较高，减少了劳动力，纯利润高。

表7 不同处理经济效益

3 讨论

控释肥料养分释放规律符合粳稻生长发育所需肥料规律，能够使其养分释放与粳稻养分吸收规律吻合，促进养分吸收利用，减少肥料中氮素损失。有研究表明，在水稻生长过程中有两个吸氮高峰期，第一个高峰期在水稻分蘖期，第二个高峰期是水稻幼穗分化期［11］。

本试验研究中，T1处理在分蘖期氮素积累量 为24.68 kg/hm2，T3处 理 氮 素 积 累 量 为20.95 kg/hm2，CG处理氮素积累量达到28.61 kg/hm2。通过田间调查，CG处理粳稻贪青徒长，干物质积累量在分蘖期较大，无效分蘖过多，导致分蘖成穗率较低，CG处理分蘖成穗率较T1处理下降17.91%，比T3处理下降13.85%。CG处理前期氮肥过多，使分蘖过多，封行早，导致田间环境恶化，分蘖成穗率低，尽管拔节前干物质积累量及比例高，但在拔节到孕穗期后干物质积累量显著下降，单位叶面积承载的库容量大、库源关系不协调；在粳稻吸氮第二个高峰期，拔节后期接近幼穗分化期时，T1和T3处理氮积累量分别为41.24和36.38 kg/hm2。CG处理氮素积累量为55.97 kg/hm2，CG处理肥料释放量较粳稻实际氮素需求高，导致了幼穗分化期前吸氮量过高，幼穗分化期前吸氮量高会导致无效分蘖过多，而幼穗分化期是水稻养分需求最旺盛时期，占整体吸氮量50%［12］，从试验结果显示在该时期CG处理氮素积累量显著低于T1处理。从分蘖成穗率的统计上也可以看出，CG处理显著低于T1和T3处理。T1和T3处理在孕穗期氮素吸收量符合粳稻生长发育需求。Murata［13］研究表明，增加水稻从幼穗分化至抽穗期氮素吸收量，能够显著提高水稻抽穗期、成熟期碳水化合物积累，从而提高产量，这与本研究结果相一致。CG处理在抽穗期虽然施用穗肥，但是氮素积累量不高，说明在这一时期氮肥运筹时间与作物吸收规律不匹配，对粳稻氮素积累量提高作用不大，与李玥［14］研究结果一致。刘汝亮等［15］研究表明，控释氮肥在水稻根际附近形成贮肥库，能逐渐释放养分供应水稻生长，有利于水稻对养分吸收，为水稻产量形成奠定基础，提高了氮素农学利用率。在本试验结果中，T1、T2、T3处理产量较CG处理增加5.4%～14.3%，氮肥偏生产力提高28.93%～35.98%。氮肥农学利用率提高6.93～13.56 kg/kg。

产量与产量构成因子具有一定相关性，刘丽华等［16］研究表明，产量与穗数呈极显著相关关系，与穗粒数呈负相关关系，与千粒重和结实率相关性不显著。张安存等［17］对江苏省近17年水稻品种产量性状相关性研究得出，产量与实粒数呈极显著相关关系，与穗数、结实率和千粒重相关性不显著。在本试验研究结果中，产量与收获指数呈极显著相关关系，与结实率呈极显著正相关关系，与穗粒数和千粒重呈正相关关系，穗数与产量呈负相关关系，这与胡香玉等［18］研究结果相一致。产量与穗数呈负相关关系，可能是由粳稻无效分蘖多造成的。在本研究结果中，产量与拔节期和抽穗期氮素积累量具有显著相关性，这与陈丽楠［19］研究结果相一致。前人对产量相关性研究结果不尽相同，其主要原因可能是由水稻品种、生产种植条件、土壤情况、氮肥施用量不同所导致。

本研究同时发现侧深施控释肥相比于侧深施专用复合肥［20］及单独基施控释肥［21］，在相近品种减施氮肥的情况下，能够显著提高收获穗数，在穗粒数没有显著下降的情况下，显著提高了千粒重，从而产量显著提高。究其原因可能是在近根位置及时充分的氮素供应促进了水稻快速返青，早生分蘖，控释肥持续稳定的氮素供应，保证孕穗期养分需求促进干物质积累，促进了源库协同，增加了有效分蘖穗数，从而达到穗数多，千粒重大而增产。

4 结论

免追侧深施控释肥料基于肥料养分释放与实际粳稻生长养分需求，在“量”和时间效益上同步调控，显著提高了寒地粳稻孕穗期至拔节期干物质积累，孕穗期氮素积累量，增加分蘖成穗率，提高了结实率，从而提高产量；提高氮素偏生产力、氮素吸收利用率和氮素农学利用率；通过理论测产计算经济效益结果显示，T1每公顷纯收益增加2533.4元，T3每公顷纯收益增加2310.0元，经济效益相对较高。一次性免追侧深施控释肥料处理，表现出明显产量优势，T1和T3处理显著高于CG处理14.34%和11.26%。T4处理不适合在寒地粳稻上一次性免追肥施用。

根据粳稻最大需肥期，设定控释肥释放高峰期，使其养分释放和供应与粳稻需求相同步，可实现寒地粳稻免追侧深施肥，改变寒地粳稻一季多次施肥方式，为寒地粳稻精准化、轻简化和一体化施肥提供理论指导和技术支撑。