聚氨酯包膜氮肥减施对双季早稻生长、 产量及经济效益的影响

周旋, 康兴蓉, 彭建伟*, 杨相东, 钟雪梅, 胡文峰, 龙俊佑

(1.湖南省农业科学院土壤肥料研究所, 长沙 410125; 2.湖南农业大学资源环境学院, 长沙 410128; 3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 北京 100081)

在水稻生产过程中，大多数农民为了提高产量，一味增加氮(N)肥施用量，过量施用问题普遍存在[1-2]。这不仅造成水稻后期倒伏、病虫害加剧、籽粒充实度下降等问题，影响产量，还导致N肥利用效率降低、损失率偏高、环境风险增加[3-4]。因此，如何在提高或稳定水稻产量的同时有效降低N肥对稻田环境生态的负面影响，已成为现代农业研究的重大科学问题。

缓/控释肥是一类新型肥料，肥效期长，具有养分释放与作物吸收同步的优点，能满足作物在整个生长期对养分的基本需求[5]。通常，作物对缓/控释肥的利用率比速效N肥高10%～30%，在目标产量相同的情况下，施用缓/控释肥较传统速效肥料用量可减少10%～40%[3]，且可实现全生育期一次性施肥[6-7]。因而，缓/控释肥的研究与应用对实现农用化肥的“零增长”目标，推动资源节约型和环境友好型绿色农业发展具有重要意义[4]。

近年来，控释尿素研究发展迅速，但在我国未达到规模化应用，主要是价格因素限制了其推广[8-9]。聚氨酯(polyurethane)全称为聚氨基甲酸酯，作为包膜材料用于制备包膜肥料时，具有生产成本低、制备工艺简单、易实现连续化等特点[10-11]，已成为最有前景的膜材类别[12-14]。目前，关于系统分析聚氨酯控释尿素减量施用的研究报道较少，且多以一年试验结果为主。本研究以典型洞庭湖区双季早稻为研究对象，选用90 d释放期的聚氨酯包膜尿素，连续2年研究全量及减量施用包膜尿素条件下双季早稻的生长、产量、产量构成因素及经济效益状况，以期为南方双季稻区缓/控释肥合理减量施用及推广应用提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年和2019年4—7月，连续2年在湖南省益阳市赫山区兰溪镇椆木垸村稻田(N 28°58′25″，E 112°45′47″)进行。该区属于中亚热带向北亚热带过渡的季风湿润性气候，年均气温16.9 ℃，年无霜期272 d，年日照时数1 553.7 h，太阳辐射总量103.73 kcal·h-1，年均降水量1 432.8 mm，年均相对湿度85%。供试土壤为红黄泥，中等地力，前茬为水稻，0～20 cm耕层土壤基本理化性质见表1。

表1 2018—2019年供试土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil tested from 2018 to 2019

1.2 试验材料

供试双季早稻品种为‘湘早籼45号’，全生育期106 d左右。供试肥料为聚氨酯包膜尿素(含N 44%)，N素释放周期约为90 d，由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研发提供；常规尿素(N 46%)、钙镁磷肥(P2O512%)、氧化钾(K2O 60%)，由湖南省赫山区农业农村局提供。

1.3 试验设计

试验共设置4个处理：①不施N肥(CK)；②150 kg N·hm-2常规尿素(CU)，按基肥∶分蘖肥6∶4施用；③150 kg N·hm-2聚氨酯包膜尿素，100%等N量施用(PuCU)，作基肥一次性施用；④120 kg N·hm-2聚氨酯包膜尿素，80%N量施用(0.8PuCU)，作基肥一次性施用。各小区磷钾肥施用量相同，P2O5用量为45 kg·hm-2，K2O用量为90 kg·hm-2，均作基肥一次性施用。种植密度为13 cm×41 cm，小区面积21 m2(3 m ×7 m)。3 次重复，随机区组排列。小区田埂农膜覆盖，四周设保护行，避免串水串肥，田间管理按当地常规管理。

2018和2019年水稻育苗日期分别为3月17日和3月12日，基肥施用日期分别为4月18日和4月16日，移栽日期分别为4月19日和4月17日，成熟期分别为7月10日和7月14日。

1.4 测定项目及方法

分别于水稻分蘖期(tillering stage，TS)、孕穗期(panicle initiation stage，PI)、抽穗期(heading stage，HS)和成熟期(maturity stage，MS)等关键生育期，每小区采地上部3穴，测定株高和分蘖数。水稻成熟后，脱粒，风干，按含水量14%测实产；每小区采地上部5穴进行室内考种，分别测定其株高、穗长、有效穗数、每穗粒数、结实率、总颖花数、总实粒数、千粒重及谷草比等指标[15-16]。

谷草比=籽粒产量/秸秆产量

(1)

经济效益(yuan·hm-2)=水稻产量×单价-肥料成本-人工费用[16]

(2)

各处理的其他农作费用(种子、农药及除草等)一致。详细费用如下：普通尿素价格为2.30元·kg-1、氯化钾价格为3.00元·kg-1、过磷酸钙价格为0.36元·kg-1、聚氨酯包膜尿素价格为2.70元·kg-1。早稻籽粒价格为2.40元·kg-1。插秧、施肥人工费为120元·hm-2。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0软件进行统计分析，处理间差异显著性分析采用最小显著性差异法(LSD)检验。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥处理下双季早稻的株高

由图1可知，不同年份间各生育期施N处理整体上双季早稻株高均高于CK处理。水稻生长前期(分蘖期)CU处理养分释放快，株高明显高于PuCU和0.8PuCU处理。而到生长后期，PuCU处理的株高逐渐高于CU和0.8PuCU处理。抽穗期施N处理双季早稻株高较CK处理增幅分别为9.89%～13.17%(2018年)和16.31%～24.35%(2019年)；PuCU处理双季早稻株高两年较CU处理分别提高2.54%和5.58%，但均无显著差异(P>0.05)，而0.8PuCU处理分别降低0.43%和1.24%，但均无显著差异(P>0.05)。说明与常规尿素相比，施用聚氨酯包膜尿素土壤供N能力持续时间长，能提高双季早稻的株高，而控释肥减N处理将降低株高，影响生长，但与常规施肥无显著差异。

2.2 不同氮肥处理下双季早稻的分蘖数及成穗率

由图2可知，不同年份间各生育期施N处理整体上双季早稻分蘖数均高于CK处理。水稻生长前期(分蘖期)CU处理养分释放快，分蘖数高于PuCU和0.8PuCU处理。而到生长后期，PuCU处理逐渐高于CU和0.8PuCU处理。抽穗期施N处理双季早稻分蘖数较CK处理增幅分别为31.54%～52.06%和0.49%～8.74%；2018年PuCU处理水稻分蘖数较CU处理提高7.51%，而0.8PuCU处理减少7.00%，但均无显著差异(P>0.05)；2019年PuCU和0.8PuCU处理分别提高8.21%和2.90%，但均无显著差异(P>0.05)。与CU处理相比，PuCU和0.8PuCU处理双季早稻成穗率2018年分别提高11.02%和8.33%，但均无显著差异(P>0.05)；2019年分别显著提高13.31%和9.82%(P<0.05)。说明与常规尿素相比，施用聚氨酯包膜尿素土壤供N能力持续时间增长，无效分蘖降低，双季早稻分蘖数及成穗率提高，而减N施用分蘖数略减少，影响生长，但与常规施肥差异不大，可保证成穗率。

2.3 不同氮肥处理下双季早稻的产量及其构成因素

由表2可知，双季早稻不同施N处理的有效穗数2018和2019年较CK处理增幅分别为24.19%～35.58%和2.88%～7.69%，总实粒数增幅分别为38.69%～61.48%和20.86%～43.63%。与CU处理相比，2018年PuCU和0.8PuCU处理有效穗数分别提高9.17%和2.04%，总实粒数分别提高16.43%和1.75%，但均无显著差异(P>0.05)；2019年PuCU和0.8PuCU处理有效穗数与CU处理均无显著差异(P>0.05)，PuCU处理总实粒数显著提高16.00%(P<0.05)，而0.8PuCU处理总实粒数无显著差异(P>0.05)。说明与常规尿素相比，聚氨酯包膜尿素施用利于生长后期的养分供应，能有效提高双季早稻有效穗数及总实粒数，为高产稳产奠定基础，而聚氨酯包膜尿素减量施用可能会导致有效穗数降低，影响产量构成。结果显示，施肥模式对双季早稻结实率、千粒重、谷草比影响不显著(P>0.05)；年份对双季早稻穗长、千粒重、谷草比的影响不显著(P>0.05)；两者交互效应对产量构成因素的影响均不显著(P>0.05)。

表2 不同氮肥处理下双季早稻的产量及其构成因素Table 2 Yield and its components of double-cropping early rice under different nitrogen treatments

双季早稻成熟期施N处理实际产量较CK处理增幅分别为70.59%～80.88%(2018年)和23.76%～47.80%(2019年)。与CU处理相比，2018年PuCU处理双季早稻实际产量增产4.55%，而0.8PuCU处理减产1.40%，但均无显著差异(P>0.05)；2019年PuCU处理双季早稻实际产量显著增加19.42%(P<0.05)，0.8PuCU处理增产6.76%，无显著差异(P>0.05)。说明与常规尿素相比，聚氨酯包膜尿素能有效提高双季早稻产量，实现高产稳产，而减N施用增产效果明显降低。此外，而两年间产量及其构成表现差异较大，这可能与气候变化及取样误差大有关。结果显示，施肥模式、施肥模式×年份两者交互效应对双季早稻实际产量的影响达到显著或极显著水平(P<0.05或0.001)，而年份的影响不显著(P>0.05)。

2.4 不同氮肥处理下双季早稻产量与其构成因素的相关性分析

由表3可知，不同年份间各N肥处理双季早稻籽粒产量与其构成因素间的相关性存在较大差异。2018年，双季早稻株高、穗长、有效穗数、总颖花数和总实粒数与籽粒产量间呈显著或极显著正相关(P<0.05或P<0.01)，而谷草比与籽粒产量呈显著负相关(P<0.05)，其余性状与籽粒产量相关性不显著(P>0.05)；2019年，双季早稻株高、每穗粒数、每穗实粒数、总颖花数、总实粒数和千粒重与籽粒产量间呈显著或极显著正相关(P<0.05或P<0.01)，其余性状与籽粒产量相关性不显著(P>0.05)。不同年份下双季早稻各产量构成因素间的相关性规律也存在差异。

表3 不同氮肥处理下双季早稻产量构成因素及产量间的相关分析Table 3 Correlation analysis between yield components and grain yield of double-cropping early rice under different fertilization treatments of 2018 and 2019

2.5 不同氮肥处理下双季早稻的经济效益

由表4可知，2018和2019年双季早稻施N处理经济效益较CK处理增幅分别为69.03%～76.95%和17.72%～42.78%。与CU处理相比，2018年PuCU和0.8PuCU处理经济效益分别提高4.69%和0.32%，但差异不显著(P>0.05)；2019年PuCU处理显著提高21.29%(P<0.05)，0.8PuCU处理提高9.59%，差异不显著(P>0.05)。说明与常规尿素相比，一次性施用控释肥料省工、省时、高效，能有效降低生产成本投入，提高双季早稻经济效益，为农户增收奠定基础。结果表明，年份对双季早稻经济效益指标的影响不显著(P>0.05)，施肥处理对双季早稻经济产值、经济效益和产投比的影响达到极显著水平(P<0.001)，两者交互效应处理的影响显著或极显著(P<0.05或0.01)。2018和2019年两年各施肥处理产投比大小均表现为CK>0.8PuCU>PuCU>CU。可见，0.8PuCU处理虽减少施N量，但较常规施N量处理仍具有增产增效优势。

表4 不同氮肥处理下双季早稻经济效益Table 4 Economic profit of double-cropping early rice under different treatments

3 讨论

3.1 聚氨酯包膜肥料减量施用对双季早稻产量及其构成的影响

随着科学技术的进步，新型肥料应运而生，依托新型肥料为载体的施肥技术不但能简化施肥过程，还能提高肥料利用率，降低肥料施用量[17]。谢春生等[18]研究认为，一次性施用控释肥可增加水稻成穗数、穗粒数，从而实现增产。本研究发现，施用等量聚氨酯包膜尿素主要通过提高水稻产量构成(总颖花数、总实粒数)来增加产量。李敏等[19]研究发现，控释尿素减施20%较普通尿素显著提高水稻产量，增幅达4.7%，超过此减施量水稻产量则显著降低；控释尿素减施20%处理通过提高水稻产量构成中的有效穗数和穗粒数来增加产量。而张运红等[20]研究报道，与农民习惯施肥相比，在获得相同或相近作物产量水平下，缓/控释肥施用量可减少10%～40%。本研究中，施用聚氨酯包膜尿素减N 20%水稻产量较常规施肥(普通尿素分次施用)2018年略有降低，实现稳产，而2019年实现增产。这与鲁艳红等[4]在双季稻上研究包膜控释尿素减N 15%和30%较常规尿素均增产基本相符。也有研究发现，控释掺混肥减量20%较习惯施肥不利于水稻籽粒的形成，减产8.5%[21]。主要是因为降低施N量会影响水稻生长及产量构成，从而影响增产[22]，但控释肥能延缓养分的释放，减少N素损耗，后效明显。

3.2 聚氨酯包膜肥料减量施用对双季早稻经济效益的影响

虽然控释尿素成本较普通尿素高，但适当减量施用可降低施肥成本，且作为基肥一次性施用进一步降低分次追肥的人工成本，水稻产量的增加与施肥成本的降低足以弥补肥料价格高所引起的不足[23]。因而，鉴于控释N肥的高肥力和长肥效作用，在减量施用控释氮肥的条件下依然可达到稳产甚至高产的作用，这对于肥料成本控制具有现实意义[7]。与常规施肥相比，缓释肥料可在降低施用量的情况下，使作物达到不同程度地增产[24]。李敏等[19]研究发现，水稻经济效益以控释尿素减施20%处理最高，较普通尿素处理产值增加4.7%，纯收入增加5.7%。本研究结果表明，控释尿素减量20%较常规施肥处理经济效益两年平均增收4.96%，产投比最高，达到节本增效的目标。因此，通过减量20%施用控释肥可节约水稻生产成本，较普通尿素能有效提高产投比，有利于缓/控释肥的推广应用。

本研究条件下，与常规施肥相比，施用等量聚氨酯包膜尿素能有效促进双季早稻生长，增加产量，而适当降低N肥用量在保证水稻产量的同时，可进一步增加经济效益。综合水稻产量和经济效益结果，在常规施肥的基础上，水稻一次性基施减N 20%的控释尿素促进水稻增产增效，是一种较为适宜的施肥方式。