有机无机复混肥稻田适宜施用量及养分利用效率研究

2022-10-19戴华军韩雪梅许俊伟曹敏旭邹鑫朱正斌

上海农业科技 2022年5期

戴华军韩雪梅许俊伟曹敏旭邹鑫朱正斌

（1苏州市种子管理站，苏州 215011；2苏州市吴中区农业环境与土壤肥料站，苏州 215128）

肥料是农作物的“粮食”，在农作物生产中起着不可替代的支撑作用，既是农产品产量和品质的物质基础，也是资源高效利用和生态环境保护的关键因子[1-2]。2015年以来，农业农村部组织实施了化肥使用量零增长行动[3]，各地以农业供给侧结构性改革为主线，以绿色发展为导向，按照“精、调、改、替”的技术路径，在保障我国粮食持续稳产的情况下，持续推进化肥减量增效工作，并取得了显著成效，为保障国家粮食安全、促进农业绿色发展做出了突出贡献[4]。“十四五”期间科学施肥工作仍以保障国家粮食安全为底线，以绿色发展为引领，牢固树立“高产、优质、经济、环保”的施肥理念，坚持创新驱动、依靠科技进步，构建现代科学施肥技术体系，深入推进科学施肥。苏州市吴中区积极响应政策要求，一方面通过提升肥料利用率、降低农业面源污染，从而实现农业节本增效和保护生态环境的目标，另一方面确保化肥减量不减产、不减收。鉴于此，笔者于2021年开展了稻田施用有机无机复混肥的适宜用量及养分利用率的探索与实践，旨为吴中区落实化肥减量行动方案提供理论依据和技术支撑。现将相关试验结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在吴中区临湖镇湖嘉生态农场进行。该农场位于长江三角洲太湖流域，属亚热带湿润季风气候，年平均气温为15.7 ℃，平均降水量为1 100 mm。试验田前茬为休耕。开展试验前的耕作层土壤基本理化性质为有机质含量21.7 g/kg、全氮含量1.64 g/kg、有效磷含量3.3 mg/kg、速效钾含量103 mg/kg、pH 5.83。

1.2 试验材料

供试的有机无机复混肥为江苏华昌化工股份有限公司生产，N-P-K含量为12-0-3，有机质含量≥25%。供试的水稻品种为当地常规水稻品种“南粳46”，属中熟晚粳稻，由江苏省农业科学院粮食作物研究所选育，适宜在江苏省太湖地区东南部种植。

1.3 试验设计与实施

试验共设置6个处理，每667 m2纯氮施用量分别为0、7.2、9.6、12、14.4、16.8 kg，折算为有机无机复混肥每667 m2施用量分别为0、60、80、100、120、140 kg，各小区有机无机复混肥均于6月10日作基肥一次性施入。每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积为39 m2（6 m×6.5 m），各小区以田埂隔开，并用农膜包埂，以防串水串肥。

试验于2021年6月18日进行秧苗人工移栽，叶龄为4.5～5叶，移栽规格为14 cm×30 cm，水稻大田生育期为6月18日—10月24日。试验在水稻分蘖末期至幼穗分化始期进行搁田，视水稻生长情况搁田期约持续半个月（约在7月14日—8月2日），其余时期保持浅水层约3 cm，至收割前10 d停止灌水，于10月24日进行收割。各处理的病虫草害防治等田间管理措施均与当地大田相同。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 产量及产量构成测定

在水稻成熟期，采用收割的方法测定水稻实际产量，每大区选择3个点，每个点选择2 m2水稻齐根人工收割，然后装入尼龙网袋中，自然风干、脱粒，称量计实际产量。各小区随机调查50穴植株的穗数，根据调查的平均穗数取具有代表性的10穴植株测定水稻产量构成因子。将水稻植株样品分成秸秆和籽粒，调查有效穗数，采用四分法选取100 g籽粒风干样品，用于测定每穗粒数，用水漂法区分饱粒和空瘪粒，计算每穗实粒数、结实率，称量千粒重[6]。

1.4.2 植株生物量和养分含量测定

于水稻抽穗扬花期、成熟期，每小区分别在前、中、后3个位置进行采样，根据调查的水稻分蘖数平均值，每小区共取9穴具有代表性的植株样品，平均分成3份，作为3次重复，计算干物质重量。将成熟期植株样品按秸秆和籽粒分开，于105 ℃下杀青20 min 后继续在75 ℃下烘干至恒重，分别测定籽粒和秸秆干物质重量；植株样品经粉碎机粉碎后，过60目筛后用于测定植株氮、磷、钾含量。样品经H2SO4-H2O2消煮后，采用凯氏定氮法测定氮含量，采用钼锑抗比色法测定磷含量，用火焰光度计法测定钾含量，并分别计算籽粒和秸秆的氮、磷、钾累积量[7]。

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2013进行整理和制图，采用SPSS 23.0进行方差分析和曲线拟合分析。

计算公式[8]：抽穗后累积生物量=成熟期干物质重量-抽穗期干物质重量，吸氮（磷、钾）量=氮（磷、钾）含量×干物质重量，氮（磷、钾）素籽粒生产效率（kg/kg）=成熟期籽粒产量÷成熟期植株吸氮（磷、钾）总量，氮（磷、钾）素干物质生产效率（kg/kg）=单位面积干物质重量÷成熟期植株吸氮（磷、钾）总量，氮（磷、钾）素收获指数= 成熟期籽粒中氮（磷、钾）积累量÷成熟期地上部总氮（磷、钾）积累量×100%，氮肥利用率=[（施氮处理总吸氮量-不施氮处理总吸氮量）÷总施氮量]×100%，氮肥偏生产力（kg/kg）=产量÷氮肥施用量。

2 结果与分析

2.1 不同有机无机复混肥施用量对水稻产量及其构成的影响

由表1可知，施用有机无机复混肥对水稻产量具有明显的增产作用，随着有机无机复混肥（纯氮）施用量的增加，水稻产量呈先升后降的趋势。其中，每667 m2纯氮施用量为7.2 kg时，水稻产量较低，每667 m2为463.2 kg；每667 m2纯氮施用量为14.4 kg时，水稻产量最高，每667 m2为628.6 kg，即每增加1 kg氮素，水稻产量增加23 kg。

表1 不同有机无机复混肥（纯氮）施用量对水稻产量及其构成的影响

由表1还可知，随着施氮量的增加，水稻的有效穗数、每穗粒数均呈先升后降的趋势。其中，每667 m2施氮量为14.4 kg时，水稻的每667 m2有效穗数和每穗粒数均为最高，分别达20万穗和140.7粒，可见提高施氮量有利于提高水稻的库容，但并不是氮素施用量越高越有利。结实率随着施氮量的增加呈下降的趋势，主要是因为施氮量过多，水稻贪青迟熟，影响了水稻灌浆结实[9]。另外，不同施氮量处理之间的水稻千粒重变化无明显的规律性。

2.2 不同有机无机复混肥施用量对水稻干物质形成和积累的影响

水稻干物质积累是水稻获得产量的基础。由表2可知，在水稻抽穗期，不同施肥处理之间的干物质积累量差异幅度较小，虽然总体呈现施氮量越高，抽穗期干物质积累量越大的趋势，但无明显的规律性；而在水稻成熟期，随着施氮量的增加，成熟期干物质积累量逐渐上升，每667 m2施氮量为14.4 kg时，干物质积累量达到最大（每667 m2为1 382.6 kg），之后呈降低趋势。一般而言，水稻在抽穗前主要为营养生长，抽穗后为生殖生长，抽穗后累积的干物质主要用于水稻灌浆并进一步形成产量。在水稻抽穗—成熟期间的干物质积累量随着氮素施用量的增加呈先升后降的趋势，其中每667 m2氮素施用量为14.4 kg时，抽穗—成熟期间积累的干物质量最大，这也是该处理产量最高的直接原因。另外，每667 m2氮素施用量为16.8 kg的处理，其抽穗期的干物质积累量最大，但在抽穗—成熟期间积累的干物质量低于每667 m2氮素施用量为14.4 kg的处理，这可能也是该处理产量相对较低的原因。

表2 不同有机无机复混肥施用量对水稻干物质形成与积累的影响

2.3 不同有机无机复混肥施用量对水稻氮素吸收及利用的影响

氮素是水稻生长发育的必需营养物质。由表3可知，水稻植株的含氮率随着施氮量的增加呈下降的趋势，这主要是因为施氮量高的处理，其生物量也高，由于作物生长的稀释作用，单位干物质中的氮素含量相对值则较小。另外，随着施氮量的增加，水稻植株的吸氮量呈先升后降的趋势，但不同处理之间水稻吸氮量的差异幅度逐渐减小。可见，水稻对氮素的吸收并不会随施氮量的增加而持续上升，氮素施用量越多，则氮素的流失风险越大。

表3 不同有机无机复混肥施用量对水稻氮素吸收效率的影响

氮素干物质生产效率、氮素籽粒生产效率分别表明了单位质量氮素可生产的干物质或籽粒产量的相对质量。由表4可知，随着有机无机复混肥（纯氮）施用量的增加，水稻的氮素干物质生产效率呈逐渐增长的趋势；随着施氮量的增加，氮素籽粒生产效率呈先上升后下降的趋势，其中，每667 m2施氮量为12.0 kg时，氮素籽粒生产效率最大，即1 kg纯氮可生产52.2 kg籽粒；氮素收获指数表明了水稻吸收的氮素量，随着施氮量的增加，氮素收获指数总体呈下降趋势，即水稻籽粒中吸收的氮素相对全株吸氮量，并不是施氮量越高，进入籽粒中的比例越高，这进一步反映所吸收的氮素有更多比例进入了稻草秸秆中。

表4 不同有机无机复混肥施用量对水稻氮素利用效率的影响

另外，氮肥利用率一直是农田生产中最为关注的指标，既体现了氮肥施用的经济性价比，也反映了可能对环境造成的潜在风险。由表4可知，随着有机无机复混肥（纯氮）施用量的增加，水稻对氮素利用效率呈持续下降的趋势，其中，每667 m2施氮量为7.2 kg时，水稻对氮素的利用率最高，为48.4%，而每667 m2施氮量为16.8 kg时，水稻氮素的利用率最低，为36.1%。综合产量结果来看，施氮过多并不利于产量的形成，也不利于氮素利用率的提高。

2.4 不同有机无机复混肥施用量对水稻磷素吸收及利用的影响

由表5可知，不同处理之间水稻植株的含磷率无明显的差异性和规律性，这是由于本试验选用的有机无机复混肥已协调了氮磷钾三元素的混合比例（12-0-3），也就是有机无机复混肥中不含磷素，故当试验设计以氮素施用量为变化因子时，各处理均不存在磷素施用。因此，随着施肥量的增加，水稻植株的每667 m2吸磷量在2.2～3.3 kg之间，总体呈现施肥量越多，水稻植株吸磷量越高的变化趋势，但处理间差异幅度较小。

表5 不同有机无机复混肥施用量对水稻磷素吸收效率的影响

目前，水稻生产中对氮素的利用效率关注较多，而对磷素利用率的关注较少，一方面是因为磷素在土壤中迁移缓慢，易被固定，但磷素也是因水土流失或地表径流而导致水体污染的重要因子。由表6可知，不同处理之间水稻吸收磷素而形成的干物质重及籽粒产量无明显的变化规律，且各处理间差异较小。但进一步观察磷素收获指数发现，随着施肥量的增加，水稻磷素收获指数呈下降的趋势，说明施肥量越多，磷素进入籽粒中的相对比例也并非呈上升趋势。

表6 不同有机无机复混肥施用量对水稻磷素利用效率的影响

2.5 不同有机无机复混肥施用量对水稻钾素吸收及利用的影响

由表7可知，随着有机无机复混肥施用量的增加，水稻植株含钾量总体呈上升的趋势，且水稻植株吸钾量也随着施肥量的增加持续上升。

表7 不同有机无机复混肥施用量对水稻钾素吸收效率的影响

由表8可知，随着有机无机复混肥施用量的增加，钾素的干物质生产效率、籽粒生产效率均呈下降的趋势，这主要是因为钾素能促进水稻生长发育，干物质积累增长速率大于钾素吸收的增长速率，从而导致其相对值变小。另外，随着有机无机复混肥施用量的增加，钾素收获指数也呈下降的趋势，一方面水稻秸秆中的钾含量显著高于籽粒中的钾含量，另一方面增加有机无机复混肥施用量，并没有增加籽粒中钾素的相对含量。

表8 不同有机无机复混肥施用量对水稻钾素利用效率的影响

2.6 稻田有机无机复混肥适宜施用量分析

以施肥量为x轴、水稻产量为y轴进行曲线拟合分析，结果表明，水稻产量与有机无机复混肥施用量之间呈显著的开口向下的一元二次抛物线相关（y=-3.15x2+88.115x-10.017，R2=0.927 6，P<0.05），根据曲线方程计算得出，获得水稻最高产量的每667 m2复混肥纯氮适宜施用量为13.965 kg，见图1。另外，以施肥量为x轴、氮素利用率为y轴进行曲线拟合分析，结果表明，氮素利用率与施肥量之间呈极显著的开口向下的一元二次抛物线相关（y=-0.210 8x2+3.867 9x+31.031，R2=0.982，P<0.01），根据曲线方程可知，每667 m2有机无机复混肥纯氮施用量为13.965 kg时，肥料的氮素利用率最高（43.94%），见图2。

3 结论与讨论

3.1 有机无机复混肥施用量对水稻产量及其构成的影响

有机无机复混肥是一种既含有机质又含适量化肥的混合肥，由于兼具速效态养分释放快和有机养分持续期长的特点，对水稻增产效果明显[10-11]。本研究中，随着有机无机复混肥施用量的增加，水稻产量呈先升后降的趋势，当每667 m2纯氮施用量为14.4 kg时，水稻产量达最高，每667 m2为628.6 kg，且该处理的有效穗数、每穗粒数、结实率和抽穗—成熟期间干物质量较高，表明适宜的有机无机复混肥施用量可在一定程度上提高水稻成穗率、结实率和干物质积累，从而增加水稻产量[12]。但是，过量施用有机无机复混肥,也会导致水稻贪青迟熟和空瘪粒增加，从而影响水稻产量；在本研究中，当每667 m2纯氮施用量为16.8 kg时，其水稻产量和结实率较每667 m2纯氮施用量为14.4 kg时明显降低。

3.2 有机无机复混肥施用量对水稻养分吸收及利用的影响

实践证明，随着氮肥施用量的增加，氮素利用率和水稻增产效果逐渐下降[13-14]。本研究结果与上述结论一致，随着有机无机复混肥（纯氮）施用量的增加，水稻植株吸氮量逐渐增加，但各处理间差异幅度逐渐减小；同时，随着有机无机复混肥（纯氮）施用量的增加，水稻的氮素干物质生产效率逐渐增加，但氮素籽粒生产效率则表现出先上升后下降的趋势，氮素收获指数总体呈下降的趋势，说明水稻籽粒中吸收的氮素相对全株吸氮量，并不是施氮量越高，进入籽粒中的氮素比例越高，吸收的氮素更多进入了稻草秸秆中，主要原因是氮素供应过多，会导致水稻氮素奢侈吸收，但体内过量氮素往往以非蛋白质态氮的增加为主[15]，使增产效果明显降低，甚至引发经济产量减少，从而降低氮肥施用的经济性价比[16]，同时未被水稻吸收的氮素还有可能对环境造成潜在污染风险[17]。本研究中施用的有机无机复混肥不含磷素，故各处理间在水稻磷素吸收和利用效率方面无明显的变化规律。在钾素吸收利用方面，水稻吸钾量随钾素施用量的增加而增加，但钾素的干物质生产效率、籽粒生产效率和收获指数均呈下降的趋势，主要原因是吸收的钾素会促进水稻生长发育，但干物质积累增长速率大于吸收增长速率，从而导致其相对值变小，且钾素吸收后分配转运至秸秆的例比较高，但秸秆含钾量的增加有利于提高其抗倒伏能力[18]。