晚稻种衣肥ZFWW-8的养分释放特性及应用效果初探

2023-01-31李祎成熊远福文祝友熊海蓉邢俊英

江西农业大学学报 2022年6期

李祎成，熊远福，文祝友，熊海蓉*，邢俊英

（1.湖南农业大学化学与材料科学学院，湖南长沙 410128；2.湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙 410128）

【研究意义】水稻是我国第一大粮食作物[1]，超过一半的居民将稻米作为主食[2]。施肥能有效提高水稻的产量并提高稻米品质。然而肥料利用率始终偏低，且过度施肥对生态环境和人类健康亦有负面影响[3]。缓/控释肥是一种既能满足作物生长的养分需求，同时肥效可缓慢释放或控制释放的新型肥料，不仅省时省工、促进作物生长[4]，而且还能有效提高肥料利用率，从而减少过度施肥引起的环境污染问题。因此，缓/控释肥被称作“21 世纪的理想肥料”[5]，在实施化肥“减量增效”、保证粮食安全以及保护生态环境方面极具潜力。【前人研究进展】许多研究表明，缓/控释肥对水稻的生长发育及产量有显著影响[6]，但也有不足之处，如部分脂溶性树脂包膜型缓/控释肥不易降解，易破坏土壤结构[7]，缓/控释肥的生产工艺复杂、价格昂贵以及肥料利用率依然不够高[8]，部分缓/控释肥易释放刺激性物质[9]。现有的水稻缓/控释肥是将肥料施于泥土，虽然缓/控释效果较好，但肥料离水稻根系较远，养分易随雨水流失。种衣剂是一种新型农业技术产品[10]，水稻专用型种衣剂在国内外已进入应用研究阶段。各项研究显示，施用种衣剂能提高水稻产量5%～10%[11-12]。基于缓/控释肥的养分缓/控释肥理论和种衣剂的种子包衣技术，熊远福等[13]提出了一种新型缓/控释肥-水稻种子包衣肥（简称水稻种衣肥）。水稻种子包衣肥的研究应用改变了现有缓/控肥料的载体与施用方式，可有效提高肥料利用率、节省肥料、减少环境污染[14]，达到节本增效、保护环境的目的。【本研究切入点】笔者在该专利基础上进行改进，新加入填料层及膜料层，对研制出的晚稻种衣肥ZFWW-8 的缓释性能进行研究，首次提出晚稻种衣肥的养分释放方程。且目前市面上晚稻种衣肥的应用效果研究尚未见报道，笔者首次进行晚稻种衣肥应用效果试验。【拟解决的关键问题】通过研究晚稻种衣肥ZFWW-8的缓释性能、对晚稻生长及秧苗生理指标的影响，探明晚稻种衣肥ZFWW-8的养分释放特性和应用效果，以期为晚稻种衣肥的性能评价及应用提供参考。

1 试验材料

晚稻种子：象牙香珍，湖南金稻种业有限公司。

晚稻种衣肥：ZFWW-8，由填料（粉剂A）、肥料（粉剂B）和膜料（液剂C）组成。其中，填料由海泡石、滑石粉等组成；肥料为ZFW-8，由尿素、KH2PO4、KCl、微量逸氧剂（CaO2）等组成，N∶P2O5∶K2O=20∶10∶20，养分总含量（N+P2O5+K2O）=50.0%；膜料为KSFA-6T，由可降解树脂A、溶剂及微量色素组成，含量10%。使用时，按包衣比1∶1.25 进行包衣，即种子负载率（种子增重率）125%，其中填料用量99.76%，肥料用量25%，膜料用量2.4%（相当于纯膜料用量0.24%）。晚稻种衣肥由湖南农业大学化学与材料科学学院研制。

2 试验方法

2.1 晚稻种子包衣方法

包衣流程如图1 所示。称取200.0 g 晚稻种子，放入BY300A 小型包衣机中，开启包衣机，先用微型喷雾器向包衣机中喷超纯水，直到种子表面湿润均匀；缓慢加入186.9 g 填料，直到种子表面包衣均匀且包衣机底部无明显残留填料；再向包衣机内喷超纯水至种子表面湿润均匀后，缓慢加入62.5 g 肥料，至种子表面包衣均匀且包衣机底部无明显残留肥料为止；最后向包衣机内喷入6 g 膜料，直至种子表面包衣均匀、颜色一致且包衣机底部无明显残留膜料为止。将包衣后的种子取出放入试样筛，置于45 ℃烘箱内烘60 min。

图1 晚稻种子包衣流程Fig.1 Late-rice seed-coating process

2.2 晚稻种衣肥养分释放特性试验方法

2.2.1 养分N、P、K浸提方法采用养分水中溶出法试验，分别称取一定量的包衣晚稻种子（T）和未包衣晚稻种子（CK），按照GB/T 23348—2009《缓释肥料》规定方法、参考文献[15]的步骤，在肥水比1∶20、25 ℃恒温条件下浸提，按规定时间（1，3，5，7，14，28，42，56，72，84 d）进行浸提液采样，待测。

2.2.2 养分N、P、K 测定方法将包衣晚稻种子（T）、未包衣晚稻种子（CK）和“2.2.1”提取的浸提液，按国标GB/T 8572—2001《复混肥料中总氮含量的测定-蒸馏后滴定法》中的样品处理方法进行处理，N 含量采用凯式定氮仪测定，P 含量采用钒钼黄比色法测定，K 含量采用原子吸收分光光度法测定。具体步骤参照文献[15]。

2.2.3 养分释放指标计算方法晚稻种衣肥养分的原始含量、初期释放率、微分释放率、累积释放率和释放期的测定，按照GB/T 23348—2009《缓释肥料》的规定方法并参考文献[15]所述步骤进行，计算公式如下：

2.3 晚稻种衣肥应用效果试验方法

2.3.1 盆栽试验方法采用泥床培养法，共3种处理：普通撒肥处理T1（肥料混匀于泥床中）、ZFWW-8包衣处理T2和不施肥处理CK，其中T1、T2处理间氮、磷、钾养分用量一致。每个处理3 次重复，每个重复取180 粒种子放入塑料培养盒（规格19 cm×28 cm×18 cm）内的泥床上，培养至35 d。第4 天测发芽势；第8天测定出苗率；第15天起每隔5 d测定一次叶绿素SPAD 值，至播种后第35天为止；第24天测定成苗率、秧苗素质、地上部N、P、K含量并计算肥料吸收利用率；第26天测定根系活力。

2.3.2 指标测定方法秧苗素质：按照文献[16]所述方法，测定成苗率、苗高、茎基宽、总根数、百株鲜重、百株干重、单位苗高干重。

秧苗地上部N、P、K：按照文献[17]所述方法，分别用凯式定氮仪测定N 含量、钒钼黄比色法测定P 含量、原子吸收分光光度法测定K含量。

秧苗根系活力：按照文献[18]所述α-萘胺法，测定秧苗的根系活力。

秧苗叶绿素（SPAD值）：使用SPAD502叶绿素仪测定秧苗叶片SPAD值。

2.4 数据处理

所有试验均重复3次，结果取平均值。采用Excel 2021和Origin Pro 2019对数据进行绘图，采用DPS v3.01 专业版对数据进行处理分析，不同处理间含不同小写字母者表示差异显著（P＜0.05），含不同大写字母者表示差异极显著（P＜0.01）。

3 结果与分析

3.1 晚稻种衣肥ZFWW-8缓释性能

3.1.1 晚稻种衣肥养分原始值晚稻种衣肥养分原始值是计算浸提过程中包衣种子所载肥料养分（N、P、K）释放率的基础。晚稻种衣肥ZFWW-8 养分原始值测定结果：N、P2O5、K2O 分别为3.65%、1.63%和3.42%，养分总含量（N+P2O5+K2O）=8.7%，N∶P2O5∶K2O=2.24∶1∶2.10。

3.1.2 晚稻种衣肥养分初期释放率、微分释放率及释放期初期释放率、微分释放率和释放期是评价包衣肥料缓释能力的重要指标。初期释放率反映的是缓释肥中不具有缓释效果的部分，由表1可知，晚稻种衣肥ZFWW-8 的N、P 和K 的初期释放率均＜40%，国家标准《缓释肥料》GB/T 23348—2009 中规定N的初期释放率应≤15%，晚稻种衣肥ZFWW-8中N的初期释放率为13.86%，符合该要求；微分释放率也称日平均释放率，3种养分的微分释放率均＜1%，其中K的微分释放率最小，仅有0.52%。从释放期来看，N的释放期最长为86.77 d，P、K 的释放期次之，分别为85.62、72.36 d。由此表明，晚稻种衣肥ZFWW-8 具有良好的缓释能力，具有较长的肥效，能满足晚稻幼苗期至分蘖初期生长所需的养分量。

表1 晚稻种衣肥ZFWW-8中养分初期释放率、微分释放率及释放期Tab.1 Initial release rate，differential release rate and release period of N，P and K of late rice seed coating fertilizer ZFWW-8

3.1.3 晚稻种衣肥养分累积释放曲线累积释放率是反映包衣肥料缓释能力的重要指标之一。从图2可知，N 在1～28 d 释放速率较高、释放率增幅较大，在28～56 d释放速率有所降低、释放率的增幅较为稳定，在56～84 d 释放速率缓慢、释放率增幅不明显。国家标准《缓释肥料》GB/T 23348—2009 中规定三元缓释肥料中N 在28 d 的累积释放率应＜80%，晚稻种衣肥ZFWW-8 在28 d 的累积释放率为66.69%，符合该要求；P 在1～28 d 释放速率较快、释放率增幅较大，在28～42 d的释放速率较为平稳、释放率稳步上升，在42～84 d的释放速率明显减慢、释放率增幅逐渐降低；K 在1～14 d 释放速率较快、释放率增幅较大，14 d 之后的释放速率显著降低、释放率的增幅逐渐减小。

图2 晚稻种衣肥ZFWW-8中N、P、K累积释放率曲线Fig.2 Cumulative release rate curve of N，P and K of late-rice seed-coating fertilizer ZFWW-8

从整体的累积释放率来看，包衣晚稻种子的3 种养分在84 d 的累积释放率大小关系为K（81.88%）＞P（79.21%）＞N（78.96%），K 的释放率全时间段内均高于P 和N，N 在初期释放率低于P 的情况下，累积释放率在第7 天时几乎与P 持平，7 d 之后N 的累积释放率高于P，直至接近84 d时，P 的累积释放率最终高于N。3种养分的释放曲线都趋于平缓的抛物线，说明晚稻种衣肥ZFWW-8的养分供给与晚稻幼苗期至分蘖初期需肥规律基本一致。

综上所述，晚稻种衣肥ZFWW-8的缓释性能符合国家标准《缓释肥料》GB/T 23348—2009，养分释放期较长，具有良好的缓释性能。

3.1.4 晚稻种衣肥养分释放方程用DPS v3.01 专业版软件对晚稻种衣肥ZFWW-8 中N、P、K 3 种养分在1～84 d的累积释放率（%）随浸泡时间（T/d）的变化曲线分别进行拟合分析，得到的结果如下：

N的养分累积释放规律符合韦布尔函数模型，其养分释放方程为：

P、K的养分累积释放规律符合房室模型，其养分释放方程分别为：

P=59.637 8*EXP（0.003 477T）-40.207 6*EXP（-0.107 069T），相关系数R=0.998 9

K=66.833 5*EXP（0.002 452T）-35.193 1*EXP（-0.230 741T），相关系数R=0.997 8

上述N、P、K养分释放方程的拟合度较高，拟合值与实测值一致。通过上述各养分释放方程，可预测释放期内各养分任意时间的养分释放率。

3.2 晚稻种衣肥应用效果

3.2.1 晚稻种衣肥对出苗率、成苗率的影响

由表2 可知，3 种处理间出苗率、成苗率的测定结果为CK＞T1＞T2、CK=T1＞T2，其中出苗率T2较CK、T1分别降低了1.39%、1.09%，成苗率T2较CK、T1降低了2.85%。3 种处理的出苗率均＞90%，成苗率均＞88%，且差异不显著。由此说明，晚稻种衣肥对晚稻种子的出苗、成苗无影响。

表2 种子出苗率与成苗率Tab.2 Measurement results of emergence rate and seedling rate

3.2.2 晚稻种衣肥对秧苗素质的影响由表3可知，3种处理间秧苗素质的测定结果为T2＞T1＞CK。T2较CK、T1相比，苗高、茎基宽、总根数分别提高了29.25%、23.74%、75.31%和3.96%、3.93%、19.3%，干重、单位苗高干重分别提高了50.09%、18.68%和8.50%、4.92%。T2与CK 各项秧苗素质差异极显著，T2与T1的干重差异显著，总根数差异极显著。由此说明，相较于普通撒肥，晚稻种衣肥促进秧苗根系生长和植株同化的作用更为显著，能使晚稻吸收积累更多的营养物质从而达到壮苗的作用，为增产打下了良好基础。

表3 秧苗素质Tab.3 Seedling quality

3 种处理间的根系活力测定结果为T2＞T1＞CK，T2较CK 和T1相比分别提高了49.43%、14.82%，3 种处理间差异极显著。试验数据表明，相较于普通撒肥，晚稻种衣肥更能有效提高秧苗的根系活力，促进秧苗根系对土壤中养分的吸收，从而促进秧苗的生长。

3.2.3 晚稻种衣肥对秧苗地上部N、P、K含量及肥料吸收利用率的影响

由表4 可知，3 种处理间N、P、K 的含量测定结果为T2＞T1＞CK，T2的N、P、K 含量较CK、T1分别提高了32.62%、14.49%、11.74%和5.62%、6.04%、2.28%；T2与CK 的P 含量差异显著，N、K 差异极显著；T2与T1的N 含量差异显著。T1和T2的N、P、K 肥料吸收利用率测定结果均为T2＞T1，分别提高了25.8%、37.2%、19.6%，其中N、P肥料吸收利用率差异显著。试验数据表明，相较于普通撒肥，晚稻种衣肥能有效促进秧苗对N、P、K的吸收，提高肥料吸收利用率，因此达到促进晚稻秧苗生长的效果。

表4 秧苗地上部N、P、K含量及肥料吸收利用率Tab.4 N，P，K content and fertilizer absorption and utilization rate in shoot of seedling

3.2.4 晚稻种衣肥对秧苗叶绿素含量的影响由图3 可知，在15～35 d 时，3 种处理间的叶绿素SPAD值均随着时间的增加而上升；就各时间点的叶绿素值比较，叶绿素SPAD 值测定结果均为T2＞T1＞CK，在25～30 d 时，3 种处理之间的叶绿素SPAD 值差异达到最大，T2与CK 差异极显著，T2与T1差异显著；35 d 后，3 种处理之间的叶绿素SPAD 值才逐渐持平。可见晚稻种衣肥ZFWW-8 肥效期长，肥效缓释效果显著，相较于普通撒肥，更能有效提高晚稻秧苗的叶绿素值，促进晚稻秧苗的光合作用，有利于提高晚稻有机物质的积累。

图3 秧苗叶绿素SPAD值Fig.3 Measurement results of chlorophyll SPAD value of seedlings

综上所述，晚稻种衣肥ZFWW-8 对种子萌发无影响，且能有效提高晚稻秧苗的根系活力，促进秧苗对养分的吸收，增强秧苗的光合作用，促进秧苗生长，提高秧苗综合素质，为增产打下良好基础。

4 讨论

缓释特性反映的是包衣肥料的缓释机理，由初期释放率、微分释放率、释放期和累积释放率等评价指标来表征。初期释放率反映的是包衣肥料中包衣不完整的肥料颗粒数量[19]和其速效养分的释放能力，而微分释放率、释放期和累积释放率反映的是该包衣肥料的缓释效果。与湖南农业大学熊海蓉等[14]对晚稻种衣肥ZFWW-6（每100 g晚稻种子载肥量4.425 g）的研究数据相比，ZFWW-8（每100 g晚稻种子载肥量10.875 g）的养分释放期更长、初期释放率更低，具有更优异的缓释性能；与刘海林等[20]通过不同膜材用量、致孔剂及密封剂对植物油包膜尿素的研究数据对比，晚稻种衣肥ZFWW-8的微分释放率和累积释放率显著高于该包膜尿素；与雷明馨等[21]以果皮为基质的缓释氮肥研究数据对比，晚稻种衣肥ZFWW-8 在原始N 含量低于其最低含量的情况下，初期释放率仍较高，分析比较，可能是晚稻种衣肥ZFWW-8的膜料用量较低所造成的原因。综合来看，晚稻种衣肥ZFWW-8的缓释能力已达到大部分缓/控释肥的水准，且缓释效果显著优于其他晚稻种衣肥。下一步可以进一步研究膜材料的改进及用量，以降低初期释放率，达到更高的缓释水平。

应用效果是评价包衣肥料是否具有生产应用价值的重要指标。本研究用出苗率、成苗率、秧苗素质、秧苗N、P、K含量、秧苗根系活力和秧苗叶绿素（SPAD值）等农学指标来表征该包衣肥料的应用效果。本研究数据显示，晚稻种衣肥ZFWW-8 包衣处理的种子出苗率、成苗率略低于普通撒肥，可能是由于种子外表面包裹了一层较厚的种衣肥，包衣种子存在吸水裂解的过程，导致发芽初期包衣晚稻种子的萌发、出苗较缓慢，但不影响其正常生长。施用缓/控释肥能有效促进植物生长发育[22-23]，本研究数据显示，晚稻种衣肥ZFWW-8 包衣处理的晚稻秧苗各项苗素质指标均优于普通撒肥，这与姚久宝等[24]、焦卫平等[25]、唐栓虎等[26]和王少先等[27]学者在缓/控释肥在植物生长发育中的研究结果一致。N、P、K是植物生长必不可缺的养分元素，其含量的高低可作为植株是否缺肥[28]的诊断指标。本研究数据显示，相较于普通撒肥，晚稻种衣肥ZFWW-8 能有效促进秧苗对养分N、P、K 的吸收，这与彭玉等[29]结果一致，且经晚稻种衣肥ZFWW-8 处理的秧苗肥料吸收利用率明显高于普通撒肥，达到了本试验预期设想。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，对植株合成有机物质起着关键性作用[30]。本试验数据显示，晚稻种衣肥ZFWW-8处理的秧苗叶绿素含量在测定时期均高于普通撒肥和CK，这与Zhang等[31]和张树衡等[32]的研究结果一致。因此，在施肥量相同且培养方式相同的情况下，晚稻种衣肥ZFWW-8比普通撒肥对秧苗的生长具有更显著性的促进作用，究其原因是晚稻种衣肥覆盖在种子表面，其释放的养分离根系很近，因此能被晚稻大幅度利用吸收，因而提高了肥料利用率。

本试验对盆栽培养下的晚稻种衣肥ZFWW-8 进行了研究且取得了初期成效，下一步将研究田间培养情况下晚稻种衣肥ZFWW-8 对秧苗各项生理指标的影响，并探索晚稻种衣肥的施用对土壤及微生物等的影响，以进一步探索其应用效果和价值。